CN117810806A - 半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本文描述的一些实施方式提供了一种边模抑制比(SMSR)产率优异的半导体激光器。半导体激光器包括：衬底；台面结构，其形成在所述衬底上以包括衍射光栅层和有源层，所述衍射光栅层包括相移部分；窗口结构，其布置在所述台面结构的在所述台面结构的纵向方向上的两端和所述半导体激光器的两个刻面之间；以及形成在所述两个刻面上的低反射刻面涂膜，并且所述窗口结构的有效折射率低于所述有源层的有效折射率。

Description

半导体激光器

技术领域

本公开总体上涉及一种半导体激光器。

背景技术

半导体激光器广泛用作光通信中使用的光源。分布反馈半导体激光器(DFB激光器)是一种类型的半导体激光器。DFB激光器包括衍射光栅。此外，可以使用窗口结构来抑制由刻面反射的返回光。

发明内容

半导体激光器包括用于产生光的有源层。由有源层产生的光束的波长具有一定宽度。光栅被布置成使得具有特定波长的光强烈地振荡。此外，当在衍射光栅中采用相移结构时，光可以以单个波长振荡。在许多情况下，作为光通信的信号源，优选的是，特定波长与另一波长之间的强度比是较大的。该强度比被称为“边模抑制比(SMSR)”。SMSR受半导体激光器的刻面处的光反射的相位状态的影响。因此，当激光在刻面处反射时，在一些情况下，由于例如谐振器长度的变化而不能获得期望的SMSR。作为防止在刻面上反射的方法，存在其中在刻面上形成低反射刻面涂膜(下文中称为“AR膜”)的结构。然而，在一些情况下，由于例如AR膜的制造中的变化而在SMSR中产生缺陷，因此不能充分抑制刻面处的反射，从而导致半导体激光器的成本增加。

本文所述的一些实施方式提供了一种半导体激光器，其减少了刻面处的光反射。

在一些实施方式中，半导体激光器包括：衬底；台面结构，所述台面结构形成在所述衬底上以包括衍射光栅层和有源层，所述衍射光栅层包括相移部分；窗口结构，所述窗口结构布置所述台面结构的在所述台面结构的纵向方向上的两端和所述半导体激光器的两个刻面之间；以及形成在所述两个刻面上的低反射刻面涂膜，其中所述窗口结构的有效折射率低于所述有源层的有效折射率。

在一些实施方式中，提供了一种SMSR产率(yield)优异的半导体激光器。

附图说明

图1是用于说明根据本发明的第一实施例的半导体激光器的俯视图。

图2是用于示出图1的半导体激光器沿线II-II截取的示意性截面图。

图3是用于示出图1的半导体激光器沿线III-III截取的示意性截面图。

图4是用于说明根据本发明的第二实施例的半导体激光器的俯视图。

图5是用于说明图4的半导体激光器沿线V-V截取的示意性截面图。

图6是用于说明根据本发明的第三实施例的半导体激光器的俯视图。

图7是用于示出图6的半导体激光器沿线VII-VII截取的示意性截面图。

图8是用于示出图6的半导体激光器沿线VIII-VIII截取的示意性截面图。

图9是用于示出图6的半导体激光器沿线IX-IX截取的示意性截面图。

具体实施方式

下面参考附图具体详细描述一些实施方式。在附图中，相同的构件由相同的附图标记表示并且具有相同或等同的功能，并且为了简单起见，可以省略其重复描述。注意，下面参考的附图仅用于说明示例性实施方式，并且不一定按比例绘制。

图1是用于说明根据本发明的第一实施例的半导体激光器1的俯视图。图2示出了沿图1的线II-II截取的示意性截面图。图3示出了沿图1的线III-III截取的示意性截面图。半导体激光器1可以包括在其后表面上的第一电极2和在其前表面上的第二电极3。第一电极2和第二电极3可以是金属层。可以通过在第一电极2和第二电极3之间注入电流而从刻面发射光。在下文中，刻面(facet)指代半导体激光器1的在稍后描述的台面结构15的纵向方向上的表面(刻面在图1的左右方向上的表面上)。在第一示例性实施方式中，可以在两个刻面上形成低反射刻面涂膜4(下文中称为“AR膜4”)。在这种情况下，AR膜4可以是多层绝缘膜，其被设计成使得关于由半导体激光器1发射的光的波长的反射率变得小于1％。反射率可以仅仅是示例，并且在这种情况下，反射率为5％或更小的涂膜可以被称为“AR膜”。

半导体激光器1可以包括半导体层，其中第一导电类型的光限制层(SCH层)6、有源层7、第二导电类型的光限制层(SCH层)8、第二导电类型的包覆层9和第二导电类型的接触层10以所述的顺序形成在第一导电类型的衬底5上。此外，第二导电类型的包覆层9可以具有形成在其中的衍射光栅层11。可以在衬底5和第一导电类型的SCH层6之间形成缓冲层。缓冲层可以是由与衬底5的材料相同的材料形成的层，并且可以具有与衬底5的导电类型相同的导电类型，因此缓冲层可以与衬底5基本上是集成的。在此，当提及衬底时，缓冲层也可以包括在衬底的结构中。衬底5还可以用作第一导电类型的包覆层。半导体激光器1可以是DFB激光器。有源层7可以由例如多量子阱层形成。此外，多量子阱层可以是本征半导体或n型半导体。因此，第一导电类型可以是n型并且第二导电类型可以是p型，但是第一导电类型可以是p型并且第二导电类型可以是n型。此外，上述半导体层可以具有台面结构15。台面结构15的最低部分可以由衬底5的一部分形成。也就是说，台面结构15可以形成在衬底5上以包括衍射光栅层11和有源层7，衍射光栅层11包括相移部分13。掩埋层12可以在台面结构15的横向方向上形成在台面结构15的两侧上。台面结构15的两侧均可以由具有半绝缘特性的掩埋层12覆盖。掩埋层12可以是由p型和n型半导体层形成的堆叠。

衍射光栅层11可以布置在台面结构15的纵向方向上。衍射光栅层11的衍射光栅周期可以是恒定的。然而，当在台面结构15的纵向方向上看时，衍射光栅层11可以包括在其基本上中心部分处的相移部分13。在这种情况下，相移部分13可以是λ/4相移部分。相移部分13的位置和偏移量仅仅是示例。

半导体激光器1可以在前表面上具有绝缘膜14。除了台面结构15的上表面附近之外，绝缘膜14可以覆盖半导体激光器1的前表面。第二电极3可以在台面结构15上方的区域中与第二导电类型的接触层10电接触和物理接触，绝缘膜14未布置在所述区域上。

半导体激光器1可以包括窗口结构20，所述窗口结构20形成在台面结构15的端部和其上形成有AR膜4的刻面之间。窗口结构20可以布置在台面结构15沿纵向方向的两端和其上形成有AR膜4的两个刻面之间。窗口结构20可以是具有低于有源层7的有效折射率的有效折射率的半导体层。在这种情况下，窗口结构20可以是由与掩埋层12相同的材料形成的半绝缘半导体层。此外，例如，窗口结构20可以由与衬底5的材料相同的材料形成。窗口结构20可以具有与衬底5的极性不同的极性。例如，衬底5可以是导电类型的，而窗口结构20也可以具有半绝缘特性。窗口结构20可以由与掩埋层12的材料不同的材料形成。台面结构15侧上的窗口结构20的侧部可以与衬底5、第一导电类型的SCH层6、有源层7、第二导电类型的SCH层8、第二导电类型的包覆层9和第二导电类型的接触层10的一部分接触。在这种情况下，窗口结构20的高度(从第二导电类型的接触层10的上表面到衬底5的距离)基本上匹配掩埋层12的高度(从衬底5的上表面到掩埋层12的上表面的距离)。当窗口结构20的高度和掩埋层12的高度可以被设置为相同时，窗口结构20和掩埋层12可以在同一步骤中形成，结果是制造变得更容易。此外，窗口结构20的底部可以与衬底5接触。

即使当AR膜4形成在刻面上时，一些激光也可以被刻面反射。已经反射并返回到有源层7的光可能导致SMSR产率的降低。因此，半导体激光器1可以在两个刻面处包括窗口结构20。窗口结构20的有效折射率可以低于台面结构15的有效折射率，因此通过台面结构15发射的光在窗口结构20中扩散。由于AR膜4，大部分扩散光可以被发射到外部而不被刻面反射。然而，一些光束可以被刻面反射并返回到窗口结构20侧。具体地，光可以通过窗口结构20传播，从而能够抑制返回到有源层7的反射光。由此，可以抑制SMSR产率的降低。此外，在第一示例性实施方式中，窗口结构20和AR膜4可以布置在两个刻面上，因此返回到有源层7的光显著减少。

图4是用于说明根据本发明的第二实施例的半导体激光器201的俯视图。图5示出了沿图4的线V-V截取的示意性截面图。第二示例性实施方式可与第一示例性实施方式的不同之处在于，光放大器部分203可以在激光器部分202的纵向方向上布置在激光器部分202的一侧上。

半导体激光器201可以是半导体光放大器集成激光器，激光器部分202和光放大器部分203可以集成到半导体光放大器集成激光器中。激光器部分202的多层结构可以与第一示例性实施方式的半导体激光器1的多层结构相同。除了光放大器部分203不包括衍射光栅层11之外，光放大器部分203可以具有与激光器部分202相同的多层结构。此外，台面结构215在光放大器部分203中的宽度可以大于台面结构215在激光器部分202中的宽度。具体地，台面结构215的宽度可以不是恒定的，并且可以随着距激光器部分202的距离增加而变大，并且朝向与激光器部分202相对的一侧上的刻面变小。此外，第一电极2和第二电极3中的每一个在激光器部分202和光放大器部分203上方延伸，以用作激光器部分202和光放大器部分203两者的电极。因此，在该结构中，可以将相同的电流注入激光器部分202和光放大器部分203。窗口结构20和AR膜4可以形成在半导体激光器1的两个刻面上。

光放大器部分203放大由激光器部分202振荡的光。台面结构215的宽度可以增加，以便增加放大因子。然而，当台面结构215的宽度增加时，发射光的远场图案(FFP)可能改变，这可能降低与外部布置的透镜的光耦合比。因此，台面结构215的宽度可以朝向刻面减小。在这种情况下，台面结构215在台面结构215和窗口结构20彼此接触的部分处的宽度与台面结构215在激光器部分202和光放大器部分203彼此接触的部分处的宽度可以相同。然而，宽度不限于该示例。

光学放大器部分203还放大已经反射并返回到有源层7的光。因此，当没有布置窗口结构20时，已经反射并返回到有源层7的光的影响很大，因此SMSR产率降低。在第二示例性实施方式中，由于窗口结构20，反射光易于进入有源层7，从而能够抑制SMSR产率的降低。

图6是用于说明根据本发明的第三实施例的半导体激光器301的俯视图。图7示出了沿图6的线VII-VII截取的示意性截面图。图8示出了沿图6的线VIII-VIII截取的示意性截面图。图9示出了沿图6的线IX-IX截取的示意性截面图。

半导体激光器301可以是半导体光放大器集成激光器，激光器部分302和光放大器部分303可以集成到半导体光放大器集成激光器中。半导体激光器301可以具有与第二示例性实施方式的半导体激光器201相同的结构，除了光放大器部分303中的台面结构315的宽度可以是恒定的，并且半导体激光器301可以包括高折射率层330和第一导电类型的包覆层340。

高折射率层330可以布置在台面结构315和掩埋层12下方。高折射率层330延伸到两个刻面。如图7所示，窗口结构20可以布置成避开高折射率层330。换句话说，窗口结构20的底部可以布置在高折射率层330上方。高折射率层330可以是具有比衬底5和窗口结构20的有效折射率更高的有效折射率的半导体层。第一导电类型的包覆层340可以布置在高折射率层330和第一导电类型的SCH层6之间。第一导电类型的包覆层340可以是由与衬底5的材料相同的材料形成的层，并且可以具有与衬底5的导电类型相同的导电类型，但是配置不限于此。台面结构315的最低部分可以由第一导电类型的包覆层340的一部分形成。

此外，衍射光栅层115可以不与高折射率层330接触。衍射光栅层11可以与高折射率层330分开形成，因此可以在设计上具有高自由度。可以优选的是，高折射率层330的宽度大于台面结构315的宽度。可能仅要求高折射率层330与每个掩埋层12的至少一部分重叠，并且不要求高折射率层330与整个掩埋层12重叠。

高折射率层330可以具有使光主要通过有源层7朝向衬底5侧扩散的效果。如上所述，通过有源层7(台面结构315)发射的光可以在窗口结构20中扩散。在扩散光中，朝向绝缘膜14侧引导的光可以被例如绝缘膜14或第二电极3反射。反射光束变成散射光，其干扰半导体激光器301的发射光的FFP的形状。FFP的形状的干扰导致相对于外部光学部件8(例如，透镜)的耦合效率的降低。在第三示例性实施方式中，高折射率层330可以布置在窗口结构20下方。高折射率层330可以具有比窗口结构20更高的有效折射率。因此，可以使光更靠近高折射率层330侧。作为结果，可以减少在上部处(例如在绝缘膜14处)的光反射，从而能够抑制FFP形状的干扰。在这种情况下，高折射率层330延伸到刻面。因此，在高折射率层330附近引导的光可以被刻面反射，然后返回到高折射率层330。在这种情况下，有源层7和衍射光栅层11可以是用于确定SMSR的主要因素，因此可能已经被刻面反射并返回到高折射率层330的光对SMSR产率几乎没有影响。因此，同样在第三示例性实施方式中，可以抑制SMSR产率的降低。高折射率层330可以与第一示例性实施方式的半导体激光器1组合。

由于高折射率层330具有高折射率，因此可以扩展光分布。这样，可以增加高阶横向模截止宽度(下文中称为“截止宽度”)，可以增加近场图案(NFP)的面积，并且可以减小FFP的扩展角，从而改善输出特性和可靠性。具体地，与未设置高折射率层330的第二示例性实施方式相比，在设置了高折射率层330的第三示例性实施方式中，在集中收集光束的区域的两侧上的区域中的折射率增加。作为结果，在密集地收集光的区域和其两侧的区域之间的折射率差减小。当折射率差减小时，截止宽度增加。当截止宽度增加时，可以增加台面宽度而不在横向方向上产生高阶模式，从而能够降低多量子阱层中的电流密度。结果，可靠性增加，并且可以注入更多的电流，从而能够实现高输出和高可靠性。

根据一些示例性实施方式，在其中AR膜可以形成在两个刻面上并且可以包括具有相移部分的衍射光栅层的半导体激光器中，可以抑制SMSR产率的降低。通过在两个刻面上提供窗口结构来实现对SMSR产率降低的抑制。虽然AR膜具有抗反射效果，但是一些光被刻面反射并返回到有源层。返回到有源层的光导致SMSR产率的降低。通过在两个刻面上布置窗口结构，抑制了从两个刻面返回到有源层的光，从而减少了SMSR产率的降低。窗口结构具有比有源层更高的有效折射率。半导体激光器可以是集成有激光器部分和光放大器部分的集成半导体激光器。此外，具有比窗口结构的有效折射率更高的有效折射率的高折射率层可以布置在窗口结构下方。

虽然已经描述了目前被认为是本发明的某些实施例的内容，但是应当理解，可以对其进行各种修改，并且所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神和范围内的所有这些修改。

前述公开内容提供了说明和描述，但并不旨在穷举或将实施方式限制于所公开的精确形式。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。此外，除非前述公开明确地提供了一个或多个实施方式不可组合的原因，否则可以组合本文描述的任何实施方式。

即使在权利要求中叙述和/或在说明书中公开了特征的特定组合，但是这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开内容。事实上，这些特征中的许多可以以权利要求书中未具体叙述和/或说明书中未公开的方式组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可以直接从属于仅一个权利要求，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集中的每个其他权利要求的组合。如本文所使用的，提及项目列表中的“至少一个”的短语是指这些项目的任何组合，包括单个成员。作为示例，“a、b或c中的至少一个”旨在涵盖a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c，以及与多个相同项目的任何组合。

除非明确描述如此，否则本文使用的元件、动作或指令不应被解释为关键或必要的。此外，如本文所使用的，冠词“一”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，如本文所使用的，冠词“该”旨在包括结合冠词“该”引用的一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所使用的，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、或者相关和不相关项目的组合)。在仅意图一个项目的情况下，使用短语“仅一个”或类似语言。此外，如本文所使用的，术语“有”、“具有”、“带有”等旨在是开放式术语。此外，除非另有明确说明，否则短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”。此外，如本文所使用的，术语“或”在串联使用时旨在是包含性的，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“中的仅一个”组合使用)。此外，为了便于描述，本文可以使用空间相对术语，例如“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，以描述如图所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。除了图中描绘的取向之外，空间相对术语旨在涵盖使用或操作中的装置、设备和/或元件的不同取向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或以其他取向)，并且本文使用的空间相对描述符同样可以相应地解释。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求享有于2022年9月30日提交的日本专利申请2022-158314和于2023年1月16日提交的日本专利申请2023-004481的优先权，其内容通过引用并入本申请。

Claims (10)

1.一种半导体激光器，包括：

衬底；

台面结构，所述台面结构形成在所述衬底上以包括衍射光栅层和有源层，所述衍射光栅层包括相移部分；

窗口结构，所述窗口结构布置在所述台面结构的在所述台面结构的纵向方向上的两端和所述半导体激光器的两个刻面之间；以及

形成在所述两个刻面上的低反射刻面涂膜，

其中，所述窗口结构的有效折射率低于所述有源层的有效折射率。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，还包括掩埋层，所述掩埋层在所述台面结构的横向方向上形成在所述台面结构的两侧上。

3.根据权利要求2所述的半导体激光器，其中，所述窗口结构由与所述掩埋层的材料相同的材料形成。

4.根据权利要求3所述的半导体激光器，其中，所述窗口结构和所述掩埋层具有相同的深度。

5.根据权利要求1所述的半导体激光器，还包括：

激光器部分，所述激光器部分包括所述衍射光栅层；以及

光放大器部分，所述光放大器部分在所述纵向方向上布置在所述激光器部分的一侧上。

6.根据权利要求5所述的半导体激光器，其中，所述台面结构在所述光放大器部分中的宽度大于所述台面结构在所述激光器部分中的宽度。

7.根据权利要求1所述的半导体激光器，

其中所述台面结构的最低部分由所述衬底的一部分形成，并且

其中所述窗口结构的底部部分与所述衬底接触。

8.根据权利要求1所述的半导体激光器，还包括高折射率层，所述高折射率层布置在所述衬底的关于所述台面结构和所述窗口结构的一侧上，并且具有比所述窗口结构的有效折射率更高的有效折射率。

9.根据权利要求8所述的半导体激光器，其中，所述高折射率层的宽度大于所述台面结构的宽度。

10.根据权利要求8所述的半导体激光器，其中，所述窗口结构被布置成避开所述高折射率层。