專利名稱：波長可調(diào)垂直腔體面發(fā)射激光器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明的背景本發(fā)明的領域本發(fā)明涉及半導體裝置領域。更具體來說，本發(fā)明涉及波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器(VCSEL)。
相關技術的描述波長可調(diào)半導體激光器在波長分割多路復用傳輸系統(tǒng)，波長分割交換系統(tǒng)，波長交叉連接系統(tǒng)以及光學測量領域起到重要作用。
這一領域中先有技術包括，使用裝置的相同波導結構不同部分的遠波長可調(diào)邊緣發(fā)射激光器(M，Yamaguchi et al.，U.S.Patent No.5,541,945)。對于邊緣和面發(fā)射激光器兩者達到波長可調(diào)性的另一途徑，是通過對裝置的有效腔體長度的機械調(diào)節(jié)來實現(xiàn)(P.Tayebati，U.S.Patent 5,949,801)。在垂直腔體面發(fā)射激光器中，腔體長度的調(diào)節(jié)可使用不同微機電系統(tǒng)實現(xiàn)。這些裝置的缺陷是，與所使用的實現(xiàn)的機械性質(zhì)相關，調(diào)節(jié)時間長。使用這種方法，調(diào)頻信號傳輸系統(tǒng)不可行。
因而，本技術中需要較好的波長控制和調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的概述一種波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其包括至少一個有源元件，該元件包含通過電流的注入產(chǎn)生光增益的激活層，以及至少一個相位控制元件，以及例如可通過分布式布拉格反射器實現(xiàn)的反射鏡。相位控制元件包含一個調(diào)節(jié)器，對來自激光產(chǎn)生的的波長的短波長側(cè)呈現(xiàn)強的狹窄光吸收峰。波長控制通過使用位置相關電光效應實現(xiàn)。如果施加反向偏壓，則由于斯塔克效應吸收最大值向較長波長移動。如果施加正向偏壓，則電流被注入，結果是峰值吸收的增白和減少。在兩種情形下都出現(xiàn)相位控制元件中折射率強調(diào)節(jié)。該效應調(diào)節(jié)腔體模式的波長，且波長位移的符號和值由調(diào)節(jié)器的位置定義。兩個相位控制的級聯(lián)能夠?qū)す鈭?zhí)行，其一個移動發(fā)射的光的波長到較大值，另一個移動發(fā)射的光的波長到較小值。在這種激光器中可使用功率平衡元件，允許或者在不同發(fā)射波長保持固定的輸出功率，或者實現(xiàn)獨立的頻率和振幅調(diào)節(jié)?？稍诩す馄髦袑崿F(xiàn)光檢測元件，允許對所有操作激光器的定標。
附圖的簡要說明

圖1示出本發(fā)明垂直腔體面發(fā)射激光器的一實施例的示意圖，其中有源元件如通常工作在正向偏壓，而相位控制元件工作在反向偏壓。
圖2示出本發(fā)明垂直腔體面發(fā)射激光器的一實施例的示意圖，在兩個簡單的腔體例子中，示出提供發(fā)射光波長最大移動的單層調(diào)節(jié)器的優(yōu)選尺寸和位置。
圖3示出表示在反向偏壓和正向偏壓，調(diào)節(jié)器吸收系數(shù)和零偏壓處吸收諧振附近折射率行為的示意圖。
圖4示出表示本發(fā)明另一實施例的示意圖，其中調(diào)節(jié)器工作在正向偏壓。
圖5示出本發(fā)明的另一實施例的示意圖，其中垂直腔體面發(fā)射激光器包括三個元件，即有源元件，和兩個相位控制級聯(lián)，其中兩個相位控制級聯(lián)都工作在反向偏壓，但其一設置為移動波長到較大值，而另一個設置為移動發(fā)射光波長到較小值。
圖6示出本發(fā)明的一實施例的示意圖，其中一個相位控制級聯(lián)工作在反向偏壓，而另一相位控制級聯(lián)工作在正向偏壓。
圖7示出本發(fā)明的一實施例的示意圖，其中兩個相位控制級聯(lián)都工作在正向偏壓。
圖8示出本發(fā)明的另一實施例的示意圖，其中有三個元件，有源元件，相位控制元件，并添加了功率平衡元件。
圖9示出不同實施例的調(diào)節(jié)器吸收光譜及功率平衡元件的示意圖。
圖10示出本發(fā)明的一實施例的示意圖，其中與圖8的實施例不同，相位控制元件工作在正向偏壓。
圖11示出本發(fā)明的一實施例的示意圖，包括有源元件，相位控制元件，功率平衡元件，及四個光檢測元件。
圖12示出本發(fā)明的另一實施例的示意圖，其中相位控制元件工作在正向偏壓。
圖13示出本發(fā)明的另一實施例的示意圖，包括有源元件，兩個相位控制級聯(lián)，分別移動波長向較大和較小值，功率平衡元件，及光檢測元件。
圖14示出本發(fā)明的另一實施例的示意圖，包括五個元件，其中一個相位控制級聯(lián)工作在反向偏壓，而其它相位控制級聯(lián)工作在正向偏壓。
圖15示出本發(fā)明的另一實施例的示意圖，包括五個元件，其中兩個相位控制級聯(lián)都工作在正向偏壓。
本發(fā)明的詳細說明在垂直腔體面發(fā)射激光器(VCSEL)中，激活區(qū)域一般置于一微腔體中。不摻雜或微摻雜激活區(qū)由反射鏡跟隨的n-和p-接觸層圍繞。
本發(fā)明主張?zhí)砑右幌辔豢刂圃?。相位控制元件是一調(diào)節(jié)器，由不摻雜或微摻雜層圍繞在兩側(cè)，它們又由n-和p-接觸層圍繞。一電場用來調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器的折射率。
因而，本發(fā)明可調(diào)節(jié)的垂直腔體面發(fā)射激光器包括兩個主要元件1)激活區(qū)和2)激活區(qū)之上的相位控制元件。這些主要元件夾在兩個反射鏡之間。有源元件和調(diào)節(jié)器由以n-和p-接觸層圍繞的不摻雜，或圍摻雜層圍繞?；蛘呤请妶龌蛘咦⑷腚娏饔脕砜刂坪驼{(diào)節(jié)該激光器。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例提供了一種可調(diào)節(jié)的激光器，帶有置于不同介質(zhì)中的激活區(qū)和相位控制區(qū)。該可調(diào)節(jié)激光器通過施加電場調(diào)節(jié)諧振吸收光譜使用折射率效應。另外，可調(diào)節(jié)激光器能夠使用通過電流的注入調(diào)節(jié)折射率的效應。
發(fā)射光的波長和輸出功率能夠被獨立調(diào)節(jié)。波長的調(diào)節(jié)率由電場在相位控制層的分布速度決定，并可在微微秒范圍內(nèi)。本發(fā)明提供了實現(xiàn)工作在頻率高達接近50GHz的波長可調(diào)垂直腔體面發(fā)射激光器的可能性。使用在光頻率中可選的弱吸收使輸出功率均衡，這通過調(diào)節(jié)器補償了光的頻率相關吸收。
具體參見圖1，其中示出根據(jù)本發(fā)明形成的新的可調(diào)節(jié)垂直腔體面發(fā)射激光器的第一例。該結構是在基片(101)上外延生長的。布拉格反射器用作為底部反射鏡(102)。VCSEL的其余部分包括兩個主要元件1)底部反射鏡(102)之上的有源元件，以及2)激活區(qū)之上的相位控制元件。
為了形成有源元件，電流孔(103)從圍繞有源元件(107)的弱摻雜層(106)分開帶有第一金屬觸點(105)的n-摻雜電流擴散層(104)。第二電流孔(103)從帶有第二金屬觸點(109)的p-摻雜電流擴散層(108)分開弱摻雜層(106)。n-摻雜電流擴散層(104)直接座落在底部反射鏡(102)的頂部。
為了形成相位控制元件，兩個圍繞調(diào)節(jié)器(111)的弱摻雜層(110)由第三電流孔(103)從p-摻雜電流擴散層(108)分開。一個第四電流孔把弱摻雜層(110)從帶有第三金屬觸點(113)的第二n-摻雜電流擴散層(112)分開。對于在相位控制元件頂部的頂部反射鏡(114)也使用分布的布拉格反射鏡。
如對于典型的VCSEL那樣，有源元件工作在正向偏壓(115)。VCSEL的新型的部件是圖1中所示工作在反向偏壓(116)的一附加的控制元件。光通過頂部反射鏡(114)出來(117)。
基片(101)能夠由任何III-V半導體材料或III-V半導體合金，例如GaAs，InP，GaSb等等形成。本發(fā)明中使用的優(yōu)選實施例是GaAs。
n-摻雜電流擴散層(104)和(112)必須由對基片晶格匹配或近似晶格匹配，對產(chǎn)生的光透明，并通過施主雜質(zhì)摻雜的材料形成。該優(yōu)選實施例與基片的材料是相同的材料，例如GaAs。可能的施主雜質(zhì)包括，但不限于S，Se，Te，及兩性的摻雜如Si，Ge，Sn，其中后者是在這樣的技術狀態(tài)下引入的，即它們占支配地結合到陽離子亞晶格，并用作為施主雜質(zhì)。
p-摻雜層(108)必須由與基片晶格匹配或近似晶格匹配，對產(chǎn)生的光透明，且由受主雜質(zhì)摻雜的材料形成。優(yōu)選實施例是與基片相同的材料，例如GaAs?？赡艿氖苤麟s質(zhì)包括但不限于Be，Mg，Zn，Cd，Pb，Mn及兩性的摻雜如Si，Ge，Sn，其中后者是在這樣的技術狀態(tài)下引入的，即它們占支配地結合到陰離子亞晶格，并用作為受主雜質(zhì)。
金屬觸點(105)，(109)和(113)可由多層金屬結構形成。與n-摻雜層的觸點，即觸點(105)和(113)可由但不限于結構Ni-Ay-Ge形成。與p-摻雜層的觸點，即觸點(109)可由但不限于結構Ti-Pt-Au形成。
有源元件(107)可由任何插入物形成，其能帶間隙比基片的能帶寬帶窄?？赡艿膶嵤├ǖ幌抻趩螌哟位蚨鄬恿孔觿葳?，量子線，量子點系統(tǒng)及其組合。在GaAs基片上的裝置的情形下，有源元件優(yōu)選實施例包括但不限于插入物系統(tǒng)InAs，In1-xGaxAs，InxGa1-x-yAlyAs，InxGa1-xAs1-yNy等。
調(diào)節(jié)器(111)可由任何插入物形成，其能帶間隙比基片的能帶寬帶窄?？赡艿牟牧霞敖Y構與有源元件相同，但是具體的設計應當使得調(diào)節(jié)器(111)表現(xiàn)出在高能側(cè)(較短補償側(cè))上對激光輻射波長強的吸收峰值。
每一層通過作為電流阻擋層工作的電流孔(103)與鄰近層分開，并能夠由但不限于Al(Ga)O層或質(zhì)子轟擊層形成。
例如在Vertical-Cvity Surface-Emitting LasersDesign，F(xiàn)abrication，Characterization，and Application by C.W.Wilmsen，H.Temkin，L.A.Codren(editors)，Cmbradge University Press，1999所述，可對于底部反射鏡(102)及對于頂部反射鏡(114)使用不同設計。優(yōu)選實施例是多層電介質(zhì)反射鏡GaAs/AlGaO。
作為另一方式，可使用不同的觸點順序。相位控制元件可包括n-觸點層，不摻雜或弱摻雜層，其內(nèi)插入調(diào)節(jié)器(111)，以及p-觸點層。然后，有源元件的p-觸點層和相位控制元件的n-觸點層可通過p+n+Esaki隧道結分開。
圖1實施例的激光器工作如下。由反向偏壓(116)生成的電場主要施加到不摻雜或弱摻雜區(qū)(110)。選擇調(diào)節(jié)器(111)以具有強的光電效應。在由偏壓(116)控制的外部電場之下，調(diào)節(jié)器(111)的折射率被調(diào)節(jié)。從光譜增益選擇發(fā)射波長通過振動狀態(tài)確定(H.C.Casey，Jr.，and M.B.Panish，Hererostructure Lasers，Part A，Academic Press，N.Y.1978)。發(fā)射的電磁波的光路包括層(104)，孔，包含調(diào)節(jié)器(111)，孔，層(112)的層(106)，所有雙倍通路還包括從底部和頂部反射鏡的反射。調(diào)節(jié)器(111)折射率的變化首先影響通過調(diào)節(jié)器(111)的光的光路，且其次影響從介質(zhì)(110)到調(diào)節(jié)器(111)及從調(diào)節(jié)器(111)向介質(zhì)(110)返回的光的傳輸系數(shù)。
為了展示折射率調(diào)節(jié)對發(fā)射光的效應，詳細考慮了帶有單板折射率調(diào)節(jié)器(111)的以理想反射的反射鏡為邊界的1λm-和0.5λm-微腔體的簡單情形。
圖2示出在以理想反射的反射鏡為邊界的1λm-和0.5λm-微腔體的調(diào)節(jié)器(111)可能的位置，在該位置它們提供了發(fā)射光波長調(diào)節(jié)的最大效應。圖2(a)-2(e)涉及1λm-微腔體，而圖2(f)-2(j)涉及0.5λm-微腔體。激活層(201)置于在微腔體模式中電場的最大值。在這模型中，反射鏡(203)和(204)是促成微腔體模式中電場輪廓(205)的理想反射的反射鏡。對于1λm-微腔體的圖2(a)-2(e)及對于0.5λm-微腔體的圖2(f)-2(j)涉及調(diào)節(jié)器(202)不同的位置。
已研究了調(diào)節(jié)器(202)厚度和位置兩者對發(fā)射光波長的的效應。對背景折射率n＝3.59(如在GaAs中)進行了計算，調(diào)節(jié)器(202)內(nèi)折射率的變化等于Δn＝+0.1。這時對于具有厚度0.07λm的調(diào)節(jié)器(202)達到最大效應，且調(diào)節(jié)器(202)的這種厚度涉及所有圖2(a)-2(j)。圖2(a)-2(c)示出調(diào)節(jié)器(202)的位置，對于這些位置發(fā)射光波長的移動達到其極端的正值Δλ/λ0＝+0.85％(這里λ0是真空中發(fā)射光的波長)。圖2(d)，2(e)描繪了其波長移動達到其極端負值Δλ/λ0＝-0.85％的調(diào)節(jié)器(202)的位置。圖中陰影方向的改變對應于發(fā)射光波長移動的改變。對于調(diào)節(jié)器(202)任何其它位置，波長的移動有介于這兩個極端之間的中間值，這值隨調(diào)節(jié)器(202)的位置逐漸改變。
對于0.5λm腔體效應加倍。對于圖2(f)，2(g)，和2(h)中的調(diào)節(jié)器(202)的位置，發(fā)射光波長移動達到極端正值Δλ/λ0＝+1.7％，且對于圖2(i)和2(j)的位置達到極端負值Δλ/λ0＝-1.7％。對于任何其它位置，移動有介于這兩個極端值之間的中間值，且移動作為調(diào)節(jié)器(202)位置的函數(shù)逐漸變化。
對于如圖1任何特定裝置的設計，腔體模式和調(diào)節(jié)器(111)對發(fā)射波長的效應可使用由Yariv和Yeh(Optical Waves in Crvstals，Wiley，N.Y.，1984，Chapter 6)的方法計算。一般來說，在較寬的微腔體中，單腔體(111)效應較弱。然而，能夠使用幾個調(diào)節(jié)器(111)，其數(shù)目可以是但不限于從5到10。對于激光器的任何設計，應當從調(diào)節(jié)器(111)的數(shù)目，它們的每一個的厚度和位置進行優(yōu)化。
在本發(fā)明中，對于折射率的調(diào)節(jié)使用腔體位置相關的電光效應。調(diào)節(jié)器(111)作為顯示光吸收尖峰的插入而實現(xiàn)的。根據(jù)Kramer-Kronig關系，折射率顯示近似吸收峰值的強烈調(diào)節(jié)。對于電介質(zhì)函數(shù)ε(ω)＝ε’(ω)+iε”(ω)的實部和虛部所寫的這一關系如下ϵ′(ω)=ϵ0+1πP∫ϵn(Ω)Ω-ωdΩ,---(1)]]>其中ε0是背景電介質(zhì)常數(shù)，而P意思是積分的主值。為了方便，這一關系可借助于折射率n(ω)=n′(ω)+in′′(ω)=(ϵ′(ω)+iϵ′′(ω))]]>的實和虛部寫出，并可借助于吸收系數(shù)α(ω)寫出n(ω)的虛部。這產(chǎn)生如下折射率實際部的調(diào)節(jié)Δn(ω)=λ04π2P∫α(Ω)Ω-ωdΩ.---(2)]]>
對于吸收系數(shù)在吸收線長的波長側(cè)通常指數(shù)性快速降低的狹窄吸收峰值，可以簡單的形式寫出半寬度之外的折射率的調(diào)節(jié)Δn(ω)≈λ02θ×αmaxΓΩ0-ω,---(3)]]>其中αmax是峰值吸收系數(shù)，Ω0是峰值位置，Γ是半最大值處吸收線的半寬度。對于波長λ0＝1μm，及峰值吸收系數(shù)αmax＝105cm-1，在比吸收峰值低2-5Γ光子能量處，折射率的調(diào)節(jié)數(shù)量級為0.2-0.1。對于激光器工作的優(yōu)選情形是吸收峰值狹窄的情形。這允許該裝置工作在附加的吸收由于調(diào)節(jié)器(111)所至而相當微弱的光譜區(qū)中，而折射率的調(diào)節(jié)在離開吸收峰值緩慢降低時變強。
在圖1的實施例中，反向偏壓施加到包含帶有調(diào)節(jié)器(111)的相位控制區(qū)(110)的第二元件。調(diào)節(jié)器(111)的功能在圖3中示出。尖銳的垂直線描繪發(fā)射光的頻線。在沒有電流時電場施加到調(diào)節(jié)器(111)。由于Stark效應，能級向較低能量移動。吸收的最大值的位置(圖3(a))折射率調(diào)節(jié)的譜區(qū)域(圖3(b))向低光子能量移動(分別是圖3(c)和3(d))。調(diào)節(jié)器(111)可通過但不限于單個量子勢阱，非耦合量子勢阱陣列，或電子耦合量子勢阱陣列實現(xiàn)。對于非耦合InGaAs/GaAs量子勢阱陣列在反向偏壓下，激發(fā)子吸收峰值的線寬度和峰值位置的典型實驗值(在室溫的50meV量級激發(fā)吸收峰值半最大值處的半寬度，以及在大約250meV反向偏壓12V峰值位置的移動，L.Chen et al.，Appl.Phys.Lett.57，2478-2480(1990))表明實現(xiàn)折射率的有效調(diào)節(jié)器(111)的可能性。
在圖1的優(yōu)選實施例中，可以有兩個互補的實施例。根據(jù)圖2所示的效應，發(fā)射光的波長移動強烈依賴于調(diào)節(jié)器(111)的特定位置。對于在調(diào)節(jié)器(111)內(nèi)增加折射率，發(fā)射光波長既可向較大又可向較小值移動。這是調(diào)節(jié)器(111)唯一的性質(zhì)，該性質(zhì)使其基本上不同于其它方法。一個實施例意思是，調(diào)節(jié)器(111)以向較大值提供波長最大移動的方式被優(yōu)化。另一實施例意思是，調(diào)節(jié)器(111)以向較小值提供波長最大移動的方式被優(yōu)化。
圖4中示出另一實施例，其中正向偏壓(401)施加到相位控制元件。正向偏壓結果是載流子在相位控制區(qū)的注入，即電子從金屬觸點(113)通過n-摻雜層(112)向弱摻雜層(110)及調(diào)節(jié)器(111)注入，而空穴從金屬觸點(109)通過p-摻雜層(108)向弱摻雜層(110)及調(diào)節(jié)器(111)注入。在調(diào)節(jié)器(111)中載流子的重新組合結果是增白，這樣降低了激發(fā)子吸收峰值，直到其消失并最終在系統(tǒng)中生成第二增益區(qū)。圖3(g)和圖3(h)分別示出吸收峰值的降低及折射率調(diào)節(jié)的降低。
在圖5中示出另一實施例。這實施例包含兩個相位控制級聯(lián)。在一個級聯(lián)中，例如在層(110)中，調(diào)節(jié)器(111)以向較大波長提供發(fā)射光波長最大移動的方式被優(yōu)化。在另一相位控制級聯(lián)(502)中，調(diào)節(jié)器(503)被優(yōu)化，以便向較短波長提供發(fā)射光波長最大移動。這兩個相位控制級聯(lián)的每一個分別工作在反向偏壓(116)及(505)之下。兩個相位控制級聯(lián)的獨立工作允許既可向較大又可向較小值移動發(fā)射光波長。
弱摻雜層(502)和p-摻雜層(504)的材料必須是對基片晶格匹配的或近似晶格匹配，并對發(fā)射光是透明的。一個實施例是這樣的結構，其中弱摻雜層是與(110)相同材料生長的，而p-摻雜層(504)是與p-摻雜層(108)相同材料生長的。與p-摻雜層的金屬觸點(501)可從與金屬觸點(109)相同結構形成。
調(diào)節(jié)器(503)能夠通過任何插入物形成，其能帶間隙比基片的狹窄?？赡艿牟牧虾徒Y構與用于調(diào)節(jié)器(111)的相同，但調(diào)節(jié)器(503)必須這樣設計和定位，使得調(diào)節(jié)器(503)提供發(fā)射光波長對較短波長的移動。
圖6中示出另一實施例。與圖5類似，這一實施例包含兩個相位控制級聯(lián)。一個級聯(lián)工作在反向偏壓(116)，并使用Stark效應，而另一工作在正向偏壓(601)，并使用增白效應。這給出圖5實施例的另一替代方式。，并允許發(fā)射光波長向較大和較小兩個值移動。
圖7示出另一實施例。這一實施例包含兩個相位控制級聯(lián)，兩個都分別工作在正向偏壓(401)和(601)。這提供了圖5和圖6實施例的替代方式，并允許發(fā)射光的波長向較大和較小兩個值移動。圖5，圖6和圖7中所示的實施例都是有用的，使用哪一個的選擇取決于業(yè)內(nèi)專業(yè)人員所知道的應用和標準優(yōu)化實驗及選擇。
圖6和7的實施例的第二相位控制元件能夠由與圖5實施例的那些相同的材料制成。
基于Stark效應的調(diào)節(jié)器(111)中折射率的調(diào)節(jié)由通過調(diào)節(jié)器(111)的光吸收強化伴隨。如果反射鏡設計為提供明顯的外部損失，即大于相位控制元件吸收損失，則這一效應不很重要。另外，圖8中所示的另一實施例包含一平衡元件，該元件包含固有的或弱摻雜層(802)，其內(nèi)插入一平衡器(803)并且是p-摻雜層。這一元件工作在反向偏壓(805)。
圖9中示出另一實施例。所有圖9(a)-9(i)中的細的垂直實線描繪了在零偏壓發(fā)射光的譜線。所有圖中細的垂直虛線對應于在非零偏壓發(fā)射光的譜線。
考慮圖8實施例的操作，其中調(diào)節(jié)器(111)這樣配置，使得調(diào)節(jié)器(111)折射率的增加導致發(fā)射光波長向較大值的移動(紅色移動)。當對由摻雜層(108)和(112)及圍繞調(diào)節(jié)器(111)的不摻雜層(110)形成的相位控制元件不加偏壓時，調(diào)節(jié)器(111)的吸收光譜為圖9的光譜。在反向偏壓(116)下，調(diào)節(jié)器(111)的吸收光譜向較低光子能移動(圖9(b))，這樣增加了發(fā)射光的內(nèi)部損失。吸收器層(803)用來平衡在發(fā)射光不同波長的內(nèi)部損失。圖9中描繪了層(803)的吸收系數(shù)。平衡器(803)在其最大值處的吸收系數(shù)比調(diào)節(jié)器(111)小得多，這在圖9(c)，9(f)和9(i)由與其它圖9(a)，9(b)，9(d)，9(e)，9(g)，和9(h)比較的吸收譜的相對標度示出。由于平衡器(803)在其最大值處的吸收相當小，其對折射率的影響可忽略，并能夠不計。平衡器(803)設計為這樣的方式，使得其吸收系數(shù)的最大值(圖9(c)的系數(shù))對于在零偏壓(116)的發(fā)射光的光子能向較大光子能移動。當在反向偏壓(116)下發(fā)射光的光譜向較低光子能移動時，平衡器(803)的光吸收降低。由于發(fā)射光的光譜線靠近平衡器(803)的吸收光譜最大值，并同時從調(diào)節(jié)器(803)的吸收光譜的最大值更明顯的移動，故由調(diào)節(jié)器(111)和平衡器(803)實際的吸收數(shù)量級相同。這意味著，確實能夠通過平衡器(803)特別的設計，通過降低平衡器(803)降低的吸收而補償由調(diào)節(jié)器(111)增加的吸收。
如果調(diào)節(jié)器(111)以這樣的方式設計，使得折射率的增加導致發(fā)射光的補償降低，即向發(fā)射光的藍色移動，平衡器(803)能夠被設計為具有圖9(f)的吸收光譜。當向調(diào)節(jié)器(111)施加反向偏壓(116)時，調(diào)節(jié)器(111)的吸收峰值向較低光子能移動(圖9(e))，調(diào)節(jié)器(111)的折射率增加，且發(fā)射光的光譜向較大光子能移動。由調(diào)節(jié)器(111)吸收的光增加，同時由平衡器(803)吸收的光減少，這樣平衡了激光器的功率輸出。
一般來說，平衡器(803)能夠設計為在較高光子能零偏壓具有吸收最大值，且吸收最大值的位置能夠通過施加反向偏壓(805)向較低的能移動。
圖10示出的另一實施例，使用工作在正向偏壓(401)的調(diào)節(jié)器(111)及平衡器(803)。調(diào)節(jié)器(111)中的增白和吸收的降低(參見圖9(h))伴隨著調(diào)節(jié)器(111)的折射率的降低。調(diào)節(jié)器(111)設計為，使得發(fā)射光的譜線向較高光子能移動(當Δn＜0時)。這時由平衡器(803)光的吸收增加(圖9(i))，這補償了由于增白所至調(diào)節(jié)器(111)光吸收的減少。
類似于圖8所示的實施例，平衡器(803)在零偏壓(805)的吸收最大值能夠被置于較高光子能，并通過施加反向偏壓(805)向較低能移動。
類似于圖8和圖10的另一實施例，可使用平衡器(803)作為振幅調(diào)節(jié)器(111)。該設計相同，但施加到功率平衡器(803)元件的偏壓的操作結果是得到輸出功率所希望的調(diào)節(jié)。這樣，圖8和圖10的實施例可用于分開的頻率和振幅調(diào)節(jié)。
對于如圖8和圖10那樣包含平衡元件的所有的實施例，弱摻雜層(802)和p-摻雜層(804)都必須是對基片晶格匹配或近似晶格匹配的，并對于發(fā)射光是透明的。優(yōu)選實施例是這樣的結構，其中弱摻雜層(802)是與(110)相同材料生長的，而p-摻雜層(804)是與p-摻雜層(108)相同材料生長的。與p-摻雜層的金屬觸點(801)可從與金屬觸點(109)相同結構形成。
平衡器(803)能夠通過任何插入物形成，其能帶比基片的能帶狹窄?？赡艿牟牧虾徒Y構與調(diào)節(jié)器(111)相同，但平衡器(803)必須這樣設計，使得吸收器提供所需的吸收頻譜，如圖9(c)，9(f)或9(i)中所示意的。
圖11中示出另一實施例，并類似于圖8和圖10中所示的實施例，但是包括第四個元件，該元件用作為光檢測器以測量輸出功率，這樣對所有的操作將激光器進行校正。這一元件作為標準光檢測器工作。它吸收發(fā)射光并在電路中生成電流，這由微安計(1105)測量。
弱摻雜層(1102)和n-摻雜層(1104)必須是對基片晶格匹配或近似晶格匹配的，并對于發(fā)射光是透明的。一優(yōu)選實施例是這樣的結構，其中弱摻雜層(1102)是與(110)相同材料生長的，而n-摻雜層(1104)是與n-摻雜層(104)相同材料生長的。與n-摻雜層的金屬觸點(1101)可從但不限于與n-摻雜層(105)的金屬觸點(109)相同結構形成。吸收器(1103)可由任何吸收發(fā)射光的插入物形成。
圖12中示出另一實施例，并包括圖11的四個元件，但調(diào)節(jié)器(111)工作在正向偏壓(401)，且調(diào)節(jié)效應基于增白。
圖13中示出另一實施例并包括五個元件，即有源元件，兩個希望控制級聯(lián)，其中工作在施加的反向偏壓的一個向較大值移動發(fā)射光波長，而工作在施加的反向偏壓的另一個，向較小的值移動發(fā)射光的波長，功率平衡元件，及一個光檢測元件。圖14中示出另一實施例并包括圖13所示的五個元件，然而一個相位控制級聯(lián)工作在反向偏壓，而另一個相位控制級聯(lián)工作在正向偏壓。圖15中示出另一實施例并包括圖13所示的五個元件，然而兩個相位控制級聯(lián)都工作在正向偏壓。
對于所述的每一實施例，元件的優(yōu)選順序，每一層的厚度，調(diào)節(jié)器(111)，功率平衡器(803)，光檢測器，及反射鏡的設計，應當作為提供發(fā)射光波長的最大可調(diào)性與最大輸出功率之間優(yōu)選的相互影響的優(yōu)化結果而獲得。
進一步的實施例可能包含一個以上的有源元件，或一個以上的相位控制元件，向較大值移動發(fā)射光波長，或一個以上的相位控制元件，向較小值移動發(fā)射光波長，或一個以上的功率平衡元件，或一個以上的光檢測元件，其中元件的順序也可以是任意的。此外，進一步的實施例可能是由一個元件實現(xiàn)一個以上的功能。在進一步的實施例中，n-摻雜層和p-摻雜層對于以上所述的實施例可互換。對于觸點層，電路孔，可使用不同于以上所述設計的反射鏡和觸點。在一個進一步的實施例中，一方面，激光器輻射的光譜位置，調(diào)節(jié)器(多調(diào)節(jié)器)吸收光譜的譜位置可以相互交換，使得調(diào)節(jié)器在從激光器輻射頻譜線的長波側(cè)呈現(xiàn)強的狹窄吸收頻譜。除此之外，光檢測元件可工作連接到一個以上激光器元件的偏壓控制裝置。
雖然對本發(fā)明已就其示例性實施例進行了展示和說明，但業(yè)內(nèi)專業(yè)人員應當理解，在不背離本發(fā)明的精神和范圍之下，可在其中或向其作出上述和各種其它變化，省略和添加。因而，本發(fā)明不應當理解為限于以上所述特定實施例，而是對于所附權利要求中提出的特征，包括所有可能在函蓋的范圍內(nèi)可實施的實施例及其等價物。
權利要求
1.一種波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，包括a)一個基片；b)一個底部反射鏡，由基片上的布拉格反射器區(qū)域形成；c)有源元件，該元件包括i)光產(chǎn)生層，當被施加正向偏壓暴露于注入電流時發(fā)射光，ii)基片之上及光產(chǎn)生層之下的第一n-摻雜電流擴散區(qū)，iii)光產(chǎn)生層之上的第一p-摻雜電流擴散區(qū)，iv)置于每一鄰近區(qū)域之間的電流孔，以及v)n-摻雜電流擴散區(qū)與p-摻雜電流擴散區(qū)之間的有源元件偏壓控制裝置，使得電流能夠被注入到光產(chǎn)生層以產(chǎn)生光；d)相位控制元件，該元件包括i)位于第一p-摻雜電流擴散區(qū)之上的一個調(diào)節(jié)層，當施加反向偏壓暴露于電場時，或當施加正向偏壓暴露于注入電流時，由于位置相關電光效應，來調(diào)節(jié)光的波長，ii)調(diào)節(jié)層之上的第二n-摻雜電流擴散區(qū)，iii)位于每一鄰近區(qū)域之間的電流孔，以及iv)第二n-摻雜電流擴散區(qū)與第一p-摻雜電流擴散區(qū)之間的一個相位控制元件偏壓控制裝置，使得能夠生成一電場引起調(diào)節(jié)層調(diào)節(jié)光波長；以及e)一頂部反射鏡，在第二n-摻雜電流擴散區(qū)域之上由布拉格反射器區(qū)域形成。
2.權利要求1的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，還包括一光檢測元件，能夠測量來自激光器的光輸出。
3.權利要求2的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件操作地連接到有源元件偏壓控制裝置，使得有源元件的輸出響應來自激光器的光輸出的測量。
4.權利要求2的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件操作地連接到相位控制元件偏壓控制裝置，使得相位控制元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
5.權利要求3的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件操作地連接到相位控制元件偏壓控制裝置，使得相位控制元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
6.權利要求1的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中有源元件偏壓控制裝置施加正向偏壓。
7.權利要求1的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中相位控制元件偏壓控制裝置施加反向偏壓。
8.權利要求1的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中相位控制元件偏壓控制裝置施加正向偏壓。
9.權利要求7的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中相位控制元件設置為向較長波長移動發(fā)射光波長。
10.權利要求7的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中相位控制元件設置為向較短波長移動發(fā)射光波長。
11.權利要求8的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中相位控制元件設置為向較長波長移動發(fā)射光波長。
12.權利要求8的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中相位控制元件設置為向較短波長移動發(fā)射光波長。
13.權利要求1的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，還包括f)一個平衡器元件，該元件包括i)一個吸收層，吸收光并位于第二n-摻雜電流擴散區(qū)之上，ii)一個第二p-摻雜電流擴散區(qū)，在吸收層之上，iii)電流孔，位于每一鄰近區(qū)域之間，以及iv)在第二n-摻雜電流擴散區(qū)與第二p-摻雜電流擴散區(qū)之間的平衡器元件偏壓控制裝置，使得當施加到反向偏壓時能夠生成一電場，或當施加正向偏壓時能夠注入電流，引起吸收層響應該電場或電流而產(chǎn)生吸收系數(shù)的改變。
14.權利要求13的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中平衡器元件偏壓控制裝置施加反向偏壓。
15.權利要求13的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中平衡器元件偏壓控制裝置施加正向偏壓。
16.權利要求13的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，還包括光檢測元件，能夠測量來自激光器的光輸出。
17.權利要求16的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件可操作地連接到有源元件偏壓控制裝置，使得有源元件的輸出響應來自激光器的光輸出的測量。
18.權利要求16的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件可操作地連接到相位控制元件偏壓控制裝置，使得相位控制元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
19.權利要求17的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件可操作地連接到相位控制元件偏壓控制裝置，使得相位控制元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
20.權利要求16的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件可操作地連接到平衡元件偏壓控制裝置，使得平衡元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
21.權利要求17的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件可操作地連接到平衡元件偏壓控制裝置，使得平衡元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
22.權利要求18的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件可操作地連接到平衡元件偏壓控制裝置，使得平衡元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
23.權利要求19的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件可操作地連接到平衡元件偏壓控制裝置，使得平衡元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
24.一種波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，包括a)一個基片；b)一個底部反射鏡，由基片上的布拉格反射器區(qū)域形成；c)有源元件，該元件包括i)光產(chǎn)生層，當注入電流時發(fā)射光，ii)基片之上及光產(chǎn)生層之下的第一n-摻雜電流擴散區(qū)，iii)光產(chǎn)生層之上的第一p-摻雜電流擴散區(qū)，iv)置于每一鄰近區(qū)域之間的電流孔，以及v)n-摻雜電流擴散區(qū)與p-摻雜電流擴散區(qū)之間的有源元件偏壓控制裝置，使得電流能夠被注入到光產(chǎn)生層以產(chǎn)生光；d)一個第一相位控制元件，該元件包括i)位于第一p-摻雜電流擴散區(qū)之上的一個第一調(diào)節(jié)層，當施加反向偏壓暴露于電場時，或當施加正向偏壓暴露于注入電流時，由于位置相關電光效應，調(diào)節(jié)光的波長，ii)調(diào)節(jié)層之上的一個第二n-摻雜電流擴散區(qū)，iii)位于每一鄰近區(qū)域之間的電流孔，以及iv)第二n-摻雜電流擴散區(qū)與第一p-摻雜電流擴散區(qū)之間的一個第一相位控制元件偏壓控制裝置，使得能夠生成一電場引起第一調(diào)節(jié)層調(diào)節(jié)光波長；以及e)一個第二相位控制元件，該元件包括i)位于第二n-摻雜電流擴散區(qū)之上的一個第二調(diào)節(jié)層，當施加反向偏壓暴露于電場時，或當施加正向偏壓暴露于注入電流時，由于位置相關電光效應，調(diào)節(jié)光的波長，其中第二調(diào)節(jié)層設置為相對于第一調(diào)節(jié)層產(chǎn)生發(fā)射光波長向光譜相反方向的移動，ii)調(diào)節(jié)層之上的一個第二p-摻雜電流擴散區(qū)，iii)位于每一鄰近區(qū)域之間的電流孔，以及iv)第二n-摻雜電流擴散區(qū)與第二p-摻雜電流擴散區(qū)之間的一個第二相位控制元件偏壓控制裝置，使得能夠生成一電場引起第二調(diào)節(jié)層調(diào)節(jié)光波長；以及f)一頂部反射鏡，在第二p-摻雜電流擴散區(qū)域之上由布拉格反射器區(qū)域形成。
25.權利要求24的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，還包括一光檢測元件，能夠測量來自激光器的光輸出。
26.權利要求25的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件操作地連接到有源元件偏壓控制裝置，使得有源元件的輸出響應來自激光器的光輸出的測量。
27.權利要求25的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件操作地連接到第一相位控制元件偏壓控制裝置，使得第一相位控制元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
28.權利要求26的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件操作地連接到第一相位控制元件偏壓控制裝置，使得第一相位控制元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
29.權利要求25的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件操作地連接到第二相位控制元件偏壓控制裝置，使得第二相位控制元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
30.權利要求26的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件操作地連接到第二相位控制元件偏壓控制裝置，使得第二相位控制元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
31.權利要求24的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中有源元件偏壓控制裝置施加一正向偏壓。
32.權利要求24的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中第一相位控制元件偏壓控制裝置施加一反向偏壓。
33.權利要求24的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中第一相位控制元件偏壓控制裝置施加一正向偏壓。
34.權利要求24的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中第二相位控制元件偏壓控制裝置施加一反向偏壓。
35.權利要求24的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中第二相位控制元件偏壓控制裝置施加一正向偏壓。
36.權利要求24的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，還包括g)一個平衡器元件，該元件包括i)一個吸收層，當暴露于一電場時吸收光，并位于第二p-摻雜電流擴散區(qū)之上，ii)一個第三n-摻雜電流擴散區(qū)，在吸收層之上，iii)電流孔，位于每一鄰近區(qū)域之間，以及iv)在第二p-摻雜電流擴散區(qū)與第二n-摻雜電流擴散區(qū)之間的平衡器元件偏壓控制裝置，使得能夠生成一電場，引起吸收層響應該電場而吸收光。
37.權利要求36的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中平衡器元件偏壓控制裝置施加反向偏壓。
38.權利要求36的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中平衡器元件偏壓控制裝置施加正向偏壓。
39.權利要求36的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，還包括光檢測元件，能夠測量來自激光器的光輸出。
40.權利要求39的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件可操作地連接到有源元件偏壓控制裝置，使得有源元件的輸出響應來自激光器的光輸出的測量。
41.權利要求39的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件可操作地連接到第一相位控制元件偏壓控制裝置，使得第一相位控制元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
42.權利要求40的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件可操作地連接到第一相位控制元件偏壓控制裝置，使得第一相位控制元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
43.權利要求39的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件可操作地連接到第二相位控制元件偏壓控制裝置，使得第二相位控制元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
44.權利要求40的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件可操作地連接到第二相位控制元件偏壓控制裝置，使得第二相位控制元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
45.權利要求39的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件可操作地連接到平衡元件偏壓控制裝置，使得平衡元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
46.權利要求40的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件可操作地連接到平衡元件偏壓控制裝置，使得平衡元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
47.權利要求41的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件可操作地連接到平衡元件偏壓控制裝置，使得平衡元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
48.權利要求42的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件可操作地連接到平衡元件偏壓控制裝置，使得平衡元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
49.權利要求43的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件可操作地連接到平衡元件偏壓控制裝置，使得平衡元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
50.權利要求44的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中光檢測元件可操作地連接到平衡元件偏壓控制裝置，使得平衡元件的調(diào)節(jié)響應來自激光器的光輸出的測量。
51.權利要求14的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中相位控制元件偏壓設置為向較長波長移動發(fā)射光波長。
52.權利要求14的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中相位控制元件偏壓設置為向較短波長移動發(fā)射光波長。
53.權利要求15的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中相位控制元件偏壓設置為向較長波長移動發(fā)射光波長。
54.權利要求15的波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其中相位控制元件偏壓設置為向較短波長移動發(fā)射光波長。
全文摘要
一種波長可調(diào)半導體垂直腔體面發(fā)射激光器，其包括至少一個有源元件，該元件包含通過電流的注入產(chǎn)生光增益的激活層，以及至少一個相位控制元件及反射鏡。相位控制元件包含一個調(diào)節(jié)器，對來自激光產(chǎn)生的的波長的短波長側(cè)呈現(xiàn)強的狹窄光吸收峰。波長控制通過使用位置相關電光效應實現(xiàn)。如果施加反向偏壓，則由于斯塔克效應吸收最大值向較長波長移動。如果施加正向偏壓，則電流被注入，結果是峰值吸收的增白和減少。在兩種情形下都出現(xiàn)相位控制元件中折射率強烈的調(diào)節(jié)。該效應調(diào)節(jié)腔體模式的波長，且波長位移的符號和值由調(diào)節(jié)器的位置定義。兩個相位控制的級聯(lián)能夠?qū)す鈭?zhí)行，其一個移動發(fā)射的光的波長到較大值，另一個移動發(fā)射的光的波長到較小值。在這種激光器中可使用功率平衡元件，允許或者在不同發(fā)射波長保持固定的輸出功率，或者實現(xiàn)獨立的頻率和振幅調(diào)節(jié)?？稍诩す馄髦袑崿F(xiàn)光檢測元件，允許對所有操作激光器的定標。
文檔編號H01S1/00GK1531769SQ02810876
公開日2004年9月22日 申請日期2002年5月28日 優(yōu)先權日2001年5月29日
發(fā)明者尼古拉·尼古拉耶維奇·列堅佐夫, 維塔利·亞利山德羅維奇·舒金, 亞利山德羅維奇 舒金, 尼古拉 尼古拉耶維奇 列堅佐夫 申請人:尼古拉·尼古拉耶維奇·列堅佐夫, 尼古拉 尼古拉耶維奇 列堅佐夫