CN111262126B - 一种基于免镀膜的芯片的半导体激光器 - Google Patents

一种基于免镀膜的芯片的半导体激光器 Download PDF

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Abstract

一种基于免镀膜的芯片的半导体激光器，包括：依次沿光路设置的半导体芯片、反射镜和输出镜；所述半导体芯片、所述反射镜和所述输出镜用于形成激光谐振腔，以使得在所述激光谐振腔内的激光以布鲁斯角入射至所述半导体芯片；所述半导体芯片的端面设置有用于供激光入射和出射的透射口；所述透射口免镀膜。本发明实施方式提供的半导体激光器，通过设置激光以布儒斯角射入到芯片的增益区中，使得芯片用于供激光出入的端面上无需镀膜，简化了芯片制备工艺，且降低了成本，同时提高了损伤阈值，可提高输出功率。

Description

一种基于免镀膜的芯片的半导体激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其是涉及一种基于免镀膜的芯片的半导体激光器。
背景技术
半导体激光器是以半导体材料作为增益介质，利用电子在能级间跃迁发光，直接以半导体晶体解理面形成的平行反射镜构成谐振腔，在电注入下形成光振荡反馈，产生光的辐射放大，实现激光输出。半导体激光器在目前的激光器中是电光转换效率最高的，电转光效率可达70％。并且半导体激光器也是波长范围最宽、适应性和可靠性最强、也是批量化生产费用最低的激光器。但是，由于半导体激光器的谐振腔的尺寸较小(通常是毫米级腔长、微米级腔面)，激光腔内及出光口功率密度高(MW/cm2量级)、增益介质区极短等限制，导致单个半导体发光单元的输出功率比较小，很难直接输出百瓦及以上功率。并且现有的半导体激光器在慢轴方向的光束质量差(例如，10W级百um条宽半导体激光单元慢轴的光束质量M2～10)，因此，如何获得具有高功率、高光束质量和高功率密度的半导体激光输出已成为国际激光领域的重大瓶颈技术。
为解决上述问题，申请号为201811197771.9的发明专利，提供了一种宽脊条半导体激光器。但是，本申请在对该宽脊条的半导体激光器进一步研究的过程中发现，半导体芯片的结构对半导体激光器的电光效率存在很高的影响，如采用现有的半导体芯片，现有技术需要对半导体芯片镀膜，而镀膜会降低芯片出光端面的损伤阈值，从而限制输出功率。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种基于免镀膜的芯片的半导体激光器。通过设置激光以布儒斯特角射入到芯片，以使得芯片无需设置增透膜，降低了芯片的成本，同时，由于端面不镀膜，会提高芯片的损伤阈值，从而提高输出功率。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种基于免镀膜的芯片的半导体激光器，包括：依次沿光路设置的半导体芯片、反射镜和输出镜；所述半导体芯片、所述反射镜和所述输出镜用于形成激光谐振腔，以使得在所述激光谐振腔内的激光以布鲁斯角入射至所述半导体芯片；所述半导体芯片的端面设置有用于供激光入射和出射的透射口；所述透射口免镀膜。
进一步地，所述半导体芯片，包括：至少一个增益区；每个所述增益区的上表面和下表面分别设置有电极；至少设置有一个所述电极的形状与激光在所述增益区内谐振的光路相匹配。
优选的，所述至少设置有一个所述电极与激光在所述增益区内谐振的光路相匹配为：所述电极呈V形、N形、W形、多个V形连接的形状、多个N形连接的形状、多个W形连接的形状、基于V形扩展的形状、基于N形扩展的形状或W形扩展的形状。
进一步地，所述激光在所述增益区中的入射方向和反射方向之间的夹角为θE；所述夹角θE为acrtan(n半导体)x2度，n半导体为增益区半导体材料对于谐振激光的折射率，该夹角也为电极的夹角。
进一步地，电极的宽度为0.2mm～2mm。
进一步地，所述半导体芯片的增益区的前端面和后端面间的距离为内腔长Lc，外腔激光的增益长度为nLc/cos(θE/2)，n为激光在所述增益区的前端面和后端面间通过的次数。
进一步地，所述反射镜为平面镜或具有第一预设曲率的凹面镜，所述输出镜为平面镜或具有第二预设曲率的凹面镜；所述反射镜镀有对于激光高反射率的膜，所述输出镜镀有对于激光部分透过率的膜。
进一步地，半导体激光器还包括：棱镜；所述反射镜设置在所述棱镜的一侧面上；所述输出镜设置在所述棱镜的另一侧面上；即在棱镜的一侧面镀对于激光高反射率的膜，作为高反镜，另一侧面镀对于激光部分透过率的膜，作为输出镜。
进一步地，所述棱镜的底边面镀对于谐振激光高透射率的膜。
进一步地，所述半导体芯片的增益区设置有用于反射激光的反射口，所述反射口镀有对于射入其表面的激光高反射率的膜。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明实施方式提供的半导体激光器，通过设置激光以布儒斯角射入到芯片的增益区中，使得芯片用于供激光射入的端面上无需镀膜，简化了芯片制备工艺，且降低了成本。同时，由于免镀膜，将提高芯片损伤阈值、从而提高输出功率。
附图说明
图1a是现有技术中半导体芯片的立体图；
图1b是现有技术中半导体芯片的俯视图；
图1c是现有技术中半导体芯片的芯片的侧视图；
图2是本发明一实施方式提供的基于免镀膜的芯片的半导体激光器结构示意图；
图3a是本发明一实施方式提供的半导体芯片的立体示意图；
图3b是本发明一实施方式提供的半导体芯片的侧视图；
图3c是本发明一实施方式提供的半导体芯片的俯视图；
图4是本发明一实施方式提供的半导体激光器的结构示意图；
图5是本发明一实施方式提供的半导体激光器的结构示意图；
图6是本发明又一实施方式提供的半导体激光器的结构示意图；
图7是本发明一实施方式提供的半导体激光器的结构示意图。
附图标记：
1：半导体芯片；11：增益区；12:电极；13:衬底；14:覆层；2：反射镜；3：输出镜；4：快轴准直元件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在附图中示出了根据本发明实施例的半导体激光器的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在详细介绍本发明实施方式提供的半导体芯片之前，先介绍一下传统的半导体芯片的结构。
图1a是传统半导体芯片的立体图；图1b是其俯视图；图1c是其侧视图图。
如图1a-图1c所示，该半导体芯片由上至下包括：电极12、覆层14、增益区11、衬底13、电极12。
其中，半导体芯片上表面的电极和下表面的电极的极性相反，一般上表面的电极为正电极、下表面的电极为负电极。
如图1b所示，一般现有技术中电极12的形状为I形，其制备电极的过程一般是，将矩形状的电极分别设置在芯片的增益区的上表面和下表面，其中。然后，现有技术为了能够控制电极的电流和载流子注入的量，还需要通过刻蚀工艺脊条的宽度，使电极的形状成为“I形”。图中的附图标记11A为增益区中的发光区。
下面将详细论述本发明的方案。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
另外，在下文中描述了本发明的许多特定的结构，例如半导体芯片的电极的结构及形状以便更清楚地理解本发明，除本发明特定的结构之外的部件，例如半导体芯片或半导体激光器中其他的部分可以由本领域的技术人员公知的部件构成。
图2是本发明一实施方式提供的半导体激光器的结构示意图。
如图2所示，该基于免镀膜的芯片的半导体激光器，包括：依次沿光路设置的半导体芯片1、反射镜2和输出镜3；所述半导体芯片1、所述反射镜2和所述输出镜3用于形成激光谐振腔，以使得在所述激光谐振腔内的激光以布鲁斯角θai入射至所述半导体芯片1。半导体芯片1的端面设置有用于供激光入射和出射的透射口，透射口免镀膜。
需要说明的是，半导体芯片产生的激光为p偏振光，若以布儒斯特角射入芯片，其自然透射率很高，因此当激光以布儒斯特角射入芯片时，则透射口免镀增透膜，因此，本发明实施方式提供的半导体激光器，其中半导体芯片可以免镀膜，节省了镀膜的时间和经济成本。另外，本发明实施方式提供的半导体芯片，由于免镀膜，能够提高芯片端面的损伤阈值，从而提高输出功率。一般来讲，目前半导体芯片的镀膜工艺水平可使出光口功率密度为MW/cm2量级，如果免镀膜，损伤阈值可达百MW/cm2量级甚至更高。
图3a是本发明实施方式的一种半导体芯片的立体示意图；图3b是其侧视图；图3c是其俯视图。
如图3a-图3c所示，上述半导体激光器中半导体芯片，包括：至少一个增益区；每个所述增益区的上表面和下表面分别设置有电极；至少设置有一个所述电极的形状与激光在所述增益区内谐振的光路相匹配。
本申请在研究过程中发现，采用现有的半导体芯片，无法实现有效的高光束质量外腔激光输出的原因主要在于：
(1)传统芯片的电极一般呈I型、其发光方向一般垂直于芯片端面，由于光路等因素限制，要在外腔光路中实现多个增益区的串联，就会导致光路与增益去的交叠效率低，无法达到百分之百的交叠；
(2)虽然半导体芯片前端面镀对于激光高透射率的膜，但仍存在一定剩余反射率(约1％)，由于半导体增益很高，激光在由前端面和后端面形成的内腔内，依旧可以形成激光谐振，而激光在内腔内形成的谐振会导致光束质量恶化。
(3)由于半导体激光增益很高，横向自发辐射放大(ASE)效应严重，降低外腔激光效率和光束质量。
如图3a-图3c所示，该半导体芯片1，用于设置在半导体激光器中，该半导体芯片包括：至少一个增益区；每个所述增益区的上表面和下表面分别设置有电极；至少设置有一个所述电极的形状与激光在所述增益区内谐振的光路相匹配。在本实施方式中，“表面”是指半导体芯片的面积最大的面，也就是上下端面。
需要说明的是，上表面和下表面的电极可以是极性相反的电极，本发明以上表面为正电极为例进行说明。
可以理解的是，本发明可以设置上表面和下表面的电极为相同的形状，即都是与在增益区内谐振的光路的形状匹配，当然也可以设置增益去上表面的电极或者是增益区下表面的电极与的在增益区内谐振的光路的形状匹配，就可以实现增益区与外腔激光模式的高效交叠，提高外腔半导体激光功率和效率。
其中，电极的形状与激光在增益区内谐振的光路相匹配。其中，设置电极形状与激光在增益区内谐振的光路相匹配，也可以是电极的形状与在激光器中外腔激光谐振模式的光路方向和模式大小相匹配。
在一个实施例中，电极的形状与激光在增益区内谐振的光路相匹配，具体的，电极的形状例如是呈V形、N形、W形、由多个V形依次连接的形状或由多个N形依次连接的形状中的一种，也就是基于V形扩展的形状、基于N形扩展的形状或W形扩展的形状。
可以理解的是，当电极的形状为v形时，θE为v形电极中的夹角，当θE为N形时，为相邻两边之间的夹角。当电极的形状为W时，θE是v形电极中的夹角。
在一个实施例中，所述夹角θE为[90-acrtan(n半导体)]x2度，其中，n半导体为增益区半导体材料对于谐振激光的折射率。
在一个例子中，从半导体的外腔射入到芯片端面的光束，入射角为θai，
射入到芯片表面的光束满足折射定律：
sin(θE/2)*半导体材料的折射率＝sin(θai)*外腔内介质(空气)的折射率。
当θai+θE/2＝90°时，入射角θai为布儒斯特角θB，则tan(θB)＝半导体材料的折射率/外腔内介质(空气)的折射率。
则对于，GaAs材料输出808nm激光，外腔内介质(空气)的折射率为1，半导体材料的折射率为3.65，则θB＝74.6度，θE/2＝90-θB＝15.4度,θE＝30.8。
即，当半导体芯片为GaAs材料材料时，电极的夹角为30.8。
应当理解的是，若半导体芯片为其他材料，可以依据上述实施例提供的方式确定电极的夹角，对于其他材料的半导体芯片中电极的夹角，本发明不在赘述。
在一个优选的实施方式中，电极的宽度为0.2mm～2mm。
需要说明的，电极例如是V形状，电极的宽度DE则是其一边的截面宽度。
需要说明的是，本发明中设置电极宽度为0.2mm-2mm，使得电极宽度较宽，由于本发明电极的截面宽度较传统半导体芯片脊条宽度更宽，因此，本发明实施方式提供的电极，电流和载流子扩散效应可接受，因此，本发明实施方式提供的电极，相比于传统的I形电极，无需刻蚀出脊条，因此，相比于现有技术制备工艺简单且节省成本。
在一个优选的实施例中，增益区设置有用于供激光入射或出射的透射口，所述透射口镀免镀膜；所述增益区设置有用于反射激光的反射口，所述反射口镀有对于激光θE/2角度(半导体进空气)反射率高的膜。
需要说明的是，当电极为v形、v形扩展、W型电极或W形扩展时，所述半导体芯片的增益区的前端面对应的需要光反射的区域设置有用于反射激光的反射口，所述反射口镀有对于激光θE/2角度(半导体进空气)反射率高的膜。
值得一提的是，内外腔激光增益长度，具体数值上来说，电极V型夹角为θE，单条截面宽度为DE，那么，内腔增益长度即为芯片的腔长Lc，增益区横向最宽处为2DE/cos(θE/2)，增益区横向最宽处会影响ASE，其值越大，ASE效应越严重，越不利于外腔激光输出。
其中，外腔激光的增益长度为nLc/cos(θE/2)，n为光在前端面和后端面间通过的次数，例如V型电极对应n为2，W型电极对应n为4。
通过这些参数之间的设定，能实现外腔激光增益长度远大于内腔增益长度和ASE最大宽度。
由于芯片中至少设置有一个所述电极的形状与激光在所述增益区内谐振的光路相匹配，这样会使得相比于现有技术，外腔谐振方向和内腔谐振方向不再一致、而是存在一定角度，那么就可以通过角度的区别，降低内腔激光在前后端面处的反射率，能够更好的抑制内腔激光谐振。
优选的，半导体激光器中，反射镜2为平面镜或具有第一预设曲率的凹面镜，所述输出镜3为平面镜或具有第二预设曲率的凹面镜；反射镜镀有对于激光高反射率的膜，所述输出镜镀有对于激光部分透过率的膜。
优选的，在一个实施例中，还包括：快轴准直元件FAC，设置在所述半导体芯片前端面的前方，用于准直从所述半导体芯片出射的快轴方向的激光。
在一个优选的实施例中，所述半导体芯片的增益区设置有用于反射激光的反射口，所述反射口镀有对于射入其表面的激光高反射率的膜。
在图2所示的实施方式中，半导体芯片1的增益区出射激光至反射镜2表面，被反射回半导体芯片1的增益区，然后再反射到输出镜3，部分激光输出，另一部分激光经过输出镜反射回增益区，经过增益后反射至反射镜2，不断的振荡。
图4是本发明一实施方式提供的半导体激光器的结构示意图。
如图4所示，该半导体激光器相比于图3所示的半导体激光器，还包括：
快轴准直元件4，用于准直从所述半导体芯片出射的快轴方向的激光。
在本实施方式中，从所述增益区的一端面入射到所述增益区内的激光，在所述增益区另一端面反射；所述激光谐振腔中外腔的增益长度为：nLc/cos(θE/2)，其中，Lc为所述增益区一端面到另一端面的距离，也是内腔增益长度。n为激光从所述增益区的一个端面到所述另一个端面传输的次数；θE为所述另一端面上的入射光线和反射光线之间的夹角。
图5是本发明又一实施方式提供的半导体激光器的结构示意图。
如图5所示，该半导体激光器还包括棱镜5，所述反射镜2设置在所述棱镜5的一侧面上；所述输出镜3设置在所述棱镜5的另一侧面上。
优选的，该所述反射镜为对所述半导体激光器内激光反射率高的膜；
所述输出镜为对所述半导体激光器内激光部分透过率的膜。
在本实施例中，对半导体激光器内激光“反射率高”的膜，例如是指反射率高于99.5％。
在本实施例中，对半导体激光器内透过率高的膜，例如是指透过率高于99.7％。
图6是本发明一实施方式提供的半导体激光器的结构示意图。
如图6所示，该半导体激光器中，半导体芯片出射的激光，经过快轴准直元件4准之后，射入到反射镜2表面，然后被反射回半导体芯片1的增益区，然后在增益区折返了4次(本实施例中，折返1依次是指从芯片的一个端面到另一个端面的距离)，然后经过快轴准直元件射入到输出镜3表面，部分激光输出，另一部分反射回增益区，不断的形成振荡。
图7是本发明又一实施方式提供的半导体激光器的结构示意图。
如图7所示，该半导体激光器包括两个快轴准直元件FAC，即第一快轴准直元件4-1和第二快轴准直元件4-2。
其中，该半导体激光器出射的激光，经过快轴准直元件4之后，射入到反射镜2的表面，然后反射回芯片的增益区，然后在增益去这番了3次，然后经过快轴准直元件射入到输出境3表面，部分激光输出，另一部分反射回增益去，进而不断的形成振荡，不断的输出激光。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明实施方式提供的半导体激光器，通过设置激光以布鲁斯角射入到芯片的增益区中，使得芯片用于供激光射入的端面上无需镀膜，简化了芯片的结构，且降低了成本。同时，由于在芯片端面不镀膜，可提高损伤阈值，从而提高输出功率。
(2)本发明实施方式提供的半导体激光器中，半导体芯片中至少设置有一个所述电极的形状与外腔谐振激光在所述增益区内的光路相匹配，使得该形状与外腔激光谐振的光路方向和模式大小相匹配，可以实现增益区与外腔激光模式的高效交叠，提高外腔半导体激光功率和效率，且实现高光束质量输出。
(3)本发明实施方式提供的半导体激光器，由于其内设的半导体芯片中至少设置有一个所述电极的形状与激光在所述增益区内谐振的光路相匹配，使得外腔光路谐振方向与芯片解理面，即芯片输出端面成一定角度，因此在结构上可实现内腔谐振方向(内腔由芯片前后端面，即解理面形成)和外腔谐振方向不再一致，而是具有一定角度，因此可实现外腔增益长度远大于内腔增益长度和ASE最大宽度。同时，配合镀膜技术，提高内腔激光阈值，从而抑制内腔激光和ASE，实现高效的外腔半导体激光输出。
(4)本发明实施方式提供的半导体激光器，其内设的半导体芯片中至少设置一个电极的形状与芯片内谐振的光路的形状匹配，可将电极直接镀在芯片上，相比于现有技术，无需再刻蚀脊条，减小了工艺难度，降低了生产成本。同时，不存在等效波导效应，避免了对外腔激光的调制作用。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于免镀膜的芯片的半导体激光器，其特征在于，包括：依次沿光路设置的半导体芯片、反射镜和输出镜；
所述半导体芯片、所述反射镜和所述输出镜用于形成激光谐振腔，以使得在所述激光谐振腔内的激光以布儒斯角入射至所述半导体芯片；
所述半导体芯片的端面设置有用于供激光入射和出射的透射口；所述透射口免镀膜；
所述半导体芯片，包括：
至少一个增益区；
每个所述增益区的上表面和下表面分别镀有电极；
至少设置有一个所述电极的形状与激光在所述增益区内谐振的光路相匹配；
所述至少设置有一个所述电极与激光在所述增益区内谐振的光路相匹配为：
所述电极呈V形、N形、W形、多个V形连接的形状、多个N形连接的形状、多个W形连接的形状、基于V形扩展的形状、基于N形扩展的形状或W形扩展的形状。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，
所述激光在所述增益区中的入射方向和反射方向之间的夹角为θE，所述电极两相邻边的夹角也为θE；
所述夹角θE为[90-acrtan(n半导体)]x2度，其中，n半导体为增益区半导体材料对于谐振激光的折射率。
3.根据权利要求1或2所述的半导体激光器，其特征在于，所述电极的单条截面宽度为0.2mm～2mm。
4.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，
快轴准直元件，设置在所述半导体芯片前端面的前方，用于准直从所述半导体芯片出射的快轴方向的激光。
5.根据权利要求1、2或4所述的半导体激光器，其特征在于，
所述反射镜为平面镜或具有第一预设曲率的凹面镜，所述输出镜为平面镜或具有第二预设曲率的凹面镜；
所述反射镜镀有对于激光高反射率的膜，所述输出镜镀有对于激光部分透过率的膜。
6.根据权利要求1、2或4所述的半导体激光器，其特征在于，还包括：
所述半导体芯片的增益区设置有用于反射激光的反射口，所述反射口镀有对于射入其表面的激光高反射率的膜。
7.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，还包括：
所述半导体芯片的增益区设置有用于反射激光的反射口，所述反射口镀有对于射入其表面的激光高反射率的膜。
8.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，还包括：
所述半导体芯片的增益区设置有用于反射激光的反射口，所述反射口镀有对于射入其表面的激光高反射率的膜。
9.根据权利要求1、2、4、7或8所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器还包括：棱镜；
所述反射镜设置在所述棱镜的一侧面上；
所述输出镜设置在所述棱镜的另一侧面上；
即在棱镜的一侧面镀对于激光高反射率的膜，作为高反镜，另一侧面镀对于激光部分透过率的膜，作为输出镜。
10.根据权利要求9所述的半导体激光器，其特征在于，
所述棱镜的底边面镀对于谐振激光高透射率的膜。
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