专利名称：：具有窄光束发散的半导体激光器的制作方法
技术领域：
：ooo１i本发明涉及一种用于有效减小二极管激光器输出光束的垂直远场发散而不降低其它光电性能参数的方法。0002背景技大功率半导体激光器是许多电信和工业应用的关键部件。半导体激光器的重要特性是其输出光束的发散性。发散越小，越容易将光束发送到目的地或有效地将光束耦合入光纤耦合的半导体激光器的光纤中。0003侧面发光型半导体激光器的输出光束，在垂直方向上(即垂直于有源层平面的方向)比水平方向上(即平行于半导体激光器的有源层平面的方向)具有更大的发散性。光束越圆，越可有效地将其耦合入光纤中。小的光束发散角也可改善光纤准直公差(fiberalignmenttolerance),该公差对子长期保持耦合效率稳定性是重要的。—种减小激光二极管的垂直远场发散的方法是使层结构保持对称，并且设计层以扩展垂直层平面方向的光模，从而减小所述方向的发射光的远场发散。例如，见G.Lin，S.Yen,C.Lee,和D.Liu的名称为"Extremelylowverticalfar-fieldangleofInGaAs-AlGaAsquantumwelllaserswithspeciallydesignedcladdingstructure"(采用净争另ll设计的包层结构的InGaAs-AlGaAs量子阱激光器的极小垂直远场角，正EEPhoto.Tech.Lett.，vol.8,pp.l588-1590,1996)的文章。作者讲述了采用在有源区与p-包层和n-包层之间插入两个低折射率层来扩展光模。在Harding等人的美国专利5,197,077中，描述了一种激光二极管的对称层结构，该结构由三个緩变波导(graded-waveguide)多量子阱组成，中间的量子阱充当有效增益区(lasingregion),其它两个量子阱充当用来扩展光模的光阱层(叩ticaltraplayer)。进一步地，在M.C,Wu,Y.K.Chen,M.Hong,J.P.Mannaerts,M.A.Chin,和A.M.Sergent的名称为"Aperiodicindexseparateconfinementhetero-structurequantumwelllaser"(周期折射率分别限制异质结构量子阱激光器，Appl.Phys.Lett.,vol.59,pp.1046-1048,1991)的文章中，作者讲述了被引入对称结构包层的类超晶格层(super-lattice-likelayer)有效地降低了相对折射率差(indexcontrast)而且扩展了光场，这减小了垂直层平面的方向上的光束的发散。更进一步地，在S.T.Yen和C.P.LeeYet的名称为"Theoreticalinvestigationonsemiconductorlaserswithpassivewaveguides"(采用无源波导的半导体激光器的理论研究，IEEEJ.QuantumElectron.,vol.32，pp.4-13,1996)的文章中，作者研究了在p-包层和n-包层中插入两个高折射率的无源波导来扩展光模而获得较小的光束发散。在本段中提到的所有文章和专利在此通过参考被合并入本发明中。所述n-掺杂包层包含所述激光光模的尾部区域，其中所述尾部的光功率密度小于所述激光光模的所述峰值点的光功率密度的0.03%,并且其中所述尾部区域具有厚度和折射率；和所述n-包层的厚度可被调整以减小所述输出光束的发散。图5是根据本发明的激光器的光电特性图；和[00361图6是激光光束的输出功率密度的角度分布图。具体实施例方式100371本发明涉及一种半导体激光器结构，在其基底上具有多个不同折射率和厚度的层，这些层的相对顺序是n-阻挡层、n-包层、有源层、p-包层和p-盖层。整个结构的层的折射率分布是不对称的。在所示的实施例中，不对称结构由不同折射率和厚度的包层构成，但是也可用其它方式构成只要大部分光场向n-面倾斜以获得小的光学损耗。n-阻挡层的折射率小于n-包层的折射率。现在转到图2,图中示出了图1中的n-包层106的厚度从1.7微米变化到5.7微米时的光场分布。从图2中可以看出，光场的中央部分(例如光场的强度大于最大强度的10%),几乎保持不变。由于光场的这部分与有源区重叠，这确定了光学限制因子和阈值电流值，在n-包层的厚度发生变化时这两个参数基本保持不变。图3中将垂直比例尺放大100倍，可以更好地观察到光场分布的这些变化。00431似乎是由于光场尾部的此小差异，垂直光束发散角可有效地被减小4°-7°，其中术语"尾部"是指功率密度为0.03%级或更低的光场区。特别地，n-面包层厚度的增加会导致光场的尾部进一步远离光场的峰值(peak)传播，这反过来这大大减小了垂直远场发散。00441理想地，p-包层的厚度约为1.5微米。采用10%的模尺寸作为参考，例如对于10%的模尺寸本图例中为1.6微米，而且当第一n-包层的厚度被设计为该模尺寸的1-4倍时，例如n-包层的厚度为1.6-6.4微米，可以将垂直远场发散角定制到某一范围的所需值而不改变其它关键的性能特征。当n-包层的厚度为该10%模尺寸的2-3倍时，可实现小的垂直远场发散同时保持优良的性能。按照这些设计制作的激光器与模拟数据十分符合。表1中的实验结果与图4中的模拟结果共同示出了包层厚度对几个激光器参数的作用。[00471现在转到图5,示出了已制作的1W大功率输出的激光二极管芯片的光电性能。粗实线示出了二极管芯片输出功率对驱动电流的依赖关系。图5中的细实线表示作为驱动电流的函数的光纤耦合输出功率。通过比较这两条线，可以计算出光纤的耦合效率为75%。最后，图5中虚线表示已制作的激光二极管芯片的伏安特性。[0048J图6表示采用表1中的结构代码为B-2的激光器的大约16。的小垂直远场角。[0049所显示的实验和理论数据证明了光场的尾部影响激光二极管的垂直发散。可通过增加n-包层厚度来有效地减小垂直远场发散而不影响其它参数。但是，可以理解任何旨在影响小于激光模式的最大光学功率密度的0.03%的小尾部的方法，均属于本发明的范畴。在优选实施例中，采用不对称结构来实现将光场牵引向激光器堆叠的n-面，以使损耗降低。附加的而且优选的，采用在n-包层和n-基底之间设置低折射层，可有效地防止光场穿透入该基底，由于漏光该穿透会导致大的损耗。至于p-基底上的材料体系，可将所述低折射层设置在p-基底和p-包层之间，所述低折射层的折射率小于p-包层的折射率。<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>权利要求1.一种制作具有减小的输出辐射发散的大功率半导体激光器的方法，包括以下步骤提供半导体基底；形成由所述半导体基底支撑的层堆叠，所述层堆叠包括用来产生光的有源层、n-掺杂包层和p-掺杂包层，其中所述有源层被设置在所述n-掺杂包层和所述p-掺杂包层之间，其中，所述n-掺杂包层和所述p-掺杂包层分别具有第一折射率和第二折射率，并且其中，所述第一折射率大于所述第二折射率；并且其中，在操作中，所述层堆叠产生具有远场发散和峰值点的激光光模，其中所述层堆叠相对于所述有源层是不对称的，以使大部分所述激光光模移向所述n-掺杂包层同时使所述激光光模的所述峰值点保持在所述有源层内；所述n-掺杂包层包含所述激光光模的尾部区域，其中，所述尾部的光功率密度小于所述激光光模的所述峰值点的光功率密度的0.03％，并且其中，所述尾部区域具有厚度和折射率；和其中，所述尾部区域的所述厚度，或所述尾部区域的所述折射率可被调整以减轻所述激光光模的所述远场发散。2.如权利要求1所述的制作方法，其中，形成层堆叠还包括形成具有第三折射率的低折射层，其中，在所述半导体基底上形成所述低折射层，和在所述低折射层上形成所述n-掺杂包层，并且所述第三折射率小于所述第一折射率。3.如权利要求1所述的制作方法，其中，形成层堆叠还包括形成具有第三折射率的低折射层，其中，在所述半导体基底上形成所述低折射层，和在所述低折射层上形成所述p-掺杂包层，并且所述第三折射率小于所述第二折射率。4.如权利要求1所述的制作方法，其中，所述半导体基底为GaAs基底，和所述n-掺杂包层和所述p-掺杂包层为AlGaAs层，它们各自的Al浓度差为3%-8%。5.如权利要求1所述的制作方法，其中所述激光光模的特征是模式尺寸在所述光模的所述峰值点的所述光功率密度的10%处测量；所述n-掺杂包层具有厚度；以及所述n-掺杂包层的厚度与所述模式尺寸的比率在1和4之间。6.如权利要求1所述的制作方法，其中所述激光光模的特征是模式尺寸在所迷模式的所述峰值点处的所述光功率密度的10%处测量；所述n-掺杂包层具有厚度；以及所述n-掺杂包层的所述厚度与所述模式尺寸的比率在2和3之间。7.如权利要求1所述的制作方法，其中，所迷n-掺杂包层的厚度在1.7和5.7微米之间。8.如权利要求7所述的制作方法，其中，在制作两个半导体激光器而所述两个半导体激光器的区别仅仅在于所述n-掺杂包层的厚度时，其中，所述厚度为1.7微米和5.7微米，并且在用相同的电源给所述激光二极管中的每一个通电时，所述两个激光器的所述激光光模的远场发散角相差至少3.5°。9.如权利要求7所述的制作方法，其中，在制作两个半导体激光器而区别仅仅在于所述n-包层的厚度时，其中，所述厚度为1.7微米和4.7微米，并且在用相同的电源给所述激光二极管中的每一个通电时，所述两个激光器的所述激光光模的远场发散角相差至少5.2°。10.—种制作具有减小的输出光束发散的半导体激光器的方法，包括以下步骤提供半导体基底；形成由所述半导体基底支撑的层堆叠，所述层堆叠按相对顺序包括邻接所述半导体基底、用来阻止光到达所述基底的n-型光阻挡层，用来导光的n-型包层，有源层，用来导光的p-型包层，p-型盖层，其中所述有源层包含用于产生光的量子阱层和用来引导光的导光层对，其中，所述量子阱层被设置在所述导光层之间；所述堆叠的所述每一层具有折射率，其中所述量子阱层的所述折射率大于所述导光层的所述折射率；所述导光层的所述折射率大于所述n-型包层和所述p-型包层的所述折射率；以及所述n-型包层的所述折射率大于所迷p-型包层和所述n-型光阻挡层的所述折射率；所述堆叠的所述每一层具有厚度，其中所述n-型包层的所述厚度大于所述p-型包层的所述厚度；和所述n-型包层的厚度可被调整以减小所述输出光束的所述发散。11.如权利要求10所述的制作方法，其中，所述半导体基底为GaAs基底，并且所述n-型包层和所述p-型包层为AlGaAs层，它们各自的Al浓度差为3%-8%。12.如权利要求IO所述的制作方法，其中在操作中，所述层堆叠产生的激光光模的模式尺寸在所述光模的最大值的10%处测量；和所述n-型包层的所述厚度与所述模式尺寸的比率在1和4之间。13.如权利要求10所述的制作方法，其中在操作中，所述层堆叠产生的激光光模的模式尺寸在所述激光光模的最大值的10%处测量；和所述n-型包层的所述厚度与所述模式尺寸的比率在2和3之间。14.如权利要求10所述的制作方法，其中，所述n-型包层的厚度在1.7和5.7微米之间。15.如权利要求14所述的制作方法，其中，在制作两个半导体激光器而区别仅仅在于所述n-包层的厚度时，其中，所述厚度为1.7微米和5.7微米，并且以实质上相同的方式给两个所述激光二极管通电时，所述两个激光器的所述激光光模的远场发散角相差大于3.2°。16.—种制作半导体激光器的方法，包括以下步骤a)提供半导体基底；b)在所述基底上生长n-阻挡层；c)在生长时间内，在所述n-阻挡层上生长n-包层，所述n-包层的折射率大于所述n-阻挡层的折射率；d)在所述n-包层上沉积有源区，所述有源区包含夹在两个波导层之间的量子阱；e)在所述有源区上沉积p-包层；其中，步骤c)包含从多个生长时间中选取生长时间以获得最佳生长时间，在操作中，所述最佳生长时间产生的输出激光光束的垂直远场发散角VFF最小。17.根据权利要求16所述的方法，其中步骤c)包含生长在3和6微米之间的所述n-包层以提供小于17°的VFF。18.根据权利要求16所述的方法，其中步骤c)包含生长4和6微米之间的所述n-包层以提供13°和17°之间的VFF。19.根据权利要求16所述的方法，其中，当调整所述n-包层的所述生长时间从而将所述n-包层的厚度从1.7微米增加到4.7微米时，VFF减小至少3.7°。20.根据权利要求16所述的方法，其中，当调整所述n-包层的所述生长时间从而将所述n-包层的厚度从1.7微米增加到4.7微米时，VFF减小至少5.2°。21.根据权利要求16所述的方法，还包括在生长所述n-阻挡层之前，在所述基底上生长緩沖层以使其表面光滑。22.根据权利要求16所述的方法，还包括在所述p-包层上提供用于p-金属接触的p-23.根据权利要求16所述的方法，其中，步骤e)或步骤c)或这两个步骤包含调整所述p-包层和所述n-包层之间的Al含量差值，所述p-包层比所述n-包层的Al含量高3%到8%，以在所述p-包层和所述n-包层之间提供所需的不对称性和获得所需的VFF。24.根据权利要求23所述的方法，其中，调整所述p-包层和所述n-包层之间的Al含量差值，使所述p-包层比所述n-包层的Al含量高4%到6%之间时，VFF减小至少3°。25.根据权利要求23所述的方法，其中，调整所述p-包层和所述n-包层之间的Al含量差值，使所述p-包层比所述n-包层的Al含量高4%到6%之间时，并且当调整所述n-包层的所述生长时间以将所述n-包层的厚度从1.7微米增加到5.7微米时，VFF减小至少7。。全文摘要本发明涉及一种减小大功率半导体激光器的垂直发散的方法，该方法产生的阈值电流和转换效率损失可以忽略。小的发散可通过增加不对称激光二极管堆叠结构中的n-包层的厚度获得，其值的范围在10％级别处所测量的激光模式尺寸的1-4倍。该发散可通过调节光模尾部区域的n-包层参数来调整，该尾部区域所测得的光学功率密度为所述光模的最大光学功率密度的0.03％或更小。文档编号H01S5/343GK101340059SQ20081013260公开日2009年1月7日申请日期2008年7月7日优先权日2007年7月6日发明者杨国文申请人:Jds尤尼弗思公司