CN109687286A - 一种双向输出半导体激光器 - Google Patents

一种双向输出半导体激光器 Download PDF

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邹永刚
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范杰
石琳琳
王海珠
兰云萍
马晓辉
徐英添
张贺
郝永芹
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
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Abstract

本申请属于半导体封装技术领域，特别是涉及一种双向输出半导体激光器。现有的双向输出半导体激光器结构复杂，制备工艺繁琐。本申请提供了一种双向输出半导体激光器，包括相对设置的N面电极和P面电极，N面电极与P面电极之间设置有功能层，在第一方向上，功能层包括依次设置的衬底、N型限制层、N型波导层、有源区、P型波导层和P型限制层，第一方向为由所述N面电极指向P面电极的方向；P面电极与P型限制层之间设置有二阶光栅层，二阶光栅层设置于P型限制层上。实现了高功率、高光束质量双向激光输出；此外该双向输出半导体激光器制作简单，体积小，适用于半导体激光加工、光纤激光器和固体激光器泵浦等领域应用。

Description

一种双向输出半导体激光器
技术领域
本申请属于半导体封装技术领域，特别是涉及一种双向输出半导体激光器。
背景技术
半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲工作，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。
半导体激光器因其具有高功率、高转换效率、体积小等优点被广泛应用于工业、医疗和军事等领域，但出射激光发散角较大，需要进行光束整形和光纤耦合。为了克服边发射半导体激光器的局限性，表面发射分布反馈半导体激光器件进入科研者的视野，该类型器件兼具高功率、高光束质量和窄线宽等优势，在半导体激光加工、光纤激光器和固体激光器泵浦等方面具有广泛的应用前景。而现有的高功率、高光束质量半导体激光器结构复杂，制备工艺繁琐。
发明内容
1.要解决的技术问题
为了克服高功率半导体激光器在工业、医疗和军事等领域应用时的局限性，表面发射分布反馈半导体激光器件进入科研者的视野，该类型器件兼具有高功率、高光束质量和窄线宽等优势，在半导体激光加工、光纤激光器和固体激光器泵浦等方面具有广泛的应用前景。而现有的高功率、高光束质量半导体激光器结构复杂，制备工艺繁琐等问题，本申请提供了一种双向输出半导体激光器。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种双向输出半导体激光器，包括相对设置的N面电极和P面电极，所述N面电极与所述P面电极之间设置有功能层，在第一方向上，所述功能层包括依次设置的衬底、N型限制层、N型波导层、有源区、P型波导层和P型限制层，所述第一方向为由所述N面电极指向所述P面电极的方向；
所述P面电极与所述P型限制层之间设置有二阶光栅层，所述二阶光栅层设置于所述P型限制层上。
可选地，所述二阶光栅层刻蚀至所述P型限制层上。
可选地，所述二阶光栅层为P型二阶光栅层，所述P型二阶光栅层包括脊形结构。
可选地，还包括第一腔面和第二腔面，所述第一腔面设置于所述双向输出半导体激光器一侧，所述第二腔面设置于所述双向输出半导体激光器另一侧，所述第一腔面上设置有增透膜，所述第二腔面上设置有高反膜。
可选地，所述有源区为量子阱有源区或量子点有源区。
可选地，所述脊形结构采用紫外曝光，然后进行等离子刻蚀。
可选地，还包括出光口，所述出光口上设置有增透膜，所述出光口设置于所述衬底另一侧。
可选地，所述P型限制层采用AlxGa1-xAs材料，所述二阶光栅层采用GaAs材料，所述二阶光栅层周期为300nm，占空比为0.4，深度400nm。
可选地，所述N型波导层和所述P型波导层采用AlxGa1-xAs材料，所述N型波导层和所述P型波导层的厚度比为4：1。
可选地，所述衬底为N型掺杂的GaAs衬底，所述二阶光栅层采用全息曝光/电子束曝光，然后进行等离子刻蚀。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的一种双向输出半导体激光器的有益效果在于：
本申请提供的双向输出半导体激光器，通过在N面电极与所述P面电极之间设置衬底、N型限制层、N型波导层、有源区、P型波导层和P型限制层，在P面电极与P型限制层之间设置二阶光栅层，使得光栅结构将增益放大的光分别衍射为沿相互垂直方向传播的二级衍射光和一级衍射光，二级衍射光沿着传播方向进行振荡增益之后，进行选模和反馈，从腔面出射；一级衍射光沿传播方向从衬底出光口出射。实现了高功率、高光束质量激光双向输出；此外该双向输出半导体激光器制作简单，体积小，适用于半导体激光加工、光纤激光器和固体激光器泵浦等领域应用。
附图说明
图1是本申请的一种双向输出半导体激光器结构示意图；
图2是本申请的一种双向输出半导体激光器立体结构示意图；
图中：1-N面电极、2-P面电极、3-衬底、4-N型限制层、5-N型波导层、6-有源区、7-P型波导层、8-P型限制层、9-二阶光栅层、10-第一腔面、11-第二腔面、12-出光口。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
表面发射分布反馈双向输出半导体激光器采用的二阶布拉格光栅，只有满足布拉格条件的光波才能形成稳定的光反馈，而不满足布拉格条件的光波则被衰减消失，因此光栅同时具有选波的功能。该器件在电注入激励(P面电极为正极，N面电极为负极)时，N型半导体材料提供的电子与P型半导体材料提供的空穴在有源区进行复合，形成电子-空穴对并辐射出光子。当注入电流达到阈值电流时，光子与二阶光栅相互作用，在前后腔面形成的谐振腔内不断反射，使前向光波和后向光波发生耦合，实现增益放大，从前腔面输出激光；其中部分光子会受到二阶光栅的一级衍射作用，使激光垂直于结面从N面衬底输出激光，出射光斑为近圆形光斑，远场发散角小于12°，优于传统边发射双向输出半导体激光器远场发散角。
参见图1～2，本申请提供一种双向输出半导体激光器，包括相对设置的N面电极1和P面电极2，所述N面电极1与所述P面电极2之间设置有功能层，在第一方向上，所述功能层包括依次设置的衬底3、N型限制层4、N型波导层5、有源区6、P型波导层7和P型限制层8，所述第一方向为由所述N面电极1指向所述P面电极2的方向；
所述P面电极2与所述P型限制层8之间设置有二阶光栅层9，所述二阶光栅层9设置于所述P型限制层8上。
该二阶光栅层9加入双向输出半导体激光器中，其衍射效应可以改变器件的出光方向。光栅结构用于将增益放大的光分别衍射为沿相互垂直方向传播的二级衍射光和一级衍射光，二级衍射光沿着传播方向进行振荡增益之后，进行选模和反馈，从腔面出射；一级衍射光使激光垂直于结面从N面衬底出射激光。
进一步地，所述二阶光栅层9刻蚀至所述P型限制层8上。
进一步地，所述二阶光栅层9为P型二阶光栅层，所述P型二阶光栅层包括脊形结构，用于限制电流扩散效应。
进一步地，还包括第一腔面10和第二腔面11，所述第一腔面10设置于所述双向输出半导体激光器一侧，所述第二腔面11设置于所述双向输出半导体激光器另一侧，所述第一腔面10上设置有增透膜，所述第二腔面11上设置有高反膜。
出光方向的水平方向是指激光器的光谐振方向，出光方向的垂直方向是指与水平方向垂直的方向，谐振腔是指光波在其中来回反射从而提供光能反馈的腔，由工作介质和两端面高反膜和增透膜构成。高反膜反射率为98％，增透膜透射率为40％，兼顾表面出光和腔面出光效率。抗反膜即增透膜蒸镀在前腔面，高反膜蒸镀在后腔面，提升腔面出光效率，降低腔面损失阈值。
这里的第一腔面10指前腔面，该面镀增透膜，即将增透膜覆盖在前腔面上；对应后腔面即第二腔面11为高反膜。出射方向一个为衬底3表面出射，一个出射方向为前腔面有源区6附近。
进一步地，所述有源区6为量子阱有源区或量子点有源区。
进一步地，所述脊形结构采用紫外曝光，然后进行等离子刻蚀。
进一步地，还包括出光口12，所述出光口12上设置有增透膜，所述出光口12设置于所述衬底3另一侧。
这里的出光口12的另一侧，与前面的衬底3上设置有N型限制层4是相对的，也就是说，衬底3的一侧设置有N型限制层4，另一侧设置有出光口12。
该二阶光栅层9刻蚀至P型限制层8，二阶光栅具有两个衍射级，一级衍射光改变出射方向，使部分激光从衬底3出射，二级衍射光提供反馈使部分激光从增透膜出射，最终激光器同时实现表面出射和腔面出射双向发光。出光口12蒸镀增透膜，提升表面出光效率。
进一步地，所述P型限制层8采用AlxGa1-xAs材料，所述二阶光栅层9采用GaAs材料，所述二阶光栅层9周期为300nm，占空比为0.4，深度400nm。这里针对976nm波段。
进一步地，所述N型波导层5和所述P型波导层7采用AlxGa1-xAs材料，所述N型波导层5和所述P型波导层7的厚度比为4：1。这里针对976nm波段。这种非对称波导结构可以改变光场分布。
该N型波导层5和P型波导层7厚度不同，从而改变光场分布，有效的提升光子与二阶光栅相互作用的几率。
进一步地，所述衬底3为N型掺杂的GaAs衬底，所述二阶光栅层9采用全息曝光/电子束曝光，然后进行等离子刻蚀。
具体地，本申请涉及的双向输出半导体激光器制备如下：
利用金属有机化合物利用气相沉积技术在N型掺杂的GaAs衬底上生长功能层。
在所述N型外延衬底上方，依次生长N型限制层4、N型波导层5、有源区6、P型波导层7、P型限制层8、二阶光栅层9，所述二阶光栅层9上表面设置P面金属电极。
采用全息曝光/电子束曝光和等离子刻蚀技术制作二阶光栅结构。
采用紫外曝光和等离子刻蚀技术制作脊形结构。
在该N型外延衬底的下表面制备表面金属电极和出光口。采用电子束镀膜技术制备腔面高反膜、增透膜及出光口12增透膜。
本申请提供的双向输出半导体激光器，通过在N面电极1与所述P面电极2之间设置衬底3、N型限制层4、N型波导层5、有源区6、P型波导层7和P型限制层8，在P面电极2与P型限制层8之间设置二阶光栅层9，将增益放大的光分别衍射为沿相互垂直方向传播的二级衍射光和一级衍射光，二级衍射光沿着传播方向进行振荡增益之后，进行选模和反馈，从腔面出射；一级衍射光垂直结平面从出光口出射。实现了高功率、高光束质量激光双向输出；此外该双向输出半导体激光器制作简单，体积小，适用于半导体激光加工、光纤激光器和固体激光器泵浦等领域应用。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (10)

1.一种双向输出半导体激光器，其特征在于：包括相对设置的N面电极(1)和P面电极(2)，所述N面电极(1)与所述P面电极(2)之间设置有功能层，在第一方向上，所述功能层包括依次设置的衬底(3)、N型限制层(4)、N型波导层(5)、有源区(6)、P型波导层(7)和P型限制层(8)，所述第一方向为由所述N面电极(1)指向所述P面电极(2)的方向；
所述P面电极(2)与所述P型限制层(8)之间设置有二阶光栅层(9)，所述二阶光栅层(9)设置于所述P型限制层(8)上。
2.如权利要求1所述的双向输出半导体激光器，其特征在于：所述二阶光栅层(9)刻蚀至所述P型限制层(8)上。
3.如权利要求2所述的双向输出半导体激光器，其特征在于：所述二阶光栅层(9)为P型二阶光栅层，所述P型二阶光栅层包括脊形结构。
4.如权利要求1所述的双向输出半导体激光器，其特征在于：还包括第一腔面(10)和第二腔面(11)，所述第一腔面(10)设置于所述双向输出半导体激光器一侧，所述第二腔面(11)设置于所述双向输出半导体激光器另一侧，所述第一腔面(10)上设置有增透膜，所述第二腔面(11)上设置有高反膜。
5.如权利要求1所述的双向输出半导体激光器，其特征在于：所述有源区(6)为量子阱有源区或量子点有源区。
6.如权利要求3所述的双向输出半导体激光器，其特征在于：所述脊形结构采用紫外曝光，然后进行等离子刻蚀。
7.如权利要求1～6中任一项所述的双向输出半导体激光器，其特征在于：还包括出光口(12)，所述出光口(12)上设置有增透膜，所述出光口(12)设置于所述衬底(3)另一侧。
8.如权利要求7所述的双向输出半导体激光器，其特征在于：所述P型限制层(8)采用AlxGa1-xAs材料，所述二阶光栅层(9)采用GaAs材料，所述二阶光栅层(9)周期为300nm，占空比为0.4，深度400nm。
9.如权利要求7所述的双向输出半导体激光器，其特征在于：所述N型波导层(5)和所述P型波导层(7)采用AlxGa1-xAs材料，所述N型波导层(5)和所述P型波导层(7)的厚度比为4：1。
10.如权利要求7所述的双向输出半导体激光器，其特征在于：所述衬底(3)为N型掺杂的GaAs衬底，所述二阶光栅层(9)采用全息曝光/电子束曝光，然后进行等离子刻蚀。
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