CN1681176A - 带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器结构 - Google Patents

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张洪波
韦欣
朱晓鹏
王国宏
马骁宇
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Abstract

一种带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器结构，其中包括：一衬底；一铝镓砷层，该铝镓砷层制作在衬底上；一铝镓铟砷有源层，该铝镓铟砷铝镓铟砷有源层制作在铝镓砷上；一铝铟砷层，该铝铟砷铝铟砷层制作在铝镓铟砷有源层上；一铟磷层，该铟磷层制作在铝铟砷层上，该铟磷层的面积小于铝铟砷层的面积；一铟镓砷层，该铟镓砷层制作在铟磷层上；该铟磷层和铟镓砷层形成一脊型区域；一层介质膜，该层介质膜制作在脊型区域的两侧及铝铟砷层上；一层P面电极，该P面电极制作在脊型区域的上面及介质膜上；一N面电极，该N面电极制作在衬底的下面。

Description

带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器结构
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器结构，特别是指一种带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器结构。
背景技术
半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的一类激光器，亦称半导体激光二极管，或简称激光二极管，英文缩写为LD。其基本结构包括三个部分组成，即能高效率产生受激发射的工作物质(有源介质)、提供光学反馈的谐振腔和驱动电源。由于半导体激光器的谐振腔长度(即有源介质的长度)很短，因而要在半导体激光器的有源介质中获得粒子数反转以形成受激光发射，只能靠有效地注入浓度高的电子以及将注入的电子和复合产生的光子有效地限制在有源区内。而同时半导体激光器的有源区也很窄，一般为10nm左右，因此半导体激光器的功率密度很大，发热严重。
普通窄条半导体激光器的发射功率受到功率密度的限制，当输出功率大于200mW时，腔内某区域的折射率随其温度增加而增加，产生寄生光波导，破坏该区的侧向模式，器件侧向光模式不是单模，产生光束扭曲。同时，在强受激发射条件下，在有源层的中心区由于载流子的大量消耗而出现载流子分布的空间“烧孔”，使中心区的折射率高于其两侧区域的折射率，致使光能量向中心汇聚，产生自聚焦。另外，当输出功率较高时，在激光器腔面会发生灾变光学损伤。以上这些效应都会极大的影响激光器的性能。
多年来，人们在增大光功率和改善光束质量方面做了很多工作。从原理上分析，增大光模式体积可以同时减小结温和光功率密度，可以有效避免自聚焦和光束扭曲。单纯的增大条宽可以减小光束宽度增大光功率，但是容易产生多侧模，这对半导体激光器的最大输出功率和光束质量产生很大限制。因此，人们考虑设计带有大光腔的宽接触器件，在器件设计中使用锥形增益区可以有效改善光束质量制作出具有近衍射极限光束的半导体激光器。此种结构设计具有减小功率密度、抑制出光面的灾变光损伤、减弱引起光束质量下降的非线性效应、有效防止自聚焦产生、有效改善器件饱和特性等优点。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器结构，具有更大的输出功率、更高的饱和电流，并可得到近衍射极限光束，减小功率密度、抑制出光面的灾变光损伤、减弱引起光束质量下降的非线性效应、有效防止自聚焦产生、有效改善器件饱和特性等优点。
本发明的技术方案是：
本发明一种带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器结构，其特征在于，其中包括：
一衬底；
一铝镓砷层，该铝镓砷层制作在衬底上；
一铝镓铟砷有源层，该铝镓铟砷铝镓铟砷有源层制作在铝镓砷上；
一铝铟砷层，该铝铟砷铝铟砷层制作在铝镓铟砷有源层上；
一铟磷层，该铟磷层制作在铝铟砷层上，该铟磷层的面积小于铝铟砷层的面积；
一铟镓砷层，该铟镓砷层制作在铟磷层上；该铟磷层和铟镓砷层形成一脊型区域；
一层介质膜，该层介质膜制作在脊型区域的两侧及铝铟砷层上；
一层P面电极，该P面电极制作在脊型区域的上面及介质膜上；
一N面电极，该N面电极制作在衬底的下面。
其中所述的脊型区域分为三段：单模区1、锥形增益区和平坦区。
其中衬底为铟磷材料。
其中铝镓砷层为N型掺杂。
其中铝铟砷层为P型掺杂。
其中脊型区域设计的形状为线性形状，为了保证低损耗传输，锥形增益区的角度要小于基模衍射角，小于6度。
其中铟磷层为P型掺杂。
其中铟镓砷层为P型掺杂。
其中铝镓铟砷有源层为分别限制应变量子阱结构，激射波长为14xxnm。
其中介质膜材料为二氧化硅，P面电极材料为钛铂金，将其减薄到100μm，N面电极的材料为金锗镍，增透膜反射率为5％，增反膜反射率为95％。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如下，其中：
图1是本发明提出的带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器脊区俯视剖面图；
图2是本发明提出的带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器管芯总图；
图3是本发明提出的带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器管芯端面图。
具体实施方式
请参阅图1、图2及图3所示，本发明一种带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器结构，其特征在于，其中包括：
一衬底9，该衬底9为铟磷材料；
一铝镓砷层8，该铝镓砷层8制作在衬底9上，该铝镓砷层8为N型掺杂；
一铝镓铟砷有源层12，该铝镓铟砷铝镓铟砷有源层12制作在铝镓砷8上，该铝镓铟砷有源层12为分别限制应变量子阱结构，激射波长为14xxnm；
一铝铟砷层7，该铝铟砷铝铟砷层7制作在铝镓铟砷有源层12上，该铝铟砷层7为P型掺杂；
一铟磷层6，该铟磷层6制作在铝铟砷层7上，该铟磷层6的面积小于铝铟砷层7的面积，该铟磷层6为P型掺杂；
一铟镓砷层5，该铟镓砷层5制作在铟磷层6上，铟镓砷层5为P型掺杂；该铟磷层6和铟镓砷层5形成一脊型区域20；该脊型区域20分为三段：单模区1、锥形增益区2和平坦区3，脊型区域20设计的形状为线性形状，为了保证低损耗传输，锥形增益区2的角度要小于基模衍射角，小于6°；
一层介质膜11，该层介质膜11制作在脊型区域20的两侧及铝铟砷层7上，该介质膜11材料为二氧化硅；
一层P面电极4，该P面电极4制作在脊型区域20的上面及介质膜11上，该P面电极材料4为钛铂金，将其减薄到100μm；
-N面电极10，该N面电极10制作在衬底9的下面，该N面电极10的材料为金锗镍，增透膜反射率为5％，增反膜反射率为95％。
请再参阅图1，其中阴影区是脊型波导激光器的脊型区域。本发明提出的带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器脊型区域由单模区(Singlemode section)1、锥形增益区(Tapered gain section)2和平坦区(Flatten region)3三个部分组成。出光方向如图所示。其中，单模区1起到模式过滤作用，保证激光器基横模工作；锥形增益区2起到功率放大作用；后面的平坦区3可以保证在相同锥形角度下锥形增益区面积减小，出光孔径小，有效调整器件发散角改善远场特性，有利于光纤耦合。锥形增益区2形状分为线性、抛物线型、指数型、余弦型等几种，本发明结构中为线性形状，为了保证低损耗传输，设计中锥形增益区2的角度要小于基模衍射角。
采用设计结构制作了14xxnm(1400nm-1520nm)AlGaInAs/AlInAs/InP脊型波导应变量子阱激光器。采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延生长技术生长出高质量的AlGaInAs/AlInAs/InP大功率半导体激光器外延片。材料生长顺序如图3所示。在InP衬底9上生长一层AlGaAs 8，接着在AlGaAs 8层上生长AlGaInAs有源层12，然后在AlGaInAs有源层12上生长一层AlInAs 7，然后在AlInAs 7层上生长一层InP 6，最后在InP 6上生长一层InGaAs 5。
材料生长完后，按着脊型波导激光器制备工艺制备激光器管芯，通过光刻、腐蚀工艺腐蚀出脊型台面，台面形状如图1、图2所示。腐蚀好台面后在脊型区生长图3中介质膜11，然后制作图3中P面电极4，制作完P面电极4后将外延片减薄，制作图3中N面电极10，解理成Bar，最后解理成一定腔长的管芯。为获得高的单面输出功率，对器件进行镀膜，出光面镀增透膜，另一个端面镀增反膜，最后采取To3封装方式进行封装。我们制作的1200μm腔长的器件基横模最大输出功率达到440mW以上，饱和电流3A以上，垂直方向远场发散角为38°左右，平行方向远场发散角为15 °，激射波长为14xxnm。

Claims (10)

1、一种带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器结构，其特征在于，其中包括：
一衬底；
一铝镓砷层，该铝镓砷层制作在衬底上；
一铝镓铟砷有源层，该铝镓铟砷铝镓铟砷有源层制作在铝镓砷上；
一铝铟砷层，该铝铟砷铝铟砷层制作在铝镓铟砷有源层上；
一铟磷层，该铟磷层制作在铝铟砷层上，该铟磷层的面积小于铝铟砷层的面积；
一铟镓砷层，该铟镓砷层制作在铟磷层上；该铟磷层和铟镓砷层形成一脊型区域；
一层介质膜，该层介质膜制作在脊型区域的两侧及铝铟砷层上；
一层P面电极，该P面电极制作在脊型区域的上面及介质膜上；
一N面电极，该N面电极制作在衬底的下面。
2、根据权利要求1所述的带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器结构，其特征在于，其中所述的脊型区域分为三段：单模区1、锥形增益区和平坦区。
3、根据权利要求1所述的带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器结构，其特征在于，其中衬底为铟磷材料。
4、根据权利要求1所述的带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器结构，其特征在于，其中铝镓砷层为N型掺杂。
5、根据权利要求1所述的带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器结构，其特征在于，其中铝铟砷层为P型掺杂。
6、根据权利要求1所述的带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器结构，其特征在于，其中脊型区域设计的形状为线性形状，为了保证低损耗传输，锥形增益区的角度要小于基模衍射角，小于6度。
7、根据权利要求1所述的带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器结构，其特征在于，其中铟磷层为P型掺杂。
8、根据权利要求1所述的带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器结构，其特征在于，其中铟镓砷层为P型掺杂。
9、根据权利要求1所述的带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器结构，其特征在于，其中铝镓铟砷有源层为分别限制应变量子阱结构，激射波长为14xxnm。
10、根据权利要求1所述的带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器结构，其特征在于，其中介质膜材料为二氧化硅，P面电极材料为钛铂金，将其减薄到100μm，N面电极的材料为金锗镍，增透膜反射率为5％，增反膜反射率为95％。
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