一种光泵浦半导体激光器芯片制造技术

本实用新型专利技术属于半导体激光器领域，涉及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，有源区仅设置一组量子阱，该组量子阱包含1个或连续多个量子阱。具有以下优点：本实用新型专利技术由于相邻量子阱之间的间隔较小，因此载流子可在相邻量子阱之间自由穿行，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。芯片增益显著提升。芯片增益显著提升。

【技术实现步骤摘要】
一种光泵浦半导体激光器芯片


[0001]本技术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。

技术介绍

[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
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
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AlGaInP、GaAs
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AlGaAs、InGaAs
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GaAsp及GaInNAs
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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。

技术实现思路

[0006]为此，本技术基于光泵浦的特性，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]本技术采用的技术方案为：
[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]根据本技术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)。采用本技术所述量子阱结构后，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]根据本技术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]根据本技术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]根据本技术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]根据本技术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％且小于后置反本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光泵浦半导体激光器芯片，其特征在于：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)，该组量子阱包含连续多个量子阱，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，n为有源区(11)半导体材料的折射率。2.一种根据权利要求1所述光泵浦半导体激光器芯片，其特征在于：所述半导体芯片有源区(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。3.一种根据权利要求1所述光泵浦半导体激光器芯片，其特征在于：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。4.一种根据权利要求1所述光泵浦半导体激光器芯片，其特征在于：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。5.一种根据权利要求1所述光泵浦半导体激光器芯片，其特征在于：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。6.一种根据权利要求1所述光泵浦半导体激光器芯片，其特征在于：在所述半导体芯...

【专利技术属性】
技术研发人员：王红岩，李康，杨子宁，张曼，崔文达，韩凯，王俊，许晓军，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：新型
国别省市：