适用于调制激光器系统的可变频带间隙调制器的制造方法
【专利摘要】一种调制激光器系统通常包括发光区域，配备多个半导电层的调制区域，和分隔发光区域和调制区域的隔离区域，其中至少有一个半导电层包含具有可变能带间隙的量子井层。所述激光器可以是电吸收调制激光器，所述发光区域可包含分布反馈激光器，而所述调制区域可包含电吸收调制器。所述激光器的制造步骤包括：在基板上塑造下半导电缓冲层，在下半导电缓冲层上塑造活性层（包含带能带间隙的可变一个或多个量子井层），在活性层上塑造上半导电缓冲层，在上半导电缓冲层塑造接触层，和塑造隔离发光区域和调制区域的隔离区域。
【专利说明】适用于调制激光器系统的可变频带间隙调制器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电吸收调制激光器（EML)领域。更具体地说，本发明的实施例适用于 对温度增长补偿的EML中可变频带间隙电吸收调制器（EAM)，且尤其适用于在大功率激光 器应用。 技术背景
[0002] 常规的EML包含分布反馈激光器（DFB)区域，隔离区域和EAM区域。EML是整体式 装配的，以便EML的各区域可通过一系列的外延生长程序在单基板上成形。EML装置的层包 含活性区域层。这样的层包括量子井层，且更普遍的是，包括交替阻挡曾分隔开的多重量子 井层。DFB区域中的量子井层频带间隙就是这样的，当将偏置电压施加到DFB上时活性区 域层就发出光子。量子井层频带间隙也是经过选择的，以便量子井层吸收光子，其中所述光 子是当将第一偏置电压施加到EAM区域时由EML的DFB区域发出的，且量子井层还允许光 子在第二偏置电压施加到EAM区域时穿过。隔离区域将DFB和EAM区域分开，以便DFB和 EAM区域相互电绝缘。
[0003] 图1举例说明了包含发光区域110,隔离区域120和调制器区域130的常规调制 激光器100。制造调制激光器100可包括在基板140上塑造下半导电缓冲层150,在下半导 电缓冲层150上塑造活性区域层160,在活性区域层160上塑造上半导电缓冲层170,在上 半导电缓冲层170上或上方塑造接触层180a-b，和在活性区域层160上或上方塑造隔离层 190,而隔离区域120中的上半导电缓冲层170可将发光区域110和调制区域130分隔。
[0004] 在大功率EML应用中，EAM区域中光子的吸收会产生可观数量的能量。与EAM活 性区域对隔离区域相对的部分相比较，较大数量的此种能量则是在EAM活性区域对隔离区 域相邻的部分中损耗掉的（即，光发射区域发出的光子首先入射)。在EAM区域近端部分中 此类较大功率损耗导致温度上升，造成所述部分中量子井频带间隙能量变化，和EML "稳定 状态"操作期间变化频带间隙能量的子区域生成。因此，当在整个EAM活性区域施加恒定电 压时，EAM区域的较近端以不一致的速率吸收光子。
[0005] 本"【背景技术】"部分仅用于提供背景信息。"【背景技术】"的陈述并不意味着本"背景 技术"部分的内容构成本发明的现有技术公开，并且本"【背景技术】"的任何部分，包括"本背 景技术"本身，都不构成本发明的现有技术公开。
【发明内容】
[0006] 本发明的实施例涉及适用于温度补偿的可变频带间隙调制器和其制造方法。本发 明尤其适用于大功率EML应用。本发明实施例所述的半导体激光器通常包含光发射区域， 包含多个半导体层(至少一层包含具有可变能带间隙的一个或多个量子井层）的调制区域， 和隔离区域，用于将发光区域和调制区域隔离。
[0007] 根据本发明的实施例，制造具有发光区域和调制区域的半导体激光器通常包含在 基板上塑造下半导电缓冲层，在下半导电缓冲层上塑造活性区域层，其中活性区域层包含 具有可变能带间隙的一个或多个量子井层，在活性区域层上或上方塑造上半导电缓冲层， 在上半导电缓冲层上或上方塑造接触层，和在活性区域层和上半导电缓冲层的接口区域处 或内部塑造隔离层，所述隔离区域用于将发光区域和调制区域分隔。
[0008] 根据本发明的实施例，制造具有发光区域和调制区域的半导体激光器的另一方法 通常包含在基板上塑造下接触层，在下接触层上塑造包括活性区域层的多个半导电层或在 基板上塑造包括活性区域层的多个半导电层来构成发光区域，蚀刻部分的活性区域层和选 择性地蚀刻下接触层，塑造额外的层(包括具有可变能带间隙的调制活性区域层）来构成调 制区域，在活性层上或上方塑造上接触层，和在发光区域和调制区域间的接头处蚀刻部分 的上接触层和活性区域层来构成隔离区域。
[0009] 本发明有益地提供了一种在部分EAM较高温度运行时（比如，在稳定状态）具有恒 定频带间隙能量的EAM量子井层。同样地，本发明提供了一种装置和方法用于处理其他此 类装置中出现的问题（EAM内温度曲线变化并导致不一致或意料之外的操作特性)。
[0010] 本发明的优越性将通过对下面不同实施例的详细描述来展现。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1所示为常规EML。
[0012] 图2为本发明EML的典型实施例。
[0013] 图3为本发明EAM活性区域层的典型实施例。
[0014] 图4A-4C为本发明单量子井层的典型实施例。
[0015] 图5A-5C分别为典型EML高亮发光，隔离，和EAM区域的扫描电子显微镜（SEM)图 像。
[0016] 图6A-6C为典型EML的热影像，包括不同环境温度，激光器电流和EAM电压条件下 部分EAM区域的温度读数，其中所述部分EAM区域靠近隔离区域。
[0017] 图7所示为两幅图，主图表为在根据本发明制造的典型EML的两个不同操作点， EAM表面温度与EAM耗散功率的对照，而嵌入式图表为从隔离区域进入EAM条件下EAM表面 温度与距离的关系。
[0018] 图8A-8E为制造本发明EML的典型方法的原理图。
[0019] 图9A-9C举例说明了本发明另一制造 EML方法的典型步骤。
[0020] 图10为剖视图，举例说明了 EML调制器区域中活性区域层的可变量子井厚度，所 述可变量子井厚度是利用本发明的制造方法成形的。
[0021] 图11A-11B为用于成形本发明EAM活性区域层的典型掩模，其中DFB和EAM量子 井是同时间生成的。
[0022] 图12A-12B为用于成形本发明EAM活性区域层的其它典型掩模，其中EAM量子井 在DFB量子井生成后再生成。
[0023] 具体实施例
[0024] 本发明的各种实施例都会有详细的参照。参照的例证会在附图中得到阐释。本发 明会用随后的实施例说明，但本发明不仅限于这些实施例的说明。相反的，本发明还意欲涵 盖，可能包括在由附加权利要求规定的本发明的主旨和值域内的备选方案，修订条款和等 同个例。而且，在下文对本发明的详细说明中，指定了很多特殊细节，以便对本发明的透彻 理解。但是，对于一个所属【技术领域】的专业人员来说，本发明没有这些特殊细节也可以实现 的事实是显而易见的。在其他实例中，都没有详尽说明公认的方法，程序，部件和电路，以避 免本公开的各方面变得含糊不清。
[0025] 为了方便起见，虽然术语"激光器"，"EML"，"光源"和"激光二极管"通常是可交换 的并且可以交替使用，且使用这些术语中任何一个也就涵盖了其他，但赋予他们的含义通 常仍然是在此类技术上公认的。同样，为了简便，术语"光吸收"，"调制器"，"调制区域"和 "电吸收调制器"可以交替使用，相互包涵，除非文中另有清楚的交代。此外，术语"厚度"和 "高度"在文中都可互换，但两者在本申请文件总都是指有关水平表面的垂直测量。术语"可 变能带间隙"，"可变频带间隙能量"或"可变频带间隙"通常也是可互换的，但指的是结构的 特质或特点，而不是特定物质或材料。
[0026] 本发明涉及可变频带间隙调制器，用于补偿贯穿调制区域的温度差别导致的性能 差异。本发明尤其适用于对大功率EML应用的温度补偿。下面是在半导体激光器调制区域 中实现或提供可变频带间隙能量的典型实施例，我们将结合典型的实施例对本发明进行详 细说明。
[0027] 典型的调制激光器 一方面，本发明涉及半导体激光器，包含光发射区域，包括多个半导电层（至少一个半 导电层包含一个或多个具有可变能带间隙的量子井层）的调制区域，和用于分隔发光区域 和调制区域的隔离区域。在各实施例中，半导体激光器可包含EML，发光区域可包含DFB，而 调制区域可包含EAM。
[0028] 图2举例说明了体现本发明的调制激光器200。调制激光器200包含发光区域 210,和隔离区域220和调制区域230。调制激光器200包含基板240,下半导电缓冲层250， 在发光区域210中具有固定频带间隙能量和在调制区域230中具有可变频带间隙能量的活 性区域层260,上半导电缓冲层270,接触层280a-b和隔离层290。更具体地说，调制区域 230内的活性区域层260包含具有可变频带间隙能量的量子井层261a-d。可变频带间隙能 量可在量子井层261a-d中通过改变贯穿调制区域230的量子井层261a-d厚度来实现。在 图2的实施例中，厚度在与隔离区域220的接口 262时最小，然后逐渐变大贯穿调制区域 230。
[0029] 在本发明中，调制区域230中具有可变频带间隙能量的活性区域层260尤其适用 于大功率半导体激光器应用。在隔离区域220和调制区域230间的接口 262处，活性区域 层260接近接口 262的部分受较大光吸收量的影响，并因此产生较高的功率损耗，导致量 子井层261a-d区域内温度较大幅度升高和/或频带间隙能量发上较大变化。当量子井层 261a-d具有可变频带间隙能量时，在激光器稳定运行期间，即便有温度不一致的情况出现， 可变频带间隙能量仍然可使恒定频带间隙规范化并实现频带能量恒定。
[0030] 通常，调制区域230具有一个接近隔离区域的第一边界262和一个与隔离区域相 对的第二边界263。如图2所示，第一边界262为调制区域230接近隔离区域220的一边。 第二边界263代表调制区域230对第一边界262相反的一边。量子井层261a-d的可变能 带间隙具有沿第一边界262到第二边界263的方向的梯度。频带间隙梯度在所述方向上可 以是负的或递减的。或者，量子井层261a-d中频带能量可以是从第一边界262到第二边界 263递减的。
[0031] 换言之，量子井层261a-d具有能带间隙，所述能带间隙在从接近隔离区域220的 一个边界或接口 262到与隔离区域220相对的另一边界或接口 263的横向尺寸内变化。接 近隔离区域220的区域中频带间隙能量将大于与隔离区域220相对区域中频带间隙能量。 优选地，在任意预定区域中频带间隙的增大都会等于或约等于频带间隙变形量，其中由于 半导体激光器200的功率损坏，因此相同区域都会经历频带间隙变形。量子井层261a-d区 域中的功率损耗与所在区域的工作温度有直接的关系。因此，优选地，当半导体激光器稳定 运转时，量子井层261a-d受影响区域中频带间隙增长会等于或约等于较高工作温度导致 的受影响区域中任何预期的频带间隙缩减。因此，优选地，室温条件下的频带间隙增长(或 当半导体激光器200关闭时）抵消了半导体激光器200稳定工作期间频带间隙中某些或所 有预期的缩减。在某些实施例中，量子井261a-d的可变能量间隙与沿第一边界262到第二 边界263方向上的距离成反比。而在其它实施例中，量子井261a-d的可变能量间隙和与沿 第一边界262到第二边界263方向上的距离相应功率损耗量成正比。
[0032] 量子井层261a_d的可变能带间隙可通过改变量子井层261a_d的厚度来实现。可 变厚度可以是沿第一边界262到第二边界263方向上的厚度梯度。优选地，梯度为正，这样， 厚度沿所述方向增大。
[0033] 图3举例说明了半导体激光器内的活性区域300。活性区域层310代表图2中调 制区域330内某些或全部活性区域层260,其中调制区域330可以是与图2的调制区域230 相同或相异的。活性区域层310包含η个量子井层320a-n，其中η为等于或大于6的整数。 多重量子井层的使用强化了调制区域330内的光子吸收效应。图3仅举例说明了一个可能 的实施例，其中量子井层的数量至少为6 (6层用于说明性的目的)，但量子井层的数量也可 以是任何等于或大于1的整数值。根据第一典型实施例，各量子井层320a-n都可具有图3 所示的厚度剖面，其中所述厚度泡面沿第一边界340到第二边界350的横向距离变化，其中 厚度沿第一边界340到第二边界350的直线方向增大，从而实现变化频带间隙能量。或者， 一个或多个量子井层320a-n具有与图3所示类似的厚度剖面，且一个或多个量子层(未显 示）具有较为恒定的厚度剖面。
[0034] 图4A-4C举例说明了单量子井层QW1 410,与图3所示量子井层QW1 320a相同。 量子井层QW1 410在第一端440的厚度为X，而在与第一端440相对的第二端450时厚度为 Y。如图4A-4C所示，虽然X的值小于Y，但值的差异不一定是按比例的。X和Y的值都可在 lnm到100nm间变化(或任何文中所述范围内的值)，且X的值可以是Y值的10%-95% (或任 何文中所述范围内的百分数)。在第一端440,量子井层的工作温度大于第二端上的工作温 度。应注意，图3和4A-4C没有举例说明量子井层320a-n厚度有变化的特有实施例。除开 图4A所示的线性变化，厚度的变化可以是非线性的，比如图4B所示的阶梯函数，或图4C所 示的单级，其中厚度在高吸收区域460中较小，而在调制区域330的大部分区域或剩余部分 中较高(如图3所示)。
[0035] 如图4A-4C所示，第一端440的稳定状态工作温度为最高，因为来自光发射区域 210的光子首先进入第一端440所在区域。第一端440处升高的温度还与半导体激光器的 工作电压有关。工作电压越高，观察到的稳定状态工作温度增长或差异（delta T)越高。
[0036] 图5A-5C的扫描式电子显微图片为目前半导体激光器的光发射器件500,隔离区 域510和调制区域520。图5A描述了光发射器件500的发光区域502,适用于光发射器件 500的第一接头504,隔离接口 506,和隔离区域510的各个区域，包括无屏蔽区域514,受屏 蔽区域512和底面518。偏置电流通过接头504施加到发光器件500,随后光从区域502发 出并向隔离区域510传播。因此，在各个实施例中，光发射器件500可包含DFB激光器，边 射型激光器，量子级联激光器，光纤激光器，它们的组合，等。
[0037] 图5B为隔离区域510和调制区域520中的部分高吸收区域522。调制区域520包 含了未屏蔽区域514,受屏蔽区域512a-b，底面518,调制区域520的前部和隔离接口 506。 受屏蔽区域512a-b和未屏蔽区域514允许发光区域502生成的光几乎全部穿过调制区域 520,并将发光区域502和调制区域520相互电隔离。
[0038] 图5C为调制区域520,包括前高吸收区域522,主体区域524,第二接头530,和用 于调制区域的焊线。也在图中还展示了隔离区域510和底面518的受屏蔽区域512a-b和 未受屏蔽区域514部分。为了确定调制区域520不同区块中的光吸收效果，就必须分别将 温度在发光区域502,隔离区域510,高吸收区域522,和调制区域520的主体区域524取平 均值。接头530有助于高吸收区域522和主体区域524中平均温度的测算。
[0039] 如，当-2V的偏置电压施加到整个调制区域520时且100mA的偏置电流施加到 发光区域502上时，Delta T (高吸收区域522的平均温度与热电冷却器[TEC]温度设置之 间的差异)为12° C。或者，当-3V的偏置电压施加到整个调制区域520时且150mA的偏置 电流施加到发光区域502上时，Delta T为53° C。因此，在较大功率半导体激光器应用中， 为了获得贯穿活性层区域310的统一调制（图3)，对调制区域520的高吸收区522中升高的 稳定状态工作温度进行补偿就变得更加重要。下面表1概括了高吸收区域522的Delta T 和高吸收区域522中功率损耗("功率"）的相互关系。
[0040] 表 1
【权利要求】
1. 一种半导体激光器包括： 发光区域， 调制区域，其具有多个半导电层的，其中至少有一个半导电层包含具有可变能带间隙 的量子井层，和 隔离区域，其分隔所述发光区域和所述调制区域。
2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调制区域具有一个与所述隔离区域相 邻的第一边界和一个与所述隔离区域距离最远的第二边界，而所述可变能带间隙具有从所 述第一边界到所述第二边界递减的频带间隙或频带间隙梯度。
3. 如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述可变能带间隙沿所述频带间隙梯度的 能量大致与到所述第一边界的距离成反比和/或大致与所述距离上消耗的能量总量成正 比。
4. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调制区域有一个与所述隔离区域相邻 的边界，且所述一个或多个量子井层具有可变厚度，其中所述可变厚度大致与到所述边界 的距离成正比和/或大致在所述距离上消耗的能量总量成正比。
5. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调制区域具有一个与所述隔离区域相 邻的第一边界，且所述一个或多个量子井层具有可变厚度，其中所述可变厚度大致与所述 装置处于稳定运行状态时所述一个或多个关于量子井层的温度梯度成反比，即从所述第一 边界到与所述隔离区域最远的第二边界递增。
6. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一个或多个量子井层具有可变掺杂轮 廓。
7. -种制造具有发光区域和调制区域半导体激光器的方法，包括： 在基板上塑造下半导电缓冲层； 在所述下半导电缓冲层上塑造活性层，其中， 所述调制区域中的所述活性层包含具有可变能带间隙的一个或多个量子井； 在所述活性区域层上塑造上半导电缓冲层； 在所述上半导电缓冲层上塑造接触层； 和在所述活性层和所述上半导电缓冲层的区域塑造隔离层，其用于将所述发光区域和 所述调制区域分离。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述调制区域具有一个与所述隔离区域相 邻的第一边界和一个与所述隔离区域距离最远的第二边界，且所述可变能带间隙包含从所 述第一边界到所述第二边界递减的频带间隙梯度。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述可变能带间隙沿所述频带间隙梯度的 能量大致与到所述第一边界的距离成反比和/或大致与在所述距离上消耗的能量总量成 正比。
10. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述调制区域有一个与所述隔离区域相邻 的边界，且所述一个或多个量子井层具有可变厚度，其中所述可变厚度大致与到所述边界 的距离成正比和/或大致在所述距离上消耗的能量总量成正比。
11. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，塑造所述活性层包含选择性区域生长 (SAG )或选择性区域外延（SAE )。
12. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述选择性区域生长或所述选择性区域 外延包含在所述下半导电缓冲层上塑造具有宽度可变的第一和第二片的遮罩。
13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述调制区域具有一个与所述隔离区域 相邻的第一边界和一个与所述隔离区域距离最远的第二边界，且所述第一和第二片的可变 宽度沿所述第一边界到第二边界方向递增。
14. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一片的可变宽度在所述方向上任 意点上都大致与所述第二片的可变宽度相等。
15. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，塑造所述活性层还包括在调制区域中的 下半导电缓冲层上掩盖第一和第二片，和在所述第一和第二片之间的开口内的调制区域之 中，塑造具有所述可变频带间隙能量的量子井层。
16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，利用金属有机物气相外延（MOVPE)或金属 有机物化学气相沉淀（MOCVD)在所述下半导电缓冲层上生长出半导体材料。
17. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述开口的宽度沿所述方向减小。
18. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述开口的宽度沿所述方向与所述第一 和第二片的宽度成正比。
19. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述开口的宽度在所述方向上是一致或 恒定的。
20. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述一个或多个量子井层具有可变掺杂轮 廓。
21. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述调制区域具有一个与所述隔离区域相 邻的第一边界和一个与所述隔离区域距离最远的第二边界，且所述一个或多个量子井层具 有可变厚度，其中所述可变厚度大致与所述装置处于稳定运行状态时关于所述一个或多个 量子井层的温度梯度成反比，即从所述第一边界到第二边界增加。
【文档编号】H01S3/0941GK104254951SQ201380000582
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年2月19日 优先权日:2013年2月19日
【发明者】马克·海姆巴赫, 尼尔·马格里特 申请人:索尔思光电（成都）有限公司