CN1220312C - 半导体激光模块和具有光反馈功能的半导体激光装置 - Google Patents

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Abstract

一半导体泵浦激光器模块用于辐射在暂态稳定性上具有优势的泵浦激光。此半导体泵浦激光器模块包括具有在GaAs衬底上形成的层结构的半导体激光装置，其中此层结构具有量子井结构的活性层，并由包含镓和砷的半导体材料构成，和一具有光反馈功能的部件。这两个组件是光学耦合的。此半导体激光装置的活性层中的井层是一厚度为10nm或更多的厚层。此活性层被掺入硅，在活性层下面的一n型覆盖层也被掺入硅。

Description

半导体激光模块和具有光反馈功能的半导体激光装置
相关的申请
本申请根据35 U.S.C.部分119条要求以下外国优先权，2001年2月6日提交的日本申请2001-29682，和2001年6月4日提交的日本申请2001-168644，这两篇文件将在以下作为引证。
发明领域
本发明涉及一种半导体激光模块和具有光反馈功能的半导体激光装置。特别的，本发明涉及一种可辐射波长范围为940nm至990nm的激光的半导体激光模块和具有光反馈功能的半导体激光装置，其光功率在所有时间稳定。
发明背景
一波分复用(WDM)通信方案作为传送多路光信号的光通信系统正在发展之中。此系统包括沿光路在预定位置安装的掺饵(Er)光纤放大器(EDFA)。每个EDFA都与一个泵浦激光模块相连，此泵浦激光模块具有一半导体激光装置作为泵浦光源。泵浦激光由激光模块直接进入EDFA以对信号光源传送来的信号光进行光学放大，从而将光放大后的信号光再向下行方面传送。
在这种情况下，合并在激光模块中的半导体激光装置被提供一注入电流，其电流值随信号光源的光功率波动而变化，以控制泵浦激光的光功率。
这样的策略对于辐射波长为1480nm范围的半导体激光装置是有效的，因为EDFA中可提供宽广的增益带宽。然而，上述策略不能应用于辐射波长为980nm波长范围的半导体激光装置，因为EDFA中在这个波长范围的增益带宽很窄。本发明正是为了寻找一种方法能够克服这种限制并能在EDFA应用中也能使用980nm的泵浦光。
发明的目的和概述
发明人建议一种激光模块，包括一个辐射在980nm波长范围内的光的半导体泵浦激光装置，其泵浦激光的波长是专用于窄的增益带宽的。发明人还建议对泵浦激光装置辐射的光，光学耦合一个具有预定反射带宽的光反馈元件，例如光纤布拉格光栅。此光反馈元件被置于半导体激光装置的辐射端面板(前面板)上或附近，并通过把一选择的波长范围的光返回耦合至一激光谐振腔而形成光反馈结构，从而限定了由激光模块辐射的泵浦激光的波长。然而，在这种结构中，发明人发现当现有技术中980nm的基于砷化镓的泵浦激光被置于所建议的结构中时，整个模块辐射的光关于时间是不稳定的。
因此，本发明的目的是提供一种半导体激光模块，包括一辐射波长在980nm波长范围内的基于砷化镓的激光装置，和一光反馈元件，它们彼此光耦合，以产生泵浦激光，此激光的波长在光反馈元件的反射带宽之中，并且是关于时间稳定的，还可抑制噪声的产生。特别的，本发明提供一种包括一半导体激光装置的激光模块，此半导体激光装置可辐射在具有光反馈功能的光反馈元件(例如光纤布拉格光栅)的反射带宽内的多种模式的激光，其中此激光模块可辐射泵浦激光，其光功率在特定的波长上是关于时间稳定的。
本发明的另一目的是提供一种本身具有光反射光能并辐射激光的半导体激光装置，其光功率在特定的波长上是关于时间稳定的。
为达到上述目的，本发明提供一种半导体激光模块，包括一半导体激光装置，其在砷化镓衬底上形成层状结构，其中此层状结构在量子井结构中具有一活性层，由至少包含镓和砷的半导体材料构成，和一个具有光反馈功能的器件，其中该半导体激光装置与该器件彼此光耦合，并且此活性层中的井层是厚层，特别的，其厚度为10nm或更厚，和/或比相邻的势垒层更厚。
本发明还提供一种具有光反馈功能的半导体激光装置，其中在量子井结构中具有一活性层的层状结构是在砷化镓衬底上形成的。此活性层是由至少包含镓和砷的半导体材料构成的，此活性层中的井层是厚的，且在此活性层附近形成一光栅。
附图说明
图1是根据本发明的典型的半导体激光模块B1的横截面的视图；
图2A是说明根据本发明的典型的激光装置的透视图；
图2B是说明根据本发明的典型的另一激光装置的透视图；
图3A是定义激光二极管的阈值电流的图表；
图3B是表示自辐射光的光谱曲线的图表；
图4是表示根据现有技术的自辐射光中的激光装置的类型1的光谱曲线的图表；
图5是表示自辐射光中的激光装置的类型2的光谱曲线的图表；
图6是表示根据本发明的自辐射光中的激光装置的类型3的光谱曲线的图表；
图7是表示根据本发明的自辐射光中的激光装置的类型4的光谱曲线的图表；
图8是用于说明根据本发明的远场模式的发散角θ的示意图；
图9是说明根据本发明的半导体激光装置B2被部分切除后的透视图；
图10是表示根据现有技术的激光装置1，2的电导带的示意图；
图11是表示根据本发明的激光装置4的电导带的示意图；
图12是表示现有技术的激光装置和根据本发明的激光装置的I/Ith值和光谱宽度(Δλ)的关系的图表；
图13是表示根据现有技术的激光模块在一固定的驱动电流时间内光输出功率(Pf)和监视器电流(Im)的改变率的图表；
图14是表示根据本发明的激光模块在一固定的驱动电流时间内光输出功率(Pf)和监视器电流(Im)的改变率的图表；
图15是表示根据现有技术的激光模块在驱动电流超过阈值电流的一定范围内光输出功率(Pf)和监视器电流(Im)的改变率的图表；
图16是表示根据本发明的激光模块在驱动电流超过阈值电流的一定范围内光输出功率(Pf)和监视器电流(Im)的改变率的图表；
图17是现有技术中在激光操作的开始半导体激光装置的泵浦激光的光谱图；
图18是现有技术中在激光操作开始十秒以后半导体激光装置的泵浦激光的光谱图；
图19是现有技术中在激光操作开始20秒以后半导体激光装置的泵浦激光的光谱图；
图20是现有技术中在激光操作开始30秒以后半导体激光装置的泵浦激光的光谱图；
图21是现有技术中在激光操作开始40秒以后半导体激光装置的泵浦激光的光谱图；
图22是本发明中在激光操作的开始半导体激光装置的泵浦激光的光谱图；
图23是本发明中在激光操作开始十秒以后半导体激光装置的泵浦激光的光谱图；
图24是本发明中在激光操作开始20秒以后半导体激光装置的泵浦激光的光谱图；
图25是本发明中在激光操作开始30秒以后半导体激光装置的泵浦激光的光谱图；
图26是本发明中在激光操作开始40秒以后半导体激光装置的泵浦激光的光谱图；
图27是当与该模块的光输出相耦合的光纤以100mm的直径被缠绕三圈时本发明的半导体激光模块的泵浦激光的光谱图；
图28是与图27相关的变形，即所述光纤以100mm的直径被反向缠绕三圈时半导体激光模块的泵浦激光的光谱图；
图29是现有技术中当与该模块的光输出相耦合的光纤以100mm的直径被缠绕五圈时，半导体激光模块的泵浦激光的光谱图；
图30是与图29相关的变形，即所述光纤以100mm的直径被反向缠绕四圈时，半导体激光模块的泵浦激光的光谱图；
发明的详细描述
基于砷化镓的泵浦激光装置，是辐射波长在980nm范围内的典型的半导体激光装置，当激光模块是通过把基于砷化镓的泵浦激光装置与光纤布拉格光栅光学耦合而组装成的时候，此激光模块将产生泵浦激光，其波长为在光纤布拉格光栅的反射带宽内的某一波长。然而，激光装置的注入电流的波动，或者是加在激光模块或光纤的、可能改变光纤对激光装置的校准关系的轻微的机械震动，将造成与噪声相关的问题，这可能被引入激光模块产生的泵浦激光。
对基于砷化镓的泵浦激光装置来说，看起来这是由于在单纵模之间跳换，或是在单纵模操作或多纵模操作之间切换的高灵敏度引起的，和/或反之亦然。这些情况都会使激光的光功率出现约几个百分点的波动。
切记由泵浦激光模块辐射的泵浦激光的光功率的波动通常要求在0.5％以内，因此前述问题是很严重的。
因此需正视，当在前述激光模块中的光线布拉格光栅的反射带宽内产生稳定的泵浦激光时，基于砷化镓的激光装置辐射的激光，作为一光源，必须是多模的(即为多纵模)。
根据本发明的半导体激光模块包括，将在以后描述的半导体泵浦激光装置，和与该激光装置光学耦合的结构中的光反馈元件(例如具有光反馈功能的光学器件)。此结构中使用的光反馈元件可以是具有波长选择功能并在特定波长表现出特定反射特性的任一种元件，包括诸如光纤布拉格光栅(FBG)、绝缘的多层薄膜滤波器、分布式布拉格反射器等等。
图1中说明了根据本发明的典型的激光模块A。
所示的激光模块A具有一珀尔帖(Peltier)模块2，位于用于冷却激光装置B1的壳体1的底板1a上，这将在以后描述，和珀尔帖(Peltier)模块2上的基底物质3，此基底物质是由，例如KOVAR构成的。
激光装置B1通过基片载体4置于基底物质3上。然后，具有光纤布拉格光栅5a的光纤5用光轴校准地与激光装置B1光学耦合。
光纤5由光纤固定元件6被固定在基底物质3上，其辐射端通过套管7被从壳体1中拉出，管套7被密封的固定在壳体1的圆柱形洞1b中。
光电二极管8位于激光装置B1的后端，这样就可以监视激光模块的光功率大小。
最好，使用具有透镜形状的引导端的光纤，以增加光纤与激光装置的光耦合效率。然而，作为光纤具有透镜形状的引导端的替代方式，在两个元件之间的光耦合效率还可以通过在它们中间插入透镜而增加。
另外，具有楔状端的光纤5的使用会使组装的激光模块表现出高的光耦合效率，组装所需的部件数目减少，和制造成本的总量减少。
根据本发明的组装在激光模块A中的典型的激光装置B1，在图2A中示出。
激光装置B1的顶部具有脊状的波导形状，并总体上具有预定的空腔长度(L)。然后，将在以后描述的层状结构C，是在由n-GaAs构成的衬底10上形成的。在衬底10的背面形成由AuGeNi/Au构成的底层电极12。通过由氮化硅(SiNx)构成的保护薄膜13，在层状结构C的顶部形成由Ti/Pt/Au构成的顶层电极14。
层状结构C包含半导体材料的取向生长的晶状层，半导体材料至少包括镓(Ga)和砷(As)。特别的，此层状结构C包括由例如n-AlGaAs构成的底覆盖层15；例如由i-AlGaAs构成的底GRIN-SCH层16a；活性层17；将在下文中描述例如由不掺杂的(i)AlGaAs构成的顶GRIN-SCH层16b；例如由p-AlGaAs构成的顶覆盖层18；和例如由p-GaAs构成的顶罩层19，按此顺序层叠。
应注意用以覆盖层状结构C的顶表面的保护薄膜13并不覆盖脊状波导的顶表面部分。不被保护薄膜13覆盖的区域露出的顶罩层19直接与顶层电极14接触，注入电流可以由顶电极提供至层状结构C的活性层17。
然后，辐射端面(前表面)被反射率0.8％的绝缘薄膜(未示出)覆盖，另一端面(后表面)被反射率92％的绝缘薄膜(未示出)覆盖，这样可以从前表面有效的提取出激光在腔体内产生的光功率。在本发明的最佳实施例中，后表面的反射率为90％或更多，前表面的反射率为4％或更少，最好为3％或更少。这些反射率的值是在半导体泵浦激光产生的光的中心波长处测量的。
由图2A所示的结构，在前后表面之间形成谐振腔(长度L)。此谐振腔包括层状结构C的至少一部分，并具有被定向为与GaAs衬底的表面平行并平行于腔体的长度的传播轴。光沿腔体的传播轴传播的有效折射指数对于整个腔体长度实质是一致的，或至少是其主要部分(例如L的50％或更多)。在后一种情况下，布拉格光栅可以被结合在前表面附近的半导体衬底上。在谐振腔的光栅部分中，传播光的有效折射指数是不一致的。在本发明的大多数实施方式中，统一折射指数的距离至少为400μm。此外，谐振腔和层状结构C的层组成被选择为使激光装置产生的光具有单横电场(TE)模式或单横磁场(TM)模式。通常泵浦激光并不需要混合TE/TM模式的操作。此外，泵浦激光也不要求多路横向模式。谐振腔部分的宽度，或整个腔体的宽度，最好选择为腔体只支持横基波的模式(TE基波模式或TM基波模式)，这样就不会支持多路横波模式。谐振腔此部分的长度最好为腔体长度L的二分之一或更多，例如，约400μm或更多。
活性层17的量子井结构具有一个或多个井层，和一个或多个势垒层(通常两个或更多势垒层)，以交错的方式(例如，势垒层，井层，势垒层等)层叠在一起。如图2A所示，量子井结构的一部分位于谐振腔中。井层与势垒层的区别在于，井层的导通带的能量级比势垒层的导通带的能量级低。考虑到激光模块A发出的泵浦激光的暂态稳定性，一个量子井结构最好具有一个井层和在井层两侧的两个势垒层。
井层通常是，例如当辐射波长在980nm波长范围内时，由InGaAs，GaAsSb，InGaAsSb，InGaAsP，InGaAsSbP，GaAsSbP或类似材料构成的，当辐射波长在870nm波长范围内时，此井层可由i-GaAs构成。同样，当辐射波长在980nm波长范围内时，势垒层通常是由i-InGaAs构成，势垒层也可与辐射波长相关由上述列举的其他半导体材料构成。在本发明的最佳实施例中，其辐射波长范围在940nm至990nm以内，此井层包含InxGa1-xAs，铟(In)原子与所有的III-族原子的比率为等于或小于0.20(即，III-族元素中的铟含量为20％)。(砷原子是V-族原子)。在本发明的最佳实施例中，例如包含InxGa1-xAs井层，每个井层具有关于GaAs衬底的+0.5％至+1.5％应变(可压缩的)，且最好具有+1％至+1.5％的应变，+0.75％至+1.25％的范围也较好。这里我们使用井层关于衬底的应变(ε)的传统定义。应变可由井的材料和衬底材料的平均晶格常数来计算如下：
应变ε(以百分比)＝100％·(Aw-Asub)/Asub
其中Aw是井层材料的平均晶格常数，Asub是衬底材料的平均晶格常数。负值表示张力应变，正值表示压力应变。(因为位于衬底和井层之间的层相当的薄，这些中间层符合衬底的平均晶格常数，且有效表示衬底关于井层的平均晶格常数)。通常，当井层中出现压力应变时，具有这里所述的任一种腔体结构的激光器辐射的光都是单横电波(TE)模式。
本发明中的谐振腔和层结构C使谐振腔中产生的光实质上离散为多个纵向模式，或法布里-珀罗(F-P)模式。每个纵向模式都具有与腔体长度L相适应的波长的半周期的对应波长和对应数目。纵向模式与横向模式是不同的，并且沿着与横向轴相垂直的一个轴来计数(即，定义)。在激光装置的可操作波长带宽内，在相邻纵向模式之间的波长空间间隔(ΔλFP)等于
ΔλFP＝λ2/(2nL)，
其中“λ”是所述波长带的中心波长，“n”是光沿着腔体的传播轴传播时所遇到的折射的有效指数，“L”是腔体长度(即，激光装置在其光面之间的长度)。对于在980nm带宽内(λ＝980nm)，折射的有效指数n＝3.5的辐射，在800μm至1800μm范围内，对L值空间间隔ΔλFP在0.17nm至0.08nm范围内。
如上所述，光反馈元件与半导体激光装置的输出光学耦合。光反馈元件在980nm带宽内的中心波长处具有反射系数峰值，并在中心波长附近具有反射系数带宽。典型地，反射系数带宽的值为1nm至3nm，并在分别位于峰值的两侧并等于反射系数峰值的二分之一(1/2)的两个反射系数点之间测量的。例如，若反射系数为峰值7％，则反射系数带宽在分别位于峰值两侧的两个反射系数点3.5％之间测量。(二分之一值与-3dB点是一样的。)给定上述值ΔλFP，1nm的反射系数带宽对于800μm至1800μm范围内的L，包含5至12个纵向模式，2nm的反射系数带宽包含11至25个纵向模式，3nm的反射系数带宽包含17至37个纵向模式。在最佳实施例中，使用1.5nm的反射系数带宽(8至18个模式)。若纵向模式具有空间间隔ΔλFP，和等于或大于两倍ΔλFP的反馈元件的反射带宽，则半导体激光模式(即激光部件)就可以产生具有多个纵向模式的光。在最佳实施例中，反射带宽等于或大于4ΔλFP。在如下详细描述中，使用厚度为10nm或更厚的量子井对于保证模块部件产生具有多个纵向模式的光来说是很关键的。多纵向模式的产生是本发明的一个重要特征。
对于本发明的腔体和层状结构，根据本发明的模块部件可辐射等于或大于(0.1mW/μm)·L的最大输出功率级别，其最好等于或大于(0.25mW/μm)·L，这里L是半导体装置的腔体长度。例如，使用800μm腔体长度的激光装置的模块部件具有80mW的最大输出功率，且最好具有200mW的最大输出功率。使用1200 μ m腔体长度的激光装置的模块部件具有120mW的最大输出功率，且最好具有300mW的最大输出功率。使用1800μm腔体长度的激光装置的模块部件具有180mW的最大输出功率，且最好具有450mW的最大输出功率。
首选的半导体激光装置B1其特征在于，层结构C提供一个或多个下述发明特征。
(1)层结构的第一发明特征
首先，作为层结构的主要发明特征，其井层比传统技术中基于GaAs激光装置用于980nm辐射带的井层更厚。特别的，所述井层厚度为10nm或更厚。这种情况下，很显然井层厚度的上限受到形成井层的特定半导体材料的临界厚度的限制。例如，对于由GaInAsP和GaAsSb构成的井层，其上限约为20nm。在最佳实施方式中，其井层厚度Tw在12nm至15nm之间。两个势垒层最好分别形成(层叠)在井层的两侧，每个势垒层的厚度TB最好为10nm或更厚。井层的厚度最好比至少一个势垒层厚(Tw＞TB1和/或Tw＞TB2)，且最好比两个势垒层都厚(Tw＞TB1且Tw＞TB2)。
当量子井结构包含两层或更多层时，每个井层的厚度都为10nm或更厚，且其厚度最好在12nm至15nm范围内。位于相邻井层之间的势垒层其厚度最好为10nm或更厚。位于势垒层两侧的两个井层最好比势垒层厚。此外，两个势垒层最好形成(层叠)在一叠井层的两侧。
在上述结构中，势垒层与光学密封层和覆盖层的区别在于势垒层的导电带能量比光学密封层和覆盖层的导电带能量更接近井层的导电带能量。换句话说，井层的导电带能量比势垒层的导电带能量小，而势垒层的导电带能量又比光学密封层和/或覆盖层的导电带能量小。
根据本发明的具有如上所述层结构C的半导体激光装置，在其光致发光(PL)的光谱波长中在940nm至990nm范围内(室温下)具有一个峰值，和/或当由顶层电极14来的注入电流等于或大于激光器的阈值电流Ith(Ith将在以下定义)时，其前表面辐射的激光在940nm至990nm的波长范围内。在这种情况下辐射的激光表现出包含以预定的Fabry-Perot空间间隔排列的多纵向模式的多路模式的状态。
这将导致对激光装置中结合的激光模块发出的泵浦激光的暂态波动的抑制，因此光谱是关于时间稳定的。
传统的研究通常是针对减少井层的厚度，从而可以控制激光装置中的增益光谱。现有技术中基于GaAs的激光装置使用的井厚度大致上小于10nm。然而，发明者发现若这样的激光装置与，例如光纤布拉格光栅(FBG)光学耦合以组装一个激光模块，则光纤布拉格光栅发出的反馈光将变成单模式的，激光模块发出的泵浦激光的光谱将会关于时间波动而不是稳定。
发明者已对如何解决上述问题作过认真的研究，并发现随着激光装置中包含的井层的厚度的增加，与现有技术相反，结合有井层的基于FBG的激光模块发出的泵浦激光，将变成多模式的(即，多路纵向模式)，并表现出增加的暂态稳定性。发明人所进行的进一步研究最终确立了上述层结构C中的第一发明特征。
层结构的第一发明特征可以单独使用，或与以下描述的层结构的第二和第三发明特征结合。
(2)层结构的第二发明特征
最好与第一发明特征结合使用的第二发明特征是，量子井结构的至少一层是掺有杂质的，例如n型杂质或p型杂质。此杂质最好能够改变其掺入的物质的电导通性(换句话说，它表现得并不像半导体结构中的III族或V族的元素)。所述至少一层可能是井层或势垒层。此外，井层和势垒层都可以被掺入杂质，多个井层和多个势垒层也都可以被掺入杂质。对这样的层的掺入可以是一致的或是不同的(例如，分级掺入，或具有一掺杂的子层和一不掺杂的子层)。在每个掺杂的结构中，载流子积聚在至少一个井层中，若此结构具有载流子也可能在两个或更多井层中。当此活性层以上述任一种方式插入杂质时，结合有激光装置的激光模块发出的泵浦激光随时间的波动较少，从而其稳定性进一步改善。所述杂质可以是任何一种n型杂质或p型杂质。对于n型杂质，例如可使用一个或两个或更多的硅(Si)，硫(S)和硒(Se)，对于p型杂质，例如可使用一个或两个或更多的铍(Be)，镁(Mg)和锌(Zn)。
在这些杂质中，一种n型杂质Si，最好掺在至少一层中，因为掺杂后的激光装置辐射的激光一定会变成多模的，从而确保对结合有激光装置的激光模块发出的泵浦激光的暂态波动的抑制，从而稳定泵浦激光。在最佳实施例中，Si以1×1016/cm3至5×1018/cm3的净掺杂浓度被掺杂在井层中，这样就可以显著的表现出上述效果。当Si的掺杂浓度低于1×1016/cm3时，上述效果就不明显。当掺杂浓度高于5×1018/cm3时，井层和/或势垒层的纯度减少将导致其丧失作为量子井层的功能。在最佳实施例中，掺杂浓度的范围是从5×1016/cm3至1×1018/cm3，并且最好为2×1017/cm3至8×1017/cm3的。在层中的掺杂浓度改变时，层中的平均掺杂浓度(层的整个厚度的平均浓度)被设置在上述范围之内，或层中任一点(子容量)的掺杂级别被设置在上述范围内。
上述杂质的浓度级别在普通的激光操作中最好小于井层中电荷(空穴和电子)载流子的总浓度。换句话说，激光器以这样的方式操作，即至少一层井层中的电荷载流子的浓度大于此井层中的杂质浓度，并大于任一与井层相邻的势垒层中的杂质浓度。通常激光操作的最大光输出功率(以毫瓦计量)为50％至100％，并且上述层结构和谐振腔体的构造可很容易的在50％的最大光输出功率处提供电荷载流子的浓度。
(3)层结构的第三发明特征
最好与层结构的第一特征结合使用的第三特征是，位于活性层的上面或下面的一层或多层被掺入杂质。这些位于活性层的上面或下面的层最好是能够限制活性层产生的激光的层。这些层可能是光密封层(即，GRIN-SCH层和/或覆盖层)。杂质掺入的级别通常在1×1016/cm3至5×1018/cm3的范围内，更好是在5×1016/cm3至1×1018/cm3的范围内，并且最好是在1×1017/cm3至6×1017/cm3的范围内。
作为图2A所示的激光装置B1的第三发明特征的应用，杂质被掺入在以下任一种或全部的层中：由n-AlGaAs构成的底覆盖层15；由i-AlGaAs构成的底GRIN-SCH层16a；由i-AlGaAs构成的顶GRIN-SCH层16b；由p-AlGaAs构成的顶覆盖层18。
作为最佳例子，覆盖层，特别是n型的底覆盖层，被掺入n型的杂质Si，这是由于多模的辐射激光可被实现。在这个例子中，Si的掺杂浓度在1×1017/cm3至4×1017/cm3的范围内，并且最好是在2×1017/cm3至4×1017/cm3的范围内。
层结构的发明特征的结合
根据本发明的优选激光装置B1包括层结构的第一发明特征作为其基本特征。此特征确保由组装激光模块发出的泵浦激光将具有暂态稳定性。
在更佳实施例中，第二和第三特征中的一个或两个被加入第一特征，这是由于此情况下泵浦激光的暂态稳定性与单独使用第一特征相比增加了。所有三个特征被一起使用从而泵浦激光的暂态稳定性会显著增加会更好。
特性
下面我们将说明结合使用上述三个特征的，根据本发明的激光装置B1的特性。然而在说明之前，我们在形式上定义激光装置的阈值电流Ith，增强的自激辐射(ASE)光谱，和ASE光谱的光谱宽度Δλ。由三个特征而形成的特性将部分的，按照ASE光谱和Δλ方面来描述。
我们使用阈值电流Ith的传统定义。即，如果将激光器的光输出功率LOPT作为驱动电流I的函数来绘成图LOPT-I曲线，将发现在某个电流级别IA以上，光输出功率LOPT将随着电流I以近乎线性的方式增加。此曲线在图3A中示出。用直线适于说明此部分的线性特性，且此线的截距Iaxis(在值LOPT＝0处)被定义为阈值电流Ith。
当激光装置被注入比阈值电流值Ith的小的电流I时(I＜Ith)，激光装置辐射增强的自激辐射光(ASE)。将光功率作为垂直轴，波长作为水平轴可绘制出ASE的光谱曲线。其结果的光谱曲线通常表现出，如图3B所示的，具有光功率的最大强度(P0)的不对称曲线。多个F-P纵向模式也包含在此曲线中。
找到此光谱曲线上光功率(P1)比最大功率(P0)低3dB的点(S1，S2)，然后可得知分别对应于点S1，S2的自激辐射光的波长(λ1，λ2以nm计)。
从点S1至S2是自激辐射光的光谱宽度，这里表示为Δλ，它包含的光功率范围从最大的(P0)到其两侧(即P1和P2)的-3dB点。从图中可看出，Δλ被确定为(λ1-λ2)的数量。
通过所述的Ith，ASE，Δλ，我们就可描述出由上述三个发明特征而得到的特性。当激光装置B1包括第一发明特征，并且当注入电流(I)满足关系式0.2≤I/Ith≤0.8时，激光装置B1的特性为对于所有满足上述关系式的I值，其辐射的自激辐射光波长的Δλ值为15nm或更长。
对于比15nm更短的Δλ值，若激光装置以Ith或更多的注入电流驱动来辐射激光，Δλ值中包含的纵向(F-P)模式的数目就会减少。这样，当激光装置与光纤布拉格光栅光学耦合，例如组装激光模块时，此激光模块在驱动时，辐射泵浦激光，该激光表现出单路纵向模式，或随时间交替单纵向模式和多纵向模式，这将导致不稳定的光功率和噪声的出现。
然而，对于等于或大于15nm的Δλ值，激光装置B1发出的辐射激光的光谱曲线上的Δλ值中包含大量的纵向模式，从而辐射的激光在所有时间都是多模式(多纵向模式)的。因此，前述激光模块发出的泵浦激光可在光纤布拉格光栅的反射带宽内保持一稳定的状态，而不论其遇到的噪声大小，例如当驱动模块时光纤的切换，或驱动模块时的机械震动。换句话说，泵浦激光的不稳定性被显著的抑制了。
这里，激光装置B1辐射的激光表现出上述的主要特性，因为井层的厚度被设置为10nm或更厚(层结构的第一发明特征)。也就是说，发明者已认识到井层的厚度是影响和限制Δλ的值的大小的一个因素。
当井层的厚度小于10nm时，由于在辐射的激光中很难实现多模式(多路纵向模式)，在ASE中Δλ值被减少至小于15nm。结果，激光模块发出的泵浦激光会波动，而减少了稳定性。
在激光装置B1的情况下，在ASE中自激辐射光的光谱曲线的形状会随着所包含的上述层结构的第一至第三个特征而改变。改变的形状为方便起见可被分为以下的形式。下面将说明此分类。
[1]首先，对不具有第一至第三发明特征的任一个的传统激光装置，在ASE中自激辐射光的光谱曲线具有图4所示的形状。
特别的，在最大光功率强度附近的光谱曲线的形状会有轻微的凹陷，在图中用双向箭头符号所示。表示这种趋势的光谱曲线类型以下被称为“类型1”。这里，我们定义的术语“凹陷”来表示此曲线的第二派生物是正的。曲线凹陷的部分具有这样的性质即，在此部分上任意两点之间连接的一条直线都位于此曲线上面。
[2]对于不具有第一和第二特征的但具有第三发明特征的激光装置，在ASE中自激辐射光的光谱曲线具有图5所示的形状。
特别的，在最大光功率强度附近的光谱曲线的形状会有轻微的凸出，如图中的椭圆所示。表示这种趋势的光谱曲线类型以下被称为“类型2”。这里，我们定义的术语“凸出”来表示此曲线的第二派生物是负的。曲线凸出的一部分具有这样的性质即，在此部分上任意两点之间连接的一条直线都位于此曲线下面。
[3]对于具有第一发明特征及第二或第三发明特征中的一个，或者既不具有第二特征也不具有第三特征的激光装置B1，在ASE中自激辐射光的光谱曲线具有图6所示的形状。
特别的，在最大光功率强度附近的光谱曲线具有完全环绕最大强度那一点的凸出形状，如图中的双箭头所示。表示这种趋势的光谱曲线类型以下被称为“类型3”。
[4]对于包括第一至第三发明特征的激光装置B1，在ASE中自激辐射光的光谱曲线具有图7所示的形状。
特别的，此光谱曲线具有类似于类型2和类型3的结合的形状。其中，此光谱曲线具有完全环绕最大强度那一点的凸出的形状，并在最大强度附近具有凸出形状。表示这种趋势的光谱曲线类型以下被称为“类型4”。
用另一种方式来说，根据本发明的激光装置B1的特性是，在ASE中自激辐射光的光谱曲线具有类型3或类型4的形状。
由另一种观点来看，具有在ASE中自激辐射光的光谱曲线被归为类型3或类型4的激光装置，被归入至少具有层结构的第一发明特征的激光装置B1。由此可认为，使用这样的激光装置而组装的激光模块发出的泵浦激光表现出很好的暂态稳定性。也就是说，可根据在ASE中自激辐射光的光谱曲线确定一激光装置对于泵浦激光的暂态稳定性是否有影响。
在本发明的最佳实施例中，激光装置的ASE光谱曲线的通常形状，对于波长范围在光谱曲线的-6dB点之间是凸出的(如上所定义的)，正如在0.2·Ith至0.8·Ith范围内的一个或多个电流处测量的那样，特别是在0.4·Ith至0.6·Ith范围内的一个或多个电流处测量的那样，更特别的是在0.5·Ith电流处测量的那样。ASE光谱形状的-6dB以与图3B的与-3dB点(点S1和S2)类似的方式定义。-6dB点是在具有功率级别的光谱上比峰值低6dB的点。它们在图3B和图6中用点S3和S4示出。为减少测量噪声的影响，ASE曲线的通常形状是以测量数据的最小乘方样条适配来确定的。
同样，激光装置B1最好具有以下参照图8描述的特性。
首先，激光装置B1被驱动以辐射激光。假设这里三维坐标轴包括一激光装置B1的纵方向(激光辐射的方向)，它被定义为x-轴方向；一厚度方向，即这些层被层叠为层结构C的方向，它被定义为z-轴方向；一宽度方向作为y-轴方向，以下将主要说明在z-轴方向上的辐射光分量。
辐射光射出激光装置B1，并在与光轴正交的平面上产生远场模式(FFP)。远场模式(FFP)z-轴方向上的分量表示具有最大功率P0的的光功率分布曲线。
然后，沿FFP的垂直方向(z-轴)的两个点被找到，位于半功率级别(1/2·P0)然后激光器的前面板辐射出的激光关于这两个点的发散角θ被找到。角θ作为“全带宽半功率角”是已知的，这是因为这个角是在前表面和全带宽之间形成的，全带宽是指垂直轴上位于半功率级别上的两个点之间的宽度。
对于激光装置B1，发散角θ最好为25°或更小。这是因为，发散角θ等于或小于25°可造成激光装置B1和光纤的足够高的耦合效率以增加光纤端的光功率，和活性层充分减少的光密封系数以增加效率。
应注意，尽管上述已进行了关于脊状波导类型的激光装置的说明，但是激光装置B1并不局限于这种结构，而可以应用于任何一种具有自排列结构(SAS)类型的激光装置，只要其具有包含上述第一发明特征的层结构，并具有使光反馈元件的辐射为多模式的层结构和谐振腔。
图2B示出了这样的自排列结构(SAS)。从GaAs衬底10开始，将顺序形成以下层：由n-GaAs构成的厚度为0.5μm的缓冲层11，如前所述的底覆盖层15，如前所述的底层光密封层16a，如前所述的活性层17，如前所述的顶层光密封层16b。然后由p-Al0.3Ga0.7As构成的厚度为500nm的第一顶覆盖层18a形成在层16b上面，随后是由n-Al0.35Ga0.65As构成的厚度为0.5μm的底折射系数层120，其也起电流封锁层作用。层120被蚀刻成宽度为W的沟，由p-Al0.3Ga0.7As构成的厚度为2.0μm的第二顶覆盖层18b被形成在蚀刻层120上面。由p-GaAs构成的接触层19被形成在第二顶覆盖层18b上面。顶层电极(未示出)被形成在接触层19上面，底层电极12被形成在相反的一侧，即衬底10的底表面。
层120中的沟确定了电流通过活性层17的一个窗口，从而确定了产生光的层17的那部分。其效果与图2A所示的脊状波导结构的效果类似，其中覆盖层18的平台部分基本控制了电流通过活性层17的区域。这些情况与埋入异质结(BH)的情况是不同的，在后一情况下，活性层被按图案蚀刻以确定其宽度，且那些并不辐射激光的活性层的部分被移动了。在层120中的沟还确定了谐振腔的横向宽度。层120的底折射系数使所述沟的两侧的有效折射系数低于直接位于沟下面的层16a，16b，17的部分。图2A所示的脊状波导结构也可得到类似的效果。在这种情况下，存在层13和14和缺少平台两侧的层18的顶部使所述平台两侧的有效折射系数低于直接位于平台下的层16a，16b，17的部分。
如上所述，激光装置B1被结合了一个具有光反馈元件(5a)的组件，此组件在上面形成有激光器B1的半导体芯片的外部。然而本发明同样适用于光反馈元件作为激光器腔体被集成在同样的半导体芯片上的激光装置。根据本发明的集成有光反馈元件的激光装置将参照激光装置B2来描述，B2已在部分切除后的透视图图9中被示出。
激光装置B2具有间隔层20，如图2A所示，间隔层20被插入在激光装置B1的层结构C中的顶GRIN-SCH层16b和顶覆盖层18之间；光栅21以预定的间隔被置于间隔层20中；电流封锁层22位于活性层17的两侧，并各包含层叠的一p型层22a和一n型层22b。
激光装置B2在活性层17附近具有光栅21，光栅21是具有光反馈功能和波长选择性的光反馈元件。从而激光装置B2本身集成有光反馈元件，并在由光栅21的反射带宽确定的特定波长处输出激光。
这样，活性层17至少包含上述层结构的第一发明特征。另外，当第二和第三发明特征也被包括时，激光装置B2发出的激光是多模的，正如图1所示的本发明的激光模块的情况一样，从而其光功率受到关于时间的更小的波动。
也就是说，此激光装置B2能够自己执行相当于图1所示的激光模块A的功能。当然，图1所示的激光模块能够与作为光源的激光装置B2组装在一起。
举例
1.激光装置B1的制造
表1和2所示的各层依次形成在由n-GaAs构成的衬底上以形成图2A所示的层结构C。
4μm宽1.2μm高的脊状波导通过使用影印石版技术和蚀刻技术被形成在层结构的顶表面上。从而由氮化硅(SiN)构成的保护薄膜13被形成在顶表面上。
然后衬底10的后表面被抛光并形成由AuGeNi/Au构成的底层电极12。同样，顶罩层19的顶表面上的保护薄膜的一部分被去掉，由Ti/Pt/Au构成的顶层电极1 4被形成在层结构的全部顶表面上。
然后，衬底被切割以形成具有等于800μm的腔体长度(L)的挡板。从而由SiN构成的反射率为0.8％的低反射薄膜被置于一个端面上以形成前表面，由SiO2/Si构成的反射率为92％的高反射薄膜被置于另一个端面上以形成后表面。最后，此挡板被加工制成如图2A所示的作为芯片的激光装置B1。
表1
    邀光装置1     邀光装置2     邀光装置3     邀光装置4
底覆盖层15           成份     n-Al0.3Ga0.7As     n-Al0.3Ga0.7As     n-Al0.3Ga0.7As     n-Al0.3Ga0.7As
          厚度(μm)     4     4     4     4
          Si掺杂浓度成份(1/cm3)     1×1017     3×1017     1×1017     3×1017
底GRIN-SCH层16a           成份     i-Al0.2Ga0.8As     i-Al0.2Ga0.8As     i-Al0.2Ga0.8As     i-Al0.2Ga0.8As
          厚度(nm)     30     30 50(包含25nm厚的两层) 50(包含25nm厚的两层)
活性层17     势垒层    成份     i-GaAs0.91P0.09     i-GaAs0.91P0.09    i-GaAs0.91P0.09     i-GaAs0.91P0.09
   厚度(nm)     10     10     10     10
    井层    成份     In0.2Ga0.8As     In0.2Ga0.8As     In0.2Ga0.8As     In0.2Ga0.8As
   厚度(nm)     7     7     12     12
   Si掺杂浓度成份(1/cm3)     -     -     -     5×1017
          井层的数目     2     2     1     1
顶GRIN-SCH层16b           成份     i-Al0.2Ga0.8As     i-Al0.2Ga0.8As     i-Al0.2Ga0.8As     i-Al0.2Ga0.8As
          厚度(nm)     30     30 50(包含25nm厚的两层) 50(包含25nm厚的两层)
顶覆盖层18           成份     i-Al0.3Ga0.7As     i-Al0.3Ga0.7As     i-Al0.3Ga0.7As     i-Al0.3Ga0.7As
          厚度(nm)     2     2     2     2
          Zn掺杂浓度成份(1/cm3)     3×1017     3×1017     3×1017     3×1017
顶罩层19           成份     GaAs     GaAs     GaAs     GaAs
          厚度(nm)     0.5     0.5     0.5     0.5
          Zn掺杂浓度成份(1/cm3)     1×1020     1×1030     1×1030     1×1020
               备注     比较例     比较例     例子     例子
不具有第一、第二和第三发明特征   只有第三发明特征   只有第一发明特征 具有第一、第二和第三发明特征
表2
    邀光装置5  邀光装置6    邀光装置7
  底覆盖层15         成份     n-Al0.3Ga0.7As  n-Al0.3Ga0.7As    n-Al0.3Ga0.7As
        厚度(μm)     4  4    4
        Si掺杂浓度成份(1/cm3)     1×1017  3×1017    1×1017
  底GRIN-SCH层16         成份     i-Al0.2Ga0.8As  i-Al0.2Ga0.8As    i-Al0.2Ga0.8As
        厚度(nm)     50(包含25nm厚的两层)  50(包含25nm厚的两层)    50(包含25nm厚的两层)
  活性层17   势垒层   成份     i-GaAs0.91P0.09  i-GaAs0.91P0.09    i-GaAs0.91P0.09
  厚度(nm)     10  10    10
    井层   成份     In0.2Ga0.8As  In0.2Ga0.8As    In0.2Ga0.8As
  厚度(nm)     12  12    12
  Si掺杂浓度成份(1/cm3)     5×1017  -    5×1017(Zn)*
        井层的数目     1  1    1
  顶GRIN-SCH层16b         成份 i-Al0.2Ga0.8As  i-Al0.2Ga0.8As    i-Al0.2Ga0.8As
        厚度(nm)  50(包含25nm厚的两层)  50(包含25nm厚的两层)    50(包含25nm厚的两层)
  顶覆盖层18         成份 i-Al0.3Ga0.7As  i-Al0.3Ga0.7As    i-Al0.3Ga0.7As
        厚度(nm)     2  2    2
        Zn掺杂浓度成份(1/cm3)     3×1017  3×1017    3×1017
  顶罩层19         成份     GaAs  GaAs    GaAs
        厚度(nm)     0.5  0.5    0.5
        Zn掺杂浓度成份(1/cm3)     1×1020  1×1020    1×1020
               备注     例子  例子    例子
    第一、第二发明特征  第一、第三发明特征    第一、第二发明特征
(*)Zn(P-型)作杂质被掺杂其内
图10是示出激光装置1的导电带的示意图，图11是示出激光装置4的导电带的示意图。图中的参考标号分别表示图2A中的各个层。
2.激光装置的特性
表1和2所示的激光装置使用AQ6317(一种由ANDO Co.制造的光谱分析仪)被驱动以辐射ASE自激辐射光。画出各个自激辐射光的光谱曲线以观察它们的形状。观察的结果被表示在表3中。
表3
光谱曲线的形状     发散角(θ°)     包括的发明特征
激光装置1激光装置2激光装置3激光装置4激光装置5激光装置6激光装置7 类型1类型2类型3类型4类型3类型3类型3     21212121212121     无只有第三发明特征只有第一发明特征全部第一和第二特征第一和第三特征第一和第二特征
同样，每个激光装置都被驱动以辐射激光，且辐射的激光的远场模式使用光电二极管来测量以找到对应于光谱沿垂直方向的全带宽在垂直方向上的发散角θ，并在半功率点之间测量。此结果也被示出在表3中。
同样，对于激光装置1，激光装置3和激光装置4，改变注入电流(I)以观察其自激辐射光，并分别对各自激辐射光画出光谱曲线。在光输出功率比最大光输出功率(P0)低3dB的两个波长处可找到光谱带宽(Δλ值)。然后，可绘出I/Ith值和光谱宽度(Δλ值)。其结果表示在图12中。
由上述结构可明显得出以下结论。
(1)首先，由图12可明显看出，激光装置1，3和4，在I/Ith值等于或大于一时，即注入电流等于或大于阈值电流时，都辐射激光。
然而，在注入电流具有自激辐射光出射的I值的区域，激光装置1具有所述自激辐射光中的光谱宽度(Δλ值)，此光谱宽度在电流值I向Ith减少时也随之以线性方式减少。
与此相反，激光装置4的光谱宽度(Δλ值)在I/Ith的比率在0.2到0.6之间时基本上保持在同一个值，并在I/Ith的比率从0.6增加到1.0时以增加的速率减少至零(即，以曲线形状的轨道而减少)。当激光装置3进行与激光装置4同样的操作时，激光装置3与激光装置4的不同在于其光谱宽度(Δλ值)会经历两个明显的减少阶段，在这两个阶段之间是一平稳阶段。第一减少阶段相对较少并在I/Ith的比率从0.2增加到约0.4时出现。第二减少阶段较大，并在I/Ith的比率从0.8增加到约1.05时出现。平台区域在I/Ith的比率约在0.4到0.8之间时出现，其中光谱宽度Δλ是不变的。
(2)在任一情况下，激光装置3和激光装置4在很宽的I/Ith比率(例如0.4到0.8之间)的范围内可提供稳定的Δλ值。这意味着即使I值在此范围内波动，自激辐射光的光谱曲线的形状只会轻微的变化，并且是稳定的。这可被认为是当激光装置以大于阈值电流Ith的注入电流I被驱动时，辐射激光的稳定性的预示。
比较激光装置3和4的Δλ值，激光装置4对于0.2到0.9之间(即在平台区域)的I/Ith比率，表现出较大的Δλ值，这表示激光装置4在驱动稳定性上优于激光装置3。
(3)参考表1，2，3，具有7nm厚的井层和两层量子井结构的激光装置1，可产生表现出属于类型1的形状的光谱曲线的自激辐射光。如图12所示Δλ值在变化。另一方面，具有12nm厚的井层(层结构的第一发明特征)和单层量子井结构的激光装置3，可产生表现出属于类型3的形状的光谱曲线和稳定的Δλ值的自激辐射光。
然后，包括层结构的第一发明特征和层结构的第二，第三发明特征的激光装置4，可产生表现出属于类型4的形状的光谱曲线和极稳定的Δλ值的自激辐射光。
(4)从另一方面，由于井层很厚，自激辐射光的光谱曲线变化至类型3的形状，同时，Δλ值在I/Ith比值的很大范围内是稳定的。层结构的第一发明特征会变得更为明显，在井层被进一步掺入Si(用于提供层结构的第二发明特征)且n型覆盖层以很高的浓度3×1017/cm3被掺入Si时(用于提供层结构的第三发明特征)，自激辐射光的光谱曲线的形状变为类型2和类型3的结合，即类型4，同时，Δλ值在I/Ith比值的很大范围内是极稳定的。
当进行了上述关于前面板上反射率为0.8％的激光装置的描述时，可确信当前面板上的反射率在0.5％至15％的范围内改变时，相应的激光装置都表现出与前面的描述类似的特性。
当前述实施例使用n型衬底时，也可得到与p型衬底类似的特性，但是在后一情况下，层结构C的各层的导电类型与前面的实施例通常是相反的。
3.激光模块的组装
从表1和2所示的激光装置中选出激光装置1和4，每个激光装置都通过一个透镜与一个由光纤布拉格光栅形成的光纤相光学耦合，以组装成图1的激光模块1。
指定结合了激光装置1的设备为设备A1(由现有技术得到的设备)，结合了激光装置4的设备为设备A2(实施例的设备)。
与激光装置1光学耦合的光纤布拉格光栅被设置为反射率7％，反射带宽1.5nm，波长带宽的选择性波长中心在979nm。另一方面，与激光装置4光学耦合的光纤布拉格光栅被设置为反射率7％，反射带宽1.5nm，波长带宽的选择性波长中心在976nm。
4.激光模块的性能
(1)泵浦激光的暂态稳定性
设备A1和设备A2被注入250Ma的电流以辐射泵浦激光。然后激光的光功率(Pf)被一测量系统测量，此系统包括一光波万用表8153A(由AgilentTechnologies制造)，一功率检测器模块81533B(Agilent Technologies制造)，和一光头81525A。另外，监控的光电流(Im)被另一测量系统测量，此系统包括一ADVANTEST数字静电计R8240(由Advantest Corporation制造)和一ILX光波激光器二极管控制器LDC-3744B(由ILX光波公司制造)。然后，在大约一分钟的时间段内，Pf和Im的测量值的变化率(以百分比计，％)以0.4秒的间隔被计算。
图13示出了由设备A1得到的结果，图14示出了由设备A2得到的结果。比较图1 3和图14可明显看出，设备A2在辐射激光的暂态稳定性上明显优于设备A1。
(2)对应于驱动电流值的辐射激光的稳定性
设备A1和A2的驱动电流以5mA的增量被增加，由阈值级别Ith开始，泵浦激光的光功率(Pf)和监控的光电流(Im)被以上部分(1)使用的系统测量。每当驱动电流被增加一次，Pf和Im的变化率(以百分比计，％)就被计算一次。
图15示出了由设备A1得到的结果，图16示出了由设备A2得到的结果。比较图15和图16可明显看出，设备A1在驱动电流改变时，Pf和Im有很大的波动，但设备A2的Pf和Im没有任何的波动，甚至在驱动电流被改变时也辐射出极其稳定的激光。可接受的最大变化率0.5％在图15和图16中被分别标出。
(3)泵浦激光的关于时间的光谱稳定性
设备A1和A2被注入250mA的驱动电流以辐射泵浦激光。然后在驱动的开始时刻，驱动开始后的10秒钟，20秒钟，30秒钟和40秒钟分别观察光谱。
图17至21示出了由设备A1得到的观察结果，图22至26示出了设备A2得到的结果。
由上述结果，可明显看出。
[1]比较紧接驱动开始时刻之后设备A1和A2辐射的泵浦激光的光谱曲线图(图17和22)，设备A1以中心波长位于光纤布拉格光栅的中心波长(979nm)附近的单纵模辐射。另一方面，装置A2以位于光纤布拉格光栅的中心波长(976nm)附近的多模纵向模式辐射。
[2]由设备A1辐射的泵浦激光表现出随时间变化的辐射光谱，而设备A2可在驱动开始时刻(图17)后40秒甚至更长的时间段内保持几乎相同的辐射光谱。
[3]也就是说，设备A2辐射的泵浦激光在暂态稳定性上具有优越性。
(4)  光功率和光纤状态(物理干扰)的关系
设备A2被驱动以辐射激光，其光纤以约100mm的直径被缠绕三圈。这种情况下的辐射光谱被表示在图27中。
然后，光纤的缠绕结构被改变，即，以约100mm的直径再缠绕三圈，设备A2在与上述相同的条件下被驱动以辐射激光。这种情况下的辐射光谱被表示在图28中。
由图27和图28可明显看出，即使光纤的缠绕结构被改变，设备A2的泵浦激光的辐射光谱也不会出现波动。
另一方面，设备A1被驱动以辐射激光，其光纤以约100mm的直径被缠绕五圈。这种情况下的多路模式辐射的辐射光谱被表示在图29中。
然后，光纤的缠绕结构由前述的结构被改变为以约100mm的直径被缠绕四圈，设备A1在与上述相同的条件下被驱动以辐射激光。这种情况下的辐射光谱被表示在图30中。
比较图29和图30可明显看出，光纤的缠绕结构的改变，使设备A1的泵浦激光的辐射光谱被改变。
这样，可发现不论光纤在任何一种缠绕结构下，也就是说不论光纤以任何状态放置，装置A2都可辐射稳定的泵浦激光。
如上所述，根据本发明的激光模块具有一10nm或更厚的井层，其比传统的激光模块要厚，一掺有杂质的活性层，一掺有n型杂质的覆盖层。此激光模块通过将辐射多模激光的激光装置与光纤布拉格光栅相光学耦合来组装，从而此激光模块在辐射泵浦激光的暂态稳定性上很有优势。同样由激光模块辐射的泵浦激光即使在激光装置的驱动电流波动时也是稳定的。进一步的，辐射的泵浦激光即使光纤被改变，例如缠绕结构，也是稳定的，从而根据本发明的激光模块在实际应用中是非常可靠的。
本发明的描述是关于特定的实施例，应当理解，在本公开内容的基础上，可作出不同的变形，修正和适应性变化，这些都是在本发明的范围之内。本发明所描述的都是目前被认为最实用和最佳的实施例，应当理解本发明并不局限于所公开的实施例，相反的，本发明应当覆盖在权利要求范围内的各种变形和等效的配置。

Claims (58)

1、一半导体泵浦激光部件包括：
一具有形成在砷化镓衬底的表面上的层结构的半导体泵浦激光装置，一包括所述层结构的至少一部分且其传播轴方向平行于所述砷化镓衬底表面的谐振腔，所述层结构具有一活性层，此活性层的量子井结构的至少一部分在所述谐振腔内，所述活性层由一种或多种至少包含镓和砷的半导体材料构成，所述量子井结构至少包括一个井层和一个势垒层，所述谐振腔和层结构使沿着谐振腔的传播轴传播的光的纵向模式具有空间间隔(ΔλFP)；和
与所述半导体泵浦激光装置产生的光相光学耦合的光反馈元件，所述光反馈元件具有大于或等于纵向模式的空间间隔的两倍的反射率带宽；和
其中所述半导体泵浦激光部件可产生具有多纵向模式的光；
其中所述量子井结构的至少一个井层的厚度为10nm或更厚。
2、据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述至少一个井层的厚度小于或等于20nm。
3、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述至少一个井层的厚度在12nm到15nm的范围内。
4、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述至少一个井层具有关于砷化镓衬底的压力应变，所述压力应变在0.5％至1.5％的范围内。
5、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述至少一个井层具有关于砷化镓衬底的压力应变，所述压力应变在1.0％至1.5％的范围内。
6、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中至少所述活性层被掺入杂质。
7、根据权利要求6的半导体泵浦激光部件，其中所述杂质是n型杂质。
8、根据权利要求7的半导体泵浦激光部件，其中所述n型杂质是硅。
9、根据权利要求8的半导体泵浦激光部件，其中所述硅杂质是以1×1016至5×1018/cm3的浓度被掺入。
10、根据权利要求8的半导体泵浦激光部件，其中所述硅杂质是以5×1016至1×1018/cm3的浓度被掺入。
11、根据权利要求8的半导体泵浦激光部件，其中所述硅杂质是以2×1017至8×1017/cm3的浓度被掺入。
12、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述泵浦激光二极管的层结构包括一n型覆盖层，其中此n型覆盖层至少被掺入硅。
13、根据权利要求6的半导体泵浦激光部件，其中所述泵浦激光二极管的层结构包括一n型覆盖层，其中此n型覆盖层至少被掺入硅。
14、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述层结构一步包括一相邻半导体层，此半导体层与活性层的一个表面相邻，所述相邻半导体层被掺入杂质。
15、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述量子井结构包括一个井层。
16、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述活性层的每种半导体材料至少包括以下混合物中的一种，GaAs，InGaAs，GaAsSb，和InGaAsSb，InGaAsP，InGaAsSbP，和GaAsSbP。
17、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述至少一个井层包括III-族原子和V-族原子，所述III-族原子至少包括镓(Ga)和铟(In)，所述V-族原子至少包括砷(As)，并且所述铟关于所述III-族原子数量的原子比为0.20或更小。
18、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述至少一个井层是第一井层，所述至少一个势垒层是第一势垒层，其中所述量子井结构进一步包括第二井层，所述第一势垒层位于所述第一和第二井层之间；
其中第一势垒层具有厚度TB1，其中所述第一井层具有大于厚度TB1的厚度TW1，且第二井层具有大于厚度TB1的厚度TW2。
19、根据权利要求18的半导体泵浦激光部件，其中所述厚度TB1等于或大于10nm。
20、根据权利要求18的半导体泵浦激光部件，其中所述厚度TW1在10nm到20nm的范围内，且厚度TW2在10nm到20nm的范围内。
21、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述半导体泵浦激光装置包括一脊状波导泵浦激光装置或一自排列泵浦激光装置。
22、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述沿传播轴传播的光的折射指数对于沿传播轴至少400μm的距离是一致的，且由半导体激光器产生的光包括一单横电波(TE)模式或一单横磁波(TM)模式。
23、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述谐振腔具有一前表面和一后表面，其中前表面具有在半导体泵浦激光器产生的光的波长处测量的4％或更小的反射率，其中后表面具有在半导体泵浦激光器产生的光的波长处测量的90％或更大的反射率。
24、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述半导体泵浦激光装置辐射的泵浦激光的辐射波长在940nm到990nm的范围内。
25、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述活性层在其光致发光的光谱的940nm到990nm的波长范围内具有一峰值。
26、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述半导体泵浦激光装置关于远场辐射模式的垂直轴具有辐射光的发散角，此发散角被定义为从泵浦激光器的前表面上的全带宽，全带宽是指在远场辐射模式的垂直轴上半功率点之间的带宽，其中此发散角的值为25°或更小。
27、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述泵浦激光装置具有一阈值电流Ith，对于值在Ith以下的注入电流具有一增强的自激辐射光谱，所述增强的自激辐射光谱具有一最大功率点，位于最大功率点两侧的两个-3dB点，和在两个-3dB点之间的光谱宽度Δλ；
其中对于大于或等于0.2·Ith且小于或等于0.8·Ith的注入电流，光谱宽度Δλ等于15nm或更多。
28、根据权利要求27的半导体泵浦激光部件，其中所述增强的自激辐射光谱在最大功率点两侧还具有两个-6dB点，
其中对于至少一个在0.2Ith到0.8Ith范围内的注入电流，在两个-6dB点之间的增强的自激辐射光谱的形状是凸出的。
29、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述谐振腔具有一前表面，一后表面，和在前表面与后表面之间的腔体长度L，其中所述半导体泵浦激光装置产生的输出功率等于或大于(0.1mw/μm)·L。
30、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述光反馈元件包括至少一个光纤布拉格光栅，一个电介质多层滤波器或一分布式布拉格反射器。
31、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述光反馈元件包括一个在具有楔状端的光纤上形成的光纤布拉格光栅。
32、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述光反馈元件是与所述半导体泵浦激光二极管分离形成的。
33、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述光反馈元件是与所述半导体泵浦激光二极管在同一个砷化镓衬底上形成的。
34、根据权利要求33的半导体泵浦激光部件，其中所述光反馈元件包括与所述活性层的一部分相邻的光栅。
35、根据权利要求1的半导体泵浦激光部件，其中所述至少一个井层的厚度为TW，至少一个势垒层的厚度为TB；，而厚度TW大于厚度TB。
36、根据权利要求35的半导体泵浦激光部件，其中厚度TW在10nm到20nm的范围内。
37、根据权利要求35的半导体泵浦激光部件，其中所述至少一个井层的厚度在12nm到15nm的范围内。
38、根据权利要求35的半导体泵浦激光部件，其中厚度TB等于或大于10nm。
39、根据权利要求35的半导体泵浦激光部件，其中所述至少一个井层具有关于砷化镓衬底的压力应变，所述压力应变在0.5％到1.5％的范围内。
40、根据权利要求35的半导体泵浦激光部件，其中至少所述活性层被掺入杂质。
41、根据权利要求40的半导体泵浦激光部件，其中所述杂质是n型杂质。
42、根据权利要求41的半导体泵浦激光部件，其中所述n型杂质是硅。
43、根据权利要求42的半导体泵浦激光部件，其中所述硅杂质是以1×1016到5×1018/cm3的浓度被掺入的。
44、根据权利要求42的半导体泵浦激光部件，其中所述硅杂质是以5×1016到1×1018/cm3的浓度被掺入的。
45、根据权利要求35的半导体泵浦激光部件，其中所述活性层的每种半导体材料至少包括以下混合物中的一种，GaAs，InGaAs，GaAsSb，和InGaAsSb，InGaAsP，InGaAsSbP，和GaAsSbP。
46、根据权利要求35的半导体泵浦激光部件，其中所述至少一个井层包括III-族原子和V-族原子，所述III-族原子至少包括镓(Ga)和铟(In)，所述V-族原子至少包括砷(As)，并且所述铟关于所述III-族原子数量的原子比为0.20或更小。
47、根据权利要求35的半导体泵浦激光部件，其中所述至少一个井层是厚度为TW的第一井层，所述至少一个势垒层是厚度为TB的第一势垒层，其中所述量子井结构进一步包括第二井层，所述第一势垒层位于所述第一和第二井层之间；
其中第二井层具有大于厚度TB的厚度TW2。
48、根据权利要求47的半导体泵浦激光部件，其中所述厚度TB1等于或大于10nm。
49、根据权利要求35的半导体泵浦激光部件，其中所述半导体泵浦激光装置包括一脊状波导泵浦激光装置或一自排列泵浦激光装置。
50、根据权利要求35的半导体泵浦激光部件，其中所述半导体泵浦激光装置辐射的泵浦激光的辐射波长在940nm到990nm的范围内。
51、根据权利要求35的半导体泵浦激光部件，其中所述活性层在其光致发光的光谱的940nm到990nm的波长范围内具有一峰值。
52、根据权利要求35的半导体泵浦激光部件，其中所述半导体装置关于远场辐射模式的垂直轴具有辐射光的发散角，此发散角被定义为从泵浦激光器的前面板上的全带宽，全带宽是指在远场辐射模式的垂直轴上半功率点之间的带宽，其中此发散角的值为25°或更小。
53、根据权利要求35的半导体泵浦激光部件，其中所述泵浦激光装置具有一阈值电流Ith，对于值在Ith以下的注入电流具有一增强的自激辐射光谱，所述增强的自激辐射光谱具有一最大功率点，位于最大功率点两侧的两个-3dB点，和在两个-3dB点之间的光谱宽度Δλ；
其中对于大于或等于0.2·Ith且小于或等于0.8·Ith的注入电流，光谱宽度Δλ等于15nm或更多。
54、根据权利要求53的半导体泵浦激光部件，其中所述增强的自激辐射光谱在最大功率点两侧还具有两个-6dB点，
其中对于至少一个在0.2·Ith到0.8·Ith范围内的注入电流，在两个-6dB点之间的增强的自激辐射光谱的形状是凸出的。
55、根据权利要求35的半导体泵浦激光部件，其中所述光反馈元件包括至少一个光纤布拉格光栅，一个电介质多层滤波器或一分布式布拉格反射器。
56、根据权利要求35的半导体泵浦激光部件，其中所述光反馈元件是与所述半导体泵浦激光二极管分离形成的。
57、根据权利要求35的半导体泵浦激光部件，其中所述光反馈元件是与所述半导体泵浦激光二极管在同一个砷化镓衬底上形成的。
58、根据权利要求57的半导体泵浦激光部件，其中所述光反馈元件包括与所述活性层的一部分相邻的光栅。
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