高效率非对称光场分布垂直腔面发射半导体激光器，属于半导体激光器技术领域，为解决现有的垂直腔面发射半导体激光器光场在P型DBR一侧的高损耗、激光器的转换效率受到限制的问题，本发明专利技术提供高效率非对称光场分布的垂直腔面发射半导体激光器，该激光器由下至上依次为N面电极、N型衬底、N型缓冲层、N型分段DBR、有源区、氧化限制层、P型分段DBR、P型盖层和P面电极；所述N型分段DBR在靠近有源区的前6-8对N型DBR的高、低折射率材料对的折射率差小于后面的高、低折射率材料对的折射率差；P型分段DBR在靠近有源区的前6-8对P型DBR的高、低折射率材料对的折射率差大于后面的高、低折射率材料对的折射率差。本发明专利技术电光转换效率高具有广泛的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半导体激光器
，具体涉及高效率非对称光场分布的垂直腔面发射半导体激光器。
技术介绍
垂直腔面发射激光器是一种垂直表面出光的半导体激光器，它具有阈值低，发散角小，激光功率密度高，易于单片集成，热稳定性好等优点，在医疗、传感、显示技术、信息存储、空间通讯和卫星导航上有着极其重要的应用。随着应用领域的扩展，对面发射激光器性能的要求也越来越高，如何提高垂直腔面发射半导体激光器的效率是近年来研究的热点。现有的垂直腔面发射半导体激光器结构由下至上依次包括N面电极、衬底、缓冲层、N型DBR(分布布拉格反射镜)、有源区、氧化限制层、P型DBR、盖层和P面电极；P面电极放置在盖层的顶面上，并且电连接到盖层，N面电极位于衬底的背面，并且电连接到衬底； 由于面发射半导体激光器在有源区两侧的N型DBR和P型DBR材料结构是一致的，这种对称性的结构会使得器件工作时内部光场强度在P型DBR和N型DBR具有相近的分布形式。 而P型DBR具有较高的掺杂浓度，产生大的光学损耗和较多的热量，使得激光器的转换效率受到限制。降低掺杂浓度可以在一定程度上减小P型DBR的光学损耗，然而这会引起器件串联电阻的增加，内腔接触式的面发射半导体激光器可以有效提高器件的转换效率，然而其应用局限于小口径的面发射激光器，并且制作工艺复杂，对设备精度要求高。因而迫切需要一种简单实用的方法来有效提高垂直腔面发射半导体激光器的转换效率。
技术实现思路
本专利技术目的是解决现有的垂直腔面发射半导体激光器光场在P型DBR —侧的高损耗、激光器的转换效率受到限制的问题。为了实现上述目的，本专利技术提供高效率非对称光场分布的垂直腔面发射半导体激光器，该激光器由下至上依次为N面电极、N型衬底、N型缓冲层、N型分段DBR、有源区、氧化限制层、P型分段DBR、P型盖层和P面电极；所述P面电极放置在P型盖层的顶面上且电连接到P型盖层，所述N面电极位于N型衬底的背面且电连接到N型衬底，所述有源区位于 N型分段DBR与P型分段DBR之间，有源区内引入增益介质层，所述N型分段DBR和P型分段DBR采用分段结构，N型分段DBR的高、低折射率材料层交替周期性分布，在靠近有源区的前六至八对N型DBR的高、低折射率材料对的折射率差小于后面的N型DBR的高、低折射率材料对的折射率差；P型分段DBR的高、低折射率材料层交替周期性分布，在靠近有源区的前六至八对P型DBR的高、低折射率材料对的折射率差大于后面的P型DBR的高、低折射率材料对的折射率差。本专利技术有益效果本专利技术面发射半导体激光器N型分段DBR和P型分段DBR采用分段式结构，它利用靠近有源区的前六至八对DBR对整个器件内部的光场分布情况进行调节，使得工作时器件的内部光场向N型分段DBR —侧偏离，P型分段DBR —侧的光场强度比普通的面发射半导体激光器要小，因此可有效改善激光器内部光学损耗以及P型分段DBR 的自产热效应。通过设计有源区的光学厚度为λ/2的整数倍(λ为出光波长)，多量子阱增益材料处在有源区中心，使得有源区处在光场强度最大处，可以使得光场获得最大的光增益，提高转换效率。这种激光器制作工艺简单，可适用于各种结构的面发射激光器件。相比于传统面发射激光器利用内腔接触等复杂工艺方法制作的高效率面发射激光器来说，它仅仅对有源区两侧的六至八对DBR结构做一下改进即可有效提高器件的工作性能；还可在有源区引入多个周期性增益结构，进一步提高器件的输出功率；有源区两侧的前六至八对 DBR可以采用三元材料AlGaAs，或者多元材料InAlGaAs或者AlGaInP，材料设计灵活性大， 有利于针对不同工作指标进行分析优化，可减小内部产热，降低阈值电流，提高转换效率。 总之，这种非对称光场分布的面发射半导体激光器具有内部损耗小，电光转换效率高，热稳定性好等优点，在高效率大功率垂直腔面发射半导体激光器领域有着广泛的应用前景。附图说明图I为本专利技术的高效率非对称光场分布垂直腔面发射半导体激光器结构示意图；图2为本专利技术的低损耗高效率垂直腔面发射半导体激光器结构折射率分布示意图；图3(a)、3(b)、3(c)为实施实例I的折射率分布，内部光场分布，功率-电流曲线示意图；图4为是实施实例2的折射率分布示意图。具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。如图I所示，本专利技术提供高效率非对称光场分布垂直腔面发射半导体激光器，该激光器由下至上依次为N面电极9、N型衬底I、N型缓冲层2、N型分段DBR3、有源区4、氧化限制层5、P型分段DBR 6、P型盖层7、P面电极8。P面电极8在P型盖层7的顶面上， 并且电连接到P型盖层7，N面电极9位于N型衬底I的背面，并且电连接到N型衬底I ;有源区4位于N型分段DBR3与氧化限制层5之间；N型分段DBR3采用N型掺杂多层高、低折射率材料周期分布的布拉格反射镜，且采用分段结构；P型分段DBR6采用P型掺杂多层高、 低折射率材料周期分布的布拉格反射镜，且采用分段结构。如图2所示，为本专利技术的高效率非对称光场垂直腔面发射半导体激光器的折射率分布图。N型分段DBR3由N型掺杂的高、低折射率层周期性排列组成；P型分段DBR6由P 型掺杂的高、低折射率层周期性排列组成。每个周期包含一高折射率层、一低折射率层，高、 低折射率层的光学厚度分别等于出射波长的1/4 ;靠近有源区的前6-8对N型DBR3a与后面的N型DBR3b的材料组成不同，组成前6-8对N型DBR3a的周期性材料折射率差比组成后面的N型DBR3b的周期性材料折射率差小；靠近有源区的前6-8对P型DBR6a与后面的 P型DBR6b的材料组成不同，组成前6-8对P型DBR6a的周期性材料折射率差比组成后面的P型DBR6b的周期性材料折射率差大。有源区4位于N型分段DBR3与P型分段DBR6之间，它的光学厚度为二分之一出光波长的整数倍，增益介质层4a —般处于有源区4内部，它位于整个激光器光场强度分布最大处。N型衬底I可为N型高掺杂的任何常用的III-V族化合物，比如GaAs和InP等，用于在其上外延生长激光器各层材料。由于外延层材料需与衬底晶格匹配或近似匹配，因此衬底的选择取决于设计的激射波长，本专利技术主要采用N型高掺杂GaAs衬底。N型缓冲层2生长在N型衬底I上，为N型高掺杂材料，通常选择与N型衬底I相同的材料。本专利技术中采用GaAs衬底，缓冲层选择N型高掺杂的GaAs，其目的是有效的掩埋衬底的缺陷，形成高质量的外延表面，以利于其它各层材料的生长。N型分段DBR 3生长在N型缓冲层2上，它由m对N型掺杂的高折射率材料层和低折射率材料层周期性排列组成，每层材料带隙宽度均大于有源层带隙宽度。在本专利技术中采用GaAs材料N型衬底I的情形下，N型分段DBR 3高折射率材料层和低折射率材料层选择不同铝组分的三元材料AlGaAs或多元材料InAlGaAs、AlGaInP等，高折射率材料铝组分低于低折射率材料。且靠近有源区4的前6-8对N型DBR 3a所选取的高折射率材料层与低折射率材料层跟后面的N型DBR3b不一样，折射率差较小。N型分段DBR 3的高、低折射率层的周期对数、每层的厚度和组分需精心设计，使其中心波长为所需的出光波长，靠近有源区部分的各层材料不掺杂或本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张建伟，宁永强，秦莉，刘云，曾玉刚，王立军，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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