CN115693400A - 一种半导体激光发射器及获得其功耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体激光发射器，其特征在于，包括：阴极与阳极，以及第一区域与第二区域；所述第一区域包括：电容，电感，以及电阻；所述第二区域包括：电容，功耗模块，以及输出功率模块，通过如此设计，可以确定半导体激光发射器的DBR功耗，DBR电阻以及载流子泄露引起的功耗。

Description

一种半导体激光发射器及获得其功耗的方法

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体而言，涉及一种半导体激光发射器以及在该下获得该激光器功耗的方法。

背景技术

半导体类型的激光器，由于其出色的可控性能，并且非常容易实现阵列型的集成化设计，被越来越多地利用在各个探测过程中，通过对于电压等特性的控制也能比较方便地实现激光参数的调整，对于整个系统而言是非常有利的，半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管(LD)，是20世纪60年代发展起来的一种激光器。半导体激光器的工作物质有几十种，例如砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)等，激励方式主要有电注入式、光泵式和高能电子束激励式三种。半导体激光器的优点主要包含以下几个方面：1)体积小、重量轻。2)可注入激励：仅用几伏的电压注入毫安级的电流就能够驱动。除电源装置以外不需要其它的激励设备和部件。电功率直接变换成光功率，能量效率高。3)波长范围宽：适当的选择材料和合金比，在红外和可见光很宽的波长范围内能够实现任意波长的激光器。4)可直接调制：把信号重叠在驱动电流上，在直流到G赫兹范围内，可以调制振荡强度、频率和相位。5)相干性高：用单横模的激光器可以得到空间上相干性高的输出光。在分布反馈型(DFB)和分布布拉格反射型(DBR)激光器中能够得到稳定的单纵模激射，得到时间上的高相干性等等优势。

目前应用较多的一种半导体激光器为表面发射半导体激光器，与传统的边缘发射报道提激光器相比也具有许多的优势，而在表面发射型半导体激光器中垂直腔表面发射激光器VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers)因其本身低阈值、圆形光束、易耦合和易二维集成其同时具有边模抑制比高、阈值低、体积小、易于集成、输出功率高等优点。等优点，成为光电子领域研究的热点。在光纤通讯系统中，动态单模工作的长波长垂直腔面发射激光光源是不可缺少的关键性元件。主要用于中距离和长距离高速数据通讯和光互连、光并行处理、光识别系统，在城域网和广域网中都有着重要的应用。

垂直腔表面发射激光器VCSEL基本结构如图1所示，包括上、下分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector，DBR)、氧化限制孔、多量子阱有源区和欧姆接触电极。量子阱有源区位于n型掺杂和p型掺杂的DBR之间。DBR反射镜具有大于99％的反射率，由高低折射率介质或半导体材料交替外延生长而成，每层材料的光学厚度为激光波长的1/4。有源区的光学厚度为1/2(或(2k+1)*1/2)激光波长的整数倍，通过P-contact向有源区注入电流并产生受激辐射的光子在DBR中往复被反射并谐振放大，从而形成激光。DBR具有很高的串联电阻，导致DBR的发热严重，热量散步不出去就会引起VCSEL内部温度升高，从而影响器件性能，如阈值量子效率下降、激射波长改变等等。因此降低DBR电阻是实现VCSEL室温连续激射的关键问题之一。但是在现有技术中无法获得DBR功耗以及DBR电阻值，所以亟需一种方法能够获得DBR功耗以及DBR电阻值。以便检验通过工艺等手段是否有效降低了DBR功耗以及DBR电阻值。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种半导体激光发射器中，以便解决相关技术中，无法获得激光器功耗，特别是DBR功耗以及DBR电阻值而引起的一系列问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面本发明实施例提供了一种半导体激光发射器，其特征在于，

包括：阴极与阳极，以及第一区域与第二区域；

所述第一区域包括：电容，电感，以及电阻；

所述第二区域包括：电容，功耗模块，以及输出功率模块。

可选的，所述第一区域的电容为寄生电容。

可选的，所述第一区域的电阻为焊盘电阻。

可选的，所述第一区域的电阻为DBR电阻。

可选的，所述第二区域的电容为台面电容。

可选的，所述第二区域的电容为有源区电容。

可选的，所述功耗模块为泄露功耗模块。

可选的，所述功耗模块为非辐射复合功耗模块。

可选的，其特征在于所述功耗模块为内部光学损耗模块。

第二方面，本申请实施例提供了一种确定半导体激光发射器的功耗的方法，应用于上述第一方面所述的半导体激光发射器，所述方法包括以下步骤：

给所述阳极和阴极分别输入三个不同的电流值；

分别得到所述三个电流值对应的三个电压值；

分别测量获得所述三个电流值下的出光功率；

根据输入功率等于DBR功耗，载流子泄露功耗以及输出功率之间的关系，确定DBR功耗，DBR电阻值以及载流子泄露所引起的功耗值。

本发明的有益效果是：本发明提供一种半导体激光发射器，其特征在于，包括：

阴极与阳极，以及第一区域与第二区域；

所述第一区域包括：电容，电感，以及电阻；

所述第二区域包括：电容，功耗模块，以及输出功率模块，通过如此设计，可以确定半导体激光发射器的DBR功耗，DBR电阻以及载流子泄露引起的功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为现有技术中提供的一种激光发射器的结构示意图；

图2为现有技术中提供的一种激光发射器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种激光发射器的等效电路图；

图4为本发明实施例提供的一种激光发射器量子阱中注入载流子示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种激光发射器的等效电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。

图1为现有技术公开的一种激光发射器的示例图，包含了第一电极101，第一电极的材料可以采用金(Au)，锗(Ge)，银(Ag)，钯(Pd)，铂(Pt)，镍(Ni)，钛(Ti)，钒(V)，钨(W)，铬(Cr)，铝(Al)，铜(Cu)，锌(Zn)，锡(Sn)和铟(In)等等材料，当然也不限定于金属材料，也可以为金属氧化物等形成的透明电极，第一电极与第一DBR层102相连接，其中第一DBR层102具有其中低折射率层和高折射率层交替堆叠的层叠结构。该低折射率层例如是光学膜厚为λ/4(或者(2k+1)*λ/4)的p型AlX1Ga(1-X1)As(0＜X1＜1)。高折射率层例如是光学膜厚为λ/4(或者(2k+1)*λ/4)的p型AlX2Ga(1-X2)As(0≤X2＜X1)，此处也只是示例性地说明，也非具体限定实施材料必须为此，满足中低折射率与高折射率交替堆叠的布拉格型结构设置即可，107为氧化限制层，起到对于生成光子限制的作用，使得生成的激光发出更居中，同时其可减小共振器的折射率来增加在该位置中的高次横向模式的光损失并因此抑制振荡，其中在高次横向模式中可得到最强强度，进而实现更好的聚准效果，此处也不限定具体的材料。103为发射器的有源区，有源区103具有量子阱结构，在该量子阱结构中，交替地层叠具有8nm厚度的未掺杂Al0.11As0.89GaAs量子阱层的量子阱层和具有5nm厚度的未掺杂Al0.3Ga0.7As层的阻挡层。例如将有源区103设计成具有780nm波长的光发射，有源区103的光学厚度为1/2激光波长的整数倍，通过P-contact第一电极301向有源区注入电流并产生受激辐射的光子在DBR中往复被反射并谐振放大，从而形成激光。由未掺杂Al0.6Ga0.4As层形成的作为用于形成有源区3中的一层的隔离层在其中心包括量子阱结构。整个隔离层具有的膜厚同λ/n_r的整数倍一样大，这里λ是振荡波长而n_r是介质的折射率，此处也只是示例型说明并不限定实现材料、厚度和出射光波长等等特性，有源区103的另一端连接第二DBR层104，其具有其中低折射率层和高折射率层交替堆叠的层压结构。该低折射率层例如是光学膜厚为λ/4(或者(2k+1)*λ/4)的n型AlX3Ga(1-X3)As(0＜X3＜1)。λ表示半导体激光器1的振荡波长。高折射率层例如是光学膜厚为λ/4(或者(2k+1)*λ/4)的n型AlX4Ga(1-X4)As(0≤X4＜X3)。与第一DBR层102结构类似，此处并不限定具体的材料，也可以由其他材料形成中低折射率与高折射率交替堆叠的布拉格型结构设置即可，通过如此设置的DBR反射区可具有大于99％的反射率。第二DBR层104进一步可以连接衬底层105，例如由砷化镓(GaAs)衬底层105构成。衬底层105由对层叠结构(更具体地说，由对有源层103产生的光具有高透明性的材料制成)。衬底层105可以由磷化铟(InP)，氮化镓(GaN)，氮化镓铟(InGaN)，蓝宝石，硅(Si)，碳化硅(SiC)等制成，此处也不限定只能采用列举的材料制成，进一步衬底层105还连接第二电极106，其可采用与第一电极101类似的材料制成。通过电极施压，VCSEL可以实现被激发工作。

图2为现有技术中提供的一种激光发射器的结构示意图；垂直外腔面发射激光器(Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Laser,VECSEL)根据驱动方式可以分为两种，光泵浦垂直外腔面激光器(OP-VECSEL)和电泵浦垂直外腔面激光器VECSEL)，相比于OP-VECSEL电泵浦VECSEL具有较为紧凑化、小型化；另一方面，VECSEL能够通过电注入直接将电能转换为激光输出，具有更高的电光转换效率。如图2所示VECSEL N型欧姆接触电极201、衬底202、N型掺杂的分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector，DBR)203、多量子阱有源区204、防护材料层205、P型掺杂DBR206、以及N型欧姆接触电极207。量子阱有源区位于n型掺杂和p型掺杂的DBR之间。DBR反射镜具有大于99％的反射率，由高低折射率介质或半导体材料交替外延生长而成，每层材料的光学厚度为激光波长的1/4。有源区的光学厚度为1/2激光波长的整数倍，通过P-contact向有源区注入电流并产生受激辐射的光子在DBR中往复被反射并谐振放大，从而形成激光。

图3为本发明实施例提供的一种激光发射器的等效电路图。如图3所示301,302分别为向有源区注入电流的阴极和阳极，303为寄生电容，304为寄生电感，305为焊盘电阻，306为DBR电阻，307为台面电容，308为有源区电容，309为载流子泄露功耗模块，310为非辐射复合功耗模块，311为内部光学损耗模块，312为输出功率模块。图3为图2所示的激光器的等效电路图。在图3中VCSEL在工作时的功耗包括，封装引线电阻305所引起焦耳热、DBR电阻306所产生焦耳热、有源区功耗，其中有源区又包括出射光功率模块312的输出功率、内部光学损耗模块311的腔内吸收功耗、非辐射复合功耗模块310的非辐射复合功耗以及带间载流子泄露功耗模块309所引起功耗。在图3中包括301～306的区域为第一区域也就是芯片寄生区域，包括307～312的区域为第二区域也就是VCSEL的有源区域。

图4为本发明实施例提供的一种激光发射器量子阱中注入载流子示意图。在图4中可以计算各个部分的功率。

P_J＝σ^-1·I²＝2.448mW (1)

其中，E_L(T)为量子阱带隙，E_B(T)为量子垒带隙，η_i(T)为内量子效率，I_th(T)为阈值电流，α(T)为光吸收系数；I为驱动电流，范围为1-10mA

其中公式(1)为总的功率，可以通过各个部分功率全部加起来获得；或者通过输入电流电压也可以拿到P＝IV获得。根据经验公式计算，在工作电流电压下，光学吸收+非辐射复合功耗占比<10％，此两项在计算过程中可忽略。所以可以对图3进行简化。

图5为本发明实施例提供的另一种激光发射器的等效电路图，其中图5的等效电路图是对图3电路图的简化。将图3所示进行简化，忽略载流子复合310以及内部光学腔吸收的功耗311，简化后如图5所示在所述第一区域包括DBR电阻503，在所述第二区域包括载流子泄露功耗504，和输出功率505。如图4所示501，502分别为向有源区注入电流的阴极和阳极，503为DBR电阻，504为载流子泄露功耗，505为输出功率。在如图5所示的电路中分别给定阳极501和阴极502输入电流为I₁，I₂，I₃，可以获得对应的驱动电压分别为V₁，V₂，V₃，分别测得出光功率为P_optl、P_opt2、P_opt3，电阻功耗为电流值的二次项，漏电子功耗为电流的一次项，联立方程进行各项求解。

I₁V₁＝I₁ ²R+I₁′R′+P_opt1 (6)

I₂V₂＝I₂ ²R+I₂′R′+P_opt2 (7)

I₃V₃＝I₃ ²R+I₃′R′+P_opt3 (8)

I_i′+I_D＝I_i (9)

I’为泄露电流值，I_D为流到量子阱区的电流。V_D为结电压，通常可以通过测量获得。载流子泄露所引起的功耗测量，与DBR焦耳热同理，通过公式(6)～公式(10)方程组进行求解。通过上述对VCSE1等效电路可以准确计算得到DBR电阻所引起功耗，DBR电阻值以及载流子泄露功耗。通过该方法就可以检验通过工艺等手段是否有效降低了DBR电阻所引起功耗，DBR电阻值以及载流子泄露功耗。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体激光发射器，其特征在于，包括：

阴极与阳极，以及第一区域与第二区域；

所述第一区域包括：电容，电感，以及电阻；

所述第二区域包括：电容，功耗模块，以及输出功率模块。

2.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述第一区域的电容为寄生电容。

3.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述第一区域的电阻为焊盘电阻。

4.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述第一区域的电阻为DBR电阻。

5.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述第二区域的电容为台面电容。

6.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述第二区域的电容为有源区电容。

7.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述功耗模块为泄露功耗模块。

8.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述功耗模块为非辐射复合功耗模块。

9.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于所述功耗模块为内部光学损耗模块。

10.一种用于确定如权利要求1所述的半导体激光发射器的功耗的方法，其特征在于，包括以下步骤：

给所述阳极和阴极分别输入三个不同的电流值；

分别得到所述三个电流值对应的三个电压值；

分别测量获得所述三个电流值下的出光功率；

根据输入功率等于DBR功耗，载流子泄露功耗以及输出功率之间的关系，确定DBR功耗，DBR电阻值以及载流子泄露所引起的功耗值。

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