外腔式可變頻激光器的制造方法

外腔式可變頻激光器的制造方法
【專利摘要】一種外腔式可變頻激光器，包括半導體本體(1)，該半導體本體具有表面發射性的包括垂直發射極層(3)的垂直發射極區域(2)，至少一個設置用于光學抽運所述垂直發射極層(3)的抽運源(4)，和輻射穿透表面(26)，在所述垂直發射極層中產生的電磁輻射(31)通過該輻射穿透表面(26)離開，可旋轉光學元件（30），其可以用于改變通過其的出射光線的出射方向；光學變頻非線性晶體（32），諧振腔反射鏡（43），通過旋轉所述光學元件改變出射光的方向，使得入射到所述非線性晶體上的所述出射光滿足二次諧波或三次諧波產生的條件。
【專利說明】外腔式可變頻激光器
【技術領域】
[0001]本發明屬于信息【技術領域】，具體涉及一種外腔式可變頻激光器，特別是一種外腔式可變頻半導體激光器。
【背景技術】
[0002]現有技術中存在外腔式激光器和可變頻激光器，但是外腔式可變頻半導體激光器并不常見，同時現有技術中可變頻激光器普遍存在頻率調整過程煩雜的缺陷。

【發明內容】

[0003]本發明的任務是，為解決現有技術的缺陷和不足，提供一種新型的外腔式可變頻半導體激光器，具體技術方案如下:
[0004]一種外腔式可變頻激光器，包括半導體本體(I)，該半導體本體具有
[0005]-表面發射性的包括垂直發射極層(3)的垂直發射極區域(2)，
[0006]-至少一個設置用于光學抽運所述垂直發射極層(3)的抽運源(4)，和
[0007]-輻射穿透表面(26)，在所述垂直發射極層中產生的電磁輻射(31)通過該輻射穿透表面(26)離開，
[0008]可旋轉光學元件(30)，其可以用于改變通過其的出射光線的出射方向；
[0009]光學變頻非線性晶體(32)，
[0010]諧振腔反射鏡(43)，
[0011]通過旋轉所述光學元件改變出射光的方向，使得入射到所述非線性晶體上的所述出射光滿足二次諧波或三次諧波產生的條件。
[0012]在所述非線性晶體入光和出光面上分別鍍設功能性光學薄膜。
[0013]所述功能性光學薄膜為增透膜或增反膜。
[0014]還可以調整所述光學元件，其實入射到所述非線性晶體上的光不滿足任何諧波產生的條件。
[0015]所述光學元件為光柵。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發明所述的外腔式可變頻激光器的示意剖面圖，
【具體實施方式】
[0017]所述半導體元件包括半導體本體I。該半導體本體I則包括生長基質8。所述生長基質8比如是η-摻雜的GaAs (砷化鎵)-基質。該生長基質8優選減薄。也就是說，所述生長基質8的厚度優選在結束外延生長之后減小。在此也可以將所述生長基質8完全去除。
[0018]優選所述生長基質8的厚度處于100到200微米之間。[0019]在所述半導體元件的結合圖1所說明的實施例中，在所述生長基質8中加入開口25。所述開口 25比如可以通過蝕刻來產生。在所述開口 25中，露出所述半導體本體I的輻射穿透表面26。在所述開口 25的區域中優選完全去除所述生長基質8。
[0020]抽運源4以及垂直發射極區域2跟隨在所述生長基質8的后面。抽運源4和垂直發射極區域2先后外延沉積到所述生長基質8上并且由此共同整體地集成到所述半導體本體I中。
[0021]所述垂直發射極區域2包括第一反射鏡7。所述第一反射鏡7優選是一種布拉格-反射鏡結構。作為替代方案，所述第一反射鏡7也可以構造為金屬反射鏡或者電介質的反射鏡或者構造為所列出的三種反射鏡類型中的至少兩種的組合。特別優選所述第一反射鏡7是一種不含摻雜材料的布拉格-反射鏡結構。相對于摻雜的反射鏡，在不含摻雜材料的布拉格-反射鏡結構中，有利地減少了來自所述垂直發射極區域2的垂直發射極層3的自由載流子的吸收。
[0022]所述第一反射鏡7優選形成用于在所述垂直發射極層3中產生的電磁輻射的諧振腔反射鏡。
[0023]在所述半導體元件運行時，從所述垂直發射極層3中發射出電磁輻射31，比如紅外的、可見的或紫外的輻射。所述垂直發射極層3優選包含II1-V-化合物半導體材料，尤其是 InxAlyGah_yN、InxAlyGah_yP或者 InxAlyGa1HAs,其中 O = X = I,O = y = I 并且x+y = I。
[0024]此外，所述垂直發射極層3可以包含I1-VI化合物半導體材料比如ZnSe或ZnO。
[0025]所述垂直發射極層3比如構造為單一-異質結構、雙重-異質結構、簡單-量子勢講結構(Quantentopfstruktur)或者特別優選構造為多重-量子勢講結構。
[0026]優選所述垂直發射極層3的量子勢阱結構適合于吸收在所述抽運源4中產生的電磁輻射。也就是說，抽運輻射的吸收優選不是在布置在所述垂直發射極區域2中的額外的阻擋層中進行，而是所述抽運輻射在所述垂直發射極層3的量子勢阱結構中被吸收并且在那里激發產生電磁輻射31。
[0027]朝所述半導體本體I的輻射穿透表面26的方向，在所述垂直發射極層3的后面在所述垂直發射極區域2中跟隨著垂直的波導層14。優選為具有最高30微米的層厚度的波導層14選擇比較厚的厚度。特別優選所述波導層14的層厚度處于半微米和5微米之間。在該實施例中，所述波導層14的層厚度大約為1.5微米。優選所述波導層14包含鋁-鎵-砷化物，其中鋁濃度大約為6%。所述波導層14設置用于在所述抽運源4中產生的抽運輻射的擴展。也就是說，所述抽運輻射優選通過所述波導層14的折射率分布導送到所述垂直發射極層3中，在那里所述抽運輻射至少部分地被吸收并且用于產生輻射。
[0028]朝所述半導體本體I的輻射穿透表面26的方向，在所述波導層14后面跟隨著至少一個蝕刻停止層15。所述蝕刻停止層15—方面形成選擇性的蝕刻停止層。借助于所述蝕刻停止層15，可以使高摻雜的接觸層18暴露在抽運源4下，并且通過這種方式建立臺型結構6，該臺型結構6比如包括所述第一反射鏡7、垂直發射極層3以及波導層14。另一方面所述蝕刻停止層15用于改進抽運輻射從抽運源到所述垂直發射極層3中的輸入。
[0029]朝所述半導體本體I的輻射穿透表面26的方向，在所述蝕刻停止層15的后面跟隨著高摻雜的接觸層18。高摻雜的接觸層18實現了以微小的接觸和串聯電阻進行類-歐姆的接觸，用于接觸所述抽運源4。優選所述接觸層18具有盡可能小的層厚度。所述高摻雜的接觸層18比如摻雜有p-摻雜材料并且具有至少IO19CnT3的摻雜材料濃度。優選所述接觸層18布置在所述在垂直發射極層3中產生的電磁幅射31的光學的駐波場(Stehwellenfeld)的節點中。由此有利地減少了可能的損耗機制(Verlustmechanismen)-比如在高摻雜的接觸層18中自由載流子的吸收。
[0030]為接觸所述抽運源4，優選借助于透明的接觸層16來接觸所述高摻雜的接觸層18，所述接觸層16比如可以包含ZnO、ITO或者其它的TCO-材料(TCO-transparentconductive oxide (透明導電氧化物))或者由這些材料中的一種材料制成。此外,從所述垂直發射極區域2到抽運源4的過渡區域可以包括其它的層。
[0031]比如在所述高摻雜的接觸層18和透明的接觸層16之間可以布置多個具有高的鋁濃度的層。比如這些層是局部氧化的AlxGahAs層。高鋁含量的層優選在側面通過蝕刻結構化并且部分地局部氧化。在這些局部氧化的AlxOy區域中，可以實現所述抽運輻射的特別好的波導效果，其中X比如大于等于0.98。在局部區域中所述高鋁含量的層的氧化在那里導致較大的大約1.4的折射率變化，并且能夠在局部沿垂直方向實現抽運光的強烈的光學波導。在所述垂直發射極區域2中，所述高鋁含量的層沒有氧化。在這種情況下大約0.13的折射率差異是比較小的，從而所述抽運波可以在所述垂直發射極層3的區域中傳播并且在那里被吸收到所述量子勢阱結構中。
[0032]與電絕緣的AlxOy-區域相反，在未氧化的區域中借助于蝕刻坑與所述抽運源4建立導電接觸。可以借助于透明的接觸層16或者比如包含AuZn或者由AuZn制成的接觸層來進行接觸。
[0033]作為替代方案，也可以省去所述高鋁含量的層。在這種情況下，將所述透明的接觸層16盡可能大面積地設置到所述高摻雜的接觸層18上。所述接觸層16包含透明的導電的氧化物(TCO)比如ZnO或ITO或者優選由其制成。優選所述接觸層16具有比所述抽運源4的半導體材料低的處于大約1.7和2.2之間的折射率。比如ZnO具有大約1.85的折射率并且ITO具有大約2.0的折射率。
[0034]一種這樣低的折射率以及由此引起的與鄰接的半導體層的高的折射率差異有利地實現了在所述抽運源4中抽運輻射的特別好的波導。為改進在所述抽運源4和透明的接觸層16之間的電接觸，可以在所述高摻雜的接觸層18和透明的接觸層16之間布置薄的金屬層，該金屬層優選為幾個單層厚，優選大約一個單層厚。該金屬層包含下列金屬中的一種金屬或者優選由其制成:鉻、鉬、金、鈦、銀。
[0035]作為所述外腔式可變頻激光器的結合圖1所說明的實施方式的替代方案，也可以放棄所述透明的接觸層16以及高摻雜的接觸層18。在這種情況下，在選擇性的雙步驟外延中將摻雜的具有較小折射率的波導層設置到所述抽運源4上。該層而后比如由具有大約45%的鋁份額的鋁-鎵-砷化物制成并且具有I IO17到20 ~k IO17CnT3的摻雜原子濃度。所述波導層的層厚度優選大約為600納米。然后在這個具有較小的折射率的層上設置高摻雜的覆蓋層，所述覆蓋層比如由具有I * 102°cm_3的摻雜材料濃度的砷化鎵制成。在所述覆蓋層上可以設置形成歐姆接觸的金屬層。
[0036]朝所述半導體本體I的輻射穿透表面26的方向，在所述高摻雜的接觸層18的后面跟隨著所述抽運源4。所述抽運源4包括防護層19以及抽運層5。所述抽運源4優選形成邊緣發射的激光器。為此，所述半導體本體I的側面至少在所述抽運源4的區域中設有對抽運輻射來說構造為高反射結構的-比如電介質的-涂層。
[0037]所述抽運層5優選包括pn-結，該pn-結設置用于借助于電泵產生輻射。所述抽運源4的防護層19比如由摻雜的具有大約20%的鋁濃度的鋁-鎵-砷化物制成并且具有大約兩微米的厚度。
[0038]朝所述半導體本體I的輻射穿透表面26的方向在所述抽運源4的后面跟隨著蝕刻停止層20。所述蝕刻停止層20實現了以指定方式對開口 25進行蝕刻，通過該開口 25，在所述垂直發射極層3中產生的電磁輻射31可以尤其沒有損耗地離開所述半導體本體I。此外，所述蝕刻停止層20優選也形成波導層，該波導層對所述抽運源4的抽運輻射來說具有小的折射率。此外，所述蝕刻停止層20優選具有大的能帶間隙。通過這種方式，通過所述蝕刻停止層20改進了抽運源4中的載流子封入。比如所述蝕刻停止層20由大約460納米厚的鎵-銦-磷化物-層構成。
[0039]在所述外腔式可變頻激光器的結合圖1所說明的實施例中，在所述蝕刻停止層20的后面跟隨著波導層21。優選所述波導層21是η-摻雜的。該波導層21比如具有IO17CnT3的摻雜材料濃度。該波導層21比如由大約1000納米厚的具有45%的鋁份額的鋁-鎵-砷化物-層構成。
[0040]在所述波導層21的后面布置了生長基質8。優選所述生長基質8被減薄，并且具有處于100和200微米之間的、優選大約150微米的厚度。所述生長基質比如由η-摻雜的具有大約2 * IO18cnT3的摻雜材料濃度的砷化鎵構成。
[0041]在所述生長基質8上設置了接觸金屬噴涂層22，該接觸金屬噴涂層22比如可以包含金或者由金制成。所述接觸金屬噴涂層22具有大約200納米的層厚度。所述半導體本體I以其背向所述輻射穿透表面26的一面設置在散熱器(Wl^rmespreizer) 11上。比如可以借助于比如包含錫的焊接層1`0將所述半導體本體I設置到所述散熱器11上。所述焊接層10的厚度優選大約為兩微米。所述散熱器11比如是包含導熱性能良好的材料如銅或陶瓷材料的支座。
[0042]在透明的接觸層16、臺型結構6和散熱器11之間的區域優選被填上材料9。所述材料9是導熱及導電性能特別好的材料。優選所述材料9是金屬。
[0043]所述材料9在所述臺型結構的環境中設置到所述半導體本體上，也就是說設置到高摻雜的接觸層18及所述臺型結構的限定該臺型結構的側面上。
[0044]優選所述材料9是銀-或金-電鍍層。在此，銀和/或金由于其良好的導熱及導電性能適合使用。優選借助于低溫電鍍過程將所述材料9設置到所述半導體本體I上。
[0045]在電鍍沉積中較低的大約處于20和100攝氏度之間的過程溫度特別有利，因為所述用作半導體本體I的基礎材料的半導體材料以及材料9具有不同的熱膨脹系數。這比如在基于砷化物-化合物半導體比如GaAs (砷化鎵)的半導體層序列中就是這樣的情況，所述半導體層序列具有大約6 * IO-fV1的熱膨脹系數，在此將金層以電鍍方式設置到所述半導體層序列上，所述金層則具有大約14 * IO-fV1的熱膨脹系數。
[0046]在所述外腔式可變頻激光器的結合圖1所說明的實施例中，所述散熱器11以其背向所述半導體本體I的一面安裝到支座12上。所述散熱器11在此借助于焊接層13與所述支座12進行機械及電連接。所述焊接層13比如由錫制成，并且具有大約兩微米的厚度。所述支座12比如可以是連接支座比如金屬芯印制電路板，借助于所述連接支座能夠電接觸所述抽運源4。
[0047]在所述半導體本體I的輻射穿透表面26的后面布置了光學元件30。所述光學元件30能夠用于改變透過其中的光線的傳播方向，例如:衍射光柵等常規的可以改變入射光角度的光學元件，并且光學元件30是可以繞垂直于圖1所示的剖面的軸線旋轉的，以調整其相對于入射光線的角度。
[0048]諧振腔反射鏡34，諧振腔反射鏡34和輻射穿透表面26形成外部空腔，空腔內部設置有變頻元件32，其為頻率變換的晶體，優選光學非線性晶體，所述在光學上非線性的晶體包括以下晶體中的至少一種:三硼酸鋰比如LiB3O5(LBO)、硼酸鉍比如BiB3O6(BiBO)、磷酸氧鈦鉀KTiOPO4(KTP)、摻雜氧化鎂的匹配適應的鈮酸鋰比如MgO =LiNbO3(MgO:LN)、摻雜氧化鎂的化學當量的鈮酸鋰比如MgO =S-LiNbO3(MgO:SLN)、摻雜氧化鎂的化學當量的鉭酸鋰比如MgO =LiTaO3 (MgO:SLT)、化學當量的LiNbO3 (SLN)、化學當量的LiTaO3 (SLT)、RTP (RbTiOPO4)、KTA (KTiOAsO4)、RTA (RbTiOAsO4)、CTA (CsTiOAsO4)。
[0049]通過按照上述旋轉軸旋轉所述光學元件30，調整其相對于光線31的角度，以控制出射光線的方向，即，控制光線入射到變頻元件32上的入射角度，從而使得變頻元件32滿足二次諧波產生條件或三次諧波產生條件。也就說，僅通過調整光學元件30就可以實現對激光器輸出光的頻率的調整，其結構簡單，光頻率變換方便。
[0050]所述頻率變換的晶體32在其朝向輻射穿透表面26的輻射穿透表面上具有涂層41，該涂層對變換頻率的輻射來說是高反射性的。在所述涂層41上設置了另外的涂層40，所述涂層40對所述基礎波長的輻射31來說構造為消除反射的。
[0051]在所述在光學上非線性的晶體32的背向所述半導體本體I的輻射穿透表面26的輻射穿透表面上施加了涂層42，該涂層42對基礎波長的輻射來說構造為消除反射的。所述諧振腔反射鏡34對基礎波長的輻射來說構造成反射性的，該諧振腔反射鏡對變換頻率的輻射來說是發送性的。
[0052]除此以外，可以在所述激光諧振腔中布置其它的光學元件，比如波型耦合的光學元件、相位補償的光學元件、光學成像的元件如透鏡尤其是菲涅耳透鏡和/或可調制的部件。這些光學元件也可以部分地直接設置在所述半導體本體(I)上或者與所述半導體本體
(I)集成為整體。
[0053]本發明不局限于借助于所述實施例所作的說明。更確切地說，本發明包括每種新特征以及每種特征組合，這尤其包含在權利要求中所述特征的每種組合，即使這種特征或者說這種組合本身沒有明確地在權利要求或者實施例中得到說明。
【權利要求】
1.一種外腔式可變頻激光器，包括半導體本體(I)，該半導體本體具有 -表面發射性的包括垂直發射極層(3)的垂直發射極區域(2)， -至少一個設置用于光學抽運所述垂直發射極層(3)的抽運源(4)，和 -輻射穿透表面(26)，在所述垂直發射極層中產生的電磁輻射(31)通過該輻射穿透表面(26)離開， 其特征在于還包括:可旋轉光學元件(30)，其可以用于改變通過其的出射光線的出射方向； 光學變頻非線性晶體(32)， 諧振腔反射鏡(43)， 通過旋轉所述光學元件改變出射光的方向，使得入射到所述非線性晶體上的所述出射光滿足二次諧波或三次諧波產生的條件。
2.如權利要求1所述的激光器，在所述非線性晶體入光和出光面上分別鍍設功能性光學薄膜。
3.如權利要求1所述的激光器，所述功能性光學薄膜為增透膜或增反膜。
4.如權利要求1所述的激光器，還可以調整所述光學元件，以實入射到所述非線性晶體上的光不滿足任何諧波產生的條件。
5.如權利要求1所述的激光器，所述光學元件為光柵。
【文檔編號】H01S5/14GK103812000SQ201210445302
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年11月7日 優先權日:2012年11月7日
【發明者】耿振民 申請人:無錫華御信息技術有限公司