[发明专利]具有自发发射阻塞的增强半导体激光器

说明书

一种用于生产包括与半导体激光器串联集成的双稳态电阻系统(BRS)的增强激光器(ATLAS)的器件和方法。通过利用BRS的突变电阻开关，激光器表现出低于激光阈值的自发发射(SE)的减少/抑制。激光器系统包括半导体激光器以及作为可逆开关操作的BRS。BRS在高阻态下操作，其中半导体激光器低于激光阈值并且以减少的自发发射机制发射，以及在低阻态下操作，其中半导体激光器高于或等于激光阈值并且以受激发射机制发射。作为可逆开关操作的BRS跨两个独立芯片或在单个晶片上串联电连接。BRS是使用绝缘体‑金属转变(IMT)材料形成的或者是使用阈值开关选择器(TSS)形成的。

技术领域

本发明总体上涉及半导体激光器，并且更具体地，涉及具有自发发射阻塞(spontaneous emissions blockage)的半导体激光器。

背景技术

半导体激光器，诸如常规的边缘发射激光器，也称为激光二极管或垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，在商业上用于非常广泛的应用：显示器和照明、数据存储、通信、数据读取、数据记录、防御、激光打印、医疗和化妆品应用、材料处理诸如表面处理、光学泵浦源等。

当增加电功率时，典型的半导体激光器在给定阈值电流(I_th)下在两种不同状态之间转变：

·在阈值以下发生的自发发射状态，以产生相干发射、随机极化、随机相位、随机发射方向、宽波束宽度；以及

·在功率阈值以上发生的受激发射状态，以产生激光器操作，其特征在于具有相同光子能量、窄线宽、相同光子方向、相同光子相位或时间相干以及相同光子极化或相干极化光的相干发射。

发明内容

在一个实施例中，示出了一种用于生产包括与半导体激光器串联集成的双稳态电阻系统(BRS)的增强激光器(ATLAS)的器件和方法。ATLAS通过利用BRS的突变电阻开关而表现出低于激光阈值的自发发射(SE)的减少/抑制。

在一个实施例中，一种激光器系统包括半导体激光器以及作为可逆开关操作的双稳态电阻系统(BRS)。BRS与半导体激光器串联电连接。BRS在高阻态下操作，其中半导体激光器低于激光阈值并且以自发发射机制发射，以及BRS在低阻态下操作，其中半导体激光器高于或等于激光阈值并且以受激发射机制发射。作为可逆开关操作的BRS跨两个独立芯片或在单个晶片上串联电连接。BRS是使用绝缘体-金属转变(IMT)材料形成的或者是使用阈值开关选择器(TSS)形成的。

在另一实施例中，一种垂直波导激光器半导体器件包括半导体衬底以及在其上形成的层结构，其中有源介质层的量化轴平行于光腔的垂直轴。层结构包括：设置在半导体衬底上方的具有第一掺杂类型的第一波导层、设置在第一波导层上方的有源介质层、以及设置在有源介质层上方的具有第二掺杂类型和氧化层的第二波导层。具有顶表面和侧壁的台面型结构是由第一波导层形成的。有源介质层和第二波导层以及在第二波导层中形成的孔。双稳态电阻系统(BRS)：i)在台面型结构周围的第一波导层上形成，或者ii)在台面型结构的顶表面上形成。

在一个实施例中，层结构是垂直腔表面发射激光器(VSCEL)，并且BRS是使用绝缘体-金属转变(IMT)材料形成的或者是使用阈值开关选择器形成的。

在另一实施例中，一种垂直波导激光器半导体器件包括半导体衬底以及在其上形成的层结构，其中有源介质层的量化轴平行于光腔的垂直轴。层结构包括：设置在半导体衬底上方的具有第一掺杂类型的第一波导层、设置在第一波导层上方的有源介质层、以及设置在有源介质层上方的具有第二掺杂类型和氧化层的第二波导层。具有顶表面和侧壁的台面型结构由第一波导层、有源介质层和第二波导层形成，以及在第二波导层中形成孔。一种形成在半导体衬底的背侧上的双稳态电阻系统(BRS)，其中第一接触层在双稳态电阻系统上方形成；以及第二接触层在第二波导层上方形成并且具有在孔上方的开口，第二接触层与第一接触层电隔离。双稳态电阻系统是使用绝缘体-金属转变(IMT)材料或者阈值开关选择器(TSS)形成的。