CN113258431A

CN113258431A - 半导体光放大器集成激光器

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Publication number: CN113258431A
Application number: CN202110109050.3A
Authority: CN
Inventors: 中村厚; 冈本薰; 荒泽正敏; 西田哲也; 佐久间康; 浜田重刚; 中岛良介
Original assignee: Langmeitong Japan Co ltd
Current assignee: Langmeitong Japan Co ltd
Priority date: 2020-01-28
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2021-08-13
Anticipated expiration: 2041-01-27
Also published as: JP7458885B2; JP2021118345A; CN113258431B

Abstract

一种半导体光放大器集成激光器，包括振荡具有包括在增益带中的波长的激光的半导体激光振荡器部分和放大从半导体激光振荡器部分输出的激光的半导体光放大器部分。半导体激光振荡器部分和半导体光放大器部分具有一个共用的p‑i‑n结构，该共用的p‑i‑n结构包括活性层、与活性层分开设置的包覆层、以及形成在包覆层中的共用功能层，并且所述共用功能层包括在半导体激光振荡器部分中反射具有在增益带内的波长的光的第一部分和在半导体光放大器部分中透射具有在增益带内的波长的光的第二部分。

Description

半导体光放大器集成激光器

技术领域

本公开涉及半导体光放大器集成激光器。

背景技术

半导体光放大器集成激光器是其中集成地形成有半导体激光器和半导体光放大器的半导体器件。半导体光放大器集成激光器尺寸小、功率低，可以在1.3μm和1.55μm的任何波段中工作，并且可以执行诸如波长转换的非线性操作，因此，半导体光放大器集成激光器近年来一直受到关注。

光发射器模块可以降低噪声，并且可以包括设置有第一电极的第一半导体层、在第一半导体层上以条形形成的活性层、以及在活性层上的第二半导体层，第二半导体层包括以条形形成的光栅，其设置有第二电极并且沿着活性层的延伸方向设置，其中，活性层包括从一个端面以第一条形宽度延伸的第一部分、从所述一个端面的相对侧以小于第一条形宽度的第二条形宽度延伸的第二部分、以及连接第一部分和第二部分的连接部分，并且光栅在平面图中与第一部分重叠并且不与第二部分重叠。

发明内容

集成到半导体激光器或集成调制器的半导体激光器中的半导体光放大器已经引起了人们的注意，要求改善半导体光放大器的特性。具体地，需要相对于半导体光放大器的注入电流增加光输出增加量(光放大器的输入和输出差)。

为了有效地放大半导体激光器的激光，优选半导体光放大器的增益带(增益谱的波长范围)和半导体激光器的增益带彼此接近。此外，考虑到晶片工艺的简单性和晶片工艺成本，期望半导体光放大器和半导体激光器具有相同的活性层。

当半导体光放大器被集成到能够获得单波长输出的分布式反馈激光二极管(DFB-LD)中时，仅在DFB-LD部分中产生光栅，而在光放大器部分中不形成光栅。这是因为在半导体光放大器部分中光栅的形成导致从半导体光放大器部分到DFB-LD部分的返回光，这使得DFB-LD的振荡不稳定。

浮动型结构被称为光栅结构，其在制造期间具有良好的结构可控性。浮动型光栅结构例如是p型包覆层，其中光栅由与包覆层不同的材料形成。由于构成光栅的层可以在多层生长期间控制膜厚度，所以光栅层厚度的可控性高，并且浮动型光栅结构广泛应用于DFB-LD部分的光栅结构。

例如，为了使DFB-LD部分和半导体光放大器部分具有共用的活性层部分，这些部分通过一次多层生长同时形成。此时，从已经在多层中生长的半导体层的可靠性的角度来看，优选在一次多层生长之后生长到形成光栅的光栅层。光栅层仅在DFB-LB部分被蚀刻，以具有对应于期望的振荡波长的周期，从而形成光栅结构。另一方面，在半导体光放大器部分中，通过蚀刻完全去除光栅层。

然而，半导体光放大器被集成到具有浮动光栅的DFB-LD部分中的结构可能具有以下问题。

第一个问题可能是光栅层的存在或不存在使得掺杂分布不同。由于上包覆层中的浮动型光栅层通常抑制掺杂剂的扩散，掺杂剂的扩散分布受到浮动型光栅层的存在与否的影响。掺杂分布是激光特性和增益特性(例如，光输出强度、阈值电流等)的最重要参数之一。不同的掺杂分布意味着DFB-LD部分和半导体光放大器部分的掺杂分布不能同时优化。当上包覆层是p型时，这就成为一个更严重的问题。

第二个问题可能是光栅层的存在或不存在使得相同电压下活性层的电流密度不同。在半导体光放大器集成激光器中，可以通过单个电极将电流注入DFB-LD部分和半导体光放大器部分。当用单电极驱动DFB-LD部分和半导体光放大器部分时，浮动型光栅层用作电流注入阻挡层，因此，对于相同的电压，由于光栅层的存在或不存在，活性层的电流密度变得不同。电流密度是决定半导体光放大器集成激光器可靠性的一个非常重要的参数，电流密度的不均匀性对可靠性有不利影响。

根据一些可能的实施方式，半导体光放大器集成激光器可以包括：半导体激光振荡器部分，其振荡具有包括在增益带中的波长的激光；以及半导体光放大器部分，其放大从半导体激光振荡器部分输出的激光，其中，半导体激光振荡器部分和半导体光放大器部分具有一个共用p-i-n结构，该共用p-i-n结构包括活性层、与活性层分开设置的包覆层以及形成在包覆层中的共用功能层，并且，所述共用功能层包括在半导体激光振荡器部分中反射具有增益带内波长的光的第一部分和在半导体光放大器部分中透射具有增益带内波长的光的第二部分。

根据一些可能的实施方式，半导体光放大器集成激光器可以包括具有第一导电类型的衬底；形成在衬底的第一表面上的活性层；形成在活性层上的第二导电类型包覆层；共用功能层，其形成在包覆层中并与活性层分离；设置在与第一表面相背的第二表面上的第一导电类型电极；以及设置在所述包覆层上的第二导电类型电极，其中，所述半导体光放大器集成激光器包括第一范围和光学连接到所述第一范围的第二范围，并且，所述共用功能层包括在所述第一范围中反射具有在所述活性层的增益带内的特定波长的光的第一部分，以及在所述第二范围中透射具有在所述活性层的增益带内的特定波长的光的第二部分。

附图说明

图1是根据第一示例的半导体光放大器集成激光器的平面图的示例。

图2是沿着图1的半导体光放大器集成激光器的线A-A’截取的示意性截面图。

图3是沿着图1的半导体光放大器集成激光器的线B-B’截取的示意性截面图。

图4是沿着图1的半导体光放大器集成激光器的线C-C’截取的示意性截面图。

图5是根据变型的半导体光放大器集成激光器的平面图的示例。

图6是根据第二示例的半导体光放大器集成激光器的平面图的示例。

图7是图6的半导体光放大器集成激光器的半导体光放大器部分的放大平面图。

图8是集成了调制器的半导体光放大器集成激光器的平面图的示例。

具体实施方式

图1示出了半导体光放大器集成激光器的平面图。图2示出了沿着图1的线A-A’截取的示意性剖视图。图3示出了沿着图1中的线B-B’截取的示意性剖视图，图4示出了沿着图1中的线C-C’截取的示意性剖视图。

参考图1，半导体光放大器集成激光器100包括使具有预定波长的光振荡的半导体激光振荡器部分20，以及放大激光振荡光的半导体光放大器部分10。在本实施方式中，半导体激光振荡器部分20是DFB激光二极管(DFB-LD)。

半导体激光振荡器部分20和半导体光放大器部分10具有一个共用的p-i-n结构。“一个共用的p-i-n结构(one common p-i-n structure)”是指由相同材料制成并通过相同工艺形成的p-i-n结构。由于半导体激光振荡器部分20和半导体光放大器部分10具有一个共用的结构，所以半导体激光振荡器部分20的增益带和半导体光放大器部分10的增益带基本相同。在此，“增益带(gain band)”表示增益光谱的波长范围。半导体光放大器集成激光器100还包括设置在激光发射表面上的低反射端面涂膜11和在与激光发射表面相反的表面上的高反射端面涂膜12。在本实施方式中，半导体激光振荡器部分20的振荡波长是1.3μm带，但是振荡波长可以是1.55μm带。

如图3和图4所示，半导体光放大器集成激光器100包括台面单元1和嵌在台面单元1两侧的掩埋层27。半导体光放大器集成激光器100还包括覆盖掩埋层27的一部分的绝缘膜26，以及覆盖台面单元1和绝缘膜26的一部分的电极13。限定台面单元1的实线代表台面单元1的轮廓。

参考图2，半导体光放大器集成激光器100具有第一导电类型衬底21和设置在第一导电类型衬底21上的p-i-n结构。在本实施方式中，p-i-n结构包括第一导电类型SCH层22、活性层23、第二导电类型SCH层24和第二导电类型包覆层25，但是本公开不限于此。在该实施方式中，第一导电类型是n型，第二导电类型是p型，第一导电类型衬底21是n-InP。第一导电类型SCH层22是n-InGaAsP，活性层23是由InGaAsP或InGaAlAs制成的多量子阱，第二导电类型SCH层24是p-InGaAsP，第二导电类型包覆层25是p-InP。此外，第二导电类型掺杂剂是锌。此外，活性层23中的InGaAsP或InGaAlAs的组分被调整为以1.3μm发射光，但是当以另一波长发射时，其被调整为以该波长发射。

半导体光放大器集成激光器100还包括设置在第一导电类型衬底21的下表面的第一导电类型电极14和设置在p-i-n结构上的第二导电类型电极13。电极13和14用于将来自外部电源(未示出)的电流注入半导体光放大器集成激光器100(半导体激光振荡器部分20和半导体光放大器部分10)。每个电极13和14由一个构件组成。也就是说，半导体光放大器部分10和半导体激光振荡器部分20由共用电极激励。尽管在本实施方式中衬底21和SCH层22是n型的，且SCH层24和包覆层25是p型的，但是p型和n型可以相反。

半导体光放大器集成激光器100还包括在p-i-n结构的p型包覆层25中的一个共用功能层2。功能层2与p-i-n结构的活性层23分离。功能层2由第一部分4和第二部分3构成。功能层2具有与p型包覆层25不同的成分。这里，功能层2由InGaAsP构成。如下所述，功能层2包括成膜区域和非成膜区域，成膜区域是InGaAsP，非成膜区域是与p型包覆层25相同的p-InP。

如图1和2所示，第一部分4和第二部分3包括开口。换句话说，第一部分4和第二部分3在平面图中包括形成层的第一区域(以下称为“成膜区域”)和不形成层的第二区域(以下称为“非成膜区域”)。在第一部分4中，成膜区域和非成膜区域被周期性地设置，以反射具有p-i-n结构的增益带内的特定波长的光(第一光栅结构)。利用这一光栅结构，半导体激光振荡器部分20使得具有单一振荡波长(DFB波长)的激光振荡。通常，提供在增益带的峰值附近的波长处振荡的光栅结构。在本实施方式中，第一部分4是浮动型光栅，其具有200纳米的光栅周期以在1.3μm处进行振荡，并且具有50％的占空比。即，在第一部分4的平面图中，成膜区域与非成膜区域的面积比为1∶1。

另一方面，第二部分3设置有开口，以便不反射具有p-i-n结构的增益带内的波长的光(即，透射增益带内的光)。即，在第二部分3中，成膜区域和非成膜区域被设置成不反射(即，透射)具有p-i-n结构的增益带内的波长的光(第二光栅结构)。在第一部分4和第二部分3中，优选地是，成膜区域的面积与非成膜区域的面积之比(开孔率)基本相同。也就是说，在功能层2的平面图中，优选第一部分4中的成膜区域的总面积与非成膜区域的总面积的比率，与第二部分3中的成膜区域的总面积与非成膜区域的总面积的比率基本相同。在本实施方式中，在功能层2的平面图中，第一部分4中的成膜区域的总面积与非成膜区域的总面积的比率与第二部分3中的成膜区域的总面积与非成膜区域的总面积的比率之间的差异在10％以内。尽管为了方便起见，第二部分3的结构在这里被称为光栅，但是如上所述，它不反射具有增益带内的波长的光。

在本实施方式中，第二部分3周期性地包括成膜区域和非成膜区域，但是其被配置为不反射具有半导体光放大器集成激光器100的p-i-n结构的增益带内的波长的光。此外，第二部分3具有成膜区域和非成膜区域以相同周期交替布置的结构(光栅结构)，但是第二部分3的成膜区域和非成膜区域可以不以相同周期形成(见图5)。如果第二部分3具有成膜区域和非成膜区域以相同周期交替布置的结构，考虑到形成活性层23的InGaAsP或InGaAlAs的增益光谱的波长范围，第一部分4的占空比可以是第二部分3的占空比的1.1倍以上、或者0.9倍以下。

在包括用作光栅的第一部分4的半导体激光振荡器部分20的内部可以是：例如，在整个DFB-LD上形成相同周期的光栅的均匀光栅型DFB-LD，在光栅中间引入光栅相位π的相移的λ/4移位DFB-LD，通过稍微改变光栅周期来实现等于λ/4的相移的波纹间距调制(CPM)-DFB-LD，通过多个相移来实现λ/4的相移的多相移DFB-LD，等等。

当第二部分3具有周期性时，可能需要不反射DFB波长的光的周期。此外，为了抑制非预期波长的DFB模式振荡，第二部分3优选具有周期和衍射结构，其在活性层23具有增益的整个波长带上不产生反射。

参考图4，台面单元1包括第一导电类型衬底21和设置在第一导电类型衬底21上的p-i-n结构。在本实施方式中，p-i-n结构包括第一导电类型SCH层22、活性层23、第二导电类型SCH层24和第二导电类型包覆层25，但是本公开不限于此。台面单元1还包括形成在p-i-n结构的第二导电类型半导体层中的第一部分4。第一部分4用作反射活性层23的振荡波长的光的光栅。

参考图3，台面单元1包括第一导电类型衬底21和设置在第一导电类型衬底21上的p-i-n结构。在本实施方式中，p-i-n结构包括第一导电类型SCH层22、活性层23、第二导电类型SCH层24和第二导电类型包覆层25，但是本公开不限于此。台面单元1还包括形成在p-i-n结构的p型半导体层中的第二部分3。第二部分3不反射(透射)具有在活性层23的增益带内的波长的光。

图5示出了根据一种变型的半导体光放大器集成激光器的平面图的示例。图5所示的变型与图1至4所示的实施方式相同，除了第二部分3。更具体地说，在图5中，第二部分3没有形成成膜区域和非成膜区域以同一周期交替布置的结构。也就是说，第二部分3中的成膜区域和非成膜区域不是周期性设置。此外，在该变型中，成膜区域和非成膜区域的面积可以不均匀。然而，在平面图中，第二部分3的开孔率和第一部分4的开孔率之间的差异在10％以内。

如上所述，除了功能层2之外，半导体光放大器部分10和半导体激光振荡器部分20具有一个共用的结构。因此，半导体光放大器部分10和半导体激光振荡器部分20具有基本相同的增益带。此外，由于电极13和14各自由一个构件制成，所以相同的电压被施加到半导体光放大器部分10和半导体激光振荡器部分20。通过向半导体光放大器部分10和半导体激光振荡器部分20施加电压，载流子被注入到半导体光放大器部分10和半导体激光振荡器部分20中。在载流子注入之后，半导体光放大器部分10和半导体激光振荡器部分20引起辐射复合。

本申请的半导体光放大器集成激光器包括在半导体激光振荡器部分20中用作光栅层的第一部分4，以及在半导体光放大器部分10中的第二部分3。由于第一部分4对于增益带内的特定波长具有高反射率，所以半导体激光振荡器部分20振荡单波长的光。另一方面，第二部分3不反射具有增益带内的波长的光(不引起布拉格反射)，因此不返回具有包括DFB光在内的增益带内波长的光。因此，半导体光放大器部分10放大从半导体激光振荡器部分20输出的激光(DFB光)。

由于第一部分4和第二部分3的开孔率基本相同，所以在制造误差的范围内，半导体激光振荡器部分和半导体光放大器部分中的第二导电类型掺杂剂的扩散分布基本相同。因此，对于半导体激光振荡器部分20和半导体光放大器部分10，可以同时优化第二导电类型掺杂剂的扩散分布。结果，实现了本申请的半导体光放大器集成激光器的特性的改善。

此外，由于第一部分4和第二部分3的开孔率基本相同，所以在制造误差的范围内，注入到半导体激光振荡器部分20和半导体光放大器部分10中的每一个的活性层23中的电流密度基本相同。因此，与半导体光放大器部分10不包括第二部分的半导体光放大器集成激光器相比，可以减小半导体激光振荡器部分20和半导体光放大器部分10之间的电流密度差。结果，与半导体光放大器部分10不包括第二部分的传统半导体光放大器集成激光器相比，本申请的半导体光放大器集成激光器的操作可靠性得到提高。

图6是根据第二实施方式的半导体光放大器集成激光器的平面图。图7是图6的半导体光放大器集成激光器的半导体光放大器部分的放大平面图。除了台面单元1’的宽度改变之外，图6所示的半导体光放大器集成激光器与图1的半导体光放大器集成激光器相同。如在图1至图5所示的实施方式中，限定台面1’的实线代表台面1’的轮廓，并且共用p-i-n结构形成在台面1’下方。

在第一区域中，台面单元1’包括与第二区域20接触的近端和与低反射端面涂膜11接触的远端。如图7所示，远端台面条形宽度W2比近端台面条形宽度W1窄。如图所示，台面单元1’的台面条形宽度在第一区域中从近端到远端逐渐变窄。因此，台面单元1’具有光斑尺寸转换器(SSC)的功能。

通过使台面单元1’的远端的宽度比近端的宽度窄，分布在活性层周围的光子分布变得相对宽，并且远场图案(FFP)可以变窄。在本实施方式中，在半导体光放大器集成激光器的平面图中，远端宽度是近端宽度的0.8倍以下。相反，远端的宽度可能比近端的宽度更宽。例如，在半导体光放大器集成激光器的平面图中，远端的宽度是近端宽度的1.2倍以上。

图8示出了集成调制器的半导体光放大器集成激光器的一个示例的平面图。除了设置半导体调制器部分30之外，图8所示的半导体光放大器集成激光器与图1的半导体光放大器集成激光器相同。半导体光放大器集成激光器包括振荡具有预定波长的光的半导体激光振荡器部分20、放大激光振荡光的半导体光放大器部分10和调制放大的激光的半导体调制器部分30。半导体调制器部分30包括电极40。半导体调制器部分30通过向电极40施加电压(调制信号)来调制从半导体光放大器部分10输出的光，并且调制的光从其上形成低反射端面涂膜11的发射表面输出。半导体调制器部分30可以是电吸收调制器或MZ调制器。

前述公开内容提供了说明和描述，但不旨在穷举或将实施方式限制于所公开的确切形式。可以根据上述公开内容进行修改和变化，或者可以从实施方式的实践中获得修改和变化。

即使特征的特定组合在权利要求中被引用和/或在说明书中被公开，但这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开。事实上，这些特征中的许多可以以权利要求中没有具体叙述和/或说明书中没有公开的方式进行组合。尽管列出的每个从属权利要求可以直接依赖于仅一个权利要求，但是各种实施方式的公开包括每个从属权利要求与权利要求书中的每个其他权利要求的组合。

除非明确说明，否则这里使用的元件、动作或指令不应被解释为关键或必要的。此外，如本文所用，冠词“一”和“一个”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所用，冠词“该”旨在包括与冠词“该”相关联的一个或多个项目，并且可以与“该一个或多个”互换使用。此外，如本文所用，术语“集合”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目、相关和不相关项目的组合等)，并且可以与“一个或多个”互换使用。当只打算使用一个项目时，使用短语“仅一个”或类似的语言。此外，如本文所用，术语“具有”、“包括”、“由…组成”等意在是开放式术语。此外，短语“基于”旨在表示“至少部分基于”，除非另有明确说明。此外，如本文所用，术语“或”在串联使用时旨在包括性的，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“任一”或“仅其中之一”结合使用)。

Claims

1.一种半导体光放大器集成激光器，包括：

半导体激光振荡器部分，其振荡具有包括在增益带中的波长的激光；和

半导体光放大器部分，其放大从半导体激光振荡器部分输出的激光，其中，

所述半导体激光振荡器部分和所述半导体光放大器部分具有一个共用的p-i-n结构，

所述共用的p-i-n结构包括活性层、与活性层分开设置的包覆层、以及形成在所述包覆层中的共用功能层，并且

所述共用功能层包括在半导体激光振荡器部分中反射具有在增益带内波长的光的第一部分和在半导体光放大器部分中透射具有在增益带内波长的光的第二部分。

2.根据权利要求1所述的半导体光放大器集成激光器，其中，

所述共用功能层还包括形成层的第一区域和不形成层的第二区域，并且，

在所述共用功能层的平面图中，第一部分中的第一区域的面积与第二区域的面积之比与第二部分中的第一区域的面积与第二区域的面积之比的差异在10％以内。

3.根据权利要求1所述的半导体光放大器集成激光器，其中，

所述第一部分具有第一光栅结构，其反射具有在增益带内的波长的光，并且

所述第二部分具有第二光栅结构，其透射具有在增益带内的波长的光。

4.根据权利要求3所述的半导体光放大器集成激光器，其中，所述第二光栅结构的周期是所述第一光栅结构的周期的1.1倍以上或0.9倍以下。

5.根据权利要求1所述的半导体光放大器集成激光器，其中，

所述共用的p-i-n结构由台面结构形成。

6.根据权利要求5所述的半导体光放大器集成激光器，还包括：

嵌在台面结构两侧的掩埋半导体层。

7.根据权利要求1所述的半导体光放大器集成激光器，其中，所述包覆层具有与所述共用功能层不同的组分。

8.根据权利要求1所述的半导体光放大器集成激光器，还包括：

用于将电流注入半导体激光振荡器部分和半导体光放大器部分的电极。

9.根据权利要求1所述的半导体光放大器集成激光器，其中，

所述半导体光放大器部分包括与半导体激光振荡器部分接触的近端和距离半导体激光振荡器部分最远的远端，并且，

在半导体光放大器集成激光器的平面图中，所述远端的宽度是所述近端的宽度的1.2倍以上或0.8倍以下。

10.根据权利要求1所述的半导体光放大器集成激光器，还包括：

调制器部分，其调制由半导体激光振荡器部分振荡的激光。

11.根据权利要求1所述的半导体光放大器集成激光器，其中，所述包覆层是p型的。

12.一种半导体光放大器集成激光器，包括：

衬底，其具有第一导电类型；

活性层，其形成在衬底的第一表面上；

第二导电类型的包覆层，其形成在活性层上；

共用功能层，其形成在包覆层中并与活性层分离；

第一导电类型电极，其设置在与第一表面相背的第二表面上；和

第二导电类型电极，其设置在包覆层上，

其中，所述半导体光放大器集成激光器包括第一范围和光学连接到所述第一范围的第二范围，并且，

所述共用功能层包括第一部分和第二部分，第一部分在第一范围中反射具有在活性层的增益带内的特定波长的光，第二部分在第二范围中透射具有在活性层的增益带内的特定波长的光。

13.根据权利要求12所述的半导体光放大器集成激光器，其中，

所述共用功能层包括形成层的第一区域和不形成层的第二区域，并且，

在所述共用功能层的平面图中，第一部分中的第一区域的面积与第二区域的面积之比和第二部分中的第一区域的面积与第二区域的面积之比的差异在10％以内。

14.根据权利要求12所述的半导体光放大器集成激光器，其中，

第一部分具有第一光栅结构，其反射具有在活性层的增益带内的特定波长的光，并且

第二部分具有第二光栅结构，其透射具有在活性层的增益带内的特定波长的光。