专利名称：具有边模抑制的半导体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光器领域。更具体的，本发明涉及一种用于抑制半导体激光器中二阶模的系统和方法。
背景技术：
激光器是光学网络的一些主要组件。例如，其经常用于光学收发器中以产生经由光学网络传输的光学信号。激光器也用于激励(pump)各种类型的光学放大器，诸如拉曼(Raman)放大器和掺铒(erbium-doped)放大器。
边发射型激光器，诸如珐布里-珀罗(Fabry-Perot)激光器、分布式反馈激光器(DFB激光器)和分布式布拉格反射激光器(DBR激光器)等，是在光学环境下使用的半导体激光器的例子。脊波导(Ridge waveguide)型激光器是具有被蚀刻的脊的边发射型激光器的一种形式。
半导体激光器，诸如边发射型激光器，的输出光谱通常与激光腔的长度有关。由于边发射型激光器趋于具有相对较长的腔，所以存在几种可以在腔内发出激光的波长。结果，许多边发射型激光器经常被称为多纵模(MLM)激光器。
MLM激光器的输出光谱可以具有10纳米左右的光谱宽度，但是光谱宽度可能会因激光器的不同而变化。尽管MLM激光器可能在各种应用中都有用，但是随着光学网络速度的增加，该MLM激光器效用减弱。换句话说，在高速光学网络中使用MLM激光器通常导致色散。另外，当使用MLM激光器时，波分复用(WDM)系统会承受巨大的色度亮度干扰。
减小半导体激光器的光谱宽度的一种方法是在诸如分布式反馈激光器(DFB激光器)或DBR激光器中使用分布式反射器。DFB激光器或DBR激光器通常都具有小于简易珐布里-珀罗激光器的光谱宽度。在一些激光器中，也可以通过蚀刻掉部分半导体激光器而形成台面(mesa)或者脊。该脊也有助于使半导体激光器发出单一模式。
事实上，可以通过台面或者脊的宽度影响由激光器发出的模式。如果脊太宽，则激光器可以支持二阶横模，使得对于各纵模存在两种模式。不幸的是，可以导致更窄光谱宽度的窄宽度具有缺点，诸如较高阈值电流和较高电压的降低的光学局限。通过激光器的材料增益也能够制造单一模式激光器。在较低的温度下，半导体激光器的材料增益趋于蓝移(移向较短的波长)。由于激光器的二阶横模位于半导体激光器的基模的蓝色边，该二阶模可能影响半导体激光器的性能。
发明内容
通过本发明的实施方式可以克服这些和其他缺点，本发明涉及一种用于从半导体激光器中减小或移除光学模的系统和方法。包括分布式反馈(DFB)激光器和DBR激光器的半导体激光器可以展现出较小(poor)的边模抑制比，并且通过除去或减小二阶模，本发明的实施方式改变了边模抑制比。由于在较低温度下材料的增益趋于移向较短的波长(蓝移)，半导体激光器的较小的边模抑制比在较低温度下变得更加突出。二阶模位于基模的短波长边上。结果，向较短波长的移动可以导致较小的边模抑制比。
在一实施方式中，在半导体激光器中包括波导层，诸如平面板层波导层。该波导层可以位于激光器结构的有源区域之下，使得其可以横向自由(unbounded)。通常波导层为与激光器的结构匹配的晶格，并且也配置该波导层使其支持的模相速对应于有源区域的二阶模的相速。同时，与波导层相关的相速进一步远离基模的相速。结果，在波导层与二阶模之间的光学耦合强度比波导层与基模或主模之间的光学耦合强度强。
因为波导层与次模之间的耦合很强，所以减小了次模对激光器有源区域的局限，并且将次模从激光器的波导层中有效去除。同时，因为基模的波导层和有源区域之间的耦合比较弱，所以并没有有效减小基模式的光学局限。结果，改善了边模抑制比。
在如下的说明书中将对本发明的附加特征和优点进行阐述，并且部分可以通过说明书显而易见，或者通过实施本发明而获得。通过在所附权利要求书中所具体指出的方式和组合可以实现和获得本发明的特征和优点。通过如下的描述和所附的权利要求书将使本发明的所述和其他特征更加显而易见，或者通过实施以下描述的本发明了解本发明的这些和其他特征。
为了更清晰地阐明本发明的上述及其他优点和特征，将通过参照附图中所示的具体实施方式
对本发明进行具体描述。应该理解，这些附图仅描述了本发明的典型实施方式，因此并非用于限定本发明的范围，通过采用附图对本发明的附加特征和细节进行描述和说明，其中图1示出了半导体激光器中基模和次模的实施例；图2A示出了具有与次模光学藕合的波导层的半导体激光器的实施例；图2B示出了包括波导层以减小边模抑制比的半导体激光器的有源区域的一个实施方式；图3示出了用于减小边模抑制比的波导层的另一实施方式；图4示出了用于减小边模抑制比的波导层的再一实施方式；图5A示出了基模和次模的波导层的模态指数相对于有源区域的模态指数与波长的函数曲线图；图5B示出了在半导体激光器的有源区域中基光学模和次光学模的局限曲线图。
具体实施例方式
包括边发射型激光器的半导体激光器通常发出多于一个纵模。为了减少例如与色散及色度亮度干扰相关的问题，需要生产具有窄波长光谱的激光器。换句话说，通常需要生产发出单一模式的激光器。然而，如上所述，边发射型激光器通常具有可以支持多纵模的相对较长的腔。
在抑制或过滤其它模式的同时，使用边模抑制比(SMSR)可以量化产生特定模式的半导体激光器的能力。例如，SMSR可以确定相对于激光器的主模或基模将二阶模(或其它模)抑制的程度。
本发明的实施方式涉及用于改善包括边发射型激光器和/或脊波导型激光器的半导体激光器的SMSR的系统和方法。在一个实施方式中，当材料增益蓝移使得基模相对于次模或二阶模具有减小的增益时，本发明在低温下改善了半导体的SMSR。边发射型激光器和/或脊波导型激光器的实施例还可以包括，但是并不局限于，珐布里-珀罗激光器、DFB激光器、DBR激光器、外部腔激光器等等。
图1示出了半导体激光器的基模和次模的曲线图。曲线100示出了基模102。基模102对应于纵模并在该实施例中以1310纳米左右的波长发出。该实施例示出了朝向较短的波长边或基模102的蓝边的次模104的出现(onset)。如前所述，在诸如WDM系统的系统中，次模可能导致色度亮度干扰以及色散。
在低温下，半导体激光器的材料增益蓝移或移到较短的波长。结果，次模104中的功率在低温下增加。次模104的出现会减小如前所述的半导体激光器的SMSR。
图2A示出了用于减小二阶模的本发明的一个实施方式。激光器200包括衬底212，其中在该衬底212上方排列有各种层。在该实施例中，n型半导体层210排列在衬底212上方，并且有源区域204排列在半导体层210之上。在有源区域204之上排列或形成有P型半导体层208。
例如，激光器200可以是DFB或DBR激光器，并且激光器200也可以包括光栅206。在蚀刻或者限定光栅206之后，可以再生InP或其它适当的材料，然后使用标准的脊波导工艺制造激光器。在脊波导工艺期间，光栅206用作蚀刻停止层。
有源区域204有效地位于p-n结处。在一实施方式中，有源区域204包括多量子阱结构。在该实施例中量子阱的材料系统为InGaAlAs。尽管本领域的普通技术人员可以理解，可以使用更多或更少的量子阱实施本发明并且其它材料也可以用于量子阱，但是有源区域204可以包括插入有7个阻挡层中的6个量子阱。
在各阻挡层具有8.5nm数量级的厚度时，各量子阱可以具有5nm数量级的厚度。在一些实施方式中，可以张力应变或压力应变该阻挡层和/或量子阱。在一实施方式中，压力应变量子阱而张力应变阻挡层。在该实施例中，有源区域204的光致发光在1300nm数量级。本领域的普通技术人员可以理解，有源区域的光致发光可以大一些或小一些。
图2B示出了有源区域204的一个实施方式。更具体地，在图2B中，有源区域204还可以包括分级指数单独限制异质结构(GRINSCH)层222、226。GRINSCH层222、26将多量子阱结构224夹入其中间，并且各GRINSCH层222、226的厚度都在120nm的数量级。对于各GRINSCH层222、226，能带隙从960纳米到850纳米有多量子阱结构116离开向两侧下降。各GRINSCH层222、226都具有50到100纳米厚的InAlAs层220、228。
因此，可以在层210上形成InAlAs层228。在该实施例中，在另一InAlAs层222上形成有P型半导体层208。通常，P型半导体层208由InP形成。光栅层206在层208上形成或生成，并且接着形成帽层，在盖帽层中执行脊波导工艺以在激光器100中形成脊。光栅层206作为蚀刻停止层。在一实施方式中，在形成脊之后，可以沉积或形成金属接触层。
如图2所示，激光器200还包括波导层202。通常，波导层形成在有源区域204之下。在InP基的激光器中，波导可以是与InP匹配的InGaAsP晶格。可以按照如下所述改变波导层202的具体成分或其它参数以改善SMSR。
图3和图4示出了本发明的另一实施方式。在图3中，激光器300的波导层302包括多层。在一实施方式中，波导层302中的多层为分布式布拉格层。图4示出了激光器阵列400。在图4中，在横向临近脊波导结构403处形成脊波导结构401。结构402包括可以与结构403的有源区域404光学耦合的波导层402。为了产生光学耦合，波导层402充分靠近有源区域403。
回到图2，波导层218具有厚度218(t)。当t＝0或当波导层202不存在时，并且对于台面214的典型宽度值，激光器200会支持可能导致如前所述的SMSR失效的二阶模。随着厚度218增加，波导层中的光速(或相速)接近二阶模的相速。结果，二阶模与波导层202耦合。在该实施例中，波导层可以具有约115纳米的厚度并具有大约1200纳米的光致发光峰值。
在该实施例中，波导层202为平面波导，而二阶模在波导层202中有效耦合。换句话说，当厚度218等于零时，二阶模的光局限减小。由于波导层的相速进一步远离基模的相速，所以不影响基模的光学局限。
在图5A中进一步示出了波导层对有源区域的光学模局限的影响。图5A绘出了波导结构的模的模态指数(相速)以及有源区域的模的模态指数与波长的函数曲线图。波导层和有源区域模之间的耦合强度可以依赖于波长或者独立于波长。通常配置波导层，使得在图5A中所示的模态指数曲线与有源区域的曲线近似平行。当波导层的曲线与有源区域的曲线近似平行时，光耦合独立于波长。
曲线504和502分别对应于激光器有源区域的基模和次模。曲线512对应于波导层的模。由于次模的模态指数曲线502与波导层512的模态指数曲线502靠近，有源区域的次模与波导层很好耦合。在点508处，耦合强度最强，并且在该点处次模的局限损失最小。如曲线504所示，由于基模的模态指数，该基模不会与波导层512的模态指数很好匹配，该基模不会与波导层512的模态指数很好匹配。这表明在减小二阶模的光学局限时，基本上不减小基模的光学局限。基模和次模以不同的波长发出激光，但是在比基激光波长和次激光波长的间隔更大的波长范围内满足上述条件，上述间隔通常为5到10nm。
图5B绘出了对于有源区域的基模和次模的局限图。图5B绘出了在厚度218＝0其值归一的有源区域的基模和次模的局限图。在该实施例中，图2A中的距离216(D)为1.2微米，而波导层具有1200纳米的能带隙。曲线550对应于光学局限，曲线552对应于次模的光学局限，而曲线554对应于基模。由于当波导层的厚度在100纳米数量级时，相位不匹配从零变为正，次模的模局限基本上为零。随着厚度的增加，波导层开始影响基模。一个结果是波导层允许有源区域为在传统的波导激光器的宽度限制之上的有效的单一模式。
也可以调整反馈层的各个参数以影响模式局限。参数的例子包括但不局限于，波导层的厚度、波导层相对于有源区域(例如，层106的厚度)的位置、波导层的组成和形成、波导层的折射率、波导层的模态指数及其任何结合。另外的参数可以是波导层中层的数目和类型。本领域的普通技术人员也可以理解可以通过调整有源区域的形成以影响有源区域的模式局限和/或材料增益。
在不脱离本发明精神和其实质特性的情况下，可以通过其他具体形式实施本发明。某种程度上应该认识到，所述实施方式仅为示例性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求限定而非由上述描述限定。所有落入权利要求的内容和其等效范围内的变化均包括在本发明的范围内。
权利要求
1.一种用于减小二阶模的半导体激光器，所述激光器包括衬底；在所述衬底上排列的有源区域，其中该有源区域包括一个或多个量子晶；以及在所述基板上方排列并至少具有厚度的波导层，其中通过该波导层减小在所述有源区域内的二阶模的局限，而基本上不减小在所述有源区域中的基模的局限。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，当所述有源区域的光致发光为大约1300纳米时，所述波导层具有115纳米左右的厚度。
3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述波导层为InGaAsP并且为与InP匹配的晶格。
4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，还包括在所述有源区域之上排列的光栅；以及在所述光栅之上排列的脊。
5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，在所述波导层和所述有源区域之间排列n型半导体层。
6.根据权利要求5所述的激光器，其特征在于，所述n型半导体层具有在1.3微米数量级的厚度。
7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，通过配置一个或多个参数确定位于所述波导层和所述有源区域之间用于减小所述二阶模的局限的耦合强度，所述一个或多个参数包括所述波导层相对于所述有源区域的位置；所述波导层的材料组成；所述波导层的折射率；以及所述波导层的模态指数。
8.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述波导层还包括多层。
9.根据权利要求8所述的激光器，其特征在于，所述多层为分布式布拉格层。
10.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述波导结构在所述衬底之上排列的第一脊结构中，而所述有源区域在所述第一脊结构侧面的第二脊结构中并在所述衬底之上排列。
11.一种用于减小边模抑制比的半导体激光器，所述半导体激光器包括衬底；在所述衬底之上排列的有源区域，该有源区域包括由阻挡层分开的多个量子阱；在所述有源区域之上排列的光栅；在所述光栅之上形成的脊；与所述有源区域隔开特定距离排列并具有特定厚度的波导层，其中对于所述有源区域的二阶模的所述波导层的相速与所述二阶模的相速相匹配，从而所述二阶模在所述波导层中耦合以减小所述半导体激光器的边模抑制比。
12.根据权利要求11所述的半导体激光器，其特征在于，通过一个或多个参数确定所述波导层的所述相速，所述一个或多个参数包括所述波导层的厚度；所述波导层相对于所述有源区域的距离；所述波导层的材料组成；所述波导层的折射率；以及所述波导层的模态指数。
13.根据权利要求11所述的半导体激光器，其特征在于，所述波导层在所述有源区域和所述衬底之间排列，所述半导体激光器还包括在所述波导层和所述有源区域之间形成的第一半导体层；以及在所述有源区域和所述光栅之间形成的第二半导体层。
14.根据权利要求11所述的半导体激光器，其特征在于，所述波导层在与包括所述有源区域的第二脊结构横向临近的第一脊结构中形成，所述第一脊结构和所述第二脊结构在所述基板上形成。
15.根据权利要求11所述的半导体激光器，其特征在于，所述波导层还包括分布式布拉格层。
16.根据权利要求11所述的半导体激光器，其特征在于，所述波导层的所述相速依赖于波长。
17.根据权利要求11所述的半导体激光器，其特征在于，所述波导层为InGaAsP并为与InP匹配的晶格。
18.根据权利要求11所述的半导体激光器，其特征在于，所述波导层具有大约115纳米的厚度和大约1200纳米的光致发光峰值。
19.根据权利要求18所述的半导体激光器，其特征在于，所述有源区域的光致发光峰值为大约1300纳米。
20.一种用于减小半导体激光器的边模抑制比的方法，所述方法包括在衬底上制造半导体激光器，使得该半导体激光器包括至少与有源区域隔开特定距离的波导层；以及至少确定所述波导层的厚度，使得所述有源区域的二阶模与所述波导层的耦合强度比所述有源区域的基模与所述波导层的耦合强度强，从而减小所述半导体激光器的边模抑制比。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，至少确定所述波导层的厚度还包括确定下面的一个或多个确定所述波导层的模态指数；确定所述波导层的材料组成；确定所述波导层的折射率；以及确定所述波导层的光致发光。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，在衬底上制造半导体激光器还包括在所述衬底之上排列所述波导层；在所述波导层之上排列第一半导体层，该第一半导体层具有与在所述波导层和所述有源区域之间的距离基本上相等的厚度；以及在所述有源区域之上排列第二半导体层。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括在所述第二半导体层之上排列光栅层；以及蚀刻所述光栅层以使得所述光栅层为DFB光栅层。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括在所述光栅层之上制造脊波导，其中所述光栅层为用于制造脊波导的蚀刻停止层。
25.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括将所述半导体激光器匹配到所述波导层的晶格。
26.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括如下至少之一在所述有源区域中压应变各量子阱；以及在所述有源区域中张应变各阻挡层。
全文摘要
本发明公开了一种从半导体激光器中去除光学模的系统和方法。该半导体激光器中包括波导层，该波导层通常在有源区域之下排列。将波导层配置为与二阶模的相位相匹配。波导层基本上不与激光器的基光学模匹配。通过匹配二阶模的相位，减小了二阶模的局限并且二阶模与波导层强烈耦合。基模的光学局限基本上没有减小。从而通过从有源区域去除二阶模而改善了边模抑制比。
文档编号H01S5/00GK101076928SQ200580021415
公开日2007年11月21日 申请日期2005年6月30日 优先权日2004年6月30日
发明者理查德·P·拉特斯基, 阿诗士·K·维玛, 拉斯·恩 申请人:菲尼萨公司