TWI328909B - Injection laser - Google Patents

Description

1328909 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於光電技術，即：關於操作於大範圍波長 之有效、大功率且小巧的半導通注入式雷射（二極體雷射）。 【先前技術】 種種型式的、✓主入式雷射係已知：具有條狀產生活性區 域及具有透過光學共振器邊緣鏡的發射輸出之注入式雷射 [S.S. Ou等人，電子學論文，西元1992年，第28冊，第25號， 第2345-2346頁];具有垂直共振器之表面發射注入式雷射 [A. Krigge等人，電子學論文，西元2001年，第37冊，第2〇號 第1222-1225頁]，及’具有於光學共振器内向外發射之注 入式雷射[Shveykin V.I.，美國專利第6,748,002 B2號，西元 2004年6月8曰]。 鑒於技術與待解決之達成技術結果，具有表面發射之 最近的注入式雷射典型係描述於以下的著作[Sveykin VJ.， 專利 RU 21093 82 Cl，Bup. No.11，20.04.98]。該注入式雷 射係包括置放於基板之多層的異結構；該異結構係具有活 性（active)層。該注入式雷射亦包括：產生之條狀活性區域、 光學共振器、反射器、歐姆接點、具有蓋部之用於發射輸 出的裝置、用於抑制橫向超級發光發射的配置。於此情形， 至少二個產生單元係形成於條狀活性區域以構成至少一帶 之雷射發射產生；該等單元係由用於發射輸出的裝置而至 少限制於一側，該裝置係實施於形式為附加引入的腔部以 6 1328909 及二個反射器與對於輸出發射為透明的區域。腔部係置放 於異結構之表面侧。反射器係置放於腔部之傾斜的表面。 角度ψ係建立’其由於異結構表面之腔部反射肋部的方向 與條狀產生區域之橫向側的方向所形成，且其選取為於以 下的範圍内：（π/2)-&ιΧ8ίη(1/η)<ψ<(π/2)+&ιχ3ίη(1/η)，其中， η係針對於輸出發射為透明之區域的折射率。此外至少 為針對於腔部之一個反射器，角度Ρ係建立，其為由繪製 於活性層的平面表面之垂直線至該平面表面與指出腔部反 射器的平面表面之相交線及繪製朝向指出反射器表面之垂 直線所形成》該角度係選取為於以下的範圍内： (l/2)arcsin(1/n)<p<(7t/2)_(1/2)arcsin(1/n)。針對異結構之表 面，腔部之底部係置放於某距離，其為由傳播於裝置之操 作期間的放大發射之能量通量PiN所決定。該能量通量係 決定於為垂直於再生單元開始處的異結構諸層之異結構剖 面且亦為由於指出單元之總計放大所決定。該放大係取決 ^設，泵激電流、指出單元之長度、及異結構之配置。能 里通1 PIN係選取為於前述產生區域末端之放大發射的她 能量通量值0.99-CUHH之範圍内。於指出單元之總放大: 選取為反比於能量通量&。再者，存在針對於輸出發射 為透明之區域且置放為沿著發射（於裝置操作期間）之傳播 的方向’其為反射自腔部反射器。於該區域中外部輪出 發射表面係引入為鄰近於發射輸出表面之至少一側。 典型的注入式雷射之其太值科μ & 、田耵之基本優點係在於：由於其長度之 多倍增大所要求之發射輪出功率的可能提高。同時，存在 7 1328909 於準確度與反覆性之技術複雜度，藉由其為實施於形式為 於異結構之窄的腔部且位於活性層的緊鄰處之針對於發射 輸出配置的製造。此係將導致於輸出單元之發射的大誇射 發散度，且對應於發射輸出之光學損失的提高以及其 的降低。此係將產生於確保必要資源的操作性與可靠产之 困難度。此外，存在某些限制為在於：發射輸出係僅透過 其應為透明於雷射發射之基板而實施。 【發明内容】 本發明之基礎係新形式的超高功率注入式雷射（於下文 稱為雷射）之製造，其係具有出自活性層之形式為多個輸出 雷射束的發射表面輪出且作用於已知廣泛範圍的波長並且 為基於發射輸出之原始有效而非顯而易知的方式。 技術結果係在於：本發明提出的雷射之長度係主要為 未受限（指出的長度係、僅為由所運用的半導通基板之尺寸所 限’於雷射之輸出面的發射密度係顯著降低(其因數為 1〇‘2-1〇·3) ’此係致使超高的雷射發射功率、高效率低的 發射光學損失與於雷射長度之其獨立性、低臨限電流、低 歐姆損失(其隨著雷射長度增大而減小）、較高操作性的資 源與雷射的高可靠度，㈣發射之指向性與發散度係於廣 泛範圍又控制’且該雷射製造之技術處理係簡化。 根據本發明，上述的技術結果係透過下述者而達成： 本發明所提㈣注人式雷射係包括雷射異結構其含有由 至少-個子層所組成之至少一個活性層。豸雷射亦包括邊 8 1328909 緣面、縱向放大軸、光學共振器、以及其各者包括至少一 個子層之金屬化層。於此情形，於該異結構，至少一個序 列係形成於縱向放大軸方向。此序列係具有交替的至少一 個發射放大區域與至少一個發射輸出區域，該發射放大區 域係由至少一個子區域所組成且發射輸出區域係由至少一

個子區域所組成《於輸出區域以及雷射異結構諸層係存在 升高於放大區域之上且由至少一個子層所組成之用於發射 茂入的一半導通層。每個輸出區域係於縱向放大轴的方向 為由輸出面所限制於其相對側，料輸出面係對應為位在 相關於放大區域的外表面之某些線性傾斜角度h與α〗，且 我入層的折射# ηΙΝ#於納入茂入層力其之異結構的有效 折射率neff之比值係等於其為大於1之數值。 本發明所提出的雷射之顯著差異係在於：傳播於沿著 縱向放大軸的光學波導之雷射發射的最初原始而非顯：易 知的輸出係透過雷射之外表面而實施，藉助於為離散分佈 於雷射異結構内側且具有原始組成、結構與尺寸之發射輸 出區域1出區域與其輸出面之組成、結構與尺寸係俾使 該發射輸出為實現於沒漏發射之形式。本發明所提出的雷 射係特徵在於：隨著其長度增長之高效率，相對於其特徵 為於輸出面之顯著較低(因數為1〇火1〇_3)的雷射發射密度 之現代主入式雷射；雷射發射之受控制的指向性與發散 X低光學扣失’降低的臨限電流密度；&，降低的歐姆 與=阻。此係、使得可能藉由雷射發射之超高功率值以確保 該雷射操作之高可靠度、及顯著簡化雷射製造之技術處 9 理。 技術結果係亦读；岛Y、+，i 、 過下述者而達成：異結構係包括半導 通波長層。 • ㈣結果係亦透過下述者而達成：異結構係包括至少 • 於輸出發射側之半導通限定層。 技術結果係亦透過下述者而達成：於二個邊緣面係存 在具有反射係數為約等於i之光學共振器的反射器。透過 _ 此舉，特別而言，臨限電流密度之降低係達成。 技術結果係亦透過下述者而達成：於發射輸出側的放 大區域之異結構係存在諸層，其係實施為具有組成與厚度 值以使彳于於異結構之發射的部分限制為實現於該側之放大 區域。透過此舉，特別而言，發射功率之提高及製造技術 之簡化係達成。針對於此效應之提高，於自發射輸出側之 異結構的外表面係置放金屬化層，其包括具有高發射反射 係數之子層。 • 技術結果係亦透過下述者而達成：對應的金屬化層係 置放於洩入層之外表面的輸出區域。結果，效率係特別為 -提高且雷射臨限電流係降低。 .技術結果係亦透過下述者而達成：反射器係置放於邊 緣面之一者。該反射器之尺寸係允許以反射所指向於其的 所有雷射束。結果’具有降低的發散角度之雷射發射的單 向性係達成。 技術結果係亦透過下述者而達成：於相對於發射輸出 側之側的放大區域之異結構係存在諸層，其係實施為具有 1328909 組成與厚度值以使得發射的部分限制為實現於該側之此異 結構的該放大區域。透過此舉，特別而言雷射效率之提 高及製造技術之簡化係達成。針對於此效應之提高，於自 發射輸出側的相對側之異結構的表面係置放該金屬化層， 其包括具有高發射反射係數之子層。 技術結果係亦透過下述者而達成：至少二個條狀放大 子區域係形成於放大區域。該等放大子區域係位於沿著縱 向放大轴而於纟間的$間係由一物質所土真充，該物質係具 有折射係數為低於該等放大子區域之異結構的有效折射係 數。特別而言，此舉係允許以得到高功率之單模式雷射發 射。 技術結果係亦透過下述之雷射輸出區域的不同實施者 而達成。 輸出面之傾斜的線性角度α ι與％係作成於絕對值為 相等（等於π/2)。於輸出區域之洩入層係具有厚度為不小於 • 輸出區域之長度相乘以自活性層至洩入層之發射流出角度 ¢5的正切，而角度0係等於neff對ηΙΝ之比值的反餘弦。透 • 過此舉，雷射束之對應的指向性與角度發散係達成。 • 雷射束之對應的指向性係亦透過下述者而達成：輸出 面之傾斜的線性角度αi與a2係實施為具有相等的絕對值 且為等於（π/2)+(0)、且亦等於（π/4) + ("2)及等於 (3π/4).("2)。 技術結果係亦透過下述者而達成：自主伸展歐姆接點 (對應於金屬化層）係形成於多個發射輸出區域以及於多個 11 1328909 放大區域。此係特別使得可能最佳化該等放大區域與輸出 區域之尺寸以及提高該雷射發射之效率與功率。 技術結果係亦透過下述者而達成：於沿著其整個長度 之每個輸出區域的中間’條狀形式的放大區域係實施。該 條狀放大區域係具有寬度為小於輸出區域之寬度。該條狀 放大區域係具有完全相同於上述放大區域與附接的金屬化 層之其他參數。該金屬化層係包括具有高發射折射係數值 之一子層。此舉係特別導致該雷射臨限電流之降低及發射 功率之提高。 技術結果係亦透過下述者而達成：該雷射係包括藉由 電流所並聯連接之至少i個序列之交替的至少—個發射放 大區域與至少一個發射輸出區域，發射放大區域係由至少 -個子區域戶斤、组成且發射冑出區@係由至少一個子區域所 組成。透過此舉’雷射發射功率之提高係達成為約等於並 聯連接的指出序列之數目的倍數。

技術結果係亦透過下述者而達成：該雷射係包括其為 由電流所串聯連接之至少二個上述序列。結果，於相同電 流值’雷射發射功率之提高係達成。該發射功率係提高為

大約等於串聯連接A 的私出序列之數目的倍數（歸因於施加至 雷射之電壓的對應提高）。 本發明之本質係在於 有特別形式為大量的束之 雷射係基於運用流出發射 效而非顯而易知的方式。 新型式雷射之整體實施建立，具 出自活性層的發射表面輸出。該 性質的發射輸出之提出的原始有 原始且有效的發射輪出區域係引 12 1328909 入至活性區域且為離散分佈沿著雷射之長度（其本質為未受 限制）。該等輸出區域係確保超高的發射功率與其操作的高 可靠度以及發射光學損失之降低與於雷射長度之其獨立 • 性、效率之提高、於輸出面之發射密度的極顯著降低（因數 .為10人10_3)、雷射發射之受控制的指向性與發散度、歐姆 與熱阻之降低值、以及雷射製造之技術處理的顯著簡化。 本發明所提出的雷射之技術實現係基於目前為發展完 Φ 善且廣泛運用之已知基本技術處理。此提出者係滿足“產 業利用性”之標準。 【實施方式】 於下文，參照附圖’本發明係藉由其執行的具體態樣 而解說。該雷射之修改的提出實例係非為獨一無二且允許 存在其他實施者，包括於某範圍之内的波長，肖等特徵係 反映於申請專利範圍之多個屬性。 本發明所提出的雷射1丨來間.笛、s m 山W由耵i I爹閲.第i至3圖）係含有雷 射異結構，其置放於n f GaAs之基板2之上。該異結構

係基於化合物InAlGaAs所作成，具有活性InGaAs層3、 以及對應置放於發射輸出側與相對於其側之波導層4、5 與AlGaAs之限定層6、7。雷射發射之波長係選取為等於 0.98微米（㈣。雷射1之作用帶係執行為條狀⑽㈣且為 由交替的放大區域8與輸出區域9所組成。該交替係沿著 縱向的光軸而進行。 同且為等於100微米 寬度值放大區域8與輪出區域9係相 。該等區域8與9之橫向側係由ZnSe 13 1328909 •a 之橫向限定區域10所限制。於邊緣面u，具有反射係數 99%之光學共振器Fabri_Perr〇的薄膜反射器η係形成。 於發射輸出側，於放大區域8之限定層6的厚度與組成係 選取為使得於異結構之發射的部分限制為實現。金屬化層 13係附接至放大區域8之外表面且包括由具有發射反射係 數等於98%之銀所作成的子層。輸出區域9係含有〇aAs 之附加的半導通洩入層14 ,特點係在於：洩入層Μ的折 φ 射率係超過具有納入洩入層14之雷射異結構的有效折 射率neff。所有放大區域8之藉由電流的連接係藉由金屬 化層13之伸展於不@是放大區域8之外表面而且亦為於 橫向限定區域10 (放大區域8之伸展接觸）所實現。對應的 金屬化層15係亦施加於基板2。限定輸出區域9為沿著縱 向放大軸之輸出面16係垂直於放大區域8之外表面，且 角度〇h係於絕對值為相等於角度心且等於9〇度。於此情 形，高過於放大區域8的外表面之上的輸出區域9係具有 • 矩形平行六面體之形式。雷射1之長度係選取為等於20010 微米。放大區域8與輸出區域9之長度係對應選取為等於 .%微米與1G微米。形成於作用帶之區域8與輸出區域9 的數目係對應等於200與201。雷射！之輸出發射係由4〇〇 束所組成，其一半者係指向於沿著縱向放大軸之一個方向 而其另一半者為於相反方向。針對於雷射丨之此修改，流 出角度0係透過異結構諸層及洩入層14的組成與厚度值之 適當選取而設定為等於10度。針對於輸出束的折射角度β 係等於30度。發射輸出區域9之選取的厚度（6〇微米）係 等於輸出區域9的長度相乘以流出角請正切之 =三倍值。於此情形，於輸出面16的束三重入射： 發射輸出的計算部分择人士 等於”。：Γ 有98%。每個束之繞射發散係約 個輸出h Λ 率PEM係等於期瓦（針對每 1固称出束為0 5瓦）。 .計結算為Wm2:= 之發射的平均密度係總 差動效率ηΗ係等於85%。效率因 數（自出口的效率係數）係等於8〇%。 • +同於前述者之雷射1的以下修改係在於：於一邊緣 ΙΛΓ，具有尺寸為允許以反射所指向於其的所有雷 w射入的反射未顯示於圖式)係連接。具有低發散 之總雷射發射係形成如同相關於縱向放大軸而等於3。Ϊ 的角度β之單向發射於相對邊緣側。 ^同於第1至3圖所不的修改者之雷射1的以下修改 係在於.雷射1係含有其位於二個相等的放大區域8之間 的僅有-個輸出區域9且具有該等區域之對應放大的尺 • 寸。 不同於第1至3圖所示的修改者之雷们的下個修改 (參閱：第4圖)係在於：每個放大區域8係由其各具有寬 度為1〇微米之十個（於第4圖為三個）並聯定位的條狀放大 子區域17所組成，置放於其間係各具有寬度為5微米之 橫向限定區域1G’各者係由噴射的介電如所填充為達 到適當的最佳深度，狀子區域17與橫向限定區域ι〇 之上，包括銀子層之金屬化層13係施加（未顯示於第4圖）。 不同於第1至3圖所示的修改者之雷射i的以下修改 15 ^28909 (參閱：第5 人 的中間，條狀开” 沿著總長度之每個輸出區域9 /式之附加的放大區域18係形成具有金屬 曰 顯示於第5圖為均於放大區域8與18且亦為於 出區域9)，藉由電流所連接該等放大區域 ^全長度，其藉此，引人之附加產生區 域的寬度係等於4微米。 不同於第1 5 3闰 β 至3圖所不之雷射1的修改者，本發明所

提出的雷射1 (參閱：第6至8圖）係在於：於發射輸出側 之相對側’基板2係移除且限定層…的厚度與組成係 ^取乂使得於異結構之發射的部分限制被實現。包括銀子 層之金屬化層13與19係連接至限定層6與7的外表面。 於發射輸出側之相對側’雷射1係連接至CuW之導通板 2〇，連同其為置放於銅製的熱移除底板（未顯示於圖中）。 此外，對應的金屬化層21係連接至輸出區域9之茂入層 14°所有的輸出區域9之藉由電流的連接係透過金屬化層 21之膨脹（於洩入層14之高度）而實施於雷射丨之橫向侧 的者（輸出區域9之膨脹自主接觸 不同於前述者之雷射丨的以下修改係在於：上述的金 屬化層13與19係直接連接至波導層4與5。 不同於第1至3圖所示之雷射丨的修改者，本發明所 提出的雷射i (參閱：第9圖）係在於：限定該等輸出區域 9為沿著縱向放大轴之輸出面丨6係實施如同傾斜於放大區 域8之外表面，且角度αι係於絕對值為相等於角度4且 等於100度。於此情形，輸出區域9係具有於其縱向截面 16 梯形的形式。針對於雷射j 學塗層刃效丰之拎问，抗反射的光 未顯不於圖中）係施加於輸出區域9之輸出面μ 於此修改ΙΓΓ 的厚度係選取為等於2·0微米。 出自雷射卜 束係屬於垂直於傾斜面16且直接為 之光去述者的以下修改係在於··具有反射係數為99% ^層（未顯示於圖中）係施加於輸出 出發射係指向至選擇方向之一者(二選一自其之輸 不同於第9圖所示之雷射μ修改者，雷射… >改（參閱：第10圖）係在於輪 式 輸出面16係實施為傾斜形 二度係於其絕對值為相等於角度4且等於5〇度。 式輸出區域9係具有於縱向截面之朝上梯形的形 …輪出區域9的厚度係等於22微米。於此修改中 =係經歷傾斜輸出φ 16之總内部反射，改變其方向】 :由直接入射於其而外出為沿著汽入層Μ之 遺緣。 不同於前述者之雷射i的以下修改（參閱：第u圖）係 在於：輸出面16係實施為傾斜形式且角纟&係於其絕對 值為相等於角度α2且等於140度。於此情形，輪出區域9 係具有於縱向截面之梯形的形式且輸出區域9的厚度係選 取為等於1.7微米。於此修改’輸出沒漏發射係經歷傾斜 輸出面《總内部反射，？文變其#向且藉由直接入射於 其而通過針對於發射為透明之基板2。抗反射的光學塗層 係施加於發射輸出處之基板。 17 1328909 i業利用.π： 左入式雷射係運用以泵激於醫療裝置、雷射技術設備 之固態與光纖雷射及放大器，具有產生發射之雙倍頻率的 雷射係運用作為於某個波長範圍之廣泛應用的高效率、高 力率的固態發射源，包括：用於照明之白光的發射器。 【圖式簡單說明】 • 本發明係藉由第1至11圖而解說。 第1圖係示意描述本發明提出的多束雷射之縱向剖 面’該雷射係具有交替的二個放大區域與三個發射輸出區 域之序列，發射輸出區域之輸出面係垂直於放大區域之外 表面。 第2圖係示意描述本發明提出的雷射之俯視圖，該雷 射之縱向剖面係描繪於第1圖。 第3圖係示意描述於該雷射的放大區域之剖面，該雷 • 射之縱向剖面係描繪於第1圖。 第4圖係示意描述於本發明提出的雷射之發射輸出側 俯視圖其中，二個放大區域係分割為三個並聯定位的 . 放大區域。 第5圖係示意描述於本發明提出的雷射之發射輸出側 ^俯視圖’其中’三個附加的窄放大區域係納人以連接沿 著該雷射之整個長度的放大區域。 第6圖係不意描述本發明提出的雷射之縱向截面其 基板為移除’其中’於發射輸出側之相對側金屬化層及 18 J- 熱量移除板係直接連接至異結構。 第7圖係示意描述本發明提出的雷射之俯視圖，該雷 射之縱向截面係描繪於第6圖。 . 第8圖係示意描述於該雷射的放大區域之剖面，其具 有針對於放大區域與輸出區域之雙高度的金屬化層該雷 射之縱向截面係描繪於第6圖。 第 9 $ ^ 11圖係不意描述（不具有金屬化層）本發明提出 _的:射之縱向剖面，該雷射之輸出面係傾斜且形成關於放 大區域之外表面的線性傾斜角度αι與α2 : 於第9圖中，該等角度係等於(π/2)+⑺， 於第1〇圖中’該等角度係等於〇/4)+("2)， :第11圖中，該等角度係等於（3π/4) + ("2)。 【主要元件符號說明 1 2

4 ' 5 6 ' 7 8 ' 18 9 10 11 12 雷射 基板 活性InGaAs層 波導層 限定層 放大區域 輸出區域 橫向限定區域 邊緣面 薄膜反射器 19 1328909 13 、 15 、 19 、 21 金屬化層 14 洩入層 16 輸出面 17 放大子區域 20 導通板 α, ' α2 線性角度 20

Claims (1)

1328909 十、申請專利範圍： 1^^日修正本 1.-種注入式雷射’其係包括··雷射異結構其含二 含至少-個子層之至少一個活性層、以及邊緣面、縱向= 大轴、光學共振器、各者包括至少—個子層之金屬化層， 其中’於該異結構中，於縱向放大轴之方向係存在至少一 個序列中’此序列係具有交替的至少—個發射放大區域與 至少一個發射輸出區域，該發射放大區域係由至少—個子 區域所組成，且該發射輸出區域係由至少一個子區域所組 成，於該輸出區域以及該雷射異結構之諸層之中係存在升 高於該放大區域之上之用於發射洩入的一半導通層，且該 洩入層的折射率nIN對於納入洩入層於其之該異結構的有效 折射率neff之比值係等於大於i之數值，且自該活性層至該 洩入層的發射流出之角度以系等於neff對niN之比值的反餘 弦’且每個輸出區域係於該縱向放大轴的方向被輸出面限 制於其相對側，該等輪出面係對應於位在相關於該放大區 域的外表面之線性傾斜角度αι與α2，且線性角度〜與h 係於其絕對值為相等，其係確定於（π/4) + 〇/2)至（3π/4) + ("2) 之範圍内，包含該範圍之邊界值。 2·如申請專利範圍第1項之注入式雷射，其中，該異結 構係包括半導通波長層。 3. 如申請專利範圍第1項之注入式雷射，其中，該異結 構係包括至少於該輸出發射側之半導通限定層。 4. 如申請專利範圍第1項之注入式雷射，其中，於二個 邊緣面上係存在該光學共振器之反射器，其具有反射係數 21 1328909 為約等於1。 5. 如申請專利範圍第1項之注入式雷射，其中，於發射 輸出側的放大區域之該異結構中係存在諸層，其係實施為 具有組成與厚度值以使得於該異結構之發射的部分限制為 實現於該側之放大區域。 6. 如申請專利範圍第5項之注入式雷射，其中，於該異 結構之外表面上係置放該金屬化層，其包括具有高發射反 射係數之子層。 7. 如申請專利範圍第1項之注入式雷射，其中，對應的 金屬化層係置放於該洩入層之外表面的輸出區域。 8. 如申請專利範圍第丨項之注入式雷射，其中，反射器 係置放於邊緣面之一者，該反射器之尺寸係允許以反射所 指向於其的所有雷射束。 9 ·如申明專利範圍第1項之注入式雷射，其中，於發射 輸出側之相對側的放大區域之該異結構係存在諸層，其係 實施為具有組成與厚度值，以使得發射的部分限制被實現 於該側之此異結構的該放大區域。 10. 如申請專利範圍第9項之注入式雷射，其中，於該 八、’。構之表面上係置放該金屬化層，其包括具有高發射反 射係數之子層。 11. 如申吻專利範圍第1項之注入式雷射，其中，至少 二個條狀的放大子區域係形成於該放大區域内該等放大 :區域係位於沿著該縱向放大軸而於其間的空間係由一物 貝所填充，該物質係具有折射係數為低於該等放大子區域 2Z 1328909 之該異結構的有效折射係數。 I2.如申請專利範圍第】項之注入 ，性角度…與〜係等於(π/2)’而於該輪二：：，該等 係且右厘/^故丁， 項1之該 >矣入層 、 又’’、小於該輸出區域之長度相乘以發射流出之 角度¢5的正切。 13.如申凊專利範圍第！項之注入式雷射，其中，該等 線性角度α丨與 2 係專於（π/2) + ( ^)。

十一、圖式： 如次頁

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