CN114094437B - 单管前端双光束平行输出超辐射发光二极管 - Google Patents
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Abstract
单管前端双光束平行输出超辐射发光二极管属于半导体发光器件技术领域。现有技术存在其不足，包括：存在光能损失；工艺难度大；光输出功率难以提高；多光束平行度难以保证。本发明其特征在于，由上波导、上限制层、覆盖层、上电极构成所述超辐射发光二极管的组合波导，所述组合波导由一个曲率渐变区域波导与两个输出波导构成，两个输出波导走向彼此平行，且分别位于曲率渐变区域波导的前左端、前右端，曲率渐变区域波导的俯视形状为由一条曲率渐变曲线和一条直线围拢的图形，所述组合波导在主体上一次刻蚀而成，有源层前端面与所述两个输出波导各自的前端面对应的部分均为出光窗口，两个出光窗口制作有相同的抗反射涂层。
Description
技术领域
本发明涉及一种单管前端双光束平行输出超辐射发光二极管，属于半导体发光器件技术领域。
背景技术
SLD(Super Luminescent Diode，超辐射发光二极管)是一种发光特性介于LD(激光二极管)和LED(发光二极管)之间的半导体发光器件，具有大功率、高斯型宽光谱、弱时间相干性、高效率等特点，用作光纤陀螺仪、光时域反射计、光学相干层析成像等低相干干涉检测系统中的光源。
SLD是在正向电流注入过程中，在有源层中反转分布的电子从导带跃迁到价带或杂质能级时，与空穴复合而释放出光子，这些自发辐射的光子在给定腔体中传播时受增益作用而得到放大。SLD是一种以内部单程增益为特征的光发射器件。SLD的发光原理和边发射LD类似，都是自发辐射受激放大；两者的区别在于在发光过程中是否存在振荡和选模。边发射LD利用腔体两端解理面(腔面)之间的光反射(一端全反射、另一端部分反射)进行振荡选模，提高光输出功率；而SLD利用斜波导结构与抗反射涂层工艺，有效降低腔面反射率，减轻光反馈，抑制F-P腔谐振，实现宽光谱发光。
现有具有斜波导结构与抗反射涂层的SLD其结构特征如下所述，器件自上而下依次是上电极1、覆盖层2、上限制层3、上波导4、有源层5、下波导6、下限制层7、衬底8、下电极9，如图1所示，其中，由下电极9、衬底8、下限制层7、下波导6、有源层5构成器件的立方体状主体，主体的各层长度、宽度相同，厚度不同；由上波导4、上限制层3、覆盖层2、上电极1构成器件的平行四边形柱体状斜波导，如图1、图2所示，俯视形状为平行四边形，斜波导的前端面、后端面分别与主体的前端面、后端面平齐，斜波导的前后走向与主体的前后走向呈某一夹角θ，所述斜波导的前后走向是指所述平行四边形前后对边中点连线方向，所述主体的前后走向是指所述立方体顶面正四边形前后对边中点连线方向。在主体有源层5的前端面、后端面分别制作抗反射性能不同的涂层，一方面在实现器件宽光谱出光的前提下，有源层5前端面与斜波导前端面对应的部分为出光窗口10，由此大功率出光，有源层5后端面与斜波导后端面对应的部分不可避免也有光输出，如图2所示，另一方面还有利于器件寿命的延长。
为了进一步提高SLD的输出功率，现有技术将两个或者多个SLD并列或者排成阵列，实现更大功率输出。
不过，所述现有技术存在其不足，首先，存在光能损失，由有源层5后端面出光造成，该部分功率输出未能得到有效利用，降低器件有效光输出；其次，工艺难度大，由于在有源层5前端面、后端面制作的涂层不同，需要分别采用不同的腔面膜工艺完成，不仅增加了工艺步骤，还增加了工艺难度，例如，前端面涂层、后端面涂层的材料不同，必须采取措施防止彼此污染；第三，光输出功率难以提高，受芯片尺寸的限制，发光腔体长度有限，有效增益面积较小，饱和增益水平较低，直接限制了器件光输出功率的提高；第四，多光束平行度难以保证，不论是将两个SLD单管并列，还是将多个SLD单管排成阵列，都是将已制作完成的器件单管再行排列，阵列集成度较低，精确操作存在难度，输出光的均匀性较差，也难以确保光束之间彼此高度平行，会给SLD的应用带来新的问题，如与光纤的偶和效率降低。
发明内容
为了克服现有具有斜波导结构与抗反射涂层的SLD本身及制作工艺的不足，进一步提高输出功率，我们发明了一种单管前端双光束平行输出超辐射发光二极管。
本发明之单管前端双光束平行输出超辐射发光二极管自上而下依次是上电极1、覆盖层2、上限制层3、上波导4、有源层5、下波导6、下限制层7、衬底8、下电极9，如图3所示，其中，由下电极9、衬底8、下限制层7、下波导6、有源层5构成超辐射发光二极管的立方体状主体，所述主体的各层长度、宽度相同，厚度不同；其特征在于，由上波导4、上限制层3、覆盖层2、上电极1构成所述超辐射发光二极管的组合波导，如图3、图4所示，所述组合波导由一个曲率渐变区域波导11与两个输出波导12构成，两个输出波导12走向彼此平行，且分别位于曲率渐变区域波导11的前左端、前右端，曲率渐变区域波导11的俯视形状为由一条曲率渐变曲线和一条直线围拢的图形，所述组合波导在主体上一次刻蚀而成，有源层5前端面与所述两个输出波导12各自的前端面对应的部分均为出光窗口10，两个出光窗口10制作有相同的抗反射涂层。
本发明其技术效果如下所述。
在本发明中，组合波导中的两个输出波导12的前端面均位于超辐射发光二极管前端，两个出光窗口10位于相同一侧，并且，由于组合波导的主要部分即曲率渐变区域波导11的侧壁呈曲率渐变柱面，光子处处反射角不同，进而有效抑制微腔环形谐振，而输出波导12只是组合波导的附带部分，不论是直波导还是斜波导，如果再辅以抗反射涂层技术，都不会引起光子的谐振，最终的效果是避免了光能浪费，实现低相干、宽光谱、大功率光输出。
由于两个出光窗口10不仅位于相同一侧，而且制作的抗反射涂层相同，因此，可一次完成涂层的制作，且不存制作两个出光窗口10的抗反射涂层彼此污染的问题，也就不存在工艺难度提高的问题。同时，虽然所述组合波导由一个曲率渐变区域波导11与两个输出波导12构成，看似相比于采用一条斜波导的现有技术，本发明的结构显得复杂一些，但是，在所述组合波导的制作过程中，与现有技术一样，设计掩模图形，采用光刻工艺一次刻蚀而成，不存在工艺难度提高的问题。
相比于现有单一的斜波导，在芯片尺寸相同的前提下，本发明中的组合波导不论长度还是面积，都明显增大，从而有效增加腔内光子单程增益长度，增大注入电流泵浦面积，有效降低微分电阻，提高了饱和增益水平和输出功率，散热效果附带得到改善，有效降低了热阻，光输出功率得到进一步提高。
组合波导中的两个输出波导12可以在单管器件的制作过程中一次制作完毕，不仅提高出光窗口10的集成度，也易于保证两个输出波导12彼此之间的平行度，输出光的均匀性得到改善，光束之间的平行度得到提高。
附图说明
图1是现有具有斜波导结构与抗反射涂层的SLD整体结构立体示意图。图2是现有具有斜波导结构与抗反射涂层的SLD局部结构俯视示意图。图3是本发明之单管前端双光束平行输出超辐射发光二极管整体结构立体示意图。图4为本发明之单管前端双光束平行输出超辐射发光二极管结构俯视示意图，尤其示意组合波导的俯视形状，该图同时作为摘要附图。
具体实施方式
所述曲率渐变曲线为渐开线，如极坐标方程为R＝R0(1+εcos(θ))的蜗线，或者极坐标方程为
的螺线，式中：R为极半径，θ为极角，且θ＝0°～π，ε为变形系数，且ε＝0.3～2，R0为特征半径，也就是当蜗线的极角θ＝π/2时、螺线的极角θ＝0°时的极半径。
所述输出波导12有两种方案，第一种是两个输出波导12均为直波导，第二种是两个输出波导12均为斜波导。
本发明之单管前端双光束平行输出超辐射发光二极管的制作过程如下所述。
如图3所示，采用半导体外延生长工艺，在材料为高掺杂浓度N型GaAs的衬底8上依次生长材料为N型GaAs的下限制层7、材料为N型Al0.5GaAs的下波导6、材料为Al0.2GaAs/GaAs的多量子阱结构有源层5、材料为P型Al0.5GaAs的上波导4、材料为P型GaAs的上限制层3、材料为高掺杂浓度P型GaAs的覆盖层2；在覆盖层2上制作材料为Au/Ge/Ni的上电极1，厚度约为300nm，在衬底8下侧制作材料为Ti/Pt/Au的下电极9，厚度约为300nm，上电极1、下电极9的制作均为先分层制作再合金化处理；采用半导体光刻刻蚀工艺制作组合波导，按照组合波导的俯视图形制作掩模，光刻致上波导4与有源层5的界面；有源层5前端面与所述两个输出波导12各自的前端面对应的部分均为出光窗口10，在两个出光窗口10制作相同的抗反射涂层。
Claims (3)
1.单管前端双光束平行输出超辐射发光二极管，自上而下依次是上电极(1)、覆盖层(2)、上限制层(3)、上波导(4)、有源层(5)、下波导(6)、下限制层(7)、衬底(8)、下电极(9)，其中，由下电极(9)、衬底(8)、下限制层(7)、下波导(6)、有源层(5)构成超辐射发光二极管的立方体状主体，所述主体的各层长度、宽度相同，厚度不同；其特征在于，由上波导(4)、上限制层(3)、覆盖层(2)、上电极(1)构成所述超辐射发光二极管的组合波导，所述组合波导由一个曲率渐变区域波导(11)与两个输出波导(12)构成，两个输出波导(12)走向彼此平行，且分别位于曲率渐变区域波导(11)的前左端、前右端，曲率渐变区域波导(11)的俯视形状为由一条曲率渐变曲线和一条直线围拢的图形，所述组合波导在主体上一次刻蚀而成，两个出光窗口(10)位于有源层(5)前端面上，并且，两个出光窗口(10)在上下方向上分别与所述两个输出波导(12)各自的前端面对应，两个出光窗口(10)制作有相同的抗反射涂层。
2.根据权利要求1所述的单管前端双光束平行输出超辐射发光二极管，其特征在于，所述曲率渐变曲线为渐开线，包括极坐标方程为R＝R0(1+εcos(θ))的蜗线，或者极坐标方程为
的螺线，式中：R为极半径，θ为极角，且θ＝0°～π，ε为变形系数，且ε＝0.3～2，R0为特征半径，也就是当蜗线的极角θ＝π/2时、螺线的极角θ＝0°时的极半径。
3.根据权利要求1所述的单管前端双光束平行输出超辐射发光二极管，其特征在于，所述输出波导(12)有两种方案，第一种是两个输出波导(12)均为直波导，第二种是两个输出波导(12)均为斜波导。
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