專利名稱：：包括帶有填充了吸收材料的槽的波導(dǎo)的半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器，更具體地說是涉及以基本上單縱模發(fā)射進(jìn)行工作的激光器。
背景技術(shù)：
：通過在沿著一個器件的長度方向的預(yù)定位置上引入擾動而實(shí)現(xiàn)單模發(fā)射的方案是已知的，見EP1214763(都柏林三一學(xué)院)，該文件的內(nèi)容在此^C引用。在愛爾蘭專利第S82521(Cork的愛爾蘭國立大學(xué))和第S83622(宜彼萊那光子學(xué)有限公司)中也公布了所謂的"帶槽激光器"，該激光器借助沿著激光器腔蝕刻出的槽特征所產(chǎn)生的光學(xué)反饋而實(shí)現(xiàn)了單縱模發(fā)射；這兩個文件在此也被引用。一般地說，擾動可以由任何這樣的折射率改變手段實(shí)現(xiàn)，即，該手段對波導(dǎo)的折射率分布作適當(dāng)程度的改變以控制光學(xué)反饋，從而控制該器件的光鐠內(nèi)容。在此所用的術(shù)語"槽長度"(如在現(xiàn)有技術(shù)附圖l中表示為I^。t的)表示的是器件材料上的縱向槽面之間的距離，即"槽長度"是沿著光傳播方向d測量的。圖1和2顯示了具有單矩形槽6的典型現(xiàn)有技術(shù)帶槽激光器l。通常，這樣的器件包括被一個上包層4所覆蓋的波導(dǎo)層2(例如多量子井結(jié)構(gòu))。主光學(xué)反饋裝置由在器件的兩端的切開的小面8提供。這些小面之間的距離和沿著腔的有效折射率，決定了法-布模的波長。上包層4形成了具有一個蓋層5的脊3。這種已知器件的槽特征，是通過在脊波導(dǎo)3上蝕刻出矩形槽6，從而產(chǎn)生與器件內(nèi)的光傳播方向d相垂直的兩個縱向界面7，而形成的。帶槽激光器實(shí)現(xiàn)它們的單模性能的機(jī)制在以前已經(jīng)得到了描述(愛爾蘭專利第S83622，該文件在此也被引用)。雖然以下對本申請所進(jìn)行的以下描述主要涉及其中擾動由沿著器件蝕刻出的槽來確定的情況，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的教導(dǎo)對于其他形式的適當(dāng)擾動也同樣是適用的。本發(fā)明考慮了在這些器件中發(fā)生的散射和反射。如以下所更詳細(xì)討論的，本發(fā)明人認(rèn)識到，現(xiàn)有技術(shù)中的激光器件的散射和反射過程是進(jìn)行相消干涉的
發(fā)明內(nèi)容需要一種激光器件，其中散射和反射過程進(jìn)行相長干涉。根據(jù)本發(fā)明的一種系統(tǒng)滿足了這種和其他需要，該系統(tǒng)提供了一種激光器；才艮據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，該激光器包括一個激光腔；該激光器進(jìn)一步包括具有一個界面的一個槽，其特征在于該槽大體充滿了一種反射材料，該反射材料相對于激光腔材料具有一個大的折射率虛部。因而，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種激光器及其一些有利的修正實(shí)施例。以下結(jié)合附圖來描述本發(fā)明。圖l和2顯示了典型的具有單矩形槽的現(xiàn)有技術(shù)帶槽激光器；圖3顯示了在未涂覆的法-布激光二極管中的一種示例性駐波；圖4和5顯示了一種激光二極管，其包含一個單一的帶角度的槽特征；圖6顯示了如圖4和5所示的類型的激光器中的入射和反射電場；圖7顯示了計算出的從一個第一區(qū)"區(qū)域A"向一個第二區(qū)"區(qū)域B"行進(jìn)的電場的分布；圖8顯示了由圖7所示的從"區(qū)域A"行進(jìn)至"區(qū)域B"和從"區(qū)域B"行進(jìn)至"區(qū)域A"的電場分布產(chǎn)生的反射電場分布；圖9顯示了反射的分布；圖10是包含一或多個蝕刻出的槽特征的一個器件的場，這些槽特征的位置是這樣的，即相鄰的突變界面之間的距離由d=n入/(4neff)給出，其中n-2，4，6……；圖ll顯示了包含二十個帶角度的槽特征的一個未涂覆器件的計算出的腔損耗譜；圖12顯示了包含二十個帶角度的槽特征的一個未涂覆器件的計算出的腔損耗鐠；圖13顯示了當(dāng)散射和反射的效果都得到考慮時腔損耗鐠受到的影響；圖14顯示了激光腔中兩個漸細(xì)的槽；圖15顯示了，該駐波表示的模式的腔損耗由于該漸細(xì)槽的存在而被大大地增大；圖16表示一個腔，該腔包含填充有金屬的一個漸細(xì)槽；圖17顯示，在其中一個帶角度的槽的突變界面與電場的一個節(jié)點(diǎn)相重合的情況下，在波長人處的腔損耗是最低的。圖18顯示了包含二十個填充有金屬的槽特征的一個未涂覆器件的計算出的腔損耗譜；圖19和20顯示了一個四分之一材料波長階梯；圖21顯示了在其中散射和反射過程彼此相消作用的器件中槽的間隔；圖22顯示了帶角度的槽特征的一種設(shè)置，它消除了腔損耗譜在有用的波長區(qū)中的影響。具體實(shí)施例方式圖3顯示了在一個無涂覆法-布激光二極管中的駐波圖案，該激光二極管不包含任何槽特征。由于半導(dǎo)體材料的折射率的實(shí)部大于腔周圍的空氣的折射率的實(shí)部，在小面處的>^射不產(chǎn)生相移。這種情況的一個結(jié)果是，當(dāng)在該小面處有電場的一個反節(jié)點(diǎn)時，入射到該小面上的光與反射光之間有相長干涉。這進(jìn)一步意味著在該腔中的駐波分布分布在各個小面處有一個反節(jié)點(diǎn)。圖4和5顯示了包含一個單個的帶角度的槽特征激光二極管(如愛爾蘭專利第S83622中所述的)，其中腔被填充有Si02。應(yīng)該注意的是，限定這些特征的界面之一與光傳播方向相垂直，而另一個界面與該方向成一個角度。在包含若干個這些特征的一個器件中，正是垂直或"突變"界面影響著各個縱模的腔損耗。傾斜的界面對腔損耗譜的形狀沒有顯著影響。由于Si02的折射率是1.5，槽特征下方的橫模被改變了，這使得該區(qū)域中的引導(dǎo)模的有效折射率被降低了。然而，應(yīng)該注意的是，有效折射率方法低估了這些特征的反射率。為了適當(dāng)?shù)赜嬎氵@些特征的^^射率，可采用諸如時域有限差分法的更為適當(dāng)?shù)姆椒?。例如，對于具有表l所示的層結(jié)構(gòu)的的激光二極管，對蝕刻至1.54微米深度的一個槽特征，有效折射率法對槽特征的反射率低估了一個因子25。<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表l:一種激光二極管的一種示例性層結(jié)構(gòu)圖6顯示了計算出的從"區(qū)域A"向"區(qū)域B"刊進(jìn)的電場的圖案(圖7)，以及計算出的M射回到"區(qū)域A"的電場的圖案。該入射電場的峰值被歸一化為l,而反射電場的峰值是O.04。采用有效折射率法，反射回到"區(qū)域A"的電場的峰值是O.0016,M真實(shí)的值是一個很大的低估。槽特征在激光腔中的布置也得到了考慮。在突變界面，當(dāng)該界面處于電場中的一個反節(jié)點(diǎn)時，從該界面反射的給定模式的光與其自身發(fā)生相長干涉。這是由于駐波可以被分解成兩個行波。進(jìn)一步地，用時域有限差分法法可以顯示出，從"區(qū)域A"向"區(qū)域B"行進(jìn)的一個波的反射程度比從"區(qū)域B"向"區(qū)域A"行進(jìn)的一個波的反射程度大。圖8顯示了從"區(qū)域A"行進(jìn)至"區(qū)域B"和從"區(qū)域B"行進(jìn)至"區(qū)域A"的電場圖案所產(chǎn)生的及—射電場圖案。如圖8所示，M射回"區(qū)域A"的電場圖案的幅度為O.05。相比之下，反射至"區(qū)域B"的場的幅度只有O.00021,即比沿著相反方向被反射的場小190倍。為了清楚起見，在圖9中對這種脈沖作了單獨(dú)顯示。因而，我們只需要考慮回到"區(qū)域A"的反射。對于包含相鄰的突變界面的距離由下式給出的一或多個蝕刻出的槽特征的器件，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>則在帶角度的槽的突變界面與電場的一個反節(jié)點(diǎn)相重合的情況下(圖IO),有用的模式的腔損耗最低。一個節(jié)點(diǎn)是，在槽特征處產(chǎn)生的反射具有降低有用的一或多個模式的腔損耗的效果，而其他模式的腔損耗不受影響。參見圖11至13,反射和散射的效果得到了考慮。圖ll顯示了包含二十個帶角度的槽特征的一個無涂覆器件的計算出的腔損耗譜，其中只考慮了在突變界面處發(fā)生的反射，而沒有考慮在這些界面處發(fā)生的散射。在用于計算腔損耗譜的傳遞矩陣法中，可以獨(dú)立地計在沒有槽特征的情況下，波長區(qū)間1230nm至1390nm中的所有模式的腔損耗都將是大約36.5cnf1。這些特征被蝕刻至表l中的結(jié)構(gòu)中至1.15微米的深度。應(yīng)該理解的是，該深度只是示例性的，且可根據(jù)具體的配置和設(shè)置而選擇其他的深度。然而，如上所述，反射率只是可能改變一個器件的腔損耗譜的形狀的過程之一。其他的過程包括，例如，吸收和散射。反射可以由于與傳播方向垂直的復(fù)折射率分布圖案的縱向變化而發(fā)生。在一個脊波導(dǎo)激光器中，當(dāng)垂直于光傳播方向的復(fù)折射率分布圖案的形狀沿著器件的長度而變化時，會發(fā)生散射。當(dāng)被引導(dǎo)的模式與波導(dǎo)中折射率虛部大于零的材料發(fā)生作用時，會發(fā)生吸收。散射和吸收都會影響腔損耗分布圖案的形狀，只要它們是縱向位置的函數(shù)，其一個傅立葉分量具有一個空間頻率k，其大于2/入w其中入m是在該給定材料中的光波長。因此，除了引起反射之外，(如上所述的形式的)帶角度的槽的突變界面還在波導(dǎo)中引入了散射損耗。這是由于區(qū)域A和區(qū)域B中的折射率分布圖案的形狀(圖7)是不同的。另外，這種散射區(qū)有可能影響一個激光二極管器件的腔損耗譜，因?yàn)槠溲刂v向方向的范圍是光波長的一個小的分?jǐn)?shù)。這種散射區(qū)的準(zhǔn)確長度，取決于區(qū)域A和B之間的界面的實(shí)現(xiàn)精度，因而與制作過程的制造容差有關(guān)。圖12顯示了包含二十個帶角度的槽特征的一個無涂覆器件的計算出的腔損耗譜，其中只考慮了發(fā)生在突變界面處的散射。這些特征同樣是蝕刻到表l的結(jié)構(gòu)中至l.15微米的深度。這些嘲:射中心的效果，是提高了除有用的一或多個模式之外的所有模式的鏡面損耗?？梢宰⒁獾降氖牵坏亩鄶?shù)模式的腔損耗現(xiàn)在是43cm-1，而有用的模式的腔損耗保持在大約37cm—、帶角度的槽起到反射源和散射中心的雙重作用這一事實(shí)，具有一個不希望的后果。如上所述，為了使來自槽的反射能夠降低一個給定模式的腔損耗，突變界面的位置必須與電場的一個反節(jié)點(diǎn)相重合。然而，我們現(xiàn)在將要顯示，要使槽的突變界面優(yōu)化地起到散射中心的作用，該突變界面應(yīng)該與電場中的一個節(jié)點(diǎn)大體重合。圖13顯示了當(dāng)散射和反射的作用都被考慮時填充有介電材料的一個槽特征的腔損耗譜的效果。我們看到，在此情況下，由于散射和反射過程發(fā)生的腔損耗鐠的改變傾向于彼此抵消。有用的模式的腔損耗與必須被抑制的模式的腔損耗的差被減小了。參見圖14，其中顯示了具有兩個漸細(xì)槽的激光腔。兩個槽的突變界面都與電場中的節(jié)點(diǎn)重合。由該駐波代表的該模式的腔損耗幾乎不受該槽特征的影響，因?yàn)樵谶@些波導(dǎo)斷開處的電場是零。然而，圖15中的駐波代表的模式的腔損耗由于漸細(xì)槽的存在而大大地增加了。這是因?yàn)閿嚅_處的電場不再等于零，結(jié)果光被散射而脫離了模式。粗略一看，我們似乎陷入了一個困境，即，當(dāng)突變界面與電場中的反節(jié)點(diǎn)相重合時反射對腔損耗譜的效果被優(yōu)化了，而當(dāng)突變界面與電場中的節(jié)點(diǎn)相重合時散射對腔損耗譜的效果被優(yōu)化了。因而，散射和反射過程在它們對腔損耗譜的效果上彼此沖突。參見圖16，一個激光腔100包括一個漸細(xì)槽101。在此情況下，該漸細(xì)槽101填充了金屬。槽101也可被填充有金屬與諸如Si02的介電材料層的組合物。該介電層被提供在槽的邊緣與反射材料之間。在該情況下，首先被淀積的該Si02層必須非常薄，小于約60nm。用于填充槽101的金屬具有大的折射率虛部，且在有用的波長處具有高反射率。與前面相同地，利用時域有限差分法(FDTD)，可以顯示，從區(qū)域A向區(qū)域B行進(jìn)的一個波的反射程度大于從區(qū)域B向區(qū)域A行進(jìn)的一個波的反射程度。因而我們只需要考慮傳播回到區(qū)域A的反射。然而，在該槽中填充金屬從根本上改變了突變界面的反射性質(zhì)。這是由于現(xiàn)在光在從一個半導(dǎo)體-金屬界面反射的過程中經(jīng)歷了一個相移?，F(xiàn)在，當(dāng)突變界面處于電場中的一個節(jié)點(diǎn)時，在該突變界面，從該界面反射的一個給定模式的光與其自身發(fā)生相長干涉。這也是設(shè)置該槽以利用散射中心來對腔損耗譜進(jìn)行優(yōu)化改變的正確位置。在此設(shè)置下，反射和散射過程一起對改變腔損耗譜的形狀發(fā)生作用。對于包含一個以上的填充有金屬的蝕刻槽特征的器件，其中這些槽位于這樣的位置，即使得相鄰?fù)蛔兘缑嬷g的距離由下式給定d-n入/(4neff)，其中n-2，4，6……則在其中一個帶角度的槽的突變界面與電場的一個節(jié)點(diǎn)相重合的情況下，在波長入處的腔損耗是最低的(圖17)。圖18顯示了包含二十個帶角度的槽特征的一個無涂覆器件的一個計算出的腔損耗鐠，所述槽特征填充有金屬，其中考慮了由于突變界面而在腔內(nèi)引起的散射和反射的效果。該圖顯示出，散射和反射過程共同起作用來改變腔損耗譜。應(yīng)該注意的是，上述解釋對于包含正方形槽特征的器件和包含矩形槽特征的器件是同樣適用的，只要一個給定的槽中界面之間的間隔按照以下/〉式Lslot="/(4neff)其中"l，3，5……在具有包含只填充有諸如Si02的介電材料的槽特征的激光二極管的情況下，突變的槽界面的形狀可以被改變，以消除反射。在此情況下，只有散射過程會改變腔損耗譜的形狀。這是通過在突變界面(圖19和20)的大體中心處加入一個四分之一材料波長階梯而實(shí)現(xiàn)的。在此情況下，突變界面包括沿著激光腔縱向彼此間隔的兩個部分，從而在該兩個部分位于激光器的中心軸的兩側(cè)的位置，提供了一個大體四分之一波長的階梯。這種配置使得來自突變界面的這兩個部分的反射光彼此相移了90度，因而它們彼此相消干涉。雖然突變界面的這兩個部分現(xiàn)在引入了有用的一或多個模式以及其他的模式的損耗，它仍然K夠局部化的，因而能夠改變鏡損耗分布的形狀。改善帶有只包含Si02的槽特征的激光器的工作的另一種方法，是仔細(xì)地使這些槽彼此定位。這種方法也顯著地消除了反射對腔損耗"^普的影響。圖21顯示了一種器件中的槽間隔，在該器件中散射和反射的過程彼此抵消。圖22顯示了帶角度的槽特征的一種可能的設(shè)置，它基本上消除了有用的波長區(qū)中反射對腔損耗譜的影響。在圖21和22中，所有槽特征都被假定是在腔的中心點(diǎn)的右手側(cè)。當(dāng)然，還有很多其他的帶角度的槽特征配置，它們起著同樣的作用，因而也屬于本發(fā)明的范圍。本申請?zhí)峁┝藢共▽?dǎo)激光二極管的譜如何由于散射和反射過程而被脊波導(dǎo)中的蝕刻槽特征所改變的更好理解，并教導(dǎo)了如何利用這些過程的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)腔損耗鐠的性能改善。描述了利用這種新的理解的若干結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，上述的描述和例子只是為了說明目的的，且本申請的保護(hù)范圍不受這些例子的限制。本領(lǐng)域的^t術(shù)人員應(yīng)該理解的是，在此描述的結(jié)構(gòu)和槽配置可以用半導(dǎo)體制造領(lǐng)域特別是半導(dǎo)體激光器制造領(lǐng)域里的通用技術(shù)而方便地實(shí)現(xiàn)。權(quán)利要求1.一種激光器，它包括一個激光腔，所述激光器進(jìn)一步包括具有一個界面的一個槽，其特征在于所述槽填充有一種反射材料，所述反射材料相對于激光腔材料具有大的折射率虛部。2.根據(jù)權(quán)利要求1的激光器，其中所述反射材料是一種金屬。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的激光器，其中所述槽是漸細(xì)的槽。4.根據(jù)權(quán)利要求3的激光器，其中所述槽包括一個漸變界面和一個突變界面。5.根據(jù)權(quán)利要求4的激光器，其中設(shè)置了多個槽且所述突變界面之間的距離為d-n入/(4neff),其中入是激光器的工作波長且116是所述腔的有效折射率且n是一個正偶數(shù)。6.根據(jù)權(quán)利要求l的激光器，其中在所述槽的邊緣與所述反射材料之間設(shè)置有薄的二氧化硅介電層。7.根據(jù)權(quán)利要求1或2的激光器，其中所述槽是矩形槽。8.根據(jù)權(quán)利要求7的激光器，其中設(shè)置了多個槽且所述突變界面之間的距離為I^。t-nA/(4neff)，其中人是激光器的工作波長且neff是所述腔的有效折射率且n是一個正偶數(shù)。9.一種激光器，它包括一個激光腔，所述激光器進(jìn)一步包括至少一個槽，所述槽提供了至少一個突變界面，其特征在于所述突變界面包括兩個部分，該兩個部分沿著所述激光腔彼此縱向地分開，從而在所述界面提供了一個大體四分之一波長的階梯。10.根據(jù)權(quán)利要求9的激光器，其中所述兩個部分位于所述激光器的中心軸的兩側(cè)。11.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)的激光器，其中所述激光器是脊激光器。12.制造一種激光器的一種方法，包括以下步驟提供一個激光腔，在沿著所述激光腔的一個位置處限定一個槽，該槽具有一個界面，用一個反射材料填充所述槽，所述反射材料相對于所述激光腔的材料具有大的折射率虛部。13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述反射材料是一種金屬。14.根據(jù)權(quán)利要求12或13的方法，其中所述槽是漸細(xì)的槽。15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述槽包括一個漸變界面和一個突變界面。16.根據(jù)權(quán)利要求15的激光器，其中所述方法包括設(shè)置多個槽且相鄰的突變界面之間的距離為(1=11入/(4neff)，其中入是激光器的工作波長且neff是所述腔的有效折射率且n是一個正偶數(shù)。17.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，進(jìn)一步包括在所述槽的邊緣與所述反射材料之間設(shè)置一個薄的二氧化硅介電層的步驟。18.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述槽是矩形槽。19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中設(shè)置了多個槽且所述界面之間的距離為I^。t-nA/(4neff)，其中入是激光器的工作波長且11^是所述腔的有效折射率且n是一個正偶數(shù)。全文摘要本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光器，特別是以基本上單縱模發(fā)射進(jìn)行工作的激光器。所述激光器包括一個激光腔，所述激光器進(jìn)一步包括具有一個界面的一個槽，其特征在于所述槽填充有一種反射材料，該反射材料相對于激光腔材料具有大的折射率虛部。所述槽的所述界面可以是傾斜的或具有一個階梯，該階梯引入了一個四分之一波長相移。文檔編號H01S5/10GK101317312SQ200680040189公開日2008年12月3日申請日期2006年8月30日優(yōu)先權(quán)日2005年8月31日發(fā)明者約翰·帕特喬申請人:宜彼萊那光子學(xué)有限公司