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CN109638640B - 半导体激光器 - Google Patents

半导体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种半导体激光器，定义一XYZ空间直角坐标系，则该半导体激光器包括：位于Z轴方向前方和后方的电极；用于在电极通电时产生激光的有源区；位于有源层的Z轴方向前方和后方以及位于有源区周侧的波导层；以及位于波导层的Y轴方向前方和后方的反射层，所述半导体激光器的激光射出口形成在位于Y轴方向前方的反射层上。其中，所述有源区的Y轴方向的前方和后方中的至少一个方向上还形成有用于将偏振方向平行于X轴方向的激光筛选出来的布儒斯特窗。本发明的半导体激光器能够直接输出线偏振激光，无需再外部添加光学器件，结构简单，除作为激光器使用外，本发明的半导体激光器结构还可以应用于介质激光加速器的使用。

Description

半导体激光器
技术领域
本发明涉及激光器，特别涉及一种半导体激光器。
背景技术
半导体激光器广泛应用于科技、生活中的各个领域，其是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。.其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。在光纤陀螺、光纤传感、非线性变频、相干光束组合等许多领域需要输出激光保持稳定的偏振特性, 因此研究具有单偏振输出特性及一定消光比的半导体激光器具有十分重要的意义。目前的常规做法是在激光器外部添加起偏器件，例如偏振片、尼科耳棱镜等将激光器输出的具有任意偏振状态的激光中的单偏振激光筛选出来，结构复杂，光损较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单的半导体激光器。
一种半导体激光器，定义一XYZ空间直角坐标系，则该半导体激光器包括：位于Z轴方向前方和后方的电极；位于电极之间的有源区，其用于在电极通电时产生激光，所述有源区的主延伸平面平行于XY轴定义的平面；位于有源层的Z轴方向前方和后方以及位于有源区周侧的波导层；以及位于波导层的Y轴方向前方和后方的反射层，所述半导体激光器的激光射出口形成在位于Y轴方向前方的反射层上。其中，所述有源区的Y轴方向的前方和后方中的至少一个方向上还形成有用于将偏振方向平行于X轴方向的激光筛选出来的布儒斯特窗。
优选的，所述布儒斯特窗是通过在半导体材料上进行刻蚀形成的，定义布儒斯特角为θ，则所述布儒斯特窗相对Y轴的倾斜角度为θ或π-θ，且布儒斯特角θ与真空折射率n2和半导体材料折射率n1的关系为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
。
优选的，定义布儒斯特窗中的真空在Y轴方向的等效宽度为D’、激光谐振腔内介质在Y轴方向的等效宽度为L’，激光波长为λ，则
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
，m为正整数。
优选的，所述布儒斯特窗中单层真空区域的宽度为50um-100um。
作为一种实施方式，所述有源区和形成所述布儒斯特窗的半导体材料包括InGaAsP半导体材料。
作为一种实施方式，所述有源区的Y轴方向的前方和后方均形成有用于将偏振方向平行于X轴方向的激光筛选出来的布儒斯特窗。
作为一种实施方式，所述的半导体激光器为分布式布拉格反射激光器，所述布儒斯特窗位于有源区和分布式布拉格反射区之间，且在Z轴方向上位于绝缘层和衬底层之间，在Z轴方向上的宽度为50um-100um。
本发明的半导体激光器能够直接输出线偏振激光，无需再外部添加光学器件，结构简单，除作为激光器使用外，本发明的半导体激光器结构还可以应用于介质激光加速器的使用。
附图说明
图1为一实施例的半导体激光器的正面剖断图。
图2为一实施例的半导体激光器的一部分的俯视剖断图。
图3为一实施例的半导体激光器的一部分的立体示意图。
图4为布儒斯特窗中偏振光光路示意图。
图5为另一实施例的半导体激光器的正面剖断图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及附图对本发明半导体激光器作进一步详细描述。
为了描述方便，定义一XYZ空间直角坐标系，半导体激光器的激光射出方向朝向Z轴方向前方，并平行于Z轴。第一实施例中，如图1至图3所示，本发明的半导体激光器100至少包括分别设于Z轴方向前方和后方的电极20和位于电极20之间的有源区30、位于有源区30四周的波导层40，还包括位于波导层40的Y轴方向前方和后方的反射层60。激光射出口位于Y轴方向前方的反射层60上。为了方便区分半导体激光器100的各个部分，图3示出了半导体激光器100的有源区所在的层30以及有源区在Z轴方向前方和后方的波导层40的立体图，省略了电极20、反射层60以及位于波导层40内的布儒斯特窗44，具体实施例中，有源区仅仅位于层30的中部位置，其四周被波导材料包围；图1中仅示出了沿图3中平行于YZ轴定义的平面剖开半导体激光器100的剖面图，为避免剖面线太多影响观察，仅示出了有源区30、反射层60和布儒斯特窗44的剖面线，省略了电极20和波导层40的剖面线；图2中示出了沿图3中平行于XY轴定义的平面的平面剖开半导体激光器100的位于Z轴方向前方的波导层40的剖面图。可以理解的，半导体激光器100应包括一外壳，部件位于外壳内部且外壳内部优选呈真空状态。
其中，有源区30的主延伸平面平行于XY轴定义的平面，本实施例中，有源区30整体均由用于在电极通电时产生激光的半导体材料，例如但不限于InGaAsP（铟镓砷磷）半导体材料构成。本实施例中，有源区30、波导层40形成为一六面分别平行于XY轴、YZ轴和XZ轴定义的平面的长方体结构。反射层60贴附在该长方体结构的位于Y轴方向的两个面上，从而有源区产生的辐射激光以一定的耦合率耦合至波导层中，经反射层反射后返回，构成光学谐振腔。电极20可分别具有一个或多个金属层，金属层可包括例如但不限于Ag、Au、Sn、Ti、Pt、Pd、Rh和Ni中的一种或多种或几种制成的合金。反射层60可包括高反射率膜或为高反射率涂层，例如但不限于具有布拉格反射镜层序列或反射性的金属层。
可以理解的，波导层与电极之间还可包括其他功能层，例如但不限于钝化层、绝缘层、生长衬底等。
本发明在有源区30的Y轴方向的前方和后方形成有用于将偏振方向平行于X轴方向的激光筛选出来的布儒斯特窗44。本实施例中，布儒斯特窗44是通过在半导体材料上进行刻蚀形成的。具体实施中，可在有源区的半导体材料上继续生长形成位于波导层40内的相对Y轴倾斜的两块半导体材料区，且分设于有源区30两侧，然后通过刻蚀形成布儒斯特窗44。优选的，布儒斯特窗中单层真空区域在Y轴方向的宽度为50um-100um，即远大于激光波长，属于几何光学范畴，图中布儒斯特窗尺寸为示意图。
定义布儒斯特角为θ，则布儒斯特窗44相对Y轴的倾斜角度为θ（图2中位于Y轴方向前方的布儒斯特窗44与Y轴的夹角）或π-θ（图2中位于Y轴方向后方的布儒斯特窗44与Y轴的夹角），且布儒斯特角θ与真空折射率n2和半导体材料折射率n1的关系为
Figure 238003DEST_PATH_IMAGE002
。定义布儒斯特窗44在Y轴方向的宽度为D，布儒斯特窗44中的真空在Y轴方向的等效宽度为D’，布儒斯特窗44中的介质在Y轴方向的等效宽度为d，激光谐振腔内介质在Y轴方向的等效宽度为L’，则L’=2*L1’+L2’+2*d，D=D’+d，激光波长为λ，则
Figure 577980DEST_PATH_IMAGE004
，m为正整数。
以半导体材料采用InGaAsP为例，其折射率n1=3.5，真空折射率n2=1，可以计算布儒斯特角θ，即满足下式
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，则15.94°和164.16°为刻蚀所需的倾斜角度。
如此配置，有源区产生各个方向的激光，非平行于Y轴的激光不能被增益放大，平行于Y轴的激光通过布儒斯特窗后形成线偏激光，根据受激辐射的机制，由于经过布儒斯特窗后的是线偏激光，激光再次通过有源区增益介质时，产生的激光也为线偏激光。从而激光在所构成的具有布儒斯特窗44的谐振腔中往返，具有平行于X轴的偏振方向的激光被筛选出来。如图4所示，激光在所构成的谐振腔中往返，每次由真空进入布儒斯特窗44的介质时，满足布儒斯特角条件，故s方向的偏振光被反射，反射光偏离中轴光路不能被增益，逐渐衰减。单次折射光中仍然含有s偏振方向的偏振，但折射光在单次往返过程中多次通过布儒斯特窗后其包含的s方向的偏振分量迅速减小，最后达到很好的p方向偏振光。因此在半导体有源区中的高能态电子受到线偏激光的照射，其增益后的激光也具有相同的偏振方向。尽管激光中仍然包含小部分s偏振，但其数量与p方向具有很大数量级差异，不会对电子加速造成影响，可实现加速场与电子运动方向相同，即加速激光为线偏激光。
在一具体的实例中，选取半导体材料为InGaAsP，
综上，电极20和位于电极20之间有源区30、波导层40、反射层60及其他可能的功能层构成一个半导体激光器。有源区在外部激励电流作用下实现粒子数反转，达到基本的激光增益条件，有源区产生的激光以一定的耦合系数耦合至波导层中。本发明通过在波导层设置布儒斯特窗，使得谐振腔内部的激光达到很好的线偏振特性，省去了外部光学起偏器。
上述实施例中，半导体材料使用了InGaAsP，可以理解的，还可以采用其他激光器所采用的半导体材料。
上述实施例中，激光器的外形整体呈长方体状，可以理解的，半导体激光器的外形可做多种变换，例如，在其他实施例中半导体激光器的在Y轴方向的前端和后端可为弧形突起状或半球形，再例如，在其他实施例中，半导体激光器在Z轴方向的前端和后端可呈阶梯状或大体呈三角或梯形状。
上述实施例中，布儒斯特窗相对于有源区呈对称设置，其他实施例中，有源区两侧的布儒斯特窗可具有在Y轴方向上不同的等效宽度。
上述实施例中，有源区两侧均设置了光栅，其他实施例中，可仅一侧设置光栅。
例如在如图5所示的第二实施例中，一分布式布拉格反射（DBR， DistributedBragg Reflector）激光器200可在Y轴方向上自后向前分为DBR区70、布儒斯特窗区80和有源区90，整体为一六面分别平行于XY轴、YZ轴和XZ轴定义的平面的长方体结构。反射层60’贴附在该长方体结构的位于Y轴方向的两个面上。其中，充当反射镜的布拉格光栅71位于DBR区域70。布儒斯特窗44’形成在布儒斯特窗区80，也即有源区90一侧,用于将偏振方向平行于X轴方向的激光筛选出来。布儒斯特窗44’在Z轴方向上要位于绝缘层和衬底层之间，且在Z轴方向上的宽度为50um-100um。有源区90内，在Z轴方向上，有缘增益半导体物质30’位于波导材料40’之间，且激光射出口位于Y轴方向前方的反射层60’上。半导体物质30’的主延伸平面平行于XY轴定义的平面。本实施例中，定义布儒斯特角为θ，则布儒斯特窗44’相对Y轴倾斜的角度也与第一实施例的相同，布儒斯特角θ与真空折射率n2和半导体材料折射率n1的关系为
Figure 747930DEST_PATH_IMAGE002
。布儒斯特窗44’的尺寸与激光谐振腔内介质的尺寸关系与第一实施例的原理相同，在此不再赘述。
该激光器200也可实现与第一实施例相似的功能，使得谐振腔内部的激光达到很好的线偏振特性。
虽然对本发明的描述是结合以上具体实施例进行的，但是，熟悉本技术领域的人员能够根据上述的内容进行许多替换、修改和变化、是显而易见的。因此，所有这样的替代、改进和变化都包括在附后的权利要求的精神和范围内。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

Claims (6)

1.一种半导体激光器，定义一XYZ空间直角坐标系，其特征在于，包括：
位于Z轴方向前方和后方的电极；
位于电极之间的有源区，其用于在电极通电时产生激光，所述有源区的主延伸平面平行于XY轴定义的平面；
位于有源层的Z轴方向前方和后方以及位于有源区周侧的波导层；以及
位于波导层的Y轴方向前方和后方的反射层，所述半导体激光器的激光射出口形成在位于Y轴方向前方的反射层上；
其中，所述有源区的Y轴方向的前方和后方中的至少一个方向上还形成有用于将偏振方向平行于X轴方向的激光筛选出来的布儒斯特窗；
所述布儒斯特窗是通过在半导体材料上进行刻蚀形成的，定义布儒斯特角为θ，则所述布儒斯特窗相对Y轴的倾斜角度为θ或π-θ，且布儒斯特角θ与真空折射率n2和半导体材料折射率n1的关系为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，定义布儒斯特窗中的真空在Y轴方向的等效宽度为D’、激光谐振腔内介质在Y轴方向的等效宽度为L’，激光波长为λ，则
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，m为正整数。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述布儒斯特窗中单层真空区域的宽度为50um-100um。
4.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述有源区和形成所述布儒斯特窗的半导体材料包括InGaAsP半导体材料。
5.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述有源区的Y轴方向的前方和后方均形成有用于将偏振方向平行于X轴方向的激光筛选出来的布儒斯特窗。
6.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，为分布式布拉格反射激光器，所述布儒斯特窗位于有源区和分布式布拉格反射区之间，且在Z轴方向上位于绝缘层和衬底层之间，在Z轴方向上的宽度为50um-100um。
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