半导体二极管激光器及其制造方法技术

本发明专利技术涉及折射率导引型半导体二极管激光器及其制造方法。Ｐ－Ｉ（光功率－电流）特性曲线的转折取决于激光器谐振腔的长度。根据本发明专利技术为该激光器谐振腔选择一种长度，对该长度而言，作为流经ｐｎ结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值。结果，激光器的长度是最佳的，它不仅与Ｐ－Ｉ曲线中转折的出现有关，而且与其它特性有关。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及折射率导引型(index-guided)半导体二极管激光器，以下通常简称为激光器，该激光器包括一块半导体本体，它具有第一导电型的半导体衬底，上面有按顺序至少由第一导电型的第一镀层、有源层、以及与第一导电型相反的第二导电型的第二镀层组成的一半导体层结构，还包括能够提供足够强度的正向电流的一个pn结，在位于谐振腔内的条形有源区产生相干电磁辐射，谐振腔由基本垂直于有源区的表面限定，同时半导体层结构在有源区的每一侧具有用以形成有效折射率等级的部件，而第一和第二镀层还有用以形成电连接的部件。本专利技术还涉及制造这种激光器的方法。这种激光器具有作为辐射源的各种用途，如用于光盘系统、光纤通信系统、条形码读出器和激光打印机。折射率导引型激光器是非常吸引人的，其原因主要在于出射光束是衍射受限的并且与所施加的光功率相比，进而与通过激光器的电流相比，远场及波前变化相对较小，这与增益导引型激光器形成鲜明的对比。此外，弱折射率激导引型光器比较易于制造。在上述许多应用领域，还需要激光器能够提供最大的光功率，即最大可能的电磁辐射强度。这种几何形状为条形的激光器见于H.C.Casey和M.B.Panish的“Heterostructure Lasers，Part BMaterials and Operating Characteristics”，该文登载在Academic Press 1978，Ch.7.6，pp.207-217。这里所提供的二极管，例如如图7-6-5(a)所示，包括一个n-GaAs衬底，该衬底的上面有一层放在n型和p型AlGaAs镀层之间的GaAs有源层。电连接部件包括衬底一侧的金属层和p-GaAs接触层，还包括上镀层一侧的金属层。进一步的部件包括有源区上的台面，它占第二镀层的主要部分，因此激光器是(弱)折射率导引型激光器。已知的激光器的一个缺点是不能提供非常大的有用功率。所谓的P(光功率)相对于I(电流)的特性不象所希望的那样在阈值电流之上基本是线性变化的，实际上在比较小的光功率下所述P-I特性经常存在转折点。在该转折点，光功率对电流强度的导数发生了变化同时出射束不再是衍射受限的。很清楚，当光功率小到出现转折点的程度时，这一结果将限制激光器的应用。上述结果以下被称之为转折。观察到转折时的光功率被称为转折功率(Pkink)。本专利技术尤其为实现一种没有所述缺点，或至少将此缺陷降低到小得多的程度的在阀值电流以上直到极高的光功率时具有基本线性(无一转折)P-I特性的半导体二极管激光器，作为其目的。本专利技术还为提供一种制造这种激光器的方法作为其目的。为达此目的根据本专利技术的在本文开始段中所提到的那种半导体二极管激光器的特征在于谐抗振腔具有的至少长度使对该长度而言，作为流经pn结的电流的函数的光功率的导数变化时，光功率是一个最大值。人们惊奇地，发现P-I特性的转折取决于激光器谐振腔的长度。此外还惊人地发现对应于谐振腔长度的某一值，转折功率为最大值。通过实验的方法，可以为在一个以及相同的衬底上制造的激光器确定转折功率为最大值时的长度值，在这一过程中制造了带各种谐振腔长度，而所有其它的特性都相同的许多激光器。当谐振腔取任意长度时，最大转折功率显着大于(最大为两倍)平均转折功率。因此，根据本专利技术的激光器非常适用于上述场合，因为在直到非常大的光功率的范围内都有基本线性的P-I特性。值得注意的是，R.T.Lynch等人在“Effect of cavity lengthson stripe-geometry DH laser output linearity”(Appl.Phys.Lett.34(4)，1979年2月15日，第297页)中指出缩短激光器长度将导致更高的转折功率。上述文章中的结论与增益型激光器有关，它与本专利技术的折射率导引型激光器是根本不同的。所观察到的效果的起因在于波导最低次横模之增益差，它随激光器的长度而单调递减。在本专利技术的折射率导引型激光器中这种效果是微不足道的，其原因是达到非常大的光功率之前这种效果将不起作用。此外，在上述文章论及的激光器中，即使在那种情况下，作为激光器长度的函数的转折功率也不会有最大值。根据本专利技术的第一实施例的激光器特征在于谐振腔的长度构成一组长度的一部分，这一组长度相互间的距离基本相等，而对构成那组部分长度的每一长度而言，作为流经pn结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值。进一步令人惊奇地发现，转折功率还具有许多最大值，基本上这些值都相等，并作为谐振腔长度的函数，这些最大值对应于相互间的距离基本相等的谐振腔的不同长度。作为谐振腔长度的函数的转折功率的梯度变化曲线(大约)为锯齿形，具有基本固定的幅度和周期。谐振腔的长度位置构成对应于一个最大转折功率的一组长度的部分，使得本专利技术的激光器更适用于大功率应用场合。确实，以这种方式最大转折功率可以与一个较长的长度结合起来。长度较长可以使得起始电流密度较小，同时使得起始电流引起的温度较低。其结果，这种激光器的功率较大而寿命较长。最好根据本专利技术激光器的谐振腔的长度介于第一长度和第二长度之间，对第一长度而言，作为流经pn结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值，第二长度大于第一长度，对第二长度而言，转折功率大约等于其最大值的50%。在位于转折功率的每个最大值后面的这一区域，激光器的转折功率大于所有可能长度下的平均转折功率。该结论与这样的事实有关，即(下一个)最大值之前的锯齿形曲线的每一齿面基本垂直于纵轴。当谐振腔的长度介于第一长度和第二长度之间，对第一长度而言，作为流经pn结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值，第二长度大于第一长度，对第二长度而言，转折功率大约等于其最大值的80%，这时甚至可以得到性能更好的激光器。在实践中可以发现，当谐振腔的长度介于第一长度和第二长度之间，对第一长度而言，作为流经pn结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值，第二长度比第一长度约长20μm，这时可以得到最好的结果。加工谐振腔时的分割工艺(cleaving process)误差大约为+/-10μm。当谐振腔的长度比对应于最大转折功率的长度平均约长10μm时，能够充分避免在长度较短情况下该最大值区域中转折功率的非常陡的塌陷。形成所述长度组部分的一个长度最好等于最短长度，对该长度而言，作为流经pn结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值，将有源区中产生的电磁辐射的基横模和一级横模之间的振荡周期的一半乘以一个整数，加到该长度上。当有源区的大小和有源区周围折射率的值知道时，可以通过计算估算出振荡周期。实践中发现，上述锯齿波的周期恰好等于振荡周期的一半。通过将该振荡周期的一半乘以一个整数，加到可以观察到转折功率的第一最大值对应的长度上，能够得到对长度的一个满意的估算值，对这些长度而言，转折功率将进一步显示出最大值。通过对接近这一估算长度的各种谐振腔进行试验，可以用一种很简单的方式找到还会出现最大值的准确的长度。通过计算可以将振荡周期p估算出来，这是因为它等于2π/(β0-β1)和λ/2＊△n01，其中β0和β1分别是有源区中产生的电磁辐射的基横模和一级横模的传播常数，λ是有源区中产生的电磁辐射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种折射率导引型半导体二极管激光器，以下通常简称为激光器，该激光器包括一块半导体本体，它具有第一导电型的半导体衬底，上面有按顺序至少由第一导电型的第一镀层、有源层、以及与第一导电型相反的第二导电型的第二镀层组成的一半导体层结构，还包括能够提供足够强度的正向电流的一个ｐｎ结，在位于谐振腔内的条形有源区产生相干电磁辐射，谐振腔由基本垂直于有源区的表面限定，同时半导体层结构在有源区的每一侧具有用以形成有效折射率等级的部件，而第一和第二镀层还有用以形成电连接的部件，其特征在于谐振腔至少具有一种长度，对该长度而言，作为流经ｐｎ结电流的函数的光功率的导数变化时，光功率为最大值。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：CJ范德波尔，GA阿凯特，MFC森曼，
申请(专利权)人：皇家菲利浦电子有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]