專利名稱：具有大的光學(xué)超晶格波導(dǎo)的高功率半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通常在光-電子裝置中使用的那種高功率半導(dǎo)體二極管激光器，其主要作為所謂的泵浦激光器，以用于光通信領(lǐng)域中的光纖放大器，例如用于摻鉺光纖放大器(EDFA)或拉曼放大器。這樣的激光器通常具有單個腔體并工作在單個橫向和垂直模式。它們在給定的頻帶提供具有高功率輸出的窄帶寬的光輻射。特別是，本發(fā)明涉及工作在大于1100nm波長的這樣的激光器。
背景與現(xiàn)有技術(shù)上述的那種半導(dǎo)體激光器例如已經(jīng)成為光通信技術(shù)中的重要部件，特別是因為這樣的激光器可用于由光學(xué)裝置立即放大光信號。這允許設(shè)計全光纖通信系統(tǒng)，從而避免要被發(fā)送的信號的任何復(fù)雜的變換，這提高了速度以及在這樣的系統(tǒng)內(nèi)的可靠性。
在一種光纖通信系統(tǒng)中，激光器可用于泵激摻鉺光纖放大器(所謂的EDFA)，這些EDFA已在本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的各種專利和出版物中進(jìn)行了描述。技術(shù)重要性的例子是三種主要的類型，典型地用于相應(yīng)于鉺的吸收波長的鉺放大器應(yīng)變量子阱InGaAs激光器被使用于980nm；GaAlAs激光器被使用于820nm；以及InGaAsP和多量子阱InGaAs激光器被使用于1480nm。本發(fā)明尤其針對后一種類型的激光器，即用于大于1100nm的波長的激光器，以及例如可以在1480nm的InGaAsP、多量子阱InGaAs激光器、或AlGaInAs/InP中被實施。
為了利用這樣的激光二極管達(dá)到想要的結(jié)果，激光器的出射光束的低的垂直的遠(yuǎn)場被認(rèn)為是有利的，與近場的大的垂直擴(kuò)展相聯(lián)系，以得到激光器中低的光學(xué)功率密度以及對于光纖耦合的增強(qiáng)的耦合效率。另外，低的內(nèi)部損耗對于有效的高功率操作是重要的。然而，對于這里提出的激光器組達(dá)到這一點不是容易的任務(wù)。
這里，對于這樣的激光二極管的技術(shù)實現(xiàn)方案的一些注釋似乎是適當(dāng)?shù)摹１绢I(lǐng)域技術(shù)人員區(qū)分光學(xué)近場(即在激光腔內(nèi)的光學(xué)模式)與光學(xué)遠(yuǎn)場(即在激光器外的光學(xué)模式)。近場的橫向尺寸由激光二極管的橫向結(jié)構(gòu)確定。這樣做是為了避免激光器工作在較高階的模式。橫向尺寸通常是幾微米，典型地在2到5微米之間。由于具有大的垂直光學(xué)近場的有效的激光器結(jié)構(gòu)的困難的實現(xiàn)方案，所以垂直方向的尺寸典型地小得多，通常小于1微米，常常是在十分之幾微米的范圍內(nèi)。
由于近場的垂直尺寸比橫向尺寸小得多，所以相應(yīng)的遠(yuǎn)場具有大的垂直遠(yuǎn)場角，而它們的橫向角度典型地小得多。這是由于光束當(dāng)從激光腔出射時衍射的結(jié)果。因此，在這里所討論類型的波導(dǎo)激光器中，近場通常具有水平延伸的橢圓的形狀，而遠(yuǎn)場具有垂直延伸的橢圓的形狀。這種情形是基于如

圖1所示的水平放置的激光器。
光纖(光纖網(wǎng)絡(luò)的另一個重要的部件)通常具有圓形截面，它可惜與遠(yuǎn)場的橢圓形截面不匹配。為避免由于這種失配造成的損失已作出重大的努力，因為最終是被耦合到光纖的功率而不是激光二極管的“原始”功率確定光纖網(wǎng)絡(luò)的性能。這些努力之一是改進(jìn)在激光器的遠(yuǎn)場與光纖之間的耦合。成形遠(yuǎn)場的形式因此似乎是特別有希望的方法。
為了匹配光纖的截面，垂直遠(yuǎn)場上的減小是有利的。這可以通過實現(xiàn)大的垂直近場而達(dá)到。這樣的橢圓光學(xué)近場的大的垂直擴(kuò)展可以通過微弱地引導(dǎo)在垂直方向上的光學(xué)模式而達(dá)到。為了特別是對于長的腔體得到高的效率，激光器結(jié)構(gòu)必須具有低的內(nèi)部光損耗，其中長的腔體對于良好的散熱是重要的。對于基于InP的材料的系統(tǒng)，已知的是，光學(xué)損耗的主要來源來自于在p型摻雜區(qū)域中占優(yōu)勢的自由載流子吸收。所以，優(yōu)選地，該模式在非對稱波導(dǎo)裝置的激光器結(jié)構(gòu)的n摻雜部分中被引導(dǎo)。
為了在大的波導(dǎo)中引導(dǎo)該模式，需要波導(dǎo)層與周圍的(覆蓋)層的折射率之間的小的反差。在基于InP的材料中，選擇由InP制成的覆蓋層是有利的，因為二元合金比起三元或四元合金來說改進(jìn)了電和熱的傳導(dǎo)。為了得到波導(dǎo)與覆蓋層的折射率的小的反差，需要相對較低的折射率四元材料。這是以需要低于大約1000nm(1.0μm)的光致發(fā)光波長(λPL)為特征的。
這樣的結(jié)構(gòu)的圖顯示于圖1，下面作進(jìn)一步說明。已知的是，這些材料的厚層的合成難以控制。缺乏控制易于導(dǎo)致最終得到的模式分布的失真，從而惡化激光二極管的性能以及大大減少制造過程的產(chǎn)量。所以，低折射率波導(dǎo)由允許較容易控制的一組材料制成，所述材料例如像InP和具有1100nm(1.10μm)或更大的λPL的材料(通常稱為Q1.10材料)。用于波導(dǎo)的所需的平均折射率現(xiàn)在可通過適當(dāng)?shù)馗淖円粚nP和Q1.10材料層的厚度而容易地得到。
與在具有大的延伸的波導(dǎo)中的弱引導(dǎo)模式有關(guān)的另一個問題是，這些波導(dǎo)潛在地是多模波導(dǎo)，即允許生成和引導(dǎo)較高階的模式。利用按照本發(fā)明的解決方案，有可能通過使用能夠?qū)崿F(xiàn)在潛在地多模垂直波導(dǎo)中鑒別較高階模式的任意梯度的折射率分布，形成用于零階和更高階模式的模式分布。
第三個問題與非對稱波導(dǎo)中的弱引導(dǎo)模式有關(guān)。非對稱波導(dǎo)是有利的，因為該模式的大部分強(qiáng)度在其中自由載流子吸收不占優(yōu)勢的區(qū)域的n摻雜的部分中被引導(dǎo)。通常非對稱波導(dǎo)是利用被嵌入在工作波導(dǎo)附近的激光器結(jié)構(gòu)的n覆蓋中的附加的小波導(dǎo)而實現(xiàn)的。雖然在這樣的非對稱波導(dǎo)中增加了模式的尺寸，但這些波導(dǎo)往往對于折射率的改變是不穩(wěn)定的(例如由于加熱或載流子密度改變)，因為附加的波導(dǎo)需要變得非常大，以及處于到工作波導(dǎo)的很大的距離。通過使用本發(fā)明的大的光學(xué)超晶格(LOSL)的方法，模式更加穩(wěn)定得多地被引導(dǎo)，因為附加波導(dǎo)的影響被分布到具有相對于覆蓋的平均的低折射率反差的大波導(dǎo)上。
多個解決方案已經(jīng)試圖解決以上問題。然而，這些解決方案中沒有一個令人滿意地工作。為了更好地理解，下面描述大多數(shù)嘗試的相關(guān)解決方案中的一些解決方案。
在T.Namegaya，R.Katsumi等人的“1.48μm high-powerGaInAsP-InP graded-index sepafate-confinement-heterostructure multiple-quantum-well laser diodes(1.48微米高功率GaInAsP-InP梯度折射率分開的限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)的多量子阱激光二極管)”，IEEE Journal of Quantum Electronics，V.29 No.6，June 1993，pp.1924-1931中描述的一個解決方案使用對稱的小波導(dǎo)。這些波導(dǎo)是具有比材料波長小得多的尺寸的波導(dǎo)。它們松馳地引導(dǎo)模式，并可用于實現(xiàn)大的近場以及因此小的遠(yuǎn)場。不幸地，這些波導(dǎo)呈現(xiàn)與來自具有p摻雜的材料的模式的重疊的高的自由載流子吸收有關(guān)的高的光學(xué)損耗。所以，在基于InP的材料系統(tǒng)中，這些激光器典型地顯示低的效率。
另一個已知的解決方案使用包含低折射率材料的對稱的大波導(dǎo)，正如在M.Maiorov等人的“High power InGaAsP/InP broad-waveguide single-mode ridge-waveguide lasers(高功率InGaAsP/InP寬波導(dǎo)單模脊形波導(dǎo)激光器)”，Optical FiberCommunication Conferennce and Exhibit，2001.OFC 2001，V.3，2001，pp.WC2-1-3 vol.3中描述的。這些是具有遠(yuǎn)大于材料波長的尺寸的非摻雜波導(dǎo)；它們再次松馳地引導(dǎo)模式，因此可用于實現(xiàn)大的近場以及因此小的遠(yuǎn)場。雖然在未摻雜的波導(dǎo)中的光學(xué)損耗低，但這些波導(dǎo)由于以下原因而不是非常適合的-低折射率材料的控制是困難的；-由于大的無摻雜的區(qū)域，所以出現(xiàn)附加的不想要的電壓降；-對于應(yīng)當(dāng)運(yùn)行在橫向單模式操作的激光器，需要刻蝕到波導(dǎo)上以得到足夠強(qiáng)的橫向引導(dǎo)。這引起制造問題(因為例如在帶形波導(dǎo)激光器中蝕刻深度的控制是困難的)和可靠性問題(由于在激光器的蝕刻面上載流子的更高的聚集)。
另一個解決方案是使用附加波導(dǎo)的非對稱波導(dǎo)，正如在轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的B.Reid等人的美國專利申請10/141914中所示。這些設(shè)備具有被最有利地放置在能夠減小光損耗的激光器結(jié)構(gòu)的n部分中的附加波導(dǎo)。附加波導(dǎo)在對于模式有稍微的擾動時工作，所以被限于減小的厚度和離工作波導(dǎo)的距離，禁止到達(dá)非常低的遠(yuǎn)場角度。對于附加波導(dǎo)的延長的尺寸和距離，這樣的結(jié)構(gòu)易發(fā)生不穩(wěn)定，特別是當(dāng)例如由于加熱或載流子密度改變而引起折射率改變時，造成性能的惡化。
再一個解決方案試驗數(shù)字合金和小的電子超晶格。這個思想在于，低的平均的折射率可以通過在半導(dǎo)體材料上交替具有載流子(電子)的德布羅意波長的量級的厚度的層(最經(jīng)常是二元或三元合金)以導(dǎo)致小的電子超晶格而得到。這也可以通過以極精密的尺度交替層而得到，厚度處于單層的范圍，即通過制作如在A.Ginty等人的“Longwavelength quantum well lasers with InGaAs/InP superlatticeoptical confinement and barrier layers(具有InGaAs/InP超晶格光學(xué)限制和阻擋層的長波長量子阱激光器)”，Electronics Letters，V.29，No.8，15 April 1993，pp.684-685中描述的數(shù)字合金。兩種方法用來產(chǎn)生平均電子特性，即平均帶隙能量。另外，第一種方法典型地被實現(xiàn)為提供用于載流子的附加能隙的諧振結(jié)構(gòu)，正如在R.V.Chelakara等人的“Enhancement of potential barrier heightby superlattice barriers in the InGaAsP/InP materialssystem(在InGaAsP/InP材料系統(tǒng)中通過超晶格阻擋層增強(qiáng)潛在的阻擋高度)”，Electronics Letters，V.31，No.4，16 February 1995，pp.321-323中所顯示的。然而，這兩種方法中沒有一種適合于光學(xué)引導(dǎo)所需要的大得多的尺寸。這是由于與這種技術(shù)有關(guān)的大量的接口，接口潛在地導(dǎo)致減小的電子遷移率和畸變的形態(tài)。另外，達(dá)到想要的生長是困難的，因為需要精確控制層的厚度來得到需要的平均折射率。
得到大的垂直遠(yuǎn)場的另一個解決方案是光點大小變換器，正如在M.Wada等人的“Fabrication and coupling-to-fibrecharacteristics of laser diodes integrated with a spot-sizeconverter having a lateral taper(與具有橫向錐體的光點大小變換器集成在一起的激光二極管的制造和耦合到光纖的特性)”，IEEProceedings in Optoelectronics，V.144，No.2，April 1997，pp.104-108中公開的。這個解決方案使用在具有附加波導(dǎo)的非對稱結(jié)構(gòu)中與垂直模式的引導(dǎo)有關(guān)的非穩(wěn)定性的效應(yīng)來抑制趨向基片的所引導(dǎo)模式到工作波導(dǎo)下面的大的附加波導(dǎo)中。這必須絕熱地完成并需要附加處理過程或生長步驟。另外，作為激光二極管的一部分的光點大小變換器是無源的，從而使得這樣的器件對于用作高功率激光二極管是不太有效率的。
再一個解決方案在于提供反諧振反射光波導(dǎo)(ARROW)。這樣的解決方案在M.Galarza等人的“Mode-expanded 1.55-/spl mu/mInP-InGaAsP Fabry-Perot lasers using ARROW waveguides forefficient fiber coupling(使用用于有效的光纖耦合的模式擴(kuò)展的1.55-/spl mu/m InP-InGaAsP Fabry-Perot激光器)”，IEEE Journalon Selected Topics in Quantum Electronics，V.8，No.6，November/December 2002，pp.1389-1398和A.M.Kubica的“Designof antiresonant reflecting optical waveguides with anarbitrary refractive index profile core layer(具有任意折射率分布核心層的反諧振反射光波導(dǎo)的設(shè)計)”，the Lasers andElectro-Optics Society Annual Meeting 1994，LEOS ’94Conference Proceedings.IEEE，V.2，31 October-3November 1994，pp.63-64中進(jìn)行了描述。這樣的垂直ARROW結(jié)構(gòu)用玻璃以及半導(dǎo)體材料來實現(xiàn)。在這些結(jié)構(gòu)中，相關(guān)的層需要具有特定的尺寸，以使得模式呈現(xiàn)諧振。這些需要的尺寸限制設(shè)計的可能性并使得ARROW結(jié)構(gòu)對于許多實際的用途是無用的。另外，ARROW結(jié)構(gòu)實際上只顯示有限的性能，主要是由于對于整個工作方式需要得到諧振條件，而增強(qiáng)的即“引導(dǎo)的”模式基本上是有損耗的模式。
通常，激光器的“高斜率(high slope)效率”，即高的輻射輸出對電流輸入，顯然需要低的內(nèi)部損耗，以在由于受熱引起的熱效應(yīng)造成輸出功率開始惡化之前達(dá)到高的輸出功率。另一方面，有效的散熱需要大的芯片尺寸，由于較少的光可從腔體出射，所以這不幸地減小了斜率效率。因此，激光器的內(nèi)部損耗和如何使得該損耗最小化不但在如今的激光器設(shè)計中起著主要的作用，而且實際上限制可達(dá)到的功率輸出。知道這一點，最有效地使用激光器的輸出和避免任何不必要的損耗變得更為重要。這里，按照本發(fā)明的激光器通過提供減小的垂直遠(yuǎn)場來大大地提高在激光器與光纖之間的耦合效率，以及所以代表在激光器設(shè)計方面的重要步驟。
因此，本發(fā)明的主要和首要的目的是提供一種對于以上進(jìn)一步提出的問題的解決方案并克服所描述的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計方案的缺點和局限性。這是通過設(shè)計其制造是容易的并提供高產(chǎn)量的簡單而可靠的高功率激光器結(jié)構(gòu)而達(dá)到的。這樣的激光器對于在光纖通信系統(tǒng)中的泵浦激光器(例如高功率EDFA和拉曼泵浦激光器設(shè)計)是特別有用的，它必須提供穩(wěn)定的輸出，以及同時必須顯示前沿性能。
發(fā)明簡述按照本發(fā)明的新穎的高功率激光器結(jié)構(gòu)具有包括增益區(qū)和波導(dǎo)的連續(xù)的工作區(qū)以及在覆蓋層中的光學(xué)波導(dǎo)，它的垂直部分包含或包括光學(xué)超晶格，由此超晶格本身包含或包括具有交替的折射率的層的排列。這能夠?qū)崿F(xiàn)低的垂直遠(yuǎn)場和減小的光學(xué)損耗，正如對于高功率運(yùn)行所需要的，例如作為用于拉曼放大器的泵浦源。大的光學(xué)超晶格(LOSL)被設(shè)計成通過弱垂直引導(dǎo)光學(xué)模式以導(dǎo)致變寬的近場模式而產(chǎn)生想要的低的垂直遠(yuǎn)場。這是由從大的光學(xué)超晶格(LOSL)的各個層中得到的低平均折射率造成的。
在激光器結(jié)構(gòu)中LOSL的提供克服了與具有低折射率(即接近覆蓋層的數(shù)值)的材料的生長有關(guān)的問題。對于四元合金，例如對于在材料系統(tǒng)InP/InGaAsP中具有大大地小于1100nm的光致發(fā)光波長的四元合金來說情形尤其是這樣的。在這種波長區(qū)域中，眾所周知難以實現(xiàn)組成成分的良好控制。利用本發(fā)明，LOSL的各個層由其組成成分容易控制的材料組成，并且這些層具有光的材料波長的尺寸或更小的尺寸，即真空中的波長除以材料的折射率。所以，進(jìn)行光學(xué)特性的平均，而電子特性仍舊是各個層的電子特性。改變各個層的厚度允許容易地調(diào)節(jié)LOSL的平均折射率。它也允許通過有意的厚度變化進(jìn)行引導(dǎo)的零階和更高階模式的分布成形。
使用這種技術(shù)允許相對較簡單地制作具有恒定的或線性梯度的(G-LOSL)或任意成形(S-LOSL)的折射率分布的大的光學(xué)波導(dǎo)。LOSL對于支持模式的非對稱引導(dǎo)的結(jié)構(gòu)是特別有利的，即其中模式主要在激光器結(jié)構(gòu)的n摻雜的部分中被引導(dǎo)以減小自由載流子的吸收。這可以通過非對稱大的光學(xué)超晶格(A-LOSL)來實現(xiàn)。
按照本發(fā)明的LOSL也可以與光柵(例如布拉格光柵)相組合，供在分布反饋激光器(DFB)中使用。
附圖簡述下面參考附圖描述本發(fā)明的功能和優(yōu)選實施例。附圖被提供以用于說明的目的，并且不一定是按比例的。
圖1顯示按照本發(fā)明包括超晶格的具有各個層的的半導(dǎo)體激光二極管的示意性橫截面；圖2顯示按照現(xiàn)有技術(shù)具有低折射率材料的大的非對稱波導(dǎo)的折射率分布；圖3顯示按照本發(fā)明在此具有非對稱大的光學(xué)超晶格(LOSL)的波導(dǎo)的第一折射率分布；圖4顯示按照本發(fā)明在此具有線性梯度的大的光學(xué)超晶格(G-LOSL)的波導(dǎo)的第二折射率分布；以及圖5顯示按照本發(fā)明在此具有非對稱成形的大的光學(xué)超晶格(S-LOSL)的波導(dǎo)的第三折射率分布。
實施例詳述圖1顯示按照本發(fā)明的半導(dǎo)體激光二極管的基本布局，即基本部件的截面，連同在右面的相關(guān)折射率的分布。從圖1所示結(jié)構(gòu)的底部開始，n+InP層代表用于激光器結(jié)構(gòu)的外延生長的InP基片，后面是nInP層，二者都是從現(xiàn)有技術(shù)中已知的。在這個較低的覆蓋層上放置光學(xué)超晶格，后面是具有增益區(qū)和波導(dǎo)的激光器的工作區(qū)。優(yōu)選地，光學(xué)超晶格接近于具有低折射率以及因此是高帶隙的材料的工作區(qū)而終結(jié)。最優(yōu)選地，具有低折射率的材料由InP組成。在工作區(qū)的頂部放置另一個覆蓋層，這里是pInP，其形成激光器脊形波導(dǎo)，在脊形的上面具有窄的p+InGaAs層。整個結(jié)構(gòu)在頂部載有金屬化。
因此，新穎的激光器設(shè)計引入被嵌入在p摻雜和n摻雜的覆蓋層中的工作波導(dǎo)。本發(fā)明的焦點是位于覆蓋層之一的大的光學(xué)超晶格(LOSL)。雖然圖1的LOSL被顯示在n_InP覆蓋層內(nèi)，但它也可以形成覆蓋層的“末端”，其位于p_InP層與工作區(qū)之間，即在工作區(qū)的頂部，或在工作區(qū)的兩側(cè)。
然而，似乎最有利的是LOSL被非對稱地安排為朝向該結(jié)構(gòu)的n側(cè)的非對稱的大的光學(xué)超晶格(A-LOSL)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)在光學(xué)損耗低的結(jié)構(gòu)的n摻雜的層中占優(yōu)勢的模式引導(dǎo)。
圖1的圖中在激光器的右面顯示沿激光器的截面(即垂直于激光器的縱向延伸)的折射率的分布，較高的折射率被描繪為更靠近左面的數(shù)值。圖1的圖的取向被選擇為激光器的給定的取向。因此，較高的折射率值向左延伸，這由箭頭“折射率”表示。折射率越低，半導(dǎo)體材料的帶隙的能量越高；這由在圖的頂部標(biāo)記為“能量”的箭頭表示。
正如圖1的折射率圖所表示的，大的光學(xué)超晶格(LOSL)具有提供在激光器的垂直延伸部分中的折射率的交替分布的結(jié)構(gòu)。這是本發(fā)明的核心創(chuàng)新性概念的一個可能的實施方案，在它的變化和調(diào)節(jié)方面引起優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的上述的優(yōu)點。
從這個一般原理出發(fā)，即提供在激光器的工作層附近的大的光學(xué)超晶格(LOSL)，現(xiàn)在參考其余的附圖討論可能的變化。
圖2顯示(類似于圖1的圖，但現(xiàn)在是水平取向)在現(xiàn)有技術(shù)中使用的激光二極管上的折射率的分布。在(未示出的)基片上的n覆蓋層(顯示在右面)后面是具有低折射率的大的非對稱波導(dǎo)。后者的上面是工作區(qū)和量子阱(QW)，后面是另一個覆蓋層，通常是p覆蓋層。
如上所討論的，本發(fā)明用以特定的方式構(gòu)建的至少一個非均勻波導(dǎo)(即作為具有規(guī)定的總折射率的大的光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)(LOSL))代替按照現(xiàn)有技術(shù)的基本上均勻的波導(dǎo)。
簡言之，這個LOSL在垂直方向上非常弱地引導(dǎo)模式，因此能夠?qū)崿F(xiàn)在近場中模式的大的擴(kuò)展，這又導(dǎo)致壓縮的垂直遠(yuǎn)場。
按照本發(fā)明的LOSL優(yōu)選地是多層結(jié)構(gòu)。它可以被摻雜以避免與在各個層之間的界面處載流子輸送有關(guān)的問題。每個單獨(dú)的層的厚度被設(shè)計成導(dǎo)致非常低的平均折射率--優(yōu)選地接近于覆蓋層的折射率。LOSL因此代替均勻的低折射率的材料，該材料難以生長，特別是對于幾微米量級的想要的大的厚度。
LOSL的各個層的厚度被選擇為使得引導(dǎo)模式(即近場模式)“看見”LOSL層的光學(xué)特性的平均值，即折射率的平均值。然而，電子特性仍舊保持各個層的特性。
LOSL層的典型的厚度是從20nm到500nm的范圍。下限由導(dǎo)致象載流子的諧振反射的不想要的效應(yīng)的量子效應(yīng)的開始給出。這相應(yīng)于大于材料的德布羅意波長的較低的厚度極限，該德布羅意波長可以小于或約為20nm。上限值由在材料中光的波長確定，其中由近場模式看見的各個層的光學(xué)特性的平滑開始是不完全的。
圖3顯示用于LOSL的恒定的“平均的”設(shè)計的折射率。折射率與厚度對于各種交替的LOSL層的每個是相同的，從而導(dǎo)致對于整個LOSL結(jié)構(gòu)的恒定的平均折射率。
除了上面圖3所描述的由LOSL實現(xiàn)的折射率的或多或少的均勻的平均值以外，也有可能特別地成形對于零階和更高階模式的近場模式分布。
圖4顯示實施這樣的LOSL的一個可能性。使用具有對于每層同一個折射率但具有不同厚度的LOSL結(jié)構(gòu)，特別是選擇對于從工作區(qū)向相鄰的覆蓋層降低的一個層的厚度，導(dǎo)致線性梯度光學(xué)超晶格，即G-LOSL。這樣的G-LOSL呈現(xiàn)從波導(dǎo)向覆蓋層可以說逐漸終結(jié)的折射率分布。
圖5顯示另一個成形的折射率分布，它也能夠鑒別在潛在的多模垂直波導(dǎo)中較高階的模式。使用具有對于每層同一個折射率但在LOSL的中心具有厚度最大值的LOSL結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致成形的光學(xué)超晶格，即S-LOSL。
對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，垂直模式的鑒別可以通過選擇和修正沿波導(dǎo)的垂直方向的摻雜水平連同LOSL層的恒定的或修正的厚度而被進(jìn)一步增強(qiáng)。通常將選擇把高摻雜水平置于在垂直LOSL波導(dǎo)中的那些較高階模式的強(qiáng)度高以及其中零階模式的強(qiáng)度低的點。
較高階模式顯示強(qiáng)度的多極值，而零階模式只顯示單個最大值。因此，放置用于模式鑒別的高摻雜級的最適當(dāng)?shù)奈恢檬悄切┹^高階模式的強(qiáng)度高以及同時較高階模式與零階模式的重疊是最小的那些位置。在這種情形下，較高階模式由于附加損耗受到有效的衰減，而不犧牲對于零階模式的低內(nèi)部損耗。
現(xiàn)在，實現(xiàn)本發(fā)明的最優(yōu)選的方法為如下。
在基于InP的混合物中LOSL概念是利用激光器的工作區(qū)的先驗的知識實現(xiàn)的。這確定激光器的發(fā)射波長和器件的基模的想要的有效的折射率的一級近似。
然后選擇用于LOSL的一對材料，所述材料可以以與制作激光器的工作結(jié)構(gòu)時相同的生長方式進(jìn)行生長。最好的選擇在于得到一種具有小于上述的第一折射率近似的折射率的材料和另一種具有大于所述第一近似的折射率的材料。
然而，除了純光學(xué)考慮之外的考慮可以限制選擇的可能性。必須考慮材料的外延生長的可行性。最好的選擇在于取兩種材料，其晶格參數(shù)嚴(yán)格等于在其上通過使用已知的一種技術(shù)來外延生長所有層的半導(dǎo)體基片的晶格參數(shù)。顯然，對于LOSL選擇的這兩種材料沒有一種應(yīng)當(dāng)占有小于組成激光束的光子的能量的帶隙能量。這兩種LOSL材料的電和熱的特性必須與對于在高功率激光二極管中使用的材料所預(yù)期的通常的特性相兼容。特別是，這兩種材料中的n摻雜水平應(yīng)當(dāng)接近等于激光器結(jié)構(gòu)的覆蓋層的水平。
對于具有1400nm到1550nm發(fā)射波長的激光器，最合適的材料是在所謂的“InP晶格匹配的”InGaAsP四元合金當(dāng)中，其在室溫下具有在940nm與1300nm之間的發(fā)射波長，并且n型摻雜在1×1017cm-3與5×1018cm-3之間。
對于具有1200nm到1300nm波長的激光器，材料的最好的選擇是在所謂的“InP晶格匹配的”InGaAsP四元合金當(dāng)中，其在室溫下具有在940nm與1100nm之間的發(fā)射波長，并且n型摻雜再次在1×1017cm-3與5×1018cm-3之間。
理想地，這兩種材料之一是InP本身，因為它在串聯(lián)電阻、載流子限制特性和良好的熱傳導(dǎo)性方面有卓越的質(zhì)量。
LOSL的選擇的總厚度是基于想要的特定的設(shè)計點。對于具有1400nm到1550nm波長的激光器，LOSL的總厚度優(yōu)選地是處在1000nm與7000nm之間的范圍。
在兩個LOSL之間的交替的選擇的總數(shù)取決于由生長系統(tǒng)對于在具有多個交界面的外延層的晶體質(zhì)量施加的限制。在至今描述的實施例中，可以使用在4與20之間的這樣的交替。
LOSL的折射率分布的選擇取決于想要的制造過程的復(fù)雜性。恒定的分布具有實現(xiàn)簡單的優(yōu)點，但梯度分布，特別是如上所述的線性或拋物線分布導(dǎo)致更好的激光器。通過使用梯度分布，局部平均的折射率在靠近激光二極管的工作區(qū)應(yīng)當(dāng)較高，而在LOSL的相反的一端，即離激光腔更遠(yuǎn)的一端應(yīng)當(dāng)較低。
本領(lǐng)域技術(shù)人員在根據(jù)激光二極管的想要的功能確定最好的選擇方面應(yīng)當(dāng)沒有問題。具有可變厚度的兩種材料的交替層的最終得到的序列可以通過使用應(yīng)用到給定材料的折射率數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)算法而進(jìn)行計算。必須注意保持較低的帶隙材料的每個單個厚度大于在發(fā)生橫向電子運(yùn)動的量子化的情形下的典型厚度，即大于德布羅意波長，其典型地可以是20nm或更小。還應(yīng)當(dāng)注意選擇LOSL層的厚度小于典型地一個光學(xué)波長，即小于大約500nm。
對于一對不同材料的相鄰層，局部稀釋因子被規(guī)定為較低的帶隙材料的厚度除以兩層的厚度的和。為了高的激光器效率和為了達(dá)到低的垂直光束發(fā)散和/或低的內(nèi)部損耗水平，稀釋因子應(yīng)當(dāng)在5％與30％之間。
對于按照圖3的LOSL，選擇以下的材料和尺寸。
較低折射率的材料是具有430nm厚度的InP的層。較高折射率的材料是具有按照Q1.10的波長的組成成分和70nm的厚度的InGsAsP?？偣?0個交替的層導(dǎo)致5000nm的LSOL的總厚度。所有的層將是以5×1017cm- 3的n摻雜的。
對于LOSL的功能，在InP基片與LOSL之間的n摻雜的InP層是非關(guān)鍵的，并且可被選擇為約1.5μm以及被摻雜至約5×1017cm-3。
具有被嵌入在薄的波導(dǎo)區(qū)域中的多量子阱的工作區(qū)、p摻雜的上部覆蓋層和InGaAs接觸層完成該結(jié)構(gòu)。這在現(xiàn)有技術(shù)中基本上是已知的。
例如通過把脊形波導(dǎo)實現(xiàn)為p摻雜的覆蓋層而實現(xiàn)這樣的激光器以作為橫向單模激光二極管，在p覆蓋中在想要的位置處將有利地使用InGaAsP的薄的蝕刻停止層。
利用被實現(xiàn)為脊形波導(dǎo)激光二極管的激光器結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到以超過1W在20℃連續(xù)波運(yùn)行。橫向和垂直的遠(yuǎn)場圖案分別相當(dāng)于7°和13.8°的半峰全寬(FWHM)。在對于所有驅(qū)動電流的橫向和垂直方向上發(fā)射是單模。這是比起現(xiàn)有技術(shù)方法的重大的改進(jìn)，該現(xiàn)有技術(shù)方法導(dǎo)致約400-700mW的功率電平，垂直遠(yuǎn)場大至25°FWHM，或甚至40°。由于低的內(nèi)部損耗，利用按照本發(fā)明的激光器得到對于3.6mm長的激光器器件超過0.45W/A的斜度效率。利用這樣的腔體長度的現(xiàn)有技術(shù)器件，達(dá)到僅僅約0.27到0.35W/A的效率。
原則上，上述的各種實施例的任一個看起來類似于或甚至等同于圖1所示的示意性結(jié)構(gòu)，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)沒有問題地確定和改變技術(shù)細(xì)節(jié)，特別是空間排列。正如清楚地描述的，本發(fā)明的重要的方面是與現(xiàn)有技術(shù)相異的各種尺寸的不同尋常的選擇。這些不同尋常的尺寸提供本發(fā)明的想要的改進(jìn)的功能。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生給定波長的激光束的高功率半導(dǎo)體激光器，所述激光器包括-包括增益區(qū)和波導(dǎo)的工作區(qū)，-一個或多個覆蓋層，其特征在于-在所述覆蓋層之一中的大的光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)(LOSL)，所述超晶格結(jié)構(gòu)是或包括至少兩個超晶格層，所述超晶格層在它們的相應(yīng)折射率方面是不同的，每個所述層具有大于在所述工作區(qū)中電子的德布羅意波長的厚度。
2.按照權(quán)利要求1的激光器，其中-每個所述超晶格層具有至少20nm的厚度，優(yōu)選地在20nm與500nm之間。
3.按照權(quán)利要求1或2的激光器，其中-超晶格結(jié)構(gòu)包括至少兩個交替地層疊的超晶格層，它們整體地產(chǎn)生所述超晶格結(jié)構(gòu)的預(yù)定的總折射率。
4.按照權(quán)利要求1的激光器，其中-不同的折射率是通過不同的材料組成成分和/或不同的摻雜水平和/或超晶格層的不同的尺寸而實現(xiàn)的。
5.按照權(quán)利要求4的激光器，其中-不同的折射率是通過超晶格層的不同厚度而實現(xiàn)的。
6.按照權(quán)利要求4的激光器，其中-至少兩個超晶格層具有基本上相同的厚度。
7.按照權(quán)利要求4的激光器，其中-相同折射率的至少兩個超晶格層具有基本上相同的厚度。
8.按照權(quán)利要求4的激光器，其中-超晶格層的厚度基本上是均勻的。
9.按照任一前述權(quán)利要求的激光器，其中-設(shè)置有具有折射率之一的多個超晶格層，以及-所述超晶格層在它們的厚度上是變化的。
10.按照權(quán)利要求9的激光器，其中-超晶格層在它們的厚度上是變化的，從接近于工作區(qū)的最大厚度垂直地減小。
11.按照權(quán)利要求9的激光器，其中-超晶格層在它們的厚度上是變化的，從接近于工作區(qū)的最小厚度垂直地增加。
12.按照權(quán)利要求9的激光器，其中-超晶格層在它們的厚度上垂直地變化，具有接近于工作區(qū)的最小厚度，接著是位于中心的最大厚度，以及遠(yuǎn)離所述工作區(qū)的最小厚度。
13.按照權(quán)利要求9的激光器，其中-超晶格層在它們的厚度上垂直地變化，具有接近于工作區(qū)的最大厚度，接著是位于中心的最小厚度，以及遠(yuǎn)離所述工作區(qū)的最大厚度。
14.按照任一前述權(quán)利要求的激光器，其中-基于InP的混合物或InP被用于至少一個超晶格層。
15.按照任一前述權(quán)利要求的激光器，其中-至少兩個超晶格層呈現(xiàn)近似相同的摻雜水平，優(yōu)選地是n摻雜水平。
16.按照任一前述權(quán)利要求的激光器，其中-至少兩個超晶格層呈現(xiàn)不同的摻雜水平，優(yōu)選地是n摻雜水平，但所述兩個超晶格層的尺寸和/或材料是近似相同的。
17.按照任一前述權(quán)利要求的激光器，其中-至少一個超晶格層呈現(xiàn)變化的摻雜水平，優(yōu)選地是n摻雜水平，即在具有所述激光器的較高階模式的高強(qiáng)度和具有較高階模式與零階模式的低的重疊的位置處高的摻雜水平。
18.按照任一前述權(quán)利要求的激光器，其中-兩個超晶格層的尺寸和/或材料是近似相同的。
19.按照任一前述權(quán)利要求的激光器，其中-對于具有約1400nm到1550nm波長的激光器，超晶格層從以下材料進(jìn)行選擇-具有在940nm與1300nm之間的發(fā)射波長的InGaAsP四元合金以及-n型摻雜在約1×1017cm-3與5×1018cm-3之間。
20.按照任一前述權(quán)利要求的激光器，其中-對于具有約1200nm到1300nm波長的激光器，超晶格層從以下材料進(jìn)行選擇-具有在940nm與1100nm之間的發(fā)射波長的InGaAsP四元合金，以及-n型摻雜在約1×1017cm-3與5×1018cm-3之間。
21.按照任一前述權(quán)利要求的激光器，其中-超晶格層之一呈現(xiàn)與覆蓋層之一至少近似相同幅度的折射率。
22.按照任一前述權(quán)利要求的激光器，其中-超晶格層之一呈現(xiàn)至少近似等于相鄰的覆蓋層的晶格參數(shù)的晶格參數(shù)。
23.按照任一前述權(quán)利要求的激光器，其中-與工作區(qū)相鄰的超晶格層呈現(xiàn)至少兩個折射率的較低的折射率。
24.按照任一前述權(quán)利要求的激光器，其中-與工作區(qū)相鄰的超晶格層呈現(xiàn)與覆蓋層之一相同幅度的折射率。
25.按照任一前述權(quán)利要求的激光器，其中-超晶格層之一由與覆蓋層之一相同的材料組成，所述材料優(yōu)選地是InP。
26.按照任一前述權(quán)利要求的激光器，其中-超晶格層的n摻雜水平至少近似等于相鄰的覆蓋層的n摻雜水平。
27.按照任一前述權(quán)利要求的激光器，其中-大的光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)包括具有至少兩個不同折射率的4與20之間的超晶格層。
28.按照任一前述權(quán)利要求的激光器，其中-對于以在約1400nm與1550nm之間的波長發(fā)射的激光器，光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)的總厚度在1000nm與7000nm之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及在光－電子裝置中通常使用的那種高功率半導(dǎo)體二極管激光器，其主要作為所謂的泵浦激光器，以用于光通信領(lǐng)域中的光纖放大器，例如用于摻鉺光纖放大器(EDFA)或拉曼放大器。這樣的激光器具有單個腔體以及工作在單橫向模式，它通過把多層大的光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)(LOSL)設(shè)置在至少一個提供的覆蓋層中而被改進(jìn)。這個LOSL提供出射光束的很大改進(jìn)的形狀，從而允許將高功率有效地耦合到光－電子網(wǎng)絡(luò)的光纖。
文檔編號H01S5/00GK1778024SQ200480010483
公開日2006年5月24日 申請日期2004年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月19日
發(fā)明者N·利希滕斯泰因, A·C·費(fèi)利, B·里德 申請人:布克哈姆技術(shù)公共有限公司