專利名稱：電流注入式激光器的制作方法
具有法布里-珀羅分布式反饋或分布的布列克反射型共振腔的電流注入式激光器是眾所周知的。但通常它們是不便用切割或蝕刻的方法形成所需塑造的鏡面的。
本發(fā)明的目的是提供一種可配置在單晶基片上的任何部位且易于制造的電流注入式激光器。
本發(fā)明的一個(gè)方面提供具有下述結(jié)構(gòu)的電流注入式激光器即在具有某些折射率的單晶基片上依次配置有第一組取向生長(zhǎng)單晶層形成的一內(nèi)發(fā)射器、還有一共振腔層和由第二組取向生長(zhǎng)單晶層形成的外反射器。該結(jié)構(gòu)至少有一部分(即一層或一層以上的內(nèi)反射器、基片和共振腔層)是導(dǎo)電的，而且或是P型導(dǎo)電或是n型導(dǎo)電，該結(jié)構(gòu)的至少另一部分(即一層或一層以上的外反射器和共振腔層)是導(dǎo)電的，而且不是n型導(dǎo)電便是P型導(dǎo)電，但其導(dǎo)電類型與所述一部分不同。該結(jié)構(gòu)還包括分別與結(jié)構(gòu)的所述一部分和所述另一部分作電阻接觸的第一和第二導(dǎo)電裝置，因而給所述導(dǎo)電裝置加電壓時(shí)，所述結(jié)構(gòu)中就有電流通過(guò)，使該結(jié)構(gòu)借助于激光作用產(chǎn)生相干光，所述各層包含這樣一些反射器致使其達(dá)到的合成周期具有λ/2或其奇數(shù)倍的光學(xué)厚度，其中λ是如此所產(chǎn)生的光波長(zhǎng)，共振腔層的厚度d可由以下的關(guān)系式限定(2πNr(It)d)/(λm) - (φ1+φ2)/2 = m π
m＝0，1，2……其中λm是可能的工作波長(zhǎng)，Nr(It)是電流為It時(shí)共振腔層的折射率，It則是在產(chǎn)生激光的臨界點(diǎn)下通過(guò)激光器的電流，φ1和φ2由下列關(guān)系式限定ri＝r1exp(jφ1)其中r1是包含在內(nèi)反射器中各薄層的反射率的幅值，φ1是該反射率下的相位移;
r0＝r2exp(jφ2)其中r2是外反射器各層的反射率的大小，φ2是在該反射率下的相位移。本激光器的特征在于，m的值在0至10的范圍內(nèi)，m可以在所述范圍內(nèi)加以改變，以使激光器的特性(即臨界電流密度和響應(yīng)時(shí)間)對(duì)特定用途達(dá)到最佳狀態(tài)。對(duì)某給定用途來(lái)說(shuō)最合適的m值則視激光器實(shí)施方案的細(xì)節(jié)而定，這包括所采用的材料、實(shí)際尺寸、涂敷層、鈍化情況、外激勵(lì)電路的設(shè)計(jì)和工作溫度等。
我們發(fā)現(xiàn)，m選取上述范圍可使激光器有效地工作。
在一個(gè)實(shí)施方案中，上述合成周期是通過(guò)下述適當(dāng)選擇反射器中各薄層的厚度和折射率達(dá)到的，即厚度大致上選取1/4λ，折射率采用高低交替的折射率。在另一個(gè)實(shí)施方案中，反射器的組成，因而反射器的折射率，可以連續(xù)地變化或以逐段形式變化。
一般說(shuō)來(lái)，最大的光學(xué)增益是在接近制造共振腔層用的材料的發(fā)光強(qiáng)度中出現(xiàn)峰值(這經(jīng)常是在產(chǎn)生激光的臨界點(diǎn)以下發(fā)生的)時(shí)的波長(zhǎng)值的工作波長(zhǎng)λg下獲得的，因而λm≈λg
內(nèi)反射器毗鄰共振腔層的那一層折射率Nb和外反射器緊挨著共振腔層的那一層折射率Na，應(yīng)與共振腔層在產(chǎn)生激光的臨界點(diǎn)下電流流過(guò)激光器時(shí)的折射率Nr(It)具有以下關(guān)系若Na＜Nr(It)，則Nb＜Nr(It)，或者若Na＞Nr(It)，則Nb＞Nr(It)，此外，在 φ1+φ2＝2π或 φ1+φ2＝0的情況下(通常是這樣)，上述與λm、m、Nr(It)和d有關(guān)的方程可簡(jiǎn)化為Nr(It)d＝ (m′λm′)/2其中
因此，根據(jù)本發(fā)明，在此情況下m′可取1，……10的值。
現(xiàn)在僅按附圖
以舉例的方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容。該唯一的附圖是按本發(fā)明構(gòu)成的激光器的示意透視圖。
圖中所示的激光器10有一個(gè)折射率為Ns的單晶基片12?；摹氨场泵婵稍O(shè)一層或一層以上旨在降低背面反射率的材料，使得在調(diào)制器的工作波長(zhǎng)下其反射率比未覆以該材料時(shí)低，同時(shí)基片的某些部位還可加以金屬化，以便與調(diào)制器進(jìn)行電阻接觸，例如象圖中所示的金屬化層14那樣。
在一起構(gòu)成內(nèi)反射器18的第一組取向生長(zhǎng)單晶層就在該基片上。這些薄層的結(jié)構(gòu)、厚度和數(shù)目即構(gòu)成按電流注入式激光器和薄膜光學(xué)的各項(xiàng)已知因素選取、以獲取所希望的反射性、導(dǎo)電性、透明度、穩(wěn)定性和晶體生長(zhǎng)各項(xiàng)參數(shù)的變量。
內(nèi)反射器的部分特征在于其復(fù)數(shù)反射率幅值rl，其中rl＝r1exp(jφ1)其中r1是反射率的大小。
緊接內(nèi)反射器18上方安置有與其接觸的一個(gè)共振腔層，該層的厚度為d，其對(duì)以法線入射方式通過(guò)該薄層的光的折射率為Nr(I)，其中I是流經(jīng)激光器的電流。該折射率應(yīng)具有以下兩種性能的一種若Na＜Nr(It)，則Nb＜Nr(It)，或者若Na＞Nr(It)，則Nb＞Nr(It)，其中Nb是內(nèi)反射器18毗鄰共振腔層的那一薄層的折射率，Na是下面即將談到的一系列薄層22中直接毗鄰共振腔層20并與其接觸在內(nèi)反射器18對(duì)邊的那一層的折射率。It是在激光的臨界點(diǎn)(即開(kāi)始發(fā)射激光)上通過(guò)激光器的電流。
基片和其后的各材料層是由化學(xué)周期表的元素組成的化合物或合金或適合該用途的純?cè)亟M成的單晶。舉例說(shuō)，基片和其后的各薄層可由在特定薄層中按特定比例混合的鎵、鋁、砷組成。
基片和其后各薄層也可以由鎵、銦、砷和磷組成，它們?cè)谔囟ū又幸蕴囟ū壤旌稀?br> 基片和其后各薄層還可以由鎵、銦、鋁、砷和銻組成，它們?cè)谔囟ū又幸蕴囟ū壤旌稀?br> 基片和其后各薄層還可由汞、鎘、錳和碲組成，它們?cè)谔囟ū又幸蕴囟ū壤旌稀?br> 基片和其后的各薄層還可以由鉛、硫、碲和硒組成，它們?cè)谔囟ū又幸蕴囟ū壤旌稀?br> 采用其它材料體系是可能的也是本領(lǐng)域技術(shù)人員所顯而易見(jiàn)的。
此外，各所述薄層又可以由更薄的一般稱為有序化結(jié)構(gòu)或多量子阱結(jié)構(gòu)的薄層組成，或者將所述各薄層在組成上連續(xù)分級(jí)。
在電流低于產(chǎn)生激光的臨界值時(shí)，折射率Nr(I)可作為流經(jīng)共振腔層20的電流的某一種函數(shù)而變化，但在臨界值以上時(shí)，Nr(I)極其接近保持恒定不變，因?yàn)檫@時(shí)受激發(fā)射比復(fù)合情況占優(yōu)勢(shì)，牽制住所注入的載流子的密度。共振腔層的厚度將在后面討論。
共振腔層上方設(shè)有上述成組的薄層22，各薄層呈取向生長(zhǎng)單晶的形式。這些薄層在一起構(gòu)成外反射器24。和內(nèi)反射器18一樣，構(gòu)成外反射器的各薄層22系按電流注入式激光器已知的各項(xiàng)因素選取，以獲取所希望的反射性、導(dǎo)電性、透明度、穩(wěn)定性和晶體生長(zhǎng)各參數(shù)等各項(xiàng)性能。
外反射器24的部分特征可以是其復(fù)數(shù)反射率幅值r0，其中r0＝r2exp(jφ2)其中r2為反射率幅值。
在外反射器24遠(yuǎn)離共振腔層20的那一側(cè)，反射器24與折射率為Ni的入射介質(zhì)接觸。
內(nèi)反射器和/或基片和/或共振腔層的某些部分有必要摻以雜質(zhì)原子使它們導(dǎo)電。這種導(dǎo)電(以下稱之為第一種導(dǎo)電)可以是借助于電子(n型)的或借助于空穴(P型)的。
適宜與第一種導(dǎo)電型摻雜材料作電阻接觸的第一金屬化層(14)涂敷在基片12上或敷在激光器上或靠近激光器的另一處，使其只和該摻雜物質(zhì)作電阻接觸。
外反射器24和/或共振腔層20的某些部位摻有雜質(zhì)原子使其導(dǎo)電，這種導(dǎo)電(以下稱之為第二種導(dǎo)電)可以是借助于電子(n型)或借助于空穴(P型)的。若第一種導(dǎo)電是n型的，則第二種導(dǎo)電為P型，若第一種導(dǎo)電是P型的，則第二種導(dǎo)電為n型。
適宜與第二種導(dǎo)電的摻雜材料作電阻接觸的第二種金屬化層敷設(shè)在激光器上或靠近激光器處使其只和該摻雜材料作電阻接觸。從圖中可以看到，這種金屬化層是以金屬化框30的形式在外反射器24遠(yuǎn)離共振腔層20的表面24a上形成。
為方便起見(jiàn)，我們將基片12、內(nèi)外反射器18、24，共振腔層20連同上述金屬化層和薄層20或反射器18、24任一側(cè)的其它覆蓋層一起總稱為“材料結(jié)構(gòu)”。在材料結(jié)構(gòu)上可通過(guò)蝕刻或其它隔離方法形成一個(gè)或一個(gè)以上的激光器或激光器組這樣在與材料結(jié)構(gòu)的那些分別是第一種和第二種導(dǎo)電的部分接觸且與特定的激光器或激光器組接觸的金屬化層之間加上正向偏壓時(shí)，電流主要就沿如此連接的各特定激光器的n型和P型材料之間的直接通路出現(xiàn)。正偏壓如通常那樣是通過(guò)提高P型材料的電位使其超過(guò)n型材料的電位獲取的。
這里所述和圖中所例示的激光器結(jié)構(gòu)，其周圍可以部分或全部地加設(shè)包括半導(dǎo)體(無(wú)論是受或不受象質(zhì)子之類的高能粒子照射的半導(dǎo)體)，聚合物或絕緣材料的材料，使其起鈍化作用，減少或增加表面復(fù)合，起光密封作用或提高環(huán)境穩(wěn)定性。
從平面圖上看(從上面看)，激光器可以取任何形狀，包括方形、長(zhǎng)方形、圓形或橢圓形。各側(cè)壁(如有的話)可垂直于基片，或傾斜或呈曲面。
激光器可能的工作波長(zhǎng)λm大致可由下式給定(2πNr(It)d)/(λm) - (φ1+ φ2)/2 mπ其中Nr(It)是共振腔層在所有超過(guò)臨界值的電流值下的折射率。最大光學(xué)增益是在波長(zhǎng)λg接近波長(zhǎng)λp值時(shí)從共振腔層獲得的，這時(shí)可以看到共振腔層材料在臨界值以下的發(fā)光強(qiáng)度出現(xiàn)峰值。d和m的值最好選得使λm≈λg
因?yàn)檫@樣有助于使臨界電流降到最低值。m值小時(shí)，激光器會(huì)以單縱模式穩(wěn)定地工作，因?yàn)樗衅渌Ｊ綄⑦h(yuǎn)離高增益區(qū)。當(dāng)變量m′(下面即將限定)接近1時(shí)，在采用某一特定材料體系時(shí)通常會(huì)使臨界電流達(dá)到最小值。
不難理解，上述與Nr(It)、d、λm、φ1、φ2有關(guān)的方程可簡(jiǎn)化成如下形式Nr(It)d＝ (m′λm′)/2其中
之所以能如此化簡(jiǎn)是因?yàn)橐话阏f(shuō)來(lái)φ1+φ2＝2πφ1+φ2＝0我們發(fā)現(xiàn)，在1至大約10的范圍內(nèi)選取m′值，就有可能使按本發(fā)明制造的激光器高效率地工作。
按本發(fā)明制造的激光器有這樣一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)，即它們可在無(wú)需借助切割或蝕刻來(lái)形成鏡面的情況下制成。
在一個(gè)實(shí)施方案中，本激光器可以是例如直徑約10微米的圓柱體。這將產(chǎn)生發(fā)散度比普通半導(dǎo)體波導(dǎo)激光器小的不散光的輸出光束。輸出小平面的功率密度比半導(dǎo)體波導(dǎo)激光器的小，這樣就可以細(xì)叩墓β使ぷ鞫恢率剮∑矯嫠鶘?。m值小的激光器會(huì)以單一縱向方式振蕩。這些在本激光器其它實(shí)施例中也具備的性能對(duì)包括光纖通信、光學(xué)數(shù)據(jù)的存取、光學(xué)計(jì)算和激光的光抽運(yùn)等用途都是有利的。
并排配置的激光器(例如呈線性或二維陳列配置)不難加以制造。
這里僅以說(shuō)明的方式提出上述激光器，在本說(shuō)明書所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)是可能對(duì)本激光器進(jìn)行多種修改和變更的。
權(quán)利要求
1.一種電流注入式激光器，具有這樣的結(jié)構(gòu)一具有一些折射率的單晶基片，基片上依次配置有第一組取向生長(zhǎng)單晶層形成的一內(nèi)反射器、一共振腔層和由第二組取向生長(zhǎng)單晶層形成的外反射器，該結(jié)構(gòu)至少有一部分(即一層或一層以上的內(nèi)反射器、基片和共振腔層)是導(dǎo)電的，而且不是P型導(dǎo)電就是n型導(dǎo)電，該結(jié)構(gòu)的至少另一部分(即一層或一層以上的外反射器和共振腔層)是導(dǎo)電的，而且不是n型導(dǎo)電就是P型導(dǎo)電，但其導(dǎo)電類型與所述一部分不同；該結(jié)構(gòu)還包括分別與其所述一部分和所述另一部分電阻接觸的第一和第二導(dǎo)電裝置，因而給所述導(dǎo)電裝置施加電壓時(shí)，所述結(jié)構(gòu)中就有電流通過(guò)，以使該結(jié)構(gòu)借助于激光作用產(chǎn)生相干光，所述各層包含這樣一些使達(dá)到的合成周期具有λ/2或其奇數(shù)倍光學(xué)厚度的反射器，其中λ是如此所產(chǎn)生的光的波長(zhǎng)，共振腔層的厚度d可由以下關(guān)系式限定(2πNr(It)d)/(λm) - (φ1+φ2)/2 = m πm=0，1，2……其中λm是可能的工作波長(zhǎng)，Nr(It)是電流為It時(shí)共振腔層的折射率，It則是在產(chǎn)生激光的臨界點(diǎn)時(shí)通過(guò)激光器的電流，φ1和φ2由下列關(guān)系式限定ri=r1exp(jφ1)其中r1是包含在內(nèi)反射器中各薄層的反射率的幅值，φ1是該反射率下的相位移；r0=r2exp(jφ2)其中r2是外反射器各層的反射率的大小，φ2是在該反射率下的相位移，所述激光器的特征在于，m的值在0至10的范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的電流注入式激光器，其特征在于，所述合成周期是通過(guò)如此適當(dāng)選擇反射器中各薄層的厚度和折射率達(dá)到的，即，厚度大致上選取1/4λ，折射率采用高低交替的折射率。
3.如權(quán)利要求1所述的電流注入式激光器，其特征在于，為達(dá)到所述合成周期，令反射器的組成，因而反射器的折射率是連續(xù)或逐段變化的。
4.如以上任一權(quán)利要求所述的電流注入式激光器，其特征在于，內(nèi)反射器毗鄰共振腔層的那一層折射率Nb和外反射器緊挨著共振腔層的那一層折射率Na，與共振腔層在產(chǎn)生激光的臨界點(diǎn)時(shí)通過(guò)激光器的電流下的折射率Nr(It)有如下關(guān)系若Na＜Nr(It)則Nb＜Nr(It)。
5.如1至3任一權(quán)利要求所述的電流注入式激光器，其特征在于，內(nèi)反射器毗鄰共振腔層的那一層折射率Nb和外反射器緊挨著共振腔層的那一層折射率Na，與共振腔層在產(chǎn)生激光的臨界點(diǎn)時(shí)通過(guò)激光器的電流下的折射率Nr(It)有如下關(guān)系若Na＜Nr(It)則Nb＜Nr(It)。
6.如1至4任一權(quán)利要求中所述的電流注入式激光器，其特征在于，反射器的組成，因而反射器的折射率是連續(xù)或逐段變化的，以便使達(dá)到的合成周期具有λ/2或其奇數(shù)倍的光學(xué)厚度。
7.如以上任一權(quán)利要求中所述的電流注入式激光器，其特征在于，所述基片和其后各材料層是由一些選自包括鎵、鋁和砷元素族的材料制成的單晶，這些材料在特定薄層中以特定的比例混合。
8.如1至6任一權(quán)利要求中所述的電流注入式激光器，其特征在于，基片和其后各材料層是由一些選自包括鎵、銦、砷和磷元素族的材料制成的單晶，這些材料在特定薄層中以特定的比例混合。
9.如1至6任一權(quán)利要求中所述的電流注入式激光器，其特征在于，基片和其后各材料層是由一些選自包括鎵、銦、鋁、砷和銻元素族的材料制成的單晶，這些材料在特定薄層中以特定的比例混合。
10.如1至6任一權(quán)利要求所述的電流注入式激光器，其特征在于，基片和其后各材料層是由一些選自包括水銀、鎘、錳和碲元素族的材料制成的單晶，這些材料在特定薄層中以特定的比例混合。
11.如1至6任一權(quán)利要求所述的電流注入式激光器，其特征在于，基片和其后各材料層是由一些選自包括鉛、硫、碲和硒元素族的材料制成的單晶，這些材料在特定薄層中以特定的比例混合。
12.如7至11任一權(quán)利要求所述的電流注入式激光器，其特征在于，所述各薄層又可以由更薄的有序化結(jié)構(gòu)或多量子阱結(jié)構(gòu)薄層組成。
13.如7至11任一權(quán)利要求所述的電流注入式激光器，其特征在于，所述各薄層在組成上連續(xù)分級(jí)。
14.如以上任一權(quán)利要求所述的電流注入式激光器，其特征在于，激光器的工作波長(zhǎng)λg接近λp值，λp是共振腔層材料在臨界值以下的發(fā)光強(qiáng)度出現(xiàn)峰值時(shí)的波長(zhǎng)。
全文摘要
一種激光器，它具有一單晶基片(12)，基片(12)上依次如此配置有一內(nèi)反射器(18)，共振腔層(20)一外反射器(24)，即，使得∴
文檔編號(hào)H01S5/00GK1034289SQ8910012
公開(kāi)日1989年7月26日 申請(qǐng)日期1989年1月6日 優(yōu)先權(quán)日1988年1月6日
發(fā)明者彼得·查爾斯·肯門尼 申請(qǐng)人:澳大利亞長(zhǎng)途電訊委員會(huì)