專利名稱：半導(dǎo)體激光器和制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光器，特別是以基本上單縱模發(fā)射進(jìn)行工作的激光器。
背景技術(shù)：
通過(guò)在沿著一個(gè)器件的長(zhǎng)度的預(yù)定位置處加入擾動(dòng)而實(shí)現(xiàn)單模發(fā)射是已知的，見(jiàn)EP 1 214 763(都伯林三一學(xué)院，該文獻(xiàn)在此被全文引用)。所謂的“帶槽激光器”在愛(ài)爾蘭專利第S82521(CORK的愛(ài)爾蘭國(guó)家大學(xué))中也得到了公布，其借助由于沿著激光腔的槽特征蝕刻而產(chǎn)生的光學(xué)反饋，而實(shí)現(xiàn)單縱模發(fā)射。
一般地說(shuō)，擾動(dòng)可以由任何折射率改變裝置產(chǎn)生，只要該折射率改變裝置在一個(gè)適當(dāng)?shù)某潭壬细淖儾▽?dǎo)的折射率分布從而控制器件的光學(xué)反饋因而控制器件的頻譜內(nèi)容。雖然本發(fā)明的以下描述主要涉及其中擾動(dòng)是由沿著器件蝕刻出的槽所限定的情況，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明的教導(dǎo)也同樣適用于其他形式的擾動(dòng)(例如，通過(guò)采用摻雜或離子注入法而改變折射率分布)。
術(shù)語(yǔ)“槽長(zhǎng)度”(在圖2中標(biāo)為L(zhǎng)slot)在此被用來(lái)指器件材料中的縱槽面之間的距離，即，“槽長(zhǎng)度”是沿著光傳播方向d測(cè)量的。

圖1和2顯示了典型的具有單矩形槽6的現(xiàn)有技術(shù)帶槽激光器1。通常，這樣的一個(gè)器件包括被一個(gè)上包層4所覆蓋的波導(dǎo)層2(包含例如一個(gè)多量子井結(jié)構(gòu))。初級(jí)光學(xué)反饋裝置是以在該器件的兩端的切出的小面8的形式提供的。這些小面之間的距離確定了腔的Fabry-Perot模(法-布模)的準(zhǔn)確波長(zhǎng)。上包層4形成了一個(gè)具有蓋層5的一個(gè)脊3。在這樣的已知器件中的槽特征是通過(guò)在脊波導(dǎo)3中蝕刻一個(gè)矩形槽6而形成的，從而產(chǎn)生了兩個(gè)縱的界面7，這兩個(gè)界面7與器件內(nèi)的光傳播方向d相垂直。
對(duì)于帶槽激光器可實(shí)現(xiàn)單模的機(jī)制，可作如下說(shuō)明眾所周知，一個(gè)激光器的自由光譜范圍由下式給出Δλ＝λ2/(2neff·L) (1)
因而其實(shí)際上是由器件的腔長(zhǎng)L確定。其中，Δλ是自由光譜范圍，λ是光的自由空間波長(zhǎng)，且neff是激光腔中的光學(xué)模式的有效折射率。然而，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在激光腔中按照L/N的間隔設(shè)置反射界面，可以壓制除了N個(gè)Fabry-Perot模式之外的所有模式(即，增強(qiáng)N個(gè)模中的大致每一個(gè)模)。其中L仍然是激光器的腔長(zhǎng)，且N是一個(gè)整數(shù)。這基本上就是一個(gè)帶槽激光器中發(fā)生的情況，只是當(dāng)在一個(gè)激光腔中蝕刻出一個(gè)矩形的槽特征時(shí)，就同時(shí)產(chǎn)生了兩個(gè)反射界面。重要且需要注意的是，每一個(gè)所形成的反射界面都提供了類(lèi)似量的光學(xué)反饋。另一點(diǎn)重要的是要理解蝕刻的槽特征的長(zhǎng)度必須被保持為合理地小(通常＜3μm)。其主要理由如下首先，槽下的波導(dǎo)的內(nèi)部損耗遠(yuǎn)高于腔中的其他部分。其次，由于槽的底部之下的半導(dǎo)體材料中的摻雜物濃度可小于蓋層中的摻雜物濃度的十分之一，因而無(wú)法在該材料上形成一個(gè)低阻抗的金屬接觸部。這意味著，如果槽特征的長(zhǎng)度被任意增大，則槽下方的一部分材料將處于未被泵浦的狀態(tài)。
為了準(zhǔn)確地確定一個(gè)器件的發(fā)射波長(zhǎng)，需要能夠按照與槽特征的所有邊緣之間的距離成反比的精度，對(duì)這些邊緣的彼此相對(duì)位置進(jìn)行定位。這可以通過(guò)認(rèn)識(shí)到以下情況而得到理解即，在一個(gè)長(zhǎng)腔器件中駐波條件受腔的長(zhǎng)度的一個(gè)固定改變?chǔ)的影響比在一個(gè)短腔器件中的駐波條件要小。(應(yīng)該注意的是，由于器件的小面(facets)提供了顯著的光學(xué)反饋，這些界面相對(duì)于槽特征的定位是重要的)。由于典型的帶槽激光器包含蝕刻的特征，其長(zhǎng)度大于激光腔中的光場(chǎng)的波長(zhǎng)小于一個(gè)數(shù)量級(jí)的量。另外，如果一個(gè)給定的傳統(tǒng)槽特征的兩個(gè)界面提供顯著量的光學(xué)反饋，則可以理解的是發(fā)射波長(zhǎng)，或更準(zhǔn)確地說(shuō)是這樣的器件的鏡損耗譜，對(duì)這樣的特征的界面之間的距離的誤差極其地敏感。因此，一個(gè)帶槽激光器的發(fā)射波長(zhǎng)關(guān)鍵地取決于槽特征本身的長(zhǎng)度。準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)具有一個(gè)給定長(zhǎng)度的槽特征的過(guò)程因而也是重要的。
確定一個(gè)槽特征的精度最重要的因素，是所采用的平板印刷技術(shù)的選擇。這在用于e束系統(tǒng)的+/-10-20nm至+/-100-200nm光學(xué)平板印刷系統(tǒng)之間變化。除了平板印刷系統(tǒng)本身的精度之外，實(shí)現(xiàn)具有一定長(zhǎng)度的一個(gè)矩形槽特征的過(guò)程受到與蝕刻處理相關(guān)的偏移的嚴(yán)重影響(在圖3中由于處理偏移而引起的偏離被表示為Opd)。這是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)榫哂衅叫羞吘壍囊粋€(gè)槽特征的長(zhǎng)度受到蝕刻處理的偏移的影響，因而槽圖案中的臨界尺寸會(huì)改變。由于這些因素，采用標(biāo)準(zhǔn)的平板印刷和處理技術(shù)，難于充分地控制一個(gè)矩形槽特征的長(zhǎng)度從而確定包含這樣的特征的一個(gè)器件的光譜內(nèi)容。
如上所述，準(zhǔn)確地確定帶槽激光器的發(fā)射波長(zhǎng)是有很大的困難。本發(fā)明的一個(gè)目的，就是解決這些困難。
本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步的目的，是提供制作方法，該方法解決與處理偏移和所產(chǎn)生的對(duì)槽定位的影響有關(guān)的問(wèn)題。
本發(fā)明的再一個(gè)目的，是提供一種基本上單模的激光器，它的性能對(duì)溫度的依賴性更小。
本發(fā)明的另一個(gè)目的，是提供改善一個(gè)激光器的自由光譜范圍的一種方法和提供具有改進(jìn)的自由光譜范圍的激光器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種激光器，該激光器發(fā)射基本上單一波長(zhǎng)的光，并包括一個(gè)激光產(chǎn)生腔，它具有激光產(chǎn)生介質(zhì)和有在腔的兩端的小面的形式的初級(jí)光學(xué)反饋裝置，該激光腔限定了一條沿著縱向延伸的光路；以及，由所述激光產(chǎn)生腔中的一或多個(gè)有效折射率擾動(dòng)形成的一個(gè)次級(jí)光學(xué)反饋裝置，每一個(gè)擾動(dòng)限定了兩個(gè)界面；其中對(duì)至少一個(gè)擾動(dòng)，所述兩個(gè)界面中只有一個(gè)對(duì)沿著所述光路的光學(xué)反饋有貢獻(xiàn)。
優(yōu)選地，所述激光器包括一個(gè)脊，且至少一個(gè)有效折射率擾動(dòng)是由該脊上限定的一個(gè)槽形成的。在一個(gè)最佳實(shí)施例中，每一個(gè)擾動(dòng)都包括沿著所述脊形成的一個(gè)槽。
優(yōu)選地，每一個(gè)擾動(dòng)的有貢獻(xiàn)的界面是基本上平面的并基本上與縱向延伸的光路相垂直。
優(yōu)選地，至少一個(gè)槽包括一個(gè)第一面和一個(gè)第二面，所述第一面是大體平面的并與縱向延伸的光路基本垂直，所述第二面不與所述光路垂直并且優(yōu)選地是大體階梯狀的、彎曲的或與所述第一面成夾角的。這樣的槽設(shè)計(jì)盡量減小或阻止了界面之間的相消干涉。
根據(jù)本發(fā)明，只有與光路基本垂直的界面對(duì)器件內(nèi)的光學(xué)反饋有所貢獻(xiàn)，而來(lái)自非垂直界面的反饋受到了抑制，從而改善了激光器的性能特性。
在一個(gè)替換實(shí)施例中，包括一個(gè)脊的一個(gè)激光器具有至少一個(gè)有效折射率擾動(dòng)，該至少一個(gè)擾動(dòng)是由脊的側(cè)面上限定的一或多個(gè)凹缺部形成的。每一個(gè)擾動(dòng)都可由脊上限定的凹缺部適當(dāng)?shù)匦纬伞?br> 通常，可采用一系列的有效折射率擾動(dòng)，其中相鄰的有貢獻(xiàn)的界面之間的間隔是材料的四分之一或半波長(zhǎng)的一個(gè)一致的倍數(shù)。一或多個(gè)附加系列的有效折射率擾動(dòng)，可以與第一系列的擾動(dòng)相重疊。這樣的擾動(dòng)系列形成了具有更大的有效自由光譜范圍的器件。
在一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例中，兩或更多個(gè)槽具有不同的長(zhǎng)度(而相鄰的有貢獻(xiàn)的面之間的間隔是半波長(zhǎng)的一個(gè)一致的倍數(shù))。這種“變化”的槽的效果，是有貢獻(xiàn)的面能夠形成腔內(nèi)的光學(xué)反饋的相長(zhǎng)干涉，而無(wú)貢獻(xiàn)的面則不形成這樣的干涉，因?yàn)楦鱾€(gè)槽的長(zhǎng)度是彼此不同的。
本發(fā)明還涉及一種激光器的一種制作方法，包括以下步驟(1)形成具有激光產(chǎn)生介質(zhì)的一個(gè)激光腔，該激光腔限定了一個(gè)縱向延伸的光路并在兩端具有小面，以及(2)通過(guò)在激光腔中引入多個(gè)擾動(dòng)，形成光學(xué)反饋裝置，每一個(gè)擾動(dòng)限定了兩個(gè)縱向界面；其特征在于，至少一個(gè)擾動(dòng)的所述縱向界面被適當(dāng)設(shè)置，從而使得只有一個(gè)界面對(duì)沿著所述縱向延伸的光路的光學(xué)反饋有所貢獻(xiàn)。即，對(duì)至少一個(gè)擾動(dòng)，只有一個(gè)界面對(duì)沿著所述縱向延伸的光路的光學(xué)反饋有貢獻(xiàn)。
優(yōu)選地，所述腔具有一個(gè)縱向延伸的脊，且通過(guò)在脊上蝕刻一個(gè)槽而提供至少一個(gè)擾動(dòng)。
優(yōu)選地，至少一個(gè)槽帶有一個(gè)第一面和一個(gè)第二面，所述第一面是大體平面的并與所述縱向延伸的光路大體垂直，且所述第二面不與所述光路相垂直并優(yōu)選地是大體彎曲的、階梯狀的或與所述第一面成夾角的?；蛘撸梢酝ㄟ^(guò)在所述脊的側(cè)面上蝕刻一或多個(gè)凹缺部，而提供擾動(dòng)。
本發(fā)明的方法改善了加工容差并改善了所產(chǎn)生的激光器的溫度特性，如以下所要描述的。
本發(fā)明還提供了改善一種激光器器件的自由光譜范圍的一種方法，包括形成沿著所述光路的一系列的有效折射率擾動(dòng)，其中相鄰的有貢獻(xiàn)的界面之間的間隔是材料的四分之一或半波長(zhǎng)的一個(gè)一致的倍數(shù)。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。在附圖中圖1顯示了包括單個(gè)的矩形槽特征的現(xiàn)有技術(shù)帶槽激光器器件；圖2是圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)的平面圖；圖3是一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)器件內(nèi)的矩形槽的定位時(shí)的處理偏移的效果的示意表示；圖4顯示了包括一個(gè)單個(gè)的帶角度的槽的帶槽激光器器件；圖5是圖4所示的器件的平面圖；圖6顯示了在一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的包括帶角度的槽特征的激光器中的臨界尺寸和采用帶角度的槽對(duì)折射率的影響；圖7顯示了可被用在本發(fā)明中的不同的槽配置的例子；圖8是包括帶角度的槽特征的一種器件的計(jì)算出的鏡損耗譜，這些槽特征被分開(kāi)32個(gè)適當(dāng)?shù)牟牧习氩ㄩL(zhǎng)以實(shí)現(xiàn)在1.55μm的單模發(fā)射；
圖9顯示了用來(lái)獲得圖8所示的計(jì)算出的鏡損耗譜的帶角度的槽的圖案；圖10更詳細(xì)地顯示了在產(chǎn)生圖8、11和12中的計(jì)算出的鏡分布的模擬中采用的槽特征；圖11是采用一種槽圖案獲得的鏡損耗譜，在該槽圖案中，帶角度的特征被分開(kāi)不同數(shù)目的材料半波長(zhǎng)，所涉及的槽圖案被適當(dāng)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)在1.55μm的單模發(fā)射(注意這種非常大的有效自由光譜范圍)；圖12包括來(lái)自3個(gè)不同的槽圖案的三個(gè)重疊的計(jì)算出的鏡損耗譜，這3種不同的槽圖案都是為獲得1.55μm處的單縱模發(fā)射而設(shè)計(jì)的(實(shí)線、虛線和點(diǎn)線的譜分別是用其中帶角度的槽特征被分開(kāi)29、44和62個(gè)材料半波長(zhǎng)的圖案獲得的)；圖13顯示了在圖11所示的鏡損耗譜的計(jì)算中采用的一種帶角度的槽圖案；圖14(a-e)顯示了在制作過(guò)程中的不同階段的一個(gè)器件的側(cè)視圖。
圖15顯示了漸細(xì)的槽圖案，這種槽圖案被用來(lái)通過(guò)實(shí)驗(yàn)顯示本發(fā)明在制作具有大的有效自由光譜范圍的激光二極管器件中的作用；圖16結(jié)合了在10℃、20℃、30℃和85℃工作的器件的譜，該器件包括圖15所示的槽圖案；圖17是用于圖15所示的槽圖案的計(jì)算出的鏡損耗譜；圖18是來(lái)自設(shè)計(jì)成在1.55μm發(fā)射的器件測(cè)量波長(zhǎng)譜；圖19是來(lái)自設(shè)計(jì)成在1.545μm發(fā)射的器件的測(cè)量波長(zhǎng)譜；圖20詳細(xì)顯示了在產(chǎn)生圖17和18所示的譜的器件中采用的漸細(xì)槽/凹缺部圖案；且圖21顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其包括長(zhǎng)度不同的槽。
具體實(shí)施例方式
已知的帶槽激光器帶有上述的問(wèn)題。這些問(wèn)題源自這樣的事實(shí)，即現(xiàn)有技術(shù)的槽圖案形成了成對(duì)的、被分開(kāi)非常小的距離(通常＜3μm)的有貢獻(xiàn)的界面(或提供反饋的界面)，如圖3所示。圖1和2顯示了一種現(xiàn)有技術(shù)器件1，它由波導(dǎo)層2(通常具有一種多量子井結(jié)構(gòu))、上包層4和蓋層5構(gòu)成，并在兩端有小面8。一個(gè)脊3沿著器件1的頂部縱向延伸。一個(gè)矩形槽特征6被顯示為被蝕刻在脊3上，產(chǎn)生了與器件內(nèi)的光傳播縱方向大體垂直的槽面7。圖3顯示了矩形槽6的面7所限定的有貢獻(xiàn)的界面9，由于處理偏移所引起的偏離，相對(duì)于激光腔中的其他這樣的有貢獻(xiàn)的界面，不能以高得足以保證在適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)的相長(zhǎng)干涉的精度而得到適當(dāng)定位。具體地說(shuō)，在這樣的漸細(xì)槽的情況下，每個(gè)面都將對(duì)總的光反饋有所貢獻(xiàn)。本發(fā)明把一個(gè)給定數(shù)目的槽的一個(gè)具體側(cè)面上的界面所提供的光學(xué)反饋減小到了可被忽略的程度。這樣的措施因而可以對(duì)激光器的譜內(nèi)容進(jìn)行更大的控制。
在一個(gè)槽的長(zhǎng)度被以上列出的因素所限制的情況下，槽的長(zhǎng)度的任何改變，都會(huì)對(duì)器件的鏡損耗譜和發(fā)射波長(zhǎng)有嚴(yán)重的影響。由于本發(fā)明，這不再是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)椴厶卣鞯淖V選擇性現(xiàn)在不再取決于槽本身的尺寸。仍然關(guān)鍵的唯一的尺寸，是提供顯著的光學(xué)反饋的那些界面之間的距離。由于這些尺寸通常大于槽本身的長(zhǎng)度一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，這些特征所需要的定位精度也降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
圖4和5顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)器件10(具有與圖1中的器件1類(lèi)似的結(jié)構(gòu))，其具有波導(dǎo)層12、上包層14、蓋層15、脊13和小面17。在所示的該實(shí)施例中，一個(gè)帶角度的槽特征16具有與光傳播方向相垂直的一個(gè)第一面18和與第一面18成夾角的一個(gè)第二面19。一或多個(gè)槽(或者等價(jià)的特征)的設(shè)置，造成了激光產(chǎn)生介質(zhì)的擾動(dòng)，而這被反映在折射率分布的改變上(見(jiàn)圖6)。由有效折射率的突變限定的界面20對(duì)沿著光路的光學(xué)反饋有貢獻(xiàn)，而界面21則沒(méi)有貢獻(xiàn)。
考慮圖3和6以及與蝕刻處理相關(guān)的偏移的問(wèn)題，顯而易見(jiàn)的是，借助本發(fā)明，這不再是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)椴厶卣鞯拈L(zhǎng)度現(xiàn)在對(duì)器件的鏡損耗譜沒(méi)有影響，因而對(duì)發(fā)射波長(zhǎng)沒(méi)有影響。另外，如果提供光學(xué)反饋而的界面都被設(shè)置在槽特征的同一側(cè)，顯然處理偏移將對(duì)所有這些界面有相同的影響，如圖6所示，從而對(duì)臨界尺寸具有減小的效果?；旧?，本發(fā)明使得制作指定波長(zhǎng)的單縱模器件時(shí)的平板印刷容差得到了緩和。本發(fā)明還使得條式的相鄰激光元件的發(fā)射波長(zhǎng)相對(duì)于彼此被精密地定位。另外，本發(fā)明使得其能夠在比已知的包含矩形蝕刻特征的帶槽激光器的制作中采用的平板印刷容差更為緩和的平板印刷容差，而得到實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明基于這樣的前提，即，結(jié)構(gòu)特征(諸如槽或摻雜區(qū)等)可被用來(lái)改變一個(gè)器件的有效折射率分布。(有效折射率，是通過(guò)對(duì)激光腔的一個(gè)具體區(qū)域中的折射率與該區(qū)域中的光強(qiáng)部分的積求和，并用該值除以光場(chǎng)的空間范圍上的積分，而獲得的。)這樣的結(jié)構(gòu)特征造成了器件內(nèi)的折射率分布的擾動(dòng)，從而影響性能特性。換言之，一個(gè)激光器(諸如圖4所示的激光器)的脊上蝕刻的一個(gè)槽的面，造成了具有較高和較低折射率的區(qū)域之間的界面，而這些界面由槽的物理特性所限定。本發(fā)明通過(guò)采用這樣的槽設(shè)計(jì)，而使得一個(gè)激光器的性能特性能夠得到改善，即，該槽設(shè)計(jì)擾動(dòng)了折射率分布從而使得只有一個(gè)有貢獻(xiàn)的界面與各個(gè)槽相聯(lián)系。相比之下，在現(xiàn)有技術(shù)器件中采用的矩形槽特征則有兩個(gè)有貢獻(xiàn)的界面與各個(gè)槽相關(guān)。
以下討論滿足提供僅一個(gè)有貢獻(xiàn)的界面的要求的不同類(lèi)型的蝕刻特征。以下還討論能夠在擴(kuò)展的溫度范圍里提供在指定波長(zhǎng)的單縱發(fā)射的這些特征的示例圖案。應(yīng)該注意的是，這些圖案和它們的組成蝕刻特征可以被互換地采用，以實(shí)現(xiàn)所希望的譜內(nèi)容。
如上所述，槽圖案和兩個(gè)不同的設(shè)計(jì)元素有關(guān)，第一個(gè)是蝕刻的槽特征的形狀，第二個(gè)是這些特征相對(duì)彼此的位置和激光腔的小面的位置。一般地說(shuō)，其中來(lái)自這些槽界面之一的光學(xué)反饋被抑制的任何槽配置，都可被用在本發(fā)明中。因而，為了本發(fā)明的目的，一個(gè)槽應(yīng)該產(chǎn)生諸如圖6中所示的折射率分布，具有一個(gè)有貢獻(xiàn)的第一界面20和一個(gè)無(wú)貢獻(xiàn)的第二界面21。在無(wú)貢獻(xiàn)的界面21的情況下，可以通過(guò)在脊13上設(shè)置一個(gè)帶角度的、傾斜的、階梯的、彎曲的(或它們的組合的)或其他適當(dāng)?shù)牟?，而產(chǎn)生出所希望的折射率效果。圖6顯示了槽22，其每一個(gè)都具有一個(gè)傳統(tǒng)的平面面18和一個(gè)V形面22。具有使第二界面對(duì)沿著縱向光路的光學(xué)反饋基本上沒(méi)有貢獻(xiàn)的對(duì)折射率的任何其他影響，都滿足本發(fā)明的目的。因而，本發(fā)明的關(guān)鍵方面是與至少一個(gè)擾動(dòng)或槽有關(guān)的折射率分布是這樣的，即，兩個(gè)縱界面中只有一個(gè)對(duì)光學(xué)反饋有貢獻(xiàn)。
圖7顯示了可被用在本發(fā)明中的不同的槽配置的例子，具體地，槽特征(a)和(e)被稱為漸細(xì)的，特征(c)和(g)被稱為彎曲的，特征(d)和(f)被稱為波浪的，特征(b)被稱為帶角度的，且特征(h)被稱為階梯式漸細(xì)的。共同的特點(diǎn)是，它們都有一個(gè)界面大體與激光腔中的光傳播方向相垂直(對(duì)光學(xué)反饋有貢獻(xiàn))，而槽的另一邊被設(shè)計(jì)成抑制光學(xué)反饋的形式(例如通過(guò)彎曲或與第一界面成夾角)。圖7中所示的器件的選擇，并不是為了試圖提供一種完整的設(shè)計(jì)選擇，它只是為了說(shuō)明若干種可能的實(shí)施方式。
優(yōu)選地，每一個(gè)槽限定了一個(gè)第一界面(或有貢獻(xiàn)的界面)和一個(gè)第二界面(或反饋抑制界面)；該第一界面是大體平面的并與縱向延伸的光路大體垂直，該第二界面是大體彎曲或與第一界面成夾角的。所述有貢獻(xiàn)的界面以通常的方式起作用而提供對(duì)第L/N個(gè)模的光學(xué)反饋，而抑制界面被設(shè)計(jì)成避免施加激光腔內(nèi)的光學(xué)反饋。使第二界面彎曲或與第一界面成夾角，由于兩個(gè)理由，減小了其所能夠提供給任何具體的縱模的光學(xué)反饋量。首先，與彎曲或成夾角的界面相作用的光(比與同光傳播方向垂直的平面界面相作用的光)更容易被散射到激光腔之外。其次，從這樣的界面的不同部分反射回激光模式中的光是不同相的，因而它所提供的光學(xué)反饋將是在一個(gè)波長(zhǎng)范圍上分布的并包含了激光腔的若干個(gè)縱模，從而弱化了其在確定光譜內(nèi)容上的作用。
通過(guò)蝕刻上述特征而確定一個(gè)激光二極管的發(fā)射波長(zhǎng)，可以通過(guò)以這樣的彼此距離來(lái)設(shè)置提供光學(xué)反饋的界面(即與光傳播方向垂直的直界面)而得到實(shí)現(xiàn)，即，該彼此距離對(duì)應(yīng)于自由空間發(fā)射波長(zhǎng)的一半的倍數(shù)除以該激光模式的有效折射率。在此，可定義λm為激光腔中的光波長(zhǎng)，這也被稱為材料波長(zhǎng)。該材料波長(zhǎng)與自由空間波長(zhǎng)λ的關(guān)系由下式表示λm＝λ/neff(2)本發(fā)明也致力于實(shí)現(xiàn)在一個(gè)具體的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)在一個(gè)指定波長(zhǎng)的單縱模激光發(fā)射的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，需要壓制腔的足夠多的縱模，以應(yīng)對(duì)在所涉及的溫度范圍內(nèi)的激光器的增益譜的改變。一旦確定了為一種具體的應(yīng)用所必須要壓制的(未擾動(dòng)的結(jié)構(gòu)的)縱模的數(shù)目，就可以確定適當(dāng)?shù)牟蹐D案。對(duì)最基本類(lèi)型的槽圖案，即其中所有提供光學(xué)反饋的有貢獻(xiàn)界面被分開(kāi)同樣的距離的槽圖案，有效自由光譜范圍Δλeff可以由下式計(jì)算Δλeff＝d·Δλ/L (3)(其中d是槽特征的有貢獻(xiàn)的界面之間的距離，L是腔的長(zhǎng)度，且Δλ是Fabry-Perot腔的自由光譜范圍)。
至此討論的譜選擇性的兩個(gè)方面，即，確定波長(zhǎng)的能力和有效自由光譜范圍的程度，在圖8中得到了明確的顯示；圖8顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的計(jì)算出的鏡損耗譜，該實(shí)施例是具有十個(gè)蝕刻漸細(xì)槽特征的一個(gè)器件。這些特征沿著腔設(shè)置從而產(chǎn)生在1.55μm的激光發(fā)射，而它們的高反饋界面被分開(kāi)等于16個(gè)材料波長(zhǎng)的距離。由于激光發(fā)射出現(xiàn)在與鏡損耗譜的極小值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)處，所以顯而易見(jiàn)的是，假定增益譜足夠地平坦，這種激光器的有效自由光譜范圍是45nm，這與利用公式(3)所得到的值相同。還顯而易見(jiàn)的是，其增益譜的中心在1.55μm附近并包括這種圖案的一個(gè)激光二極管，將在1.55μm產(chǎn)生單縱模激光。如果這樣的器件的有源區(qū)的增益譜隨著溫度以約0.6nm/℃的比率進(jìn)行調(diào)諧，包括所述的槽特征圖案的這樣的一個(gè)器件將在T1+/-T3的溫度范圍內(nèi)提供單縱模發(fā)射(其中T1是在所涉及的波長(zhǎng)附近處的增益譜的中心溫度，且T2為
T2＝(Δλeff/2)/(dG/dT) (4)其中dG/dT是增益峰隨溫度調(diào)諧的比率。)在此情況下，可以在約80℃的溫度區(qū)間上實(shí)現(xiàn)單縱模發(fā)射。
圖9顯示了這些槽特征在激光腔中的位置。這些槽特征本身有0.3μm的平均長(zhǎng)度，它們的有貢獻(xiàn)的界面具有0.008的有效折射率階梯，而各個(gè)槽特征的有角度的面由八個(gè)子單元構(gòu)成，每一個(gè)子單元提供了0.001的有效折射率階梯，并以約10nm沿著腔排列(見(jiàn)圖10)。包含該漸細(xì)的槽的激光腔部分的特征，在于以32個(gè)材料半波長(zhǎng)的恒定間隔蝕刻的一系列槽。
圖11是根據(jù)一個(gè)第二實(shí)施例的器件的計(jì)算出的鏡損耗譜；該第二實(shí)施例的器件包括一種具有十個(gè)漸細(xì)的槽特征的不同的圖案(見(jiàn)圖13)。該實(shí)施例呈現(xiàn)出較大的有效自由光譜范圍，因而將在大得多的溫度范圍上保持單縱模發(fā)射。具體地，有效自由光譜范圍大于80nm，這將在約160℃的溫度范圍上提供單縱模發(fā)射。在考慮具有圖11所示的鏡譜的蝕刻特征的圖案的細(xì)節(jié)之前，先考慮以下內(nèi)容圖12顯示了與圖9所示的類(lèi)似的三種簡(jiǎn)單的槽圖案的鏡損耗譜，它們都是為了獲得在同樣波長(zhǎng)的單縱模而設(shè)計(jì)的，在此具體情況下所涉及的波長(zhǎng)是1.55μm。對(duì)于具有擁有圖12所示的鏡損耗譜的漸細(xì)槽特征的圖案，重要的是要注意到，它們的不同只是由于這樣的事實(shí)，即，它們的垂直平面相隔不同數(shù)目的材料半波長(zhǎng)?？梢钥闯?，這些圖案發(fā)生相長(zhǎng)干涉的唯一波長(zhǎng)，是它們的設(shè)計(jì)激光產(chǎn)生波長(zhǎng)，即1.55μm。因此，通過(guò)結(jié)合槽特征的圖案(它們的限定了反饋貢獻(xiàn)界面的槽面之間具有不同的材料半波長(zhǎng)數(shù)目)，有效自由光譜范圍得到了改善。這樣的措施消除了所涉及的波長(zhǎng)兩側(cè)的鏡損耗譜的高振蕩的部分，從而產(chǎn)生了除了在所涉及的波長(zhǎng)之外更為一致的鏡損耗譜。
被用來(lái)獲得圖11中的鏡損耗譜的槽圖案(圖13)可被視為用于產(chǎn)生圖12的各種鏡損耗譜的3個(gè)圖案的結(jié)合，這3個(gè)圖案即具有29、44和62個(gè)材料半波長(zhǎng)的槽間隔的三個(gè)系列。由于這種圖案結(jié)合進(jìn)行相長(zhǎng)干涉的唯一波長(zhǎng)是設(shè)計(jì)波長(zhǎng)，其結(jié)果是改善的有效自由光譜范圍。這種措施提供了對(duì)更簡(jiǎn)單的槽圖案的一種改進(jìn)；這些更簡(jiǎn)單的槽圖案在限定有貢獻(xiàn)的界面的相鄰槽面之間只有一個(gè)固定數(shù)目的材料半波長(zhǎng)。
制作了包括漸細(xì)槽特征的各種配置的若干激光二極管器件。這些器件是利用標(biāo)準(zhǔn)的處理技術(shù)制作的。其特性在此得到詳細(xì)描述的這些器件的制作中所采用的步驟如下(1)在一個(gè)InP基本上生長(zhǎng)出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的AlInGaAs/InP外延激光二極管結(jié)構(gòu)；(2)利用標(biāo)準(zhǔn)的平板印刷技術(shù)形成用于脊/槽特征的一個(gè)抗蝕劑圖案；(3)蝕刻出脊和槽特征；(4)施加一個(gè)介電覆層；(5)在該介電覆層上沿著脊結(jié)構(gòu)的頂部蝕刻出一個(gè)開(kāi)口；(6)淀積接觸金屬；(7)分割成條；(8)施加小面覆層(可選)；以及(9)分成各個(gè)器件。
步驟2、3、4、5和6分別在圖14(a)至(e)中得到顯示。
所制作的器件中包含的槽圖案的設(shè)計(jì)，顯示了本發(fā)明的兩個(gè)主要方面。即，能夠制作在一個(gè)規(guī)定的波長(zhǎng)進(jìn)行發(fā)射的單縱模激光二極管，以及能夠?qū)σ粋€(gè)激光二極管的鏡損耗譜進(jìn)行控制從而使得在一個(gè)單縱模進(jìn)行發(fā)射的一個(gè)激光器能夠在一個(gè)預(yù)定的溫度范圍上工作而不會(huì)遭受模式跳躍。應(yīng)該注意的是，以下的數(shù)據(jù)是在同時(shí)制成的原型樣品上獲得的，且在這些實(shí)驗(yàn)中采用的這些樣品具有加在一個(gè)小面上的高反射率覆層和加在另一個(gè)小面上的低反射率覆層。
首先，考慮實(shí)現(xiàn)在一個(gè)預(yù)定溫度范圍上的單縱模工作的任務(wù)。器件被設(shè)計(jì)成在20℃的工作溫度下在λ＝1.585μm產(chǎn)生單縱模激光。所測(cè)量到的激光產(chǎn)生波長(zhǎng)是1.577μm(在20℃的溫度下工作)。設(shè)計(jì)波長(zhǎng)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的波長(zhǎng)之差是由于這樣的事實(shí)，即在設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有以足夠的精度知道所引導(dǎo)的模式的有效折射率。包括在第一組器件中的漸細(xì)的槽特征的設(shè)計(jì)被顯示在圖15中。假定這些槽特征的有貢獻(xiàn)的界面之間有20個(gè)材料波長(zhǎng)，器件的有效自由光譜范圍被計(jì)算出是36nm。該器件總共有10個(gè)這樣的蝕刻特征，離低反射率覆層最近的特征被適當(dāng)定位，從而使得其有貢獻(xiàn)的界面與同所述低反射率覆層相鄰的晶體小面相距50μm。圖16顯示了在10℃、20℃、30℃和85℃下由該器件獲得的波長(zhǎng)譜。為了理解該曲線圖，應(yīng)該注意發(fā)射波長(zhǎng)總是隨著溫度而增大。在20℃至85℃的溫度范圍上，呈現(xiàn)出了無(wú)模式跳躍的工作，這是由于這樣的事實(shí)，即在此范圍內(nèi)波長(zhǎng)隨溫度調(diào)諧的比率被測(cè)量出為0.1nm/℃。還應(yīng)該注意的是，在10℃的發(fā)射波長(zhǎng)與在20℃的發(fā)射波長(zhǎng)相隔36nm。這顯示出，有效自由光譜范圍與理論預(yù)測(cè)相符合(圖17)。本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的大的有效自由光譜范圍是用包含傳統(tǒng)槽圖案的器件所未能獲得的。
以下，考慮確定各個(gè)激光二極管器件的發(fā)射波長(zhǎng)的能力。設(shè)計(jì)了兩個(gè)器件，用于在單縱模下產(chǎn)生激光；第一個(gè)在λ＝1.550μm，第二個(gè)在λ＝1.545μm。實(shí)際中，第一個(gè)器件的發(fā)射是在1.544μm(圖18)，而第二個(gè)的發(fā)射是在1.439μm(圖19)。該器件中包含的漸細(xì)的凹缺部的設(shè)計(jì)在圖20中得到顯示(這種圖案顯示了本發(fā)明在發(fā)射波長(zhǎng)可被高度精確地確定的激光二極管器件的制作上的效用)。每個(gè)器件總共包含10對(duì)這樣的凹缺部，離低反射率覆層最近的凹缺部被適當(dāng)定位從而使得它們的有貢獻(xiàn)的界面與同所述低反射率覆層相鄰的晶體小面相距50μm。凹缺部的圖案的唯一不同是，在第一種情況下槽特征的有貢獻(xiàn)的界面被設(shè)計(jì)成相距適合于實(shí)現(xiàn)1.550μm發(fā)射的20個(gè)材料波長(zhǎng)，而在第二圖案中槽特征的有貢獻(xiàn)的界面被設(shè)計(jì)成相隔適合于實(shí)現(xiàn)在1.545μm的發(fā)射的20個(gè)波長(zhǎng)。與前面一樣，不能正確地確定波長(zhǎng)是由于這樣的事實(shí)，即，在設(shè)計(jì)時(shí)不知道準(zhǔn)確的有效折射率值。然而，應(yīng)該注意的是，雖然各個(gè)器件的波長(zhǎng)都與它們各自的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)相差6nm，但這些波長(zhǎng)之間的間隔是所指定的5nm。還應(yīng)該注意的是，由于激光產(chǎn)生模式的有效折射率可以從波長(zhǎng)發(fā)射譜計(jì)算出，將來(lái)的器件的發(fā)射波長(zhǎng)可被更為準(zhǔn)確地確定。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖21，根據(jù)本發(fā)明的激光器的一個(gè)進(jìn)一步的實(shí)施例包括一個(gè)矩形槽圖案，其使得通常與這些擾動(dòng)特征相關(guān)的某些制作容差得到了緩和。根據(jù)該實(shí)施例，各個(gè)槽的長(zhǎng)度是變化的(即，兩或更多個(gè)槽的長(zhǎng)度是彼此不同的)。各個(gè)槽的第一面(或有貢獻(xiàn)的面)被對(duì)準(zhǔn)(或同相)，從而與從其他這樣的面反射來(lái)的光進(jìn)行相長(zhǎng)干涉從而對(duì)沿著光路的光學(xué)反饋有貢獻(xiàn)。然而，相應(yīng)的第二面是異相的并造成相消干涉從而對(duì)沿著光路的光學(xué)反饋沒(méi)有貢獻(xiàn)。
與其他實(shí)施例一樣，本發(fā)明的該實(shí)施例具有提供更大的制作容差的優(yōu)點(diǎn)。從制作的角度看，關(guān)鍵容差從每個(gè)槽兩個(gè)面的設(shè)置(如在現(xiàn)有技術(shù)器件中那樣，如圖1至3的例子所示)降低至如圖21所示的每個(gè)槽一個(gè)面的設(shè)置。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)射基本上單一波長(zhǎng)的光的激光器(10)，包括一個(gè)激光腔，該激光腔具有激光產(chǎn)生介質(zhì)和具有在所述腔的兩端的小面(17)的形式的初級(jí)光學(xué)反饋裝置，所述激光腔限定了一條縱向延伸的光路；以及，由在所述激光腔中的一或多個(gè)有效折射率擾動(dòng)形成的次級(jí)光學(xué)反饋裝置，每一個(gè)擾動(dòng)都限定了兩個(gè)界面；其特征在于，對(duì)至少一個(gè)所述擾動(dòng)，所述兩個(gè)界面中只有一個(gè)對(duì)沿著所述光路的光學(xué)反饋有貢獻(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的激光器(10)，包括一個(gè)脊(13)，其中至少一個(gè)有效折射率擾動(dòng)是以在所述脊(13)上限定的一個(gè)槽(16)的形式提供的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的激光器(10)，其中每個(gè)擾動(dòng)都包括沿著所述脊(13)形成的一個(gè)槽(16)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任何一項(xiàng)的激光器(10)，其中各個(gè)擾動(dòng)的所述有貢獻(xiàn)的界面都是大體平面的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任何一項(xiàng)的激光器(10)，其中各個(gè)擾動(dòng)的所述有貢獻(xiàn)的界面都與所述縱向延伸的光路基本垂直。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中的任何一項(xiàng)的激光器(10)，其中至少一個(gè)槽(16)包括一個(gè)第一面(18)，該第一面(18)是大體平面的并與所述縱向延伸的光路基本垂直；以及，不與所述光路垂直的一個(gè)第二面(19)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的激光器(10)，其中所述第二面(19)是大體上階梯狀的、彎曲的或與所述第一面(18)成夾角的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的激光器，進(jìn)一步包括一個(gè)脊(113)，其中以在所述脊(113)的側(cè)面上限定的一或多個(gè)凹缺部(116)的形式設(shè)置了至少一個(gè)有效折射率擾動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的激光器，其中每個(gè)擾動(dòng)都是由在脊(113)上限定的凹缺部(116)形成的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任何一項(xiàng)的激光器(10)，包括一系列有效折射率擾動(dòng)，其中相鄰的有貢獻(xiàn)的界面之間的間隔是一個(gè)一致數(shù)目的材料四分之一或半波長(zhǎng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的激光器(10)，其中在所述系列的擾動(dòng)上重疊有一或多個(gè)附加系列的有效折射率擾動(dòng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求3的激光器，其中相鄰的有貢獻(xiàn)的界面之間的間隔是一個(gè)一致數(shù)目的材料四分之一或半波長(zhǎng)，且兩或多個(gè)槽(216)的長(zhǎng)度是彼此不同的。
13.制作一種激光器(10)的一種方法，包括以下步驟(1)形成具有激光產(chǎn)生介質(zhì)的一個(gè)激光腔，所述激光腔限定了一條縱向延伸的光路并具有在兩端的小面(17)，以及(2)通過(guò)在所述激光腔中設(shè)置多個(gè)擾動(dòng)而形成光學(xué)反饋裝置，每一個(gè)擾動(dòng)限定了兩個(gè)縱向界面；其特征在于至少一個(gè)擾動(dòng)的所述縱向界面被適當(dāng)設(shè)置，從而使得只有一個(gè)界面對(duì)沿著所述縱向延伸的光路的光學(xué)反饋有貢獻(xiàn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述腔是由一個(gè)沿著縱向延伸的脊(13)形成的，且至少一個(gè)擾動(dòng)由在所述脊(13)上形成的一個(gè)槽(16)提供。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中至少一個(gè)槽(16)形成有一個(gè)面(18)，該面(18)是基本平面的并與所述縱向延伸的光路基本垂直。
16.根據(jù)權(quán)利要求14和15的方法，其中至少一個(gè)槽(16)具有一個(gè)面(19)，該面(19)不與所述光路垂直。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述不垂直的面(19)是大體彎曲的、階梯狀的、或與所述基本垂直的面(18)成夾角的。
18.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述腔帶有一個(gè)縱向延伸的脊(113)，且通過(guò)在所述脊(113)的側(cè)面上蝕刻出一或多個(gè)凹缺部(116)而提供了至少一個(gè)擾動(dòng)。
19.改善一個(gè)激光器器件(10)的自由光譜范圍的一種方法，包括形成沿著光路的一系列有效折射率擾動(dòng)，其中相鄰的有貢獻(xiàn)的界面之間的間隔是一個(gè)一致數(shù)目的材料四分之一或半波長(zhǎng)。
全文摘要
公布了一種激光器(10)，它包括一個(gè)激光腔，該腔具有激光產(chǎn)生介質(zhì)和在腔的兩端的小面形式的初級(jí)光學(xué)反饋裝置，所述激光腔限定了一個(gè)縱向延伸的光路；以及，由在激光腔中的多個(gè)折射率擾動(dòng)(16，22)形成的次級(jí)光學(xué)反饋裝置，每一個(gè)擾動(dòng)限定了兩個(gè)界面(20，21)；其特征在于，對(duì)至少一個(gè)擾動(dòng)，所述兩個(gè)界面中只有一個(gè)對(duì)沿著所述光路的光學(xué)反饋有貢獻(xiàn)。本發(fā)明緩和了制作單縱模器件的平板印刷容差，并改進(jìn)了性能特性。
文檔編號(hào)H01S5/10GK1823455SQ200480019910
公開(kāi)日2006年8月23日 申請(qǐng)日期2004年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月11日
發(fā)明者安東尼·約翰·帕特喬, 約瑟夫·布賴恩·凱利, 克里斯托弗·詹姆斯·奧高曼 申請(qǐng)人:宜彼萊那光子學(xué)有限公司