[发明专利]高效率非对称光场分布垂直腔面发射半导体激光器

说明书

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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一侧的高损耗、激光器的转换效率受到限制的问题。

为了实现上述目的，本发明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。

本发明有益效果：本发明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一侧偏离，P型分段DBR一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1为本发明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为本发明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1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。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。