专利名称：抛物柱面波导型准直透镜和可调外腔激光二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种抛物柱面波导型准直透镜(parabolic waveguide-typecollimating lens)和设置有其的可调外腔激光二极管；更具体而言，涉及一种能无模式跳变(mode hopping)地实现连续波长可调特性的抛物柱面波导型准直透镜和设置有其的可调外腔激光二极管。
背景技术：
通常，Littman-Metcalf型外腔和Littrow型外腔经常用作选择特定波长的外腔，以采用衍射光栅从具有预定增益带宽范围的增益媒质中选择特定波长。
常规波长可调激光二极管技术是通过采用MEMS(微机电系统，micro-electro-mechanical system)机械移动衍射光栅或反射镜而改变波长的外腔激光二极管。
然而，常规技术因为由各种光学元件和MEMS技术的驱动部分构成而封装困难，且其具有易于受外部变化影响的缺点。并且，它具有需要形成在半导体激光器端面上的高质量高成本的抗反射薄膜的缺点。
图1是示出根据现有技术的Littman-Metcalf型外腔激光二极管光源的示意图。
参照图1，Littman-Metcalf型外腔包括具有宽的波长带宽的增益媒质101、用于使增益媒质101所产生的光束平行的准直透镜102、用于衍射该平行光束的衍射光栅103和用于反射衍射光束的反射镜104。
如果光束从增益媒质101产生，该产生的光束被准直透镜102会聚得平行，且平行光束被衍射光栅103衍射到反射镜104。此时产生的光束的波长如下mλ＝nd(sinα+sinβ) 方程1其中m表示衍射级数，n表示折射率，d表示衍射光栅的周期，α表示入射角且β表示衍射角。
通常，由于衍射的级数和衍射光栅的周期在其制造时确定，为了在Littman-Metcalf型外腔激光二极管中实现波长调谐，改变入射到衍射光栅上的入射角或者改变反射镜的角度。
虽然增益媒质101的发射面由解理面或反射薄膜制成，其本质上要求在位于增益媒质101内部的端面上淀积高质量的抗反射薄膜106，以抑制由于法布里-玻罗(Fabry-Perot)谐振腔所导致的多波长振荡。
在图1中，反射镜104通过机械装置控制朝向衍射光栅103的角度，因此在入射到反射镜104的光束中，反射镜104可以仅反射具有特定波长的垂直入射光束到衍射光栅。反射回衍射光栅103的光束再次被衍射光栅103衍射，通过准直透镜102回到激光二极管101。
如果反射镜104从位置104a旋转到位置104b，垂直入射到反射镜104上的光束的类型改变了。即，虽然具有预定波长的第一光束105a垂直入射到反射镜104的位置104a上，以被反射到衍射光栅103，如果反射镜的位置由于反射镜104的旋转而变化到位置104b，具有另一波长的第二光束105b垂直入射到反射镜104上以被反射到衍射光栅103。因此，根据反射镜104所设置的角度，反射回增益媒质101的光束的波长变化，且相应于反射镜104的角度而实现波长调节。如此，应该指出，Littman-Metcalf型外腔可以通过控制反射镜104的角度而改变波长。
另一方面，Littrow型外腔激光二极管光源可以通过控制衍射光栅的角度而改变波长。图2是示出根据现有技术的Littrow型外腔激光二极管光源的示意图的结构图。
参照图2，Littrow型外腔激光二极管光源的结构与Littman-Metcalf型外腔激光二极管光源的类似。只是，Littrow型外腔激光二极管光源不是通过控制反射镜104的角度，而是通过控制衍射光栅103的角度而改变波长。此时振荡的光束的波长如下mλ＝2ndsinα 方程1其中m表示衍射级数，n表示折射率，d表示衍射光栅的周期，且α表示入射角(衍射角β等于入射角α)。
如在图1中所述，增益媒质101的前端面107由解理面或反射薄膜制成，其本质上要求在位于增益媒质101内部的截面上淀积高质量的抗反射薄膜106，以抑制由于法布里-玻罗(Fabry-Perot)谐振腔所导致的多波长振荡。
类似地，与上述Littman-Metcalf型外腔激光二极管光源中类似，由于衍射的级数和衍射光栅的周期在其制造时确定，可以通过改变入射到衍射光栅上的入射角而调节波长。
如果光束从增益媒质101产生，产生的光束被准直透镜102会聚得平行，且通过衍射具有响应于衍射光栅103的角度的特定波长的光束而通过准直透镜102将具有特定波长的光束反射回增益媒质101。
最后，通过响应于衍射光栅103设置的角度而改变反射回增益媒质101的光束的波长而实现谐振波长的调节。
如上所述，常规Littman-Metcalf或Littrow型外腔可调激光器可以通过控制角度而选择具有特定波长的光束，其中角度的控制通过机械旋转反射镜或衍射光栅而实现。因此，由于反射镜或衍射光栅被精确地机械旋转，其具有这样的缺点激光器稳定性降低；激光器易受外部震动影响；激光器具有大尺寸；且激光器在其封装过程中需要多个光学元件。而且，其另一缺点是由于光学对准不容易而增加了生产成本。
而且，SGDBR(取样光栅分布式布拉格反射器)和SSDBR(超结构分布式布拉格反射器)等被用作其他不同的常规可调光源。图3是示出根据现有技术的SGDBR型可调半导体激光器的示意图。
由于SGDBR可调半导体激光器由4个输入注入电流控制部分即增益部分、两个SGDBR部分和相移部分制成，其具有难于发现特定波长的运行条件的缺点。
另一方面，在图3中，分别地，参考标号201表示增益媒质(有源波导)，参考标号202表示无源波导，参考标号203表示SGDBR，参考标号204表示抗反射薄膜，参考标号205表示底欧姆接触，参考标号206表示欧姆层，且参考标号207表示欧姆电极。
图4是描述常规半导体基抛物柱面反射镜的平面图。
参照图4，入射到光纤的光束被传送到输入无源波导302，因此以辐射角θ分散到条形波导301。分散的光束被RIE(反应离子刻蚀)而蚀刻的抛物柱面TIR(内全反射)镜304变成反射到平行于x方向的方向的平行光束307。
此时，由于无源波导302的折射率与空气折射率之间的差异，抛物柱面镜根据斯涅尔定律反射入射到其上的光束，优选如果入射到抛物柱面镜的入射角(γ)306在临界角以上，则在反射镜处产生的损耗由于在抛物柱面反射镜处全反射光束而最小化。
图5A到5C是示出半导体基抛物柱面反射镜沿图4的线A-A’、B-B’和C-C’所取的截面图。衬底由Si、InP基半导体和GaAs基半导体之一制成。底覆层311、无源波导芯层312和顶覆层313形成在衬底上。并且，采用RIE，输入无源波导和抛物柱面全反射镜形成空气层314。
图6是示出根据现有技术的半导体基抛物柱面反射镜的平行光形成的图。
如图6所示，以任意入射角入射到抛物线中的焦点F(a，0)的光束被反射为平行于x轴的光束。另一方面，根据抛物线的定义所给出的线是这样的一系列点，其中给定线上的点与焦点F(a，0)之间的距离等于在给定线上的点与垂直线即x＝-a上的点之间的距离。因此，显然，由于从焦点F(a，0)通过给定线到任意线x＝s之间的距离不依赖于入射角，而总是彼此相等，所以反射的光束307是平行光束。
然而，在抛物柱面反射镜中，由于入射光束的方向与出射光束的方向存在90°差，其具有制造过程中在晶片上的集成度低的缺点。由于在制造后不易精确识别发射的抛物线光束的位置，其具有不易将光纤与微透镜光学对准的问题。
而且，由于，出射的平行光束的尺寸仅由从输入无源波导向条形波导移动的辐射角和焦点尺寸控制，存在任意调节出射平行光束尺寸上的限制。此外，由于向条形波导移动的辐射角取决于无源波导的宽度和无源波导芯层的厚度及折射率、输入无源波导的宽度，因此存在出射平行光束的尺寸响应于在具有同样焦点尺寸(focus size)的准直透镜中的无源波导芯层的厚度和折射率而变化的缺点。
通常，条形波导芯层的厚度和折射率以及输入无源波导的宽度在例如材料生长工艺、光刻工艺、RIE蚀刻工艺、湿法蚀刻工艺等工艺中响应于短期或长期(a short term or a long term)而稍有变化。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能单片地集成增益媒质、条形波导、光反射器和衍射光栅的抛物柱面波导型准直透镜。
本发明的另一目的是提供一种单片集成的可调外腔激光二极管，通过响应于电或热变化改变折射率而改变光束的方向，从而在外部振动下稳定工作。
本发明另一目的是提供一种单片集成的可调外腔激光二极管，其具有优良的波长选择特性，而同时降低了制造成本。
根据本发明的一方面，提供了一种可调外腔激光二极管，其包括准直透镜以校正发散的光栅为平行光束；条形波导，以通过其传播该平行光束；以及光反射器，响应于外部电信号，通过改变在通过条形波导传播的光束的传播通路上的媒质的折射率而改变光束的传播方向。
即，根据本发明的可调外腔激光二极管设置有响应于不同于常规Littman-Metcalf型和Littrow型外腔结构的电信号而工作的光反射器，因此通过电信号改变振荡波长，没有腔结构元件的机械移动。
根据本发明的另一方面，提供了一种可调外腔激光二极管，其把取代常规体型(bulk-type)准直透镜的准直透镜和增益媒质集成为一体，并设置有能响应于电信号和热变化而改变光束方向的光反射器，以及衍射光栅。
根据本发明的另一方面，提供了一种半导体基的准直透镜，包括接收来自外部光束的输入波导，用于把来自输入波导的发散光束校正为平行光束的抛物柱面波导，其中抛物柱面波导从关于通过输入波导输入的光束的传播方向线对称的抛物线形状变为通过垂直于穿过抛物线焦点的对称轴的直线除去极点(polar point)的形状。优选地，当光束从输入波导传播到抛物柱面波导时，通过逐渐减小(tapering)输入波导的宽度，辐射角增加和减小。
并且，由于根据本发明被电信号操作的可调光反射器的一个实施例包括由例如InP或GaAs基半导体制成的条形波导和平面三角形形状的局部p/n结，其特征在于，由于条形波导的载流子密度响应于电流注入和电压施加而变化或电光效应，可以通过改变折射率而任意控制穿过三角形可调光反射器的条形波导的光束的方向。或者，可调光反射器是由例如InP、GaAs基半导体、硅基半导体或聚合物基材料的材料制成的条形波导并通过在顶部淀积具有一定大小电阻的平面三角形(a triangle in plane)的金属而形成。并且，其特征在于，可以采用由响应于电信号的温度的变化引起的折射率的变化而任意控制穿过条形波导的光束的方向。
优选地，为了提高波长的调节范围，可调光反射器可以将特定波长转换为以该特定波长为中心的短波长和长波长。
从下面接合附图给出的优选实施例的描述中，本发明的上述和其他目的和特点将变得更为清楚，在附图中图1是示出根据现有技术的Littman-Metcalf型外腔激光二极管光源的示意图；图2是示出根据现有技术的Littrow型外腔激光二极管光源的示意图的方框图；图3是示出根据现有技术的SGDBR(取样光栅分布式布拉格反射器)型可调半导体激光器的示意图；图4是描述常规半导体基抛物柱面反射镜的平面图；图5A到5C是示出沿图4的线A-A’、B-B’和C-C’所取的半导体基抛物柱面反射镜的截面图；图6是描述根据现有技术的半导体基抛物柱面反射镜的平行光形成的曲线图；图7是代表根据本发明实施例的半导体基抛物柱面波导型准直透镜的平面图；图8A和8B是示出沿图7的线D-D’和E-E’所取的半导体基抛物柱面波导型准直透镜的截面图；图9是代表根据本发明另一实施例的设置有锥形输入无源波导的准直透镜的示意图；图10是示出根据本发明的抛物柱面波导型准直透镜的照片；图11A到11C是根据本发明的抛物柱面波导型准直透镜的近场图像；图12是示出根据本发明实施例的Littrow型单片集成可调外腔激光二极管光源的示意图；图13A和13B是描述沿图12的线A-A’和B-B‘所取的Littrow型单片集成可调外腔激光二极管光源的截面图；图13C到13E是示出沿图12的线C-C’、D-D’和E-E‘所取的Littrow型单片集成可调外腔激光二极管光源的截面图；图14A到14C是代表形成本发明的波导层的对接(butt-joint)技术的截面图；
图15是描述在根据本发明的光反射器产生的电流泄漏的截面图；图16是示出通过离子注入工艺防止图15的电流泄漏的结构的截面图；图17A到17C是代表通过生长非掺杂InP层或半绝缘InP层而防止图15所示的电流泄漏的结构的截面图；图18是示出根据本发明实施例制造的Littrow型单片集成可调外腔激光二极管中的光反射器响应于注入电流的波长可调特性的曲线图；图19是示出在根据本发明实施例制造的Littrow型单片集成可调外腔激光二极管中响应于相控制部分的注入电流的连续波长可调特性的曲线图；图20是示出根据本发明实施例的Littman-Metcalf型单片集成可调外腔激光二极管光源的示意图；图21是代表根据本发明实施例的Littrow型混合集成可调外腔激光二极管光源的示意图；图22是描述根据本发明实施例的Littman-Metcalf型混合集成可调外腔激光二极管光源的示意图。
具体实施例方式
下面，参照附图详细描述本发明的优选实施例。在此之前，不应将本说明书和权利要求中的术语或词语理解为限定它们为常规的或词典的意义，基于发明人适当限定了术语的概念以将其发明描述为最好的方法这一事实，它们应被理解为与本发明的技术精神相匹配的意义和概念。因此，由于在本说明书中描述的实施例和在附图中示出的结构仅是本发明的最好的优选实施例，它们不代表本发明的所有技术特征，应该理解，在提交本申请时，可以进行代替它们的各种变化和改进。
实施例1本实施例涉及一种抛物柱面波导型准直透镜，设置有改进的结构并能用于根据本发明的可调外腔激光二极管。
图7是表示根据本发明实施例的半导体基抛物柱面波导型准直透镜的平面图。
参照图7，示出了输入无源波导401和抛物柱面波导型准直透镜402。输入无源波导401的末端和抛物柱面波导型准直透镜402的输入端位于焦点F(a，0)，且抛物柱面波导型准直透镜402设置有一对抛物柱面波导(y2＝4ax)，其中抛物柱面波导是关于输入波导彼此对称的。
在这种情况下，抛物柱面波导型准直透镜402的初始宽度405是4a，输出端的宽度406决定准直光束403的尺寸。即，抛物柱面波导在抛物线形y2＝4ax抛物柱面波导的焦点F(a，0)处变为邻接输入无源波导401，“a”是抛物柱面波导的焦距，且抛物柱面波导形成为在抛物柱面波导型准直透镜402的宽度变为4a的点被截去的形状。
图8A和8B是示出半导体基抛物柱面波导型准直透镜沿线D-D’和E-E’所取的截面图。参照附图，在由例如Si、铌酸锂(LiNbO3)、InP基材料等制成的化合物半导体衬底410上，依次形成底覆层411、无源波导芯层412和顶覆层413。并且，输入无源波导401和抛物柱面波导型准直透镜402可以通过常规光刻和RIE(反应离子蚀刻)工艺而制造。
比较图7的本发明和图4的现有技术，本发明通过将输入波导和输出波导设置成直线，能在晶片上显著改善制造过程中的集成度，并具有输出准直光束的尺寸可以通过使用抛物线的焦点和长度而控制的优点。而且，比较图7的本发明与上述图4的现有技术，由于输出准直光束的尺寸不依赖于输入无源波导的宽度和在条形无源波导层中芯层的厚度和组分，本发明能精确知道输出准直光束的位置和尺寸，并具有优异的均匀性和可重复性。
然而，在图7中，存在这样的缺点，从输入无源波导401发射的光束中，未被抛物柱面波导型准直透镜402反射的输出准直光束的部分404a和404b未变成平行光。即，如果部分404a和404b变得增加，则抛物柱面波导型准直透镜402不能充分发挥准直透镜的作用。
第二实施例图9是示出向输入无源波导增加了宽度倾斜的锥型无源波导414以改进图7所示的外腔激光二极管的缺点的、根据本发明另一实施例的准直透镜的示意图。如果输入无源波导的宽度变得减小，由于辐射角在传播到抛物柱面波导型准直透镜403的过程中变得增加，通过相对减小未被抛物柱面波导型准直透镜反射的光束的比例能够减少光束的损耗。
图10是示出根据本发明的抛物柱面波导型准直透镜的照片。并且，图11A到11C分别是根据本发明的抛物柱面波导型准直透镜的近场图像。
所制造的抛物柱面波导型准直透镜通过下面的方法构成。即，在由例如n型InP半导体制成的底覆层、由例如非掺杂InGaAsP半导体制成的无源波导芯层和由非掺杂InP制成的顶覆层形成在由例如n型InP半导体制成的衬底上之后，通过常规光刻工艺和RIE工艺制造输入无源波导、锥形输入波导、抛物柱面波导型准直透镜和图10所示的条形波导。根据本发明的实施例，优选无源波导芯层具有从0.30～0.40μm范围的厚度，且非掺杂InGaAsP半导体的带隙从1.20μm到1.28μm变化。使用光纤将光束注入到所制造的抛物柱面波导型准直透镜中，且近场图像被安装在抛物柱面波导型准直透镜输出端的IR(红外)照相机拍摄。
如图11A到11C所示，随着条形长度的变化，空间多模未产生，可以这样理解，虽然输出光束穿过具有彼此不同的长度的条形波导，但输出的光束没有很大变化，因此光束输出为基本平行的光束。
第三实施例本实施例涉及一种可调外腔激光二极管，其设置有能由于电变化或热变化，而通过折射率的变化来改变光束方向的光反射器。为了产生入射到光反射器上的平行光束，虽然优选采用第一实施例中的准直透镜或第二实施例中的准直透镜，但可以采用根据常规技术的体型准直透镜(或填充有具有不同于波导的折射率的预定媒质的平凸透镜)。在下面的描述中，将详细描述在这些中运行质量最优异的设置有第二实施例的准直透镜的可调外腔激光二极管。
图12是示出根据本发明实施例的Littrow型单片集成可调外腔激光二极管光源的示意图。
参照图12，本可调外腔激光二极管的基本结构包括作为具有宽的波长范围的增益媒质的有源波导501和通过对接(butt-joint)连接的无源波导502。并且，本可调外腔激光二极管还包括形成在无源波导502上的相控制部分510、在其长度方向渐细的无源波导502、抛物柱面波导型准直透镜503、条形波导504、一对三角形光反射器505a和505b以及衍射光栅506。
在具有宽的波长范围的增益媒质处产生的光束输出为在抛物柱面波导型准直透镜503处具有足够光束尺寸的平行光束，由于仅被衍射光栅506所衍射的特定单一波长被反馈回有源波导501，该特定单一波长输出到有源波导501的前端面。此时，如果电信号施加到设置在条形区的光反射器505a和505b，光束的方向响应于电或热变化所导致的折射率的变化而通过斯涅尔定律发生改变。因此，响应于输入到衍射光栅506的入射角的变化而输出的单一波长光束的波长如数学方程式2而变化。
在条形波导504中的光反射器505a和505b通过在条形波导504的预定区域中形成p/n结而实现。即，p/n结仅在由例如InP或GaAs等能形成条形波导504的化合物半导体所形成的条形波导504中的三角形部分平面地形成，因此由于响应于施加到p/n结区的电压或注入电流的载流子密度的变化或电-光效应而改变了折射率。结果，当在条形波导504中传播的光束穿过p/n结区的三角形部分时，光束的折射角可以通过使用施加到p/n结区的电压或电流而控制。此时，折射率被响应于施加到p/n结区的电压或电流的条形波导504的载流子密度的变化或例如QCSE(量子限制斯塔克效应)的电-光效应而改变。
因此，光束可以在条形波导504与光反射器505a和505b的界面处被折射。在条形波导504由InP和InGaAsP制成的情况下，可以通过改变载流子密度到大约5×1018cm-3而将折射率最大变化0.05。因此，制造可调外腔激光二极管所需的所有元件都可以集成进单一衬底。并且，光反射器可以被构造为一对向前和向后的三角形。
根据本发明的实施例，优选地，由于未被抛物柱面波导型准直透镜503反射而未变成平行光束的光束509通过反射到其上未形成衍射光栅506的区域而不反射回抛物柱面波导型准直透镜503。这是通过使衍射光栅506的尺寸与抛物柱面波导型准直透镜503的输出端相等而实现的。
下面，将描述相应于每个结构部分的本半导体工艺的详细制造工艺。
图13A和13B是表明Littrow型单片集成可调外腔激光二极管光源沿图12的线A-A’和B-B’所取的截面图。并且，图13C到13E是示出Littrow型单片集成可调外腔激光二极管光源沿图12的线C-C’、D-D’和E-E’所取的截面图。
用于制造根据本发明实施例的Littrow型单片集成可调外腔激光二极管光源的方法如下。
首先，在由例如n型或非掺杂InP半导体制成的底覆层511、由非掺杂InGaAsP阱/InGaAsP势垒的多量子阱结构构成的有源波导的芯层512、和由例如p型InP半导体制成的覆层513依次形成在由例如n型InP半导体制成的衬底410上后，通过常规光刻工艺和RIE工艺，从除了有源波导区以外的无源波导区到有源波导的芯层进行蚀刻。根据本发明的实施例，优选多量子阱结构具有从1.50μm到1.60μm范围的带隙。
此后，无源波导的非掺杂InGaAsP层521通过对接工艺生长。根据本发明的实施例，优选无源波导的非掺杂InGaAsP具有1.20μm到1.28μm范围的带隙。接着，生长p型InP覆层513和522以及p型InGaAs欧姆接触层514。
图14A到14C是表示通过对接技术将有源波导层512连接到无源波导层521的工艺的截面图。图14A示出了构图工艺，图14B示出了RIE工艺且图14C示出了用于再生长无源波导层521的工艺。由于图中示出的对接技术对本领域的技术人员是公知的，因此此处将省略其详细描述。
即，有源波导通过常规光刻、RIE工艺和湿法刻蚀工艺形成浅脊(shallowridge)型波导图案，且无源波导形成为深脊(deep ridge)结构。最后，形成顶电极515a和底电极515b。在顶/底电极形成过程中，光反射器524可以根据实施一起形成。
另一方面，为了减小在光反射器中的注入电流的电流泄漏，优选在无源波导区中的顶覆层513的顶部和侧部上形成电流阻隔层523。
图15是示出产生在根据本发明实施例的光反射器处的电流泄漏的截面图。
为了实现作为本发明一个特点的波长调谐，电流注入进三角形光反射器，并通过使注入电流限制在无源波导的芯层521(通过顶覆层与底覆层之间的带隙差)而改变媒质的折射率。然而，如图所示，当注入电流穿过p型InP顶覆层513时，它并未被限定为沿垂直方向的直线向下，而是通过扩散分散到侧面。
因此，电流仅限定在三角形光反射器中(不扩散到侧面)且电流仅注入到三角形下面的无源波导的芯层是很重要的。然而，当注入电流如图所示扩散到侧面时，电流泄漏增加了；折射率改变的界面可能不是直角。为了减少p型顶覆层513的注入电流扩散现象，优选采用电流阻隔层。
可以使用非掺杂InP电流阻隔层、掺杂有半绝缘材料或离子注入的InP层作为电流阻隔层。
而且，优选地，有利的是，在增加可调外腔激光二极管光源的输出光强以减小光损耗中，无源波导中的芯层的顶覆层513由非掺杂InP电流阻隔层或掺杂有半绝缘材料的InP层制成。
图16是示出通过离子注入工艺而防止电流泄漏的结构的截面图。
通常，本领域的技术人员公知通过大大增加p型覆层电阻而防止在p型覆层中的电流扩散的方法，其中增加p型覆层电阻是通过将例如氢或氧等注入进p型覆层而实现的。在此方法中，在电流注入的区域通过覆盖光致抗蚀剂图案而防止离子注入之后，如果离子由离子注入机注入，具有高电阻的电流阻隔层形成在除了电流注入区之外的顶覆层上。此时，离子注入穿进衬底的深度可以通过改变离子注入机的加速能量而控制。
图17A到17C是代表通过生长非掺杂InP层或半绝缘InP层而防止电流泄漏的结构的截面图。这些是通过进行常规光刻(图17A所示)、RIE工艺(图17B所示)和再生长工艺(图17C所示)而实现的。
图18是示出在根据本发明的实施例而制造的Littrow型单片集成可调外腔激光二极管中响应于光反射器的注入电流的波长可调特性的曲线图。并且，图19是示出在根据本发明的实施例而制造的Littrow型单片集成可调外腔激光二极管中响应于相控制部分注入电流的连续波长可调特性的曲线图。
首先，参照图18，示出了在本发明提出的Littrow型单片集成可调外腔激光二极管中单一波长响应于光反射器505a和505b的注入电流的变化而变化。
并且，参照图19，示出了波长可以在大约0.05nm的准连续范围内响应于在相移部分中的注入电流的变化而调节，而有源波导501的注入电流和光反射器505a和505b的注入电流是固定的。并且，振荡波长具有40dB的SMSR(边模抑制比，side mode suppression ratio)，展示出非常优异的特性。
上述本发明实施例的有源波导的芯层可能采用InGaAs体结构。并且，也可能上述本发明实施例的无源波导的芯层采用具有InGaAsP阱/InGaAsP势垒的多量子阱结构。
图20是示出根据本发明实施例的Littman-Metcalf型单片集成可调外腔激光二极管光源的示意图，其中图12和图20的相似的参考标号代表同样的结构和同样的功能。虽然整个制造方法或结构以及运行原理与图12中的类似，但此实施例的特征在于其包括由RIE工艺蚀刻的反射镜531。此时，通过仅将垂直输入到蚀刻的反射镜的光束反馈回衍射光栅506，仅特定单一波长振荡。
然而，由RIE蚀刻的截面发挥着反射镜的作用，且由于光束沿垂直方向输入，不满足全反射条件，因反射镜所导致的光的损耗变得较大。
根据本发明的实施例，在改进输出特性的过程中，优选例如Al、Au、Ag、Pt等展示高反射率的材料淀积在由RIE工艺蚀刻的截面图上，或者通过淀积介电薄膜增加具有约90％的高反射率的薄膜。
第四实施例本实施例涉及一种能制造可调外腔激光二极管结构的可调外腔激光二极管，其中可调激光二极管结构通过使用抗反射层514a和514b分别形成增益媒质部分和可调部分而集成。
图21是代表根据本发明实施例的Littrow型混合集成可调外腔激光二极管光源的示意图。应该注意，图12和图21的相似的参考标号代表同样的结构和同样的功能。
参照图21，应该注意，增益媒质部分和可调部分通过抗反射层514a和514b而单独制造。具体地，在两部分，例如其上集成有有源波导501和抛物柱面波导型准直透镜503的第一部分以及其上形成有条形波导504、光反射器505a、505b和衍射光栅506的第二部分制造之后，可以实现混合集成的可调外腔激光二极管。混合集成的可调外腔激光二极管具有可以由具有优异的增益媒质的材料和具有优异的可调特性的材料单独制造的优点，因为它可以单独制造成为增益媒质部分和可调部分。
图22是描述根据本发明实施例的Littman-Metcalf型混合集成可调外腔激光二极管光源的示意图。因此，本实施例具有与图20所示的类似的结构。
另一方面，增益媒质、相移部分和准直透镜集成为一体的第一区，且条形波导、光反射器和衍射光栅集成为一体的第二区。而且，增益媒质、相移部分和准直透镜集成到第一区中，且条形波导、光反射器、反射镜和衍射光栅集成到一体的第二区中。
虽然参照某些实施例和附图描述了本发明，但其不局限于此，而且本领域的技术人员将理解，在不脱离权利要求所限定的范围内，可以进行各种变化和改进。
例如，在上述第一和第四实施例中所述的衬底可以采用InP基半导体和例如GaAs基半导体、Si基半导体、LiNbO3基半导体等的材料。有源波导的截面结构可以采用PBH(平面掩埋异质结构，planar buried hetero-structure)或BRS(掩埋脊条，buried ridge stripe)结构代替浅脊结构。并且，有源波导可以采用InP基半导体和例如掺杂有例如铒的稀土原子的GaAs基半导体、GaN基半导体、Si基半导体，掺杂有稀土原子的聚合物等各种媒质。并且，衬底或无源波导可以采用InP基半导体和例如GaAs基半导体、GaN基半导体、Si基半导体、聚合物、铌酸锂(LiNbO3)等各种媒质。
另一方面，如果具有一定大小电阻的金属例如钨用作光反射器的顶电极，则注入电流所导致的热效应会改变折射率。
根据本发明的实施例，通过将增益媒质和抛物柱面波导型准直透镜集成为一体，本可调外腔激光二极管具有这样的效果，它允许高速进行波长调节，从而改善了要求连续波长调节特性而不产生模式跳变的波长复用系统的性能。
而且，通过没有机械设备而进行振荡波长的变化，本发明改进了耐用性并节省了制造成本。
本申请包括涉及2005年5月31日在韩国专利局提交的韩国专利申请第2005-46155号的主题，其全部内容引用在此处作为参考。
虽然结合某些优选实施例描述了本发明，但本领域的技术人员将理解，在不脱离权利要求所限定的范围内，可以进行各种变化和改进。
权利要求
1.一种抛物柱面波导型准直透镜，包括输入波导，接收来自外部的光束；和抛物柱面波导，将从所述输入波导传送的光束校正为平行光，其中所述输入波导的末端和抛物柱面波导的输入端设置于所述抛物柱面波导的焦点，且抛物柱面波导的输入端宽度大约是从所述抛物面波导的顶点到焦点的距离的4倍。
2.如权利要求1所述的抛物柱面波导型准直透镜，其中所述输入波导包括宽度变得减小的锥形，该锥形作为连接到所述抛物柱面波导的部分，在接触所述抛物柱面波导的点具有最小宽度。
3.如权利要求1所述的抛物柱面波导型准直透镜，其中所述输入波导和抛物柱面波导通过半导体堆叠工艺形成为具有预定厚度的薄膜形状。
4.一种可调外腔激光二极管，包括准直透镜，用于将发散的光束校正为平行光束；条形波导，所述平行光束通过其传播；光反射器，通过响应于外部电信号改变位于通过条形波导传播的平行光束的传播通路上的媒质的折射率而改变所述平行光束的传播方向；和衍射光栅，衍射穿过所述光反射器的平行光束。
5.如权利要求4所述的可调外腔激光二极管，还包括反射镜，反馈被所述衍射光栅所衍射的平行光束。
6.如权利要求4所述的可调外腔激光二极管，其中所述光反射器是形成在无源波导表面上的p/n结区，以通过从外部接收电压或电流将电子注入到所述无源波导中而改变折射率。
7.如权利要求4所述的可调外腔激光二极管，其中所述条形波导包括至少一个折射率变化界面，其响应于所述光反射器的运行而相对于平行光束的传播方向倾斜预定角度。
8.如权利要求4所述的可调外腔激光二极管，其中所述光反射器设置有一对向前和向后方向的三角形。
9.如权利要求4所述的可调外腔激光二极管，其中所述准直透镜包括输入波导，接收来自外部的光；和抛物柱面波导，把从所述输入波导传送来的光束校正为平行光，其中所述输入波导的末端和抛物柱面波导的输入端位于所述抛物柱面波导的焦点，且所述抛物柱面波导输入端的宽度大约是从抛物面波导的顶点到焦点的距离的4倍。
10.如权利要求9所述的可调外腔激光二极管，其中所述输入波导包括宽度变得减小的锥形，该锥形作为连接到抛物柱面波导的部分，在接触所述抛物柱面波导的点具有最小宽度。
11.如权利要求4所述的可调外腔激光二极管，其中所述准直透镜保持体状态或者由填充有具有不同于所述无源波导的折射率的媒质的凸透镜制成。
12.如权利要求4所述的可调外腔激光二极管，其中用于所述衍射光栅的、来自所述准直透镜的发射表面的突出表面在尺寸上基本上等于准直透镜发射表面。
13.如权利要求4所述的可调外腔激光二极管，其中所述准直透镜和所述条形波导以预定距离分开。
14.如权利要求13所述的可调外腔激光二极管，其中所述准直透镜和所述无源波导独立制造，使得穿过所述准直透镜和所述无源波导的光束穿过不同媒质。
15.如权利要求13所述的可调外腔激光二极管，其中所述准直透镜的输出面和所述条形波导的输入面淀积有抗反射膜。
全文摘要
本发明涉及一种半导体基的抛物柱面波导型准直透镜和单片集成型可调外腔激光二极管光源。单片集成型可调外腔激光二极管光源包括用于产生光信号增益的增益媒质、用于把发散光束校正为平行光束的准直透镜、平行光束通过其传播的无源波导、通过响应于外部电信号改变位于通过条形波导传播的平行光束的传播通路上的媒质的折射率而改变所述平行光束的传播方向的光反射器，其中这些部分集成在一个由InP基半导体和例如GaAs基半导体、Si基半导体、LiNbO
文档编号H01S5/14GK1874093SQ20051013161
公开日2006年12月6日 申请日期2005年12月15日 优先权日2005年5月31日
发明者金铉洙, 沈恩德 申请人:韩国电子通信研究院