TWI244815B - Optically pumped semiconductor laser device - Google Patents

Description

1244815 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一種光學泵送式半導體雷射裝置，其具有一種 表面發射之垂直發射區和至少一以單石積體化而成之泵輻 射源，以對該垂直發射區進行光學泵送。 【先前技術】 上述之雷射裝置例如在文件 W0 01/93386和 W0 0 2/06 7 3 93中已爲人所知，其內容此處作爲參考。在上述文 件中描述多種表面發射之半導體雷射裝置，其垂直發射區之 活性元件藉由量子井結構而形成，由相鄰之邊緣發射式半導 體雷射來對該量子井結構進行光學泵送。泵輻射源和量子井 結構以磊晶方式生長在一種共同之基板上。這樣所形成之單 石式積體配置能以省空間且成本有利之方式製成。此外，藉 由該製程可確保該泵輻射光源和垂直發射區之間有一種準 確之定位。 上述形式之光學泵送式半導體雷射裝置允許一種高的輸 出功率，此乃因一方面在電泵中在電荷載體注入時各損耗功 率源，阻抗損耗且另一方面光學吸收損耗在空間上互相隔 開。伺時各損耗具有一種有利的圓的輻射外型（profile)且不 是一種楕圓-或線形之輻射外型（如邊緣發射式雷射所發出 者）。 一種好的輻射品質特別是在雷射輻射中發生在垂直發射 區之基本模式TEM〇〇中。 【發明內容】 1244815 本發明之目的是提供一種光學泵送式半導體雷射裝置，其 具有至少一種以單石方式積體而成之泵輻射源，其發出一輻 射品質較佳之雷射輻射，較佳是發出基本模式之輻射。 該目的以具有申請專利範圍第1項特徵之光學泵送式半導 體雷射裝置來達成。本發明有利的其它形式描述在申請專利 範圍其它各附屬項中。 本發明之設計方式是：須設立-且配置至少一泵輻射源， 使泵輻射以部份輻射束之形式在不同之輻射方向中入射至 垂直發射區中，於是該泵輻射具有一與該垂直發射區之基本 模式相重疊之區域，其適合用來激發該基本模式。 本發明之解法之基本槪念是：當垂直發射區中該泵輻射之 空間強度分佈對應於該基本模式之外型（profile)而調整時， 則發出該垂直發射區所期望之基本模式之輻射。典型上該垂 直發射區之基面是一種多角形（四角形，六角形等等）或圓 形。該垂直發射區之基面之對稱性反射至基本模式中。爲了 激發基本模式，則該泵輻射以部份輻射之形式在不同之輻射 方向中耦合至該垂直發射區中，於是該泵輻射之空間強度分 佈可對應於該基本模式之外型來調整。一種耦合入射亦可視 爲具有不同輻射方向之部份輻射束。 在本發明之半導體雷射裝置之一種實施形式中，該部份輻 射束來自主輻射方向不同之各種不同之泵輻射源。特別有利 的是：該泵輻射源是一種具有封閉式共振器之半導體雷射元 件，其包含放大器區域。另一方式是該泵輻射源亦可爲邊緣 發射式半導體雷射。 1244815 在一種較佳之實施形式中，該泵輻射源具有一種共振器， 其具有至少一彎曲之共振器終端鏡。 在另一有利之實施形式中，該泵輻射源之共振器具有至少 一共振器終端鏡配置，其由二個筆直之共振器終端鏡所構 成，該二個共振器終端鏡互相配置成直角。特別有利的是須 配置該二個共振器終端鏡，使該泵輻射在該共振器中在共振 器上經歷一種全反射。 另一實施形式之特徵是：一個或多個泵輻射源具有一種折 疊式共振器，該共振器具有二個共振器終端鏡和至少一內部 共振器鏡面。又，特別有利的是：須配置至少內部之共振器 鏡面，使泵輻射在共振器中在共振器上經歷一種全反射。各 共振器終端鏡因此可以是已折疊之晶體多角形平面且內部 之共振器鏡面可以是已蝕刻之鏡面。 在本發明之有利之另一實施形式中，一部份輻射束來自一 種泵輻射源，其輻射在不同之方向中多次經由該垂直發射區 而傳送。一種可能之形式是：該泵輻射源之共振器具有一種 共振器終端鏡，其由一種在該垂直發射區之主輻射方向中成 拋物線形而彎曲之已蝕刻之鏡面所構成，其中該垂直發射區 配置在該鏡面之焦點中。 另一方式是該泵輻射源可爲一種半導體環形雷射。較佳是 該半導體環形雷射之共振器具有至少三個內部共振器鏡 面。特別是須配置至少三個內部共振器鏡面，使該泵輻射在 該共振器中在共振器上經歷一種全反射。 本發明之半導體雷射裝置之另一有利之形式是：由至少·一 1244815 泵輻射源至該垂直發射區之接面是成彎曲狀且其特徵是折 射率已改變，使泵輻射聚焦在垂直發射區中。 【實施方式】 本發明半導體雷射裝置之其它優點，有利之形式和其它形 式顯示在第1至6圖所示之實施例中。 各圖式未依比例繪製，特別是各元件之大小比例亦未依比 例來顯示。不同實施例中相同或作用相同之元件在各圖式中 分別以相同之參考符號來表示。 本發明光學泵送式半導體雷射裝置之以俯視圖顯示於第1 圖中之第一實施例具有一種中央垂直發射區1和二個在該 垂直發射區1中交叉之泵輻射源2。各泵輻射源2向外以彎 曲之共振器鏡面3作爲邊界。 達成該半導體雷射裝置之上述實施例或另一在本申請案 之範圍中所示實施例所用之一適當之半導體層序列例如由 上述文件WO 01/93386和W0 02/067393中已爲人所知。該 垂直發射區1例如可具有量子井結構以作爲放大用之活性 區，其中該名稱”量子井結構，，在本發明中包含，，電荷載體由 於受到局限（confinement)而使其能量狀態被量子化時之每 一種結構”。該名稱”量子井結構，，特別是未指出該量子化之 維度，其因此另外包含量子井，量子線和量子點及這些結構 之組合。 彎曲之共振器終端鏡面3可在單石式積體化之泵雷射2中 藉由蝕刻過程而以任意之形式製成且具有任意之曲率半 徑。所期望之反射率在情況需要時可藉由施加一種金屬層而 1244815 在另一製程中達成。在該共振器終端鏡面3適當地成型時以 上述方式可形成一種泵輻射源2用之雷射共振器，其特徵是 可形成一種穩定之共振器內部泵輻射模式，其具有一種理想 之高斯（gauss)形式之橫向之強度外型（profile)。 在入射至該共振器中時輻射束以收斂方式進入至該垂直 發射區1中，這樣會使強度集中在該垂直發射區1之中央， 於是一起與該泵輻射之高斯形式之橫向之強度外型而在垂 直發射區1中使泵輻射形成一種空間分佈，其很接近於該垂 直發射區1之基本模式。 須調整該垂直發射區1中該泵輻射之吸收係數，使泵輻射 在垂直發射區1之邊緣區中之吸收率不會太大，因此該泵輻 射不會預先穿入至垂直發射區1之中央，這樣是有利的。在 與由該垂直發射區1所發出之輻射之波長相比較之情況 下，吸收係數之調整可藉由適當地選取該泵輻射之波長來達 成，該波長又會受到該垂直發射區1和泵輻射源2中各光學 活性結構之材料成份所影響。爲了達成一種良好之泵效率， 該泵輻射所具有之波長須小於該垂直發射區1所發出之輻 射之波長。 第2圖所示之實施例中設有一種泵輻射源2，其具有一種 直線式共振器終端鏡面4和一種彎曲之共振器終端鏡面3該 直線式共振器終端鏡面4理想情況下是一種分開之晶體多 角形平面。該彎曲之共振器終端鏡面3又可藉由蝕刻過程來 設定。二個鏡面隨後可設有一種金屬層。較佳是該彎曲之共 振器終端鏡面3具有拋物面之形式，其對稱軸在該栗輸射源 1244815 2之方向中垂直於直線式共振器終端鏡面4而延伸。該垂直 發射區1之區域在本實施例中是以圓形之形式而形成且配 置在該拋物面之焦點中。因此，泵輻射由全部之方向中均勻 地入射至該垂直發射區1中，其在該垂直發射區1中使泵輻 射強度形成一種徑向對稱之分佈，於是能以理想方式來對該 垂直發射區1之同樣是徑向對稱之基本模式進行泵送。 在第3圖所示之本發明半導體雷射裝置之第三實施例中， 該垂直發射區1由三個在該垂直發射區1中相交之泵輻射源 2所圍繞。位於中央之泵輻射源2之特徵是一種線形之共振 器，其由二個直線式共振器終端鏡面4所界定。另二個泵輻 射源2同樣由二個直線式共振器終端鏡面4所界定且另外分 別具有二個內部共振器鏡面5。 第3圖所示之配置使共振器內部之輻射在內部共振器鏡面 5上形成45G之入射角或射出角。典型上就用於上述形式之 半導體雷射裝置中之材料之折射率而言，在上述角度時會在 該內部共振器鏡面5之界面上發生全反射。各內部共振器鏡 面5例如可在蝕刻過程中製成，其中可省略另一反射用之金 屬層。較佳是可使用一種濕式-或乾式蝕刻過程作爲蝕刻過 程。可施加一種鈍性之鈍化層（例如，氮化矽）以保護已蝕刻 之各面且可使這些面之長時間之化學穩定性獲得改良。在一 特別適當之製程中可在晶圓複合物中進行鈍化層之蝕刻及/ 或金屬化及/或施加。然後該半導體雷射裝置藉由切鋸或折 斷而互相分離。 有利之方式是在上述之配置中使具有不同輻射方向之多 -10- 1244815 個泵輻射源2在該垂直發射區1中互相交叉且全部這些泵輻 射源之共振器都藉由共振器終端鏡面4來界定，各共振器終 端鏡面4由分開之晶體多角形平面所構成且因此具有高的 品質。爲了達成上述目的而所需導入之內部共振器鏡面5由 於全反射而未具有不利之額外之共振器損耗。本實施例中四 角形之垂直發射區1當然亦可具有其它形式之基面，特別是 亦可具有六角形之基面，其中各泵輻射源2之輻射分別以垂 直方式入射至該垂直發射區之一側上。 第4圖顯示第四實施例，其中二個泵輻射源2在該中央之 垂直發射區1中相交，其在每一側上分別藉由互相成90G角 之直線式共振器終端鏡面4來界定。 由各別二個共振器終端鏡面4所形成之配置因此類似於一 種向後式（Retro-)反射器中由各鏡面所形成之配置。 本實施例以類似於第2圖中之實施例之方式來使用全反 射，以設計一種反射損耗較小之雷射共振器。該直線式共振 器終端鏡面4可被蝕刻，其中不需金屬層，但情況需要時可 設有一種鈍化用之保護層。 第5圖之實施例中只設有一種泵輻射源2，其設有三個內 部共振器鏡面5而成爲半導體環形雷射。該共振器具有，，8，， 之形式，其中該垂直發射區1須配置在，，8 ”之交叉點中，使 輻射由二個不同方向經由該垂直發射區1而發出。內部共振 器鏡面5可在蝕刻過程中設定。在所示之配置中，該共振器 輻射在22.5^之情況下入射至內部共振器鏡面5。在此種入 射角度時依據所使用之半導體材料之折射率而發生全反 1244815 射。在此種情況下可省略內部共振器鏡面5之各面所需之鏡 面且情況需要時各內部共振器鏡面5只設有一種鈍化層。在 另一情況下未設有該鈍化層而是施加一種金屬層以作爲反 射層。 當然亦可設有其它任意數目之鏡面且當由於所使用之半 導體材料之折射率而使22.5^之入射角（其在4個鏡面中發 生）不足以滿足全反射所需之條件時特別有利。 第6圖中本發明半導體雷射裝置之第六實施例之特徵是一 種圓形之垂直發射區1。該垂直發射區1在四側中由二個在 垂直發射區1中相交之泵輻射源2來泵送（pumped)。須設置 該垂直發射區1和各泵輻射源2，使其具有不同之折射率。 這可藉由材料之選取來達成或以下述方式來達成：在該垂直 發射區1和泵輻射源2之間之接面中蝕刻成一種步級，其可 在波導中造成不同之阻抗且因此使有效之折射率不同。在該 泵輻射由泵輻射源2至該垂直發射區1之接面中，該泵輻射 在該垂直發射區1之中央經歷一種折射作用。以此種方式可 很近似地使該泵輻射強度在該垂直發射區1中達成一種徑 向對稱之分佈，其又可顯示該基本模式之徑向對稱且因此可 較佳地激發該基本模式。 本發明依據上述各實施例之描述當然不是對本發明之一 種限制。反之，本發明涉及全部之具備申請專利範圍各項中 所述特徵之裝置。此外，本發明整體上包含本說明書中所述 之各種特徵和其組合，當其未明顯地描述在各項申請專利範 圍中或本說明書中時亦同。 -12- 1244815 【圖式簡單說明】 第]圖 本發明半導體雷射裝置之第一實施例之俯視圖。 第2圖 本發明半導體雷射裝置之第二實施例之俯視圖。 第3圖 本發明半導體雷射裝置之第三實施例之俯視圖。 第4圖 本發明半導體雷射裝置之第四實施例之俯視圖。 第5圖 本發明半導體雷射裝置之第五實施例之俯視圖。 第6圖 本發明半導體雷射裝置之第六實施例之俯視圖。 【元件符號說明】 1 垂 直 發 射 區 2 泵 輻 射 源 3 彎 曲 之 共 振 器 終 端 鏡 面 4 直 線 式 共 振 器 終 端 鏡 面 5 內 部 共 振 器 鏡 面 6 已 倉虫 刻 之 步 級 13-

Claims (1)

1¾¾ 歲. “月⑸修⑵正本丨 .:·，謂式所轉露之範_ 十、申請專利範圍 第93 1 34400號「光學泵送式半導體雷射裝置」專利案 (2005年6月修正） 1·一種光學泵送式半導體雷射裝置，其包含： --種可表面發射之垂直發射區（1); -至少一以單石方式積體化而成之泵輻射源（2)，其對該垂 直發射區（1)進行泵送，其特徵爲： 配置至少一泵輻射源（2)且進行對準，使泵輻射以部份 輻射束之形式在不同之輻射方向中入射至該垂直發射區 (1)，該泵輻射因此具有一種與該垂直發射區（1)之基本模 式相重疊之區域，其適合用來激發該基本模式。 2. 如申請專利範圍第1項之半導體雷射裝置，其中該部份輻射 束來自主輻射方向不同之各種不同之泵輻射源（2)。 3. 如申請專利範圍第2項之半導體雷射裝置，其中泵輻射源（2) 是一種具有封閉式共振器之半導體雷射，該共振器圍繞該垂 直發射區。 4. 如申請專利範圍第2項之半導體雷射裝置，其中泵輻射源（2) 是一種邊緣發射式之半導體雷射。 5 ·如申請專利範圍第2至4項中任一項之半導體雷射裝置，其 中各泵輻射源（2)分別具有一種共振器，該共振器具有至少〜 彎曲之共振器終端鏡面（3)。 6·如申請專利範圍第2至4項中任一項之半導體雷射裝置，其 中各泵輻射源（2)分別具有一種共振器，該共振器具有至少〜 共振器終端鏡面配置，其由二個互相配置成直角之直線式共 1244815 振器終端鏡面（4)所構成。 7妬申請專利範圍第6項之半導體雷射裝置·其中配置二彳固罝 線式共振器終端鏡面（4)，使泵輻射在共振器中在該共振器上 經歷全反射。 8·如申請專利範圍第2至4項中任一項之半導體雷射裝置，其 中一個或多個泵輻射源（2)具有一種折疊式共振器，其包含二 個共振器終端鏡面和至少一個內部共振器鏡面（5)。 9.如申請專利範圍第8項之半導體雷射裝置，其中配置至少一 內部共振器鏡面（5)，使泵輻射在共振器中在該共振器上經歷 全反射。 10·如申請專利範圍第8項之半導體雷射裝置，其中共振器終端 鏡面是斷開之晶體多角形平面且內部共振器鏡面（5)是已蝕 刻之鏡面。 11 ·如申請專利範圍第1項之半導體雷射裝置，其中該部份輻射 束來自一種泵輻射源（2)，其輻射多次地在不同方向中經由該 垂直發射區（1)而發出。 12. 如申請專利範圍第11項之半導體雷射裝置，其中該泵輻射 源（2)之共振器具有一種共振器終端鏡面，其由一種在垂直發 射區（1)之主輻射方向中成拋物形而彎曲之已蝕刻之鏡面所 構成，其中該垂直發射區（1)配置在該成拋物形而彎曲之已蝕 刻之鏡面之焦點處。 13. 如申請專利範圍第11項之半導體雷射裝置，其中該泵輻射 源（2)是一種半導體環形雷射。 14·如申請專利範圍第13項之半導體雷射裝置，其中該半導體 -2 - 1244815. 環形雷射之共振器具有至少 〜彳固內部共振器鏡面（5)。 1 5 ·如申nra專利軺圍弟1 4項之半導體雷射裝置，其中配置至少 三個內部共振器鏡面（5)，使泵輻射在共振器中在該共振器上 經歷全反射。 16.如申請專利範圍第1項之半導體雷射裝置，其中接面由至少 一泵輻射源（2)彎曲至該垂直發射區（1)且其特徵是折射率已 改變，使泵輻射聚焦在該垂直發射區（1)中。