CN112189284B - 多区域半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多区域半导体激光器(1)，用以降低激光器输出腔面的温度。

Description

多区域半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种多区域半导体激光器(1)，用以降低激光器输出腔面(facet)的温度。
背景技术
半导体激光器(也称为二极管激光器)的最常见用途可示例为电信系统、光纤通信、材料处理和高功率激光器系统。
在半导体激光器中，在现有技术阶段，会普遍在激光器的输出腔面上发生光学灾变损伤。发生光学灾变腔面损伤(COMD)主要是由于输出腔面加热，这是由腔面上的光学吸收、非辐射损耗和器件的自加热造成的。所有这些参数还依赖于激光器输出功率和激光源的电流密度。
标准的高功率半导体激光器包含单个腔，该腔工作在高电流(10 -20A)下并产生高功率(10-20W)。虽然所述激光器具有高的电光功率转换效率(>60％)，但未被转换成光的功率在激光器芯片上形成很高的热负载。这增加了激光器的腔温度，更重要的是，增加了激光器输出腔面的温度，这表现出极大的失效敏感性，从而导致灾难性的腔面损伤。
半导体激光器的输出面上发生的光学灾变损伤是限制这些器件的工作输出功率和寿命的主要因素之一。与其它激光器相比，该问题对于需要高电流的高功率半导体激光器而言具有更大的重要性。由于光纤和直接二极管激光器系统包含大量此类激光器，因此单个芯片上的光学灾变损伤严重影响这些系统的性能和成本。
根据现有技术阶段进行的研究，光学灾变损伤始于热失控[1]，热失控始于激光器输出腔面达到临界温度(Tc)时。研究表明，Tc范围从120℃至160℃。一旦达到临界温度，就无法停止激光器的热失控过程，从而导致具有激光器输出功率的显著或完全损失的器件失效。
因此，已经进行了许多研究以延迟或避免在半导体激光器的输出腔面上发生的光学灾变损伤。
在现有技术阶段中采用了各种技术来延缓输出腔面达到临界温度和/或增大临界温度。这些方法可以分为两类，其目标是降低激光器的总体温度和增大激光器输出镜的光学强度。
在现有技术阶段中，开发了具有低表面复合速率的无铝激光器结构，以增大激光器输出腔面的光学强度来抵抗COMD。
具有大光学腔结构的激光器被实施为降低激光器输出腔面上的光强，并因此通过增加对于COMD而言的功率水平来增强激光器输出腔面的光学强度。基于两步生长的非吸收镜面结构通过偏移或消除量子阱来减少输出光的吸收。在现有技术阶段中进行的此范围内的另一项研究通过以下操作来形成激光器输出腔面：在真空环境中解理(cleaving)激光器输出腔面，对镜进行涂覆，以通过防止腔面氧化来减少点缺陷的数量。
在解理过程中，会在所述腔面上形成缺陷，而这些缺陷会引起光吸收。采用腔面钝化技术，以增大腔面抵抗COMD的光学强度。激光器在空气环境中被解理后，在真空环境中通过等离子体清洗，并且用氢化非晶硅来钝化腔面。在专利文件“US6618409”中，采用这种方法来钝化半导体激光器腔面。并且，在专利文件“US5144634”中，激光器在真空环境中清洗后，通过硅、锗或锑的薄膜钝化。
现有技术阶段中用来降低输出腔面温度的另一种方法是非泵浦窗口法。在该方法中，在激光器的腔面附近(10μm至50μm)形成非泵浦的窗口可防止在腔面附近的电流注入，并确保将非辐射表面复合最小化，从而降低腔面温度。诸如电介质层、注入、半导体层和图案化接触部金属等方法已经用于电流阻挡。专利文件“US6373875”采用一种使用非泵浦的窗口来降低输出腔面的温度并因此提高半导体激光器寿命。然而，形成非泵浦的窗口会引起光吸收损耗，并且窗口长度是受到限制的。
另一种增大激光器腔面抵抗COMD的光学强度的方法是透明窗口技术。专利申请“US4845725A”可以作为透明窗口方法的示例来呈现。可以通过杂质原子的扩散来修改量子阱结构以形成透明窗口。这种窗口是通过增加激光器输出窗口附近的能量带隙来获得的。该方法具有的缺点是诸如激光区域的计划外的波长偏移和引入的杂质原子，从而引起吸收并限制了窗口长度(1μm至20μm)。
一种方法结合了透明窗口技术和非泵浦窗口技术，以克服它们各自的缺点。专利申请“US7567603”涉及一种半导体激光器，其中所述两种方法一起实现。在该专利中，将部分电流区域添加到该组合中，以降低输出腔面附近的电流，并增加了抵抗COMD的腔面强度。
上述方法是在激光器输出腔面附近应用的方法，旨在减少或消除腔面上可能的非辐射复合或光吸收，以延缓或避免半导体激光器中的COMD。如上所述，温度是触发COMD的主要原因之一，并且上述方法降低了由非辐射复合或吸收造成的温度升高以及由此产生的问题。然而，由于激光器的电-光转换效率有限而导致的自加热极大地促进了激光器输出腔面的加热，并且所述方法没有解决该加热机制。此外，因为激光区域和激光器输出腔面之间的距离非常短，所以在任何上述方法中都不可能将激光器的腔面温度降低到低于其腔/主体温度的水平。
如上所述，在这种背景下，由于现有方法不足以完全保护激光器腔面免受COMD的影响，因此需要新颖的方法来增加激光器腔面的光学强度。为此，本文所述的发明可以单独使用，也可以增加到现有方法中使用。
发明内容
本发明公开了一种半导体激光器，其中激光器芯片包括多区域，以减少由激光区域的自加热负载而导致的输出腔面的加热，从而使具有高热负载的激光区域与该激光器输出腔面分开，以降低腔面温度并增大输出腔面的光学强度来抵抗光学灾变损伤。
本发明的另一个目的是通过单个芯片结构来增加半导体激光器的寿命和可靠性，其中激光器芯片包含多个区域。
本发明的另一个目的是通过半导体激光器中的单芯片结构来使激光器输出腔面具有更高的光学强度，其中该激光器芯片包含多区域，并且因此允许激光器以更高的功率工作。
本发明的另一个目的是确保激光器腔区域(其中激光芯片包含多区域)以与标准的单区域激光器相似的电流进行工作并产生高功率。
本发明的另一个目的是使透明区域工作在低电流下，其中激光器芯片包含多区域，并且允许将激光引导至激光器输出腔面。
附图说明
图1为半导体激光器的正视图。
图2为半导体激光器的俯视图。
图3为具有双接触部结构的半导体激光器。
图4为具有图案化的透明区域结构的半导体激光器。
图5为在双区域激光器和标准的单区域激光器中温度和与外延表面的距离的关系。
图6为对于单区域激光器和双区域激光器，(a)为有源区域温度的变化和(b)为激光器输出功率与透明区域电流的关系。
附图标记说明
1.多区域半导体激光器
1.1激光区域
1.2透明区域
1.3波导
1.4高反射镜涂覆的腔面
1.5低反射镜涂覆的腔面
具体实施方式
本发明涉及一种多区域半导体激光器(1)，用以降低半导体激光器输出腔面的温度。通过采用单芯片结构将包含高热负载的激光区域(1.1)与激光器输出腔面(1.5)分开来降低在此产生的热量，其中所述激光芯片包含多区域，以提高输出腔面的光学强度来抵抗光学灾变损伤。
本发明的多区域半导体激光器(1)是包含多区域的单个芯片。
多区域半导体激光器(1)包括的区域之一是激光区域(1.1)，在该激光区域(1.1)中产生激光光束，其中另一个区域是透明区域(1.2)，该透明区域(1.2)作为透明波导将激光光束从芯片中引导出来。此外，多区域半导体激光器(1)包括波导(1.3)，该波导(1.3)具有：产生激光光束的有源区域；以及两个腔面，即高反射镜涂覆的腔面(1.4)和低反射镜涂覆的腔面(1.5)。
提供给激光区域的电流被定义为激光器工作电流(I1)，而提供给透明区的电流被定义为透明区域电流(I2)。
多区域半导体激光器(1)中的激光区域(1.1)工作在高电流下并产生与标准激光器相近的高功率。将激光器输出引导至输出腔面(1.5)的透明区域电流(I2)的值是在0＜I2＜I1*(L2/L1)的范围内。透明区域电流(I2)的最优值小于透明区域的激光器阈值电流且大于透明电流。
在图1中，示出了多区域半导体激光器(1)的正视图。如图1所示，半导体激光器(1)相应地包含高反射镜涂覆的腔面(1.4)、激光区域(1.1)、透明区域(1.2)和低反射镜涂覆的腔面(1.5)。在激光区域(1.1)中产生的激光光束通过穿过透明区域(1.2)来从低反射镜涂覆的腔面(1.5)发射。因此，低反射镜涂覆的腔面(1.5)也称为激光器输出腔面。由于通过透明区域(1.2)将输出腔面(1.5)与自加热的激光区域(1.1)分开，因此可以确保将输出腔面(1.5)保持处于比激光区域(1.1)低得多的温度。因此，通过本发明可以降低激光区域(1.1)的高热负载对输出腔面(1.5)的影响，并增大所述腔面的光学强度来抵抗光学灾变损伤。
本发明的多区域半导体激光器(1)的基本原理是，长度为L2的透明区域(1.2)的透明区域电流(I2)远低于长度为L1的激光区域(1.1)的激光器工作电流(I1)。为此，提供给透明区域(1.2)的透明区域电流(I2)应基本上满足条件0＜I2＜I1*(L2/L1)。该电流可以通过采用两个不同的电流源来控制，或者也可以由单电流源和电阻连接至通向透明区域(1.2)的电流臂(current arm)来控制。这种方法如图3所示。而且，可以采用其他电子电路元件来控制透明区域电流(I2)。可以用来控制透明区域电流(I2)的另一种元件是图4所示的图案化的接触部结构。可以采用诸如图案化的金属接触部、电介质、注入或电流阻挡半导体结构之类的方法来获得该图案化结构。
通过本发明的多区域半导体激光器(1)减小了在多区域半导体激光器(1)的激光区域(1.1)中产生的自加热对作为激光器输出腔面的低反射镜涂覆的腔面(1.5)的影响。
使用热反射法将多区域半导体激光器(1)和标准单区域激光器的腔面温度进行比较。
相应的结果如图5所示。它显示了对于双区域激光器和标准的单区域激光器而言的激光器输出腔面(1.5)的温度的变化和与外延表面的距离的关系。在波导区域中出现的有源区域测得最高的温度变化。当标准的单区域激光器的激光器温度升高约60℃时，测得双区域激光器的温度升高约35℃。因此，到达低反射镜涂覆的腔面(1.5)的热负载显着降低，并且由低反射镜涂覆的腔面上的热负载所引起的损伤将被最小化。
图6(a)示出了在双区域和单区域的半导体激光器中，有源区域的温度(波导区域中的最高温度)如何随激光区域电流(I1)和透明区域电流(I2)而变化。如图6所示，即使当没有电流注入透明区域(1.2)中时，腔面温度也会降低，并且该温度水平不会随透明区域电流(I2)的变化而变化。然而，如图6(b)所示，当没有电流注入透明区域(1.2)中时，由于透明区域中的吸收损耗，将有激光器输出功率的显著损失
Figure GDA0004036244710000071
在电流注入所述区域中之后，形成了透明，没有任何激光器功率损失，输出功率得以恢复。
参考文献
[1]“Mechanisms and fast kinetics of the catastrophic optical damage(COD)in GaAs-based diode lasers(基于砷化镓的二极管激光器中的光学灾变损伤(COD)的机理和快速动力学),”Laser Photonics Rev.5，422-441(2011)。

Claims (4)

1.一种多区域半导体激光器(1)，所述多区域半导体激光器通过将激光区域中发生的自加热与作为激光器输出腔面的低反射镜涂覆的腔面(1.5)分开来增大所述输出腔面的光学强度，从而抵抗因所述低反射镜涂覆的腔面(1.5)上的自加热而导致的光学灾变损伤，所述多区域半导体激光器的特征在于，所述多区域半导体激光器(1)包括：
激光区域(1.1)，所述激光区域的长度为L1且具有激光器工作电流I1；
与所述激光区域相邻的透明区域(1.2)，所述透明区域的长度为L2且具有透明区域电流I2；
位于所述激光区域和所述透明区域下方的波导(1.3)，所述波导(1.3)包括分别位于所述波导的两端部的高反射镜涂覆的腔面(1.4)和低反射镜涂覆的腔面(1.5)以及处于两腔面之间的有源区域，并且所述波导传播激光光束，所述透明区域电流I2的值小于I1*(L2/L1)，其中，所述透明区域电流I2利用图案化的接触部结构来控制，并且在所述激光区域(1.1)中，通过提供给所述激光区域(1.1)的所述激光器工作电流I1而在所述有源区域中产生激光光束，并且所述波导将来自所述有源区域的所述激光光束传播至所述低反射镜涂覆的腔面(1.5)。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器(1)，其特征在于，所述透明区域(1.2)的透明区域电流I2的最优值小于所述透明区域(1.2)的激光器阈值电流且大于所述透明区域的透明电流。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器(1)，其特征在于，提供给所述半导体激光器(1)的所述激光器工作电流I1和所述透明区域电流I2通过双电流源或单电流源来控制。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器(1)，其特征在于，所述图案化的接触部结构是图案化的金属接触部或电介质或注入或电流阻挡半导体结构。
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