專利名稱：在二階或高階分布反饋激光器中抑制空間燒孔的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及電信領域，尤其涉及光信號電信系統。具體而言，本發明涉及用于為這種光學電信系統產生泵譜和載波信號的激光器，如半導體二極管激光器。
背景技術：
現在有很多不同的激光源可以作為電信通信的光信號源。它們包括固定的、可切換的或者可調波長的各種形式的激光器，例如法布里—泊羅(Fabry-Perot)、分布式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector，DBR)、垂直腔面發射激光管(VerticalCavity Surface Emitting Lasers，VCSEL)和分布反饋(Distributed Feedback，DFB)設計。目前在電信通信應用中最常見的信號載波源是邊發射折射率耦合DFB激光器源，其在調制速度、輸出功率、穩定性、噪音和邊模態抑止比(side mode suppressionratio，SMSR)方面均有良好性能。此處，SMSR指DFB激光器的屬性，具有不同波長的兩個低門限縱向模態，激光作用發生在這兩個波長上，其中一個是希望產生的，而另一個是不希望產生的。SMSR包括將不希望產生的波模態抑止到一定程度的措施，因此使更多的能量被轉化為希望的波模態，同時還具有減少了在又一DWDM通道波長來自不希望產生的波模態發射功率的串擾。此外，通過選擇適當的半導體材料和激光器設計，可非常容易地產生通信波長。
然而，邊發射激光器作為信號源也有很多缺點。主要問題是包裝激光器的體積和成本，這是由于在大多數情況下需要包含光隔離器和昂貴的光學鏡頭，以將光線耦合單模光纖。此外，一旦晶片被劈為條，且邊鍍上了抗反射鍍膜，邊發射激光器才能被適當地檢測。這些步驟不但耗時而且會導致產量下降，因此成本很高。所有這些導致需要研究一種信號源，它更簡單、生產率更高、包裝成本低廉，因此總體造價低廉。同時，所希望的信號源必須能達到可接受的類似或更好的輸出特性。一種可能的解決方法是表面發射DFB激光器結構。
適合作為通信信號源使用的表面發射DFB激光器包括主動增益層，該層夾在具有橫向光局限結構的光學局限層中，因此具有單橫向模態。此外，在光模態體積內有二階或更高階的分布反饋光柵。盡管可以使用高階光柵，本文的其余部分將主要參考二階光柵來代表最佳實施例和性能。并不是所有的高階光柵都可以用二階光柵來說明性能特征的。起初，邊發射DFB激光器的二階折射率光柵的使用目的在于提高對稱一階DFB激光器的光譜簡并性問題。在DFB激光器中，這兩個反相傳播模態可建設性地和破壞性地干涉，在阻帶邊緣生成兩個主激光模態。阻帶被定義為在這兩個主模態間的區域且沒有其他激光模態出現。在一階結構中，這兩個模態有相同的模態增益，因此發出激光的可能性相同(假設激光器在諧振腔端對稱)。對于二階結構，這兩個模態有不同的輻射損耗，因此現在具有凈增益區分機制在工作。諧振腔中具有光振幅破壞性干涉的模態的輻射損耗少些，因此與第二模態相比具有較低的門限增益。
這種在對稱一階DFB激光器中避免簡并性問題的手段比通常方法更好，通過將抗反射(anti-reflection，AR)鍍膜在一個小平面上且高反射(high-reflection，HR)鍍膜在另一個小平面上以破壞激光器的對稱來完成。這是因為使用通常方式對波長進行控制很困難，因為HR鍍膜面的反射能使波長略為偏移，因此使得波長輸出成為一個大問題，盡管SMSR輸出得到提高。
還有其他方法通過提高簡并性來提高單模態輸出。四分之一相移光柵可能是混合AR/HR平面鍍膜最常用的替代方法，相移使得單模態位于阻帶中間(位于或非常接近布拉格波長)，門限增益比在阻帶邊緣的兩模態要低，因此是一種理想的激光模態(lasing mode)。另一種不太常用的方式是使用復式耦合光柵。復式耦合光柵是指DFB激光器的偶合系數是復數。它可以通過主動耦合(增益或損耗波紋)和/或通過使用二階或高階光柵完成，它與輻射場耦合，構成偶合系數的虛數部分。每種方法都有自己的優缺點。
在上述二階DFB激光器中的輻射損耗模態選擇機制適于具有差的用于耦合單模光纖的表面發射近場分布的激光模態。該適用的模態，雖然在定義上具有很少的輻射損耗，但也相應地從表面發射少量的能量。因此，僅使用二階折射率耦合光柵DFB激光器不足以使表面發射激光器適于在光通信應用中使用。為了提高激光束的形狀同時作為模態選擇機制除去輻射損耗，Kinoshita建議在二階光柵中利用四分之一波相移區域[J.-I.kinoshita，“帶有相移的二階DFB激光器的光柵耦合輻射軸向分布”IEEE量子電子雜志，卷26，pp407-412，1990.3]。如下面所述，該方法不能完全解決表面發射DFB激光器的全部問題。
在電信領域之外，在美國專利5,727,013中提供了一個表面發射DFB激光器結構的實例。該專利中，揭示了用于產生藍/綠光的單瓣表面發射DFB激光器，其中二階光柵在該結構的吸收層中或直接在增益層中以改變激光束。然而有趣的是，該專利并沒有公開光柵是如何影響光纖耦合效果的(因為它不涉及任何電信應用)。該專利同時沒有說明是什么參數控制總輸出功率和光纖耦合效率的平衡或如何有效地控制該模態。最后，該專利沒有公開一種適合電信波長范圍的表面發射激光器。
毫無疑問，關于四分之一波相移DFB激光器的設計，人們主要關注的是空間燒孔效應。空間燒孔效應是一種在激光器諧振腔內高度地不均勻的光場所產生的非線性作用。以高的注入率，光學場密集的區域很快變得飽和，因此與激光器諧振腔其他區域相比，這些區域的載流子的密度被耗盡。由于等離子作用，本地載流子耗盡反過來導致本地折射率的改變。本地折射率改變導致降低激光器性能的非線性作用。通過相對于主模態的作用使二階模態得到增強，最明顯的癥狀是SMSR下降。在更為極端的操作條件下，可能會出現模態跳換。
空間燒孔效應在使用二階光柵的邊發射和表面發射的激光器中所起作用不同。在邊發射激光器中，通過設計使耦合系數保持相對低些，否則從邊的發射效率就低。由于在整個諧振腔中光學場密度保持相當一致，低耦合系數依次減輕了燒孔。相反，對于表面發射激光器來說，所希望的是集中的單瓣光學場，以達到與單模態光纖最佳耦合。盡管可以通過不同的設計獲得，最簡單的是加入四分之一波相移。理想的理論性能也要求高耦合系數以提高表面發射效率和在此相移更緊密地濃縮該場。通過在一個地方高度地濃縮該光學場，對空間燒孔而言該最佳表面發射設計同時也是最糟糕的設計。因此早期在表面發射DFB激光器研究中，人們認識到為了耦合和強度的目的從表面最大化光學場濃度的要求和為了空間燒孔的原因最小化該濃度之間的內在矛盾。從上面的考慮可以看到空間燒孔效應的控制在設計應用四分之一波相移的用以控制光模態和場分布的表面發射DFB激光器極為重要。
有兩個專利試圖減小燒孔效應，它們是美國專利4,958,357和5,970,081。第一個專利中，預示使用復雜電極幾何形狀以使更強的電流注入易受燒孔影響的區域。這種解決方法最多只是從性能上說有部分作用，而在制造和部署上更為復雜，導致更高的成本。此外，該專利是基于折射率耦合光柵的，沒有說明其他因素在減輕燒孔效應時有巨大作用。第二個專利中，它也是基于折射率耦合光柵的，通過在較大的區域(定義為比一個光柵周期大)分布相移來減輕燒孔，以減少峰值光學場密度。這種方法雖然可行，卻產生較少的較佳區域分布，還需要復雜的制造過程。它也沒有給出具有其他減輕因素的啟示。在這兩個專利中，沒有認識到和理解具有其他重要的減輕因素能夠導致不一致、高成本和不可接受的結果。因此這些專利的教導在商業上不可行。
就單模工作而言，制造帶有復雜光柵的四分之一波相移的激光器是毫無意義的。它自己本身的四分之一波相移足以適當地控制該模態。然而，為了提高DFB激光器的FM響應，Okai首先提出了在四分之一波相移DFB激光器中使用一階復雜耦合光柵的想法[M.Okai，M.Suzuki和M.aoki，“具有平坦FM響應的復雜耦合λ/4相移DFB激光器”IEEE雜志量子電子學選題，Vol..1，pp.461-465，1995年6月]。在同相復雜光柵中，耦合系數的實部和虛部是同樣的信號，同相復雜光柵通常被具體化為增益耦合光柵。反相復雜光柵是信號相反的光柵，最常見的實例是損耗耦合光柵。除了按照預想提高FM響應，Okai還提示了，在反相復雜光柵加強燒孔并降低激光器性能的同時，同相一階復雜光柵能抑制空間燒孔效應。
所希望的是表面發射激光器結構，其可提供有用數量的輸出功率且沒有有害的空間燒孔問題或者與現有相移技術相關的復雜的和部分解決方案。同時還希望一種結構，它具有低間歇噪音同時對背反射光反應遲鈍。
發明內容
本發明涉及在一階四分之一波相移DFB激光器中抑制空間燒孔效應的理論和物理學。在對物理學的正確理解的基礎上，表明增益耦合、二階、四分之一波相移且具有適當的占空因子的光柵構成表面發射激光器，其具有卓越的光模態和光譜性質，同時實際上不受空間燒孔的影響。依據本發明的激光器設計減少了種種設計用于減小空間燒孔方法的需要，這些方法通常很復雜。同時還提供了依據本發明的增益耦合、相移和二階光柵激光器的實驗結果，以說明本發明的性能。
本發明的一個方面表明，在不使用復雜的多電極注入技術或難度很大的相移方法的情況下，通過明智的占空因子的選擇，仍有可能大大減小具有四分之一波相移區域的二階DFB激光器的引入空間燒孔的多模態操作的發生。該可能性源于二階光柵本質上是復雜耦合光柵，通過復雜耦合光柵有可能大大降低空間燒孔效應。
以往就有人建議使用四分之一波相移和二階光柵，但沒有說明結果。迄今為止，光柵的占空因子，即光柵齒寬與光柵周期之比，不再被認為是重要的設計參數。依據本發明，這是因為直到目前為止，人們對直接影響空間燒孔的設計因素仍不能完全認識和理解。依據本發明，在占空因子的特定范圍內，空間燒孔的有害效果——限制激光器的工作電流和輸出功率——通過適當的設計選擇自然地被減輕。進一步，依據本發明，這種作用能被添加性地與增益耦合光柵設計結合以使激光器實際不受燒孔的影響。因此依據本發明的激光器設計具有四分之一波相移(即優良的單模態作業和用于光纖耦合的優良的表面發射光模態形狀)的優點而沒有由空間燒孔引起的典型的有害作用。同時，該設計固有的低間歇噪音和對背反射光反應高度遲鈍。
在本發明的一方面示例了，既然二階光柵固有地為復雜光柵，就有可能通過明智的光柵的占空因子的選擇來減小或避免空間燒孔。因此，只要二階光柵的占空因子的選擇適當，甚至是反射率耦合設計，同樣能夠表現出提高的空間燒孔抵制能力。此外，當與增益耦合光柵一起使用以獲得對空間燒孔反應的極度遲鈍時，通過仔細選擇占空因子獲得的改善還可帶來附加的效果。相反地，依據本發明，四分之一波相移損耗耦合光柵性能低下，由于有必要達到有用的光學場分布的占空因子，損耗耦合設計固有的增強空間燒孔使得情況更糟。
本發明的一個目的是提供一種表面發射激光器結構，它既能適合用在電信應用又可避免或減少與現有技術設計相聯系的空間燒孔問題。本發明的一個目的是提供一種低成本光學信號源，它能夠產生適合使用的在光學寬帶電信信號范圍內的信號。最好這種信號源是表面發射半導體激光器的形式，它能使用傳統半導體制造技術制成而且比現有技術的生產量更高。因此，本發明的一個目的是以比上述所引用的現有技術更低的成本產生信號源。
本發明的另一個目的是，對于寬帶通信應用來說，這樣的信號源具有足夠的功率、波長穩定、精確，且不會遇到由空間燒孔導致的不實際的限制。更具體地，所需要的是一種激光器結構，模態形狀優化以允許光纖耦合，而且它可以使用半導體領域的傳統平板印刷和材料技術制造。因此，所希望的是一種表面發射激光器，它包括一種改進空間燒孔的裝置以使從激光器輸出的實際功率得到提高。進一步，這種設備應該顯示出很小的間歇噪音，使信號得以傳輸和操作，而且沒有不可接受的脈沖加寬。進一步，該設備應該對背反射光很遲鈍，允許設備作為通信信號源工作且不需要使用光隔離器來維持穩定性能。
還希望一種半導體激光器信號源，它具有易于且高效地與單模態光纖耦合的信號輸出。這樣的設備最好還應該在單晶片上以陣列形式制造，而且可與如信號吸收鄰接區域和光電探測器的鄰近結構同時形成或制造。
本發明的進一步特征涉及制造效率。信號源陣列數目越大，低次品生產率的要求就越高。因此，如果每個源的生產率為98％，生產一個40個信號源的陣列的生產率僅為45％。因此，對于成本效率高的陣列生產而言，提高生產率非常重要。
本發明的另外一個方面是陣列的每個激光器源可被制造為可以在相同或不同的波長工作，最好是在電信通信信號波段范圍內的波長。此外，這種設備可具有內置探測器，與外部反饋電路連接，用于信號監視和信號保持。
本發明的優選實施例將結合附圖以實例說明，其中圖1是依據本發明在增益介質中形成的具有四分之一波相移二階光柵的表面發射半導體激光器的一個實施例的側視圖；圖2是圖1的實施例的端視圖；圖3是各種激光結構的模譜的圖表；圖4a是占空因子大于50％的模譜的圖表；圖4b是占空因子小于50％的模譜的圖表；圖5是kL＝2的折射率耦合光柵的模譜的圖表；圖6是kL＝2的增益耦合光柵的模譜的圖表；圖7是kL＝2的損耗耦合光柵的模譜的圖表；圖8是kL＝3的折射率耦合光柵的模譜的圖表；
圖9是kL＝3的損耗耦合光柵的模譜的圖表；圖10是kL＝3的增益耦合光柵的模譜的圖表；圖11是kL＝4的折射率耦合光柵的模譜的圖表；圖12是kL＝4的增益耦合光柵的模譜的圖表；圖13是依據本發明的激光器的功率對注入電流的示意圖；圖14是依據本發明的激光器電流剛好高于門限電流時的光譜的圖表；圖15是依據本發明的激光器電流遠遠高于門限電流時的光譜的圖表。
具體實施例方式
圖1是依據本發明的表面發射半導體激光器結構10的一個實施例的側視圖，圖2是該同一結構的端視圖。激光器結構10由許多使用標準半導體制造技術的層一個在另一個之上層疊而成。使人非常高興的是，本發明使用這種已知的半導體制造技術意味著本發明可大量高效制造而不需要任何新的制造技術。
在本公開說明書中，以下術語具有如下的意思。半導體的p區是摻雜電子接受者的區域，其中空穴(價帶中的空位)是主載流子。半導體的n區是摻雜電子的區域，它具有過量的電子，作為載流子。輸出信號指由本發明的半導體激光器產生的任何光學信號。模態體積是指在該體積內存在大量光模，即，光(信號)強度很大。例如，模態體積能夠以80％的光模能量定界。為了公開的目的，分布式衍射光柵是這樣一種光柵，該光柵與激光諧振腔的主動增益長度或者吸收長度結合，以使來自光柵的反饋引起干涉作用，該干涉作用只允許在一定波長的振動或者激光作用，其干涉得到加強。
本發明的衍射光柵由光柵或柵格元件組成，光柵或柵格元件能產生交變的光學性能，最好能改變增益或/和折射率效果。兩個相鄰的光柵元件定義為一個光柵周期。交變增益效果是相鄰光柵元件上的增益不同，一個具有相對較高的增益效果而另一個具有相對較低的增益效果。本發明包括，相對較低的增益效果可能很小且是正增益值或者可能沒有實際增益。因此，假設兩相鄰光柵元件間的增益作用和折射率的相對差已經足夠引起僅在一定波長的激光干涉作用，本發明包括光柵元件任何增益效果的絕對值。本發明包括任何可建立前面所述交變增益效果的光柵，包括在活性區中的增益耦合光柵。
依據本發明的衍射光柵的全部效果可被定義為限制激光振動為兩個縱向模態中的一個，該縱向模態可被稱為單模輸出信號。依據本發明，可使用各種技術進一步設計激光器以使模態分布能有效地與光纖耦合。
如圖1所示，激光器結構10的兩個外層12和14是電極。該電極的目的是能夠把電流注入激光器結構10中。注意，電極12包括開口16。開口16可使光學輸出信號從激光器結構10中向外穿出，在下面將作詳細描述。盡管圖示有開口，本發明包括使用連續電極，相同部分制成透明的，至少部分是透明的，以使產生的光信號穿出激光器結構10。由于易于制造且成本低，具有開口16的簡單金屬電極能夠提供合理的結果且廣受歡迎。光線輸出開口窗可位于電極14上(n側開口)。在后一種情況中，在本發明精神的范圍內，為了能夠更好的光輸出，除去襯底的一部分也是可行的。
毗鄰電極14的是n+InP襯底，或晶片17。毗鄰襯底17的是緩沖層18，其最好由n-InP組成。接下來的一層是由n-InGaAsP構成的限制層20。本層和其他四元層的一般組成的形式為InxGa1-xAsyP1-y而三元層的一般組成為In1-xGaxAs。接下來的一層是活性層22，它由活性量子阱和障壁(barrier)交替薄層構成，兩者都是由InGaAsP或InGaAs構成。本領域的技術人員知道InGaAsP或InGaAs是優選的半導體，這是因為這些半導體在一定組成范圍內能夠在1200nm至1700nm或更高的范圍內表現出光學增益，這個范圍包括了1300nm(1270-1320nm)的波段、S波段(1470-1520nm)、C波段(1525-1565nm)和L波段(1568-1610nm)的寬帶光譜。倘若產生的輸出信號落入寬帶范圍，其他半導體材料，如GaInNAs，InGaAIAs也包括在本發明中。對于使用適宜的材料組成(如InGaAs/GaAs)依照本發明設計的設備的電信重要性的又一相關波長范圍是從910nm至990nm的區域，它與最常碰到的泵譜光學放大器和基于Er、Yb或Yb/Er摻雜材料的光纖激光器的波長范圍相對。
在活性層22上的一層是p-InGaAsP限制層34。
在圖1的實施例中，衍射光柵24在活性層22和限制層34中形成。光柵24由高增益部分27和低增益部分28交替而成。優選地，光柵24為普通光柵，即具有常數周期穿過光柵，在激光器10中具有固定的大小、形狀和位置以組成上面所述的分布式衍射光柵。這種情況下，光柵24的周期定義為高增益部分27的長度32和相鄰低增益部分28的長度30之和。與高增益部分27相比，低增益部分28表現出低增益或無增益，這是因為該區域中大部分或所有活性結構已被移除。依據本發明，光柵24是一個二階光柵，即，具有在以表面發射的形式輸出信號的諧振腔內的引導波長相同的周期。
位于光柵24中心的是用于相移的裝置，它包括稍微有點寬的高增益“齒”26。齒26的尺寸和形狀應能夠發出四分之一波的相移。本領域技術人員應該了解本發明包括其他相移元件。所需要的是為光柵提供足夠的相移以改變附近區域強度分布，把主導模態從雙峰設置轉變為單峰設置，峰通常位于相移上。這種模態分布比雙瓣分布能更有效地與單模光纖耦合。因此，倘若改變模態分布以提高耦合率，相移量和影響相移的方式可在不偏離本發明主旨的情況下進行各種改變。
例如，可使用多個相移產生完全四分之一波移，如兩個λ/8，或兩個3λ/8，或包括其他組合。同時連續產生間歇噪音的光柵或調制節距光柵(pitch grating)也包含在內，盡管它們制造起來很困難。逐漸減小波導折射率是在諧振腔內分布相移的另外一種方法。很重要，需注意的是盡管可以使用其他相移的方法，它們必須被嚴格設計，在阻帶較長波長側的本征諧振腔(intrinsic cavity)具有主導模態并且在長軸方向保持希望的模態形狀。
在活性層22和限制層34上的一層是InP，埋在和填充在光柵35中。位于光柵埋層(grating burying layer)35上是p-InP緩沖區36。位于層36上的是p-InP覆層40，它依次在P++-InGaAs蓋層42上。
本領域技術人員應該明白，按如上描述配置的層制成的半導體激光器能夠被調整產生預定波長的輸出信號，如從寫在活性層的衍射光柵來的分布反饋致使激光器成為單模態激光器一樣。輸出信號的精確波長是許多變量的函數，這些變量依次相互關聯和與激光器結構的其他變量以復雜方式關聯。例如，一些影響輸出信號波長的變量包括光柵周期、活性層折射率、限制、覆層(其中一些依次隨溫度和注入電流而變化)、活性區域的組成成分(影響層應變、增益波長和折射率)和上述各層的厚度。另外一個重要變量是通過電極注入該結構的電流量。因此，依據本發明，通過操作這些變量，激光器結構可制成具有預定和高精確度的輸出波長的輸出。這樣的激光器在需要用于各自通道的信源或組成DWDM光譜的信號元件的通信工業是有用的。因此，本發明包括層厚度、增益周期、注入電流等等的各種各樣的組合，這些組合產生具有適用于電信應用的功率、波長和帶寬的輸出信號。
然而，僅僅獲得希望的波長和帶寬是不夠的。本發明解決的一個更為困難的問題是從二階光柵(因此，作為表面發射)產生所希望的精確的波長，以此方式它可被有效地耦合，例如與光纖耦合。輸出信號的空間特性對耦合效率影響很大，理想形狀是單模態單瓣高斯曲線。對于表面發射半導體激光器而言，兩個主模態包括一個發散的雙瓣模態和一個單瓣模態。前者很難與大多電信應用中必需的單模態光纖耦合，這是因為光纖只有一個單高斯模態。
術語占空因子(duty cycle)是指一個表現為高增益的光柵周期長度與光柵周期相比的分數。以更簡單的術語解釋，占空因子定義為光柵24周期中表現為高增益的部分。如圖1所示，在增益耦合激光器中通過蝕刻掉活性層的部分來控制占空因子這個參數，剩下的活性層部分就是占空因子。
圖1中，現在可以明白二階分布衍射光柵通過蝕刻增益媒介刻寫以形成光柵24。僅一個模態(增益門限最低的模態)會發出激光，產生良好的SMSR。本發明包括所希望的激光模態是單瓣的且近似高斯分布。以此方式，由于功率或信號強度的分布促進輸出信號耦合至光纖，激光模態能夠更容易地耦合至光纖。相移二階主動耦合光柵具有三個可激光的模態，與單瓣模態且低增益門限的主模態相比，其中兩個模態具有高增益門限和與單模態光纖的低耦合效率。主模態在相移位置具有一個峰，依據本發明，該峰在用于優化耦合至光纖的激光器結構的中點。
轉向圖2，所示為圖1激光器結構的側視圖。如圖2所示，電極12和14允許電壓加在穿過半導體激光器結構10以激發如上所描述的發激光，如前所述。進一步，可以看出，由阻隔層38所包的波導構成的掩埋的異質結結構用于把光模態側向地限制在電流注入流過的區域。除少部分區域在隱藏式異質結構上，絕緣層44設在電極12和蓋層42之間。絕緣層的設置以一種已知方式限制電流注入到靠近隱藏式異質結構的位置。盡管在本實施例中示例了隱藏式異質結構，但是它包括一種近似結構，這種近似結構可以使用脊形波導設計側向地限制載流子和光學場來制造。
在一階四分之一波相移光柵中的空間燒孔理解占空因子在四分之一波相移增益光柵中在抑制空間燒孔的作用可能與在使用復雜光柵的一階四分之一波相移DFB激光器中抑制空間燒孔的理論和物理學有關。在這樣的DFB激光器結構中，光學場在諧振腔中心在相移處達到峰值。因此，在此區域中激勵發射率(例如，激勵載流子復合)最高。增加注入電流，因此來激勵更多發射，在高場區域諧振腔的中心耗盡載流子。由于等離子作用(隨著載流子濃度減少折射率增加)在高場區域的折射率增加，使得諧振腔內的折射率不再一致。由于該折射率的改變也改變了光學場的相位(使中心四分之一波相移大些)，因此在阻帶較短波長一側的模態與阻帶中心的主模態競爭。四分之一波相移激光器的主模態和兩個主導側模態在圖3中由軌跡A圖示。在圖3中，除了A所示的四分之一波相移光柵的模態光譜外，B還圖示了對稱折射率耦合光柵的本征模態光譜，C還包括了帶有燒孔效應的對稱折射率耦合光柵的本征模態光譜，D為對稱同相(增益耦合)光柵的本征模態光譜，E為對稱反相(損耗耦合)光柵的本征模態光譜。注意，在具有圖3的B-E中所示的光譜的DFB激光器中沒有相移區域。
用這種方式設計帶有四分之一波相移的諧振腔以抑制空間燒孔效應，定義本征諧振腔這個概念是有用的。本征諧振腔意思是指從該光柵移除四分之一波相移而獲得的諧振腔。本征諧振腔的模態光譜在相應的四分之一波相移的激光器中起著重要的作用。為了在四分之一波相移DFB激光器中減小空間燒孔，相應本征諧振腔的主導模態應該在阻帶的邊上，平衡由于空間燒孔與主模態競爭的模態。換而言之，相應本征諧振腔的主導模態為實際情況的利益應該在阻帶較長波長的一側。該模態隨后抑制阻帶較短波長側的模態，不允許它與位于阻帶中心的主模態競爭。應該注意，在傳統具有一階折射率光柵的四分之一波相移DFB激光器中，在阻帶較短波長一側的模態與主模態競爭。圖3對比了有和沒有燒孔效應的一階折射率耦合光柵的模態光譜，同相主動光柵，和反相主動光柵。從圖中清楚示出了，如果將它們用在四分之一波相移結構中，同相(增益耦合)光柵抑制空間燒孔效應。相反地，反相(損耗耦合)和折射率耦合光柵在四分之一波相移設計中增強了空間燒孔效應，這是因為本征諧振腔的主導模態位于阻帶較短的波長一側，因此降低了相應四分之一波相移激光器的性能。
基于上面的在一階四分之一波相移激光器中抑制/增加空間燒孔的物理圖，本發明包含下列結果。
(1)在帶有一階折射率光柵的四分之一波相移DFB激光器中，既不希望有抑制也不希望有增強空間燒孔的機制。
(2)在帶有一階折射率光柵的四分之一波相移DFB激光器中，相應的本征諧振腔支持在阻帶較長側的模態。因此，在相應的四分之一波相移光柵中會有一些對空間燒孔的抑制。
(3)在具有一階損耗光柵的四分之一波相移DFB激光器中，相應的本征諧振腔支持在該阻帶較短側的模態。因此，在加強了空間燒孔并因此降低了相應的四分之一波相移光柵的性能。
在二階光柵中抑制空間燒孔效應現在我們考慮實現二階光柵。原則上，下面描述的效果能夠用于高階光柵，但由于實際和描述的原因，我們把討論限于二階光柵。二階光柵引入了輻射場(和因此表面發射)和復雜耦合系數，其能夠被用到空間燒孔問題。在重要發展中，我們此處表明二階光柵的占空因子能夠用于作為控制空間燒孔的手段。如介紹中所作的描述，我們必須認識到二階光柵為復雜耦合結構。當采用這種革新方式時，我們考慮了光柵占空因子對空間燒孔的作用，這里占空因子定義為光柵齒寬和光柵周期的比值。使用第一次在前邊描述的考慮本征諧振腔的方法，我們可計算圖4所示二階、四分之一波相移、折射率耦合、增益耦合、損耗耦合的光柵占空因子大于和小于50％時的模態光譜。因此，圖4的模態光譜如下占空因子＞50％時折射率耦合(A)、增益耦合(B)和損耗耦合(C)的光柵和占空因子＜50％時折射率耦合(D)、增益耦合(E)和損耗耦合(F)的光柵。
從圖4，我們看到在具有占空因子小于50％的二階光柵的四分之一波相移DFB激光器中，本征諧振腔在阻帶較短波長側具有主導模態，因此相應的四分之一波相移激光器受加強的空間燒孔的影響。對于三種耦合形式來說這或多或少都是正確的。另一方面，占空因子大于50％時，可能除了損耗光柵，本征諧振腔的主導模態將在阻帶較長波長的一側，因此在相應的四分之一波相移激光器中導致對空間燒孔的抑制作用。
在具有二階增益耦合光柵的四分之一波相移DFB激光器中，占空因子小于50％時，在室溫下激光器諧振腔可能沒有足夠的增益發射激光。甚至在高水平增益或較長的諧振腔時，由于增益微擾的耦合系數和由于輻射場的耦合系數趨向于彼此抵消，光柵甚至可能會變成反相，就空間燒孔而言這是非常有害的。為了避免高物質增益需求和獲得具有高耦合系數的適當的近場輻射模式，最好使用蝕刻入活性區間(增益耦合)的四分之一波相移光柵且占空因子大于50％。對于這種激光器而言，由于本征諧振腔將在阻帶較長波長側發射激光[D.M.Adams，I.Woods，J.K.White，R.Finally和D.Goodchild，“具有截去量子阱二階光柵的增益耦合DFB激光器”vol.37，no.25，pp.1521-1522，2001年12月]且由于輻射場的耦合系數增強了增益耦合系數，在相應四分之一波相移裝置中的空間燒孔被高度抑制。這意味著離散四分之一波相移能制成實際的表面發射裝置，不需要采用極端措施如復雜電極或通過在很大的區域分布相移來退化光學空間分布。這對于占空因子大于50％的增益耦合裝置來說千真萬確，對于相似占空因子的折射率耦合裝置來說效果會有所減弱但仍然有效。
循著同一條原因線索，我們發現空間燒孔在具有損耗耦合光柵的四分之一波相移二階DFB激光器中相當強烈。這種情況下，因為占空因子必須小于50％以避免高物質增益需求，占空因子大于50％高諧振腔損耗必須遵循這種高物質增益需求。接下來，空間燒孔和本征諧振腔都喜歡阻帶較短波長一側的模態，導致增強而不是抑制空間燒孔。
線寬考慮通過結合占空因子大于50％的二階增益耦合光柵，對空間燒孔效應的極端抑制允許耦合系數相當高，且不會伴隨通常的性能下降。除了集中光學場外，增加的耦合系數還有其他的有益作用。增加的折射率耦合系數減小激光器的門限，只需要更少的增益就可驅動激光器。因此，更少的自發發射與激光器模態耦合，這是減小線寬的一種手段。當使用直接調制傳輸源傳送信息時，線寬的減少對減少間歇噪音和加大儀器覆蓋范圍是有幫助的。最后，由于當耦合系數大時邊緣的場強度很低所以鏡損耗變小。這導致與不同縱向模態耦合的自發發射變得相關性更弱，進一步減小激光器的線寬[P.Szczepanki和A.Kujawski，“分布反饋激光器的縱向特征模的非正交性”光學通信，vol.87 pp.259-262，1992]。
數字結果為了支持以上模態，同相或反相光柵在四分之一波相移激光器空間燒孔的效果使用數字實例計算。
首先，考慮折射率耦合，具有調制標準化耦合系數為kL＝2的四分之一波相移DFB激光器。注意這里k是由折射率調制引起的耦合系數，L是激光器諧振腔的長度。注意，該耦合系數將被認為相對高以至可能成為邊發射設備的潛在問題。該激光器甚至在如圖5所示的100mA的基本水平時表現良好。引入10％的增益或損耗耦合系數(分別為同相和反相)仍然能使激光器保持在單模態狀態，分別如圖6和7所示。但是，引入增益耦合系數提高了光譜純度(圖6)反之引入損耗耦合系數(圖7)使激光器更容易空間燒孔。較短波側模態的強度相對增加說明了這一點。
在第二個實例中，我們把標準耦合系數增加到kL＝3。基準電流仍然是100mA。在此電流注入水平，激光器是單模態，如圖8所示。然而，很有趣能注意到效果顯著的邊模態——尤其是在較短波長側。通過引入10％的損耗耦合(反相光柵)激光器進入多模態工作，如圖9所示。因此，空間燒孔導致嚴重的性能降低。另一方面，引入10％的增益耦合(同相光柵)減小在阻帶較短波長側的模態的相對強度，因此空間燒孔效應得到高度抑制，如圖10所示。
最后，我們考慮具有強耦合系數kL＝4的激光器。如圖11所示，在100mA注入電流下折射率耦合激光器進入多模態工作。我們早就說明kL＝3的損耗耦合有問題，所以此處不再考慮這種情況。但是通過使用同相增益光柵激光器包含進10％增益耦合，激光器工作在單模態狀態，如圖12所示。因此對于具有離散四分之一波相移和大于50％占空因子的優選配置的二階增益耦合光柵而言，即使是非常強耦合的激光器，伴隨有較低門限電流，為光纖耦合提高了光模態、線寬變窄、優化表面發射效果，仍可在不受空間燒孔損害的情況下工作。
實驗結果具有二階增益耦合光柵和大于75％占空因子的四分之一波相移DFB激光器中的抑制空間燒孔通過實驗得到驗證。在典型裝置中，占空因子為75％，圖13所示的LI曲線表明門限電流約為20mA。在25mA基準電流下的激光器光譜如圖14所示。從阻帶開始，該裝置的標準耦合系數為kL＞4。對于這樣高的耦合系數而言，在基準不偏離門限電流很多的情況下，可以期望典型DFB光柵結構多模態工作。但是，如圖15所示，即使是在基準電流150mA的情況下，這是門限電流的7倍還多，激光器在側模態抑制接近60dB仍然保持單模態工作。這清楚地說明該設計的強空間燒孔抑制。
背反射遲鈍二階表面發射DFB激光器設計的另外一個重要優點就是由于從諧振腔中出來的輻射的耦合本性，在光路中的反射不會導致外部諧振腔的建立，外部諧振腔會與內部諧振腔競爭并使內部諧振腔不穩定。結果是激光器對背反射較所有傳統設計，包括邊發射DFB、外部諧振腔和VCSEL激光器都更穩定。這個特點在中距離和較遠距離(一般超過40km)的電信通信應用中尤為重要，在中距離和較遠距離的電信通信應用中通常使用光隔離器以防止與背反射有關的性能下降。
優選實施例上述設計考慮可在許多材料系統中使用。對于電信通信應用而言，優選的材料系統是InGaAsP/InP和AllnGaAs/InP，這是因為它們現在是生產波長范圍在1.25-1.65μm的激光器的主要材料系統。然而，基于氮化物的新材料系統正在開發中，而且也適用于電信通信應用。
優選實施例使用具有5-10個量子阱的多量子阱結構來在期望的波長波段提供增益。DFB光柵最好使用干法蝕刻過程來生產方形、占空因子(定義為在光柵結構中沒有蝕刻的相對長度)大于50％且小于90％最好在60-70％范圍內的光柵。這平衡了為高反饋提供強耦合系數和具有高輻射耦合系數的場濃度。注意如果占空因子下降到50％，輻射耦合很高但耦合系數降至0。隨著占空因子的增加，耦合系數在占空因子75％時達到最大值，然后在占空因子為100％降至0，而輻射耦合在占空因子為100％時單調地降至0。因此，如上所述，優選范圍是低于75％在64％的范圍，此時對于反饋和本地光學模來說耦合相對地強，而且同時輻射耦合也沒有強烈地下降。光柵深度的選擇應該使標準耦合系數kL在3-7之間，最好是在4.5-5.5之間。這些高數值最小化了從設備邊的功率發射，最小化了線寬，最大化了FM響應，最小化了直接調制的間歇噪音。
如果光柵是濕法蝕刻的——通常產生三角形(或可能是梯形的)的光柵，盡管不能非常有效，光柵的性能還是令人刮目相看的。在此例子中，占空因子(此處定義為光柵最寬部分沒有蝕刻的部分長度)一定要小一些，一般是40-60％，以優化相關耦合系數。
該裝置可通過典型脊形波導(ridge waveguide，RWG)結構或隱藏式異質結構(buried heterojunction，BH)構造。前者易于制造，但結很難于熱控制，使得在未冷卻的應用中性能下降。還值得注意的是，對于RWG結構而言，由于在電極上開足夠長的洞向脊里注入電流會使性能降低，表面發射最好從設備的n側或襯底進行。相反，我們示例了，盡管在BH結構上開250μm的開口，以允許光從p側上表面發出，電流注入還是可以很好的保持。從光學的觀點來看，兩種情況都很容易操作。
為了達到最佳熱性能，優選BH結構。進一步，在構造BH結構中，最好使用半絕緣材料而不是可逆流的p-n結來形成電流阻礙結構。前一種情況允許使用加強熱管理，同時減少導致高速應用性能下降的寄生電容。
本發明的另一個優點現在可以理解了。本發明包括一種制造方法，既不需要在晶片上劈開獨立元件，也不需要在開始功能測試激光器結構之前完成激光器結構的端封裝。例如，參照圖1，當結構建好仍處于晶片形式時，結構10中形成電極12和14。當在晶片上時，每個結構10都可以通過晶片上的電極的適當的模式和沉積與相鄰結構電隔絕，在光柵間的連接區域形成高阻區，如上記錄的那樣。因此，每個結構的電特性均可在任何封裝之前在晶片上測試，僅通過向晶片上的每個光柵結構注入電流。因此，在封裝步驟前(甚至劈片前)有缺陷的結構可被拋棄或丟棄，這意味著依據本發明的激光器結構的生產更為高效，因此比現有技術花費更低，現有技術中的封裝不但復雜且必須在測試前完成。因此，現有技術中必須的對不起作用的或純粹故障的激光器結構的劈片、端封步驟本發明中完全除去了。
歡迎本領域的技術人員在不偏離所附范圍很寬的權利要求的主旨下參考優選實施例對本發明進行各種修改和變換。一些變更已在上面進行了討論，一些則是對本領域的技術人員而言顯而易見的。例如，雖然表明了本發明半導體激光器的結構的各層的優選結構，也可以使用其他能產生可接受的結果的結構。這些結構也許是折射率耦合，也許是增益耦合，或者兩者都是。相信重要的是在阻帶較長波長側有具有主導模態的本征諧振腔。
權利要求
1.一種表面發射半導體激光器包括半導體激光器結構，定義了具有活性層的本征諧振腔，鄰近所述活性層的相對連接的覆層，襯底和電極，電流通過電極注入所述半導體激光器結構以使所述激光器結構以至少表面發射的形式發射輸出信號，所述本征諧振腔被配置為在阻帶的較長波長側具有主導模態；側向地限制光模態的裝置；與所述本征諧振腔相關的二階分布式衍射光柵，所述衍射光柵具有多個光柵元件，這些光柵元件具有周期性交變的光學性質，當所述電流注入具有一定尺寸和形狀以在本征諧振腔內產生反向流動的導模態的所述激光器結構所述光柵時，其中所述光柵的占空因子大于50％且小于90％；和用于在本征諧振腔內轉移所述反向流動導模態的相位以改變模態分布和所述輸出信號的輻射強度的裝置。
2.如權利要求1所述的表面發射半導體激光器，其中，所述交變的光學性質包含交變的折射率和交變的活性層增益。
3.如權利要求1所述的表面發射半導體激光器，其中，所述交變的光學性質包含交變的折射率。
4.如權利要求1所述的表面發射半導體激光器，其中，所述占空因子在50％和90％之間。
5.如權利要求4所述的表面發射半導體激光器，其中，所述占空因子在60％和67％之間。
6.如權利要求1所述的表面發射半導體激光器，其中，所述阻帶的中心波長在1.25微米到1.65微米的范圍內。
7.如權利要求1所述的表面發射半導體激光器，其中，所述諧振腔包含具有5到10個量子阱的多量子阱結構。
8.如權利要求1所述的表面發射半導體激光器，其中，所述光柵為方形干法蝕刻的光柵。
9.如權利要求1所述的表面發射半導體激光器，其中，所述光柵深度使得標準耦合系數在3和7之間。
10.如權利要求7所述的表面發射半導體激光器，其中，所述光柵深度使得標準耦合系數在4.5和5.5之間。
11.如權利要求1所述的表面發射半導體激光器，其中，所述分布式衍射光柵為光學活性且在活性層的增益介質中形成。
12.如權利要求1所述的表面發射半導體激光器，其中，所述結構進一步包括鄰近區域，它在平面上至少部分包圍所述光柵。
13.如權利要求12所述的表面發射半導體激光器，其中，所述鄰近區域進一步包括完整地形成的吸收區域，該區域位于所述分布式衍射光柵的任意一端。
14.如權利要求12所述的表面發射半導體激光器，進一步包括具有光電探測器的鄰近區域。
15.如權利要求14所述的表面發射半導體激光器，其中，所述光電探測器與所述激光結構完全地形成在一起。
16.如權利要求14所述的表面發射半導體激光器，進一步包括與所述光電探測器連接的反饋回路，以將期望的輸出信號和測試到的輸出信號進行比較。
17.如權利要求16所述的表面發射半導體激光器，進一步包括調節器，用于調節輸入電流，以使所述輸出信號保持期望特性。
18.如權利要求12所述的表面發射半導體激光器，其中，所述鄰近區域從當所述激光器使用時具有能夠足夠電隔絕所述光柵的阻抗的材料而形成。
19.如權利要求1所述的表面發射半導體激光器，其中，其中，所述電極之一包括信號發射開口。
20.如權利要求1所述的表面發射半導體激光器，其中，用于側向地限制光模態的所述裝置由脊形波導結構構成。
21.如權利要求1所述的表面發射半導體激光器，其中，用于側向地限制光模態的所述裝置由隱藏式異質結構構成。
22.如權利要求1所述的表面發射半導體激光器的陣列，其中，所述陣列包括在同一襯底上兩個或兩個以上的所述激光器。
23.如權利要求22所述的表面發射半導體激光器的陣列，其中，每一個所述兩個或兩個以上的所述激光器產生具有不同波長和輸出功率的輸出信號，而且能夠被單獨調制。
24.如權利要求22所述的表面發射半導體激光器的陣列，其中，每一個所述兩個或兩個以上的所述激光器產生具有相同波長的輸出信號。
25.一種制造表面發射半導體激光器的方法，所述方法包括如下步驟構成多個半導體激光器結構，在同一晶片襯底上通過以連續的層形成而定義出許多本征激光諧振腔；在所述晶片襯底上，第一覆層，活性層和第二覆層；形成多個二階分布式衍射光柵，以定義所述本征諧振腔，其中所述本征諧振腔在阻帶的較長波長側具有主導模態；在所述光柵上形成相移器，以改變所述半導體激光器的輸出信號的模態分布，所述光柵的占空因子大于50％且小于90％；形成側向地限制光模態的裝置；和在所述晶片層上的每一個所述半導體激光器結構上形成電極，用于將電流注入每一個所述激光器結構。
26.如權利要求25所述的制造表面發射半導體激光器的方法，進一步包括在所述多個具有所述本征諧振腔的分布式衍射光柵間同時形成鄰近區域的步驟。
27.如權利要求25所述的制造表面發射半導體激光器的方法，其中，所述側向地限制光模態的裝置是隱藏式異質結構的構造。
28.如權利要求25所述的制造表面發射半導體激光器的方法，其中，所述側向地限制光模態的裝置是脊形波導結構。
29.如權利要求25所述的制造表面發射半導體激光器的方法，進一步包括在每個所述光柵的任一端在所述鄰近區域內形成吸收區域的步驟。
30.如權利要求25所述的制造表面發射半導體激光器的方法，進一步包括沿所述鄰近區域劈開所述晶片以形成激光器陣列的步驟。
全文摘要
一種半導體激光器結構(10)，定義了具有活性層(22)的本征諧振腔，比鄰所述活性層(22)的相對連接的覆層，底層(17)和電極(12)，電流通過電極注入所述半導體激光器結構(10)，使得所述激光器結構以至少表面發射的形式發射輸出信號，所述本征諧振腔設置為在阻帶的較長波長側具有主導模態。用于側向地限制光模態的例如隱藏式異質結構的結構包括在內。與所述本征諧振腔相關的二階分布式衍射光柵(24)，所述衍射光柵(24)具有多個光柵元件(27，28)，這些光柵元件具有周期性交變的光學性質，當所述電流注入所述激光器結構所述光柵具有一定尺寸和形狀以在本征諧振腔內產生反向流動的導模態，其中所述光柵的占空因子大于50％且小于90％。還提供了在本征諧振腔內用于所述反向流動導模態使相移的裝置(26)，以改變模態分布來增加所述輸出信號的近場強度。
文檔編號H01S5/0683GK1823456SQ200480020553
公開日2006年8月23日 申請日期2004年6月9日 優先權日2003年6月10日
發明者阿里·M·沙姆斯·讓德赫·阿米里, 偉·李, 湯姆·哈斯利特, 塞義德·穆斯塔法·薩迪吉 申請人:福托納米公司