專(zhuān)利名稱(chēng)：大功率垂直外腔表面發(fā)射激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及垂直外腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)，特別是，具有改進(jìn)結(jié)構(gòu)的VECSEL裝置，以具有周期性增益結(jié)構(gòu)的多重量子勢(shì)阱層改善每個(gè)量子勢(shì)阱層的增益。
背景技術(shù)：
垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)以非常窄的光譜范圍內(nèi)發(fā)射單縱向光束。光束的發(fā)射角度小，從而耦合效率高。同樣，因?yàn)楸砻姘l(fā)光的特性使帶有其他裝置的單片集成電路變得容易，所以VCSEL適合作為泵浦激光光源。
然而，傳統(tǒng)的VCSEL不能像邊發(fā)射激光二極管(LD)一樣容易地發(fā)射單橫向光束。同樣，對(duì)于通常的單橫向模式操作，發(fā)射區(qū)域應(yīng)該為10μm或者更小，而甚至于由于熱透鏡效應(yīng)，隨著輸出光的增加，VCSEL便進(jìn)入多重模式。因而，單橫向光的最大輸出功率是5mW。
垂直外腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)提供了上述VCSEL的優(yōu)點(diǎn)，并且同時(shí)實(shí)現(xiàn)了大功率運(yùn)行。VECSEL采用外部反射鏡替代VCSEL的上部衍射布拉格反射器(DBR)，從而具有增加的增益面積，并且可以獲得100mW甚至更高的輸出功率。近來(lái)，因?yàn)檩^邊發(fā)射激光器有較少的增益量，所以表面激光發(fā)射器(SEL)不能像邊發(fā)射激光器獲得一樣多的增益，而開(kāi)發(fā)了具有周期設(shè)置的量子勢(shì)阱(QW)的周期性增益結(jié)構(gòu)的VECSEL裝置來(lái)彌補(bǔ)了這一缺陷。同時(shí)，由于原來(lái)的電泵浦不能在大范圍提供均勻載流子注入，因此開(kāi)發(fā)VECSEL裝置以能夠在大范圍內(nèi)進(jìn)行均勻的泵浦。
Kuznetsov等人在IEEE J.Selected topics in Quantum electronics，Vol.5(3)，p.561，1999中發(fā)表的題目為“Design and Characteristics of High-powerDiode-Pumped Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Semiconductor Lasers(大功率二極管泵浦的垂直外腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器)”中提出了應(yīng)變補(bǔ)償層，以補(bǔ)償了具有周期性增益的VECSEL結(jié)構(gòu)中在量子勢(shì)阱層中應(yīng)變，以抑制結(jié)構(gòu)缺陷。
然而，在VECSEL裝置中，應(yīng)變補(bǔ)償層完全地抵消了量子勢(shì)阱層周?chē)膽?yīng)變，并且當(dāng)所有應(yīng)變被抵消時(shí)，降低了量子勢(shì)阱層最大的增益。因此，在包括應(yīng)變補(bǔ)償層的VECSEL裝置中，需要改進(jìn)VECSEL的結(jié)構(gòu)，以便獲得量子勢(shì)阱層的最大增益。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了改進(jìn)的垂直外腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)，其中在周期性增益結(jié)構(gòu)中可以增加每個(gè)量子勢(shì)阱層的增益。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種垂直外腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)裝置，其包括基板；底部DBR鏡，形成在該基板上；多重量子勢(shì)阱層，形成在底部DBR鏡上，并包括多個(gè)量子勢(shì)阱層和第一和第二應(yīng)變補(bǔ)償層，第一和第二應(yīng)變補(bǔ)償層分別形成在每個(gè)量子勢(shì)阱層之上和之下，以逐步釋放量子勢(shì)阱層的應(yīng)變；頂蓋層，形成在該多重量子勢(shì)阱層上；光泵，發(fā)射泵浦束到頂蓋層表面上；和外腔反射鏡，與裝置分離并且面向底部DBR鏡。
多重量子勢(shì)阱層具有周期性增益結(jié)構(gòu)。量子勢(shì)阱層由選自于InGaAs和GaInAs構(gòu)成的組中的一種材料形成。第一和第二應(yīng)變補(bǔ)償層由選自由GaAsP和GaNAs構(gòu)成的組中的一種材料形成。頂蓋層由AlxGa(1-x)As(0≤x＜1)形成。
優(yōu)選勢(shì)壘層分別設(shè)置在量子勢(shì)阱層和第一應(yīng)變補(bǔ)償層之間，以及第一和第二應(yīng)變補(bǔ)償層之間。勢(shì)壘層由AlyGa(1-y)As(0≤y＜0.08)形成。勢(shì)壘層分別設(shè)置在底部DBR鏡與多重量子勢(shì)阱層之間，和多重量子勢(shì)阱層與頂蓋層之間。
根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)造，所提供的VECSEL裝置，在采用周期性增益結(jié)構(gòu)的多重量子勢(shì)阱層中，量子勢(shì)阱層的增益得以最大化。因此，VECSEL的運(yùn)行特性和可靠性得以保證。


通過(guò)參照附圖對(duì)其中的示范性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其他的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將變得更為顯明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的垂直外腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)的示意性截面圖；圖2是圖1中的VECSEL裝置的各個(gè)層的能帶示意圖；
圖3A和圖3B分別圖示了根據(jù)VECSEL裝置的光泵的每個(gè)GaAsP層的厚度的最大功率和閾值泵浦功率。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照附圖更全面地描述本發(fā)明。在附圖中，為了清晰起見(jiàn)，夸大了層的厚度和區(qū)域。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的垂直外腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)的示意性截面圖。圖2是圖1中VECSEL裝置中每層的能帶示意圖。
參照?qǐng)D1和圖2，根據(jù)本實(shí)施例的VECSEL裝置包括依次形成在基板10上的底部DBR鏡20、多重量子勢(shì)阱層30和頂蓋層40；光泵50，發(fā)射用于泵浦光束到頂蓋層40表面以進(jìn)行泵浦；外腔反射鏡60，與其余的VECSEL裝置分離，并且面向底部DBR鏡20?；?0可以由砷化鎵(GaAs)型材料形成。底DBR鏡包括交替的AlGaAs層和GaAs層。因?yàn)榛?0和底部DBR鏡20的材料和構(gòu)造都是熟知的，故將省略其描述。
多重量子勢(shì)阱層30具有周期性增益結(jié)構(gòu)。具體地講，多重量子勢(shì)阱層30包括多個(gè)量子勢(shì)阱層31，和依次形成在量子勢(shì)阱層31上、下側(cè)上的第一和第二應(yīng)變補(bǔ)償層32和34。第一和第二應(yīng)變補(bǔ)償層32和34可以釋放量子勢(shì)阱層31的應(yīng)變。也就是，對(duì)稱(chēng)設(shè)置在量子勢(shì)阱層31周?chē)牡谝粦?yīng)變補(bǔ)償層32抵消夾在第一應(yīng)變補(bǔ)償層32之間的量子勢(shì)阱層31的一部分應(yīng)變。對(duì)稱(chēng)設(shè)置在量子勢(shì)阱層31周?chē)牡诙?yīng)變補(bǔ)償層34可以抵消其余的應(yīng)變。因此，由于每個(gè)量子勢(shì)阱層31的應(yīng)變引起的結(jié)構(gòu)上的缺陷不發(fā)生在采用周期性增益的多重量子勢(shì)阱層30中。同時(shí)，當(dāng)采用量子勢(shì)阱層31的應(yīng)變逐漸減小的結(jié)構(gòu)時(shí)，其余沒(méi)有被抵消的應(yīng)變?nèi)匀粴埓嬖诹孔觿?shì)阱層31的周?chē)?。由于殘存的?yīng)變，量子勢(shì)阱層31的增益可以最大化。同時(shí)，殘存的應(yīng)變可以被抵消，并且因此在第二應(yīng)變補(bǔ)償層34周?chē)幌?br> 量子勢(shì)阱層31由InGaAs或GaInNAs形成。第一和第二應(yīng)變補(bǔ)償層32和34可以由GaAsP或GaNAs形成。頂蓋層40可以由AlxGa(1-x)As(0≤x＜1)形成。此外，通過(guò)控制第一和第二應(yīng)變補(bǔ)償層32和34的組成比例和厚度，在量子勢(shì)阱層31周?chē)膽?yīng)變的大小就可以得到控制，并且量子勢(shì)阱層31的增益可以得到最優(yōu)化。
勢(shì)壘層38還可以設(shè)置在量子勢(shì)阱層31和第一應(yīng)變補(bǔ)償層32之間，和在第一應(yīng)變補(bǔ)償層32和第二應(yīng)變補(bǔ)償層34之間。勢(shì)壘層38可以由AlyGa(1-y)As(0≤y＜0.08)形成。勢(shì)壘層38還可以設(shè)置在底部DBR鏡20和多重量子勢(shì)阱層30之間，和在多重量子勢(shì)阱層30和頂蓋層40之間。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，由于量子勢(shì)阱層31的應(yīng)變補(bǔ)償是逐步實(shí)現(xiàn)的，所以在VECSEL裝置中可以獲得最大的增益并且可以避免由于應(yīng)變?cè)斐傻慕Y(jié)構(gòu)上的缺陷。
<實(shí)驗(yàn)實(shí)例>
準(zhǔn)備帶有表1的結(jié)構(gòu)的VECSEL裝置的樣品，根據(jù)每個(gè)GaAsP層的厚度，測(cè)量光泵的最大功率和閾值泵浦功率。結(jié)果如圖3A和3B所示。
表1

InGaAs量子勢(shì)阱層形成的厚度為60，而銦(In)的組成率為28％。參照?qǐng)D3A和圖3B，可以預(yù)測(cè)，當(dāng)GaAsP層的厚度在大約280時(shí)，應(yīng)變被完全補(bǔ)償。當(dāng)GaAsP層的厚度大于280時(shí)，InGaAs量子勢(shì)阱層具有拉伸應(yīng)變。當(dāng)GaAsP層的厚度小于280時(shí)，InGaAs量子勢(shì)阱層有壓縮應(yīng)變。同樣，當(dāng)GaAsP層為預(yù)定厚度時(shí)候，泵浦功率達(dá)到最低點(diǎn)。因而VECSEL裝置的最大功率在低泵浦功率下增加。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，由于釋放了在量子勢(shì)阱層的應(yīng)變，VECSEL裝置不易于產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，并且具有改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，使得在具有周期性增益結(jié)構(gòu)的多重量子勢(shì)阱層中最大化量子勢(shì)阱層的增益。因此，VECSEL裝置的運(yùn)行特性和可靠性得以保證。
盡管本發(fā)明參照其中的示范性實(shí)施例已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)展示和描述，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，在此可以對(duì)其進(jìn)行形式上和細(xì)節(jié)上的各種變化，而不脫離權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種垂直外腔表面發(fā)射激光器裝置，包括基板；底部衍射布拉格反射鏡，形成在所述基板上；多重量子勢(shì)阱層，形成在所述衍射布拉格反射鏡上，并且包括多個(gè)量子勢(shì)阱層；和第一和第二應(yīng)變補(bǔ)償層，依次形成在每個(gè)量子勢(shì)阱層之上和之下，以逐步釋放所述量子勢(shì)阱層的應(yīng)變；頂蓋層，形成在所述多重量子勢(shì)阱層上；光泵，發(fā)射泵浦束到所述頂蓋層的表面上；和外腔反射鏡，與所述底部衍射布拉格反射鏡隔開(kāi)并且面向所述底部衍射布拉格反射鏡。
2.如權(quán)利要求1所述的垂直外腔表面發(fā)射激光器裝置，其中所述多重量子勢(shì)阱層具有周期性增益結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的垂直外腔表面發(fā)射激光器裝置，其中所述量子勢(shì)阱層由選自于InGaAs和GaInAs構(gòu)成的組中的一種材料形成。
4.如權(quán)利要求1所述的垂直外腔表面發(fā)射激光器裝置，其中所述第一和第二應(yīng)變補(bǔ)償層由選自于GaAsP和GaNAs構(gòu)成的組中的一種材料形成。
5.如權(quán)利要求1所述的垂直外腔表面發(fā)射激光器裝置，其中所述頂蓋層由AlxGa(1-x)As(0≤x＜1)形成。
6.如權(quán)利要求1所述的垂直外腔表面發(fā)射激光器裝置，還包括勢(shì)壘層，分別設(shè)置在所述量子勢(shì)阱層與所述第一應(yīng)變補(bǔ)償層之間，以及設(shè)置在所述第一和第二應(yīng)變補(bǔ)償層之間。
7.如權(quán)利要求6所述的垂直外腔表面發(fā)射激光器裝置，其中所述勢(shì)壘層由AlyGa(1-y)As(0≤y＜0.08)形成。
8.如權(quán)利要求7所述的垂直外腔表面發(fā)射激光器裝置，還包括勢(shì)壘層，所述勢(shì)壘層分別設(shè)置在所述底部衍射布拉格反射鏡與所述多重量子勢(shì)阱層之間，和設(shè)置在所述多重量子勢(shì)阱層與所述頂蓋層之間。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種改進(jìn)的VECSEL裝置，其中每個(gè)量子勢(shì)阱層的增益在所提供的周期性增益結(jié)構(gòu)中可以得到增加。垂直外腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)裝置包括基板；底部DBR鏡，形成在該基板上；多重量子勢(shì)阱層，形成在底部DBR鏡上，并且包括多個(gè)量子勢(shì)阱層和第一和第二應(yīng)變補(bǔ)償層，分別形成在每個(gè)量子勢(shì)阱層之上和之下，以逐步釋放量子勢(shì)阱層的應(yīng)變；頂蓋層，形成在該多重量子勢(shì)阱層上；光泵，發(fā)射泵浦束到該頂蓋層的表面上；和外腔反射鏡，與底部DBR鏡分隔并且面向底部DBR鏡。
文檔編號(hào)H01S5/323GK1893208SQ20061009085
公開(kāi)日2007年1月10日 申請(qǐng)日期2006年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月28日
發(fā)明者金起成 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社