一种光泵浦半导体激光器芯片的制作方法

[0001]
本发明属于半导体激光器领域，具体涉及一种光泵浦半导体激光器(optically pumpedsemiconductor laser,opsl)芯片。


背景技术：

[0002]
半导体激光器具有体积小，质量轻、效率高、波长范围广、易集成、可靠性高、可批量化生产等优点，因此，自20世纪70年代具有量子阱结构的半导体激光器实现室温连续运转以来，就成为了光电子技术领域的重要器件。传统的边发射半导体激光器已实现较大功率输出，但其输出光斑为椭圆形，光斑的纵横比最差可达100:1，光束质量差，只能在短距离内聚焦。
[0003]
光泵浦半导体激光器(optically pumped semiconductor laser,opsl)，也被称为半导体盘片激光器(semiconductor disk laser,sdl)可获得圆形光斑，采用外腔结构，改善了光束质量，理论极限m2～1。采用光泵浦的方式解决了电流注入不均匀和串联电阻热堆积的问题。 opsl半导体增益芯片结构简单，无pn结，无电接触，极大地简化了生长过程，既提高了增益芯片的可靠性，又消除了附加电阻上的热效应。opsl芯片上泵浦光斑较大，高功率时产生光学损伤的可能性减小，激光器体积紧凑，携带方便，实用化程度高。由于材料选择的多样性，其波长覆盖范围广，可覆盖可见光至中红外波段，通过非线性频率变换，波长还可以向紫外和深紫外区域扩展。在1μm左右红外至近红外波段，半导体增益介质主要采用在gaas 衬底上生长ingap-algainp、gaas-algaas、ingaas-gaasp及gainnas-gaas量子阱，单管 opsl连续输出功率已高达106w，是目前opsl最高功率的报道。
[0004]
opsl芯片的有源区一般采用周期性量子阱结构，如图1所示，以谐振腔激光在有源区材料的半波长为周期，每周期在激光驻波波腹位置设置一组量子阱，每组包含一个或连续多个量子阱。
[0005]
opsl芯片周期性量子阱结构由电泵浦的半导体激光器芯片结构演变而来，电泵浦的半导体激光器在工作时，在周期性量子阱结构的两面(p面和n面)加电压，在量子阱中形成电场，载流子在电场的激励下形成粒子数反转发光。电泵浦的半导体激光器中，各层量子阱中的电场强度是均匀的，电场强度是相同的，采用垒区和量子阱均匀分布的周期性结构是符合其特征的。而光泵浦的半导体激光器中，这一特征就发生了改变，泵浦光强度会随着芯片对其的吸收而逐步衰减，现有的opsl芯片大都采用周期性的量子阱结构，在周期性量子阱结构中，各周期中量子阱个数与吸收层(包括垒区和量子阱对泵浦光的吸收)厚度均是固定的，但各层量子阱结构中泵浦光光强却是不同的，激光器工作时各周期吸收泵浦光产生载流子的数量也不同：靠近泵浦光源的量子阱中载流子浓度较高，浓度较高的载流子非辐射复合系数增大，降低了载流子的利用率并产生了废热，同时量子阱的增益与载流子浓度呈对数关系，通过增大载流子浓度对提高量子阱增益产生的边际效用呈现递减趋势；远离泵浦光源的量子阱中载流子浓度较低，较低的载流子浓度往往不能使得量子阱中的粒子数反转，对芯片增益起不到作用。因此，周期性的量子阱结构并不是opsl芯片的理想结构。


技术实现要素：

[0006]
为此，本发明基于光泵浦的特性，摒弃opsl传统的周期性量子阱结构，提出了一种opsl 芯片，该芯片的有源区采用一种新的量子阱结构，能够提高opsl芯片对泵浦光的吸收，降低opsl的阈值功率密度，降低opsl芯片的热阻。
[0007]
本发明采用的技术方案为：
[0008]
一种光泵浦半导体激光器芯片，至少包括半导体芯片有源区11，所述半导体芯片有源区 11仅设置一组量子阱111，该组量子阱包含1个或连续多个量子阱。
[0009]
半导体芯片有源区11是半导体激光器芯片的核心，一般由带隙能量(半导体材料价带与导带之间的能量差)较小的量子阱111和带隙能量较大的垒区112组成，量子阱111的带隙能量小于激光光子的能量，对激光和泵浦光均吸收；垒区112的带隙能量大于激光光子的能量但小于泵浦光光子的能量，对泵浦光吸收而对激光透明。有源区11吸收泵浦光产生载流子，垒区112产生的载流子会被量子阱111捕获并在量子阱111中积累，当载流子达到一定浓度时实现粒子数反转形成增益。
[0010]
根据本发明的一个优选的实施方式，半导体芯片有源区11的厚度应满足泵浦光经过半导体芯片有源区11后能被充分吸收，同时半导体芯片有源区11的厚度应小于载流子的扩散半径(一般为10μm量级)。采用本发明所述量子阱结构后，半导体芯片有源区11厚度可以近似为垒区112的厚度，垒区的厚度不再限定为周期性量子阱结构中相邻周期量子阱之间的半波长，可以设置的足够大，让泵浦光经过时能够被充分吸收，只要半导体芯片有源区11的厚度小于载流子的扩散半径rc(一般为10μm量级)，半导体芯片有源区11吸收泵浦光产生的光生载流子均能被量子阱111捕获，就可以得到对泵浦光高吸收的opsl芯片。
[0011]
根据本发明的一个优选的实施方式，所述半导体芯片有源区11连续设置的量子阱个数小于7个。粒子数反转是激光器出光的必要条件之一，在具有量子阱结构的光泵浦半导体激光器中，则表现为量子阱中的载流子数反转，即载流子浓度超过透明载流子浓度，透明载流子浓度是由材料特性决定的，通常情况下为常量。传统的周期性量子阱结构中量子阱个数与有源区的周期个数成正比，较少的周期个数会使得芯片对泵浦光的吸收不足，报道出的opsl 量子阱个数通常不少于10个。要使得较多的量子阱实现粒子数反转，则泵浦光需要较高的功率密度。因此采用较多的量子阱会使得opsl阈值功率密度增加。采用较少的量子个数使得各量子阱中载流子能在更低的泵浦功率密度下实现粒子数反转，这样就可得到较低阈值功率密度的opsl。
[0012]
根据本发明进一步优选的实施方式，将所述量子阱111设置在激光器谐振腔激光驻波波腹位置处。当所述半导体芯片有源区11连续设置的量子阱个数小于7个时，因为opsl芯片采用了较少的量子阱个数，使得激光的增益距离变短，为了弥补这一缺陷，应设法增强量子阱处的光强，从而达到激光器出光所需的增益。若将量子阱设置在激光器谐振腔激光驻波波腹位置处，该处纵模限制因子较大，激光光强较强，可获得较大增益。
[0013]
根据本发明进一步优选的实施方式，在所述半导体芯片有源区11前方设置有窗口层13，所述窗口层13用于防止有源区生成的载流子外泄，同时也起到对芯片有源区的保护作用。
[0014]
根据本发明进一步优选的实施方式，在所述半导体芯片有源区11后方设置后置反射结构 12，所述后置反射结构12在所述半导体芯片有源区11后方，对激光具有高反射性
能；在所述半导体芯片有源区11前方设置前置反射结构3，所述前置反射结构3对入射的激光具有反射性能，其反射率r3大于50％且小于后置反射结构12的反射率r1；所述前置反射结构3与所述后置反射结构12构成法布里-珀罗(fb)腔，所述前置反射结构3与所述后置反射结构 12的距离应满足激光在fb腔内产生谐振。当所述半导体芯片有源区11连续设置的量子阱个数小于7个时，因为opsl芯片采用了较少的量子阱个数，使得激光的增益距离变短，在有源区前方设置前置反射结构，与激光器的后置反射结构构成fb腔，通过适当的设置fb腔之间的距离，使得激光在fb腔中谐振，从而获得较高的激光光强。fb腔中激光光强与激光器谐振腔外腔中激光光强的对应关系与前置反射镜反射率有关，具体为：
[0015][0016]
当r3<50％时，fb腔内光强不足外腔光强的2倍，光强增强效果不明显。若r3>r1则大部分激光能量从后置反射结构处泄漏，没有到达外腔，形成激光输出到自由空间的则更少。通过设置合适r3值可调节fb腔内激光光强。
[0017]
根据本发明进一步优选的实施方式，在所述半导体芯片窗口层13前方设置有前置反射结构3。
[0018]
根据本发明更进一步优选的实施方式，前置反射结构3采用在芯片表面镀多层介质膜的方式实现，位于窗口层13的前方。
[0019]
根据本发明进一步优选的实施方式，在半导体芯片上设置微纳结构调节芯片中光场分布，使得所述半导体芯片有源区量子阱111处具有较大的激光光强。微纳结构具有独特的光学性质和亚波长尺寸，可以对光场的振幅、位相和偏振等信息进行精确的任意调控，可利用微纳结构调节半导体芯片中的光场分布，使得量子阱处激光光场振幅增大，从而获得较高的增益。
[0020]
根据本发明优选的实施方式，所述半导体芯片有源区量子阱111设置在靠近激光器散热结构一侧。opsl中，从光生载流子从高能级的垒区向低能级的量子阱跃迁的过程中释放能量，即量子亏损，这部分能量一般以废热的形式释放，是激光器工作时废热的主要来源。将量子阱设置在靠近激光器散热结构的一侧，会使得这一部分废热在芯片中传输的路程变短，激光器工作时的热阻变小，有利于废热的处理。通过本实施方式可减小opsl芯片热阻。若后置反射结构采用全反射结构，可实现主要热源与冷却结构的直接接触，冷却结构可采用液体对流散热，即可将固体激光器的传导散热方式转化为散热效果更好的对流散热方式。
[0021]
本发明具有以下优点：本发明的特征在于抛弃原有的周期性量子阱结构，仅在有源区设置一组1个或一组连续多个量子阱，由于相邻量子阱之间的间隔较小(通常为6-12nm)，与常温下电子的德布罗意波长相当，因此载流子可在相邻量子阱之间自由穿行，即将各个量子阱串起来，各阱中载流子可趋于均匀分布；仅设置一组量子阱使得垒区的厚度不再限定为周期性量子阱结构中相邻周期量子阱之间的半波长，可以设置的足够大，让泵浦光经过时能够被充分吸收；采用较少的量子个数使得各量子阱中载流子能在更低的泵浦功率密度下实现粒子数反转，这样就可得到较低阈值功率密度的opsl；设置前置反射结构在增益区形成fb腔提高量子阱处的激光场强，使得opsl芯片增益显著提升。
附图说明
[0022]
图1.传统opsl芯片有源区的周期性量子阱结构示意图；
[0023]
图2.opsl结构示意图；
[0024]
图3.opsl半导体芯片结构示意图；
[0025]
图4.传统opsl芯片工作原理图；
[0026]
图5.本发明opsl芯片有源区一个具体实施方式的结构示意图；
[0027]
图6.本发明opsl芯片工作原理图。
具体实施方式
[0028]
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
[0029]
参照图2所示的opsl，泵浦光源8发射的泵浦光6透过准直聚焦透镜9聚焦到opsl芯片1中，使opsl芯片1辐射发光，发射光在opsl芯片1与耦合输出镜2构成的谐振腔4 中谐振形成驻波5，并通过输出耦合镜2发射激光，图中7为散热器。
[0030]
参照图3所示的opsl半导体芯片结构示意图，芯片1一般由有源区11、位于有源区后面的后置反射装置12、位于有源区前面的窗口层13组成，后置反射装置12一般为不同折射率半导体材料生长而成的分布式布拉格反射镜(dbr)，窗口层13由相对于激光和泵浦光均透明的半导体材料生长而成，起到保护有源区和防止载流子泄漏的功能。
[0031]
参照图1所示传统opsl芯片有源区11的周期性量子阱结构，由周期排列的量子阱111 和垒112构成，排列周期为激光在真空中波长λ的1/2n，其中n为有源区11半导体材料的折射率，量子阱111位于激光驻波5的波腹处。同一个波腹位置可以只设置一个也可以设置连续多个量子阱。
[0032]
参照图4所示的传统opsl芯片工作原理图，激光器工作时有源区11吸收泵浦光6，产生光生载流子，由于量子阱111半导体材料的带隙宽度小于垒112材料的带隙宽度，量子阱 111相对垒112中的载流子能级较低，载流子由高能级向低能级跃迁并在量子阱111中积累形成粒子数反转并获得增益。由图4可见，随着芯片有源区11对泵浦光6的吸收，泵浦光6 在有源区11内呈指数衰减，靠近泵浦光光源的量子阱捕获的载流子较多，远离泵浦光光源的量子阱捕获的载流子较少。
[0033]
以gaas系激光波长为λ＝980nm的opsl芯片为例，采用波长λ
p
＝808nm的光源泵浦，泵浦光斑直径d
p
＝1mm，垒材料为gaas，对808nm泵浦光的吸收系数为α＝13000cm-1
，有源区11设置10个周期，每个周期1个量子阱，量子阱采用in0.17ga0.83as，阱宽l
w
＝8nm，量子阱材料增益系数g0＝2000，透明载流子深度n0＝1.7
×
10
18
cm-3
，载流子在量子阱中的单分子复合系数a＝1.0
×
107s-1
，双分子复合系数b＝1.0
×
10-10
cm3s-1
，俄歇复合系数c＝ 6.0
×
10-30
cm6s-1
，激光在外腔中往返传输的损耗因子t
loss
＝99％，后置反射装置12(dbr) 对激光的反射率r1＝99.99％。可算出，该芯片对入射泵浦光的吸收效率为83.7％。若耦合输出镜2的反射率r2＝98.5％，采用m.kuznetsov(high-power(0.5-w cw)diode-pumpedvertical
-ꢀ
external-cavity surface-emitting semiconductor lasers with circular tem beams.ieee photonicstechnology letters，1997，9(8)：1063-1065.)提出的速率方程模拟计算出激光器的阈值功率为 14w，阈值功率密度为1782w/cm2；若耦合输出镜2的反射率r2＝96％，模拟计算出激光器的阈值功率为33w，阈值功率密度为4205w/cm2。m.kuznetsov提
出的速率方程还未考虑到各量子阱捕获载流子中载流子浓度差异给芯片增益来带的影响，实际阈值功率密度还要更高，激光器正常工作时的产生的废热密度高达10000w/cm2。
[0034]
参照图5所示本发明提出的opsl芯片有源区结构，其特征在于抛弃了原有的周期性量子阱结构，仅设置一组量子阱，每组量子阱个数为1个或连续多个，连续多个量子阱是指量子阱之间间隔小于激光在真空中波长λ的1/4n，如图5所示为一组连续4个量子阱。
[0035]
参照图6所示本发明一个实施方案的工作原理图，本实施方式采用的材料与图4传统 opsl相同，有源区11设置一组连续4个in0.17ga0.83as材料量子阱，阱宽l
w
＝8nm，相邻量子阱之间间隔6nm，垒材料为gaas，有源区11总厚度设计为厚度为25个半波长(λ/2n)；量子阱111设置在靠近后置反射结构12的第一个驻波波腹处，相邻量子阱用gaas隔开，间隔为6nm。gaas对泵浦光的吸收系数为α＝13000cm-1
，对激光的折射率n＝3.523，有源区11 总厚度达3477nm，对泵浦光的吸收效率η
abs
接近99％。
[0036]
表1前置反射装置采用六层介质膜的排列顺序及折射率
[0037]
序号材料厚度(nm)折射率1al2o31511.6212tio21282.3003sio21691.4514tio21282.3005sio21691.4516tio21282.300
[0038]
本实施方案采用在窗口层外镀多层介质膜的方式设置前置反射装置3，前置反射装置3 采用六层介质膜设置在芯片窗口层13前面，排列顺序及折射率如表1所示，其对正入射的激光反射率为r3＝87％，激光在f-b腔中谐振，f-b腔内光强p
fb
与外腔光强p
e
的关系由前置反射镜反射率r3决定，具体为：当r2＝87％，fb腔内激光光强是外腔光强的7.7 倍，有源区增益也得到了7.7倍的提升。
[0039]
表1所示的多层介质膜结构对空气中入射角为30度的808nm波长泵浦光反射率仅为 0.5％，在起到提高芯片增益的同时也减少了泵浦光在芯片表面的反射，提高了泵浦光的利用率。
[0040]
通过模拟计算，在耦合输出镜2的反射率r2＝98.5％时，激光器的阈值功率为3.2w，阈值功率密度为407w/cm2；若耦合输出镜2的反射率r2＝96％，模拟计算出激光器的阈值功率为 4.3w，阈值功率密度为554w/cm2。相比传统模型，此实施例将激光器阈值功率降低了一个数量级。通过进一步提高前置反射装置反射率及减少量子阱个数还能降低激光器的阈值功率密度，其极限在于仅设置1个量子阱，且量子阱中载流子浓度达到透明载流子浓度时的功率密度，按照上述材料参数，对于一个阱宽lw＝8nm的量子阱，透明载流子浓度n0＝1.7
×ꢀ
10
18
cm-3
，使得粒子数反转需要56w/cm2的泵浦功率密度，当量子阱处激光光场强度调制的足够强时，理论上可将激光器阈值功率密度降到低于100w/cm2的水平。