CN105790069A - 一种椭圆环形窗口半导体激光器 - Google Patents

Abstract

传统的垂直腔面发射半导体激光器是完全对称的圆形，其输出光为圆形对称光束，光束不是空心的，且具有偏振不稳的状态。本发明提出一种椭圆环形窗口半导体激光器，其结构如图所示：椭圆环形窗口—1、上电极—2、欧姆接触层—3、上分布布拉格反射镜—4、氧化物限制层—5、半导体材料有源增益层—6、下分布布拉格反射镜—7、衬底—8、下电极—9，从椭圆环形窗口到有源增益层的整体结构为椭圆柱形结构，椭圆结构中长轴长度与短轴长度的比值选取范围为3:2至5:4，椭圆柱形结构的中心区域是空的，由刻蚀形成的椭圆形刻蚀区—10，刻蚀从欧姆接触层到上分布布拉格反射镜。本发明以电泵浦方式工作，在椭圆环形窗口的作用下，本发明可以出射椭圆空心光束，出射的椭圆空心光束还具良好的偏振特性，其偏振处于稳态。

Description

一种椭圆环形窗口半导体激光器

技术领域

本发明属于半导体激光器领域，具体涉及一种椭圆环形窗口半导体激光器。

背景技术

光是能量与信息的载体，在我们观察与探索世界中一直发挥着重要的作用。1960年激光的诞生又赋予了人类强度极高的光源，为我们认识与利用光开创了崭新局面。激光光束的形成和传输研究一直是激光领域的主要研究方向。近年来，随着激光技术的发展，一种具有中心光强为零的新颖激光束逐渐形成了，并发展成为特殊的光束家族，空心激光束。空心激光束是一种在传播方向上中心光强为零的环状光束,换句话说，轴向光强为零的光束称为“空心光束”或“暗中空光束”。空心激光束所具有的一系列新颖而深远的物理属性，如面包圈形光强分布、螺旋波阵面、中心奇异涡旋、无衍射特性等正逐渐被研究人员所认识、发展与利用；这些特性使得空心激光束在激光囚禁与冷却、光学镊子、光学微操控、玻色一爱因斯坦凝聚、光学测量、计算全息等方面都有其独特应用；空心光束作为激光导管、光学镊子(光钳)和光学扳手,目前已成为实现微观粒子(如微米粒子、纳米粒子和生物细胞等)精确操纵和控制的有力工具；与此同时,在空心光束的应用中还有需要偏振态椭圆对称分布的光束的领域，这种椭圆对称空心光束具有特殊的聚焦特性，这种特性在导引和俘获粒子、电子加速高分辨显微镜、金属切割、高密度存储等方面具有非常广泛的应用。

通常产生空心激光的方法为在高斯光束的基础上利用一块双圆锥棱镜产生了一束具有双高斯径向强度分布的空心光束，其光束转换原理为：当一高斯光束通过棱镜的第一个顶点折射后，被分束为一发散的空心光束；再经过棱镜的第二次折射后，从另一端产生一束近似平行的面包圈环形空心光束；另外用空心光纤也可以产生空心光束，采用微米尺寸中空光纤的实验装置产生一种类面包圈空心光束；然而以上这些传统产生空心激光的方法通常光路系统非常复杂,制作难度大、体积大、激光器泵浦方式也复杂。产生椭圆空心光束的系统更复杂，通常主要是通过间接方法，如光束变换的方法，是由已知的圆形空心光束经过像散变形得到的椭圆空心光束，由传统的圆形空心光束经过倾斜变形得到，或者利用三棱镜产生椭圆空心高斯光束，这样一来就更增加了整体系统的光路复杂性,同时制作难度也增大、体积变大，不能形成直接的产生椭圆空心光束的激光光源，系统的稳定性也差。

垂直腔面发射激光器是一种新型半导体激光器，具有半导体激光器的体积小、效率高、电泵浦方式简便等优点，并且与边发射半导体激光器相比具有垂直表面出光激光的特点，输出圆形对称光束，以及与光纤耦合效率高等优点；常规的垂直腔面发射激光器结构如图1所示：出光窗口、上电极、欧姆接触层、上分布布拉格反射镜、氧化物限制层、有源增益区、下分布布拉格反射镜、衬底、下电极，从出光窗口到有源增益区的半导体整体为圆柱形结构；激光器封装焊接时，下电极通过焊料焊接到热沉上，为了进一步提高器件的散热效果，可以在下电极与热沉之间加入散热片，通常为金属化的金刚石散热片。这种结构垂直腔面发射激光器的光束是圆对称高斯形，由于器件中心区域也有电流注入形成激光振荡输出，因此不能产生空心激光束，也不能构成直接构成产生椭圆形空心光束的激光器，因此需要一种更理想的半导体激光器结构，从而形成能够直接产生椭圆形空心光束的半导体激光器。

发明内容

为了解决现有技术不能直接产生椭圆形空心激光束，以及现有技术装置复杂、制作难度大、体积大、激光器泵浦方式复杂、稳定差等问题，结合垂直腔面发射激光器具有圆对称形光束的优势，本发明提出一种椭圆环形窗口半导体激光器。一种具有椭圆环形窗口半导体激光器如图2所示，包括：椭圆环形窗口、上电极、欧姆接触层、上分布布拉格反射镜、氧化物限制层、半导体材料有源增益层、下分布布拉格反射镜、衬底、下电极，从椭圆环形窗口到有源增益区的半导体整体为椭圆柱形结构；在椭圆柱形结构的外边墙与上电极之间有电绝缘层；椭圆柱形结构特征还在于在椭圆柱形结构的中心区域是中空的由刻蚀形成的椭圆形刻蚀区，刻蚀从欧姆接触层到上分布布拉格反射镜；刻蚀区的边缘处为氢离子注入形成的边缘高阻区；在刻蚀区下方为有源增层，此部分有源增层是由氢离子注入形成的椭圆形高阻区，高阻区从有源层上表面到下其表面；其特征还在于椭圆柱形结构、椭圆环形出光窗口、椭圆形刻蚀区和椭圆形高阻区是同轴心，并且相应的长轴长度与短轴长度的比值选取范围为3:2至5:4。上电极的边缘与刻蚀区边缘高阻区的边缘构成椭圆环形出光窗口,如图3所示。

本发明的有益效果是：一种椭圆环形窗口半导体激光器工作时，电流从上电极注入，经过欧姆接触层、上分布布拉格反射镜、氧化物电流限制层进入半导体有源区，由于器件中心区刻蚀层和高阻区的存在电流只能在带高阻区与器件的椭圆形柱形成的椭圆环形结构内产生受激发射，形成环形波导结构，并在上、下上分布布拉格反射镜形成的谐振腔形成激光振荡，从上分布布拉格反射镜出射形成椭圆形空心激光束输出。椭圆环形结构中长轴长度与短轴长度的比值取值范围为3:2至5:4；长轴长度与短轴长度的比值大于3:2时，会造成聚焦困难；长轴长度与短轴长度的比值小于5:4时，会造成形成的椭圆偏振态效果不明显,同时偏振稳定性差。通过调节椭圆柱的尺寸、器件中心椭圆刻蚀区、椭圆高阻区的尺寸可以产生不同椭圆空心光束的暗斑尺寸、光束宽度、光束半径、环状光束宽度的椭圆形空心激光束，以满足实际应用的需要。与此同时，一种椭圆环形窗口半导体激光器，该半导体激光器由于在椭圆柱形结构中心区通过刻蚀形成椭圆环形刻蚀区，并在边缘处由氢离子注入形成边缘高阻区，防止电流向边缘扩散，与不进行处理相比有利于减少注入电流的泄漏，同时也有利于减少由于刻蚀边墙粗糙等造成的光散射损耗，降低器件的阈值电流在20%以上，提高器件的电光转换效率在20%以上；刻蚀区由欧姆接触层一直到上分布布拉格反射镜，可以形成有效的椭圆环形光波导；在刻蚀区下方的有源增层部分由氢离子注入形成的椭圆形高阻区，使得注入电流不能进入有源区中心，激光振荡不能在中心区域形成，从而产生了有效的椭圆环形空心激光束，以满足实际应用的广泛的需要，具有产生方式直接、制造工艺简单、体积小、泵浦简便、重复性好，容易推广等优点。在上电极方面通过在椭圆柱形结构外边墙与上电极之间加入电绝缘层如二氧化硅，这样上电极的引线将可以在椭圆柱形结构的旁边而不是在椭圆柱形结构上的上电极上，减少了上电极引线中造成的椭圆柱形结构由于机械冲击而受损，以及由此引起的器件晶格损伤和性能退化，这样一来提高器件成品率和稳定性在50%以上。

附图说明

图1是常规的垂直腔面发射激光器结构。

图2是本发明一种具有椭圆环形窗口半导体激光器外观侧视图。

图3是图2的俯视图。

有益效果

一种椭圆环形窗口半导体激光器工作时，电流从上电极注入，经过欧姆接触层、上分布布拉格反射镜、氧化物电流限制层进入半导体有源区，由于器件中心区刻蚀层和高阻区的存在电流只能在带高阻区与器件的椭圆形柱形成的椭圆环形结构内产生受激发射，形成环形波导结构，并在上、下上分布布拉格反射镜形成的谐振腔形成激光振荡，从上分布布拉格反射镜出射形成椭圆形空心激光束输出。椭圆环形结构中长轴长度与短轴长度的比值选取范围为3:2至5:4；长轴长度与短轴长度的比值大于3:2时，会造成聚焦困难；长轴长度与短轴长度的比值小于5:4时，会造成形成的椭圆偏振态效果不明显,同时偏振稳定性差。通过调节椭圆柱的尺寸、器件中心椭圆刻蚀区、椭圆高阻区的尺寸可以产生不同椭圆空心光束的暗斑尺寸、光束宽度、光束半径、环状光束宽度的椭圆形空心激光束，以满足实际应用的需要。与此同时，一种椭圆环形窗口半导体激光器，该半导体激光器由于在椭圆柱形结构中心区通过刻蚀形成椭圆环形刻蚀区，并在边缘处由氢离子注入形成边缘高阻区，防止电流向边缘扩散，与不进行处理相比有利于减少注入电流的泄漏，同时也有利于减少由于刻蚀边墙粗糙等造成的光散射损耗，降低器件的阈值电流在20%以上，提高器件的电光转换效率在20%以上；刻蚀区由欧姆接触层一直到上分布布拉格反射镜，可以形成有效的椭圆环形光波导；在刻蚀区下方的有源增层部分由氢离子注入形成的椭圆形高阻区，使得注入电流不能进入有源区中心，激光振荡不能在中心区域形成，从而产生了有效的椭圆环形空心激光束，以满足实际应用的广泛的需要，具有产生方式直接、制造工艺简单、体积小、泵浦简便、重复性好，容易推广等优点。在上电极方面通过在椭圆柱形结构外边墙与上电极之间加入电绝缘层如二氧化硅，这样上电极的引线将可以在椭圆柱形结构的旁边而不是在椭圆柱形结构上的上电极上，减少了上电极引线中造成的椭圆柱形结构由于机械冲击而受损，以及由此引起的器件晶格损伤和性能退化，这样一来提高器件成品率和稳定性在50%以上。

具体实施方式

本发明的一种椭圆环形窗口半导体激光器包括：椭圆环形窗口-1、上电极-2为Ti/Pt/Au、欧姆接触层-3为GaAs、上分布布拉格反射镜-4为P型25周期Al_0.1Ga_0.9As/Al_0.8Ga_0.2As、氧化物限制层-5为Al₂O₃，氧化物限制层是通过Al组分0.98的AlGaAs层通过湿法氧化法形成的，宽度为3-5微米、有源增益区-6为GaAs/Al_0.2Ga_0.8As量子阱区、下分布布拉格反射镜-7为N型40周期Al_0.1Ga_0.9As/Al_0.8Ga_0.2As、衬底-8为GaAs、下电极-9为Au/Ge/Ni，从出光窗口到有源增益区的半导体整体为椭圆柱形结构，长轴120微米，短轴90微米；其特征还在于在椭圆柱形结构的中心区域采用干法刻蚀或者湿法刻蚀技术形成椭圆形刻蚀区-10，其长轴为90微米，短轴为60微米，在椭圆形刻蚀区的边缘由氢离子注入形成的高阻区-11，宽度为3微米，在椭圆形刻蚀区下方是由氢离子注入形成的椭圆形高阻区-12，其长轴为90微米，短轴为60微米，高阻区上分布布拉格反射镜层的下表面一直到有源层；在椭圆柱形结构与上电极之间有电绝缘层-13为SiO₂；上电极的边缘与刻蚀区的外边缘构成环形的椭圆环形出光窗口，如图3所示。

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体材料、结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

Claims (3)

1.一种椭圆环形窗口半导体激光器，其特征在于椭圆环形窗口、上电极、欧姆接触层、上分布布拉格反射镜、氧化物限制层、半导体材料有源增益层、下分布布拉格反射镜、衬底、下电极，从椭圆环形窗口到有源增益区的半导体整体为椭圆柱形结构，在椭圆柱形结构的外边墙与上电极之间有电绝缘层。

2.一种椭圆环形窗口半导体激光器，其结构特征在于椭圆柱形结构的中心区域是中空的，由刻蚀形成的椭圆形刻蚀区，刻蚀从欧姆接触层到上分布布拉格反射镜，刻蚀区的边缘处为氢离子注入形成的边缘高阻区，高阻区从有源层上表面到下其表面。

3.一种椭圆环形窗口半导体激光器，其特征还在于椭圆柱形结构、椭圆环形出光窗口、椭圆形刻蚀区和椭圆形高阻区是同轴心，并且椭圆结构中长轴长度与短轴长度的比值取值范围为3:2至5:4，上电极的边缘与刻蚀区边缘高阻区的边缘构成椭圆环形出光窗口。