[發(fā)明專利]一種光泵浦半導(dǎo)體激光器芯片

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011263399.4
• 申請(qǐng)日: 2020-11-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112271549A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-01-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王紅巖;李康;楊子寧;張曼;崔文達(dá);韓凱;王俊;許曉軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍國(guó)防科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01S5/04
• 分類號(hào): H01S5/04;H01S5/34;H01S5/10;H01S5/024
• 代理公司: 湖南企企衛(wèi)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 43257
• 代理人: 任合明

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，具體涉及一種光泵浦半導(dǎo)體激光器芯片，至少包括半導(dǎo)體芯片有源區(qū)，有源區(qū)僅設(shè)置一組量子阱，該組量子阱包含1個(gè)或連續(xù)多個(gè)量子阱。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明由于相鄰量子阱之間的間隔較小，因此載流子可在相鄰量子阱之間自由穿行，各阱中載流子可趨于均勻分布；僅設(shè)置一組量子阱使得壘區(qū)的厚度不再限定為周期性量子阱結(jié)構(gòu)中相鄰周期量子阱之間的半波長(zhǎng)，可以設(shè)置的足夠大，讓泵浦光經(jīng)過(guò)時(shí)能夠被充分吸收；采用較少的量子個(gè)數(shù)使得各量子阱中載流子能在更低的泵浦功率密度下實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這樣就可得到較低閾值功率密度的OPSL；設(shè)置前置反射結(jié)構(gòu)在增益區(qū)形成FB腔提高量子阱處的激光場(chǎng)強(qiáng)，使得OPSL芯片增益顯著提升。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，具體涉及一種光泵浦半導(dǎo)體激光器(Opticallypumped Semiconductor Laser,OPSL)芯片。

背景技術(shù)

半導(dǎo)體激光器具有體積小，質(zhì)量輕、效率高、波長(zhǎng)范圍廣、易集成、可靠性高、可批量化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此，自20世紀(jì)70年代具有量子阱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)以來(lái)，就成為了光電子技術(shù)領(lǐng)域的重要器件。傳統(tǒng)的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器已實(shí)現(xiàn)較大功率輸出，但其輸出光斑為橢圓形，光斑的縱橫比最差可達(dá)100:1，光束質(zhì)量差，只能在短距離內(nèi)聚焦。

光泵浦半導(dǎo)體激光器(Optically pumped Semiconductor Laser,OPSL)，也被稱為半導(dǎo)體盤片激光器(Semiconductor Disk Laser,SDL)可獲得圓形光斑，采用外腔結(jié)構(gòu)，改善了光束質(zhì)量，理論極限M²～1。采用光泵浦的方式解決了電流注入不均勻和串聯(lián)電阻熱堆積的問(wèn)題。 OPSL半導(dǎo)體增益芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)pn結(jié)，無(wú)電接觸，極大地簡(jiǎn)化了生長(zhǎng)過(guò)程，既提高了增益芯片的可靠性，又消除了附加電阻上的熱效應(yīng)。OPSL芯片上泵浦光斑較大，高功率時(shí)產(chǎn)生光學(xué)損傷的可能性減小，激光器體積緊湊，攜帶方便，實(shí)用化程度高。由于材料選擇的多樣性，其波長(zhǎng)覆蓋范圍廣，可覆蓋可見(jiàn)光至中紅外波段，通過(guò)非線性頻率變換，波長(zhǎng)還可以向紫外和深紫外區(qū)域擴(kuò)展。在1μm左右紅外至近紅外波段，半導(dǎo)體增益介質(zhì)主要采用在GaAs 襯底上生長(zhǎng)InGaP-AlGaInP、GaAs-AlGaAs、InGaAs-GaAsp及GaInNAs-GaAs量子阱，單管 OPSL連續(xù)輸出功率已高達(dá)106W，是目前OPSL最高功率的報(bào)道。

OPSL芯片的有源區(qū)一般采用周期性量子阱結(jié)構(gòu)，如圖1所示，以諧振腔激光在有源區(qū)材料的半波長(zhǎng)為周期，每周期在激光駐波波腹位置設(shè)置一組量子阱，每組包含一個(gè)或連續(xù)多個(gè)量子阱。

OPSL芯片周期性量子阱結(jié)構(gòu)由電泵浦的半導(dǎo)體激光器芯片結(jié)構(gòu)演變而來(lái)，電泵浦的半導(dǎo)體激光器在工作時(shí)，在周期性量子阱結(jié)構(gòu)的兩面(p面和n面)加電壓，在量子阱中形成電場(chǎng)，載流子在電場(chǎng)的激勵(lì)下形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)發(fā)光。電泵浦的半導(dǎo)體激光器中，各層量子阱中的電場(chǎng)強(qiáng)度是均勻的，電場(chǎng)強(qiáng)度是相同的，采用壘區(qū)和量子阱均勻分布的周期性結(jié)構(gòu)是符合其特征的。而光泵浦的半導(dǎo)體激光器中，這一特征就發(fā)生了改變，泵浦光強(qiáng)度會(huì)隨著芯片對(duì)其的吸收而逐步衰減，現(xiàn)有的OPSL芯片大都采用周期性的量子阱結(jié)構(gòu)，在周期性量子阱結(jié)構(gòu)中，各周期中量子阱個(gè)數(shù)與吸收層(包括壘區(qū)和量子阱對(duì)泵浦光的吸收)厚度均是固定的，但各層量子阱結(jié)構(gòu)中泵浦光光強(qiáng)卻是不同的，激光器工作時(shí)各周期吸收泵浦光產(chǎn)生載流子的數(shù)量也不同：靠近泵浦光源的量子阱中載流子濃度較高，濃度較高的載流子非輻射復(fù)合系數(shù)增大，降低了載流子的利用率并產(chǎn)生了廢熱，同時(shí)量子阱的增益與載流子濃度呈對(duì)數(shù)關(guān)系，通過(guò)增大載流子濃度對(duì)提高量子阱增益產(chǎn)生的邊際效用呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)；遠(yuǎn)離泵浦光源的量子阱中載流子濃度較低，較低的載流子濃度往往不能使得量子阱中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，對(duì)芯片增益起不到作用。因此，周期性的量子阱結(jié)構(gòu)并不是OPSL芯片的理想結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容

為此，本發(fā)明基于光泵浦的特性，摒棄OPSL傳統(tǒng)的周期性量子阱結(jié)構(gòu)，提出了一種OPSL 芯片，該芯片的有源區(qū)采用一種新的量子阱結(jié)構(gòu)，能夠提高OPSL芯片對(duì)泵浦光的吸收，降低OPSL的閾值功率密度，降低OPSL芯片的熱阻。