CN1088933C - 高功率高亮度激光器 - Google Patents
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Abstract
一种高功率高亮度的半导体P-I-N二极管激光器的芯片结构，它包括由在折射率分布各不相同的一有源子波导和一无源子波导之间夹接一层耦合层组成一组合波导，组合波导的无源子波导一侧叠接下层限制层并叠接在一块半导体基片上，半导体基片、下层限制层、无源子波导以及耦合层具有同一型号，有源子波导是由三层或多层量子叠层与二层或多层量子阱有源层交替叠接形成，它们是不掺杂的，有源子波导的上面叠接P型的上层限制层和一脊形结构。
Description
本发明涉及一种半导体二极管激光器的芯片结构，特别涉及一种能够增大输出功率，能在基侧、横模单峰远场工作，并减小远场发散角的半导体脊形波导二极管激光器的芯片结构。
在许多实际应用中，都要求半导体激光器具有更高的输出功率，并减小远场发散角，最好使得垂直结平面方向与平行结平面方向的发散角相等。这样的半导体激光器，可以满足掺铒光纤放大器中的泵浦源、激光手术刀、红外照明、泵浦固体激光器以及产生倍频的蓝或绿光等诸多需要。
现有半导体激光器一直在提高输出功率、单模工作和减小横向远场发散角等方面不断取得进展。1993年3月23日公开的美国专利US5197077提出了一种单模、减小远场发散角、提高输出光功率的脊形波导二极管激光器。包含由分别夹着量子阱的三对梯度折射率层组成的多层外延结构，靠近PN结的中心量子阱沿腔长方向传播光信号，两边的量子阱则提供扩展的光场，减小远场发散角，以此结构获得的横向和侧向远场发散角分别为21°和3.5°。然而，由于该结构的器件横向近场分布在中心量子阱处特别强，光功率密度最高，在高功率工作时，此处光功率密度首先达到致命光学损坏(COD)值，它限制着输出功率的提高。
本发明的目的是为克服上述现有技术的缺陷，避免在激光器谐振腔波导中形成局部的高功率密度区，以实现高功率的输出。
为了实现本发明的目的，本发明提供了一种半导体P-I-N二极管激光器的芯片结构，它包括由在折射率分布各不相同的一有源子波导和一无源子波导之间夹接一层耦合层组成一组合波导，用作激光器的谐振腔波导，其中有源子波导是由三层或更多层的量子垒层与二层或多层量子阱有源层交替相间叠接形成，用以进行光信号的放大与振荡并使其沿着组合波导的轴向传播，有源子波导为不掺杂的本征区，耦合层的折射率为光信号传播模折射率，无源子波导为折射率大于光信号传播模折射率的导引层，在与耦合层相对的无源子波导的一侧邻接折射率低于耦合层的下层限制层，用以使光信号的传播在组合波导轴的横向受到适当的约束，以减小远场发散角，下层限制层叠接在一块半导体基片上，下层限制层、无源子波导以及耦合层均为与半导体基片相同型号的掺杂区，在与耦合层相对的有源子波导的一侧邻接折射率低于耦合层的上层限制层，同样用以使光信号的传播在组合波导轴的横向受到约束，在上层限制层上形成一个约束侧向电流和光信号传播并具有台面和沟槽的常规脊形结构，上层限制层与脊形结构均为与半导体基片相反型号的掺杂区。
本发明半导体二极管激光器的芯片结构增大了谐振腔的截面，扩充了谐振腔的有效体积，使横向场中心有一个均匀的光子密度区，从而能够实现本发明的目的，提高光的输出功率，并有基横模和远场单峰结构，使光功率集中在单峰中央，提高了激光亮度。
下面结合附图对本发明的最佳实施例进行详细描述。
图1为本发明第一实施例半导体激光器芯片的剖面结构示意图。
图2为本发明第一实施例半导体激光器芯片的组合波导材料组成分布图。
图3为本发明第一实施例半导体激光器芯片的组合波导的折射率和光强分布图。
图4为本发明第二实施例半导体激光器芯片的组合波导的折射率和光强分布图。
图5为本发明第一实施例半导体二极管激光器的光强随远场发散角的变化图。
图1示出本发明第一实施例半导体激光器芯片的剖面示意结构。为获得980nm激射波长。所示的芯片结构10是用分子束外延(MBE)或金属有机化合物化学汽相淀积(MOCVD)的方法在掺Si的n型GaAs基片22上形成的一个多层结构。它在n型GaAs基片22上，依次生长n型GaAs缓冲层24、以及包括N型Al0.35Ga0.65As第二低折射率限制层26和N型Al0.45Ga0.55As第一低折射率限制层28的下层限制层、N型Al0.2Ga0.8As高折射率无源子波导导引层30、N型Al0.336Ga0.664As耦合层32、不掺杂的GaAs量子垒层34、不掺杂的In0.2Ga0.8As量子阱有源层36、不掺杂的GaAs量子垒层38、不掺杂的In0.2Ga0.8As量子阱有源层40、不掺杂的GaAs量子垒层42、P型掺杂Al0.45Ga0.55As低折射率上层限制层44以及重掺杂P型GaAs顶盖层46。
接着，按照已有技术在上层限制层44和顶盖层46上加工成双侧有沟槽的脊形台面48。沟槽底到上层限制层44和量子垒42之间界面的距离56，由台宽而定。在整个表面淀积绝缘介质50，并在台面48上开出窗口52。之后，再淀积p型金属接触层并形成p型上电极54。然后，在减薄了的半导体基片22上，形成金属n型下电极层58。这样就制成了一个P-I-N半导体二极管激光器的芯片结构。
图2示出本发明第一实施例半导体二极管激光器芯片的组合波导的材料组成分布，Y轴的原点上方表示铝组分，下方表示铟组分。图3示出由图2的材料组成分布所产生的折射率分布曲线A，以及在工作条件下组合波导内的光强分布曲线B。由于两个子波导的相互耦合，使得组合波导中央耦合区的光强分布呈现一个平坦的均匀分布。其条件是两个子波导具有相等的导引强度和耦合层折射率等于组合波导的传播模折射率。显然，这种光场避免了尖峰状分布，增大了光场截面积。对于归一化光强分布，光场分布积分面积用长度表示。在满足增益阈值条件下，该项实施例激光器谐振腔光场截面积达823nm，约为通常激光器的两倍。
本发明的第二项实施例是为获得850nm波长激光器，在组合波导的有源子波导中具有3层GaAs量子阱层。在满足增益阈值条件下，谐振腔光场归一化积分面积达1023nm。其组合波导是在与半导体基片相同型号的掺杂层上依次叠接的包括N型Al0.35Ga0.65As第二低折射率限制层和N型Al0.45Ga0.55As第一低折射率限制层的下限制层、N型Al0.22Ga0.78As高折射率无源子波导导引层、N型Al0.336Ga0.664As耦合层、不掺杂的Al0.22Ga0.78As量子垒层、不掺杂的GaAs量子阱有源层、不掺杂的Al0.22Ga0.78As量子垒层、不掺杂的GaAs量子阱有源层、不掺杂的Al0.22Ga0.78As量子垒层、不掺杂的GaAs量子阱有源层、不掺杂的Al0.22Ga0.8As量子垒层、P型掺杂Al0.45Ga0.55As低折射率上层限制层以及重掺杂P型GaAs顶盖层。
图4示出本发明第二实施例半导体二极管激光器的组合波导中的折射率分布曲线A’以及在工作条件下组合波导内的光强分布曲线B’。更大的横向光场积分面积，要求更多的量子阱作为有源层，以满足增益阈值条件。量子阱有源层采用GaAs材料，比InyGa1-yAs有较宽的带隙。因而，获得比第一实施例激光器更短的激射波长。
图5示出本发明第一实施例半导体二极管激光器的光强随远场发散角的变化，远场发散角为25°。
Claims (7)
1.一种形成在一块半导体基片上的半导体P-I-N二极管激光器的芯片结构，其特征在于，它包括由在折射率分布各不相同的一有源子波导和一无源子波导之间夹接一层耦合层组成一组合波导，用作所述激光器的谐振腔波导，其中所述有源子波导是由三层或更多层的量子垒层与二层或多层量子阱有源层交替相间叠接形成，用以进行光信号的放大与振荡并使其沿着所述组合波导的轴向传播，所述有源子波导为不掺杂的本征区，所述耦合层的折射率为光信号传播模折射率，所述无源子波导为折射率大于光信号传播模折射率的导引层，在与所述耦合层相对的所述无源子波导的一侧邻接折射率低于所述耦合层的下层限制层，用以使光信号的传播在所述组合波导轴的横向受到适当约束，以减小远场发散角，所述下层限制层叠接在所述的一块半导体基片上，所述下层限制层、所述无源子波导以及所述耦合层均为与所述半导体基片相同型号的掺杂区，在与所述耦合层相对的所述有源子波导的一侧邻接折射率低于所述耦合层的上层限制层，同样用以使光信号的传播在所述组合波导轴的横向受到约束，在所述上层限制层上形成一个约束侧向电流和光信号传播并具有台面和沟槽的常规脊形结构，所述上层限制层以及所述脊形结构均为与所述半导体基片相反型号的掺杂区。
2.按照权利要求1所述的半导体P-I-N二极管激光器的芯片结构，其特征在于，所述的半导体基片是n型GaAs半导体基片。
3.按照权利要求1所述的半导体P-I-N二极管激光器的芯片结构，其特征在于，所述的所述下层限制层叠接在所述的一块半导体基片上还包含在所述下层限制层与所述半导体基片之间设有一层缓冲层。
4.按照权利要求2或3所述的半导体P-I-N二极管激光器的芯片结构，其特征在于，所述下层限制层、所述无源子波导以及所述耦合层均为n型AlXGa1-XAs层，其中x在0.1至0.35的范围内，所述量子垒层均为不掺杂的GaAs本征层，所述量子阱有源层均为不掺杂的InYGa1-YAs本征层，其中y在0至0.2的范围内，所述上层限制层为P型AlXGa1-XAs层，其中的x在0.2至0.45的范围内。
5.按照权利要求1所述的半导体P-I-N二极管激光器的芯片结构，其特征在于，所述的下层限制层是由邻接所述无源子波导的一层第一低折射率限制层以及与所述第一低折射率限制层邻接的一层第二低折射率限制层组成，所述第一低折射率限制层的折射率低于所述第二低折射率限制层。
6.按照权利要求1所述的半导体P-I-N二极管激光器的芯片结构，其特征在于，所述有源子波导是由三层所述量子垒层与二层所述量子阱有源层交替相间叠接形成的。
7.按照权利要求1所述的半导体P-I-N二极管激光器的芯片结构，其特征在于，所述有源子波导是由四层所述量子垒层与三层所述量子阱有源层交替相间叠接形成的。
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