CN104269738A

CN104269738A - 采用腔面光栅的波长稳定半导体激光器

Info

Publication number: CN104269738A
Application number: CN201410535783.3A
Authority: CN
Inventors: 王勇; 郝永芹; 冯源; 邹永刚; 芦鹏; 李再金; 李洋; 刘丹丹; 叶镇; 高占琦
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2014-10-11
Filing date: 2014-10-11
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2034-10-11
Also published as: CN104269738B

Abstract

采用腔面光栅的波长稳定半导体激光器属于半导体激光器技术领域。现有采用体布拉格光栅的外腔半导体激光器体积较大；现有采用内置布拉格光栅的分布反馈半导体激光器其制作需要进行芯片的二次外延生长，导致外延结构复杂，不可避免地造成污染和引进缺陷。本发明是一种边发射半导体激光器，激光器芯片外延结构的前腔面、后腔面均覆有增透膜，在后腔面增透膜上沉积有增反膜；所述增透膜为Si₃N₄膜；所述增反膜的膜系结构及材料为[Ge/SiO₂]³Ge；在前腔面增透膜上沉积有一组平行条形增反膜，由前腔面增透膜和该组条形增反膜构成腔面光栅，腔面光栅方向与所述外延结构衬底方向垂直，腔面光栅占空比σ为0.2～0.3，所述条形增反膜的膜系结构及材料为[Ge/SiO₂]³Ge。

Description

采用腔面光栅的波长稳定半导体激光器

技术领域

本发明涉及一种采用腔面光栅的波长稳定半导体激光器，在半导体激光器腔面上制作光栅，能够实现波长稳定，属于半导体激光器技术领域。

背景技术

在边发射半导体激光器中，高功率808nm波长稳定半导体激光器波长稳定性高、光谱线宽窄、工作温度范围宽，能够用于抽运Nd:YAG固体激光器、激光加工和激光医疗等领域。

现有808nm波长稳定半导体激光器有两种。一是采用体布拉格光栅的外腔半导体激光器，其结构特点为光栅外置，即所述体布拉格光栅置于半导体激光器芯片之外，构成一个外腔波长锁定系统，其外腔选频发射工作方式致使激光器输出波长稳定在这一布拉格波长上。二是采用内置布拉格光栅的分布反馈半导体激光器，其结构特点为光栅内置，即所述布拉格光栅内置于半导体激光器芯片外延结构的谐振腔中，利用折射率的周期变化实现光反馈，借助所述布拉格光栅的耦合作用稳定波长。

然而，所述采用体布拉格光栅的外腔半导体激光器由于其中的外腔波长锁定系统复杂、精密、非常敏感且需要高度对准，使得这种激光器存在以下不足：1、体积较大；2、稳定性较低；3、抗振动、冲击能力弱；4、散热装置昂贵；5、泵浦的制造成本较高。这些不足限制了这种激光器的应用。

所述采用内置布拉格光栅的分布反馈半导体激光器其制作需要在激光器芯片的一次外延之后进行光刻、腐蚀，然后再进行芯片的二次外延生长，不仅导致外延结构复杂，而且还不可避免地造成污染和引进缺陷，从而降低器件的性能。

发明内容

本发明的目的在于，在实现波长稳定的同时，克服现有技术存在的不足，减小激光器体积，提高稳定性，提高抗振动、冲击能力，降低成本，避免在制作过程中造成污染和引进缺陷。为此，我们发明了一种采用腔面光栅的波长稳定半导体激光器。

本发明之采用腔面光栅的波长稳定半导体激光器是一种边发射半导体激光器，激光器芯片外延结构的前腔面、后腔面均覆有增透膜1，如图1所示，在后腔面增透膜1上沉积有增反膜2；其特征在于，所述增透膜1为Si3N4膜；所述增反膜2的膜系结构及材料为[Ge/SiO₂]³Ge；在前腔面增透膜1上沉积有一组平行条形增反膜3，由前腔面增透膜1和该组条形增反膜3构成腔面光栅4，如图1、图2所示，腔面光栅4方向与所述外延结构衬底方向垂直，腔面光栅4占空比σ为0.2～0.3，所述条形增反膜3的膜系结构及材料为[Ge/SiO₂]³Ge。

本发明其技术效果如下所述。

本发明方案中的Si₃N₄膜在作为增透膜的同时还作为钝化层使用。所述的条形增反膜具有遮光作用，一组这样的条形增反膜构成了腔面光栅。所述的腔面光栅既非光栅外置，也非光栅内置，因而，本发明不存在现有技术中的该两种方案的不足。激光器芯片外延结构前腔面上的腔面光栅也是一种布拉格光栅，与芯片外延结构后腔面上的增反膜形成谐振腔，在芯片外延结构有源层内产生的光子就会在前腔面与后腔面之间形成振荡，增益后产生激光。

增透膜使用的Si₃N₄材料具有足够大的禁带宽度，达5eV。当本发明之波长稳定半导体激光器衬底材料为GaAs时，GaAs材料对808nm波长的折射率为3.5，Si₃N₄材料对808nm波长的折射率为2.0，如图3所示，按照透射率计算公式，当增透膜几何厚度为101nm时，透射率为99.5％，如图4所示，达到无吸收透明输出，而808nm波长半导体激光具有广泛和成熟的应用，这使得本发明具有重要的现实意义。同时，Si₃N₄材料作为一种陶瓷材料具有良好的绝缘性，电阻率高达1014Ω·cm，能够限制半导体中的载流子进入钝化层。另外，Si₃N₄材料还具有良好的导热性，热导率为16.7W·cm-1·K-1，能够辅助热沉散热，改善芯片散热效果。再有，Si₃N₄材料还具有机械强度高、热稳定性好、抗氧化能力强、化学稳定性好等物理化学特性。

本发明方案中的后腔面增反膜及腔面光栅中的条形增反膜的膜系结构及材料均为[Ge/SiO₂]³Ge，这是在增透膜确定为Si₃N₄膜的基础上进行优化设计所得到的方案，此时增透膜与增反膜构成一个新的膜系，即：Si₃N₄[Ge/SiO₂]³Ge，当激光波长为808nm时，该膜系反射率高达99.95％，如图5所示，反射谱宽度为297nm，增反膜几何厚度为607.6nm。而现有技术中的808nmGaAs基边发射半导体激光器后腔面增反膜的膜系结构及材料为[Si/SiO₂]³Si，钝化层为Si膜，构成的新的膜系为Si[Si/SiO₂]³Si，该膜系反射率仅为99.27％，反射谱宽度也仅为110nm，增反膜膜系几何厚度为651.6nm。众所周知，半导体激光器芯片增反膜的反射率越高越好，这样能够降低器件的激射阈值、提高激光器在前腔面的输出效率，由上述内容可知，本发明在这一点上同样获得了进步。并且，由光学薄膜设计理论可知，两种材料的折射率差别越大，反射谱宽度越宽，同时，层数越多，所形成的膜系的反射率越高，本发明经优化设计，选取Ge替代Si，由于Si的折射率只有3.42，远低于Ge的折射率4.2，结果是，本发明在加宽反射谱宽度的同时，以最少的层数得到最小的增反膜几何厚度607.6nm，远小于现有技术中的增反膜的几何厚度651.6nm，膜层应力也就小得多，其益处不言而喻。

本发明方案中的腔面光栅以增透膜为基底，由一组条形增反膜形成周期性遮光带，形成窄带滤波作用。并且，腔面光栅占空比σ确定为0.2～0.3，如此设计效果之一是能够获得最大的耦合系数K，如图6所示，耦合系数K达到60，得到适合的腔面光栅透射率，提高激光器输出效率，实现波长锁定，进而稳定波长。腔面光栅基底的透射率和遮光带的反射率对于同一波长如808nm均具有接近100％的透射率和反射率，如图5所示，结合所确定的占空比σ，最大程度地化解了器件阈值电流密度与微分量子效率之间的矛盾，也就是在提高器件的微分量子效率的同时，尽量压低因输出损耗的增加而导致的器件阈值电流密度的升高。

本发明在最大程度地化解器件阈值电流密度与微分量子效率之间的矛盾的同时，还力求简化半导体激光器腔面光栅制作工艺，一是表现在腔面光栅基底增透膜与芯片外延结构后腔面增透膜相同；二是表现在腔面光栅中的条形增反膜的膜系结构及材料与芯片外延结构后腔面增反膜相同。

附图说明

图1是本发明之半导体激光器芯片部分结构主视示意图，该图同时作为摘要附图。图2是本发明之半导体激光器芯片腔面光栅左视示意图。图3是本发明之半导体激光器芯片增透膜使用的Si₃N₄材料对不同波长的折射率关系曲线图，该图利用光子能量hν与波长的关系绘制。图4是本发明之半导体激光器增透膜对不同波长的透射率关系曲线图。图5是本发明之半导体激光器芯片中的Si₃N₄[Ge/SiO₂]³Ge膜系反射率与波长关系曲线图，以及芯片中的Si₃N₄膜透射率与波长关系曲线图，后者根据透射率与反射率的关系绘制，图中曲线1为Si₃N₄[Ge/SiO₂]³Ge膜系反射率与波长关系曲线，曲线2为Si₃N₄膜透射率与波长关系曲线。图6是本发明之半导体激光器芯片外延结构上的腔面光栅占空比σ与耦合系数K关系曲线图。图7是本发明之半导体激光器芯片外延结构示意图。

具体实施方式

本发明之采用腔面光栅的波长稳定半导体激光器是一种边发射半导体激光器，激光器芯片外延结构的前腔面、后腔面均覆有增透膜1，如图1所示，在后腔面增透膜1上沉积有增反膜2。所述增透膜1为Si₃N₄膜，膜厚101nm。所述增反膜2的膜系结构及材料为[Ge/SiO₂]³Ge，膜厚607.6nm。在前腔面增透膜1上沉积有一组平行条形增反膜3，由前腔面增透膜1和该组条形增反膜3构成腔面光栅4，如图1、图2所示，腔面光栅4方向与所述外延结构衬底方向垂直，腔面光栅4占空比σ为0.2～0.3，所述条形增反膜3的膜系结构及材料为[Ge/SiO₂]³Ge，膜厚607.6nm。腔面光栅4的周期为一级周期120nm，或者二级周期240nm，后者的工艺相对简单。

下面结合半导体激光器芯片的制作工艺具体说明本发明。

(1)采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)方法在n型GaAs(100)衬底上外延生长标准808nm半导体激光器芯片外延结构，依次为：缓冲层、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层、欧姆接触层，如图7所示。

(2)采用等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)方法在所述外延结构的后腔面、前腔面上沉积Si₃N₄增透膜，作为无吸收窗口钝化层，沉积厚度控制为101nm。

(3)采用等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)方法在所述外延结构的后腔面增透膜上沉积[Ge/SiO₂]³Ge增反膜，沉积厚度控制为607.6nm；同时结合掩膜、光刻技术，采用等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)方法在所述外延结构的前腔面增透膜上沉积[Ge/SiO₂]³Ge条形增反膜，沉积厚度控制为607.6nm，制作出腔面光栅。由Si₃N₄增透膜与[Ge/SiO₂]³Ge增反膜构成的新的膜系的具体结构参数如下表所示。

Claims

1.一种采用腔面光栅的波长稳定半导体激光器，是一种边发射半导体激光器，激光器芯片外延结构的前腔面、后腔面均覆有增透膜(1)，在后腔面增透膜(1)上沉积有增反膜(2)；其特征在于，所述增透膜(1)为Si₃N₄膜；所述增反膜(2)的膜系结构及材料为[Ge/SiO₂]³Ge；在前腔面增透膜(1)上沉积有一组平行条形增反膜(3)，由前腔面增透膜(1)和该组条形增反膜(3)构成腔面光栅(4)，腔面光栅(4)方向与所述外延结构衬底方向垂直，腔面光栅(4)占空比σ为0.2～0.3，所述条形增反膜(3)的膜系结构及材料为[Ge/SiO₂]³Ge。

2.根据权利要求1所述的采用腔面光栅的波长稳定半导体激光器，其特征在于，所述增透膜(1)的膜厚为101nm；所述增反膜(2)的膜厚为607.6nm；所述条形增反膜(3)的膜厚为607.6nm。

3.根据权利要求1所述的采用腔面光栅的波长稳定半导体激光器，其特征在于，所述腔面光栅4的周期为一级周期120nm，或者二级周期240nm。