專(zhuān)利名稱(chēng)：半導(dǎo)體激光器微型加熱元件結(jié)構(gòu)的制作方法
半導(dǎo)體激光器微型加熱元件結(jié)構(gòu) 有關(guān)申請(qǐng)的交叉參照
本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C. § 119(e)要求的2006年7月26日提交的美國(guó)臨時(shí)申 請(qǐng)60/833,531以及2006年10月3日提交的美國(guó)申請(qǐng)11/542,408的優(yōu)先權(quán)，本 申請(qǐng)依賴(lài)于這些申請(qǐng)的內(nèi)容并且這些申請(qǐng)全部引用在此作為參考。
背景技術(shù)：
本申請(qǐng)一般涉及半導(dǎo)體激光器，尤其涉及半導(dǎo)體激光器的特定區(qū)域中的溫 度控制。

發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)一般涉及可以按各種方式對(duì)其進(jìn)行配置的半導(dǎo)體激光器。例如，為 了說(shuō)明而非限制，通過(guò)將單波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器(比如分布反饋(DFB)激光器 或分布布拉格反射器(DBR)激光器)與光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件(比如二次諧波產(chǎn)生 (SHG)晶體)組合起來(lái)，就可以配置出用于高速調(diào)制的短波長(zhǎng)的源。通過(guò)將 比如1060nm DBR或DFB激光器調(diào)諧到SHG晶體(該晶體將該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成 530nm)的光譜中心，就可以將SHG晶體配置成產(chǎn)生激光信號(hào)的基波的更高次 諧波。然而，SHG晶體(比如摻MgO的鈮酸鋰(PPLN))的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率強(qiáng) 烈地取決于激光二極管和SHG器件之間的波長(zhǎng)匹配。
PPLN SHG器件的可允許的波長(zhǎng)寬度是非常小的，對(duì)于典型的PPLN SHG 器件而言，半高全寬(FWHM)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換帶寬僅僅是0.16nm，這等價(jià)于約2.7 。C的溫度變化。 一旦輸入的波長(zhǎng)偏離了 SHG的特征性相位匹配波長(zhǎng)，則目標(biāo)波 長(zhǎng)處的輸出功率就急劇地下降。本申請(qǐng)的發(fā)明人己認(rèn)識(shí)到，在這些類(lèi)型的激光 器件中，許多操作參數(shù)都對(duì)波長(zhǎng)匹配有不利的影響。例如，當(dāng)增益部分上的驅(qū) 動(dòng)電流發(fā)生變化時(shí)，DBR激光器的波長(zhǎng)就發(fā)生變化。此外，操作溫度的變化對(duì) SHG的相位匹配波長(zhǎng)和激光器波長(zhǎng)有著不同的影響。相應(yīng)地，很難制造出這樣一種封裝，其中激光二極管和SHG晶體是完美地波長(zhǎng)匹配的。在開(kāi)發(fā)使用二次諧波產(chǎn)生的激光源的過(guò)程中，鑒于與波長(zhǎng)匹配和穩(wěn)定性相關(guān)的各種挑戰(zhàn)，本申請(qǐng)的發(fā)明人已認(rèn)識(shí)到，能有效地調(diào)諧以便通過(guò)與SHG晶體進(jìn)行恰當(dāng)?shù)夭ㄩL(zhǎng)匹配并通過(guò)其它波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳輸出功率的半導(dǎo)體 激光器具有各種潛在的益處。例如，本申請(qǐng)的發(fā)明人己認(rèn)識(shí)到，如果半導(dǎo)體的 波長(zhǎng)在工作期間維持穩(wěn)定的值，則可以在沒(méi)有過(guò)大的噪聲的情況下高速調(diào)制短 波長(zhǎng)器件，同時(shí)還維持非波動(dòng)的二次諧波輸出功率。本申請(qǐng)的發(fā)明人也認(rèn)識(shí)到， 在不考慮是否在激光源中使用二次諧波產(chǎn)生的情況下，通常在開(kāi)發(fā)激光源的過(guò) 程中波長(zhǎng)匹配和穩(wěn)定性都是重要的挑戰(zhàn)。相應(yīng)地，本發(fā)明揭示涉及半導(dǎo)體激光 器中所集成的微型加熱器設(shè)計(jì)，用于調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)并使其穩(wěn)定，并 且還用于使半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)匹配于激光源內(nèi)的其它組件。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，提供了一種半導(dǎo)體激光器，它包括半導(dǎo)體基 板、活性區(qū)域、脊形波導(dǎo)、驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)和微型加熱元件結(jié)構(gòu)。微型加熱元件 結(jié)構(gòu)包括一對(duì)加熱元件條帶，這些條帶沿著半導(dǎo)體激光器的縱向延伸著。加熱 元件條帶位于脊形波導(dǎo)的相對(duì)的兩側(cè)上，使得加熱元件條帶之一沿著脊形波導(dǎo) 的一側(cè)延伸著，同時(shí)剩下的那個(gè)加熱元件條帶沿著脊形波導(dǎo)的另一側(cè)延伸著。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，微型加熱元件結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)在脊形波 導(dǎo)上沿著半導(dǎo)體激光器縱向延伸的加熱元件條帶。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器光學(xué)地耦合到光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件，比如二次諧波產(chǎn)生(SHG)晶體?？梢蕴峁┛刂破饕则?qū)動(dòng)微型加 熱元件結(jié)構(gòu)，使得半導(dǎo)體激光器的輸出波長(zhǎng)基本上匹配于光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件的特 征性相位匹配波長(zhǎng)。本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在下面的詳細(xì)描述中得到闡明，并且本領(lǐng)域技 術(shù)人員從說(shuō)明書(shū)中將很容易看得出或通過(guò)按詳細(xì)描述、權(quán)利要求書(shū)和附圖所描 述的那樣來(lái)實(shí)施本發(fā)明而認(rèn)識(shí)到這些特征和優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)該理解，上面的一般性描述和下面的詳細(xì)描述都呈現(xiàn)出本發(fā)明的各種實(shí) 施方式，并且旨在對(duì)權(quán)利要求書(shū)所限定的本發(fā)明的本質(zhì)和特征作概要或框架式 的理解。所包括的附圖提供了對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，這些附圖并入說(shuō)明書(shū)中 且構(gòu)成其一部分。這些圖示出了本發(fā)明的各種實(shí)施方式，與說(shuō)明書(shū)一起用于解釋本發(fā)明的原理和操作。


在與附圖相結(jié)合的情況下，可以對(duì)本發(fā)明的特定實(shí)施方式的詳細(xì)描述作最 佳的理解，其中相似的結(jié)構(gòu)是用相似的標(biāo)號(hào)來(lái)表示的，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式的含微型加熱元件結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器的橫 截面示意圖；圖2A是根據(jù)本發(fā)明的DFB或相似類(lèi)型的半導(dǎo)體激光器的示意圖，該激光 器光學(xué)地耦合到光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件并包括微型加熱元件結(jié)構(gòu)；圖2B是根據(jù)本發(fā)明的DBR或相似類(lèi)型的半導(dǎo)體激光器的示意圖，該激光 器光學(xué)地耦合到光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件并包括微型加熱元件結(jié)構(gòu)；圖3是根據(jù)本發(fā)明的包括驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)和微型加熱元件結(jié)構(gòu)的電極層的平 面示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式的含微型加熱元件結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器的 示意圖；以及圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的結(jié)溫度沿著半導(dǎo)體激光芯片的長(zhǎng)度發(fā)生變化的曲 線(xiàn)圖。
具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1，注意到，本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器IO可以較佳地包括含活性區(qū)域 的半導(dǎo)體基板20、脊形波導(dǎo)40、驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)和微型加熱元件結(jié)構(gòu)。在所示 的實(shí)施方式中，驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電極元件50，微型加熱元件結(jié)構(gòu)包括一 對(duì)加熱元件條帶62、 64。活性區(qū)域30是由半導(dǎo)體基板20內(nèi)的P和N型半導(dǎo)體 材料限定的，并且被配置成在驅(qū)動(dòng)電極元件50以及基板20中所限定的相應(yīng)的 N型區(qū)域25所產(chǎn)生的電偏壓VBIAS的作用下實(shí)現(xiàn)光子的受激發(fā)射。半導(dǎo)體激光 器10的波長(zhǎng)輸出取決于脊形波導(dǎo)40和活性區(qū)域30的溫度，并且微型加熱元 件結(jié)構(gòu)被配置成改變脊形波導(dǎo)40和活性區(qū)域30的溫度以調(diào)諧波長(zhǎng)輸出。脊形波導(dǎo)40可以包括凸起式或掩埋式脊形結(jié)構(gòu)，并且被定位成光學(xué)地引 導(dǎo)光子的受激發(fā)射以使其沿著半導(dǎo)體激光器10的縱向Z。為了限定和描述本發(fā)明，注意到，在涉及半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)和制造的技術(shù)文獻(xiàn)中，很容易獲得可用 于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的概念的各種半導(dǎo)體激光器的特定結(jié)構(gòu)。例如，并非作為限制，半導(dǎo)體激光器10可以包括一種用于定義分布反饋(DFB)配置或分布布拉格反 射器(DBR)配置的激光二極管。，從被設(shè)計(jì)成當(dāng)電流沿著大致平行于脊形波導(dǎo)縱向的路徑(即沿著條帶62、 64的長(zhǎng)度方向)流動(dòng)時(shí)就產(chǎn)生熱量的一種材料，來(lái)制造沿著半導(dǎo)體激光器10 的縱向Z延伸著的微型加熱元件結(jié)構(gòu)的加熱元件條帶62、 64。例如，并非作為 限制，可以預(yù)想到，Pt、 Ti、 Cr、 Au、 W、 Ag和Al單獨(dú)或組合起來(lái)都將適用 于形成條帶62、 64。例如，最好使用包括Ti和Pt的合金來(lái)形成加熱元件條帶 62、 64。如圖1所示，加熱元件條帶62、 64被側(cè)向地定位在脊形波導(dǎo)40的相對(duì)的 兩側(cè)，使得加熱元件條帶之一62沿著脊形波導(dǎo)40的一側(cè)延伸，同時(shí)另一個(gè)加 熱元件條帶64沿著脊形波導(dǎo)40的另一側(cè)延伸。此外，驅(qū)動(dòng)電極元件50也可 以在脊形波導(dǎo)的相對(duì)的兩側(cè)側(cè)向地延伸著。可以控制到加熱元件條帶62、 64 的驅(qū)動(dòng)電流，以改變由此產(chǎn)生的熱量并進(jìn)而調(diào)諧或鎖定半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)。如圖1進(jìn)一步所示，驅(qū)動(dòng)電極元件50的側(cè)面部分52、 54在脊形波導(dǎo)40 的相對(duì)的兩側(cè)側(cè)向地延伸，驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)和微型加熱元件結(jié)構(gòu)最好排列成使得 驅(qū)動(dòng)電極元件50的側(cè)面部分52和相應(yīng)的加熱元件條帶62在脊形波導(dǎo)40的同 一側(cè)延伸著，從而占據(jù)著脊形波導(dǎo)40同一側(cè)的共同制造層中各自的部分。相 似的是，驅(qū)動(dòng)電極元件50的側(cè)面部分54和相應(yīng)的加熱元件條帶64沿著脊形 波導(dǎo)40的另一側(cè)延伸著，從而占據(jù)著脊形波導(dǎo)40另一側(cè)的共同制造層中各自 的部分。在本文中，"共同制造層"是一種半導(dǎo)體器件層，它包括在共同的制 造步驟中制造的一個(gè)或多個(gè)組件。此處，共同制造層中的組件并不應(yīng)該被解釋 成它們必須在共同的平面中進(jìn)行制造。例如，參照?qǐng)Dl，驅(qū)動(dòng)電極元件50和加 熱元件條帶62、 64并非完全地共面，但是它們可以在共同的制造步驟中形成。 相應(yīng)地，它們可以被說(shuō)成位于共同的制造層中。相反，驅(qū)動(dòng)電極元件50和活 性區(qū)域30無(wú)法被說(shuō)成位于共同制造層中，因?yàn)橛糜谛纬蛇@些組件的材料的本 性以及各組件的位置無(wú)法使它們?cè)诠餐牟襟E中進(jìn)行制造。就可以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的調(diào)諧和穩(wěn)定，其中加熱元件條帶62、 64被設(shè)置在 脊形波導(dǎo)40的兩側(cè)并且與驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)集成在一起。具體來(lái)講，根據(jù)本發(fā)明 的設(shè)計(jì)，通過(guò)使加熱元件條帶62、 64與驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)一起集成在脊形波導(dǎo)40 的共同一側(cè)的共同制造層中，就可以?xún)?yōu)化加熱元件條帶62、 64的位置。盡管 在圖1和2所示的本發(fā)明中驅(qū)動(dòng)電極元件50和相應(yīng)的加熱元件條帶62、 64沿 著脊形波導(dǎo)40的兩側(cè)延伸著，但是可以預(yù)想到，驅(qū)動(dòng)電極元件50無(wú)需包括側(cè) 面部分52、 54，或者無(wú)需被設(shè)置在脊形波導(dǎo)40的兩側(cè)。圖l也示出了各個(gè)直接的加熱路徑22、 24，這些加熱路徑從微型加熱元件 結(jié)構(gòu)的加熱元件條帶62、 64經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體基板20而延伸到活性區(qū)域30。根據(jù)本 發(fā)明的所示實(shí)施方式，加熱元件條帶62、 64被定位成使得驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)并不 對(duì)直接的加熱路徑22、 24造成實(shí)質(zhì)的干擾。對(duì)直接的加熱路徑造成的"實(shí)質(zhì) 的"干擾可以定量地指通過(guò)對(duì)直接的加熱路徑22、 24造成干擾的驅(qū)動(dòng)電極結(jié) 構(gòu)的多個(gè)部分而"散失"的熱量。例如，可以預(yù)想到，使到達(dá)活性區(qū)域30的 熱量減少約10%-25%的任何干擾都是對(duì)直接的加熱路徑造成了 "實(shí)質(zhì)的"干 擾。在一些預(yù)想到的較佳實(shí)施方式中，干擾的程度對(duì)應(yīng)于小于約5%的直接的 熱量減小量。在其它預(yù)想到的實(shí)施方式中，加熱元件條帶62、 64被定位成使 得驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)完全地避免對(duì)直接的加熱路徑22、 24造成干擾。在所有這些 實(shí)施方式中，可以使可歸因于驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)的任何散熱效果都達(dá)到最小，或者 至少減小到相當(dāng)大的程度。應(yīng)該使微型加熱元件結(jié)構(gòu)的定位足夠接近活性區(qū)域30，以確保加熱元件條 帶62、 64所產(chǎn)生的熱量能迅速地(例如，在約4微秒或更少的時(shí)間內(nèi))到達(dá) 活性區(qū)域30。例如，并非作為限制，可以使微型加熱元件結(jié)構(gòu)的加熱元件條帶 62、64定位成使得它們從活性區(qū)域30的PN結(jié)處位移一段少于約5微米的距離。 可以預(yù)想到，如果用于形成條帶62、 64和驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程是足夠精 確的話(huà)，則加熱元件條帶62、 64與活性區(qū)域30之間的間距可以顯著地小于5 微米，比如約2微米。應(yīng)該小心，以確保微型加熱元件結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電元件并不抑制驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)的 操作。例如，為此目的，最好確保微型加熱元件結(jié)構(gòu)的加熱元件條帶62、 64 從驅(qū)動(dòng)電極元件50處位移一段至少約2微米的距離。如圖1所示，在半導(dǎo)體基板20上直接沉積的電絕緣薄膜70上，可以形成用于構(gòu)成加熱元件條帶62、 64的電阻薄膜以及用于構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)和微型加熱元件結(jié)構(gòu)的各種導(dǎo)電層。 還注意到，在加熱元件條帶62、 64上，還可以形成薄的保護(hù)性涂層。參照?qǐng)D3，驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)最好可以包括陽(yáng)極電極區(qū)域56以及在脊形波導(dǎo) 40之上和周?chē)纬傻尿?qū)動(dòng)電極元件50的P型金屬，該P(yáng)型金屬用于電流注 入和散熱。通過(guò)加熱元件條帶62、 64和加熱元件接觸墊片66周?chē)纬傻膶?dǎo) 電軌跡55，使陽(yáng)極金屬連接到驅(qū)動(dòng)電極元件50的P型金屬。加熱元件條帶62、 64位于脊形40的兩側(cè)，離活性區(qū)域30的PN結(jié)有一段幾微米到幾十微米的距 離。在加熱元件條帶62、 64與P型金屬之間有一個(gè)幾微米的間隙，用于電絕 緣。在加熱元件條帶62、 64以及陽(yáng)極電極區(qū)域56和加熱元件接觸墊片66之 間，也有一個(gè)間隙。可以調(diào)整該間隙寬度，使得加熱元件條帶62、 64所產(chǎn)生 的熱量不會(huì)通過(guò)陽(yáng)極電極區(qū)域56而散失太多。如上所述，可以預(yù)想到，上述 間隙寬度最好可以是至少10微米?？梢灶A(yù)想到，由加熱元件條帶所產(chǎn)生的熱 量的"實(shí)質(zhì)的"散失可以定量地指通過(guò)陽(yáng)極電極區(qū)域56和加熱元件接觸墊片 66的多個(gè)部分而"散失"的熱量。例如，可以預(yù)想到，通過(guò)這些元件使到達(dá)活 性區(qū)域30的熱量減少約10%-25%的任何散失都是"實(shí)質(zhì)的"散失。在一些預(yù) 想到的較佳實(shí)施方式中，散失的程度對(duì)應(yīng)于小于約5%的熱量減小量。參照?qǐng)D 2A，示出了本發(fā)明的其它實(shí)施方式，其中圖1所示的微型加熱元件結(jié)構(gòu)被并入 DFB半導(dǎo)體激光器10中，DFB半導(dǎo)體激光器10耦合到光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件80，比 如二次諧波產(chǎn)生(SHG)晶體。為了清晰地說(shuō)明，加熱元件條帶62和64的相 對(duì)尺寸己被夸大，并且脊形波導(dǎo)40被示意性地示出，而沒(méi)有考慮到其在激光 器IO之內(nèi)的實(shí)際位置。圖l和相應(yīng)的文字描述提供了關(guān)于波導(dǎo)40的配置的更 佳的描述。另外，僅僅是象征性地示出DFB半導(dǎo)體激光器10和光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器 件80。如那些熟悉DFB激光器設(shè)計(jì)的人所理解的那樣，DFB半導(dǎo)體激光器包括 分布反饋光柵，這種光柵一般沿著激光器10內(nèi)部所包括的脊形波導(dǎo)的方向延 伸著。在該器件中并入驅(qū)動(dòng)電極(圖2A中未示出，但上文參照?qǐng)D1已討論過(guò))， 以產(chǎn)生激光器運(yùn)行所必需的正向偏壓。在激光器10的波導(dǎo)脊形的相對(duì)兩側(cè)， 加熱元件條帶62、 64沿著分布反饋光柵的至少一部分延伸著。如上所述，加 熱元件條帶62、 64可以被用于控制上述光柵附近的活性區(qū)域的溫度以有效地調(diào)諧DFB激光器10，從而通過(guò)與SHG晶體80或其它波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行恰當(dāng)?shù)?波長(zhǎng)匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳輸出功率。
圖2B示出了在DBR激光器10的上下文中的本發(fā)明的各種概念，DBR激光 器10包括波長(zhǎng)選擇區(qū)域12、相位匹配區(qū)域14和增益區(qū)域16。如上文結(jié)合圖 2A的DFB激光器IO所注意的那樣，在圖2B中僅僅是選擇性地示出DBR激光器 10和相伴的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件80。波長(zhǎng)選擇區(qū)域12通常包括第一或第二階布拉 格光柵，該光柵位于腔體的活性區(qū)域之外。這部分提供了波長(zhǎng)選擇，因?yàn)樵摴?柵充當(dāng)了鏡子并且僅僅把單一波長(zhǎng)往回反射到激光器腔體中。DBR激光器10的 增益區(qū)域16提供了激光器的主要光學(xué)增益，并且相位匹配區(qū)域14產(chǎn)生了可調(diào) 節(jié)的光學(xué)相移。如那些熟悉DBR激光器的人所理解的那樣，波長(zhǎng)選擇區(qū)域12 可以按許多合適的備選配置來(lái)設(shè)置，這些配置可以使用或不使用布拉格光柵。 圖1所示的脊形波導(dǎo)40穿過(guò)了波長(zhǎng)選擇區(qū)域12、相位匹配區(qū)域14和增益區(qū)域 16而延伸。
在圖2B的實(shí)施方式中，微型加熱元件結(jié)構(gòu)可以包括加熱元件條帶62A、 64A，它們被并入到波長(zhǎng)選擇區(qū)域12中；加熱元件條帶62B、 64B，它們被并入 到相位匹配區(qū)域14中；加熱元件條帶62C、 64C，它們被并入到增益區(qū)域16中； 或上述各種的組合。例如，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，加熱元件條帶62A、 64A、 62B、 64B被配置成在波長(zhǎng)選擇區(qū)域12和相位匹配區(qū)域14中沿著脊形波 導(dǎo)40的縱向延伸著，但是在增益區(qū)域16中并未延伸很長(zhǎng)的距離。在期望對(duì)波 長(zhǎng)選擇區(qū)域12和相位匹配區(qū)域14進(jìn)行熱控制的情況下，此類(lèi)配置具有許多操 作優(yōu)勢(shì)。例如，通過(guò)改變波長(zhǎng)選擇區(qū)域12中的光柵位置處的溫度，就可以通 過(guò)模式跳變來(lái)調(diào)諧DBR激光器的波長(zhǎng)。相似的是，通過(guò)改變相位匹配區(qū)域14 的光程長(zhǎng)度，就可以調(diào)節(jié)DBR激光器的相位匹配區(qū)域14的溫度，以調(diào)諧DBR 激光器的波長(zhǎng)。
本發(fā)明預(yù)想到，通過(guò)改變波長(zhǎng)選擇區(qū)域12或相位匹配區(qū)域14的溫度，來(lái) 進(jìn)行熱調(diào)諧。本發(fā)明也預(yù)想到，通過(guò)改變波長(zhǎng)選擇區(qū)域12和相位匹配區(qū)域14 的溫度來(lái)進(jìn)行熱調(diào)諧-即本發(fā)明的特征，該特征能夠進(jìn)行連續(xù)波長(zhǎng)調(diào)諧而無(wú) 需模式跳變。另外，本發(fā)明預(yù)想到，可以在區(qū)域12、 14、 16中的任何區(qū)域上 制造本文所描述的集成的微型加熱器，這是為了額外的功能，比如通過(guò)相位熱補(bǔ)償和/或增益熱補(bǔ)償來(lái)除去模式跳變，從而在增益電流調(diào)制的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng) 穩(wěn)定性。相應(yīng)地，本發(fā)明預(yù)想到，在某些情況下，增益區(qū)域16的溫度控制可 能是較佳的，無(wú)論這種溫度控制是單獨(dú)的還是與波長(zhǎng)選擇區(qū)域12和相位匹配 區(qū)域14中的溫度控制相結(jié)合。當(dāng)在多個(gè)區(qū)域中實(shí)現(xiàn)溫度控制為最佳時(shí)，加熱 元件條帶和相關(guān)的微型加熱元件結(jié)構(gòu)被配置成能夠在每一個(gè)區(qū)域中進(jìn)行獨(dú)立 的加熱控制。
當(dāng)波長(zhǎng)選擇區(qū)域12或相位匹配區(qū)域14的溫度被調(diào)諧時(shí)，通常期望增益區(qū) 域16中的溫度上升達(dá)到最小，因?yàn)樵鲆鎱^(qū)域16中的溫度上升可能對(duì)激光器10 的輸出功率和穩(wěn)定性有負(fù)面影響。圖5示出了本發(fā)明使DBR激光器的DBR部
分的溫度上升與該激光器的增益區(qū)域的溫度上升隔離開(kāi)的方式。具體地講，圖 5呈現(xiàn)出沿著DBR激光器組件的激光器長(zhǎng)度方向兩種結(jié)溫度上升分布圖的比 較。虛線(xiàn)所表示的第一分布圖表示了利用外部加熱器對(duì)DBR部分進(jìn)行溫度調(diào) 諧的分布圖。圖5中的實(shí)線(xiàn)所表示的第二分布圖表示了在DBR部分中利用本 發(fā)明的集成微型加熱器對(duì)DBR部分進(jìn)行溫度調(diào)諧的分布圖。在該示例中，僅 僅DBR部分溫度被熱調(diào)諧。集成微型加熱器的總功率是1 W。為了實(shí)線(xiàn)相似的 DBR溫度調(diào)諧范圍，外部加熱器的功率是5 W。與利用外部加熱器的情況相比， 在利用本發(fā)明的集成微型加熱器的情況下，增益和相位匹配區(qū)域的溫度具有小 得多的溫度上升。例如，根據(jù)使用了集成微型加熱器的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式， 增益溫度上升的量?jī)H僅是DBR溫度上升的量的5-7%，并且相位溫度上升的量 僅僅是DBR溫度上升的量的10-16%。相反，在使用外部加熱器的情況下，增 益和相位溫度上升的量分別是DBR溫度上升的量的42%和68%。
圖5不應(yīng)該被視為精確地表示了在使用外部加熱器的情況下的溫度分布 圖，因?yàn)樘囟ǖ耐獠考訜崞鹘Y(jié)構(gòu)超出了本發(fā)明的范圍并且隨實(shí)施方式的不同而 顯著地變化。此外，圖5應(yīng)該僅僅被視為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)預(yù)想到的實(shí) 施方式的典型溫度分布圖的近似，不應(yīng)該被解釋成對(duì)本發(fā)明的所有實(shí)施方式的 范圍有任何限制。如圖5所示，加熱元件條帶被定位成使得該分布圖在從相位 匹配區(qū)域轉(zhuǎn)變到波長(zhǎng)選擇區(qū)域時(shí)具有正的基本上垂直的斜率。在執(zhí)行本發(fā)明的 概念時(shí)，加熱元件條帶在目標(biāo)激光器區(qū)域(比如波長(zhǎng)選擇區(qū)域)中所產(chǎn)生的熱 能所導(dǎo)致的平均溫度上升至少是加熱元件條帶在相鄰激光器區(qū)域(即相位匹配區(qū)域或增益區(qū)域)中所產(chǎn)生的熱能所導(dǎo)致的溫度上升的三倍。
參照?qǐng)D4，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，微型加熱元件結(jié)構(gòu)包括加熱元
件條帶65，該條帶65在脊形波導(dǎo)40上沿著半導(dǎo)體激光器10的縱向Z延伸著。 在DBR類(lèi)型的激光器的情況下，圖4所示類(lèi)型的加熱元件條帶65可以被用于 有效地加熱DBR類(lèi)型激光器的波長(zhǎng)選擇區(qū)域12或相位匹配區(qū)域14(參照?qǐng)D2B)， 因?yàn)檫@些區(qū)域可以被制造成排除了驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電元件。如圖4所示，在 脊形波導(dǎo)40旁邊，可以設(shè)置另外一對(duì)加熱元件條帶62、 64及其相關(guān)的加熱元 件接觸墊片66，以對(duì)波導(dǎo)40給予另外的溫度控制。
如圖4所示，在加熱元件條帶65和脊形波導(dǎo)40之間沿著半導(dǎo)體激光器10 的縱向Z延伸的介入空間并不包括任何來(lái)自驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電元件。結(jié)果， 在活性區(qū)域30和加熱元件條帶65之間，可以建立一條不受導(dǎo)電元件妨礙的直 接加熱路徑，導(dǎo)電元件可能使來(lái)自系統(tǒng)的熱量散失?？梢灶A(yù)想到，加熱元件條 帶65的寬度最好至少是活性區(qū)域30的寬度那么大，但要小于活性區(qū)域30的 寬度的四倍。
對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，很明顯，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情 況下可以對(duì)本發(fā)明做出各種修改和變化。由此，本發(fā)明旨在覆蓋這些修改和變 化，只要它們落在所附的權(quán)利要求書(shū)及其等價(jià)方案中就可以。例如，盡管本說(shuō) 明書(shū)以凸出式脊形波導(dǎo)為例示出了本發(fā)明的若干個(gè)概念，但是可以預(yù)想到，本 發(fā)明也可以用于"掩埋式"脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。相應(yīng)地，所附權(quán)利要求書(shū)中引用的 "脊形波導(dǎo)"包括凸出式和掩埋式脊形波導(dǎo)，并且不應(yīng)該被視為限于凸出式脊 形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
注意到，在本文中，像"較佳地"、"共同地"和"典型地"等術(shù)語(yǔ)并不 旨在限制本發(fā)明的范圍或暗指某些特征對(duì)于本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和功能而言是關(guān)鍵 性的、必不可少的或甚至是很重要的。相反，這些術(shù)語(yǔ)僅僅旨在凸顯本發(fā)明特 定實(shí)施方式中可以使用或不使用的備選或額外的特征。
為了描述并限定本發(fā)明，注意到，本文用"實(shí)質(zhì)地" 一詞來(lái)表示任何定量 比較、值、測(cè)量、或其它表示固有的不確定性。本文還用"實(shí)質(zhì)地" 一詞來(lái)表 示某一定量在不導(dǎo)致所討論主題的基本功能產(chǎn)生變化的情況下可能與所陳述 的參考值有偏離的程度。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體激光器，它包括半導(dǎo)體基板、活性區(qū)域、脊形波導(dǎo)、驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)和微型加熱元件結(jié)構(gòu)，其中所述活性區(qū)域被限定在所述半導(dǎo)體基板之內(nèi)，并且被配置成在所述驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的電偏壓下進(jìn)行光子受激發(fā)射；所述脊形波導(dǎo)被定位成沿著所述半導(dǎo)體激光器的縱向光學(xué)地引導(dǎo)所述光子受激發(fā)射；所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)包括一對(duì)加熱元件條帶，這對(duì)加熱元件條帶沿著所述半導(dǎo)體激光器的所述縱向延伸著；以及所述加熱元件條帶位于所述脊形波導(dǎo)的相對(duì)的兩側(cè)上，使得所述加熱元件條帶之一沿著所述脊形波導(dǎo)的一側(cè)延伸著，同時(shí)剩下的那個(gè)加熱元件條帶沿著所述脊形波導(dǎo)的另一側(cè)延伸著。
2. 如權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于 所述半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)輸出取決于所述活性區(qū)域的溫度；以及 所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)被配置成改變所述活性區(qū)域的溫度以使改變的程度足以能夠調(diào)諧所述波長(zhǎng)輸出。
3. 如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)被配置成使得所述加熱元件條帶所產(chǎn)生的熱量在約4 微秒或更少的時(shí)間內(nèi)到達(dá)所述活性區(qū)域。
4. 如權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)的所述加熱元件條帶從所述驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電元件處至少位移一段約2微米的距離。
5. 如權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)的所述加熱元件條帶是由Pt、 Ti、 Cr、 Au、 W、 Ag和Al單獨(dú)地或按各種組合方式而制造的。
6. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于 所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)被定位成使得在所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)和所述活性區(qū)域之間提供一條直接的加熱路徑；以及所述直接的加熱路徑免受來(lái)自驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)性干擾。
7. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于 所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)被定位成使得在所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)和所述活性區(qū)域之間限定一條直接的加熱路徑；以及所述直接的加熱路徑實(shí)質(zhì)上被限定在所述半導(dǎo)體基板之內(nèi)。
8. 如權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)包括在所述脊形波導(dǎo)上且在所述波長(zhǎng)選擇、相位、或 增益區(qū)域中的一個(gè)或多個(gè)之中沿著所述半導(dǎo)體激光器的縱向延伸的至少一個(gè)加熱 元件條帶。
9. 如權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)的至少一部分和所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)的至少一部分占據(jù) 著所述脊形波導(dǎo)同一側(cè)的共同制造層的各自的部分。
10. 如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)和所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)的各自的部分占據(jù)著所述脊形波 導(dǎo)兩側(cè)的共同制造層的各自的部分。
11. 如權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于-所述半導(dǎo)體激光器包括DBR激光器，所述DBR激光器包括波長(zhǎng)選擇區(qū)域、相位匹配區(qū)域和增益區(qū)域，這些區(qū)域一般沿著所述脊形波導(dǎo)的方向延伸；以及所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)的所述加熱元件條帶沿著所述波長(zhǎng)選擇、相位和增益區(qū)域中的至少一個(gè)區(qū)域的至少一部分延伸著。
12. 如權(quán)利要求ll所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述加熱元件條帶被定位成使得在從一個(gè)不包括所述加熱元件條帶的區(qū)域轉(zhuǎn) 變到一個(gè)包括所述加熱元件條帶的區(qū)域的過(guò)程中，所述激光器的結(jié)溫度沿著正的基 本上垂直的斜率而增大。
13. 如權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述半導(dǎo)體激光器包括DBR激光器，所述DBR激光器包括波長(zhǎng)選擇區(qū)域、 相位匹配區(qū)域和增益區(qū)域，這些區(qū)域一般沿著所述脊形波導(dǎo)的方向延伸；以及所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)的所述加熱元件條帶沿著所述波長(zhǎng)選擇區(qū)域、所述 相位匹配區(qū)域和所述增益區(qū)域延伸著。
14. 如權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于所述半導(dǎo)體激光器包括DBR激光器，所述DBR激光器包括波長(zhǎng)選擇區(qū)域、 相位匹配區(qū)域和增益區(qū)域，這些區(qū)域一般沿著所述脊形波導(dǎo)的方向延伸；以及所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)的所述加熱元件條帶沿著所述波長(zhǎng)選擇區(qū)域和所述 相位匹配區(qū)域中的至少一個(gè)區(qū)域延伸著，但在所述增益區(qū)域中并不延伸相當(dāng)長(zhǎng)的距 離。
15. 如權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于-所述半導(dǎo)體激光器被配置成限定了波長(zhǎng)選擇區(qū)域、相位匹配區(qū)域和增益區(qū)域；所述脊形波導(dǎo)被定位在所述波長(zhǎng)選擇區(qū)域、所述相位匹配區(qū)域和所述增益 區(qū)域之內(nèi)；所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)的所述加熱元件條帶在所述波長(zhǎng)選擇區(qū)域、所述相 位匹配區(qū)域和所述增益區(qū)域中的至少兩個(gè)區(qū)域中沿著所述脊形波導(dǎo)延伸著；以及 所述加熱元件條帶被配置成能夠獨(dú)立地控制在它們延伸的那些區(qū)域中的加熱。
16. 如權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于 所述半導(dǎo)體激光器被配置成包括分布反饋光柵的DFB激光器，所述分布反饋光柵一般沿著所述脊形波導(dǎo)的方向延伸；以及所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)的所述加熱元件條帶沿著所述分布反饋光柵的至少 一部分延伸。
17. —種包括權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器以及光學(xué)地耦合到所述半導(dǎo)體 激光器的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件的設(shè)備。
18. 如權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于 所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件包括二次諧波產(chǎn)生(SHG)晶體。
19. 如權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體激光器，其特征在于 所述設(shè)備還包括控制器，所述控制器被配置成驅(qū)動(dòng)所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)，使得所述半導(dǎo)體激光器的輸出波長(zhǎng)基本上匹配于所述光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件的特征性相 位匹配波長(zhǎng)。
20. —種半導(dǎo)體激光器，它包括半導(dǎo)體基板、活性區(qū)域、脊形波導(dǎo)、驅(qū)動(dòng)電 極結(jié)構(gòu)和微型加熱元件結(jié)構(gòu)，其中所述活性區(qū)域被限定在所述半導(dǎo)體基板之內(nèi)，并且被配置成在所述驅(qū)動(dòng)電 極結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的電偏壓下進(jìn)行光子受激發(fā)射；所述脊形波導(dǎo)被定位成沿著所述半導(dǎo)體激光器的縱向光學(xué)地引導(dǎo)所述光子 受激發(fā)射；所述半導(dǎo)體激光器包括DBR激光器，所述DBR激光器包括波長(zhǎng)選擇區(qū)域、 相位匹配區(qū)域和增益區(qū)域，這些區(qū)域一般沿著所述脊形波導(dǎo)的方向延伸；所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)包括在所述脊形波導(dǎo)上且在所述波長(zhǎng)選擇、相位、 或增益區(qū)域中的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域中沿著所述半導(dǎo)體激光器的縱向延伸的至少一個(gè) 加熱元件條帶；所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)和所述驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)被配置成使得在所述加熱元件 條帶和所述脊形波導(dǎo)之間沿著所述半導(dǎo)體激光器的縱向延伸的介入空間基本上免 受所述驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電元件的影響；所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)還包括沿著所述半導(dǎo)體激光器的所述縱向延伸的一 對(duì)加熱元件條帶；以及所述這對(duì)加熱元件條帶位于所述脊形波導(dǎo)的相對(duì)的兩側(cè)上，使得所述加熱 元件條帶之一沿著所述脊形波導(dǎo)的一側(cè)延伸著，同時(shí)剩下的那個(gè)加熱元件條帶沿著 所述脊形波導(dǎo)的另一側(cè)延伸著。
全文摘要
提供了一種半導(dǎo)體激光器(10)，它包括半導(dǎo)體基板(20)、活性區(qū)域(30)、脊形波導(dǎo)(40)、驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)(50，52，54)和微型加熱元件結(jié)構(gòu)(61，64)。微型加熱元件結(jié)構(gòu)包括一對(duì)加熱元件條帶(62，64)，這些條帶沿著半導(dǎo)體激光器的縱向延伸著。加熱元件條帶位于脊形波導(dǎo)的相對(duì)的兩側(cè)上，使得加熱元件條帶之一沿著脊形波導(dǎo)的一側(cè)延伸著，同時(shí)剩下的那個(gè)加熱元件條帶沿著脊形波導(dǎo)的另一側(cè)延伸著。該半導(dǎo)體激光器包括DBR激光器，該DBR激光器包括波長(zhǎng)選擇區(qū)域(12)、相位匹配區(qū)域(14)和增益區(qū)域(16)，這些區(qū)域通常沿著所述脊形波導(dǎo)的方向延伸著；并且所述微型加熱元件結(jié)構(gòu)的加熱元件條帶沿著波長(zhǎng)選擇區(qū)域、相位匹配區(qū)域和增益區(qū)域中的至少一個(gè)區(qū)域的至少一部分延伸著。
文檔編號(hào)H01S5/026GK101542853SQ200780028618
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2007年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月26日
發(fā)明者C·-E·扎, M·H·胡, 劉興勝 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司