专利名称：提高半导体激光器温度稳定性的腔面镀膜方法
技术领域：
本发明涉及半导体光电子技术领域，尤其是指一种通过优化腔面镀膜来改善半导 体激光器温度特性的方法。
背景技术：
半导体激光器具有尺寸小，响应速度快，相干性好，可直接调制，波长和尺寸与光 纤适配等优点成为光通信系统中至关重要的核心器件。正是半导体激光器的诞生促进了光 纤通信系统的形成，而现在光纤到户的发展反过来对半导体激光器的性能和成本又提出了 更高要求。发展无须制冷的直接调制半导体激光器作为光源对普及光纤到户有着巨大的推 动作用，而这就对半导体激光器的温度稳定性提出了更高的要求。由于半导体材料独特的 能带结构，当温度升高时，载流子向高能级跃迁，结果是激光器的阈值电流随着温度的增加 而增加，即特征温度降低。同时，由于内损耗随温度升高而增大，导致激光器的斜率效率随 着温度升高而降低。半导体激光器镀腔面膜不仅可以增加单面光输出，保护腔面，增加器件寿命，而且 还可以降低激光器的阈值电流提高出光面的斜率效率。传统的镀膜设计通常采用激光器的 激射波长作为所镀膜系的中心波长，导致在激光器的激射波长随温度红移范围内腔面反射 率保持恒定，腔面损耗不随温度变化。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种提高半导体激光器温度稳定性的腔面镀膜方法，其 可以增加单面光输出，保护腔面，增加器件寿命，而且还可以降低激光器的阈值电流提高出 光面的斜率效率。本发明提供一种提高半导体激光器温度稳定性的腔面镀膜方法，包括如下步骤步骤1 取一条解理后的半导体激光器芯片；步骤2 通过在所述半导体激光器芯片的后端面上交替沉积光学厚度为λ /4的高 低折射率材料，在波长-反射率曲线上得到随波长红移反射率增加的薄膜系统，其中，λ为 薄膜系统的中心波长；步骤3 调整所述半导体激光器的腔面反射薄膜系统的中心波长与所述半导体激 光器的激射波长，使工作温度范围内激射波长落在反射率-波长曲线上升带宽内，由于半 导体激光器的激射波长随温度升高发生红移，使得所述半导体激光器的反射率随温度上升 而增大，导致腔面损耗随温度升高而降低，从而改进半导体激光器的温度特性。其中激光器芯片的材料是各种辐射波长随温度发生变化的半导体激光器材料。其中半导体激光器材料是InAs/GaAs量子点材料系，其激射波长随温度升高而线 性增加，在10°c和90°C时的激射波长分别约为1316nm和1358nm。其中薄膜系统的高低反射率材料是Si/Si02或Ta205/Si02。其中该薄膜系统的反射率随波长红移而增加，激光器的激射波长为1316nm时，其反射率为50%，对于激射波长为1358nm时，其反射率为90%。
为了进一步说明本发明的具体技术内容，下面结合InAs/GaAs半导体量子点实例 及附图详细说明，其中图1为InAs/GaAs半导体量子点激光器10°C和90°C时的激射光谱图；图2为腔面镀膜后的半导体量子点激光器芯片示意图；图3为本发明设计的镀膜反射率曲线和传统的镀膜反射率曲线比较实线是本发 明设计的镀膜反射率曲线，当激射波长从1316nm红移到1358nm时，腔面镀膜反射率从50% 增加到90% ；虚线是传统的镀膜反射率曲线，当激射波长在1316nm和1358nm之间时，腔面 镀膜反射率恒定为90%。图4是采用本发明的镀膜条件和传统镀膜条件后激光器的温度特性比较。圆圈所 示为采用本发明的镀膜条件后激光器的阈值电流和斜率效率的变化。方块所示为采用传统 镀膜条件后激光器的阈值电流和斜率效率的变化。
具体实施例方式步骤1 取一条解理后的InAs/GaAs半导体量子点激光器芯片；其激射波长随温度 升高而线性增加，在10°c和90°C时的激射波长分别约为1316nm和1358nm(参见图1)。步骤2 在所述半导体激光器芯片10的后端面上交替沉积光学厚度为λ /4的 Ta205/Si02薄膜，在波长-反射率曲线上得到随波长红移反射率增加的薄膜系统20，另一端 作为激光器的出光腔面不镀膜。腔面镀膜后的半导体量子点激光器芯片如图2所示。其中 Ta2O5是高折射率材料，SiO2是低折射率材料。薄膜系统20中心波长为1480nm。镀膜得到 的波长-反射率曲线如图3中实线所示在1316nm和1358nm波长范围内，反射率随波长红 移而增加。步骤3 所述半导体量子点激光器的激射波长在10°C和90°C时分别为1316nm和 1358nm，腔面反射薄膜系统20的中心波长为1480nm。工作温度范围内激射波长落在反射 率-波长曲线上升带宽内，由于半导体激光器的激射波长随温度升高发生红移，使得所述 半导体激光器的反射率随温度上升而增大，导致腔面损耗随温度升高而降低。参阅图3，图3为本发明设计的镀膜反射率曲线和传统的镀膜反射率曲线比较实 线是本发明设计的镀膜反射率曲线，从该图中可以看到，当激射波长从1316nm(l(rC )红移 到1358nm(90°C )时，腔面镀膜反射率从50%增加到90%。根据腔面损耗公式 o^a其中，L为激光器的腔长，R1为前端面的反射率，R2为后端面的反射率。由以上公 式可知，半导体激光器的腔面损耗在10°C时将比90°C时高。图3中虚线是传统的镀膜反射 率曲线，反射谱中心波长为1310nm。从该图中看到，当激射波长从1316nm红移到1358nm 时，腔面镀膜反射率恒定为90%，腔面损耗不随温度变化。采用本发明的镀膜方法，实验结果如图4中圆圈所示在10-70°C内，所述半导体 量子点激光器的特征温度TO约为256K，斜率效率在10-90°c内先缓慢上升后稍有下降。采用传统的镀膜方法的实验结果如图4中方块所示在10-70°C内，其特征温度为110K，斜率 效率从30°C开始下降。通过两种方法的实验结果对比可以看出本发明不仅可以大幅提高半 导体量子点激光器的特征温度，而且增加了激光器斜率效率的温度稳定性，对器件的实际 应用具有重要的意义。 以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在 本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
一种提高半导体激光器温度稳定性的腔面镀膜方法，包括如下步骤步骤1取一条解理后的半导体激光器芯片；步骤2通过在所述半导体激光器芯片的后端面上交替沉积光学厚度为λ/4的高低折射率材料，在波长-反射率曲线上得到随波长红移反射率增加的薄膜系统，其中，λ为薄膜系统的中心波长；步骤3调整所述半导体激光器的腔面反射薄膜系统的中心波长与所述半导体激光器的激射波长，使工作温度范围内激射波长落在反射率-波长曲线上升带宽内，由于半导体激光器的激射波长随温度升高发生红移，使得所述半导体激光器的反射率随温度上升而增大，导致腔面损耗随温度升高而降低，从而改进半导体激光器的温度特性。
2.根据权利要求1所述的通过腔面镀膜提高半导体激光器温度稳定性的方法，其中激 光器芯片的材料是各种辐射波长随温度发生变化的半导体激光器材料。
3.根据权利要求1所述的通过腔面镀膜提高半导体激光器温度稳定性的方法，其中半 导体激光器材料是InAs/GaAs量子点材料系，其激射波长随温度升高而线性增加，在10°C 和90°C时的激射波长分别约为1316nm和1358nm。
4.根据权利要求1所述的通过腔面镀膜提高半导体激光器温度稳定性的方法，其中薄 膜系统的高低反射率材料是Si/Si02或Ta205/Si02。
5.根据权利要求1或3所述的通过腔面镀膜提高半导体激光器温度稳定性的方法， 其中该薄膜系统的反射率随波长红移而增加，激光器的激射波长为1316nm时，其反射率为 50 %，对于激射波长为1358nm时，其反射率为90 %。
全文摘要
一种提高半导体激光器温度稳定性的腔面镀膜方法，包括如下步骤步骤1取一条解理后的半导体激光器芯片；步骤2通过在所述半导体激光器芯片的后端面上交替沉积光学厚度为λ/4的高低折射率材料，在波长-反射率曲线上得到随波长红移反射率增加的薄膜系统，其中，λ为膜系的中心波长；步骤3调整所述半导体激光器的腔面反射膜系的中心波长与所述半导体激光器的激射波长，使工作温度范围内激射波长落在反射率-波长曲线上升带宽内，由于半导体激光器的激射波长随温度升高发生红移，使得所述半导体激光器的反射率随温度上升而增大，导致腔面损耗随温度升高而降低，从而改进半导体激光器的温度特性。
文档编号H01S5/028GK101882754SQ20101019120
公开日2010年11月10日 申请日期2010年5月26日 优先权日2010年5月26日
发明者徐鹏飞, 杨涛 申请人:中国科学院半导体研究所