CN114914786A - 芯片及激光器 - Google Patents

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    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure

Abstract

本发明提供了一种芯片及激光器，涉及激光器的技术领域，芯片包括：主体，所述主体的上表面设置有脊结构，所述主体包括由后向前间隔设置的反射腔面和出光腔面；由后向前，所述脊结构具有依次且间隔设置的第一透明区域和增益区域；所述脊结构的上表面具有与增益区域对应的第一电极结构以及与第一透明区域对应的第二电极结构；所述第一电极结构用于被注入第一电流I1，以使所述增益区域产生增益光，所述第二电极结构用于被注入第二电流I2,以使所述增益光在第一透明区域中传导时的损耗减少，所述第一电流I1大于第二电流I2。

Description

芯片及激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其是涉及一种芯片及激光器。
背景技术
随着科技的进步，对半导体激光器的使用寿命要求越来越高。
激光器的功率在逐渐增加，芯片反射腔面的温度也在逐渐增加，而随着使用时间的增长，反射腔面会因为热量聚集而发生损伤，缩短使用寿命，因此，如何获得经久耐用的激光芯片成为急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种芯片及激光器，以缓解现有的激光器中芯片的使用寿命较低的技术问题。
本发明实施例提供的一种芯片，包括：主体，所述主体的上表面设置有脊结构，所述主体包括由后向前间隔设置的反射腔面和出光腔面；由后向前，所述脊结构具有依次且间隔设置的第一透明区域和增益区域；
所述脊结构的上表面具有与增益区域对应的第一电极结构以及与第一透明区域对应的第二电极结构；所述第一电极结构用于被注入第一电流I1，以使所述增益区域产生增益光，所述第二电极结构用于被注入第二电流I2,以使所述增益光在第一透明区域中传导时的损耗减少，所述第一电流I1大于第二电流I2。
进一步的，由前向后，所述第二电极结构的电极图案的宽度或者面积逐渐降低。
进一步的，所述第二电极结构包括由前向后间隔设置的多个第二电极单元，且相邻两个第二电极单元中，靠前的第二电极单元的电极图案面积大于靠后的第二电极单元的电极图案面积。
进一步的，由前向后，所述第一透明区域的宽度逐渐减小。
进一步的，所述第一透明区域的前端面的宽度与增益区域的后端面的宽度一致。
进一步的，所述脊结构上具有位于第一透明区域后方的第一非注入区。
进一步的，所述增益区域的电流注入面积为S1，所述第一透明区域的电流注入面积为S2，则I2/S2<(1/2)*I1/S1。
进一步的，所述第一透明区域的载流子密度大于等于Jtr，小于阈值电流密度Ith/S2，Jtr为透明载流子密度，Ith为阈值电流。
进一步的，沿前后方向，所述增益区域包括间隔设置的多个注入单元，且所述第一电极结构包括分别设置在每个注入单元上的第一电极单元。
进一步的，所述脊结构上具有位于增益区域前方，且与增益区域间隔设置的第二透明区域，所述脊结构的上表面具有与第二透明区域对应的第三电极结构；所述第三电极结构用于被注入第三电流I3,以使所述增益光在第二透明区域中传导时的损耗减少，所述第一电流I1大于第三电流I3。
进一步的，由后向前，所述第三电极结构的电极图案的宽度或者面积逐渐降低。
进一步的，所述脊结构上具有位于第一透明区域前方的第二非注入区。
本发明实施例提供的一种激光器，所述激光器包括上述的芯片。
本发明实施例提供的芯片包括：主体，所述主体的上表面设置有脊结构，所述主体包括由后向前间隔设置的反射腔面和出光腔面；由后向前，所述脊结构具有依次且间隔设置的第一透明区域和增益区域；所述脊结构的上表面具有与增益区域对应的第一电极结构以及与第一透明区域对应的第二电极结构；所述第一电极结构用于被注入第一电流I1，以使所述增益区域产生增益光，所述第二电极结构用于被注入第二电流I2,以使所述增益光在第一透明区域中传导时的损耗减少，所述第一电流I1大于第二电流I2。芯片使用时，对增益区域施加相对较大的第一电流I1，从而在增益区域中产生增益光。而对第一透明区域施加相对较小的第二电流I2，第二电流I2没有泵浦作用，第一透明区域作为透明波导引导增益光束向后侧运动，并且能够减少增益光在第一透明区域中传导时的损耗。本实施例中，利用第一透明区域将反射腔面与自加热的增益区域分开，且利用相对较小的第二电流注入到第一透明区域内，因此，可以降低反射腔面处的载流子密度，防止反射腔面处载流子密度过大，造成反射腔面温度升高，进而导致反射腔面损坏，确保反射腔面的温度比增益区域的温度低，提高芯片的使用寿命，反之激光器容易失效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的芯片的侧视图；
图2为本发明实施例提供的第一种芯片的俯视图；
图3为本发明实施例提供的第二种芯片的俯视图；
图4为本发明实施例提供的第三种芯片的俯视图；
图5为本发明实施例提供的第四种芯片的俯视图；
图6为本发明实施例提供的第五种芯片的俯视图。
图标：100-主体；110-反射腔面；120-出光腔面；
210-增益区域；220-第一透明区域；230-第二透明区域；
310-第一电极结构；311-第一电极单元；320-第二电极结构；321-第二电极单元；330-第三电极结构；331-第三电极单元；
410-第一非注入区；420-第二非注入区。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图6所示，本发明实施例提供的芯片包括：主体100，所述主体100的上表面设置有脊结构，所述主体100包括由后向前间隔设置的反射腔面110和出光腔面120。
由后向前，所述脊结构具有依次且间隔设置的第一透明区域220和增益区域210。脊结构上的第一透明区域220和增益区域210可以通过刻蚀沟槽或者离子注入等方式进行分隔。
如图1所示，所述脊结构的上表面具有与增益区域210对应的第一电极结构310以及与第一透明区域220对应的第二电极结构320；所述第一电极结构310用于被注入第一电流I1，以使所述增益区域210产生增益光，所述第二电极结构320用于被注入第二电流I2,以使所述增益光在第一透明区域220中传导时的损耗减少，所述第一电流I1大于第二电流I2。第一透明区域220和增益区域210被分隔后，可以防止增益区域210的载流子向第一透明区域220扩散，防止不同电流段之间电流的干扰，保障了反射腔面110处的载流子密度较小。
芯片使用时，对增益区域210施加相对较大的第一电流I1，从而在增益区域210中产生增益光。而对第一透明区域220施加相对较小的第二电流I2，第二电流I2没有泵浦作用，第一透明区域220作为透明波导引导增益光束向后侧运动，并且能够减少增益光在第一透明区域220中传导时的损耗。本实施例中，利用第一透明区域220将反射腔面110与自加热的增益区域210分开，且利用相对较小的第二电流I2注入到第一透明区域220内，因此，可以降低反射腔面110处的载流子密度，防止反射腔面110处载流子密度过大，造成反射腔面110温度升高，进而导致反射腔面110损坏，确保反射腔面110的温度比增益区域210的温度低，提高芯片的使用寿命，防止激光器失效。
本实施例中，第二电流I2远小于第一电流I1，二者存在数量级上的差别。第二电流I2的电流强度单位在毫安（mA）级别，该电流起到透明电流的作用，没有泵浦的作用，主要为了减少增益光损耗；而第一电流I1的电流强度单位在安培（A）级别，第二电流I2的电流强度小于第一电流I1的百分之一。
在一个实施方式中，增益区域210的电流注入面积可以为S1，第一透明区域220的电流注入面积可以为S2，则I2/S2<(1/2)*I1/S1，其中，注入面积指的是芯片制备时刻蚀掉的介质膜（开窗口）的面积，也就是说，第一透明区域220的电流密度可以小于增益区域210的电流密度的二分之一，降低了反射腔面110处的电流密度，其中，增益区域210的电流密度的二分之一为可靠性容许时的最大电流密度。如果不设置第一透明区域220，那么反射腔面110处的电流密度将为I1/S1，芯片长时间工作后，反射腔面110处热量聚集，对反射腔面110产生不利影响。
在一个更优的实施方式中，设Jtr为透明载流子密度，在Jtr处，光的增益和损耗达到平衡，材料对光场传输而言是透明的；其中Ith为阈值电流，阈值电流就是指电流起到泵浦作用和透明作用之间的临界值，当芯片结构和材料已知后，Jtr和Ith均为已知量；因此，优选的第一透明区域220的载流子密度大于等于Jtr，小于阈值电流密度Ith/S2。为了降低第一透明区域220的载流子密度，可以降低增益区域210电流到腔面的扩展，第一透明区域220的载流子密度最小时达到透明载流子密度，此时不存在光损耗；另外，当大于阈值电流时，激光会激射，造成模式的不稳定，因此优选电流密度要小于阈值电流密度，确保第一透明区域220的稳定性。
由前向后，所述第二电极结构320的电极图案的宽度或者面积可以逐渐降低。
第二电极结构320的电极图案可以为一个整体，也可以为由多个彼此分离的第二电极单元组合而成。如图2所示，第二电极结构320的电极图案为一个整体，由前向后，第二电极结构320的宽度逐渐降低，电流是通过电极图案进入到芯片内的，因此，在第一透明区域220设置渐变的电极图案可以进一步减小反射腔面110的电流密度，防止对反射腔面110的损坏。同理，如图3所示，第二电极结构320由四个逐渐变小的矩形第二电极单元321形成，且相邻两个第二电极单元321中，靠前的第二电极单元321的电极图案面积大于靠后的第二电极单元321的电极图案面积，可以进一步减小反射腔面110的电流密度，防止对反射腔面110的损坏。第二电极单元321的电极图案可以为矩形、圆形或者其他不规则图形。
由前向后，所述第一透明区域220的宽度可以逐渐减小。
如图4所示，从上往下看，第一透明区域220可以呈梯形，增益光在第一透明区域220内向后侧的反射腔面110传导的过程中，靠近脊结构侧边的高阶模能够从两侧的斜面处射出，从而实现高阶模损耗，减小输出光的发散角的目的。进一步的，所述第一透明区域220的前端面的宽度可以与增益区域210的后端面的宽度一致，从而可以使增益光从增益区域210无损耗的过渡到第一透明区域220内，主体100内激光的传导更加顺畅。
所述脊结构上可以具有位于第一透明区域220后方的第一非注入区410。
如图5所示，在前后方向上，第一非注入区410位于反射腔面110和第一透明区域220之间，在第一非注入区410上没有电流的输入，可以通过电隔离方式，避免第一透明区域220注入的第二电流I2直接扩展至反射腔面110，降低反射腔面110载流子积累，降低反射腔面110的温度，提高长期使用的可靠性。
沿前后方向，所述增益区域210可以包括间隔设置的多个注入单元，且所述第一电极结构310包括分别设置在每个注入单元上的第一电极单元311。
如图6所示，可以将增益区域210分成三个注入单元，分别为注入单元N1、N2、N3，每个注入单元上设置有一个第一电极单元311。分成的多个注入单元之间通过刻蚀沟槽或离子注入等方式进行隔离，其中，多个注入单元中，位于中间的注入单元输入的电流最大，往反射腔面110和出光腔面120两侧的方向，电流值递减，从中间向两侧阶梯式的变低。经过分段后的增益区域210，可以利用不同电流组合注入到增益区域210内，例如，对N2注入的电流强度大于对N3和N1注入电流的强度，而不再是以单一电流值注入到增益区域210内，增加对增益区域210电流调节的自由度，从而方便改变增益光的功率。
所述脊结构上可以具有位于增益区域210前方，且与增益区域210间隔设置的第二透明区域230，所述脊结构的上表面具有与第二透明区域230对应的第三电极结构330；所述第三电极结构330用于被注入第三电流I3,以使所述增益光在第二透明区域230中传导时的损耗减少，所述第一电流I1大于第三电流I3。
对第二透明区域230施加电流I3，I3＜I1，第二透明区域230作为透明波导将激光光束从芯片中引导出来，减少增益光在透明区域中传导时的损耗。由于通过第二透明区域230将出光腔面120与自加热的增益区域210分开，因此可以确保出光腔面120的温度比增益区域210的温度低。通过大大降低增益区域210的高热负载对出光腔面120的影响，能够极大增加出光腔面120的光学灾变损伤阈值。
本实施例中，第三电流I3远小于第一电流I1，二者存在数量级上的差别。第三电流I3的电流强度单位在毫安（mA）级别，该电流起到透明电流的作用，没有泵浦的作用，主要为了减少增益光损耗；而第一电流I1的电流强度单位在安培（A）级别，第三电流I3的电流强度小于第一电流I1的百分之一。
在本实施例中，第二透明区域230的电流注入面积可以为S3，则I3/S3<(1/3)*I1/S1，也就是说，第二透明区域230的电流密度可以小于增益区域210的电流密度的三分之一，在腔面能够承受的电流密度范围内，I3/S3可以最大增加到I1/S1的3分之一，这样能够对增益光进一步放大，增加输出光功率。
在一个可以实施的方案中，第一透明区域220和第二透明区域230可以相对于增益区域210对称，且向第一透明区域220注入的第二电流I2与向第二透明区域230注入的第三电流I3可以相等，从而可以实现I2和I3通过一个电流源控制，方便控制。
在另一个可以实施的方案中，在前后方向上，第一透明区域220的长度比第二透明区域230的长度要小。第二透明区域230比较长，是因为相比于后腔，前腔的光场能量密度更高，更需要较长的第二透明区域230从而避免出光腔面120因为光学损伤而失效；而后腔一般不存在该问题，因此可以尽量缩短，减小光损耗。在前后方向上，第二透明区域230的长度<25%*腔长，第一透明区域220的长度<20%*腔长。
由后向前，所述第三电极结构330的电极图案的宽度或者面积可以逐渐降低。
第三电极结构330的电极图案可以为一个整体，也可以为由多个彼此分离的第三电极单元组合而成。如图2所示，第三电极结构330的电极图案为一个整体，由后向前，第三电极结构330的宽度逐渐降低，电流是通过电极图案进入到芯片内的，因此，在第二透明区域230设置渐变的电极图案可以进一步减小出光腔面120的电流密度，防止对出光腔面120的损坏。同理，如图3所示，由后向前，第三电极结构330由四个逐渐变小的矩形第三电极单元331形成，且相邻两个第三电极单元331中，靠后的第三电极单元331的电极图案面积大于靠前的第三电极单元331的电极图案面积，可以进一步减小出光腔面120的电流密度，防止对出光腔面120的损坏。第三电极单元331的电极图案可以为矩形、圆形或者其他不规则图形。
由前向后，所述第二透明区域230的宽度可以逐渐减小。
如图4所示，从上往下看，第二透明区域230可以呈梯形，第二透明区域230形状为梯形时，由于高阶模式相对于低阶模式更容易在脊结构两侧进行扩展，因此当第二透明区域230为梯形时，此处脊结构的边区域会存在损耗，相对于低阶模式，高阶模式的损耗会更大，从而更不容易激射，抑制高阶模式可以减小出射激光的水平远场发散角，提高激光亮度。高阶模在传导的过程中损耗，所述第二透明区域230的后端面的宽度可以与增益区域210的前端面的宽度一致，从而可以使增益光从增益区域210无损耗的过渡到第二透明区域230内，主体100内激光的传导更加顺畅。
所述脊结构上可以具有位于第二透明区域230前方的第二非注入区420。
如图5所示，在前后方向上，第二非注入区420位于出光腔面120和第二透明区域230之间，在第二非注入区420上没有电流的输入，可以通过电隔离方式，避免第二透明区域230注入的第三电流I3直接扩展至出光腔面120，降低出光腔面120载流子积累，降低出光腔面120的温度，提高长期使用的可靠性。
本发明实施例提供的激光器包括上述的芯片，具有上述芯片的优点。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种芯片，其特征在于，包括：主体（100），所述主体（100）的上表面设置有脊结构，所述主体（100）包括由后向前间隔设置的反射腔面（110）和出光腔面（120）；由后向前，所述脊结构具有依次且间隔设置的第一透明区域（220）和增益区域（210）；
所述脊结构的上表面具有与增益区域（210）对应的第一电极结构（310）以及与第一透明区域（220）对应的第二电极结构（320）；所述第一电极结构（310）用于被注入第一电流I1，以使所述增益区域（210）产生增益光，所述第二电极结构（320）用于被注入第二电流I2,以使所述增益光在第一透明区域（220）中传导时的损耗减少，所述第一电流I1大于第二电流I2。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，由前向后，所述第二电极结构（320）的电极图案宽度或者面积逐渐降低。
3.根据权利要求2所述的芯片，其特征在于，所述第二电极结构（320）包括由前向后间隔设置的多个第二电极单元（321），且相邻两个第二电极单元（321）中，靠前的第二电极单元（321）的电极图案面积大于靠后的第二电极单元（321）的电极图案面积。
4.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，由前向后，所述第一透明区域（220）的宽度逐渐减小。
5.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述第一透明区域（220）的前端面的宽度与增益区域（210）的后端面的宽度一致。
6.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述脊结构上具有位于第一透明区域（220）后方的第一非注入区（410）；
和/或，沿前后方向，所述增益区域（210）包括间隔设置的多个注入单元，且所述第一电极结构（310）包括分别设置在每个注入单元上的第一电极单元（311）。
7.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述增益区域（210）的电流注入面积为S1，所述第一透明区域（220）的电流注入面积为S2，则I2/S2<(1/2)*I1/S1。
8.根据权利要求7所述的芯片，其特征在于，所述第一透明区域（220）的载流子密度大于等于Jtr，小于阈值电流密度Ith/S2，Jtr为透明载流子密度，Ith为阈值电流。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的芯片，其特征在于，所述脊结构上具有位于增益区域（210）前方，且与增益区域（210）间隔设置的第二透明区域（230），所述脊结构的上表面具有与第二透明区域（230）对应的第三电极结构（330）；所述第三电极结构（330）用于被注入第三电流I3,以使所述增益光在第二透明区域（230）中传导时的损耗减少，所述第一电流I1大于第三电流I3。
10.根据权利要求9所述的芯片，其特征在于，由后向前，所述第三电极结构（330）的电极图案的宽度或者面积逐渐降低；
和/或，所述脊结构上具有位于第一透明区域（220）前方的第二非注入区（420）。
11.一种激光器，其特征在于，所述激光器包括权利要求1-10任意一项所述的芯片。
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