CN101849333A - 具有交叉指型加热器电极和底部电流约束层的激光源 - Google Patents

具有交叉指型加热器电极和底部电流约束层的激光源 Download PDF

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Abstract

提供了一种半导体激光源，其中，激光二极管的波长选择部分(12)包括P+型电流约束层(20)以及形成于电流约束层(20)之上的第一(22)和第二(24)组交叉指型加热器电极。第一(22)和第二(24)组交叉指型加热器电极中的各个电极指(23，25)沿着激光二极管的有源波导层所限定的光传播方向连续地交替。相对于激光二极管阴极(26)且相对于第二(24)组交叉指型加热器电极，第一(22)组交叉指型加热器电极是正或负偏压的，使得该相对偏压小于P-N结的正向偏置导通电压或该相对偏压的绝对值小于P-N结的反向击穿电压。

Description

具有交叉指型加热器电极和底部电流约束层的激光源
优先权
本申请要求2007年10月1日提交的题为“Laser Source With InterdigitalHeater Electrodes and Underlying Current Confinement Layer”的美国专利申请11/906,213的优先权。
发明背景
本发明涉及波长选择激光二极管以及包含这种波长选择激光二极管的激光源。
发明概述
根据本发明的一个实施方式，提供了一种半导体激光源，其中，激光二极管的波长选择部分包括P+型电流约束层以及在电流约束层上形成的第一和第二组交叉指型加热器电极。第一和第二组交叉指型加热器电极中的各个电极指沿着激光二极管的有源波导层所限定的光传播方向连续地交替。相对于激光二极管阴极且相对于第二组交叉指型加热器电极，第一组交叉指型加热器电极是加正偏压的。第一组交叉指型加热器电极相对于激光二极管阴极的相对偏压+VBIAS小于P-N结的正向偏置导通电压。
根据本发明的另一个实施方式，P+型电流约束层是形成于激光二极管的波长选择部分和相位匹配部分中的P型半导体层之上的。在相位匹配部分中的电流约束层之上，可以形成额外的多组交叉指型加热器电极。
根据本发明的另一个实施方式，相对于激光二极管阴极且相对于第二组交叉指型加热器电极，第一组交叉指型加热器电极是加负偏压的，并且第一组交叉指型加热器电极相对于激光二极管阴极的相对偏压-VBIAS的绝对值小于P-N结的反向击穿电压。
根据本发明的另一个实施方式，激光源包括耦合到激光二极管的光输出的波长转换器件。可以将光学反馈环路配置成基于波长转换器件的经转换的输出来控制相对的偏压+VBIAS。
附图说明
在与附图相结合的情况下，可以对本发明的特定实施方式的详细描述作最佳的理解，其中相似的结构是用相似的标号来表示的，其中：
图1是示出本发明的多个方面的激光源的示意图；
图2是示出本发明的多个方面的半导体异质结构的一部分的示意图；以及
图3示出了根据本发明的一个实施方式的激光源的一部分的等效电路。
具体实施方式
首先参照图1，可以在结合图1示意性地示出DBR激光二极管10的情况下示出本发明的多个方面。通常，DBR激光二极管包括波长选择部分12、相位匹配部分14和增益部分16。波长选择部分12也被称为激光二极管10的DBR部分，通常包括位于激光腔有效区域之外的一阶或二阶布拉格光栅。这一部分提供波长选择，因为该光栅充当一个反射系数取决于波长的镜子。DBR激光二极管10的增益部分16提供激光的主要光学增益，相位匹配部分14产生在增益部分16的增益材料与波长选择部分12的反射材料之间的可调相移。可以按多种合适的备选配置来提供波长选择部分12，其中可以使用或不使用布拉格光栅。
将激光二极管10配置成一种半导体异质结构，这种半导体异质结构包括形成于P和N型半导体层13、17之间的有源波导层15，所述P和N型半导体层13、17用于在所述有源波导层15处定义一个P-N结。所述P和N型半导体层13、17充当包层，并且分别将空穴和电子注入到有源波导层15中。因为有源波导层15及其周围的波导材料的折射率大于包层13、17的折射率，所以将其中产生的光约束在有源波导层15及其周围的波导材料中。波长选择部分12、相位匹配部分14以及增益部分16均被限定在半导体异质结构之内。
另外参照图2，波长选择部分12包括形成于P型半导体层13之上的P+型电流约束层20。第一和第二组交叉指型加热器电极22、24是形成于激光二极管10的波长选择部分12的电流约束层20之上的。为了描述和限定本发明，注意到定义了“交叉指型”电极，其中将一组电极中的一个或多个电极指插入另一组电极的电极指之间，反之亦然。图1示出了交叉指型电极配置的一个相对简单的示例，其中，第一和第二组交叉指型加热器电极22、24中的各个电极指23、25沿着有源波导层15所限定的光传播方向30连续地交替。可以由任何合适的导体形成第一和第二组交叉指型加热器电极22、24，尽管通常TiPt是较佳的成分。
P+型电流约束层20是电阻接触层，该电阻接触层在相邻电极指23、25之间传输电流时会产生热。通常，所产生的热量正比于该电流，但激光二极管异质结构的性质对加热器功率有限制。具体来讲，参照图3，图3示出了波长选择部分12的等效电路，其中包括激光二极管10的波长选择部分12的电流约束层20和P-N结的多个部分，P-N结的电阻被显示成R1，由电流约束层20限定的加热器的电阻被显示成R2。如果两种交叉指型电极之一使P-N结加反向偏压并且该反向偏压维持在P-N结的击穿电压以下以确保P-N结的可靠性，则最大加热功率表达如下：
PMAX＝VBREAK-DOWN 2/R2
其中，VBREAK-DOWN是P-N结的击穿电压。从这种关系清楚地看到，对于更大的加热器功率，期望有更小的加热器电阻。
然而，发明人已认识到，使P-N结加反向偏压就可以除去波长选择部分12中所产生的光电流，并且使其更具光学吸收性，从而产生光功率的下降。除了光功率的损失以外，反向偏压还可以产生相对大的光电流，若光强足够大，则这种光电流会破坏P-N结。
在图2中，相对于激光二极管阴极26且相对于第二组交叉指型加热器电极24，第一组交叉指型加热器电极22是加正偏压的。如图1所示，可以将控制器40配置成按照这种方式来设置阳极电压VA、阴极电压VC以及第一和第二组交叉指型加热器电极22、24的电压。第一组交叉指型加热器电极22相对于激光二极管阴极26的相对偏压+VBIAS小于P-N结的正向偏置导通电压。通过按照图2所示的方式对激光二极管10加偏压，波长选择部分12就可以在工作时不受有害的光电流影响。通常，为了确保一致的操作，第一组交叉指型加热器电极相对于阴极电压VC的相对偏压+VBIAS小于P-N结的正向偏置导通电压的约90％。可以表达图2所示配置所得到的最大加热功率如下：
PMAX＝VTURN-ON 2/R2
其中，VTURN-ON是P-N结的导通电压。
尽管本文描述本发明的实施方式和特征时主要参照了第一组交叉指型加热器电极22相对于激光二极管阴极26的相对偏压是正的(+VBIAS)且小于P-N结的正向偏置导通电压这样的实施方式，但是可以预期，第一组交叉指型加热器电极22相对于激光二极管阴极26的相对偏压是可以是负的(-VBIAS)。在这种情况下，第一组交叉指型加热器电极22相对于激光二极管阴极26的相对负偏压-VBIAS的绝对值小于P-N结的反向击穿电压。注意到，对于更大的加热器功率，期望更小的加热器电阻，第一和第二组交叉指型加热器电极22、24的交叉指型配置允许通过选择两个相对的电极之间的间隙距离来方便地调整加热器电阻R，使得用合适的电压来实现期望的加热功率，而不对激光器造成破坏或不损失光功率。使沿波导的加热器电流路径局限于有源波导层15之上。因为P+型电流约束层20所产生的热接近于有源波导层15，所以图2所示的加热器配置在改变有源波导层15的温度这方面是高度有效和迅速的。相应地，图2所示加热器配置也能有效且迅速地改变有效折射率和激光二极管10的激光发射波长，这样，就呈现出一种较佳的方式来改进激光二极管以及使用激光二极管和波长转换元件(比如SHG晶体)的激光源中电学壁式插座效率和波长控制的速度。
在图2所示的本发明的实施方式中，激光二极管阴极26和第二组交叉指型加热器电极24保持共同的阴极电压VC。尽管这是方便的配置，但是本发明的各种概念不应该限于激光二极管阴极26和第二组交叉指型加热器电极24保持共同的阴极电压VC这样的控制方案。可以预期，会有各种合适的值可适用于第一组交叉指型加热器电极22相对于激光二极管阴极26的相对偏压+VBIAS，只要该相对偏压+VBIAS小于P-N结的正向偏置导通电压就可以。假使激光二极管阴极26和第二组交叉指型加热器电极24保持不同的电压，应该澄清，最好相对于激光二极管阴极26的电压和第二组交叉指型加热器电极24的电压设置数值+VBIAS，使得它小于每种情况中的P-N结的正向偏置导通电压。
也可以预期，电流约束层20的电阻率以及第一和第二组交叉指型加热器电极22、24的各个电极指23、25的间隔可以采用各种合适的值。通过选择第一和第二组交叉指型加热器电极22、24的各个电极指23、25的合适的间隔，就可以方便地调整电流约束层20的电阻。例如，而非限制，在本发明的一个实施方式中，电流约束层20的电阻率以及各个电极指23、25的间隔可使得介于约0到2.2伏特之间的相对偏压+VBIAS使激光二极管的激光发射波长有至少约3nm的移动。更具体地讲，根据本发明的一个实施方式，已发现2.2伏特的相对偏压+VBIAS足以使激光二极管的激光发射波长有3.7nm的移动。
尽管已结合激光二极管10的波长选择部分12描述了本发明的多个方面，但是可以预期，P+型电流约束层20也可以形成于相位匹配部分14中的P型半导体层13之上。在这种情况下，在相位匹配部分14中的电流约束层20之上，可以形成额外的多组交叉指型加热器电极32、34。另外，参照图1，在增益部分16中的P型半导体层13之上形成驱动电极28，也被称为激光二极管阳极，形成它时也可以不在驱动电极28和P型半导体层13之间插入P+型电流约束层。
如上所述，将控制器40配置成设置阳极电压VA、阴极电压VC以及第一和第二组交叉指型加热器电极22、24的电压，使得第一组交叉指型加热器电极22相对于激光二极管阴极26且相对于第二组交叉指型加热器电极24是加正偏压的。如图1所示，第一组交叉指型加热器电极22相对于阴极电压VC和第二组交叉指型加热器电极24的电压的相对偏压+VBIAS使得在第一和第二组交叉指型加热器电极22、24之间所产生的大部分电流均被限制在P+型电流约束层20之内，并且最小的电流流过P-N结到达激光二极管阴极26。在许多情况下，将第一和第二组交叉指型加热器电极之间所产生的所有的电流都限制在P+型电流约束层20之内，没有电流流过P-N结到达激光二极管阴极26。
受到本文所阐述的设计约束，可以根据现有的和将来开发的关于DBR激光二极管的设计和操作的内容来选择本文所描述的激光二极管10异质结构的P和N型半导体层13、17、阴极层26以及阳极层28的特定成分。应该选择P+型电流约束层20的成分使之与P型半导体层13的材料以及第一和第二组交叉指型加热器电极22、24的材料相互兼用。例如，P型半导体层13包括P型AlGaAs包层，P+型电流约束层20可以包括重掺杂的GaAs。用于P+型电流约束层20的其它合适的备选包括但不限于重掺杂的GaInAs、GaInAsP、InP及其组合。在使用过程中，也可以调整P+型电流约束层20的厚度，以补偿特定的DBR激光二极管配置。注意到这一点，可以预期，介于约50nm到300nm之间的约束层厚度在大多数情况下都是合适的。
参照图1，也可以将根据本发明的激光源用在倍频或波长转换激光源的情况中。在所示的实施方式中，激光源100还包括耦合到激光二极管10的光输出的波长转换器件50。波长转换器件通常包括二次谐波产生(SHG)晶体，比如掺MgO的周期性极点铌酸锂(PPLN)，将它配置成产生DBR激光二极管10的基频激光信号的更高次谐波。可以将光学反馈环路配置成：通过基于波长转换器件50的经转换的输出来控制相对偏压+VBIAS，将激光二极管10的波长调谐到SHG晶体的光谱带宽。为此，光学反馈环路包括分束器52、光检测器54以及控制器40。或者，可以对控制器40进行编程以执行开环控制方案，通过随机地改变加到第一或第二组交叉指型加热器电极22、24的电压以引入加到波长选择部分12、相位匹配部分14或两者上的控制信号的随意抖动或扰动，从而控制相对偏压+VBIAS。
将光检测器54和分束器52配置成产生一个电信号，用于表示激光二极管10的经波长转换的输出的强度。对控制器40进行编程为：通过基于光检测器54和分束器52所产生的强度信号控制相对偏压+VBIAS，从而使波长转换器件50的经转换的输出中的强度波动稳定化。如上所述，在激光二极管10的相位匹配部分14中的电流约束层20上，可以形成额外的多组交叉指型加热器电极32、34，并且可以进一步配置光学反馈环路成为控制加到额外的多组交叉指型加热器电极32、34上的相对偏压+VBIAS。也预期到，可以进一步配置光学反馈环路成为控制阳极电极28的驱动电压。
注意到，本文引述的本发明的组件“配置成”以特定方式实施特定性质、功能等均是结构性的引述，与预期用途的引述相反。更具体地讲，本文所引述的对组件进行“配置”的方式是指该组件的现有的物理条件，并且被视为该组件的结构性特征的明确引述。另外，注意到，本文中提到一层或材料形成于另一层或材料“之上”不应该被理解为排除在这两层之间设置夹层或材料的可能性。
注意到，在本文中，像“较佳地”、“共同地”和“典型地”等术语并不旨在限制本发明的范围或暗指某些特征对于本发明的结构和功能而言是关键性的、必不可少的或很重要的。相反，这些术语仅仅旨在凸显本发明特定实施方式中可以使用或不使用的备选或额外的特征。
上文已详细描述了本发明并且参照了具体的实施方式，很明显，在不背离所附权利要求书所限定的本发明的范围的情况下，各种修改和变更都是可能的。更具体地讲，尽管可以将本发明的一些方面标识为较佳的、有优势的或期望的，但是可以预期，本发明并不必然限定于本发明的这些较佳方面。

Claims (20)

1.一种激光源，包括激光二极管和控制器，其中：
将所述激光二极管配置成包括阳极、阴极和有源波导层的半导体异质结构，所述有源波导层形成于用于定义P-N结的P和N型半导体层之间；
所述激光二极管包括波长选择部分、相位匹配部分和增益部分，每一个部分都被限定在半导体异质结构之内；
所述波长选择部分包括形成于P型半导体层之上的P+型电流约束层以及形成于电流约束层之上的第一和第二组交叉指型加热器电极；
第一和第二组交叉指型加热器电极中的各个电极指沿着有源波导层所限定的光传播方向连续地交替；
将所述控制器连接到阴极以及第一和第二组交叉指型加热器电极，使得第一组交叉指型加热器电极相对于激光二极管阴极且相对于第二组交叉指型加热器电极是加正偏压的；以及
第一组交叉指型加热器电极相对于激光二极管阴极的相对偏压+VBIAS小于P-N结的正向偏置导通电压。
2.如权利要求1所述的激光源，其特征在于：
电流约束层的电阻以及第一和第二组交叉指型加热器电极中的各个电极指的间隔使得介于约0到2.2伏特之间的相对偏压+VBIAS使激光二极管的激光发射波长有至少约3nm的移动。
3.如权利要求1所述的激光源，其特征在于：
在波长选择部分和相位匹配部分中的P型半导体层之上，形成P+型电流约束层。
4.如权利要求4所述的激光源，其特征在于：
在相位匹配部分中的电流约束层之上，形成额外的多组交叉指型加热器电极。
5.如权利要求1所述的激光源，其特征在于：
将所述控制器配置成设置阳极电压VA、阴极电压VC以及第一和第二组交叉指型加热器电极的电压，使得第一组交叉指型加热器电极相对于激光二极管阴极且相对于第二组交叉指型加热器电极是加正偏压的。
6.如权利要求1所述的激光源，其特征在于：
第一组交叉指型加热器电极相对于阴极电压VC和第二组交叉指型加热器电极的电压的相对偏压+VBIAS使得在第一和第二组交叉指型加热器电极之间所产生的大部分电流被限制在P+型电流约束层之内。
7.如权利要求6所述的激光源，其特征在于：
最小的电流流过P-N结到达激光二极管阴极。
8.如权利要求1所述的激光源，其特征在于：
第一组交叉指型加热器电极相对于阴极电压VC和第二组交叉指型加热器电极的电压的相对偏压+VBIAS使得第一和第二组交叉指型加热器电极之间所产生的电流被限制在P+型电流约束层之内。
9.如权利要求8所述的激光源，其特征在于：
没有电流流过P-N结到达激光二极管阴极。
10.如权利要求9所述的激光源，其特征在于：
将所述控制器配置成将加到第二组交叉指型加热器电极上的电压设置为大约与阴极电压VC相同的值。
11.如权利要求1所述的激光源，其特征在于：
第一组交叉指型加热器电极相对于激光二极管阴极和第二组交叉指型加热器电极的电压的相对偏压+VBIAS小于P-N结的正向偏置导通电压。
12.如权利要求1所述的激光源，其特征在于：
第一组交叉指型加热器电极相对于阴极电压VC的相对偏压+VBIAS小于P-N结的正向偏置导通电压的约90％。
13.如权利要求1所述的激光源，其特征在于：
第一组交叉指型加热器电极相对于阴极电压VC和第二组交叉指型加热器电极的电压的相对偏压+VBIAS小于P-N结的正向偏置导通电压的约90％。
14.如权利要求1所述的激光源，其特征在于：
所述激光源还包括：耦合到激光二极管的光输出的波长转换器件；以及配置成基于波长转换器件的经转换的输出来控制相对偏压+VBIAS的光学反馈环路。
15.如权利要求14所述的激光源，其特征在于：
所述光学反馈环路包括分束器、光检测器和控制器。
16.如权利要求15所述的激光源，其特征在于：
将所述光检测器和分束器配置成产生用于表示经波长转换的输出的强度的电信号；并且
所述控制器被编程为：通过基于光检测器和分束器所产生的强度信号来控制相对偏压+VBIAS，从而使波长转换器件的经转换的输出中的强度波动稳定化。
17.如权利要求14所述的激光源，其特征在于：
将所述光学反馈环路进一步配置成控制形成于激光二极管的相位匹配部分中的电流约束层之上的额外的多组交叉指型加热器电极的相对偏压+VBIAS。
18.如权利要求1所述的激光源，其特征在于：
所述激光源还包括：耦合到激光二极管的光输出的波长转换器件；以及编程为执行开环控制方案以控制相对偏压+VBIAS的控制器。
19.一种激光源，包括激光二极管和控制器，其中：
将所述激光二极管配置成包括阳极、阴极和有源波导层的半导体异质结构，所述有源波导层形成于用于定义P-N结的P和N型半导体层之间；
所述激光二极管包括波长选择部分、相位匹配部分和增益部分，每一个部分都被限定在半导体异质结构之内；
所述波长选择部分包括形成于P型半导体层之上的P+型电流约束层以及形成于电流约束层之上的第一和第二组交叉指型加热器电极；
第一和第二组交叉指型加热器电极中的各个电极指沿着有源波导层所限定的光传播方向连续地交替；
将所述控制器连接到阴极以及第一和第二组交叉指型加热器电极，使得第一组交叉指型加热器电极相对于激光二极管阴极且相对于第二组交叉指型加热器电极是加负偏压的；以及
第一组交叉指型加热器电极相对于激光二极管阴极的相对负偏压-VBIAS的绝对值小于P-N结的反向击穿电压。
20.一种激光源，包括激光二极管、波长转换器件、光学反馈环路和控制器，其中：
将所述激光二极管配置成包括阳极、阴极和有源波导层的半导体异质结构，所述有源波导层形成于用于定义P-N结的P和N型半导体层之间；
所述激光二极管包括波长选择部分、相位匹配部分和增益部分，每一个部分都被限定在半导体异质结构之内；
所述波长选择部分包括形成于P型半导体层之上的P+型电流约束层以及形成于电流约束层之上的第一和第二组交叉指型加热器电极；
第一和第二组交叉指型加热器电极中的各个电极指沿着有源波导层所限定的光传播方向连续地交替；
所述相位匹配部分包括形成于P型半导体层之上的P+型电流约束层以及形成于电流约束层之上的额外的多组交叉指型加热器电极；
额外的多组交叉指型加热器电极中的各个电极指沿着有源波导层所限定的光传播方向连续地交替；
将所述控制器连接到阴极、第一和第二组交叉指型加热器电极以及额外的多组交叉指型加热器电极，使得交叉指型加热器电极相对于激光二极管阴极是加正或负偏压的；
当交叉指型加热器电极相对于激光二极管阴极是加正偏压时，第一组交叉指型加热器电极相对于激光二极管阴极的相对偏压小于P-N结的正向偏置导通电压；
当交叉指型加热器电极相对于激光二极管阴极是加负偏压时，第一组交叉指型加热器电极相对于激光二极管阴极的相对偏压的绝对值小于P-N结的反向击穿电压；
将波长转换器件耦合到激光二极管的光输出；以及
将光学反馈环路配置成基于波长转换器件的经转换的输出来控制相对偏压。
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