[實用新型]一種光泵浦半導體激光器芯片

有效

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• 申請日: 2020-11-12
• 公開（公告）號: CN213367030U
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發(fā)明（設計）人: 王紅巖;李康;楊子寧;張曼;崔文達;韓凱;王俊;許曉軍
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: H01S5/04
• 分類號: H01S5/04;H01S5/34;H01S5/10;H01S5/024
• 代理公司: 湖南企企衛(wèi)知識產權代理有限公司 43257
• 代理人: 任合明

本實用新型屬于半導體激光器領域，涉及一種光泵浦半導體激光器芯片，至少包括半導體芯片有源區(qū)，有源區(qū)僅設置一組量子阱，該組量子阱包含1個或連續(xù)多個量子阱。具有以下優(yōu)點：本實用新型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構中相鄰周期量子阱之間的半波長，可以設置的足夠大，讓泵浦光經過時能夠被充分吸收；采用較少的量子個數使得各量子阱中載流子能在更低的泵浦功率密度下實現粒子數反轉，這樣就可得到較低閾值功率密度的OPSL；設置前置反射結構在增益區(qū)形成FB腔提高量子阱處的激光場強，使得OPSL芯片增益顯著提升。

技術領域

本實用新型屬于半導體激光器領域，具體涉及一種光泵浦半導體激光器(Optically pumped Semiconductor Laser,OPSL)芯片。

背景技術

半導體激光器具有體積小，質量輕、效率高、波長范圍廣、易集成、可靠性高、可批量化生產等優(yōu)點，因此，自20世紀70年代具有量子阱結構的半導體激光器實現室溫連續(xù)運轉以來，就成為了光電子技術領域的重要器件。傳統(tǒng)的邊發(fā)射半導體激光器已實現較大功率輸出，但其輸出光斑為橢圓形，光斑的縱橫比最差可達100:1，光束質量差，只能在短距離內聚焦。

光泵浦半導體激光器(Optically pumped Semiconductor Laser,OPSL)，也被稱為半導體盤片激光器(Semiconductor Disk Laser,SDL)可獲得圓形光斑，采用外腔結構，改善了光束質量，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電阻熱堆積的問題。 OPSL半導體增益芯片結構簡單，無pn結，無電接觸，極大地簡化了生長過程，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。OPSL芯片上泵浦光斑較大，高功率時產生光學損傷的可能性減小，激光器體積緊湊，攜帶方便，實用化程度高。由于材料選擇的多樣性，其波長覆蓋范圍廣，可覆蓋可見光至中紅外波段，通過非線性頻率變換，波長還可以向紫外和深紫外區(qū)域擴展。在1μm左右紅外至近紅外波段，半導體增益介質主要采用在GaAs 襯底上生長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106W，是目前OPSL最高功率的報道。

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

OPSL芯片周期性量子阱結構由電泵浦的半導體激光器芯片結構演變而來，電泵浦的半導體激光器在工作時，在周期性量子阱結構的兩面(p面和n面)加電壓，在量子阱中形成電場，載流子在電場的激勵下形成粒子數反轉發(fā)光。電泵浦的半導體激光器中，各層量子阱中的電場強度是均勻的，電場強度是相同的，采用壘區(qū)和量子阱均勻分布的周期性結構是符合其特征的。而光泵浦的半導體激光器中，這一特征就發(fā)生了改變，泵浦光強度會隨著芯片對其的吸收而逐步衰減，現有的OPSL芯片大都采用周期性的量子阱結構，在周期性量子阱結構中，各周期中量子阱個數與吸收層(包括壘區(qū)和量子阱對泵浦光的吸收)厚度均是固定的，但各層量子阱結構中泵浦光光強卻是不同的，激光器工作時各周期吸收泵浦光產生載流子的數量也不同：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合系數增大，降低了載流子的利用率并產生了廢熱，同時量子阱的增益與載流子濃度呈對數關系，通過增大載流子濃度對提高量子阱增益產生的邊際效用呈現遞減趨勢；遠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反轉，對芯片增益起不到作用。因此，周期性的量子阱結構并不是OPSL芯片的理想結構。

實用新型內容

為此，本實用新型基于光泵浦的特性，摒棄OPSL傳統(tǒng)的周期性量子阱結構，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構，能夠提高OPSL芯片對泵浦光的吸收，降低OPSL的閾值功率密度，降低OPSL芯片的熱阻。