CN1110877C - 高效大功率大光腔半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
一种高效大功率大光腔半导体激光器，属于半导体光电子技术领域，其特征是，采用了由多个重复排列的单元发光区及位于每相邻两单元发光区之间的P+-N+隧道二极管所构成的多级耦合整体大光腔式发光区结构，通过各单元发光区间的隧道二极管为前级复合掉的电子和空穴提供再生通道，从而多倍地提高器件的量子效率和输出功率。本发明可提供高效大功率、具有窄发散角的半导体激光，广泛用于光通讯、光泵浦、光读写、激光医疗、激光雷达等领域。
Description
技术领域
一种高效大功率大光腔半导体激光器，属于半导体光电子技术领域。
背景技术
目前，以下几方面的因素限制了传统半导体激光器的光功率输出和光束质量，影响了激光器的寿命：1.大的光功率密度和小有源区端面光吸收发热引起的端面灾变性损毁；2.大功率密度下的电热烧毁；3.窄有源区、小光腔和过热使激光发散角大，光束质量差。为解决上述问题，现有技术中或采用改进散热条件、改进端面结构的方法，或采用将多个激光器叠加起来使用的方法，以期提高激光器的输出功率。这些方法的共同点是通过提高激光器的注入电流得到大功率入手，再被动地缓解由大注入电流和大功率密度产生的诸如结温升高、端面损毁等矛盾，并不能从根本上解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能从根本上解决上述问题，以相对小的注入电流就可获得大的输出功率，并从而大大缓解激光器电、光、热效应影响的高效大功率大光腔半导体激光器。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：它通过把多个相对独立的激光发光区结构顺序生长在一片衬底上，并在每相邻两发光区之间引入一P+-N+隧道二极管结构级联耦合的方法，将现有半导体激光器中由单个有源区构成的发光区结构，改为由多个叠置地(串联地)重复排列的单元发光区8通过再生无源光场区：N型间隔层15，P+-N+隧道二极管9、10及P型间隔层11，叠加起来的复合发光区结构(如图2所示)，这样，通过各单元发光区8与设在每相邻两单元发光区之间的P+-N+隧道二极管之间的耦合作用，便将整个发光区耦合成为一个多级耦合整体大光腔4。工作时，给隧道二极管加上一定的反向偏压，则其PN结P型一侧的价带电子便可以通过隧道效应到达N型一侧的导带成为电子载流子，得到再生，这样，在前一(即前级)发光区中复合到价带的电子就能再一次回到导带并在后一(即后级)发光区中再次复合发光，如此，从激光器两电极注入的一对电子、空穴便会在上述多级耦合整体大光腔中产生多个光子，使半导体激光器量子效率大大提高，并可视设计时的单元发光区数目而使量子效率远大于1，在不增大注入电流的情况下，大大增大光输出，同时有效地从内部机制上解决了电热烧毁等问题。另外，当多级耦合整体大光腔的级数达到10以上时，整个光腔的尺寸可以达到10μm以上，从而可成数量级地降低光功率密度，同时降低光束的发散角，提高光束质量。
本发明上述的各单元发光区8可分别由依次排列的上势垒层12，有源区13，下势垒层14构成，各单元发光区8通过位于每相邻两单元发光区之间的再生无源光场区：N型间隔层15，P+-N+隧道二极管9、10及P型间隔层11的耦合作用后按串联方式排列，每个单元发光区8构成一有源波导区，位于每相邻两单元发光区之间的再生无源光场区：N型间隔层15、P+-N+隧道二极管9，10、及P型间隔层11构成一无源波导区，呈交替组合的多级有源波导区与无源波导区相互耦合，将发光区耦合成为一多级耦合整体大光腔4。另外，上述多级耦合整体大光腔4中，每相邻两单元发光区8及位于它们之间的再生无源光场区共同构成一单元大发光区，各单元大发光区串联排列，前一级单元大发光区的后级发光区构成后一级单元大发光区的前级发光区。
采用以上技术方案后，本发明具有以下有益效果：1.本发明由于摆脱了单纯依靠大注入电流来得到大光输出功率的传统模式，在不增大注入电流的情况下，从大幅度提高激光器的量子效率入手，来提高激光器的光输出功率，因而与传统结构相比，其小得多的注入电流使器件热效应明显减弱。同时，由于激光器的热效应主要集中在非有意掺杂的有源区，而本发明的结构中有源区有多个，发热点相对分散，器件不会在很小的区域形成高温而烧毁器件，从而使热效应得到进一步削弱。2.本发明由于采用了由多个具有一定间隔的单元发光区级连而成的多发光区结构，从而使得其光场分布范围远远大于传统结构的激光器，这样，在相同出光功率的条件下，端面处的光功率密度要低于传统结构的半导体激光器，从而大大缓解了大功率激光器端面损伤对激光器输出功率水平和工作寿命的限制。3.由于本发明的光腔尺寸能成倍地，甚至是成数量级地增大，光场将分布在更大的范围内，这样可有效地削弱光的衍射效应，大大降低激光器的发散角，提高光束质量。
附图说明
图1：本发明高效大功率大光腔半导体激光器的整体结构示意图；
图2：本发明中的发光区结构示意图；
图3：传统半导体激光器发光区能带结构示意图；
图4：本发明任意相邻两单元发光区(即一个单元大发光区)能带结构示意图；
图5：传统半导体激光器的纵向折射率分布、TE0模近场和远场分布示意图；
图6：本发明具有5个单元发光区的多级耦合整体大光腔激光器的纵向折射率分布、TE0模近场和远场分布示意图；
图7：本发明一个具体实施例的结构示意图。
图1为本发明高效大功率大光腔半导体激光器的整体结构示意图，除发光区(具体结构见图2)外，各部分采用传统半导体激光器常规结构，图中，1为P侧电极，7为N侧电极，2为P型电极接触层，3、5分别为P型包层及N型包层，6为衬底。
图2为本发明的发光区(即多级耦合整体大光腔4)结构示意图，如前所述，它由多个叠置地(串联地)重复排列的单元发光区8通过位于每相邻两单元发光区之间的再生无源光场区：N型间隔层15，P+-N+隧道二极管9、10及P型间隔层11的耦合作用后按串联方式排列而成，每相邻两发光区之间引入再生无源光场区：N型间隔层15，P+-N+隧道二极管9、10及P型间隔层11，各单元发光区8分别由依次排列的上势垒层12，有源区13，下势垒层14构成。
图3、图4分别为传统半导体激光器发光区能带结构及本发明任意相邻两单位发光区(即一个单元大发光区)的能带结构示意图，图中，a为热平衡状态，b为工作状态。从图3中可见，传统半导体激光器发光区在工作时，注子电子在有源区内由导带跃迁到价带与价带空穴复合后，不再产生光子，器件的量子效率至多为1(即由器件两端电极注入的一对电子和空穴最多产生一个光子)；与图3相对照，图4中，本发明的多级耦合整体大光腔式发光区结构中，每个单元发光区与传统半导体激光器发光区的能带相似，但在工作时，两单元发光区之间引入的P+-N+隧道结使前一(即前级)发光区与后一(即后级)发光区的导带与价带发生能量重叠，在前一(即前级)发光区中复合掉的电子能通过隧道二极管由前级的价带隧穿到后级的导带中，并在后级的有源区内重新复合发光，这样本发明的量子效率大大提高，在理想情况下将与串联的发光区数目成正比。
图5、图6分别给出了传统半导体激光器和具有5个单元发光区的多级耦合整体大光腔激光器的纵向折射率分布、TE0模近场和远场示意图。图中，a为折射率分布(实线)和近场分布(虚线)，b为远场分布。从图5中可见，传统半导体激光器发光区由于只有一个有源波导区，其纵向尺寸小，导致远场半峰值宽度在40°左右。与图5相对照，本发明的多级耦合整体大光腔式发光区结构中，由于多个有源波导区与无源波导区相互交叠耦合，光腔纵向尺寸增大，使远场发散角大大降低(图6中远场半峰值宽度在20°左右)。随单元发光区数目的增多，本发明的远场发散角能进一步缩小，所以光束质量得到了明显的改善。
具体实施方式
图7为本发明一个具体实施例的发光区结构示意图，它采用普通MOVCD方法在N+GaAs衬底上依次外延各层材料得到，并给出了各层厚度及其掺杂浓度。图7中，单元发光区8的数目为两个，在实际应用中，单元发光区8的数目可根据需要来设置，原则上可设置为任意多个。另外，各单元发光区的具体结构可相同也可不同，其各层厚度及其掺杂浓度也可根据实际需要而调整。
Claims (3)
1一种高效大功率大光腔半导体激光器，由P侧电极(1)和N侧电极(7)，P型电极接触层(2)，P型包层(3)和N型包层(5)，衬底(6)及发光区构成，其特征在于：所述的发光区为一多级耦合整体大光腔(4)，它包括多个串联叠置重复排列的单元发光区(8)及位于每相邻两单元发光区(8)之间的再生无源光场区(15，9，10，11)。
2根据权利要求1所述的大功率大光腔半导体激光器，其特征在于：所述的单元发光区(8)由依次排列的上势垒层(12)，有源区(13)，下势垒层(14)构成，成为一个有源波导区，再生无源光场区由依次排列的N型间隔层(15)，P+-N+隧道二极管(9，10)，及P型间隔层(11)构成，不仅起到了隧道级联的作用，还成为一个无源波导区，耦合各单元发光区的光场，参与整个光场分布，各单元发光区通过位于每相邻两单元发光区之间的再生无源光场区级联耦合作用后按串联方式排列，呈交替组合的多级有源波导区与无源波导区相互耦合，将发光区耦合成为一多级耦合整体大光腔(4)。
3根据权利要求1或2所述的高效大功率大光腔半导体激光器，其特征在于：所述的多级耦合整体大光腔(4)中，每相邻两单元发光区(8)及位于它们之间的P+-N+隧道二极管(9，10)共同构成一单元大发光区，各单元大发光区串联排列，各单元大发光区的耦合光场相互强耦合，构成多有源区整体耦合大光腔和整体均匀大光场。
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