CN1246942C - 带有波导的激光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种具有和一个无源内腔锥形波导耦合在一起的激光二极管的激光器。

Description

带有波导的激光二极管
技术领域
本发明涉及和激光二极管一起使用的波导。
背景技术
高功率激光二极管可以用于例如光学通讯，打印，光的次级调谐产生以及医学应用。它们频繁地结合光纤一起应用。对于许多应用，激光要求以单横向光学模式工作。单横向模式激光二极管可以具有例如1μm×5μm宽的输出孔径以及通常可以提供直至约0.4W的输出功率。狭窄的孔径被要求来产生单横向光学模式。但是，在该孔径中存在非常高的功率密度，这是对单横模式激光二极管的限制因素。或者，一个多模激光二极管可以有例如1μm×100μm宽的输出孔径，以直至约4W的输出功率工作。但是，多模激光器不产生单个的光点，而代之以产生一系列光点，难以聚焦成如一个光纤的末端那样的小区域。总体可参见Heterostructure Lasers，Part B：Material and Operating Chracteristics，H.C.Casey，Jr.，and M.B.Panish，Academic Press，1978，pp.252-254。
激光二极管可以可靠提供的最大输出功率总体上受到在光学腔体中的高光学功率密度引起的对半导体材料的损坏的限制。这种损坏经常首先发生在平面镜上，并且被称为灾难性的光学损坏(COD)。众所周知的是，COD可以限制在激光二极管平面镜上的功率密度。总体上参见Reliability and Degradation ofSemiconductor Lasers and LEDS，Mitsuo Fukuda，Artech House，1991，pp.128-136；COD的发生是因为平面镜处的晶体缺陷吸收了激光器工作期间的光从而加热了平面镜。当组成激光二极管的半导体被加热时，带隙能量减小，使该吸收更为强烈，反过来更多地加热平面镜，失控效应就此发生，从而导致了COD。这通常引起平面镜附近的材料熔化和/或烧蚀。已知的最大程度减少该失控效应的方法包括这样的复杂技术，这些技术在平面镜上涂覆(见美国专利号5,144,634)或应用含铝材料(诸如AlGaAs)以外的半导体，例如GaInP(见美国专利号5,389,396)，这样的材料不含铝并且氧化很小，因此在平面镜处几乎没有缺陷。但是在高功率下可靠性还是受到损害，对于100μm宽的多模激光器，输出功率被限制到4W，对单横模激光二极管，输出功率被限制到400mW。
热效应也限制了单横模激光二极管的输出功率。在高输入电流水平上，对激光器有源条区域的加热增加了相对于邻近区域的折射率。这通常引起激光波导要以高级别光学模式工作，而这对许多应用来说是不可接受的。
发明内容
本发明提供一种能以单横向模式工作的高输出功率密度的激光器，包括一个具有一个大于10微米的宽度的孔径的光学耦合到一个无源内腔锥形波导较宽的端的半导体激光二极管芯片，将无源内腔锥形波导的至少一部分设计为仅支持单横向光学模式。
本发明的至少一个实施例处理了和激光二极管中的高功率密度有关的问题。本发明的一个实施例提供了一个包括耦合到一个无源内腔锥形波导的半导体激光二极管芯片的激光器。“无源”的意思是该波导不提供任何光学增益。“内腔”的意思是在光学腔体之内。该波导能在高输出功率下提供可靠的单横模运行。该波导可以由具有高光学损坏阈值的材料组成。该材料可以是一种具有大带隙能量的半导体，一种玻璃，或其可以是一种结晶材料，例如一种单晶。该结晶材料可以是一种II-VI或III-V族(周期表上)的化合物半导体。该波导可以有0.5cm或更长的长度。
在激光二极管芯片和波导芯片的界面处的反射可以降到最小。这可以通过在界面处的激光二极管芯片上设置一个抗反射涂层(或可选择地在激光二极管芯片和波导芯片之间提供一种折射率匹配液)来做到。或者，抗反射涂层可以设置在其界面处的激光二极管芯片和波导芯片两者之上。
本发明的激光器可以用于一种光学放大器。该光学放大器可以掺以一种稀土金属诸如铒和/或铥。在这种情况下，本发明的激光器可以具有约980或1480nm的输出波长。该放大器可以是一种拉曼放大器，在这种情况下，本发明的激光器可以具有约1365nm到约1530nm的输出波长。
本发明的激光器也可以用于激光打印系统。
本发明的至少一个实施例的优点是，它克服了对功率密度的基本限制，允许单横模下的高输出功率。
另一个优点是它可以应用用于制造高功率宽孔径激光二极管的众所周知的技术。
如在本申请书中所应用的：
“损坏阈值”是指材料被损坏不再有设想中的功能的最小光学功率密度，和
“大带隙”被用于叙述一种带有基本上大于激光的光子能量，最好大于两倍的光子能量的带隙能量的半导体。
附图说明
图1说明一种根据本发明的相邻耦合到一个激光二极管芯片的平面波导。
图2是图1的经耦合的波导芯片和激光二极管芯片的侧视示意图。
图3说明本发明的锥形波导的折射率值的图形。
图4显示在本发明的锥形波导中经计算的光强度的图形。
图5说明一种II-VI族化合物半导体波导的剖面图。
图6说明氧化氮化硅波导的剖面图。
具体实施方式
本发明的一个实施例提供了一种包括一个光学耦合到一个无源内腔锥形波导的半导体激光二极管芯片的激光器。本发明的另一个实施例为，至少一部分无源波导被设计成仅支持一种单横向光学模式。本发明的至少一个实施例应用一种内腔锥形平面波导以将一个宽孔径(例如大于10μm宽，包括大于20μm宽)半导体激光二极管芯片的输出耦合到一个窄单模波导，从而迫使光学腔，包括激光二极管芯片仅以单横模工作，甚至在激光二极管芯片在没有波导的多模式下工作时也是这样。之所以这样做，是因为在窄端锥形波导仅支持单横模。图1说明了本发明的该实施例，图中显示了相邻接靠到波导芯片14的激光二极管芯片12的顶视图，因此激光二极管芯片12产生的光进入了锥形波导的最宽部分14a然后锥形波导14a的锥形形状使光学模式被其到达该波导的相对端的时间限制到一个窄单横模波导截面，在该相对端处确定了散射扇形16。
本发明的一个实施例包括在激光二极管芯片和波导芯片的界面处将反射降到最小。图2描绘了通过在激光二极管芯片12和波导芯片14的邻接边缘上存在一个抗反射涂层18，20的方法达到这一点的一个实施例的侧视图。在一个替代的实施例中，该抗反射涂层仅涂覆在激光二极管芯片上。抗反射涂层的作用是在激光二极管芯片和无源波导芯片之间提供高效率的光学耦合；也就是，将该界面处的反射降到最小，从而将该需要的光学腔模式中的光学损耗降到最小，消除激光二极管芯片本身的Fabry-Perot模式。施加抗反射涂层的技术在技术上是众所周知的。在最简单的变型中，抗反射涂层是一种具有大致为被施加的芯片的光学模式的有效折射率的平方根的折射率的材料。然后，适当的厚度等于被研究光的波长的四分之一(在该涂层材料中)。
本发明的另一个实施例保证了波导芯片14不支持锥形波导14a以外的低损耗平板波导模式。这可以通过提供不连接的如图1所示的发散扇形16的波导扇形来达到，该扇形在平板模式中发散任何光。
总之，如图2所示，波导芯片14包括一个平板波导，该平板波导包括衬底22，下覆盖层24，芯层26，上覆盖层28和键合层30。这些层次和激光二极管的相应层次，即衬底32，覆盖层34，芯层36，上覆盖层38和键合层40对准。在一些实施例中，激光器芯片12和波导芯片14通过焊料层42(例如铟)被安装在底座44，例如一个薄硅片上。这样的安装在激光芯片和锥形波导的光学模式之间能达到良好的耦合。焊料的均匀度和平滑度对良好的垂直对准是重要的，因为所制造的器件的光学模式具有通常为约1μm的垂直尺度(FWHM)。底座44最好附接到散热片或热电冷却器(未显示)上以在工作中从激光二极管芯片除去过多的热。
芯层，下覆盖层，上覆盖层和任何附加层的适当的成分和厚度都可以通过各种模型设计。一种众所周知的波导模型技术是“转移矩阵”法(见例如Guided-Wave Optoelectronics，Theodor Tamir(Ed.)，2nd Edition，Springer-Verlag)。或者，可以应用商业波导模型工具，包括来自Opti WaveCorporation，Ottawa，ON，Canada的OptiBPM。
为了在激光二极管芯片和锥形波导之间能达到高效率的耦合，激光二极管芯片和锥形波导的光学模式最好具有接近相同的垂直尺寸和剖面。虽然较厚的芯在激光二极管芯片中能导致高阈值电流密度，但如果模式的尺寸大(即芯较厚，例如有0.5-3μm)，则对准就较方便。
本发明的波导芯片可以通过若干技术中的任何一种技术，通常包括传统的光刻技术形成图形而制造成侧锥形。形成锥形波导的图形的一种方法以一种不形成图形的平板波导开始，并应用在上覆盖层上淀积的光刻胶限定所需要的锥形波导的形状。然后上覆盖层的被暴露部分可以用任何适当的技术(取决于材料)，包括湿化学刻蚀，反应离子刻蚀，溅射或离子束刻蚀刻蚀掉以形成一个脊波导。任选地，然后该波导结构可以通过将一种填充材料淀积到刻蚀区域中而平面化。本发明的该实施例由图5的脊波导62和填充材料60描绘。通常填充材料将具有比上覆盖层低的折射率(以提供侧向光学限制)。
本发明的至少一个实施例包括一个这样的一个波导设计，该波导设计能使用相对较廉价和易于得到的宽孔径多模半导体激光器芯片制造以单横模工作的高功率激光器。适当的半导体材料包括但不限于III-V族化合物半导体以及包括GaInP-GaInAs(见例如美国专利号5389396)，AlGaAs-InGaAs，GaInAsP-InP(见例如“High power operation of GaInAsP/GaInAs MQW ridgelasers emitting at 1.48μm，”B.S.Bumbra，et al.，Electronics Letters vol.26，pp.1755-1756(1990))或AlGaInAs-InP的合金。
最好的是，用于制造波导的材料具有下列特征：在激光波长上透明，高光学损坏阈值，形成图形的能力，比锥形波导所需要的更长的片间可获得性，被劈裂或抛光以形成平面镜的能力和相似于其衬底的热膨胀。另外，芯层应具有比相邻层更高的折射率。
无源波导芯片可以一种或多种透明材料制成，诸如ZnSe(以及其他II-VI族化合物半导体和合金)，III-V族半导体和合金，以及二氧化硅或非二氧化硅玻璃。这些材料可以具有比激光光子能量大得多的带隙能量，因此在工作中几乎没有光学吸收。最好的是，带隙应大于两倍的激光光子能量以将非线性吸收降到最小。通常，这些材料的折射率可以通过改变成分而调整。
总之，II-VI族化合物提供了对波导有利的特性。II-VI族化合物半导体和合金是结晶材料。当在单晶衬底，诸如GaAs上生长时，它们最好采取单晶的形式，并且具有通过劈裂而允许形成高质量平面镜的附加的优点，极大地方便了制造。一种适当的II-VI半导体无源波导的实例包括带有BeZnSe覆盖层的BeZnTe芯。这些合金可以通过分子束外延(MBE)在GaAs衬底上生长并通过(例如)离子束刻蚀形成图形。适当的II-VI合金的其他实例包括在GaAs或ZnSe衬底上生长的MgZnSSe或BeMgZnSe，和在InP衬底上生长的MgZnCdSe。
在一些实施例中，锥形无源波导可以由III-V族半导体或合金组成。适合于无源锥形波导芯片的III-V族半导体材料包括例如在GaAs衬底上生长的AlGAs或AlGaInP，或在蓝宝石衬底上生长的AlGaInN。这些材料具有众所周知的和高质量的优点。因为这些半导体可以为这些无源波导不掺杂地生长，因此光学吸收可以做得很低。对于高功率运行，用于无源锥形波导的半导体的带隙最好大于两倍的激光光子能量。这些III-V族合金可以通过分子束外延(MBE)或金属有机化学气相淀积(MOCVD)生长，以及可以通过(例如)湿刻蚀或反应离子束刻蚀形成图形。
用二氧化硅，掺杂二氧化硅(包括掺例如Al，Ge，P，Ti，Ta，Hf，Zr，B或F的二氧化硅)或其他玻璃制造的光学波导是众所周知的。一个重要的实例是氧化氮化硅(SiOxNy)，其中氧化氮化硅的折射率由氮含量控制。这些波导可以淀积在许多不同的衬底上，包括硅片上。在一个实施例中衬底是硅片，下覆盖层是二氧化硅，芯是氧化氮化硅，上覆盖层是二氧化硅。波导图形的形成可以通过在淀积上覆盖层之前对芯进行反应离子刻蚀达到。(见例如“SiliconOxynitride Layers for Optical Waveguide Application，”R.Germann et al.，Journalofthe Electrochemical Society，147(6)，pp.2237-2241(200).)
如图6所示，形成替代的玻璃波导图形的技术包括相邻于芯层78，在所需要的锥形波导区域82的外面淀积光学限制材料76并形成该材料的图形。如果该光学限制材料76具有比相邻的覆盖层74低的折射率，侧向光学限制就达到了。
本发明的另一个实施例利用Bragg光栅提供光学反馈以稳定激光的发射波长。Bragg光栅可以形成在锥形波导的截面中。光栅可以通过例如在生长波导层之前在衬底中刻蚀浅沟槽而形成，或通过在光学限制材料(例如MgF2)中形成Bragg光栅的图形而形成。或者，激光器(带有锥形波导)的输出可以耦合到一个包括光纤Bragg光栅的光纤辫中。
具有无源内腔锥形波导的激光二极管的高功率运行能够明显改进光学放大器的设计和性能。适当的光学放大器包括掺稀土光纤放大器，诸如掺铒，以及任选地掺以其他材料，诸如铥(见例如“Multi-stage erbium-doped fiberamplifier designs”，J.-M.P.Delavaux，J.A.Nagel，Journal of Lightware Technology，Volume：13 Issue：5，(1995)Pages：703-720)的光纤放大器。对于这些放大器的类型，这些激光二极管被用作980nm和/或1480nm泵激激光器。
具有内腔锥形波导的激光二极管也可以和Raman光纤放大器系统一起使用。对于这些类型的放大器，这些激光二极管被用作1365nm到1530nm的泵激激光器(见例如“Ultrabroad-band Raman amplifiers pumped and gain-equilizedby wavelength-division-multiplexed high-power laser diodes，”by S.Namiki and Y.Emori，IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics，vol.7，p.3(2001))。
具有无源内腔锥形波导的激光二极管也适用于打印系统。在应用例如烧蚀或热诱导氧化产生图象的打印系统中，高功率密度的激光源是很有利的，因为激光扫描系统的光学设计可以被优化。通过以高功率为起点，就可以利用小孔径激光源以及束直径放大倍数，能导致更长的聚焦深度同时还能达到所要求的功率密度。长聚焦深度可以消除打印系统中对动态聚焦的需要。
带有无源内腔锥形波导的激光二极管的其他适当的应用包括在次级调谐产生(SHG)激光系统中的初级光束，用于产生有初级光束波长的一半波长的光(见例如“3.6mW blue light by direct frequency doubling of a diode laser usingan aperiodically poled lithium niobate crystal，”D.J.L.Birkin，et al.，AppliedPhysics Letters，vol.78，p3172，(2001))。在这些非线性器件中，利用单模输入功率使转换效率增加；因此，本发明在利用二极管激光器的直接倍频的SHG系统的性能中提供了实质性的优点。
下面的实例进一步说明了本发明。
实例
模拟结果
应用从OptiWave Corporation，Ottawa，ON，Canada购得的商业波导模型工具OptiBPM进行的模型制作显示，波导的锥形剖面最好是上升的正弦形式：
w ( z ) = w 1 + w 2 - w 1 L z - w 2 - w 1 2 π sin ( 2 πz L )
式中w(z)是作为z(在光传播方向上的距离)的函数的锥形波导的宽度，L是锥形波导的长度，w1和w2是波导在任何一个末端的宽度。图3和图4是来自模型制作锥形波导的模拟结果。对于模拟的目的，波导的镜像被用于产生锥形波导的100μm宽的单模输入。这有效地描绘了一个激光腔中的圆行程。图3显示了根据折射率值(波导折射率＝2.5，覆盖层折射率＝2.495)的波导结构，图4显示了作为z的函数的光纤振幅，沿波导传播的方向。用输入场对输出场的功率重叠积分显示，97％的功率被保留。也就是，有0.13dB的圆行程传播损耗。
另一个模型制作显示，当应用上升正弦的锥形时，所需要的锥形长度取决于在宽端的波导宽度的平方(所有其他的参数保持不变)。例如，所给出的锥形波导设计对100μm“宽”平面镜需要2cm，则对于50μm“宽”平面镜就需要0.5cm的锥形。也可以应用其他的锥形剖面，例如线性锥形，但这需要更长的锥形区域。
实例1：980nm激光器
本实例叙述了一种980nm激光器，该激光器包括一个AlGaAs-GaInAs激光二极管芯片，一个BeZnSe-BeZnTe锥形波导和一个硅底座。
AlGaAs-GaInAs激光二极管芯片
在本实例中，激光二极管芯片通过分子束外延(MBE)生长在(100)GaAs：Si半导体晶片上。下覆盖层是AlxGal-xAs：Si(x＝0.2，n＝1017cm-3)，1微米厚。有源区域(激光器波导芯)为1微米厚不掺杂GaAs，在其中心带有三个GayInl-yAs量子阱(y＝0.8)。这些阱由20nm的GaAs互相分开。量子阱的厚度(生长时间)经过调节以提供需要的激光波长(980nm)，约为7nm。上覆盖层为Alx Gal-xAs：Be(x＝0.2，p＝1017cm-3)，1微米厚。接触层为GaAs：Be(p＝1019cm-3，50nm厚)。
激光二极管芯片的制造以在接触层上淀积p-欧姆接触金属开始，欧姆接触由20nm的Pd，100nm的Au和2nm的Ti组成。Ti有利于下面步骤的光刻胶的黏附。在p-欧姆接触金属上形成75微米宽的光刻胶带的图形，小心地对准<110>轴线。然后晶片以离子束刻蚀形成图形(500eV Xe+离子)，刻穿p-欧姆接触金属，进入半导体0.25微米。然后被刻蚀的晶片立刻移入真空蒸发器，通过电子束蒸发淀积上0.37微米的Al2O3。然后光刻胶带用丙酮去除，剥去未刻蚀带上的Al2O3，留下一个平整的表面。然后，在光刻胶再次施加到顶部表面并形成图形以后，淀积一层键合金属(100nm的Ti和300nm的Au)，通过剥离形成1000微米宽的带的图形，其上中心有75微米宽的有源区域。到这点为止顶部表面的过程就完成了。晶片用石蜡装在抛光工具上，背面被抛光成一个镜面。从抛光工具上移走后，背面被清洗和稍许刻蚀。再次施加光刻胶并形成图形，通过真空蒸发在背面淀积n-欧姆接触金属(10nm的Pd，25nm的Ge，300nm的Au)，通过剥离形成1000微米的带的图形。这些带和晶片正面的有源带对准，以便于形成一个“窗口”，用红外显微镜通过该窗口透过GaAs衬底可以看到有源带。
然后晶片被劈裂成1000微米的长条，在正面平面镜上涂覆抗反射涂层(12.7nm的Al2O3)，在背面平面镜上涂覆高反射率涂层(Al2O3和MgF2的四分之一波长堆)。然后长条被切割成准备装配的芯片(1500微米宽)。在每个芯片中，光学模式的中心在从键合金属的上表面往下2微米处。
BeZnTe锥形波导
II-VI族波导材料的生长在分子束外延系统内进行。这样的系统通常包括一个用于在III-V衬底的顶部生长III-V缓冲层的腔，在III-V缓冲层项部生长II-VI波导的腔和连接该两个生长腔的转移腔，所有腔都在超高真空条件下。
图5说明了具有BeZnTe芯的波导50。
III-V缓冲层的生长和在III-V缓冲层上的初层II-VI材料的生长在美国专利号5,879,962“III-V/II-VI半导体界面制造方法”中叙述。应用这些技术，在第一腔中生长GaAs缓冲层52，并在超高真空条件下转移到第二腔，在第二腔中生长ZnSe缓冲层(未显示)。ZnSe层在275摄氏度的衬底温度下生长到30nm的厚度。
ZnSe缓冲层生长以后，样品被准备在同一个腔中生长波导结构。波导结构的第一层是BexZn(1-x)Se下覆盖层54。为了对GaAs的晶格匹配，x＝0.029。该层在275摄氏度的生长温度上以约1微米/小时生长。VI/II流量比为充分富含VI-族，因此RHEED图形为(2×1)。该层所需要的厚度由波导的损耗要求规定，通常为3微米或更大。在一个实施例中，在提高下一层的衬底温度之前，在BeZnSe上生长一个BeTe薄层以防止Se的过分向外扩散。
在生长下一层之前，衬底温度提高到约600摄氏度。衬底温度稳定后，开始生长BeyZnl-yTe芯层56。为了晶格匹配，y＝0.935。VI/II流量比为充分富含VI-族，因此RHEED图形为(2×1)。该层的生长速率为约1微米/小时，全部厚度为1.0微米以匹配激光二极管的光学模式。BeZnTe层生长以后，为生长BeZnSe上覆盖层，衬底温度降低到约摄氏275度。生长BeZnSe上覆盖层用和生长下覆盖层同样的生长条件。该层的厚度为1微米以使光学模式的位置和激光二极管芯片的位置匹配。再生长一层最后的ZnSe薄层(50nm，未显示)以在样品从腔中移出时，保护含Be层不被氧化。
为了制造锥形波导，在II-VI半导体上适当地形成光刻胶(最好是购自Futurrex，Inc.，Franklin，NJ的NR7-1000PY)的图形，小心地对准<110>轴线。该图形包括一个在宽端为75微米宽，在窄端为7.5μm宽的锥形波导以及散射扇形。锥形的形式为上升正弦，长度为1cm。晶片通过离子束刻蚀(500eVXe+离子)刻蚀掉0.75微米的上覆盖层。然后被刻蚀的晶片立刻移到真空蒸发器，通过电子束蒸发淀积0.75微米的MgF2以形成“侧覆盖”填充材料60。光刻胶用丙酮除去，剥离未刻蚀区域的MgF2，留下一个平整的表面。然后在全部晶片上真空淀积键合金属(100nm的Ti，300nm的Au)，晶片被劈裂成长条(1cm长)。在波导的宽端真空淀积抗反射涂层(16.8nm的SiO2)。波导的窄端(输出)不涂覆。然后长条被劈裂成各别的波导芯片(1500微米宽)。在这些波导中，光学模式的中心在键合金属的上表面下2.0微米。
底座
为了方便，一个薄(125微米)硅片被用作底座。可以用有高热导率的替代材料(例如金刚石)。底座的上表面用高真空蒸发涂覆50nm的Pt和3微米的In。Pt层能防止In在熔化时在底座表面上起珠。下表面也通过高真空蒸发涂覆100nm的Ti和300nm的Au。底座有3mm宽和1.5cm长。
装配过程
为了装配完整的激光器，首先激光二极管芯片被置于靠近底座的一端之处，其键合金属层和底座涂覆In的侧面接触。激光二极管芯片用最小的充分的力轻轻地压进In里使其黏附住。然后，波导芯片上的抗反射涂层被置于和激光二极管芯片上的抗反射涂层接触。为了使锥形波导对准激光二极管芯片上的有源带而移动该锥形波导。这用带有红外视觉系统的显微镜并透过激光二极管芯片和锥形波导芯片的衬底成像来完成。芯片对准以后，波导芯片轻轻地压进In并放松。然后，底座，激光二极管芯片和锥形波导芯片在形成气体中被短暂加热直至In熔化并和键合金属形成键合。最后，底座被焊接到散热片上，散热片附着到热电冷却器上。电流通过键合到n-欧姆接触金属和键合到In的引线，激光器就开始工作。
实例2：1480nm激光器
本实例叙述一种1480nm激光器，该激光器包括一个AlGaInAs-InP激光二极管芯片，一个氧化氮化硅锥形波导芯片和一个硅底座。
AlGaInAs-InP激光二极管芯片
在该实例中，激光二极管晶片在(100)InP：S晶片上通过金属有机化学气相淀积(MOCVD)生长。所有层次大致和InP晶格匹配。下覆盖层是InP：S(n＝1018cm-3)，0.8微米厚，加上0.1微米AlGaInAs：S(Eg＝1.44eV，n＝1018cm-3)。有源区域(激光器波导芯)为0.28微米厚不掺杂AlGaInAs(Eg＝1.1eV)，其中心带有五个GaInAs量子阱。这些阱由10nm的AlGaInAs(Eg＝1.1eV)互相分开。每个量子阱的厚度(生长时间)经过调节以提供需要的激光波长(1480nm)。上覆盖层包括0.1微米的AlGaInAs：Zn(Eg＝1.44eV，p＝1018cm-3)和1.3微米的InP：Zn(p＝1018cm-3)。P-欧姆接触层为0.05微米的GaInAsP(Eg＝0.95eV，p＝2×1018cm-3)和0.2微米的GaInAs：Zn(p＝1019cm-3)。
激光二极管芯片的制造以在接触层上淀积p-欧姆接触金属开始，欧姆接触由20nm的Pd，100nm的Au和2nm的Ti组成。Ti有利于下面步骤的光刻胶的黏附。在p-欧姆接触金属上形成100微米宽的光刻胶带的图形，小心地对准<110>轴线。然后晶片以离子束刻蚀形成图形(500eV Xe+离子)，刻穿p-欧姆接触金属，进入半导体0.25微米。然后被刻蚀的晶片立刻移入真空蒸发器，通过电子束蒸发淀积上0.37微米的Al2O3。然后光刻胶带用丙酮去除，剥去未刻蚀带上的Al2O3，留下一个平整的表面。然后，在光刻胶再次施加并形成图形以后，淀积一层键合金属(100nm的Ti和300nm的Au)，通过剥离形成1000微米宽的带的图形，其上中心有100微米宽的有源区域。到这点为止顶部表面的过程就完成了。晶片用石蜡装在抛光工具上，背面被抛光成一个镜面。从抛光工具上移走后，晶片背面被清洗和稍许刻蚀。再次施加光刻胶并形成图形，通过真空蒸发在背面淀积n-欧姆接触金属(10nm的Pd，25nm的Ge，300nm的Au)，通过剥离形成1000微米的带的图形。这些带和晶片正面的有源带对准，以便于形成一个“窗口”，用红外显微镜通过该窗口透过InP衬底可以看到有源带。
然后晶片被劈裂成1000微米的长条，在正面平面镜上涂覆抗反射涂层(20.9nm的Al2O3)，在背面平面镜上涂覆高反射率涂层(MgF2和Si的四分之一波长堆)。然后长条被切割成准备装配的芯片(1500微米宽)。在每个芯片中，光学模式的中心在从键合金属的上表面往下2.14微米处。
氧化氮化硅波导
图6说明了本实例的锥形波导70，该波导的形成从(100)硅片72开始，其两面都被抛光。在晶片的顶面生长一层厚度到至少3微米的氧化层，形成下覆盖层74。用标准的技术在下覆盖层上形成光刻胶的图形，限定小的(10平方微米)对准标记，使其精确地和衬底的<110>轴线对准。晶片被置于真空淀积系统中，通过电子束蒸发淀积一个Ge的薄层(100nm)。从淀积系统移出以后，用丙酮去除光刻胶(可用其他适当的溶剂)，从而通过“剥离”将Ge的图形形成在小对准标记中。
用标准的技术在下覆盖层上再次形成光刻胶(最好购自Futurrex，Inc.，Franklin，NJ的NR7-1000PY)的图形，限定所需要的波导图形(以及散射扇形)，将其精确地和位于每个锥形波导图形的宽端附近的Ge对准标记对准。在本实例中，波导锥形从100微米宽到7.5微米宽，其间长度为2.0cm。锥形的形式为上升正弦。晶片被置于真空淀积系统中，通过电子束蒸发(或者，其他淀积技术也可采用，包括热蒸发或溅射)淀积一个MgF2的薄层(光学限制材料)。从淀积系统移出以后，用丙酮去除光刻胶(可用其他适当的溶剂)，从而通过“剥离”形成MgF2的图形。在本实例中，MgF2的厚度为37.5nm。然后，晶片被置于等离子增强化学气相淀积(PECVD)系统中。淀积氧化氮化硅芯78，然后接着淀积二氧化硅上覆盖层。在本实例中，芯的厚度为0.4微米，PECVD气体流被调节成提供的芯中的氮含量适合于在1480nm的设计波长上的1.668的折射率。上覆盖层80有1.64微米的厚度。该层的厚度的选择使其能大致匹配激光二极管芯片中的光学模式的尺寸和位置。结果的波导结构具有非常接近平整的表面(适宜于键合到底座)并且在1480nm的设计波长上支持单横模式。通过最后的高温(例如摄氏1140度)退火以减少PECVD层中的氢，波导的吸收损耗可以降到最小。
然后在全部晶片上真空淀积键合金属(未显示，100nm的Ti，300nm的Au)，晶片被劈裂成棒条(2em长)。在波导的宽端真空淀积一层抗反射涂层(26.8nm的MgF2)。在本实例中，波导的窄端(输出)不涂覆。然后棒条再被劈裂成各波导芯片(1500微米宽)。在这些波导中，光学模式的中心在从键合金属的上表面往下2.14微米处。
底座和装配过程
除了一个例外以外，底座和装配过程和实例1完全相同。在本实例中，由薄MgF2层限定的锥形波导很难用带有红外视觉系统的显微镜透过Si衬底看到。但是Ge对准标记很容易看到，使激光二极管芯片精确地和锥形波导对准，因为波导的位置相对于该对准标记是已知的。
对于激光二极管芯片和波导芯片，本发明能同样优异地和材料系统的其他结合一起工作。例如，如果对层次厚度进行较小的调整以保证芯层的良好对准，实例1的AlGaAs-InGaAs激光二极管芯片可以有效地和实例2的氧化氮化硅波导耦合在一起。相似地，如果进行适当的厚度调节，实例2的AlGaInAs-InP激光二极管芯片可以有效地和实例1的BeZnTe波导芯片耦合在一起。
对于在本技术领域熟练的人士而言，不背离本发明的范围和精神的各种修改和替代是很明显的，应该理解的是，本发明并不会不适当地局限于本文阐述的说明性的实施例。

Claims (20)

1.一种能以单横向模式工作的高输出功率密度的激光器，包括
一个具有一个大于10微米的宽度的孔径的光学耦合到一个无源内腔锥形波导较宽的端的半导体激光二极管芯片，将无源内腔锥形波导的至少一部分设计为仅支持单横向光学模式。
2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，其中波导由一种结晶材料组成。
3.如权利要求2所述的激光器，其特征在于，其中该结晶材料是一种单晶。
4.如权利要求2所述的激光器，其特征在于，其中该结晶材料包括一种II-VI族化合物半导体材料。
5.如权利要求4所述的激光器，其特征在于，其中该II-VI族化合物半导体材料包括BeZnTe。
6.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，其中波导由一种玻璃组成。
7.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，其中激光二极管芯片包括一个在激光二极管芯片和波导的界面处的它的表面上的抗反射涂层。
8.如权利要求1所述的激光二极管，其特征在于，其中激光二极管芯片和波导各包括一个在激光二极管芯片和波导的界面处的表面上的抗反射涂层。
9.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，其中波导具有一个0.5厘米或更长的长度。
10.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，其中激光二极管芯片和波导在底座上对准。
11.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，其中锥形波导的形状由以下公式确定：
w ( z ) = w 1 + w 2 - w 1 L z - w 2 - w 1 2 &pi; sin ( 2 &pi;z L )
式中w(z)是作为在光传播方向上的距离z的函数的锥形波导的宽度，L是锥形波导的长度，w1和w2是波导在两个末端的宽度。
12.一种光学放大器包括权利要求1所述的激光器。
13.如权利要求12所述的光学放大器，其特征在于，其中放大器掺以一种稀土金属。
14.如权利要求13所述的光学放大器，其特征在于，其中放大器掺铒。
15.如权利要求14所述的光学放大器，其特征在于，其中放大器进一步掺铥。
16.如权利要求12所述的光学放大器，其特征在于，其中放大器是一种拉曼放大器。
17.如权利要求14所述的光学放大器，其特征在于，其中激光器具有约980nm或约1480nm的输出束波长。
18.如权利要求16所述的光学放大器，其特征在于，其中激光器具有约1365nm到约1530nm的输出束波长。
19.一种激光打印系统包括权利要求1所述的激光器。
20.一种次级调谐产生激光器系统包括权利要求1所述的激光器。
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