專利名稱：注入式激光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及光電^支術，即，涉及在4交寬波長范圍內工作的有效 功率大且緊湊的半導體注入式激光器(二極管激光器)。
背景技術：
已知各種類型的注入式激光器具有條狀有源生成區以及具有 通過光學共振器的邊緣反射鏡的發射輸出的注入式激光器[S.S. Ou 等人，Electronics Letters (1992). v.28, No.25, pp.2345-2346]、具有垂 直共振器的表面發射注入式激光器[A. Krigge等人，Electronics Letters, 2001, vol.37, No.20, pp.l222畫1225]、在光學共振器中具有輸 出發射的注入式激光器[Shveykin V.I.,專利號US 6,748,002 B2, 2004 年6月8曰]。乂人l支術實質和要解決的4支術問題的立場來看，在著作[Sveykin V丄，專利RU 2109382 CI， Bup. JNkll, 20.04.98]中描述了最4妄近的具 有表面發射的注入式激光器原型。所述注入式激光器包括置于襯底 上的多層異質結構；所述異質結構具有有源層。所述注入式激光器 還包括條狀有源生成區、光學共振器、反射器、歐姆接觸、用于輸 出發射的具有遮蔽的裝置、用于抑制橫向超輻射發光發射的配置。 在這種情況下，至少兩個生成單元形成在構成至少一條的激光發射生成的條狀有源區中；所述單元被用于輸出發射的裝置限制在至少一側上，該裝置以另外引入的帶有兩個反射器和對于輸出發射為透 明的區域的空腔的形式進行工作。空腔被置于異質結構表面的一側 上。反射器被置于空腔的傾斜表面上。此外，產生了角v,其由異質結構表面上的空腔反射器肋材(rib)的方向和條狀生成區的橫向 側面的方向形成，并在下列范圍內選擇:(兀/2) - arcsin( 1 /n)< vj/〈(兀/2) + arcsin(l/n),其中，n是對于輸出發射為透明的區域的折射率。除 此之外，對于空腔的至少一個反射器產生角(3 ,該角由有源層的平 面表面上、向其平面與所示空腔反射器的平面表面的相交線所繪制 的法線與朝向所示反射器的表面所繪制的法線形成。所述角度在下 列范圍中選4奪(l/2)arcsin(l/n)<(3 <(兀/2)-(1/2)arcsin(l/n)。相對于異 質結構的表面，空腔底部被設置在由操作該裝置期間傳播的放大發 射的能通量Pm確定的距離處。所述能量流在與再生單元開始處的 異質結構層垂直的異質結構一黃截面中#皮確定，并且還由所述單元中 的總》文大率確定。所述i文大率耳又決于i殳置的4由運電流(pumping current),所示單元的長度、以及異質結構的構造。此夕卜，在前一生 成區的末端處的放大發射的總能通量值的0.99-0.001范圍內選擇能通量Pin。與能通量PiN成反比地選擇所述單元中的總放大率。此外， 存在對于輸出發射為透明并沿發射的傳播方向設置(在操作該裝置 期間)的區域，該發射^皮空腔反射器所反射。在所述區域中，外部 輸出發射表面與發射輸出表面的至少 一側相鄰。注入式激光器原型的基本優點在于可以通過成倍增加其長度 來保證發射輸出功率的增加。同時，對于用于以異質結構中并位于 緊鄰有源層的窄空腔形式而執行的發射輸出的配置，存在制造精度和可重復性的技術復雜性。這會導致輸出單元處較大的發射的衍射 散度，并相應地導致發射輸出的光損耗的增大以及其效率的減少。 這樣的事實會產生4呆i正:搡作性和可靠性所需的資源的困難。此外， 存在僅通過應該對于激光器發射為透明的襯底執行發射輸出的特 定限制。發明內容本發明的基礎在于產生一種新型的超功率的注入式激光器(下 文中稱為激光器)，其具有以大量輸出激光束形式從有源層發射出 來的表面輸出并在已知較寬發射波長范圍內起作用，以及基于輸出 發射的新穎有效且非顯而易見的方法。技術效果在于，所提出的激光器的長度原則上沒有限制(所指 的長度僅受所使用半導體襯底的尺寸限制)，激光器輸出面處的發射密度顯著減小(減小10—2- i(rM咅)，其保證了激光器發射的超高 功率、高效率、發射的低光損耗及它們對于激光器長度的獨立性、 低閾值電流、隨激光器長度增加而增大的低歐姆損耗、激光器的較 高資源可操作性和高可靠性、以及在較寬范圍內被控制的輸出發射 的方向性和散度，并且簡化了激光器制造的技術工藝。的事實來實現上述技術效果，其中，激光器異質結構包括由至少一 個子層組成的至少一個有源層。所述激光器還包括邊緣面、縱向放大軸、光學共振器、包括至少一個子層的金屬化層(metallization layer )。在這種情況下，在所述異質結構中，在^v向》文大軸方向上 ;改置至少 一個序列。該序列具有交*#的由至少一個子區組成的至少 一個發射》文大區和由至少一個子區組成的至少一個發射輸出區。在 輸出區和激光器異質結構的多個層中，存在高于放大區并由至少一個子層組成的用于發射漏入的半導體層。通過相應地相對于》文大區 的外表面以一定的線性傾斜角OH和(X2設置的輸出面在縱向放大軸折射率n,N和其中包括有漏入層的異質結構的有效折射率n^的之比 等于大于1的數。所提出的激光器的一個顯著不同在于，第 一次沿縱向放大軸在 光學波導中傳播的激光器發射的新穎和非顯而易見輸出是在離散 分布在激光器異質結構中并具有新穎組分、結構和尺寸的發射輸出 區的幫助下而通過激光器的外表面來執行的。此外，輸出區的組分、 結構和尺寸及其輸出面使得以泄漏發射的形式來實現發射輸出。所 提出的激光器的特征在于隨著其長度的增長而增大的高效率，以及 與現代的注入式激光器相比，其特征在于顯著降低的輸出面處激光 器發射的密度(降低了 10—i-10—3倍)、激光器發射的可控方向性和 散度、降低了的光損耗、減小了的閾值電流密度、以及還在于減少 了的歐姆和熱每丈電阻。這樣的事實使得可以通過激光器發射的超高 功率值來確保激光器操作的高可靠性以及顯著簡化激光器制造的 技術工藝。還通過在兩個邊緣面上存在光學共振器的反射器(具有近似等 于1的反射系數)來實現技術效果。因此，尤其實現了閾值電流密 度的減小。還通過在發射輸出側上的放大區中的異質結構中存在通過在 上述側上的i文大區中實現異質結構中發射的部分限制的組分和厚 度值而實現的多個層，來實現技術效果。在異質結構的所述表面上， 放置具有高發射反射系數的金屬化子層。因此，尤其實現了發射功 率的增大以及制造沖支術的簡化。還通過將相應的金屬化層置于漏入層的外表面上的輸出區中 來實現技術效果。因此，尤其提高了效率并降低了激光器的閾值電流o還通過將反射器置于一個邊緣面上來實現技術效果。所述反射 器的尺寸允許反射指向其的所有激光束。因此，實現了具有減小了 的發散角的激光器發射的單向性。還通過在與發射輸出側相對的側面上的放大區中的異質結構 中存在通過在上述側面上的放大區中實現異質結構中發射的部分 限制的組分和厚度值而實現的多個層，來實現:汰術效果。在異質結 構表面上的所述側面上，放置具有高發射反射系數的金屬化子層。 通過該事實，尤其實現了激光器功率的增大以及制造技術的簡化。還通過在每個方文大區中都形成至少兩個條狀》文大子區來實現 :技術效果。沿纟從向》文大軸i殳置所述條^l大》文大子區，而它們之間的間 隔由具有低于所述方文大子區中的異質結構的有效折射系數的折射 系數的物質來填充。該事實尤其允許得到高功率的單模激光器發 射。還通過下面^是出的不同的激光器輸出區的實現方案來實現才支 術效果。使輸出面的線性傾斜角(X!和(X2絕對值相等(等于兀/2)。此外， 輸出區中的漏入層具有不d 、于輸出區的長度與泄漏角cp的正切的乘積的厚度，而角度cp等于rieff與n,N之比的反余弦。因此，實現了激光束的相應方向性和角度發散。還通過4吏輸出面的線性傾殺牛角&和a2的絕對值相等且等于 (兀/2)+(cp)、(兀/4)+(cp/2)、以及(3兀/4) - (cp/2)來實現激光束的相應方向性。還通過在多個發射輸出區和多個放大區上形成自發擴展的歐 姆接觸(金屬化層)來實現技術效果。這尤其使得可以優化放大區 和輸出區的尺寸以及提高激光器的發射效率和功率。還通過在每個輸出區的中部沿其整個長度形成條狀放大區的 事實來實現技術效果。所述條狀放大區與具有相應的金屬化層的放 大區完全相同，其中，金屬化層的寬度比輸出區的寬度小得多。該 事實尤其導致激光器的閾值電流的減小以及發射功率的增大。還通過激光器包括通過電流并聯連接的交替的由至少 一個子區纟且成的至少一個發射》文大區和由至少一個子區ia成的至少一個 發射輸出區的至少兩個序列，來實現技術效果。因此，實現了使激 光器的發射功率大約增加了等于并聯連接的所述序列數的倍數。還通過激光器包括通過電流串耳關連4妻的至少兩個上述序列來 實現4支術效果。因此，在相同的電流值下，實現了激光器的發射功 率的增大。所述發射功率大約增加了等于串聯連接的所述序列數的 倍數(由于施加至激光器的電壓的相應增加)。本發明的實質在于完整實現新型激光器的產生，該激光器具有 尤其以大量光束的形式從有源層發射出來的表面輸出。所述激光器基于所提出的利用外流發射(outflow emission )特性的發射輸出的 新穎有效且非顯而易見的方法。新穎且有效的發射輸出區被引入到 有源區中并沿發射器的長度(該長度原則上不受限制)離散分布。 所述輸出區確保了具有操作高可靠性的超高發射功率以及發射光 損耗的減少，及其對于激光器長度的獨立性、效率的增加、輸出面上發射密度非常顯著的降低(降低了 10—1-10—3倍)、激光器發射的可控方向性和散度、歐姆和熱敏電阻值的減小、以及激光器制造的 技術工藝的顯著簡化。
通過圖1 ~圖11來i兌明本發明。圖1示意性示出了所提出的具有交替的兩個放大區和三個發射 輸出區的序列的多光束激光器的縱向截面圖，其中，發射輸出區的 專lr出面垂直于》文大區的外表面。圖2示意性示出了所提出的激光器的頂視圖，在圖i中示出了 其縱向截面。圖3示意性示出了激光器的放大區中的截面圖，在圖1中示出了激光器的纟從向截面。圖4示意性示出了所提出的激光器的發射輸出側的頂視圖，其 中，兩個放大區被分割為三個并列設置的放大區。圖5示意性示出了所提出的激光器的發射輸出側的頂視圖，其 中，引入了沿激光器的整個長度連接放大區的三個附加的窄放大 區。圖6示意性示出了去除了襯底的所沖是出的激光器的縱向截面 圖，其中，在與發射輸出側相對的側面上，具有散熱板的金屬化層 直接連接至異質結構。圖7示意性示出了所^^是出的激光器的頂一見圖，在圖6示出了其 纟從向截面。圖8示意性示出了具有用于放大區和輸出區的雙層金屬化層的 激光器的放大區中的截面圖，在圖6示出了激光器的縱向截面。圖9~圖11示意性示出了所提出的激光器的縱向截面圖(沒有 金屬化層)，其輸出面傾斜并與放大區的外表面形成線性傾斜角ai 和a2:在圖9中這些角等于(兀/2)+(cp)， 在圖10中這些角等于(兀/4)+(cp/2)， 在圖11中這些角等于(3兀/4)-(cp/2)。
具體實施方式
下文中，將參照附圖通過實現本發明的具體方案來說明本發 明。所提出的激光器的改進實例不是唯一的，并且允許包括特定范 圍內的波長的其他實現的存在，其特征反映在多個權利要求屬性 中。所提出的激光器1 (參見圖1 ~圖3 )包括置于n型GaAs的襯 底2上的激光器異質結構。所述異質結構基于InAlGaAs化合物制 造，其具有相應地置于發射輸出側以及與其相對的側面上的InGaAs 有源層3、波導層4、 5以及AlGaAs約束層6、 7。激光器發射的波 長被選擇為等于0.98 pm。激光器1的功能條被實現為條狀并包括 交替的放大區8和輸出區9。所述交替沿縱向光軸進行。放大區8 和輸出區9的寬度值相等并等于lOO]um。所述區域8和9的橫向側 面被ZnSe的橫向限制區10所限制。在邊緣面11上，形成具有99 %反射系數的光學共振器Fabry-Perot的膜反射器12。在發射輸出 側上，以部分限制異質結構中的發射的這種方式來選才奪;改大區8中的約束層6的厚度和組分。由銀制成并具有等于98 %的發射反射系 數的金屬化子層13附著至放大區8的外表面。輸出區9包括附加 的GaAs半導體漏入層14，該輸出區的區別特征在于其折射率nIN 大于其中包括有漏入層14的激光器異質結構的有效折射率neff。通 過將金屬化層13不僅擴展至方丈大區8的外表面而且擴展至才黃向約 束區10來實現所有放大區8的電流連接(放大區8的擴展接觸)。 相應的金屬化層15也被涂覆至襯底2。沿縱向放大軸限制輸出區9 的車lr出面16垂直于》文大區9的外表面，jt匕夕卜，角o^和(x2絕只^f直相 等并等于90°。在這種情況下，高于放大區8外表面的輸出區9具 有長方體的形狀。將激光器1的長度選4奪為等于20010 jam。相應地 將放大區8和輸出區9的長度選擇為等于90 pm和10 jum。此夕卜， 以功能條形成的區域8和輸出區9的數量相應等于200和201。激 光器1的輸出反射包括400個光束，其一半沿縱向》文大軸指向一個 方向，而另一半指向相反方向。對于激光器l的該變型例，通過適 當地選擇異質結構的層和漏入層14的組分和厚度值，將外流角cp 設置為等于10。。此外，輸出光束的折射角P等于30。。所選擇的發 射輸出區9的厚度6.0 |im近似等于輸出區9的長度與外流角cp的 正切的乘積的3倍。在這種情況下，所計算的通過三次重復輸出面 16上光束的入射而得到的輸出發射的部分包含98%。每條光束的 衍射散度近似等于9°。所計算的輸出發射功率P固等于200 W (對 于每條輸出光束為0.5W)。此外，輸出面16上的平均發射密度總 計等于125k W/cm2。差分效率(differential efficiency) t!h等于85 %。效率系數(來自輸出口的效率系數)等于80%。激光器1的下一個變型例與前一個的不同之處在于，在一個邊 緣面11的側面上，連接所引入的具有允許反射所有指向其的激光 束的尺寸的反射器(圖中未示出)。此外，具有低散度的全部激光 器發射在相對于縱向放大軸等于30。的角度P下被形成為對相對邊 緣側的單向發射。激光器1的下一個變型例與圖1 ~圖3所示變型例的不同之處
在于，激光器1只包括設置在具有相應i文大的區域尺寸的兩個相同 ;故大區8之間的一個llT出區9。
激光器1的下一個變型例(參見圖4)與圖1~圖3所示變型 例的不同之處在于，每個方文大區8都由平4亍i殳置的10個(圖4中 為3個)條狀放大子區17組成，其中，每個條狀放大子區17都具 有10 pm的寬度，并且每個都具有5 pm寬度的橫向約束區10被置 于它們之間，其中填充有噴涂的電介質ZnSe直至適當的最佳厚度。 在條狀子區17和橫向約束區10上涂覆金屬化層13(圖4中未示出)。
激光器1的下一個變型例(參見圖5)與圖1~圖3所示變型 例的不同之處在于，在每個輸出區9的中間，沿整個長度利用通過 電流沿等于20010 pm的〗敫光器1的總長度連4妄;故大區8的相應金 屬化層13 (圖5中未示出，在放大區8和18上以及在輸出區9上) 形成條狀的附加放大區18。由此，所引入的附加生成區的寬度等于 4 fam。
所提出的激光器1 (參見圖6~圖8)與圖1~圖3所示激光器 1的變型例的不同之處在于，在與發射輸出側相對的側面上去除襯 底2,并且以實現異質結構中發射的部分限制的方式來選4奪約束層 6和7的厚度和組分。此外，包i舌4艮子層的相應金屬化層13和19 連接至約束層6和7的外表面。所述層13和19包括具有等于98 %的發射反射系數的銀層。在與發射輸出側相對的側面上，激光器 1連接至CuW的導電板20,并與其一起被置于銅散熱基部上(圖 中未示出)。除此之外，將相應的金屬化層21連接至輸出區9的漏 入層14。通過將金屬化層21擴展(通過漏入層14的水平面(level)) 至激光器1的一個橫向側面(輸出區9的擴展自發接觸)來使所有 車lr出區9的電纟危連4妄。激光器1的下一個變型例與前一個變型例的不同之處在于上述
金屬化層13和19直4妻連4妻至波導層4和5。
所提出的激光器1 (參見圖9)與圖1 ~圖3所示激光器1的變 型例的不同之處在于，使沿縱向放大軸限制輸出區9的輸出面16
相對于放大區8的外表面傾斜，此外，角(Xi與角012絕對值相等且
等于100°。在這種情況下，輸出區9在其縱向截面中具有梯形的形 狀。為了提高激光器1的效率，在輸出區9的輸出面16上涂覆抗 反射光學涂層(圖中未示出)。將輸出區9中的漏入層14的厚度選 擇為等于2.0jim。在該變型例中，每條激光束都小于直角地入射到 傾斜面16上并直接從激光器1出射。
下面的變型例與前一個變型例的不同之處在于，在flr出面16 上涂覆具有99%的反射系數的光學涂層(圖中未示出)，來自該輸 出面的輸出發射被導向所選方向之一 (兩個中的一個)。
激光器1的下一個變型例(參見圖10)與圖9所示激光器1 的變型例的不同之處在于，以傾在牛的形狀構成l俞出面16，并且角ai 與角(X2絕對值相等且等于50°。在這種情況下，輸出區9在縱向截 面中具有翻轉梯形的形狀。輸出區9的厚度等于2.2pm。在該變型 例中，輸出發射經受傾斜輸出面16的全內反射，改變其方向，并 通過直接入射到漏入層14而沿其外表面的邊緣出射。
激光器1的下一個變型例(參見圖11 )與前一個變型例的不同 之處在于，以傾斜的形狀構成輸出面16，并且角0^與角Ot2絕對值 相等且等于140°。在這種情況下，輸出區9在縱向截面中具有梯形 的形狀，并且輸出區9的厚度被選擇為等于1.7 pm。在該變型例中， 輸出泄漏發射經受傾斜輸出面16的全內反射，改變其方向，并通 過直接入射到對于發射為透射的襯底2上而穿過襯底2。代替發射 輸出，抗反射光學涂層一皮涂覆在襯底上。工業應用寸生
注入式激光器用于為固態和光纖激光器和》欠大器充能(pump )， 以及用在醫療設備、激光4支術設備、具有所產生發射的雙倍頻率的 激光器中，以及還用作在波長的特定范圍內廣泛應用的高效高功率 固態發射源，包括用于照明的白光發射器。
權利要求
1.一種注入式激光器，包括激光器異質結構，所述激光器異質結構包括由至少一個子層組成的至少一個有源層及邊緣面、縱向放大軸、光學共振器、由至少一個子層組成的金屬化層，其中，在所述異質結構中，在所述縱向放大軸的方向上放置至少一個序列，所述序列包括交替的由至少一個子區組成的至少一個放大區和由至少一個子區組成的至少一個輸出區，在所述輸出區和所述激光器異質結構的多個層中，存在高于所述放大區并由至少一個子層組成的用于發射漏入的半導體層，通過相應地相對于所述放大區的外表面以一定的線性傾斜角α1和α2設置的所述輸出面在所述縱向放大軸的方向上的每個所述輸出區的相對側上限制每個所述輸出區，以及所述漏入層的折射率nIN與其中包括有所述漏入層的所述異質結構的有效折射率neff之比等于大于1的數。
2. 根據權利要求1所述的注入式激光器，其中，在兩個邊緣面上， 存在具有近似等于1的反射系數的所述光學共振器的反射器。
3. 根據權利要求1所述的注入式激光器，其中，在發射輸出側上 的所述》文大區中的所述異質結構中，存在通過在上述側上的所 述放大區中實現所述異質結構中發射的部分限制的組分和厚 度值而實現的所述多個層，在所述異質結構表面的所述側面上 放置具有高發射反射系數的金屬化子層。
4. 根據權利要求1所述的注入式激光器，其中，相應的金屬化層 被置于所述漏入層的外表面上的輸出區中。
5. 根據權利要求1所述的注入式激光器，其中，所述反射器被置 于一個所述邊緣面上，所述反射器的尺寸允許反射指向其的所有激光束。
6. 根據權利要求1所述的注入式激光器，其中，在與所述發射輸 出側相對的側面上的i文大區中的所述異質結構中，存在通過在 上述側面上的放大區中實現所述異質結構中發射的部分限制 的組分和厚度值而實現的所述多個層，在所述異質結構表面上 的所述側面上放置具有高發射反射系數的金屬化子層。
7. 才艮據;K利要求1所述的注入式激光器，其中，所述方文大區由至 少兩個條狀》文大子區組成，所述條4犬方欠大子區沿所述》人向方文大 軸設置，而它們之間的間隔由具有低于所述放大子區中的所述 異質結構的有效折射系數的折射系數的相應物質來填充。
8. 根據權利要求1所述的注入式激光器，其中，所述線性角ai 和a2絕對值相等并等于(兀/2)，而所述輸出區中的所述漏入 層具有大于所述輸出區的長度與從所述有源層泄漏到所述漏 入層中的發射的角cp的正切乘積的厚度，其中，所述角cp等 于neff與nIN之比的反余《玄。
9. 根據權利要求1所述的注入式激光器，其中，所述線性角ai 和(X2絕對值相等并等于(兀/2) + (cp)。
10. 根據權利要求1所述的注入式激光器，其中，所述線性角on 和012絕對<直相等并等于(兀/4) + (cp/2)。
11. 根據權利要求1所述的注入式激光器，其中，所述線性角ai 和oi2絕對值相等并等于(3兀/4) - (cp/2)。
全文摘要
注入式激光器用于為用于制造醫療裝置、激光產生設備、產生雙倍頻率輻射的激光器的固態和光纖激光器和放大器充能，并具有用在給定波段中的高效通用的固態放射源的形式，包括用于照明的白光發射器。本發明還涉及超大功率的高效且可靠的注入式表面發射激光器，其以多條輸出光束形式輻射，其特征在于，用于通過其外表面發射輻射的新穎且有效的方法。
文檔編號H01S5/00GK101233658SQ200680027590
公開日2008年7月30日 申請日期2006年7月7日 優先權日2005年8月5日
發明者法西利·艾凡諾維奇·夏維金 申請人:通用納米光學有限公司