专利名称：椭圆环形腔半导体激光器的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体激光器领域，涉及椭圆环形腔半导体激光器。
背景技术：
圆盘型(微)腔半导体激光器是当前光电子领域最活跃的研究课题之一，与边发射半导体激光器相比，圆盘型腔半导体激光器具有高品质因子，低激射阈值以及易于平面工艺制备和二维光集成等优势，因此在光通讯、光互连以及光集成等方面有着广泛的应用前景，引起了人们的极大兴趣；圆盘型腔半导体激光器的缺点是光输出没有一定的方向性，沿着圆盘边界360度角都有。能够实现定向光耦和输出的盘型腔半导体激光器则是这一类盘型腔半导体激光器的新兴代表，以其具有定向光输出，较高输出光功率、光束质量好和易于光集成的特点在激光通信、激光探测、基础研究、医疗等领域具有广泛的应用前景，同 时器件的易于半导体器件平面工艺制备的特点使得器件还具有制作简便、成本低等优点，有着广泛的研发前景。现有的定向光输出的盘型腔半导体激光器中的谐振腔结构一般采用椭圆型，方型，三角形等，以及新出现的带切口的椭圆盘型结构。发明人在2010年12月出版的 “Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States ofAmerica(PNAS) ” 第 107 期第 22407 页(PNAS，107，22407，2010)上发表了带切口的椭圆盘型结构相关激光器件实验研究结果。此椭圆的盘型腔半导体激光器结构，如图1、2所示，包括上电极I、上波导层2、有源增益层3、下波导层4、衬底5、下电极6，器件的下电极6由焊料焊接到铜热沉上；带切口的椭圆盘型腔的外边界7，外边界的半长轴Ryi，其尺寸为96微米，半短轴Rxl，其尺寸为80微米，半长轴Ryi和半短轴Rxl的比值RY1/Rxl为I. 2。位于外边界7的短轴一顶点上的切口 8为半椭圆型，切口的宽度9为3微米，切口的深度10为2微米。激光器件在电流注入激励方式下工作，激光器的发射波长为10微米左右。这种带切口的椭圆盘型谐振腔结构的优点是激光器件在耳语回廊模式下工作，器件可以实现单向光输出，器件制作工艺简便等。不过由于采用了这种椭圆盘型腔结构，激光器工作时将对整个盘型区域都进行电流注入，而光的耳语回廊模式仅在盘的边缘附近行进，盘中心部分的电流对光增益没有贡献；这样一来，将增大激光器件的激射阈值，降低激光器件的电光转化效率，增大器件温升，降低器件的光输出功率。因此需要一种更理想的谐振腔结构。
发明内容
为了解决已有技术存在的问题，为此，本发明提出一种椭圆环形腔半导体激光器。本发明的一种椭圆环形腔半导体激光器由顺次连接的均为椭圆环形的上电极、上波导层、有源增益层、下波导层、衬底和下电极构成；所述的椭圆环形腔半导体激光器的下电极由焊料焊接到铜热沉上；椭圆环形腔的内边界和外边界形成环；在椭圆环形腔外边界椭圆的短轴的一个顶点上有一个切口，切口从上电极一直到下波导层，切口为半椭圆型，切口的深度范围为0. 1-2. O倍发射波长，切口的宽度为0. 1-2. O倍发射波长；带切口的椭圆环形腔的腔体可以用光刻掩模湿法刻蚀或反应离子刻蚀方法形成；
椭圆环形腔的外边界的半长轴为Ryi，外边界的半短轴为Rxl，半长轴和半短轴的比值 RY1/Rxl 为 I. 05-1. 5 ；椭圆环形腔的内边界的为光滑的椭圆或圆形，内边界和外边界的对称中心重合，内边界和外边界所形成的环的宽度为发射波长的2倍以上；所述的椭圆环形腔半导体激光器还可以在椭圆环形腔的内边界内部填充绝缘导热材料起散热作用，绝缘导热材料优选用氮化铝；所述的椭圆环形腔半导体激光器的椭圆环形腔的内边界可以是圆形；椭圆环形腔半导体激光器以电流注入激励方式工作。电流经过椭圆环形电极、上波导层注入有源增益层，电子和空穴进行复合，或电子从高能级向低能级跃迁，产生受激发射，上波导层和下波导层对光在垂直方向起到限制作用，激光从椭圆环形腔的外边界上与 切口相对的一侧的边界上实现单向出射。本发明的一种椭圆环形腔半导体激光器用III-V族半导体材料、II-VI族半导体材料或有机半导体材料制备。 有益效果本发明的一种椭圆环形腔半导体激光器，采用带切口的椭圆环形腔，该切口对在椭圆环形腔内传输的光起到散射作用，使其改变方向，激光从椭圆环形腔的外边界上与切口对应的一侧的边界上实现单向出射。该椭圆环形谐振腔在保证实现光单向输出的同时，与椭圆的盘型腔半导体激光器相比，减少了对盘型腔激光器中心部分的电流注入，提高电流注入效率在20%以上，降低激光器件的激射阈值在15%以上，提高器件电光转化效率在15%以上，提高光输出功率在15%以上。
图I是椭圆盘型腔半导体激光器结构示意图主视图。图2是椭圆盘型腔半导体激光器结构示意图俯视图。图3是椭圆环形腔半导体激光器结构示意图主视图。图4是椭圆环形腔半导体激光器结构示意图俯视图。
具体实施例方式实施例I如图3所示，本发明提出一种椭圆环形腔半导体激光器，由顺次连接的椭圆环形的上电极11、上波导层12、有源增益层13、下波导层14、衬底15和下电极16构成；所述的椭圆环形腔半导体激光器的下电极16由焊料焊接到铜热沉上；椭圆环形腔的内边界17和外边界18形成环；椭圆环形腔的上电极11为金电极，上波导层12为InGaAsP,有源增益层13为发射波长为10微米的InGaAs/InAlAs量子级联结构，下波导层14为InGaAsP，衬底15为InP，下电极16为金电极；椭圆环形腔外边界18的半长轴尺寸为Ryl，其尺寸为96微米，半短轴尺寸为Rxl，其尺寸为80微米，RY1/Rxl之比为I. 2，其外边界18椭圆的短轴的一个顶点上有一个切口 19，切口 19从上电极11到下波导层14，切口 19的深度21为2微米，切口
19的宽度20为3微米，椭圆环形腔内边界17为椭圆，其半长轴尺寸Ry2，其为66微米，半短轴尺寸Rx2，其为50微米，内外边界中心重合，采用反应离子刻蚀或湿法腐蚀形成环形腔，刻蚀形成的椭圆环的内外深度相同，腐蚀过下波导层14，到衬底15。
该椭圆环形谐振腔在保证实现光单向输出的同时，与椭圆的盘型腔半导体激光器相比，减少了对盘型腔激光器中心部分的电流注入，提高电流注入效率在30%，降低激光器件的激射阈值在22%，提高器件电光转化效率在20%，提高光输出功率在20%。实施例2椭圆环形腔外边界18的半长轴Ryl，其为84微米，半短轴Rxl，其为80微米，RY1/Rxl之比为1.05。其外边界18椭圆的短轴的一个顶点上有一个切口 19，切口 19从上电极11到下波导层14，切口 19的深度21为I微米，切口 19的宽度20为I微米，椭圆环形腔内边界17为圆，其半径为50微米；其它与实施例I相同。该椭圆环形谐振腔在保证实现光单向输出的同时，与椭圆的盘型腔半导体激光器相比，减少了对盘型腔激光器中心部分的电流注入，提高电流注入效率在25%，降低激光器件的激射阈值在18%，提高器件电光转化效率在18%，提高光输出功率在16%。实施例3 椭圆环形腔外边界18的半长轴Ryl，其为120微米，半短轴Rxl，其为80微米，Ryi/Rxl之比为I. 5。其外边界18椭圆的短轴的一个顶点上有一个切口 19，切口 19从上电极11到下波导层14，切口 19的深度21为20微米，切口 19的宽度20为20微米，椭圆环形腔内边界17为椭圆，其半长轴尺寸Ry2，其为55微米，半短轴尺寸Rx2，其为40微米，内外边界中心重合，其它与实施例I相同。该椭圆环形谐振腔在保证实现光单向输出的同时，与椭圆的盘型腔半导体激光器相比，减少了对盘型腔激光器中心部分的电流注入，在提高电流注入效率在22%，降低激光器件的激射阈值在16%以上，提高器件电光转化效率在15%，提高光输出功率在15%。实施例4在椭圆环形腔半导体激光器的内边界17内填充绝缘导热材料氮化铝；其它与实施例1、2或3相同。
权利要求
1.一种椭圆环形腔半导体激光器，其特征在于，其由顺次连接的均为椭圆环形的上电极(11)、上波导层(12)、有源增益层(13)、下波导层(14)、衬底(15)和下电极(16)构成；所述的椭圆环形腔半导体激光器的下电极(16)由焊料焊接到铜热沉上；椭圆环形腔的内边界(17)和外边界(18)形成环；椭圆环形腔的外边界(18)的短轴一个顶点上有一个切口(19)，切口(19)从上电极(11) 一直到下波导层(14)。
2.如权利要求I所述的椭圆环形腔半导体激光器，其特征在于，所述的椭圆环形腔的外边界(18)的半长轴为Ryi，外边界(18)的半短轴为Rxl，半长轴和半短轴的比值RY1/RxlSI.05-1. 5。
3.如权利要求I所述的椭圆环形腔半导体激光器，其特征在于，所述的切口(19)为半椭圆型，切口(19)的深度范围为O. 1-2.0倍发射波长，切口(19)的宽度为O. 1-2.0倍发射波长。
4.如权利要求I所述的椭圆环形腔半导体激光器，其特征在于，所述的椭圆环形腔的内边界(17)为光滑的椭圆或圆形，椭圆环形腔的内边界(17)和外边界(18)的对称中心重入口 ο
5.如权利要求4所述的椭圆环形腔半导体激光器，其特征在于，所述的椭圆环形腔的内边界(17)和外边界(18)所形成的环的宽度范围为发射波长的2倍以上。
6.如权利要求4所述的椭圆环形腔半导体激光器，其特征在于，所述的带切口(19)的椭圆环形腔的腔体用光刻掩模湿法刻蚀或反应离子刻蚀方法形成。
7.如权利要求I所述的椭圆环形腔半导体激光器，其特征在于，所述的椭圆环形腔半导体激光器的椭圆环形腔的内边界(17)是圆形。
8.如权利要求I、2或3所述的椭圆环形腔半导体激光器，其特征在于，所述的椭圆环形腔半导体激光器在椭圆环形腔的内边界(17)内部填充绝缘导热材料。
9.如权利要求8所述的椭圆环形腔半导体激光器，其特征在于，所述的绝缘导热材料用氮化铝。
全文摘要
本发明提供了一种椭圆环形腔半导体激光器，其由顺次连接的均为椭圆环形的上电极、上波导层、有源增益层、下波导层、衬底和下电极构成；所述的椭圆环形腔半导体激光器下电极由焊料焊接到铜热沉上；椭圆环形腔的内边界和外边界形成环；椭圆环形腔的外边界的短轴一个顶点上有一个切口，切口从上电极一直到下波导层。该带切口的椭圆环形谐振腔在保证实现光单向输出的同时，与椭圆的盘型腔半导体激光器相比，减少了对盘型腔激光器中心部分的电流注入，提高电流注入效率20％以上，降低激光器件的激射阈值15％以上，提高器件电光转化效率15％以上，提高光输出功率15％以上。所述的激光器用III-V族、II-VI族半导体材料或有机半导体材料制备。
文档编号H01S5/10GK102810813SQ20111014685
公开日2012年12月5日 申请日期2011年6月2日 优先权日2011年6月2日
发明者晏长岭, 徐莉, 田春雨, 贾霄 申请人:长春理工大学