CN1761112A - 激光泵浦单元及具有其的具有隧道结的高功率激光器件 - Google Patents

激光泵浦单元及具有其的具有隧道结的高功率激光器件 Download PDF

Info

Publication number
CN1761112A
CN1761112A CNA2005100848721A CN200510084872A CN1761112A CN 1761112 A CN1761112 A CN 1761112A CN A2005100848721 A CNA2005100848721 A CN A2005100848721A CN 200510084872 A CN200510084872 A CN 200510084872A CN 1761112 A CN1761112 A CN 1761112A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
laser
pumping unit
tunnel junction
laser pumping
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CNA2005100848721A
Other languages
English (en)
Inventor
金泽
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samsung Electronics Co Ltd
Original Assignee
Samsung Electronics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samsung Electronics Co Ltd filed Critical Samsung Electronics Co Ltd
Publication of CN1761112A publication Critical patent/CN1761112A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H01S5/18322—Position of the structure
    • H01S5/18327—Structure being part of a DBR
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/18—Semiconductor lasers with special structural design for influencing the near- or far-field
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/108—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using non-linear optical devices, e.g. exhibiting Brillouin or Raman scattering
    • H01S3/109—Frequency multiplication, e.g. harmonic generation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers
    • H01S5/141—External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H01S5/18311—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement using selective oxidation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18386—Details of the emission surface for influencing the near- or far-field, e.g. a grating on the surface
    • H01S5/18388—Lenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/305—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure
    • H01S5/3095—Tunnel junction

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

提供了一种激光泵浦单元以及具有该单元的高功率垂直外腔面发射激光(VECSEL)器件。通过利用隧道结，激光泵浦单元在横向容易地扩散电流。该激光泵浦单元包括：衬底、在衬底上形成的下分布式布拉格反射器(DBR)层、在下DBR层上形成的能够产生具有预定波长的光且具有量子阱结构的有源层、在有源层上形成以增加垂直方向中的电阻的隧道结层，以及在隧道结层上形成的上DBR层。

Description

激光泵浦单元及具有其的具有隧道结的高功率激光器件
技术领域
本发明涉及一种具有隧道结的激光泵浦单元及具有该单元的高功率激光器件，尤其涉及一种激光泵浦单元以及通过利用包括该单元的隧道结在横向中容易扩散电流的高功率垂直外腔面发射激光器(VECSEL)。
背景技术
图1是传统的垂直腔面发射激光器(VCSEL)10的截面图，该VCSEL在垂直于衬底的方向中发射激光束。参考图1，传统的VCSEL 10是通过依次堆叠n型GaAs形成的称底11、下分布式布拉格反射器(DBR)层13、有源层14及上DBR层16形成的。下DBR层13以及上DBR层16起到反射层的作用，且对激光的振荡波长具有高反射系数。下DBR层13是掺杂n型杂质的n型DBR层，上DBR层16是掺杂p型杂质的p型DBR层。向有源层提供电流的金属接触17形成在上DBR层16上。当向有源层14提供电流时，空穴和电子在有源层14中复合以产生光。光在上DBR层16和下DBR层13之间反复地反射并在有源层14中得到增强。然后，光通过上DBR层发射，成为激光束。
在这种VCSEL10中，横向电阻比垂直方向的电阻大很多，从而电流在有源层14的开口的边缘集中。这被称为电流拥挤(current crowding)。图1中的曲线A示出了电流密度的轮廓。参考图1，由于横向中的电阻高，因此电流密度在有源层14的中央比在有源层14的边缘低。因此，在VCSEL 10中单横模振荡是不会发生的。为了防止这样的问题，通过氧化有源层14的边缘形成氧化物层15，以限制充当电流注入区的开口的尺寸为5μm左右。可以用离子注入层代替氧化物层15。由于传统的VCSEL 10的开口小，因此传统的vCSEL 10的功率只有数mW。
垂直外腔面发射激光器(VECSEL)是一种高功率激光器。VECSEL通过利用外部反射镜增大增益区来获得高功率(数百个mW的最小值)。图2是传统的VECSEL 20的截面图。参考图2，该VECSEL 20包括具有衬底21、下DBR层22、有源层23、上DBR层24的激光泵浦单元25及一凹面外反射镜26。激光腔分别形成于下DBR层22与上DBR层24之间以及下DBR层22与外部反射镜26之间。在有源层23中产生的光在下DBR层22与上DBR层24之间以及在下DBR层22与外部反射镜26之间反复地反射，以便在有源层23中往复运动。从而，具有预定波长λ2的光的一部分作为激光束通过外部反射镜26向外输出，而光的另外一部分被反射，以在光泵浦操作中使用。
在VECSEL 20中激励有源层23的方法包括光泵浦法和电泵浦法。在光泵浦法中，通过泵浦激光器27向激光泵浦单元25输入具有比激光束波长λ2短的波长λ1的激光束。在电泵浦法中，如图1中所示，通过在上DBR层24中形成的金属接触向有源层23提供电流。然而，在VECSEL中电泵浦法不能解决VCSEL的问题。此外，VECSEL具有一个大约20-100μm的大开口。因此，在开口的边缘电流集中的问题变严重了，并且，也变得难以产生单横模振荡了。
为了解决这样的问题，在Aram Moorairan等人1997年7月7日申请的题为“High Power Laser Devices(高功率激光器件)”的美国专利No.6243407中公开了一种高功率激光30。参考图3，激光器30包括p型DBR层31、有源层32、n型DBR层33、衬底34，以及一外部反射镜38。另外，还在p型DBR层31下形成了圆形接触层35，在衬底34上形成了环形接触层36，以通过接触层35和36向有源层32提供电流。衬底34的厚度约为500μm且由透明的n型GaAs形成以传输振荡波长。激光腔形成于p型DBR层31与n型DBR层33之间，以及p型DBR层31与外部反射镜38之间。另外，可以在外部反射镜38与衬底34之间设置第二谐波发生(SHG)晶体37用于为光倍频。
参考图3，这样设计激光器30，使得有源层32中产生的激光束从衬底34透射。换句话说，在激光腔中将衬底34安排在p-型DBR层31与外部反射镜38之间。因此，当电流39流过较厚的衬底34时，可以在横向中充分的扩散，由此防止电流拥挤。结果，激光器30可以产生单横模振荡。
然而，激光器30存在一些问题。由于通常用作衬底34的n型GaAs引起自由载离子吸收，限制了激光器件30的输出和功率。更明确的说，由于衬底34的厚度大这个问题可能变严重了。
另外，在传统的VECSEL中，在激光腔中谐振的光能量中，大约有30％存在于上DBR层与下DBR层之间形成的激光腔中，而其余70％的光能量存在于DBR层与外部反射镜之间形成的激光腔中。在图3的激光器30的情况下，为了减少自由载离子吸收的作用，大约有30％的光能量分布在DBR层31与外部反射镜38之间形成的激光腔中。另一方面，在衬底34与外部反射镜38之间形成的SHG晶体37的效率正比于光能量而增加。结果图3的激光器30的效率变差了。
此外，外部反射镜38与DBR层31之间的光路的距离较大，这样一来，就应当精确地制造外部反射镜38的凸面，以将从外部反射镜38反射的光束汇聚到DBR 31上。因此，难以在最佳位置放置SHG 37。
发明内容
本发明提供了一种激光泵浦单元及具有该单元的高功率垂直外腔面发射激光器(VECSEL)。该激光泵浦单元使用简单的结构实现了电流在横向的扩散，因此没有因自由载流子吸收而导致的耗损并且容易制造。
根据本发明的一方面，提供了一种用于面发射半导体激光器的激光泵浦单元，该单元包括衬底、在衬底上形成的下分布式布拉格反射器(DBR)层、在下DBR层上形成、以产生具有预定波长的光的具有量子阱结构的有源层、在有源层上形成、以增大垂直方向电阻的隧道结层，以及在隧道结层上形成的上DBR层。
隧道结层可以包括依次堆叠的p型掺杂的p+半导体层及n型掺杂的n+半导体层，每个p+半导体层和n+半导体层掺杂的浓度可以为5×1018/cm3到5×1019/cm3。
下DBR层和上DBR层的每个都可以有多层结构，在多层结构中，多个n型掺杂的高折射率半导体层以及n型掺杂的低折射率半导体层交替淀积，上DBR层的每个高折射率半导体层的厚度可以是振荡波长的四分之三，每个低折射率半导体层的厚度可以是振荡波长的四分之一。
设置于隧道结层上方的上DBR层的每个高折射率半导体层和低折射率半导体层的部分可以形成具有预定高度的脊。
另外，激光泵浦单元还可以包括在上DBR层上形成的电流扩散层。激光泵浦单元还可以包括在电流扩散层上形成的抗反射膜，且设置在隧道结层上的电流扩散层的一部分可以形成凸透镜。
根据本发明的另一方面，提供了一种半导体激光器件，该器件包括：产生具有预定波长的光的激光泵浦单元，及位于激光泵浦单元外面以透射作为激光束的、激光泵浦单元产生的光的一部分以及向激光泵浦单元反射光的另一部分的外部反射镜单元，该激光泵浦单元吸收光的反射部分，其中，激光泵浦单元包括衬底、在衬底上形成的下DBR层、在下DBR层上形成以产生具有预定波长的光的具有量子阱结构的有源层、在有源层上形成以增大垂直方向电阻的隧道结层，以及在隧道结层上形成的上DBR层。
该激光器件可以进一步包括插置在激光泵浦单元与外部反射镜之间的第二谐波发生晶体，用于为光倍频。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明的示范性实施例，其上述的和其他的特征及优势将变得更明显，在附图中：
图1是传统的面发射激光器的截面图；
图2是传统的垂直外腔面发射激光器(VECSEL)的截面图；
图3是另一个传统的VECSEL的截面图；
图4是根据本发明第一实施例的激光器件的激光泵浦单元的截面图；
图5是图4所示的激光泵浦单元的隧道结层和有源层的截面图；
图6是示出传统的激光器件以及根据本发明实施例的激光器件的电流密度在有源层中的分布的曲线图；
图7是根据本发明第二实施例的激光器件的激光泵浦单元的截面图；
图8示出了包括图7所示的激光泵浦单元的具有脊的上分布式布拉格反射器(DBR)层的能带；以及
图9到图13是根据本发明的实施例的激光器件的截面图。
具体实施方式
参考附图，现在将更充分的描述本发明，附图中展示了本发明的示范性
实施例。
图4是根据本发明第一实施例的具有隧道结层的激光泵浦单元40的截面图。参考图4，激光泵浦单元40包括n-GaAs衬底41、下分布式布拉格反射器(DBR)层42、有源层43、隧道结层44，以及上DBR层45。另外，用于向有源层43提供电流的金属接触46形成在上DBR层45上。可以在有源层43的边缘形成用于限制充当电流注入区的开口的尺寸的氧化物层47。可以用离子注入层代替氧化物层47。
隧道结层44在垂直方向中增加电阻以促进电流在横向中的分布。在传统的激光器件中，由于在横向中的电阻比在垂直方向中的电阻大，因此通过位于上DBR层的边缘的金属接触注入的电流未充分地向有源层的中央转移，而是在开口的边缘集中。在根据本发明第一实施例的激光泵浦单元40中，垂直方向中的电阻通过隧道结层44而增大，从而电流密度在有源层43中均匀分布，允许产生单横模振荡。
图5是下DBR层42、有源层43、隧道结层44，以及上DBR层45的截面图。参考图5，具有多层结构的有源层43和隧道节层44，在下DBR层42与上DBR层45之间淀积。有源层43包括不掺杂的波导层43a与43c之间的量子阱43b，以及在上波导层43c上形成的p-型半导体层43d。p型半导体层43d向量子阱43b提供空穴，空穴和电子在量子阱43b中复合以产生光束。
隧道结层44是通过连接高掺杂p+半导体层44a和高掺杂n+半导体层44b形成的。当半导体层高掺杂时，电流因隧道效应而在半导体层间流动，允许电子无需越过能量势垒即可穿过能量势垒，在隧道效应中半导体层之间的边界状态发生了变化。在这种情况下，随着掺杂浓度的增加，带隙，连同对穿过能量势垒的电子的阻力都在减小。因此，隧道结层通常用以在不流动电流的结构中流动电流，例如n-p-n结。另外，增加掺杂浓度来降低电阻。然而，在本发明中，掺杂浓度比在传统的隧道结中的低，因此在隧道结层中存在大的电阻。结果，当电子穿过在垂直方向中具有大电阻的隧道结层44时，电流在横向中容易流动，因而，电流密度在有源层43中均匀地分布。
图6是示出不包括隧道结层的传统的激光器件中以及根据本发明的实施例使用了隧道结层的激光器件的电流密度在有源层中分布的曲线图。附图标记A指示的曲线表示的是传统的激光装置的电流密度分布，而附图标记B指示的曲线表示的是根据本发明实施例的激光装置的电流密度分布。参考图6，在传统的激光器件中电流密度集中在有源层的边缘，然而，电流密度在根据本发明的实施例的激光器件的有源层中均匀分布。结果，即使当形成的开口大到约20到100μm时，也有可能发生单横模振荡，而且由于可以使用大的开口，因此可以提供高功率激光。
这种结构中，当隧道结层44的p型半导体层44a及n型半导体层44b的掺杂浓度过低时，隧穿现象就不能出现。然而，当p型半导体层44a及n型半导体层44b的掺杂浓度过高时，在垂直方向中的电阻太低而不能充分地分布电流密度。因此应该维持足够的掺杂浓度。传统的隧道结层掺杂浓度为1020/cm3以降低电阻；但是，根据本发明实施例的隧道结层44掺杂的浓度大约为5×1018/cm3到5×1019/cm3以在垂直方向中提供足够的电阻。另外，隧道结层44的厚度应该降低以促进隧穿现象。在本发明中，隧道结层44的厚度可以小于几十nm，更确切地说，小于40nm。
在根据本发明第一实施例的激光泵浦单元中，电流流过隧道结层44，因而，n型DBR层可以用作上DBR层45来代替p型DBR层。当没有隧道结层44且下DBR层42和上DBR层45是n型DBR层时，电流不向有源层43流动。因而，上DBR层45应该是p型DBR层。然而，p型半导体比n型半导体吸收更多的自由载离子。在根据本发明第一实施例的激光泵浦单元中使用了隧道结层44，因此，即使在下DBR层42和上DBR层45都是n-DBR层时，电流也可以向有源层43流动。因此，在第一实施例中的振荡效率可能比用D型DBR层作为上DBR层的传统激光泵浦单元中的振荡效率好。
为了在振荡波长附近的带宽具有高反射率，通过重复淀积多个具有高折射率的n-型掺杂半导体层以及具有低折射率的n-型掺杂半导体层，形成下DBR层42和上DBR层45。一般而言，由GaAs形成具有高折射率的半导体层，由AlAs形成具有低折射率的半导体层。参考图4，只有上DBR层45被图示为具有多层结构，然而，下DBR层42同样具有多层结构。在DBR层中包括的每层的厚度通常设定为振荡波长的四分之一。然而，为了增大垂直方向中的电阻，在上DBR层45中包括的每层的厚度是不同于振荡波长的四分之一的。例如，低折射率层45a的厚度可以是振荡波长的四分之一，高折射率层45b的厚度可以是振荡波长的四分之三。因而，在高折射率层45b中垂直方向中路线的长度增长，因此，垂直方向中的电阻增大且电流在横向中可以均匀地分布。
图7是根据本发明第二实施例的激光泵浦单元的截面图。参考图7，隧道结层44部分地覆盖有源层43。另外，上DBR层45形成于隧道结层44和有源层43上。因此，上DBR层45掩埋了隧道结层44。结果，在隧道结层44上形成的上DBR层45的一部分是比上DBR层45的其他部分高的脊。在有源层43中产生的光在脊部分内垂直传播。因而，上DBR层45的脊部分起到了开口的作用。
另外，在上DBR层45中，当高折射率层45b的掺杂浓度比低折射率层45a的掺杂浓度大时，就形成了图8所示的能带。结果，接触层46提供的电流仅在脊部分内流动。因此，在图7的结构中，掩盖了其结构中的隧道结层44，激光泵浦单元无需形成额外的电流限制构件即可运转，例如，氧化层或离子注入层。图7的激光泵浦单元的其余结构与图4的激光泵浦单元的结构是相同的。例如，上DBR层45的每个低折射率层45a的厚度是振荡波长的四分之一，而上DBR层45的每个高折射率层45b的厚度是振荡波长的四分之三。
图9是根据本发明实施例的垂直外腔面发射激光器(VECSEL)50的截面图。参考图9，VECSEL 50包括激光泵浦单元40和外部反射镜55。激光泵浦单元40产生具有预定波长的光，外部反射镜55透射一部分由激光泵浦单元40产生的光作为激光束，并将其它部分的光返射回激光泵浦单元40，激光泵浦单元40吸收反射的部分的光。
此外可以把第二谐波产生(SHG)晶体52插置在激光泵浦单元40和外部反射镜55之间，它将在激光泵浦单元中产生光倍频。SHG晶体52，将在激光泵浦单元40中产生的红外线光转换成可见光。SHG 52可由钛氧磷酸盐(Titanyl Phosphate，KTP)，LiNbO3、周期极性LiNbO3(PPLN)、KTN或KNbO3形成。
激光泵浦单元40的结构与图4的激光泵浦单元的结构是相同的。因而，图9的激光泵浦单元40包括n型GaAs形成的衬底41、下DBR层42、有源层43、隧道结层44、上DBR层45以及向有源层43提供电流的金属接触46。另外，可以包括为了限制起电流注入区作用的开口的尺寸的氧化物层47。如上所述，下DBR层42和上DBR层45具有多层结构，在多层结构中多个高折射率层与低折射率层交替堆叠。另外，上DBR层45的每个高折射率层的厚度是振荡波长的四分之三。
除了在激光泵浦单元中代替氧化物层47用作电流限制构件的离子注入层48以外，图10的VECSEL的结构与图9的VECSEL的结构是相同的。
图11是根据本发明的实施例利用图7的激光泵浦单元的VECSEL 50的截面图。参考图11，VECSEL 50包括激光泵浦单元40和外反射镜55，激光泵浦单元40产生具有预定波长的光，外反射镜55透射一部分由激光泵浦单元40产生的光作为激光束，并将其他部分的光反射回激光泵浦单元40，激光泵浦单元吸收被反射部分的光。此外，可以把SHG晶体52插置在激光泵浦单元40与外部反射镜55之间，它将在激光泵浦单元40中产生的光倍频。
在这种情况下，图11的激光泵浦单元40包括n型GaAs衬底41、下DBR层42、有源层43、部分覆盖有源层43的隧道结层44、在有源层43和隧道结层44上形成并且具有脊的上DBR层45，以及向有源层43提供电流的金属接触46。如上所述，在有源层43中产生的光在DBR层45的脊内垂直地传播。另外，上DBR层45的低折射率层45a的掺杂浓度比上DBR层45的高折射率层45a的掺杂浓度大，因此电流在上DBR层45的脊部分中流动。
图12是根据本发明另一实施例的VECSEL 50的截面图。除了在激光泵浦单元40的上DBR层45上形成的电流扩散层49a以外，图12的VECSEL50的结构与图11的VECSEL 50的结构是一样的。电流扩散层49a可以由n型GaAs形成。电流扩散层49a增加了垂直方向中电流路径的长度，从而增大了横向电阻，结果使电流在横向扩散。另外，为了预防在电流扩散层49a的表面反射光，可以在电流扩散层49a的表面上涂布一层抗反射膜49b。
除了在隧道结层44上面的电流扩散层49a的一部分是凸起的以外，图13的VECSEL 50与图12的VECSEL是一样的。另外，外部反射镜55是平的。在图9到图12的VECSEL 50的情况下，凹面外部反射镜55用以将反射在外部反射镜55上的光会聚在有源层43中。然而，在图13的VECSEL 50中，电流扩散层49a的凸起的部分会聚光束。因而扁平的镜子可以用作外部反射镜55。当外部反射镜是扁平的时，可以容易的形成激光器阵列。换句话说，当利用多个凸面外部反射镜用多个激光器形成激光阵列时，应该将多个凸面外部反射镜设置在精确的位置。然而，当利用扁平的外部反射镜时，一个大的外部反射镜可以用作共同的外部反射镜。因而，激光阵列可以方便地制造和组装。另外，如上所述，图12的VECSEL 50可以包括涂布在电流扩散层49a上的抗反射膜49b。
根据本发明，利用简单的结构可以获得产生单横模振荡的高功率面发射激光器件。另外，由于包括隧道结层，可以用具有较低自由载流子吸收率的n型DBR作为上DBR层。因而可以提供具有优异效率的VECSEL。
由于垂直方向中的电阻增大了，VECSEL的运行电压轻微地增加。然而，在高功率VECSEL的情况下，需要运行电压的增加。
另外，当扁平的镜子用作外部反射镜时，可以容易地形成激光阵列。
尽管已经参考本发明的示范性实施例对本发明进行了特别的显示和说明，但是应当理解的是，本领域的普通技术人员可以在不背离权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，对其中的实施例做出各种形式和细节上的变化。

Claims (26)

1.一种用于面发射半导体激光器的激光泵浦单元，所述激光泵浦单元包括：
衬底；
在所述衬底上形成的下分布式布拉格反射器层；
在所述下分布式布拉格反射器层上形成以产生具有预定波长的光且具有量子阱结构的有源层；
在所述有源层上形成以增大垂直方向中的电阻的隧道结层；以及
在所述隧道结层上形成的上分布式布拉格反射器层。
2.如权利要求1所述的激光泵浦单元，其中所述隧道结层包括依次堆叠的p型掺杂的p+半导体层以及n型掺杂的n+半导体层。
3.如权利要求2所述的激光泵浦单元，其中每个所述的p+半导体层以及所述的n+半导体层的掺杂浓度为5×1018/cm3到5×1019/cm3。
4.如权利要求1所述的激光泵浦单元，其中所述隧道结层的厚度小于50nm。
5.如权利要求1所述的激光泵浦单元，其中所述下分布式布拉格反射器层以及所述上分布式布拉格反射器层的每一个均具有多层结构，在多层结构中多个n-型掺杂的高折射率半导体层以及n-型掺杂的低折射率半导体层交替淀积。
6.如权利要求5所述的激光泵浦单元，其中所述分布式布拉格反射器层的每个所述高折射率半导体层的厚度是振荡波长的四分之三，每个所述低折射率半导体层的厚度是所述振荡波长的四分之一。
7.如权利要求5所述的激光泵浦单元，其中所述隧道结层部分地覆盖所述有源层，且所述上分布式布拉格反射器层掩埋所述隧道结层的边缘。
8.如权利要求7所述的激光泵浦单元，其中设置在所述隧道结层上方的所述上分布式布拉格反射器层的每个所述高折射率半导体层以及所述低折射率半导体层的一部分形成具有预定高度的脊。
9.如权利要求8所述的激光泵浦单元，进一步包括在所述上分布式布拉格反射器层上形成的电流扩散层。
10.如权利要求9所述的激光泵浦单元，其中所述电流扩散层由n型GaAs形成。
11.如权利要求9所述的激光泵浦单元，进一步包括涂布在所述电流扩散层上的抗反射膜。
12.如权利要求9所述的激光泵浦单元，其中设置在所述隧道结层上方的所述电流扩散层的一部分形成凸透镜。
13.一种半导体激光器件，包括：
产生具有预定波长的光的激光泵浦单元；以及
位于所述激光泵浦单元外部的外部反射镜单元，该单元透射一部分由激光泵浦单元产生的光作为激光束，并将其它部分的光反射回激光泵浦单元，所述激光泵浦单元吸收反射部分的光。
其中所述激光泵浦单元包括：
衬底；
在所述衬底上形成的下分布式布拉格反射器层；
在所述下分布式布拉格反射器层上形成以产生具有预定波长的光且具有量子阱结构的有源层；
在所述有源层上形成以增大垂直方向中的电阻的隧道结层；以及
在所述隧道结层上形成的上分布式布拉格反射器层。
14.如权利要求13所述的激光器件，其中所述隧道结层包括依次堆叠的p型掺杂的p+半导体层以及n型掺杂的n+半导体层。
15.如权利要求14所述的激光器件，其中每个所述p+半导体层以及所述n+半导体层的掺杂浓度为5×1018/cm3到5×1019/cm3。
16.如权利要求13所述的激光器件，其中所述隧道结层的厚度小于50nm。
17.如权利要求13所述的激光器件，其中所述下分布式布拉格反射器层以及所述上分布式布拉格反射器层的每一个均具有多层结构，在多层结构中多个n-型掺杂的高折射率半导体层以及n-型掺杂的低折射率半导体层交替淀积。
18.如权利要求17所述的激光器件，其中所述上分布式布拉格反射器层的每个所述高折射率半导体层的厚度是振荡波长的四分之三，且每个所述低折射率半导体层的厚度是所述振荡波长的四分之一。
19.如权利要求17所述的激光器件，其中所述隧道结层部分地覆盖所述有源层，且所述上分布式布拉格反射器层掩埋所述隧道结层的边缘。
20.如权利要求19所述的激光器件，其中设置在所述隧道结层上方的所述上分布式布拉格反射器层的每个所述高折射率半导体层以及所述低折射率半导体层的一部分形成具有预定高度的台阶。
21.如权利要求20所述的激光器件，进一步包括在所述上分布式布拉格反射器层上形成的电流扩散层。
22.如权利要求21所述的激光装置，其中所述电流扩散层由n型GaAs形成。
23.如权利要求21所述的激光器件，进一步包括在所述电流扩散层上形成的抗反射膜。
24.如权利要求21所述的激光器件，其中设置在所述隧道结层上方的所述电流扩散层的一部分形成凸透镜。
25.如权利要求24所述的激光器件，其中所述的外部反射镜是扁平镜。
26.如权利要求13所述的激光器件，进一步包括插置在所述激光泵浦单元与所述外部反射镜之间用于为光束倍频的第二谐波产生晶体。
CNA2005100848721A 2004-10-11 2005-07-19 激光泵浦单元及具有其的具有隧道结的高功率激光器件 Pending CN1761112A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR81059/04 2004-10-11
KR1020040081059A KR101015500B1 (ko) 2004-10-11 2004-10-11 터널 접합을 구비한 고출력 레이저 소자 및 상기 레이저소자용 레이저 펌핑부

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN1761112A true CN1761112A (zh) 2006-04-19

Family

ID=36145278

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNA2005100848721A Pending CN1761112A (zh) 2004-10-11 2005-07-19 激光泵浦单元及具有其的具有隧道结的高功率激光器件

Country Status (4)

Country Link
US (1) US7599417B2 (zh)
JP (1) JP2006114894A (zh)
KR (1) KR101015500B1 (zh)
CN (1) CN1761112A (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100547867C (zh) * 2006-12-01 2009-10-07 中国科学院半导体研究所 含高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器
CN109346922A (zh) * 2018-11-29 2019-02-15 西安工业大学 一种输出均匀偏振光的微型激光器及其制备方法
CN110646946A (zh) * 2018-06-27 2020-01-03 香港三安光电有限公司 低散斑激光阵列及包含低散斑激光阵列的影像显示器
CN110892596A (zh) * 2017-06-22 2020-03-17 通快光子元件有限公司 具有改进的增益开关特性的垂直腔表面发射激光器(vcsel)
CN111881767A (zh) * 2020-07-03 2020-11-03 深圳力维智联技术有限公司 高维特征的处理方法、装置、设备及计算机可读存储介质
CN114361942A (zh) * 2021-03-31 2022-04-15 兆劲科技股份有限公司 一种垂直共振腔面射激光元件
CN115275778A (zh) * 2022-07-07 2022-11-01 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种非氧化型隧道结串联多量子阱结构VCSELs器件的制备方法

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006010728A1 (de) * 2005-12-05 2007-06-06 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterbauelement und Laservorrichtung
US7817691B2 (en) * 2006-05-19 2010-10-19 Nec Corporation Light emitting device
WO2008114160A1 (en) * 2007-03-16 2008-09-25 Philips Intellectual Property & Standards Gmbh Vertical extended cavity surface emission laser and method for manufacturing a light emitting component of the same
DE102008030844A1 (de) * 2008-06-30 2009-12-31 Osram Opto Semiconductors Gmbh Oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit mehreren aktiven Zonen
DE102008030818B4 (de) * 2008-06-30 2022-03-03 OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung Oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit mehreren aktiven Zonen
JP2010219307A (ja) * 2009-03-17 2010-09-30 Seiko Epson Corp 光源装置、プロジェクター
EP2842202B1 (en) * 2012-04-26 2017-08-16 Koninklijke Philips N.V. Optically pumped vertical external-cavity surface-emitting laser device
US9640944B2 (en) * 2015-09-08 2017-05-02 Fuji Xerox Co., Ltd. Method of manufacturing optical semiconductor element
JP7369136B2 (ja) 2018-03-26 2023-10-25 ローレンス・リバモア・ナショナル・セキュリティ・エルエルシー 設計された電流密度プロファイル・ダイオードレーザ
KR102117084B1 (ko) 2018-08-20 2020-06-01 광전자 주식회사 광추출성이 향상된 고효율 산화형 vcsel 및 그 제조 방법
KR102117081B1 (ko) * 2018-08-20 2020-06-01 광전자 주식회사 고효율 산화형 vcsel 및 그 제조 방법
KR102183019B1 (ko) * 2018-09-10 2020-11-26 광전자 주식회사 반사 방지층을 가지는 고효율 산화형 vcsel 및 그 제조 방법
WO2020231714A1 (en) * 2019-05-10 2020-11-19 The Regents Of The University Of California Vertical cavity surface emitting laser with buried tunnel junction as current confinement aperture
US11749964B2 (en) * 2020-06-24 2023-09-05 Meta Platforms Technologies, Llc Monolithic light source with integrated optics based on nonlinear frequency conversion
KR102505318B1 (ko) * 2022-09-29 2023-03-06 (주)에이프로 동작전압 특성을 개선한 수직 공진 표면 발광 레이저 소자

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07154033A (ja) * 1993-12-01 1995-06-16 Sumitomo Metal Mining Co Ltd 半導体レーザ励起第２高調波発生固体レーザ装置
US6243407B1 (en) 1997-03-21 2001-06-05 Novalux, Inc. High power laser devices
US5966399A (en) * 1997-10-02 1999-10-12 Motorola, Inc. Vertical cavity surface emitting laser with integrated diffractive lens and method of fabrication
US6931042B2 (en) * 2000-05-31 2005-08-16 Sandia Corporation Long wavelength vertical cavity surface emitting laser
DE60204007T2 (de) * 2001-03-15 2006-03-16 ECOLE POLYTECHNIQUE FéDéRALE DE LAUSANNE Oberflächenemittierender laser mit vertikalem resonator
JP3802424B2 (ja) * 2002-01-15 2006-07-26 株式会社東芝 半導体発光素子及びその製造方法
US6717974B2 (en) * 2002-04-01 2004-04-06 Lumei Optoelectronics Corporation Apparatus and method for improving electrical conduction structure of a vertical cavity surface emitting laser
US7136406B2 (en) * 2003-07-03 2006-11-14 Finisar Corporation Pseudomorphic layer in tunnel junction VCSEL
WO2005029655A2 (en) * 2003-09-18 2005-03-31 Nanosource Inc. Epitaxial mode-confined vertical cavity surface emitting laser (vcsel) and method of manufacturing same
JP2006114753A (ja) * 2004-10-15 2006-04-27 Seiko Epson Corp 面発光レーザ、面発光レーザの製造方法、デバイス及び電子機器
JP2006294811A (ja) * 2005-04-08 2006-10-26 Fuji Xerox Co Ltd トンネル接合型面発光半導体レーザ素子およびその製造方法

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100547867C (zh) * 2006-12-01 2009-10-07 中国科学院半导体研究所 含高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器
CN110892596A (zh) * 2017-06-22 2020-03-17 通快光子元件有限公司 具有改进的增益开关特性的垂直腔表面发射激光器(vcsel)
CN110892596B (zh) * 2017-06-22 2021-08-10 通快光电器件有限公司 具有改进的增益开关特性的垂直腔表面发射激光器(vcsel)
US11411374B2 (en) 2017-06-22 2022-08-09 Trumpf Photonic Components Gmbh Vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) with improved gain-switching behavior
CN110646946A (zh) * 2018-06-27 2020-01-03 香港三安光电有限公司 低散斑激光阵列及包含低散斑激光阵列的影像显示器
CN109346922A (zh) * 2018-11-29 2019-02-15 西安工业大学 一种输出均匀偏振光的微型激光器及其制备方法
CN111881767A (zh) * 2020-07-03 2020-11-03 深圳力维智联技术有限公司 高维特征的处理方法、装置、设备及计算机可读存储介质
CN111881767B (zh) * 2020-07-03 2023-11-03 深圳力维智联技术有限公司 高维特征的处理方法、装置、设备及计算机可读存储介质
CN114361942A (zh) * 2021-03-31 2022-04-15 兆劲科技股份有限公司 一种垂直共振腔面射激光元件
CN115275778A (zh) * 2022-07-07 2022-11-01 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种非氧化型隧道结串联多量子阱结构VCSELs器件的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
US7599417B2 (en) 2009-10-06
US20060078027A1 (en) 2006-04-13
KR101015500B1 (ko) 2011-02-24
JP2006114894A (ja) 2006-04-27
KR20060032049A (ko) 2006-04-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1761112A (zh) 激光泵浦单元及具有其的具有隧道结的高功率激光器件
US6175582B1 (en) Semiconductor laser device
CN101394064B (zh) 垂直腔表面发射激光器以及使用其的成像设备
US4881236A (en) Wavelength-resonant surface-emitting semiconductor laser
US6819701B2 (en) Super-luminescent folded cavity light emitting diode
WO2021249169A1 (zh) 一种多有源区级联的半导体激光器
US5404370A (en) Planar light emitting device having a reduced optical loss
US7923275B2 (en) Surface emitting laser and manufacturing method thereof
JP3219823B2 (ja) 半導体発光素子
JP4497859B2 (ja) 面発光半導体レーザ装置および光伝送モジュールおよび光伝送システム
KR101015501B1 (ko) 다수의 양자우물을 갖는 외부 공진기형 면발광 레이저 소자
CN1822457A (zh) 集成有调制器的半导体激光器件
US7539229B2 (en) Surface emitting laser device having double channeled structure
US6961358B2 (en) Semiconductor laser
KR100982421B1 (ko) 깔대기 형태의 전류주입영역을 구비하는 면발광 고출력레이저 소자
US5406575A (en) Semiconductor heterostructure laser
CN114552379B (zh) 谐振腔、激光单元、激光器和激光雷达
JPH1154846A (ja) 共振型面発光素子
US20240136799A1 (en) Semiconductor optoelectronic device
CN115021077A (zh) 垂直腔面发射激光器及其形成方法
KR20010084208A (ko) 표면광 레이저
JPH07249835A (ja) 半導体光素子
CN117394137A (zh) 一种带有复合微结构的倾斜波导半导体激光器
JP3612900B2 (ja) 面発光半導体レーザ及びその製造方法
CN1034072A (zh) 电光调制器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20060419