專利名稱：具有增益或吸收光柵區(qū)域的移相的表面發(fā)射dfb激光器結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電信領(lǐng)域，特別是基于光信號的電信系統(tǒng)。更特別的是，本發(fā)明涉及產(chǎn)生這種光通信系統(tǒng)的泵與載波信號的激光器，例如半導(dǎo)體二極管激光器。
背景技術(shù)：
光通信系統(tǒng)快速發(fā)展和提高，在這些系統(tǒng)中，首先生成個(gè)體載波信號，而后進(jìn)行調(diào)制以傳輸信息。這些個(gè)體載波信號多路傳輸在一起形成密集波分復(fù)用(DWDM)信號。光技術(shù)的提高導(dǎo)致單個(gè)信號通道之間的間隔更小，現(xiàn)在通常在C-頻帶內(nèi)同時(shí)使用40個(gè)信號通道，在不久的將來，將有80甚至160路同步信號通道在組合的C+L頻帶中同時(shí)使用。
每個(gè)信號通道需要一個(gè)光信號載體源，在光通信中這個(gè)信號載體源的代表是激光器。當(dāng)密集波分復(fù)用(DWDM)信號通道數(shù)量增加時(shí)，所需信號載體源的數(shù)量也增加。此外，當(dāng)光網(wǎng)絡(luò)從數(shù)據(jù)密集的干線引出到數(shù)據(jù)松散的邊界或終端用戶連接時(shí)，需要大量的新網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，DWDM要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有多個(gè)信號載體源。同樣，當(dāng)數(shù)據(jù)密度減少，網(wǎng)絡(luò)更靠近邊緣時(shí)，提供信號載體源的成本成為數(shù)據(jù)通信功能問題。
大量不同的激光源普遍可用，包括固定的、可轉(zhuǎn)換的或者可調(diào)波長的激光器，例如光纖法布里-珀羅(Fabry-Perot)，分布式布拉格發(fā)射器(DBR)，垂直共振腔表面放射激光(簡稱面射型激光)和分布式反饋設(shè)計(jì)(DFB)。
目前在通信應(yīng)用中最廣泛使用的信號載體源是邊射率耦合式DFB激光源，它在調(diào)制速度、輸出功率、穩(wěn)定性、噪聲和邊模抑制比(SMSR)方面均具有良好的性能。此外，通過選擇一個(gè)合適的半導(dǎo)體媒介和激光器設(shè)計(jì)，通信波長將易于產(chǎn)生。在這一點(diǎn)上，邊模抑制比引用DFB激光器的屬性，從而具有能產(chǎn)生不同波長激光的兩個(gè)低閾值縱向模式，其中一個(gè)是典型的期望值，另一個(gè)不是。SMSR包括了非期望模式被抑制的程度測量，而后將更多功率轉(zhuǎn)移到可取的模式，同時(shí)也減少了非期望模式在其他DWDM通道的波長中發(fā)射功率所產(chǎn)生的串?dāng)_效果。邊射DFB激光信號源的缺點(diǎn)是，波束形狀呈短條狀，由于發(fā)射區(qū)域的小孔，該波束在不同的角度強(qiáng)烈發(fā)散為兩個(gè)波束，需要光束點(diǎn)轉(zhuǎn)換器來將信號耦合到單模光纖。所需技術(shù)困難，有損耗，從而導(dǎo)致成本增加。
只要邊射DFB激光器修整并耦合到光纖，就能得到好的性能，但是其若干基本特征使其生產(chǎn)效率低，因而比較昂貴。更特別的是，大量邊射DFB激光器能在一個(gè)晶片上同時(shí)生產(chǎn)。不過由于最后制造或封裝步驟中的大量因素，在一個(gè)晶片上生產(chǎn)邊射DFB激光器的成品率(例如，達(dá)到期望信號輸出規(guī)范)可能會比較低。一旦成形，每個(gè)DFB激光器必須從晶片上劃片下來。在一端使用防反射包層，另一端使用高反射包層的最常見應(yīng)用中，其最后的結(jié)束步驟之前有一個(gè)劃片步驟。不同端包層的不對稱性將有助于給出兩模式的優(yōu)先權(quán)，改進(jìn)SMSR。然而，當(dāng)從激光腔的末端進(jìn)行劃片時(shí)，單模DFB激光器的工作仍是光柵相位的函數(shù)。劃片步驟所帶來的相位的不確定性，將由于差的SMSR導(dǎo)致其所產(chǎn)生的單端模式的低產(chǎn)量。用這種方式生產(chǎn)的多模激光器不適合用于DWDM系統(tǒng)中。
生產(chǎn)邊射DFB激光器的一個(gè)重要方面是，激光器只有在其完全生成之后，包括從晶片劃片和端包層過程之后，才能通過向激光腔中注入電流來測試。由于多模性能或差的SMSR，會導(dǎo)致低成品率的晶片上的效率進(jìn)一步降低。
通過復(fù)數(shù)耦合的邊緣發(fā)射和單模操作，都已通過使用二階或更高階光柵替代常用的一級光柵實(shí)現(xiàn)。在使用二階光柵的情況下，兩種模式所引起的激光器的表面輻射損耗是不同的，因而提高了簡并度，實(shí)現(xiàn)了單模操作，參考R.Kazarinov和C.H.Henry的文章，IEEE，J.Quantum Electron.，Vol.QE-21，pp.144-150，F(xiàn)eb.1985。在折射率耦合的二階光柵中，激光模式的空間輪廓是雙瓣?duì)?，在激光腔的中心有一個(gè)最小值。在這個(gè)實(shí)例中，抑制模式是在激光腔中心達(dá)到峰值的單瓣型高斯曲線輪廓。對絕大多數(shù)應(yīng)用有利的后者模式，在通信領(lǐng)域也許更具有決定性作用，因?yàn)樗c單模光纖的模式形狀更匹配，能更有效的耦合到光纖中。雙瓣形只能低效的耦合到光纖中。
為使邊射DFB激光器的激光模式的輪廓更易于耦合到光纖，嘗試改變激光器的工藝，但沒有成功。例如，美國專利5,970,081提出了一個(gè)表面發(fā)射、折射率耦合、二階光柵DFB激光器結(jié)構(gòu)，通過在中部壓縮波導(dǎo)腔的形狀將相移引入到激光腔中，從而改進(jìn)了激光模式的輪廓以及耦合效率。然而，移相模式的輪廓包括一個(gè)陡峭的峰值，該峰值導(dǎo)致與相位移動區(qū)域所增加的空間空穴相關(guān)的其他規(guī)格參數(shù)退化。另外，由于涉及到的光刻技術(shù)，這種發(fā)明也很難實(shí)現(xiàn)。在美國專利4,958,357中介紹了一種激光器，它包括一個(gè)用于表面發(fā)射的折射率耦合的二階光柵，激光器中部使用了雙相移動或是在激光腔內(nèi)使用了多相移。由于在相位漂移位置的光場強(qiáng)度，在這種結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了空間空穴燃燒。這限制了器件的輸出功率，因而是不理想的。
在通信領(lǐng)域以外，在美國專利5,727,013中出現(xiàn)了一個(gè)表面發(fā)射DFB激光器結(jié)構(gòu)的例子。該專利提出了用于生成藍(lán)/綠光的單瓣型表面發(fā)射激光器，其中二階光柵被寫入到吸收層或者直接寫入增益層。該專利沒有透露光柵如何影響纖維耦合效率(因?yàn)闆]有考慮應(yīng)用到任何通信應(yīng)用中)。該專利也沒有指出，什么參數(shù)控制總輸出功率和纖維耦合效率之間的平衡，或者如何有效控制這種模式。最后，該專利也沒有提出一個(gè)適合于通信波長范圍的表面發(fā)射激光器。
最近，適用于光通信領(lǐng)域的垂直共振腔面射型激光器(VCSELs)開始介紹嘗試推出。這些嘗試由于一些原因沒有成功。這些設(shè)備需要忍受，由于需要大量分層結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致的難以制造，以及由于腔內(nèi)增益介質(zhì)長度很短導(dǎo)致的低輸出功率。這個(gè)短腔也導(dǎo)致了高噪聲和寬譜線寬度。由于纖維的分散效應(yīng)，寬譜線寬度限制了這些源發(fā)出信號的傳輸距離。
在電信領(lǐng)域色散效應(yīng)是一個(gè)問題。沿著光纖傳播時(shí)，一個(gè)信號脈沖的不同的波譜分量的群速(group velocities)會有輕微的差異。因此，脈沖會被展寬。脈沖展寬會導(dǎo)致脈沖之間的干擾并增加誤碼率。脈沖展寬也會增加鄰近波長信道之間的串?dāng)_。傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，脈沖被展寬的越多。因此，比特率就被光連接中的色散效應(yīng)以及脈沖展寬所限制，該色散效應(yīng)通常由光纖的長度決定。如果光信號的源表現(xiàn)出更多的線性調(diào)頻脈沖性質(zhì)，脈沖展寬的就會更快，并且給定比特率的連接長度會下降。因此，在光通信中期望低的線性調(diào)頻源。
所期望的是一個(gè)表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)，它可以提供實(shí)用的輸出功率，同時(shí)不會產(chǎn)生以前移相技術(shù)中出現(xiàn)的有害的空間空穴燃燒問題。并希望該結(jié)構(gòu)具有低的線性調(diào)頻脈沖性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一個(gè)表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)，它既適用于通信應(yīng)用，也能避免或最小化先前工藝的缺點(diǎn)。本發(fā)明的目標(biāo)是提供一個(gè)低成本的光信號源，它能生成適合在光寬帶通信信號范圍內(nèi)使用的信號。最可取的是，這個(gè)信號源以表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器形式存在，可使用常規(guī)的半導(dǎo)體制造技術(shù)生產(chǎn)，與當(dāng)前技術(shù)相比有更高的成品率。于是，本發(fā)明的目標(biāo)是產(chǎn)生信號源，與前文中提到的以前的工藝技術(shù)相比，該信號源有較低的成本。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是，該信號源具有足夠的功率和寬帶通信所需的穩(wěn)定精確的波長，并且不會產(chǎn)生由于空間空穴燃燒導(dǎo)致的不能實(shí)用的限制。最特別需要的是，該激光器的模式被優(yōu)化以允許光纖耦合，并且可以用常規(guī)的半導(dǎo)體技術(shù)中的光刻技術(shù)來生產(chǎn)。因此，所期望的表面發(fā)射激光器包括一種改進(jìn)空間空穴燃燒的方法，從而允許該激光器發(fā)出有實(shí)用價(jià)值的輸出功率值。并且該裝置將表現(xiàn)出最低限度的線性調(diào)頻脈沖特性，以允許在沒有不可接受的脈沖展寬情況下的信號的傳輸和處理。
本發(fā)明期望得到一個(gè)半導(dǎo)體激光器信號源，它的輸出信號易于有效率地耦合到單模光纖。該器件也適宜于在一個(gè)單一的晶片結(jié)構(gòu)上以陣列的方式制造，并且可以與鄰近的結(jié)構(gòu)，如鄰近的信號吸收區(qū)和光電探測器器件等，整體地、同時(shí)地成形或制造。
本發(fā)明的進(jìn)一步特征涉及制造效率。陣列信號源的數(shù)量越多，低的制造故障率需求越高。例如，每個(gè)源的成品率若為98％，那么40個(gè)源陣列的成品率將是45％。也就是說，提高制造的成品率對陣列制造成本效率非常重要。
本發(fā)明的進(jìn)一步特征是，可將每個(gè)陣列中的激光源生產(chǎn)為在相同或不同的波長工作，最可取的是波長在電信信號頻帶內(nèi)。
另外，這個(gè)設(shè)備有一個(gè)與外部反饋回路連接的內(nèi)置探測器，可用于信號監(jiān)測和維護(hù)。
因此，結(jié)合本發(fā)明的第一個(gè)特征，提出了表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的組成具有激活層的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，鄰接上述激活層的反相包層、襯底，用來向所述半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)注入電流的電極，從而引起所述激光器結(jié)構(gòu)發(fā)射至少表面發(fā)射的輸出信號；所述激光器結(jié)構(gòu)的與所述激活層關(guān)聯(lián)的分布式二階衍射光柵，所述衍射光柵包括大量具有周期性交替的高增益與低增益值的光柵元件，當(dāng)所述電流被注入所述激光器結(jié)構(gòu)中，所述光柵的尺寸與形狀可以在腔內(nèi)產(chǎn)生不斷反向的模式；將腔內(nèi)所述的不斷反向的模式進(jìn)行移相的裝置，從而改變模式的輪廓以提高所述輸出信號的近場強(qiáng)度；以及改善由所述改變的模式輪廓引起的空間空穴燃燒的裝置。
結(jié)合本發(fā)明的第二個(gè)特征，提出了生產(chǎn)表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的方法，所述方法包括以下步驟在公共晶片襯底上，逐層形成眾多的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)；在所述公共晶片襯底上生成第一級包層，激活層和第二級包層；在所述公共晶片襯底上，形成與所述激活層關(guān)聯(lián)的眾多的二階分布式衍射光柵；在所述光柵上，形成移相器以改變從所述半導(dǎo)體激光器輸出的信號的模式輪廓；在所述公共晶片襯底上的每個(gè)所述半導(dǎo)體激光器上，形成向每個(gè)所述激光器結(jié)構(gòu)注入電流的電極；當(dāng)所述結(jié)構(gòu)仍然連接在所述公共晶片襯底時(shí)，向上述結(jié)構(gòu)中注入測試電流，來測試每個(gè)所述半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。


現(xiàn)在，僅僅通過舉例的方式，依據(jù)附圖提出本發(fā)明的優(yōu)選裝置參考圖1是按照本發(fā)明，在增益媒介中形成具有四分之一波長相移的二階光柵的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器裝置的側(cè)視圖；圖2是圖1裝置的端視圖；圖3是關(guān)于折射率耦合與增益耦合四分之一波長相移的DFB激光器之間比較關(guān)系的曲線示意圖，說明了本發(fā)明的特征；圖4是圖3中四分之一波長相移DFB激光器中，作為偏置電流的函數(shù)的規(guī)格化了的增益差異的曲線圖；圖5是按照本發(fā)明，在吸收層或損耗層形成二階光柵的另一個(gè)裝置的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的側(cè)視圖；圖6是圖5裝置的端視圖；圖7是按照本發(fā)明，一個(gè)間距調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)的頂視圖；圖8是本發(fā)明圖1裝置中，光的近場強(qiáng)度與沿激光腔距離的關(guān)系示意圖；圖8a，8b，8c是圖7裝置的三個(gè)主要模式的光子密度和表面發(fā)射的規(guī)格化的場分布示意圖；圖9是本發(fā)明的另一種裝置的頂視圖，展示了在激光器腔的每一端以吸收區(qū)的形式生成的終止區(qū)；圖10是圖8中發(fā)明的另一種裝置的頂視圖，其中一個(gè)所述終止區(qū)是探測器；圖11是在一個(gè)公共襯底上的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的陣列的頂視圖，該陣列用來產(chǎn)生1到N的波長。
具體實(shí)施例方式
圖1是按照本發(fā)明，表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)10的側(cè)視圖，圖2是同一結(jié)構(gòu)的端視圖。激光器結(jié)構(gòu)10可使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造技術(shù)，由大量層逐層堆疊組成。本發(fā)明使用這些已知的半導(dǎo)體制造技術(shù)，說明本發(fā)明不需要新的制造技術(shù)就能有效的大量生產(chǎn)。
本說明書中，其后公開的術(shù)語具有下列含義。半導(dǎo)體的P區(qū)域是摻雜了電子接受器的區(qū)域，以空穴(價(jià)電子帶的電子空隙)作為主要載流子。N區(qū)域是具有過量的電子作為載流子的半導(dǎo)體摻雜區(qū)。輸出信號是指由本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器生成的任何光信號。模容器是指包括大部分光模式的體積，也就是說這里存在明顯的光(信號)強(qiáng)度。例如，模容器可以是包括80％光模式能量的邊界。為了本發(fā)明公開的目的，在分布式衍射光柵中，光柵與激光腔的激活增益長度或吸收長度共同起作用，從而，由光柵反饋所引起的干擾效果，使得只在使干擾加強(qiáng)的確定波長處產(chǎn)生振蕩或激光。
本發(fā)明的衍射光柵由光柵或柵格元件組成，生成交替的增益效應(yīng)。兩個(gè)相鄰的光柵元件定義了一個(gè)光柵周期。交替的增益效應(yīng)就是指在增益發(fā)生時(shí)，鄰近的光柵元件中一個(gè)具有相對高的增益效應(yīng)，另一個(gè)具有相對低的增益效應(yīng)。本發(fā)明認(rèn)為相對低的增益可以是小的但為正的增益值，可以沒有實(shí)際增益或者是吸收值或負(fù)值。因而，本發(fā)明認(rèn)為光柵元件的增益效應(yīng)的任何絕對值，提供了鄰近光柵元件之間增益效應(yīng)的相對差值，足以對給定波長激光的產(chǎn)生發(fā)生干擾。本發(fā)明認(rèn)為能形成上述交替增益效應(yīng)的光柵，包括激活區(qū)的損耗耦合和增益耦合光柵，以及載流子阻塞光柵無論其是否位于激活區(qū)。
本發(fā)明提到的衍射光柵的全部效應(yīng)包括，限制激光振蕩器從兩種縱向的激光模式中選擇一種，該模式可能視為單模輸出信號。按照本發(fā)明，使用了多種技術(shù)來進(jìn)一步設(shè)計(jì)激光器，這樣，模式的輪廓就可能被有效地耦合到光纖。
如圖1所示，激光器結(jié)構(gòu)10的兩個(gè)外層12和14是電極。電極的作用是向激光器結(jié)構(gòu)10注入電流。注意，電極12包括一個(gè)孔16。孔16允許光輸出信號從激光器結(jié)構(gòu)10向外傳輸，下面將詳細(xì)描述。雖然圖示為孔，但本發(fā)明也適用于使用連續(xù)電極，至少在局部，來實(shí)現(xiàn)同樣的輸出信號從激光器結(jié)構(gòu)10向外傳輸?shù)倪^程。具有孔16的簡單金屬電極可以提供合理的結(jié)果，由于其制造的簡易性和低成本，將更可取。
和電極12相鄰的是n+InP襯底或者晶片17。和襯底17相鄰的是由n-InP組成的緩沖層18，下一層是由n-InGaAsP組成的密封層20。它和其他四層的一般成分是InxGa1-xAsyP1-y，其中三層具有公共成分In1-xGaxAs。下一層是激活層22，它由具有激活量子阱和阻擋層的交替薄層組成，它們都由InGaAsP或InGaAs組成。對于那些熟悉本技術(shù)的人員來說，InGaAsP或InGaAs是優(yōu)選的半導(dǎo)體，因?yàn)檫@些具有確定范圍的合成半導(dǎo)體，在波長范圍1200nm-1700nm或更高范圍內(nèi)顯示出可以具有光學(xué)的增益能力，包括以下寬帶光學(xué)頻譜S-波段(1300-1320nm)、C-波段(1525-1565nm)和L-波段(1568-1610nm)。其他半導(dǎo)體物質(zhì)，如GaInNAs、InGaAIAs，只要具有在寬帶范圍內(nèi)生成輸出信號的能力，也包括在本發(fā)明中。對于按照本發(fā)明由適當(dāng)物質(zhì)設(shè)計(jì)組成(如InGaAs/GaAs)的設(shè)備，另一相關(guān)的重要的通信波長范圍為910-990nm，與光泵激放大器和基于Er、Yb或Yb/Er摻雜物質(zhì)的纖維激光器最通用的相互作用的波長范圍一致。
在圖1的實(shí)施例中，衍射光柵24在激活層22中形成。衍射光柵24由高增益部分27和低增益部分28交替組成。最可取的是，光柵24是具有固定周期的規(guī)則光柵，按大小、形狀放置在激光器10中，組成了上述的分布式衍射光柵。在這種情況下，光柵24的周期為高增益部分27的長度32和鄰近的低增益部分28的長度30的和。在這個(gè)大量甚至全部激活結(jié)構(gòu)都被移動的區(qū)域，與高增益部分27相比，低增益部分28顯示了低的或沒有增益。依照本發(fā)明，光柵24是一個(gè)二階光柵，造成以表面發(fā)射形式輸出信號的結(jié)果。正如所見的，因?yàn)檫@種裝置中的光柵24在激活增益層形成，它可被認(rèn)為是一個(gè)增益耦合設(shè)計(jì)。
在光柵24中部的是用于移相的裝置，它包括一個(gè)稍微寬一點(diǎn)的高增益“齒狀物”26。齒狀物26的大小與形狀設(shè)計(jì)為可產(chǎn)生一個(gè)四分之一波長的相移。熟悉本技術(shù)的人會理解，本發(fā)明包括其他形式的移相元件。所需的是為光柵提供足夠的相移，來改變近場強(qiáng)度輪廓，從而將主要模式從雙峰配置更改為單峰配置，其中峰值通常是位于相位移動上面。這樣的模式輪廓可以比雙瓣的輪廓更有效的耦合到光纖中。因而，只要改變模式輪廓來提高耦合效率，相移的數(shù)量以及實(shí)現(xiàn)相移的方法就可以在不偏離本發(fā)明精神的條件下變化。
例如，成倍的相位移動可以用來產(chǎn)生總體的四分之一波長移動，舉例來說，由兩個(gè)λ/8或兩個(gè)3λ/8或其他的組合來組成。最好還包括連續(xù)的線性調(diào)頻脈沖光柵或間距調(diào)制的光柵，盡管它們更難于生產(chǎn)。圖7中說明了遵照本發(fā)明的間距調(diào)制光柵，圖中表示了終端吸收區(qū)域301，脊?fàn)铍姌O302，以及圍繞中部光柵部分303的等長的邊緣光柵部分304。如圖所示，中部光柵周期與304部分的光柵周期有些微的差異。圖7表示了間距調(diào)節(jié)光柵，其中相位的移動分布在整個(gè)光柵上。
附屬的圖8a，8b，8c是光子密度和表面發(fā)射的場強(qiáng)對比腔長度的理論曲線。三條曲線(8a，8b，8c)代表了三種基本的模式，分別是0階模式、-1階模式和+1階模式。由圖8a可知，對于主要的(即產(chǎn)生激光的)0階模式，在激光器結(jié)構(gòu)或腔中，光子的密度分布的相當(dāng)平均。事實(shí)上，圖中的峰值401小于2.5，而谷底402略小于1。光子密度這樣廣泛平均的分布減小了空間空穴燃燒的問題。同樣從圖8a可以看出，表面發(fā)射的輪廓404大體上是圓形或者在406處是高斯型的，意味著表面發(fā)射適合于耦合到電信應(yīng)用的光纖中。
同樣的，兩個(gè)二級的模式8b和8c表現(xiàn)出規(guī)格化的近場分布趨勢，分別在腔的中部410和412處趨向于零。因?yàn)槎壞Ｊ今詈系焦饫w的比例非常低，產(chǎn)生高的邊模式抑制，同時(shí)完成空間空穴燃燒的減小(改善)。這種配置同樣顯示出低的線性調(diào)頻特性?？傊M管有許多種類型的結(jié)構(gòu)可用來引入相位移動，間距調(diào)制的設(shè)計(jì)是較優(yōu)的形式。在本說明書中，術(shù)語間距調(diào)制設(shè)計(jì)指的是在腔的中部和端點(diǎn)處具有少許周期差異的光柵。最可取的是，這樣的周期改變是逐步地引入到整個(gè)光柵的，而不是在前文描述裝置的某個(gè)齒狀物處突然的引入的。
回到圖1，在光柵24上面是p-InGaAsP密封層34，位于密封層34上面的是p-InP緩沖區(qū)36，層36上面是p-InGaAsP蝕刻阻擋層38，在p-InP包層40上方的p++-InGaAs保護(hù)層42。
對熟悉技術(shù)的人來說很容易理解，按照上面所述配置各層的方法來建造的半導(dǎo)體激光器，可以被調(diào)諧到產(chǎn)生具有預(yù)定波長的輸出信號，因?yàn)閷懺诩せ顚拥难苌涔鈻诺姆植际降姆答佒率辜す馄鞒蔀閱文＜す馄?。輸出信號的精確波長是一系列變量的函數(shù)，通過一種復(fù)雜的方式，這些變量之間互相關(guān)聯(lián)并與激光器結(jié)構(gòu)的其它變量相關(guān)。例如，其中一些變量影響輸出信號的波長，包括光柵周期，激活層、密封層及包層的折射率(典型的，它們會隨著溫度及注入電流而改變)，激活區(qū)的構(gòu)成(會影響層的應(yīng)力，增益波長和折射率)，以及上述各個(gè)層的厚度。另一個(gè)重要的變量是通過電極注入結(jié)構(gòu)的電流的大小。因而，按照本發(fā)明，通過操縱這些變量，激光器結(jié)構(gòu)可以建造為具有預(yù)定的且非常精確的輸出波長。在期望創(chuàng)建用于DWDM頻譜的獨(dú)立信道的信號源或信號元件的通信工業(yè)中，這樣的激光器是很有用的。因此，本發(fā)明包括各種層厚度、增益周期、注入電流及其它相似成分的組合，它們一起產(chǎn)生具有適合于電信應(yīng)用的功率、波長及帶寬的輸出信號。
然而，僅僅得到期望的波長與帶寬是不夠的。本發(fā)明解決的一個(gè)更困難的問題是，從二階光柵(因而，作為表面發(fā)射)產(chǎn)生一個(gè)期望的特定的波長，通過這樣的方式控制它使其有效地耦合到，例如光纖中。輸出信號的空間特性對耦合效率有著大的影響，理想的形狀是單模、單瓣高斯型。對于表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，兩個(gè)主要的模式包括分叉的雙瓣模式和單瓣模式。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的電信應(yīng)用中的單模光纖具有單高斯模式，前者很難耦合到這些光纖中。
如上文所指出的，SMSR指的是抑制不期望的模式以有利于期望的模式。依照本發(fā)明，為了從激光器10的表面得到好的SMSR，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)光柵24的占空比以及激活層22的增益的空間調(diào)制。在本說明書中，術(shù)語占空比指的是表現(xiàn)為高增益的光柵周期的長度與光柵周期之比。在更簡單的術(shù)語中，占空比可定義為光柵24展現(xiàn)高增益的周期部分。如同圖1中說明的，在增益耦合的激光器中，通過腐蝕掉部分的激活層來控制占空比的參數(shù)，由留下來的激活層部分充當(dāng)占空比?；蛘吡硗庖环N選擇是，激活增益層可以完整的保留下來，而光柵可被刻蝕成為電流阻擋層，通過與占空比相對應(yīng)的刻蝕掉部分電流阻擋層。
現(xiàn)在可以充分的理解圖1中的二階分布式衍射光柵是通過刻蝕增益介質(zhì)來形成光柵24的。其結(jié)果是半導(dǎo)體激光器10的兩個(gè)主要模式展現(xiàn)出不同的表面發(fā)射損耗(那正是激光器的輸出)并因此具有不同的增益。只有一個(gè)模式(具有低的增益閾值的模式)會發(fā)出激光，產(chǎn)生良好的SMSR。本發(fā)明認(rèn)為所期望的激光模式是單瓣的，并且近似為高斯輪廓。在這種方式中，因?yàn)楣β驶蛐盘枏?qiáng)度的輪廓易于耦合輸出信號到光纖中，激光模式可以更容易的耦合進(jìn)光纖。相位移動的二階激活-耦合光柵具有三個(gè)可以發(fā)出激光的模式，其中兩個(gè)雙瓣模式具有高的增益閾值，單瓣模式具有最低的增益閾值。因而，主要的模式在相位移動區(qū)域有極大值的單瓣外形，為了最優(yōu)的耦合進(jìn)光纖中，依照本發(fā)明，它應(yīng)該位于激光器結(jié)構(gòu)的中點(diǎn)。
另外，依照本發(fā)明，提供了一種改進(jìn)空間空穴燃燒的裝置。在這個(gè)意義上，改進(jìn)意味著使其更好，而不是徹底消除。因而，本發(fā)明通過減少空間空穴燃燒帶來的有害限制，來使激光器結(jié)構(gòu)的性能比先前技術(shù)有所提高。正如熟悉技術(shù)的人所重視的，空間空穴燃燒沒有被消除，僅僅被改進(jìn)，以允許本發(fā)明的激光器以更高的輸出功率運(yùn)行，同時(shí)不會使單模操作退化，這種退化在相移設(shè)計(jì)中常常發(fā)生，導(dǎo)致不可接受的色散或脈沖展寬。
依照本發(fā)明，具有與激活層相關(guān)的光柵的相位移動DFB激光器，由于改善了空間空穴燃燒問題的裝置，對于空間空穴燃燒問題是穩(wěn)健的。更特別的，本發(fā)明提供了一個(gè)具有紋波激活層(或一個(gè)與激活層相關(guān)的波紋，例如，在模容器上的吸收層)的DFB激光器，從而增加載流子注入(以增加增益)導(dǎo)致在高增益區(qū)有更多的載流子，但是由于等離子效應(yīng)，折射率下降。作為結(jié)果，折射率系數(shù)下降，從而改善縱向的空間空穴燃燒。這樣，由于與激活層有關(guān)的光柵的特性，空間空穴燃燒得到改善。因而，本發(fā)明包括與有源層相關(guān)的相位移動的二階光柵，利用了相移折射光柵的模式輪廓的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)包括上述的對空間空穴燃燒的自我抑制。
盡管對于占空比的選擇沒有限制，如果以合理可能的功率運(yùn)行本發(fā)明的激光器，相信約為0.75的占空比是較為適宜的。
然而，也可以使用其他的占空比，從0.25到0.75甚至更高。在較低的占空比情況下，光柵產(chǎn)生較少的增益，從而提高閾值電流并降低激光器可得到的整體功率和效率。
為說明這個(gè)效應(yīng)，圖3說明了兩個(gè)不同的二階四分之一波長相移DFB激光器的特性。其中一個(gè)具有折射率耦合光柵，另一個(gè)具有增益耦合光柵。為了進(jìn)行公平的對比，假定兩個(gè)光柵都有相同的規(guī)格化的折射耦合系數(shù)K，L＝2，并且到輻射場的耦合系數(shù)為3cm-1。更進(jìn)一步，假定具有增益光柵的DFB激光器的增益耦合系數(shù)比率Kg/Ktotal為10％。這樣，圖3展示了一個(gè)對比，在該對比中，腔的兩端的場強(qiáng)都已規(guī)格化?？梢钥闯?，折射率光柵的場強(qiáng)的峰值大于增益耦合光柵場強(qiáng)的峰值。
在圖4中，對圖3中的兩個(gè)激光器，將規(guī)格化了的增益差異作為偏置或注入電流的函數(shù)，用曲線表示出來。這為邊模抑制比提供了一個(gè)指示。正如從圖中可看到的，隨著偏置增加，由于模式競爭，具有折射率光柵的激光器的規(guī)格化增益差異迅速下降。因而，在具有折射光柵的四分之一波長相位移動的結(jié)構(gòu)中，空間空穴燃燒對于高功率級別是一個(gè)限制因素，是多模式操作因而發(fā)出線性調(diào)頻的一個(gè)原因。相反，隨著偏置(因而輸出功率)的變化，具有增益光柵的激光器的規(guī)格化增益差異幾乎保持不變。這樣，本發(fā)明為每個(gè)裝置提供一個(gè)四分之一波長相位移動結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與以前折射耦合光柵技術(shù)相比，具有低的線性調(diào)頻特性。
在半導(dǎo)體激光器中，多模式操作是線性調(diào)頻的一個(gè)來源。增益或損耗耦合DFB激光器有一個(gè)固有的機(jī)制進(jìn)行模式選擇。因而，其邊模抑制比非常高，因此，線性調(diào)頻特性很低。更特別的，在半導(dǎo)體DFB激光器中，由于激勵復(fù)合與空間空穴燃燒，激光場的不一致性會導(dǎo)致激光腔內(nèi)載流子分布的不一致性。在折射耦合光柵中，縱向模式的穩(wěn)定性會由于改進(jìn)的腔內(nèi)折射分布的改變而退化。如前面的圖中說明的，本發(fā)明包括由于增益耦合光柵而改進(jìn)的空間空穴燃燒。
轉(zhuǎn)到圖2，展示了圖1中激光器結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。從圖2中可看出，電極12和14使得在跨越激光器結(jié)構(gòu)10上施加電壓，從而像前面描述的那樣激勵激光發(fā)射。更進(jìn)一步的，可以看出，頂層上形成的脊?fàn)钗镉糜趯?cè)面的光模式封閉在注入電流的區(qū)域。雖然展示了這個(gè)裝置的一個(gè)脊?fàn)畈▽?dǎo)管，應(yīng)注意到同樣的結(jié)構(gòu)可以使用掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來制造，從而將載流子和光場橫向的密封起來。
作為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置，包括了增益耦合設(shè)計(jì)的其他形式。例如，不是用前文所述的蝕刻激活區(qū)方法，而是在該激活層上淀積一個(gè)高度n摻雜的層，可以在該層上生成光柵。然后該層不再具有光激活性，既不吸收也不顯示增益。相反的，只要它沒有被蝕刻掉，它就會阻止電荷載流子被注入到激活層。在“C.Kazmierski，R.Robein，D.Mathoorasing，A.Ougazzaden，and M.Filoche，IEEE，J.Select.Topics Quantum Electron.，vol.1，pp.371-374，June 1995”中，介紹了這種邊緣發(fā)射增益耦合激光器結(jié)構(gòu)。本發(fā)明，包括修改這種結(jié)構(gòu)來實(shí)施表面發(fā)射，還包括上述的相位移動。
轉(zhuǎn)到圖5，表示了表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)100的另一種裝置。在這個(gè)裝置中，在頂部與底部提供了電極112和114。鄰近電極112的是一個(gè)n+InP的襯底116，緊接著的是一個(gè)n-InP緩沖器118。在電極112上有一個(gè)開口117。第一個(gè)n-InGaAsP密封層120之上是一個(gè)激活區(qū)域122，它由InGaAsP或InGaAs量子阱層組成，由InGaAsP或InGaAs阻擋層分隔。然后，在p-InGaAsP的密封區(qū)124之上有一個(gè)p-InP緩沖區(qū)126。光柵125在下一層形成，該光柵是一個(gè)p-或n-InGaAs或InGaAsP吸收層128。此外，p-InGaAsP蝕刻阻擋層132緊跟p-InP緩沖器層130。然后，p-InP覆蓋層134和p++-InGaAs保護(hù)層136一起位于電極114的下方。如同所察覺的那樣，該裝置描繪了一個(gè)二階(或更高)光柵，該光柵的形成是通過提供一個(gè)吸收層，并且蝕刻或者移走相同的來形成損耗耦合設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的。光柵125由周期性重復(fù)發(fā)生損耗或吸收的元件組成。當(dāng)與持續(xù)增益層122(即使該增益層與吸收層不在同一個(gè)平面上)放在一起時(shí)，該光柵125可以被視為一個(gè)具有周期性重復(fù)的高增益元件140和低增益(可能沒有增益或甚至是凈損耗)元件138的光柵。任何一個(gè)高增益元件140和一個(gè)低增益元件138的組合定義了所述光柵125的周期142。通過相位移動齒狀物141提供四分之一波長的相移。它與第一個(gè)裝置中齒狀物26在改變激光器的近場模式輪廓方面是一樣的。
圖6表示了圖5中半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的端視圖。正如所表明的，為了如上文描述的那樣發(fā)射激光，可以通過電極112和114向半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)100中注入電流。如同在圖2中，脊提供了光場的橫向限制。
如同前面論述的，考慮到本發(fā)明的增益耦合光柵，圖5與圖6中的損耗耦合光柵也包括用于改進(jìn)空間空穴燃燒的裝置。在損耗耦合的裝置中，激活區(qū)的載流子損耗通過在吸收性層的光激的載流子生成來補(bǔ)償。這又有一個(gè)減少空間空穴燃燒的效應(yīng)。此外，因?yàn)閳鰪?qiáng)分布與損耗調(diào)制的同時(shí)進(jìn)行，本發(fā)明對外部反饋更為穩(wěn)健(這同樣適用于增益耦合的設(shè)計(jì))。正如熟悉技術(shù)的人所理解的，在以前技術(shù)的折射率耦合設(shè)計(jì)中沒有這個(gè)效應(yīng)。
圖8是一個(gè)示意圖，表示了光的近場強(qiáng)度與沿著激光腔長度的關(guān)系，適用于前面圖1、圖2、圖5和圖6中描述的裝置。如圖所示，在激光腔的中部，模式2(分叉的雙波瓣)場強(qiáng)被相位移動修改為達(dá)到峰值144。因此，圖8表明了在腔的中間在電極12上開口16的必要，以像圖1展示的那樣釋放出信號。圖8的曲線可以與圖8a的進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，已調(diào)周期的光柵同時(shí)增加了光子密度分布的均勻性和表面發(fā)射的峰值的圓滑。
圖9表示了本發(fā)明的另一個(gè)裝置的頂視圖。其中，光柵區(qū)域150包括了終端部分152，154以提高性能。正如所見到的，光柵150可用已知的技術(shù)寫到一個(gè)晶片156(如中斷線158所示)上。這樣寫入的光柵150可以被鄰近區(qū)域160包圍，這樣將光柵150隔離并保護(hù)起來。因?yàn)楸景l(fā)明是一個(gè)表面發(fā)射器件，與其象以前的邊緣發(fā)射激光器技術(shù)一樣在光柵的終端區(qū)域劃片，倒不如象本發(fā)明計(jì)劃的那樣進(jìn)行必要的伸展，在鄰近的非激活臨近區(qū)域160劃片。因此，在劃片時(shí)不會切割到光柵150，并且光柵150的每個(gè)特性都可以特定的設(shè)計(jì)、預(yù)定、并按照半導(dǎo)體光刻技術(shù)寫入。從而，每個(gè)光柵都可以按光柵長度的整數(shù)倍制造，并在晶片156上寫入的每個(gè)鄰近的光柵都可以與其鄰近的光柵相同或不同。唯一的限制就是半導(dǎo)體制造技術(shù)的寫入能力。重要的是，與以前的邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器的技術(shù)不同，在激光器結(jié)構(gòu)封裝之后該光柵的特性不會改變。
本發(fā)明進(jìn)一步包括了制造光柵終端部分152和吸收區(qū)域154。不用向終端區(qū)域注入電流就能順利實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闆]有注入充電電荷的激活層具有吸收能力。這樣，這些區(qū)域會強(qiáng)烈地吸收在水平方向產(chǎn)生和發(fā)射的光能量，從而在不需要更多的邊緣修整的情況下，實(shí)現(xiàn)以前的技術(shù)中的防反射包層的功能。因?yàn)樵诎雽?dǎo)體生產(chǎn)過程中，在晶片上制造這些層不需要任何額外的步驟或材料，因此這種吸收區(qū)域易于成形。在這種方法中，消除了以前技術(shù)所要求的結(jié)束步驟，使得按照本發(fā)明制造的激光器機(jī)構(gòu)10，比以前技術(shù)的邊緣發(fā)射激光器更加具有成本優(yōu)勢。因而可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明期待通過鄰近區(qū)域160遠(yuǎn)離光柵150的實(shí)際終端處進(jìn)行劃片(必需的或希望的)，在以前技術(shù)中由于光柵劃片所產(chǎn)生的難題、向激光腔引入不可控制的相移的問題，就都被徹底避免了。
現(xiàn)在就可以理解本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)了。本發(fā)明包括了一種制造方法，不需要從晶片上劃出個(gè)體元件，直到對激光器結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能性測試前，也不需要完成最終的精細(xì)加工或者激光器的封裝。舉例來說，參見圖1，當(dāng)激光器結(jié)構(gòu)在一個(gè)晶片上加工時(shí)，電極12和14在就在結(jié)構(gòu)10上形成。通過在晶片對電極適當(dāng)?shù)某尚魏统练e，如上所述在光柵之間的毗鄰區(qū)域160留下高電阻的區(qū)域，可以使得晶片上的每個(gè)結(jié)構(gòu)10都可以與鄰近結(jié)構(gòu)電氣隔離。從而，在任何封裝步驟之前，僅僅通過向晶片上每個(gè)光柵150注入電流，每個(gè)結(jié)構(gòu)的電特性都可以在晶片上進(jìn)行測試。這樣，在任何封裝步驟開始之前(甚至在劃片前)有缺陷的結(jié)構(gòu)就可被丟棄或排除，這意味著，與以前那種更復(fù)雜、而且需要在任何測試進(jìn)行之前就進(jìn)行封裝的技術(shù)相比，按照本發(fā)明進(jìn)行激光器結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)，其效率更高，并且成本更低。因此，在以前的邊緣發(fā)射激光器制造技術(shù)中，對于不工作的或是不正常工作的激光器結(jié)構(gòu)的劃片、封裝以及最后的細(xì)加工步驟，在本發(fā)明中都被消除了。
圖10表示了本發(fā)明的另一個(gè)裝置，它包括位于光柵區(qū)域一側(cè)的探測器區(qū)域200。探測器區(qū)域200可以和激光器結(jié)構(gòu)集成，通過將探測器區(qū)域200的層反轉(zhuǎn)偏置，使其擔(dān)當(dāng)光探測器的功能。該探測器在本質(zhì)上是與表面發(fā)射激光器10結(jié)合在一起的，并且通過與激光器結(jié)構(gòu)的同時(shí)加工實(shí)現(xiàn)方便地集成，很具有成本優(yōu)勢。這樣，信號輸出就可以由探測器200感應(yīng)到，并且，光信號在功率穩(wěn)定性方面的品質(zhì)就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控。該監(jiān)控可用于一個(gè)外部反饋回路來調(diào)節(jié)參數(shù)，例如注入電流，可以通過其變化來控制功率的細(xì)小波動。該反饋系統(tǒng)使得本發(fā)明可以提供隨著時(shí)間變化非常穩(wěn)定或穩(wěn)固的輸出信號，對輸出信號按照要求進(jìn)行調(diào)諧，或者對象溫度變化或其他類似的會導(dǎo)致輸出信號漂移的環(huán)境變化進(jìn)行補(bǔ)償。因而，通過改變參數(shù)，如注入激光器的電流，來補(bǔ)償輸出光信號的變化。這樣，本發(fā)明設(shè)想了一個(gè)內(nèi)置探測器，來建立一個(gè)在一定范圍的條件下，具有期望波長的穩(wěn)定的信號源。
圖11是在公共襯底400上，按照本發(fā)明制作的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)10陣列的頂視圖。這樣，每個(gè)光柵24都可以設(shè)計(jì)為在波長與輸出功率方面特定的輸出(特定信號)。本發(fā)明預(yù)期每個(gè)鄰近的信號源，不論是具有相同波長或特定的信號，還是具有不同波長或特定的信號，都可以組成該陣列。
從而，本發(fā)明預(yù)期了一個(gè)單陣列結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以從大量并排的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)中同時(shí)發(fā)射光譜信號，該光譜中的每個(gè)信號的波長都適用于寬帶通信。每個(gè)激光器機(jī)構(gòu)或信號源都可以獨(dú)立調(diào)制，然后復(fù)用到DWDM信號中。盡管為了方便起見只在圖例中顯示了三個(gè)，由于設(shè)計(jì)的靈活性，該陣列在襯底400上可以包括從兩個(gè)到四十個(gè)或更多的獨(dú)立波長信號源。也可以明白，當(dāng)每個(gè)激光源都調(diào)諧到同樣的頻率彼此相干時(shí)，N個(gè)激光器的陣列將具有功率因數(shù)N2。
對于熟悉本技術(shù)的人會很明顯，當(dāng)以本發(fā)明的優(yōu)選裝置為基準(zhǔn)參考時(shí)，各種各樣的改造與改進(jìn)都可以在不違背權(quán)利要求的精神下進(jìn)行。其中的一部分改造在上文討論過，其余的對于熟悉本技術(shù)的人員也很明白。舉例來說，盡管已經(jīng)給出了本發(fā)明中半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的層的首選結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)也可以使用，只要能產(chǎn)生可接受的結(jié)果。這些結(jié)構(gòu)可能是損耗耦合的或增益耦合的，重要的是二階DFB光柵具有相位移動，以及改進(jìn)空間空穴燃燒的裝置。
權(quán)利要求
1.表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器包括具有激活層的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，鄰接上述激活層的反相包層，襯底和電極，通過它向上述的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)注入電流，以引起所述激光器結(jié)構(gòu)以至少一種表面發(fā)射形式發(fā)射輸出信號；與所述激光器結(jié)構(gòu)的所述激活層相關(guān)的分布式衍射光柵，所述衍射光柵具有大量周期性交替的光柵元件，每個(gè)光柵元件具有高增益值或低增益值，向所述激光器注入所述電流后，所述光柵的尺寸與形狀使其在腔內(nèi)產(chǎn)生相反運(yùn)行的受操縱的模式；用于在腔內(nèi)對所述相反運(yùn)行的模式進(jìn)行移相的裝置，以改變模式輪廓來提高所述輸出信號的近場強(qiáng)度；用于改進(jìn)由所述改變模式輪廓引起的空間空穴燃燒的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述分布式衍射光柵是位于所述激活層上的增益耦合光柵，用于改進(jìn)由所述改變模式輪廓引起的空間空穴燃燒的所述裝置，包括高增益值交替光柵元件，其特征是，當(dāng)對所述光柵元件施加更高增益時(shí)，所述高增益光柵元件的折射率下降，其中所述折射率的下降改良縱向的空間空穴燃燒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述分布式衍射光柵是位于所述激活層附近的損耗耦合光柵，用于改進(jìn)由所述改變模式輪廓引起的空間空穴燃燒的所述裝置，包括低增益值交替的光柵元件，其特征是，充足的光激載流子的產(chǎn)生，是發(fā)生在當(dāng)激活層的載流子損耗被施加的增益提升所補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候，其中縱向的空間空穴燃燒被改良。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述相位移動的裝置包括形成在所述光柵上的已調(diào)整間距。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述已調(diào)整間距光柵的尺寸與形狀使得跨越所述激光器結(jié)構(gòu)的光子密度平坦化。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述已調(diào)整間距光柵產(chǎn)生大體上是高斯形狀的表面發(fā)射輪廓。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述已調(diào)整間距光柵引起一個(gè)或更多次要模式的表面發(fā)射在所述激光器的中央趨近于零。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)除表面發(fā)射信號之外，以邊緣發(fā)射的形式發(fā)射第二輸出信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中任何一對鄰近的所述交替光柵元件形成一個(gè)光柵周期，其中具有較大增益的光柵元件包含所述光柵周期長度的大約75％。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器組成的任何陣列，其中所述激光器的形式是一個(gè)由N個(gè)激光器組成的相干陣列，從而形成一個(gè)具有功率因數(shù)N2的泵源。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述分布式衍射光柵是旋光活性的，并在激活層上形成增益介質(zhì)。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述分布式衍射光柵是旋光活性的，并在模容器上形成損耗介質(zhì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求2所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述分布式衍射光柵不是旋光活性的，并由電流阻擋材料形成。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述光柵在所述相移的任一邊包括整數(shù)倍的光柵周期。
15.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括鄰近區(qū)域，該鄰近區(qū)域在平面上至少部分包圍所述光柵。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述鄰近區(qū)域進(jìn)一步包含整體成型的吸收區(qū)域，該吸收區(qū)域位于所述分布式衍射光柵的任一端。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，進(jìn)一步包含具有光探測器的鄰近區(qū)域。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述光探測器與所述激光器結(jié)構(gòu)一起整體成型。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，進(jìn)一步包含與所述光探測器相連的反饋回路，以將檢測的輸出信號與期望的輸出信號相比較。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，進(jìn)一步包含調(diào)節(jié)器，以調(diào)節(jié)輸入電流使所述輸出信號保持期望的特性。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述鄰近區(qū)域由具有足夠電阻的材料形成，當(dāng)所述激光器使用時(shí)，將所述光柵電氣隔離。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中一個(gè)所述電極包含有信號發(fā)射開口。
23.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中一個(gè)所述電極的尺寸與形狀使其在橫向?qū)⒐饽Ｊ较拗圃谝粋€(gè)區(qū)域中，通過該區(qū)域注入電流。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述橫向限制電極是脊?fàn)铍姌O。
25.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的陣列，其中所述陣列包括公共襯底上的兩個(gè)或更多所述激光器。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器陣列，其中兩個(gè)或更多所述激光器中的每一個(gè)都產(chǎn)生具有不同波長與輸出功率并可單獨(dú)調(diào)制的輸出信號。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器陣列，其中兩個(gè)或更多所述激光器中的每一個(gè)都產(chǎn)生相同波長的輸出信號。
28.制造表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的方法，所述方法包括以下步驟在公共的晶片襯底上，逐層形成大量的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)；在上述的晶片襯底上，形成第一個(gè)包層，激活層，第二個(gè)包層；聯(lián)合上述晶片襯底上的所述激活層，形成大量分布式衍射光柵；在所述光柵上形成相位移動以改變所述半導(dǎo)體激光器輸出信號的模式輪廓；在上述的晶片襯底上的每個(gè)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)中形成電極，以便向每個(gè)光柵中注入電流；當(dāng)上述半導(dǎo)體激光器仍在公共晶片襯底上時(shí)，通過向每個(gè)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)注入測試電流來測試半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的制造表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的方法，更進(jìn)一步包括在大量分布式衍射光柵之間同時(shí)形成鄰接區(qū)域的步驟。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的制造表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的方法，更進(jìn)一步包括調(diào)整至少一個(gè)與每個(gè)光柵相關(guān)的所述電極的尺寸與形狀的步驟，以橫向限制每一個(gè)所述半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的光模式。
31.根據(jù)權(quán)利要求28所述的制造表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的方法，更進(jìn)一步包括在上述每個(gè)光柵的兩端的鄰接區(qū)域中形成一個(gè)吸收區(qū)域的步驟。
32.根據(jù)權(quán)利要求28所述的生產(chǎn)表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的方法，進(jìn)一步包括沿著鄰接區(qū)域?qū)ι鲜鼍瑒澠?，以形成激光器陣列的步驟。
33.表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器包括具有激活層的半導(dǎo)體光激射結(jié)構(gòu)，鄰接上述激活層的反相包層，襯底，向半導(dǎo)體激射結(jié)構(gòu)注入電流的電極；與所述激光器結(jié)構(gòu)激活層相關(guān)的分布式衍射光柵，所述分布式衍射光柵具有周期性交替的光柵元件，每個(gè)所述光柵元件具有增益效應(yīng)，其中任何一對鄰近的光柵元件包括有相對高增益效應(yīng)的元件和有相對低增益效應(yīng)的元件，這些增益效應(yīng)的差異導(dǎo)致生成了在910nm-990nm或1200nm-1700nm范圍的輸出信號，其中所述光柵包括一個(gè)移相器，改變輸出模式輪廓，以方便將所述輸出耦合到光纖，及一種改良縱向空間空穴燃燒的裝置。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中，所述分布式衍射光柵是位于所述激活層的增益耦合光柵，用于改進(jìn)由所述改變模式輪廓引起的空間空穴燃燒的裝置，包括具有高增益值的交替光柵元件，其特征是，當(dāng)施加更高的增益到所述光柵元件時(shí)，所述高增益光柵元件的折射率會下降，其中所述折射率的下降可改良縱向空間空穴燃燒。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中，所述分布式衍射光柵是鄰近所述激活層的損耗耦合光柵，用于改進(jìn)由所述改變模式輪廓引起的空間空穴燃燒的裝置，包括所述具有低增益值的交替光柵元件，其特征是，當(dāng)施加的增益上升時(shí)，充足的光激載流子產(chǎn)生可補(bǔ)償激活層的載流子損耗，其中縱向空間空穴燃燒得到改良。
36.具有規(guī)定空間特征輸出信號的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器包括具有激活層的半導(dǎo)體光激射結(jié)構(gòu)，鄰接上述激活層的反相包層，襯底，向所述半導(dǎo)體光激射結(jié)構(gòu)注入電流從而能產(chǎn)生通信頻帶內(nèi)的輸出信號的電極，以及有移相器的指定大小和外形的分布式衍射光柵，依據(jù)注入激光器結(jié)構(gòu)的電流，提供模式輪廓以便所述輸出信號耦合到光纖。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的產(chǎn)生具有規(guī)定空間特性的輸出信號的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述光柵為已調(diào)間距光柵。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的產(chǎn)生具有規(guī)定空間特性的輸出信號的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述已調(diào)間距光柵將跨越所述激光器結(jié)構(gòu)的光子密度平坦化。
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的產(chǎn)生具有規(guī)定空間特性的輸出信號的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述已調(diào)間距光柵產(chǎn)生大體上為高斯外形的表面發(fā)射，其中心在所述激光器結(jié)構(gòu)的中央。
40.根據(jù)權(quán)利要求37所述的產(chǎn)生具有規(guī)定空間特性的輸出信號的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述已調(diào)間距光柵引起一個(gè)或多個(gè)次要模式在所述激光器結(jié)構(gòu)中央的表面發(fā)射趨向于零。
41.根據(jù)權(quán)利要求36所述的產(chǎn)生具有規(guī)定空間特性的輸出信號的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述分布式衍射光柵包括定義了光柵周期的交替的光柵元件，其中一個(gè)所述元件為有相對高增益的元件，鄰近的元件是相對低增益的元件，其中相對高增益的元件的長度大約為光柵周期長度的75％。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的產(chǎn)生具有規(guī)定空間特性的輸出信號的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述分布式衍射光柵是所述結(jié)構(gòu)激活區(qū)上的增益耦合光柵。
43.根據(jù)權(quán)利要求36所述的產(chǎn)生具有規(guī)定空間特性的輸出信號的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述分布式衍射光柵是所述結(jié)構(gòu)模容器內(nèi)的損耗耦合光柵。
44.根據(jù)權(quán)利要求36所述的產(chǎn)生具有規(guī)定空間特性的輸出信號的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中所述分布式衍射光柵是所述半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)上的電流阻擋光柵。
全文摘要
表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器包括具有激活層的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，鄰接上述激活層的反相包層，襯底和電極，通過它向上述的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)注入電流，還包括具有周期性交替的光柵元件的分布式衍射光柵；每個(gè)光柵元件的特征在于其是高增益元件或低增益元件，每個(gè)元件具有長度，高增益元件的長度與低增益元件的長度一起定義了光柵周期，其中，光柵周期位于光通信信號帶中所需產(chǎn)生光信號的范圍，用于在腔內(nèi)對所述相反運(yùn)行的模式進(jìn)行移相的裝置，以改變模式輪廓來提高所述輸出信號的近場強(qiáng)度；由改變的模式輪廓引起的空間空穴燃燒得到改良。
文檔編號H01S1/00GK1689204SQ02826313
公開日2005年10月26日 申請日期2002年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月11日
發(fā)明者阿里·M·沙姆斯－扎德哈米里, 偉·李 申請人:福托納米公司