CN101090195A - 半导体激光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种半导体激光装置，该半导体激光装置包括：具有第一表面及与该第一表面相对的第二表面的基板；形成于该基板第二表面的主动区；形成于该主动区上的披覆层，且该披覆层中形成有至少一电性绝缘区，以在该基板第二表面上形成尺寸不同的第一激光区及第二激光区；其中，当在该半导体激光装置上施加电源时，该第一及第二激光区中分别产生不同激光模态间隙的光频谱，并在光频谱耦合后产生单模激光。本发明的半导体激光装置可产生波长可调变的单模激光，从而可简化制程，提升制程良率及制程成本，同时可避免现有技术中由于采用表面粘装制程引起的第一及第二激光区在基板上对位精度低、无法产生波长调变效果等缺失。
Description
技术领域
本发明是关于一种半导体激光装置，特别是关于一种无光栅、单模半导体激光装置。
背景技术
使用半导体光学元件(半导体激光元件)作为光通讯元件的技术是始于80年代贝尔实验室，如今更集中研究如何使半导体光学元件(即半导体激光元件)发挥高速承载信号能力及长距离传输能力。基于此项运用，半导体激光元件基本传输信号能力一直是业界持续研究的课题。传统的激光二极管(laser diode，LD)，其光腔与磊晶层平行，反射面是利用晶体自然断裂面再经镀上反射膜后，形成与磊晶层垂直的反射镜面，光在主动区两侧镜面间即光腔内来回反射，最后由侧面产生多模态激光。
现今的光通讯系统中，追求高速大容量已成为光通讯发展永恒的目标，单一模态激光元件正是应此要求而诞生，而且在半导体激光元件诸多特性中，单一模态频谱输出是半导体激光元件重要的特性之一，它决定了信号传输的距离。
为产生单一输出波长的激光，目前业界大多采用在半导体激光元件中集成光栅，借由光栅的选频作用，将某一特定波长的光输出以产生单模激光。如美国专利第20030169792号提出一种分布布拉格反射(Distributed Bragg Reflector，DBR)激光元件，如图1所示，该DBR激光元件包括：第一及第二光栅区(grating section)220、240，主动区(active section)230，第一及第二披覆层(cladding layer)120、180，第一及第二波导层140、160，主动层130，第一、第二及第三上部电极190、200、210，以及下部电极110。
上述该第一披覆层120是一n型InP基板，该下部电极110是形成于该第一披覆层120的下表面。该第二披覆层180是一p型InP基板。
该主动层130形成于该主动区230中，在该主动区230施加电场时，电子从该第一披覆层120迁移到该主动层130，电洞也从该第二披覆层180迁移到该主动层130，这些电子与电洞在该主动层130重新结合产生光信号。
该第一波导层140是形成于该主动层130的一侧且位于第一光栅区220中，且该第一波导层上表面形成有多个第一光栅150，从该主动层130入射到该第一波导层140的光信号，经该第一光栅150的选频作用后，只有某一特定波长的光通过该第一光栅150。
该第二波导层160是形成于该主动层130的另一侧并位于第二光栅区240中，且该第二波导层上表面形成有多个第二光栅170，从该主动层130入射到该第二波导层160的光信号，经该第二光栅170的选频作用，只有某一特定波长的光通过该第二光栅170。
该第一上部电极190、第二上部电极200及第三上部电极210是形成于该第二披覆层180上，且分别位于该第一光栅区220、该主动区230及第二光栅区240。
上述DBR激光元件可利用光栅进行滤波，产生单模激光，且可通过调节该第一上部电极190、该第二上部电极200、该第三上部电极210与该下部电极110之间产生的电场密度，从而实现调变输出光波长的目的，因此光栅的结构、设计及制作是DBR激光元件质量的关键。该DBR激光元件中，需要使用制作精度很高的光栅进行滤波，且光栅的制程复杂，导致DBR激光元件的制程复杂、制程时间延长、制程成本增加，同时由于对光栅的精度要求极高，使得具有光栅的半导体激光元件的生产良率相应降低，以及该半导体激光元件中需要在该第一上部电极190、该第二上部电极200、该第三上部电极210上同时施加电源方可实现输出波长调变的目的，且该半导体激光元件中整合有光栅导致半导体激光元件的尺寸增加，无法符合现今电子元件微型化的发展趋势以及功能不断提升的需求。
又美国专利第4622471号提出一种多腔光学装置(multicavityoptical deice)，它是将腔体耦合激光原理应用在半导体激光上，产生单模激光，该装置无法进行输出光波长的调变，且该装置的第一激光区与第二激光区是独立，需要在该第一及第二激光区同时施加电源方可产生单模激光，此外，该装置中该第一及第二激光区是通过表面粘装(SMT)制程粘贴在一基板表面，且该第一及第二激光区的相对位置需要非常精确方可产生性能良好的单模激光元件，因而使得制程难度、制程成本增加。
因此，如何提出一种半导体激光装置，避免现有技术中采用光栅进行滤波引起的制程复杂、制程生产良率低、成本高，以及现有技术中无法调变输出波长，导致制程复杂、成本增加等缺失，成为产业中亟待解的问题。
发明内容
为克服上述现有技术的缺失，本发明的主要目的在于提供一种无光栅式半导体激光装置，产生波长可调变的单模激光。
本发明的次一目的在于提供一种制程简单的半导体激光装置。
本发明的再一目的在于提供一种制程成本低廉的半导体激光装置。
本发明的另一目的在于提供一种半导体激光装置，提升装置性能，且符合电子产品微型化的发展趋势。
为达上述及其它目的，本发明提供一种半导体激光装置，该半导体激光装置包括：具有第一表面及与该第一表面相对的第二表面的基板；形成于该基板第二表面的主动区； 形成于该主动区上的披覆层(cladding layer)，且该披覆层中形成有至少一电性绝缘区，以在该基板第二表面上形成尺寸不同的第一激光区及第二激光区；以及其中，当在该半导体激光装置上施加电源时，该第一及第二激光区中分别产生不同激光模态间隙(channel space)的光频谱，并在光频谱耦合后产生单模激光。上述该半导体激光装置还包括形成于该基板外表面的第一电极及形成于该第一激光区外表面的第二电极，此外本发明的半导体激光装置还包括形成于该第二激光区外表面的第三电极。
上述该半导体激光装置中可通过在该半导体激光装置施加电源以在该第一或第二激光区中注入电流，借以产生单模激光。此外，本发明还可通过保持第一激光区(或第二激光区)的注入电流，在第二激光区(或第一激光区)注入电流以产生波长调变的单模激光。本发明可通过改变该半导体激光装置的操作温度，使第一及第二激光区产生的光频谱的波长发生漂移，实现输出波长调变的目的。
与现有技术相比，本发明的半导体激光装置采用在该半导体激光装置的披覆层中形成电性绝缘区，借以在该半导体激光装置的基板上形成尺寸不同的第一及第二激光区，便于该半导体激光装置施加电源时在该第一及第二激光区分别产生不同激光模态间隔(channel space)的光频谱，并在光耦合后产生单模激光，同时可通过保持第一激光区(或第二激光区)所注入的电流大小，在该第二激光区(或第一激光区)注入电流，在该半导体激光装置中产生波长可调变的单模激光，因此，本发明的半导体激光装置无需使用光栅即可形成波长调变的单模激光，从而可简化制程，提升制程良率及制程成本，同时可避免现有技术中由于采用表面粘装制程引起的第一及第二激光区在基板上对位精度低、无法产生波长调变效果等缺失。
附图说明
图1是现有DBR激光元件的剖面示意图；
图2是本发明的半导体激光装置结构示意图；
图3A至3C是本发明的半导体激光装置产生单模激光的示意图；以及
图4A至4C是本发明的半导体激光装置产生波长调变的单模激光示意图。
具体实施方式
实施例
图2是本发明的半导体激光装置的结构示意图，其中，须注意的是，附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基板架构，其中仅显示与本发明有关的组件，且所显示的组件并非实际实施时的态样，实际实施时的组件数目、形状及尺寸比例为一种选择性的设计，且其组件布局型态可能更行复杂。
如图2所示，该半导体激光装置2包括：基板(substrate)20，主动区(active region)21、披覆层(cladding layer)22、电性绝缘区26、第一电极23、第二电极24及第三电极25。
该基板20是一p型(或n型)InP基板，它具有一第一表面及与该第一表面相对的第二表面(未标出)。相对于该主动区21，该基板20具有相对低的折射率(refractive index)，该第一电极23是形成于该基板20的第一表面。
该主动区21形成于该基板20的第二表面，且该主动区21可由InGaAs、AlInGaAs、GaAs、GaAsN与InGaAsP等半导体材料制成，并具有居量反转(population inversion)的特性及较高的折射率，在本发明的半导体激光装置中形成光腔，使光能在此光腔内来回振荡，产生共振而不断使光放大产生激光，它是由一主动层及包覆在该主动层上下表面的分离局限异质结构(separate confinement heterostructure；SCH)构成，此SCH结构是本技术领域具有通常知识的技术人员能理解的，故此处未进行图示及说明。。
该披覆层22形成于该主动区21上，且是一n型(或p型)InP基板，与该主动区21相比，该披覆层22具有相对低的折射率。本发明的主要技术特点即在该披覆层22中形成有至少一电性绝缘区26，且该电性绝缘区26的深度是小于或等于该披覆层22的厚度(为简化附图及说明，本发明中仅以该电性绝缘区26的深度小于该披覆层22厚度为例进行说明，但并非以此限制本发明的范围)，借以在该基板20的第二表面侧形成尺寸不同的第一激光区270以及第二激光区271，该第二电极24以及第三电极25分别形成于该第一激光区270以及第二激光区271外表面上。
在本实施例中是将该第一激光区270定义为激光发光的主要区域，将该第二激光区271定义为滤波的主要区域，因第一激光区270以及第二激光区271的尺寸不同(第一激光区270的长度L1大于该第二激光区271的长度L2)，故第一激光区270以及第二激光区271会分别产生不同模态间隙的激光光频谱，光频谱经耦合后产生单模激光，其中，该第一激光区以及第二激光区270以及271的激光共振条件是分别如(1)、(2)式所示，其耦合条件是如(3)式所示：
Δλ1＝λ2/(2neff*L1) (1)
Δλ2＝λ2/(2neff*L2) (2)
Δλ12＝λ2/[2neff*(L1-L2)] (3)
其中，该λ表示发光波长(在空气中的波长)，neff表示激光区内有效折射率，Δλ1代表第一激光区270的激光模态间隙(channel space)，Δλ2代表第二激光区271的激光模态间隙，Δλ12代表第一及第二激光区模态间隙的差值，即耦合模态间隙(coupled mode space)，如此可通过调整第一激光区270的长度L1与第二激光区271的长度L2的比值，进而控制该耦合模态间隙Δλ12，借以产生单模激光(即满足上述(1)、(2)、(3)式的共振条件)。
图3A、3B分别显示图2的第一激光区270以及第二激光区271所产生的多模激光λ1(λ10、λ11、λ12、λ13、λ14、λ15、λ16)及多模激光λ2(λ20、λ21、λ22、λ23、λ24)，其中，多模激光λ1的激光模态间隙为Δλ1，多模激光λ2的激光模态间隙为Δλ2，借由耦合该第一激光区270及第二激光区271的多模激光以产生单模激光，如图3C所示，频谱中仅有波长为λ13、λ22的激光光信号满足上述共振条件并经耦合后产生的单模激光Δλ12。
上述电性绝缘区26是以离子布植法或聚焦离子束(foeuse ionbeam，FIB)法在该披覆层22某一区域植入离子而形成的，利用离子布植法或FIB形成电性绝缘区的制法是业界现有技术。此外，在本实施例中，也可利用化学蚀刻(chemical etch)或干式蚀刻(dry etch)方式在该披覆层22中预先形成一间隙(gap)，且该间隙的深度小于或等于该披覆层22的厚度，之后还可在该间隙中填充例如SiOx、SiNx及聚合体(polymer)等具有不同介电系数的介电材料，从而在该披覆层22中形成电性绝缘区26，借由该电性绝缘区26在该基板20上形成尺寸不同的第一激光区270及第二激光区271，另外，由于该电性绝缘区26并未穿透该披覆层22下方的该主动区21，因而使得所形成的第一激光区270与第二激光区271并非彼此独立，而是相互连接，且在该第一激光区270及第二激光区271中各自形成共振条件，如上述(1)及(2)式所示，同时也具有互相耦合的效应存在，如上述(3)式所示，因而可利用长度较短的激光区(如上述第二激光区271)进行滤波，以实现单模激光输出的效果。
此外，本发明中，该电性绝缘区26的宽度需要使形成于该第一激光区270以及第二激光区271上的第二电极24及第三电极25互相电流绝缘，该电性绝缘区26的深度需要针对该激光装置2本身的局限因子(Γ)来考虑，当局限因子较大时，该电性绝缘层26应设计得较深，当局限因子较小时，该电性绝缘层26应设计得较浅。
为进一步突显本发明的原理及功效，现对本发明的单模激光输出及可调变的单模激光(Tunable Laser)机制说明如下。
如图2所示，当仅在该第二电极24及该第一电极23上施加电源时(即相当于该第一激光区中注入电流)，位于该第一激光区270中的披覆层22(或该基板20)中的多个电子(electron)，从该披覆层22(或该基板20)迁移到该第一激光区270中的主动区21，同时，该基板(或该披覆层22)中的多个电洞(hole)从该基板(或该披覆层22)迁移到该主动区21，在该主动区21，这些电子与电洞重新结合产生多个波长不同的光信号，并使该光信号在此主动区21来回震荡产生共振，并放大后产生多模激光，且经该第二激光区271的滤波产生单模激光，由于该第一激光区270与该第二激光区271的长度L1以及L2不同，因而在该第二激光271区中仅允许某一特定波长的光信号通过此区域，此时，该第二激光区271的作用相当于滤波元件，进而可通过仅在该第一激光区270注入电流，并配合该第二激光区271的滤波作用，在该半导体激光装置2中产生单模激光。此外，本发明也可设计该第二激光区271的长度L2大于该第一激光区270的长度L1，可通过仅于该第一电极23、第三电极25上施加电源，与该第二激光区产生多模激光，并借由该第一激光区270的滤波作用产生单模激光。
本发明可通过在该第一及第二激光区同时施加电源，实现单模激光波长调变的效果。如图4A、4B、4C所示，它是通过改变该第二激光区271注入电流的大小，保持该第一激光区270注入电流不变，使得该第二激光区271的有效折射率变小(或变大)，导致该第二激光区271的模态间隙变小(或变大)，如此即可与第一激光区270的激光频谱相互耦合产生不同波长(λ4、λ5、λ6)的单模激光，也就是实现单模激光输出及波长调变的双重目的。同理，改变第一激光区270的注入电流，保持第二激光区271的注入电流也可实现波长调变的目的，其原理与上述改变第二激光区271电流进行波长调变的原理相同，故在此不再为文赘述。
再者，本发明中也可通过改变该半导体激光装置2的操作温度，使其激光信号的有效折射率改变，又因为该第一激光区270及第二激光区271的长度L1及L2是不同，故操作温度在该二个激光区内的热累积程度不同，故对第二激光区271有效折射率的影响程度也不同，进而可滤出不同波长的单模激光。因此通过改变该半导体激光装置2的操作温度，使得该第一激光区270及第二激光区271产生的光频谱的波长发生漂移，进而产生波长调变的单模激光。
本发明的半导体激光装置包括一基板、形成于该基板上的主动区以及形成于该主动区上的披覆层，其中该半导体激光装置的披覆层中形成有至少一电性绝缘区，在该基板上形成尺寸不同且相互连接的第一激光区及第二激光区，再经由该第一激光区及第二激光区分别产生的激光频谱相互耦合后产生单模激光。本发明还可在该半导体激光装置上通过施加电流及改变操作温度的方式，产生波长可调变的单模激光，因而可简化制程、提升制程良率、极大降低制程成本，同时也符合电子元件微型化的发展趋势。
与现有技术相比，本发明的半导体激光装置是借由离子布植、FIB或蚀刻制程在该半导体激光装置中形成尺寸不同的第一及第二激光区，可通过耦合该第一及第二激光区产生的多模激光，产生特定波长的单模激光。因此，本发明无需使用光栅即可实现滤波效果，产生单模激光，因而可避免现有技术中采用光栅作为滤波元件产生单模激光所引起的制程复杂、制程良率大幅降低、制程成本增加、不符合现今电子元件微型化发展趋势等缺失，此外，本发明可通过仅在该第一激光区(或第二激光区)电极注入电流产生多模激光，并经由该第二激光区(或第一激光区)的滤波产生单模激光，因此可借由单一电极的简单操作即可实现单模激光输出，从而避免现有技术中需要经过多电极同时操作方可产生单模激光引起的操作复杂、能源消耗增加等缺失。
再者，本发明的半导体激光装置采用磊晶技术制成，因而具有较高的性能，从而避免现有技术中采用表面粘装(SMT)制程将预先形成的第一、第二激光区粘贴在一基板引起的对位精度低导致的产品性能降低，同时，本发明的半导体激光装置中通过电极操作注入电流或改变其操作温度产生波长调变的效果，避免现有技术中由于设置在基板上的二个激光区是彼此独立无法产生波长调变的缺失。
Claims (20)
1.一种半导体激光装置，其特征在于，该半导体激光装置包括：
具有第一表面及与该第一表面相对的第二表面的基板；
形成于该基板第二表面的主动区；
形成于该主动区上的披覆层(cladding layer)，且该披覆层中形成有至少一电性绝缘区，以在该基板第二表面上形成尺寸不同的第一激光区及第二激光区；以及
其中，当在该半导体激光装置上施加电源时，该第一及第二激光区中分别产生不同激光模态间隙(channel space)的光频谱，并在光频谱耦合后产生单模激光。
2.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，该主动区包括具有第一及第二表面的主动区层，以及包覆该主动区层第一及第二表面的分离局限异质结构(separate confinement heterostructure；SCH)。
3.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，该半导体激光装置包括形成于该基板第一表面形成的第一电极以及形成于该第一激光区外表面的第二电极。
4.如权利要求3所述的半导体激光装置，其特征在于，该半导体激光装置包括形成于该第二激光区外表面的第三电极。
5.如权利要求1所述的无光栅式半导体激光装置，其特征在于，该第一激光区的长度与该第二激光区的长度不同。
6.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，该电性绝缘区的深度小于或等于该披覆层的厚度，使该第一及第二激光区相互连接。
7.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，该电性绝缘区是利用离子布植法或聚焦离子束(FIB)法形成于该披覆层中。
8.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，该电性绝缘区是利用化学蚀刻法或干式蚀刻法形成于该披覆层中。
9.如权利要求8所述的半导体激光装置，其特征在于，利用化学蚀刻法或干式蚀刻法在该披覆层中形成间隙，且还在该间隙中填充介电材料，以在该第一及第二激光区之间形成该电性绝缘区。
10.如权利要求9所述的半导体激光装置，其特征在于，该介电材料是选自SiOx、SiNx、聚合体等材料。
11.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，该半导体激光装置是通过在第一激光区或第二激光区注入电流产生单模激光。
12.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，该半导体激光装置是保持第一激光区的注入电流，还在该第二激光区注入电流，产生波长调变的单模激光。
13.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，该半导体激光装置是保持在第二激光区的注入电流，还在该第一激光区注入电流，产生波长调变的单模激光。
14.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，通过改变该半导体激光装置的操作温度，使得该第一及第二激光区产生的光频谱的波长发生漂移，进而产生波长调变的单模激光。
15.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，该基板是p型InP基板。
16.如权利要求15所述的半导体激光装置，其特征在于，该披覆层是n型InP基板。
17.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，该基板是n型InP基板。
18.如权利要求17所述的半导体激光装置，其特征在于，该披覆层是p型InP基板。
19.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，该主动区是由半导体材料制成。
20.如权利要求19所述的半导体激光装置，其特征在于，该半导体材料是AlInGaAs及InGaAs、GaAs、GaAsN与InGaAsP其中一种。
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