CN108233178B - 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，其包含依序设置的基板、第一型披覆层、第一型波导层、有源层、第二型波导层、第二型披覆层及一封盖层。所述有源层包含发光部及出光部，其中所述发光部用以产生激光，所述激光沿着从所述发光部朝向所述出光部的方向发射，且所述出光部包括第一被动区域、出光区域及第二被动区域，其中所述出光区域的折射率低于所述第一被动区域的折射率，且所述出光区域的折射率低于所述第二被动区域的折射率，且所述出光区域的一部分的宽度是沿着所述方向而连续性增加。本发明的半导体激光装置所发出的激光光束具有较小的远场的垂直光束发散角及水平光束发散角，故与光纤耦合时，可具有优选耦合效率，且大致上不影响光输出效率。

Description

半导体激光装置
技术领域
本发明是涉及一种激光装置，特别是涉及一种半导体激光装置。
背景技术
现有的半导体激光装置主要应用于光学通讯技术、医学中的癌症治疗、固体激光的光学泵浦，以及直接的材料加工处理。对于这些应用而言，半导体激光由于其小的尺寸、大的功率、可以电力驱动以及价格低廉而尤其适合大量制造。
然而，现有的半导体激光装置在远场的垂直光束发散角及水平光束发散角仍具有改善的空间。故，有必要提供一种半导体激光装置，以解决现有技术所存在的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种半导体激光装置，以解决现有技术的半导体激光装置的远场的垂直光束发散角及水平光束发散角仍具有改善空间的问题。
本发明的主要目的在于提供一种半导体激光装置，所发出的激光光束具有较小的远场的垂直光束发散角及水平光束发散角，以使本发明实施例的半导体激光装置在与一光纤耦合时，可具有优选耦合效率。
本发明的次要目的在于提供一种半导体激光装置，其在改善远场的垂直光束发散角及水平光束发散角的同时，本发明实施例的半导体激光装置大致上不影响光输出效率。
为达上述的目的，本发明实施例提供一种半导体激光装置，其包含：一基板、一第一型披覆层、一第一型波导层、一有源层、一第二型波导层、一第二型披覆层及一封盖层。所述第一型披覆层设于所述基板上。所述第一型波导层设于所述第一型披覆层上。所述有源层设于所述第一型波导层上，且包含彼此相邻的一发光部及一出光部，其中所述发光部用以产生一激光，所述激光沿着从所述发光部朝向所述出光部的一方向发射，且所述出光部包括一第一被动区域、一出光区域及一第二被动区域，其中所述出光区域设在所述第一被动区域及所述第二被动区域之间，所述出光区域的折射率低于所述第一被动区域的折射率，且所述出光区域的折射率低于所述第二被动区域的折射率，且所述出光区域的一部分的一宽度是沿着所述方向而连续性增加。所述第二型波导层设于所述有源层上。所述第二型披覆层设于所述第二型波导层上。所述封盖层设于所述第二型披覆层上。
在本发明的一实施例中，所述第一型披覆层是一n型披覆层；所述第一型波导层是一n型波导层；所述第二型波导层是一p型波导层；及所述第二型披覆层是一p型披覆层。
在本发明的一实施例中，所述第一型披覆层是一p型披覆层；所述第一型波导层是一p型波导层；所述第二型波导层是一n型波导层；及所述第二型披覆层是一n型披覆层。
在本发明的一实施例中，所述出光区域的另一部分的一宽度是沿着所述方向而保持一定值(a constant value)。
在本发明的一实施例中，所述第一被动区域与所述出光区域之间具有一第一边界，且所述出光区域与所述第二被动区域之间具有一第二边界，所述宽度是通过所述第一边界及所述第二边界之间的一距离来定义。
在本发明的一实施例中，所述第一边界是一直线型或一抛物线型。
在本发明的一实施例中，所述第二边界是一直线型或一抛物线型。
在本发明的一实施例中，所述发光部包括一第一被动发光区域、一发光区域与一第二被动发光区域，所述发光区域设于所述第一被动发光区域与所述第二被动发光区域之间，其中所述发光区域的折射率高于所述第一被动发光区域的折射率，且所述发光区域的折射率高于所述第二被动发光区域的折射率。
在本发明的一实施例中，所述第一被动发光区域与所述第一被动区域之间具有一第一交界，且所述第一被动区域与所述出光区域之间具有一第一边界，所述第一交界与所述第一边界之间夹有一第一角度，其中所述第一角度的范围是介于0.1度至89.9度之间。
在本发明的一实施例中，所述第二被动发光区域与所述第二被动区域之间具有一第二交界，且所述第二被动区域与所述出光区域之间具有一第二边界，所述第二交界与所述第二边界之间夹有一第二角度，其中所述第二角度的范围是介于0.1度至89.9度之间。
与现有技术相比较，本发明的半导体激光装置是通过具有特殊折射率分布的一有源层，以使半导体激光装置相对于现有技术的半导体激光装置而言，所发出的激光光束具有较小的远场的垂直光束发散角及水平光束发散角，以使本发明实施例的半导体激光装置在与一光纤耦合时，可具有优选耦合效率。此外，本发明的半导体激光装置在改善远场的垂直光束发散角及水平光束发散角的同时，本发明实施例的半导体激光装置大致上不影响光输出效率。
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
附图说明
图1A是本发明实施例的半导体激光的立体示意图。
图1B是本发明实施例的半导体激光的剖面示意图。
图2A是本发明实施例的半导体激光的有源层的上视示意图。
图2B是本发明另一实施例的半导体激光的有源层的上视示意图。
图2C是本发明又一实施例的半导体激光的有源层的上视示意图。
图2D是本发明再一实施例的半导体激光的有源层的上视示意图。
图2E是本发明又一实施例的半导体激光的有源层的上视示意图。
图3是比较例1的有源层的上视示意图。
图4A是实施例1的水平角与强度在使用不同电流下所得的远场分析图。
图4B是比较例1的水平角与强度在使用不同电流下所得的远场分析图。
图4C是实施例1的垂直角与强度关系在使用不同电流下所得的远场分析图。
图4D是比较例1的垂直角与强度关系在使用不同电流下所得的远场分析图。
图4E是实施例1与比较例1的电流与光功率关系的分析图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。再者，本发明所提到的方向用语，例如上、下、顶、底、前、后、左、右、内、外、侧面、周围、中央、水平、横向、垂直、纵向、轴向、径向、最上层或最下层等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
请一并参照图1A与1B所示，图1A是本发明实施例的半导体激光装置10的立体示意图；及图1B是本发明实施例的半导体激光装置10的剖面示意图。本发明实施例的半导体激光装置10包括一基板11、一第一型披覆层12、一第一型波导层13、一有源层14、一第二型波导层15、一第二型披覆层16及一封盖层17，其中所述基板11上依序设置所述第一型披覆层12、所述第一型波导层13、所述有源层14、所述第二型波导层15、所述第二型披覆层16及所述封盖层17，以形成所述半导体激光装置10。例如，所述第一型披覆层12设于所述基板11上；所述第一型波导层13，设于所述第一型披覆层12上；所述有源层14设于所述第一型波导层13上；所述第二型波导层15设于所述有源层14上；所述第二型披覆层16设于所述第二型波导层15上；及所述封盖层17设于所述第二型披覆层16上。
在一实施例中，所述第一型披覆层12可以是n型披覆层、所述第一型波导层13可以是n型波导层、所述第二型波导层15可以是p型波导层、以及所述第二型披覆层16可以是p型披覆层。在另一实施例，所述第一型披覆层12可以是p型披覆层、所述第一型波导层13可以是p型波导层、所述第二型波导层15可以是n型波导层、以及所述第二型披覆层16可以是n型披覆层。
在一实施例中，所述基板11的材质可以是GaAs或InP。在另一实施例中，n型披覆层的材质可以是AlGaAs、InP或AlGaInP，及厚度可以是介于100nm与5000nm之间。在又一实施例中，n型波导层的材质可以是GaAs、GaInP、InAlAs或InGaAsP，及厚度可以是介于10nm与2000nm之间。在另一实施例中，p型披覆层的材质可以是AlGaAs、InP或AlGaInP，及厚度可以是介于100nm与5000nm之间。在又一实施例中，p型波导层的材质可以是GaAs、GaInP、InAlAs或InGaAsP，及厚度可以是介于10nm与2000nm之间。在又一实施例中，所述有源层14的材质可以是InGaAs、InAlGaAs、GaAs或GaAsP。
在本发明实施例中，主要是通过具有特定折射率区的有源层14，以使本发明实施例的半导体激光装置10可减少在远场的垂直光束发散角与水平光束发散角。请一并参照图1A至2E，图2A是本发明实施例的半导体激光装置10的有源层14的上视示意图、图2B是本发明另一实施例的半导体激光装置10的有源层14的上视示意图、图2C是本发明又一实施例的半导体激光装置10的有源层14的上视示意图、图2D是本发明再一实施例的半导体激光装置10的有源层14的上视示意图及图2E是本发明又一实施例的半导体激光装置10的有源层14的上视示意图。所述有源层14包括彼此相邻的一发光部141与一出光部142，其中所述有源层14中的发光部141所产生的激光光束大致上是由所述发光部141朝向所述出光部142的一方向D1发射。所述发光部141可分有三个区域，分别是一第一被动发光区域141A、一发光区域141B与一第二被动发光区域141C，其中所述发光区域141B是位于所述第一被动发光区域141A与所述第二被动发光区域141C之间。在一实施例中，所述第一被动发光区域141A、所述发光区域141B与所述第二被动发光区域141C皆具有高折射率(如图2A所示)。在另一实施例中，所述发光区域141B具有高折射率，而所述第一被动发光区域141A与所述第二被动发光区域141C具有低折射率。在一具体范例中，所述发光区域141B包括相邻的高折射率的区域及低折射率的区域，其中所述低折射率的区域相对于所述高折射率的区域而远离于所述出光部142(如图2B所示)。
在一实施例中，所述有源层14的出光部142包含一第一被动区域142A、一出光区域142B与一第二被动区域142C，其中所述出光区域142B位在所述第一被动区域142A及所述第二被动区域142C之间。在一实施例中，所述第一被动区域142A与所述第一被动发光区域141A是相邻且相互连接；所述出光区域142B与所述发光区域141B是相邻且相互连接；以及所述第二被动区域142C与所述第二被动发光区域141C是相邻且相互连接。在一实施例中，所述第一被动区域142A与所述第二被动区域142C皆具有高折射率，且所述出光区域142B具有低折射率，其中，所述出光区域142B大致上是沿着从所述发光部141朝向所述出光部142的方向D1而扩张，例如从所述出光区域142B与所述发光区域141B的连接处朝向所述出光区域142的方向出发(例如从宽度W1至宽度W2)，所述出光区域142B的宽度会连续性的增加，以使所述出光区域142B大致上呈现一梯形。
在一具体范例中，所述出光区域142B的宽度可通过所述第一被动区域142A与所述第二被动区域142C所定义。例如，所述出光区域142B与所述第一被动区域142A相邻处具有一第一边界B1，且所述出光区域142B与所述第二被动区域142C相邻处具有一第二边界B2，其中所述宽度是通过所述第一边界B1及所述第二边界B2之间的一距离来定义。在一实施例中，所述第一边界B1与所述第二边界B2可以是直线型(如图2A、2B及2E所示)，也可以是拋物线型(如图2C及2D所示)。但需注意的是，所述第一边界B1与所述第二边界B2必须使所述出光区域142B的宽度是呈连续性的增加(如图2A至2D)或至少部分不减少的状态(如图2E)。由上可知，所述出光区域142B的全部的一宽度可以是沿着所述方向D1而连续性增加(如图2A至2D)；或是所述出光区域142B的一部分的一宽度可以是沿着所述方向D1而连续性增加，而所述出光区域142B的另一部分可以是沿着所述方向D1而保持一定值(如图2E)。
在一实施例中，所述第一被动发光区域141A与所述第一被动区域142A之间具有一第一交界J1，且所述第一交界J1与所述第一边界B1之间夹有一第一角度α，其中所述第一角度α的范围是介于0.1度至89.9度之间，例如所述第一角度α可以是1度、2度、5度、10度、15度、20度、25度、30度、45度、50度、60度、65度、70度、75度、80度、85度、88度或89度等。在另一实施例中，所述第二被动发光区域141C与所述第二被动区域142C之间具有一第二交界J2，且所述第二交界J2与所述第二边界B2之间夹有一第二角度β，其中所述第二角度β的范围是介于0.1度至89.9度之间，例如所述第二角度β可以是1度、2度、5度、10度、15度、20度、25度、30度、45度、50度、60度、65度、70度、75度、80度、85度、88度或89度等。
在一实施例中，所述第一边界B1可相连于所述第一被动发光区域141A与所述发光区域141B之间的边界；及所述第二边界B2可相连于所述发光区域141B与所述第二被动发光区域141C之间的边界(如图2B所示)。在又一实施例中，所述第一边界B1可不相连于所述第一被动发光区域141A与所述发光区域141B之间的边界；及所述第二边界B2可不相连于所述发光区域141B与所述第二被动发光区域141C之间的边界(如图2E所示)。
值得一提的是，具有连续性增加的宽度W的所述出光区域142B可作为一反波导效果区域。例如，当一激光光在所述发光区域141B产生并朝向所述出光区域142B移动时，因为所述出光区域142B为低折射率，而位在外围的所述第一被动区域142A与所述第二被动区域142C为高折射率区域，故所形成的反波导结构会有将激光光束扩展的作用，使激光光在近场的水平光束发散角与垂直光束发散角增加。由于近场与远场的水平光束发散角与垂直光束发散角的关系是呈相反关系，因此远场的水平光束发散角与垂直光束发散角降低。
要提到的是，一般而言，在半导体激光装置的技术领域中，所述有源层14中所指的高折射率与低折射率是呈现一相对关系。例如所述有源层14的材质具有一本质折射率(即所述有源层14的材质本身的折射率)，而所述本质折射率是可通过工艺处理(例如Intermixing或diffusion)而使所述有源层14的部分区域的折射率上升或下降，从而使得所述有源层14上的部分区域相对于剩余部分区域具有相对高或相对低的折射率。例如，若是所述有源层14的部分区域在经过工艺处理后可降低折射率，则此经过处理的部分区域具有相对于本质折射率更低的折射率，故在本文称为低折射率；而未经处理的部分区域则称为高折射率(即本质折射率)。相反的，若是所述有源层14的部分区域在经过工艺处理后可提高折射率，则此经过处理的部分区域具有相对于本质折射率更高的折射率，故在本文称为高折射率；而未经处理的部分区域则称为低折射率(即本质折射率)。所述层亦可以用选择性成长或是将有源层14部分区域蚀刻，然后成长所需折射率的材料。
另外，要提到的是，本发明实施例的半导体激光装置10可通过现有工艺进行制作，而本发明与现有技术至少一不同处在于，在制作有源层14时，本发明实施例的半导体激光装置10的有源层14中各个高折射率与低折射率的区域不同于现有技术。
以下将提出一实施例及一比较例，以证明本发明实施例的半导体激光装置10确实具有使远场的水平光束发散角与垂直光束发散角降低的效果。
实施例1
在基板上依序形成一n型披覆层、一n型波导层、一有源层、一p型波导层、一p型披覆层及一封盖层，其中所述有源层包括相邻的一发光区域与一出光区域。所述出光区域的一第一被动区域与一第二被动区域皆具有高折射率，而所述发光区域具有低折射率，其中所述发光区域沿着从所述发光区域朝向所述出光区域的方向而扩张，进而呈现一梯形。在本实施例1中，所述第一被动发光区域141A与所述第一被动区域142A之间的所述第一交界J1与所述第一边界B1夹有呈45度的第一夹角α，且所述第二被动发光区域141C与所述第二被动区域142C之间的一第二交界J2与所述第二边界B2夹有呈45度的第二夹角β。本实施例1可参考如图1A、1B及2A所示。
比较例1
请参照图3，图3是比较例1的有源层34的上视示意图。比较例1的整体结构是相似于实施例1，亦即在基板上依序形成一n型披覆层、一n型波导层、一有源层34、一p型波导层、一p型披覆层及一封盖层，其中比较例1的有源层34包含发光部341与出光部342。然而，比较例1与实施例1的不同处在于，有源层34的出光部342与实施例1不同。在比较例1中，出光部342皆是低折射率。
接着进行分析比对，通过量测机台量测实施例1与比较例1的半导体激光装置，以测得如图4A至4E的分析结果，其中图4A是实施例1的水平角与强度在使用不同电流下所得的远场分析图；图4B是比较例1的水平角与强度在使用不同电流下所得的远场分析图；图4C是实施例1的垂直角与强度关系在使用不同电流下所得的远场分析图；图4D是比较例1的垂直角与强度关系在使用不同电流下所得的远场分析图；及图4E是实施例1与比较例1的电流与光功率关系的分析图。
从图4A与4B的分析结果可得，实施例1在电流分别为2、4、6与8安培的情况下，水平角的半高全宽(full width at half maximum)值为4.8度、6.0度、7.2度与7.6度；而比较例1在电流分别为2、4、6与8安培的情况下，水平角的半高全宽值为6.4度、7.8度、8.4度与9.0度。由于在相同的电流下，实施例1的水平角的半高全宽值皆低于比较例1，实施例1确实减少了远场的水平光束发散角。
从图4C与4D的分析结果可得，实施例1在电流分别为2、4、6与8安培的情况下，垂直角的半高全宽值为26.8度、27.0度、27.4度与26.8度；而比较例1在电流分别为2、4、6与8安培的情况下，垂直角的半高全宽值为29.8度、29.6度、30.0度与30.2度。由于在相同的电流下，实施例1的垂直角的半高全宽值皆低于比较例1，所以实施例1确实减少了远场的垂直光束发散角。从图4E的分析结果可得，实施例1与比较例1具有相同的临界电流，证明本发明实施例1不会造成更多的损耗，另外虽然在相同的使用电流下，实施例1的光功率略低于比较例1的光功率，但由于实施例1的远场光束角度小，所以当实施例1的半导体激光装置10在与光纤耦合时，可以有优选耦合效率。
综上所述，本发明实施例的半导体激光装置10主要是通过具有特殊设计或特殊结构的有源层，而使所射出的激光光在远场的水平光束发散角与垂直光束发散角降低，并且大致上不影响光输出效率。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已公开的实施例并未限制本发明的范围。相反地，包含于权利要求书的精神及范围的修改及均等设置均包括于本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种半导体激光装置，其特征在于：所述半导体激光装置包含：
一基板；
一第一型披覆层，设于所述基板上；
一第一型波导层，设于所述第一型披覆层上；
一有源层，设于所述第一型波导层上，且包含彼此相邻的一发光部及一出光部，其中所述发光部用以产生一激光，所述激光沿着从所述发光部朝向所述出光部的一方向发射，且所述出光部包括一第一被动区域、一出光区域及一第二被动区域，其中所述出光区域设在所述第一被动区域及所述第二被动区域之间，所述出光区域的折射率低于所述第一被动区域的折射率，且所述出光区域的折射率低于所述第二被动区域的折射率，且所述出光区域的一部分的一宽度是沿着所述方向而连续性增加，其中所述第一被动区域与所述出光区域之间具有一第一边界，且所述出光区域与所述第二被动区域之间具有一第二边界，所述宽度是通过所述第一边界及所述第二边界之间的一距离来定义；
一第二型波导层，设于所述有源层上；
一第二型披覆层，设于所述第二型波导层上；及
一封盖层，设于所述第二型披覆层上。
2.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于：所述第一型披覆层是一n型披覆层；所述第一型波导层是一n型波导层；所述第二型波导层是一p型波导层；及所述第二型披覆层是一p型披覆层。
3.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于：所述第一型披覆层是一p型披覆层；所述第一型波导层是一p型波导层；所述第二型波导层是一n型波导层；及所述第二型披覆层是一n型披覆层。
4.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于：所述出光区域的另一部分的一宽度是沿着所述方向而保持一定值。
5.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于：所述第一边界是一直线型或一拋物线型。
6.如权利要求5所述的半导体激光装置，其特征在于：所述第二边界是一直线型或一拋物线型。
7.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于：所述发光部包括一第一被动发光区域、一发光区域与一第二被动发光区域，所述发光区域设于所述第一被动发光区域与所述第二被动发光区域之间，其中所述发光区域的折射率高于所述第一被动发光区域的折射率，且所述发光区域的折射率高于所述第二被动发光区域的折射率。
8.如权利要求7所述的半导体激光装置，其特征在于：所述第一被动发光区域与所述第一被动区域之间具有一第一交界，且所述第一被动区域与所述出光区域之间具有一第一边界，所述第一交界与所述第一边界之间夹有一第一角度，其中所述第一角度的范围是介于0.1度至89.9度之间。
9.如权利要求8所述的半导体激光装置，其特征在于：所述第二被动发光区域与所述第二被动区域之间具有一第二交界，且所述第二被动区域与所述出光区域之间具有一第二边界，所述第二交界与所述第二边界之间夹有一第二角度，其中所述第二角度的范围是介于0.1度至89.9度之间。
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