CN1224147C - 半导体激光器或其相关方面的改进 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种改进的半导体激光器件(10；10a)，例如单模折射率导引激光二极管。该器件(10；10a)包括：光波导(15；15a)；沿该波导(15；15a)的部分长度延伸的至少一个电接触部(20；20a)；以及其中，该至少一个电接触部(20；20a)比光波导(15；15a)短。通过这种布置，在使用中，波导(15；15a)的多个部分中的一部分不被电泵浦。

Description

半导体激光器或其相关方面的改进
技术领域
本发明涉及半导体激光器件，尤其涉及单模折射率导引激光二极管(single mode index guided laser diode)，但不局限于此。
背景技术
在诸多应用中，需要半导体激光器件以单空间模输出(single spatialmode output)的方式工作。例如为了提高与单模光纤的耦合，以及为了形成具有高光强的小光斑尺寸，需要这种输出。产生单模输出的常规激光二极管采用折射率导引激光器结构，该结构具有凸脊型或掩埋型异质结构波导。例如，如EP0475330中所公开的，这样的器件包括一激光器结构，该激光器结构包括衬底、在所述衬底上的下部电荷载流子约束层(chargecarrier confining layer)和上部电荷载流子约束层、在所述上部约束层的一部分上延伸且横向约束所述激光的光学模式的凸脊，籍此，一有源激光发射材料层夹在所述约束层之间，所述层具有量子阱结构且被构造成有源区。
虽然这些器件提供了单空间模输出，但是总输出功率因器件端部(小面(facet))上的严重光学反射损失水平(COMD)而受到限制。每个激光小面为解理的半导体(cleaved semiconductor)，且其具有高密度的空位和断键，该空位和断键会导致对所产生的光的吸收。随着受激载流子无辐射复合，激光小面上吸收的光或电流产生热。此热量降低了半导体带隙能，导致引起COMD的诱发热逸散(thermal runaway)的吸收的增加。
这些器件的其它问题包括高驱动电流下的高阶模式的传播。这些高阶模式因大量注入的载流子而传播，该些注入的载流子影响紧邻有源区的区域的折射系数和光学增益。
本发明的至少一个方面的至少一个实施例的目的是提供一种激光器件(诸如单模折射率导引激光器)，其避免或减轻了现有技术的前述不足中的至少一种。
本发明的至少一个方面的至少一个实施例的另一个目的是提供一种半导体激光器件，其借助激光区域(诸如单模折射率约束半导体激光区域)端部的衍射区来提供更高输出功率水平下的单模输出。
本发明的至少一个方面的至少一个实施例的再一个目的是提供一种半导体激光器件，其中，通过在增益区中结合通过采用无杂技术(impurity freetechnique)的量子阱混杂(quantum well intermixing)来形成的无源区，激光器件的光束转向性能得以提高，即减小了光束转向(beam steer)的倾向。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种半导体激光器件，其包括：
光波导；
沿波导的部分长度延伸的至少一个电接触部(electrical contact)；且其中
该至少一个电接触部比光波导短。
优选地，该电接触部或每个电接触部的至少一端与光波导的相应端隔开。
在一实施例中，光波导为凸脊形波导，且在该凸脊形波导上提供该至少一个电接触部。
借助这样的布置，在使用中，凸脊形波导的一部分或多个部分不被电泵浦。通过这样的布置已经令人惊异地发现，该半导体激光器件，可以作为模控鉴频器/稳定器来工作。由于波导为单模的，所以波导的无电流注入的非泵浦部分在使用中将保持为单模。
优选地，光波导的长度可以约为200至2000μm，且电接触部的长度/总长度可以约为100至1900μm。
在一变体实施例中，可以提供形成光波导侧面的边界的第一成分无序或量子阱混杂材料。
根据本发明的第二方面，提供一种制造半导体激光器件的方法，包括步骤：
(i)形成光波导；
(ii)形成沿波导的部分长度延伸的至少一个电接触部，使得该至少一个电接触部比光波导短。
根据本发明的第三方面，提供一种半导体激光器件，其包括：
光学有源区，该区包括光波导，以及设置在光波导的一端或多端的光学无源区；其中
该至少一个光学无源区比光波导宽，使得在使用中，光波导的光输出在穿过该至少一个光学无源区时衍射。
以此方式，光输出可以得以扩大，使得撞击在器件的输出小面上的光辐射(光)的强度减小。因此，器件的输出功率可以增加，而不会达到输出小面的COMD限制。
优选地，光学有源区和无源区设置在第一(下部)和第二(上部)光覆盖/电荷载流子约束层之间的芯部或导引层中，该导引层可以包括有源激光发射材料(active lasing material)。
优选地，凸脊至少形成在第二覆层中，且自器件的第一端到器件的第一端和第二端之间的一位置纵向地延伸。
此外，有源激光发射材料层可以包括量子阱(QW)结构。
优选地，光学无源区可以包括设置为从或邻近器件的前述位置至器件的第二端的第一成分无序或量子阱混杂(QWI)半导体(激光发射)材料区。
在该器件的一种变体中，可以提供横向上限定光学有源区边界的第二成分无序(激光发射)材料区。
第一和第二QWI材料可以具有比有源区更大的带隙。第一和第二成分无序激光发射材料于是可以具有比有源区低的光吸收。
优选地，器件可以是一单片结构(monolithic construction)。
更优选地，器件可以包括衬底层，第一覆层、芯层和第二覆层可以分别设置在该衬底层上。
优选地，第二端或小面可以包括半导体激光器件的输出部。因此，第一QWI材料可以用作激光器件的所述输出部的衍射区。使用时，该衍射区可以通过将光辐射展开，而用于减少撞击到所述小面上的光辐射的强度。
更优选地，小面包括解理的半导体上的防反射涂层。优选地，该防反射涂层可以约为1％-10％反射。第一QWI衍射区和防反射涂层的组合提供了无吸收反射镜(NAM)，其进一步提高了小面的COMD水平，因此激光器件的输出功率可以提高。
有利地，第一和第二成分无序材料(compositionally disordered material)可以是基本相同的。
QWI去除了半导体激光材料中阱的量子阱限制。更优选地，QWI可以基本上是无杂质的。QWI区可以是“蓝移”的(blue-shifted)，即在以载流子泵浦的光学有源区与QWI无源区之间存在典型地大于20-30meV，更典型地大于100meV或更大数值的差别。由于更高阶模式随着其传播经过第一成分无序激光发射材料而发生比基本模式(fundamental mode)更大的衍射损失，第一成分无序激光发射材料因此作为空间模滤波器。于是，基本模式将具有与有源区更大的重叠，且被选择性放大。半导体激光器件因此可以适于提供基本上单模的输出。
优选地，半导体激光器件还包括接触凸脊的(上部)表面和下覆层的(下部)表面的各层接触材料。替换地且优选地，接触材料可以接触凸脊的上部表面和衬底的下部表面。接触层可以提供驱动电流至光学有源或“增益”区。应当理解，此处所用的对“上部”和“下部”的称谓是为了便于说明，在使用中，器件可以以各种位置中的任意位置取向。
在本发明的一实施例中，接触凸脊上部表面的材料可以具有比凸脊的上部表面的面积更小的面积。在此实施例中，存在凸脊的未接触部分。此未接触部分可以在半导体激光器件的芯层中提供第二无源区。该第二无源区可以具有比有源区更大的带隙能量、以及因此而得的更低吸收。第二无源区可以通过如前所述的量子阱混杂来形成。
优选地，第二无源区可以是凸脊的一部分。优选地，第二无源区的一端还设置在前述位置上，使得第二无源区为激光器件的有效“输出端”。第二无源区可以有助于修正光束转向。
优选地，从该位置到器件的第二端的长度可以比器件的第一端和第二端之间的长度约小三个数量级。还优选地，第二无源区在长度上可以比无源区小得多，即前述位置和器件的第二端之间的距离。
在半导体激光器件的一实施例中，半导体激光器件可以具有：约1至5μm的凸脊宽度；至少约三倍于凸脊宽度的宽度，优选地为约15μm；约1-2mm的端部间距离；约1.5mm的第一端部和该位置之间的距离；以及具有约0.5mm长度的无源区。
优选地，半导体激光器件以III-V族材料系统制造，例如砷化镓(GaAs)或砷化铝镓(AlGaAs)，且因而可以在基本上在600和1300nm之间的波长发射激光。第一和第二成分无序材料基本上可以包括砷化铟镓(InGaAs)。然而，应当理解的是，其它材料系统也可以采用，例如磷化铟(InP)，因此也可以在基本上在1200和1700nm之间的波长发射激光。
根据本发明的第四方面，提供一种制造半导体激光器件的方法，包括步骤：
(i)顺序形成：
第一光学覆盖/电荷载流子约束层；
芯(激光发射材料)层，其中形成量子阱结构；以及
第二光学覆盖/电荷载流子约束层；
(ii)在激光发射材料层中形成无源区；以及
(iii)自第二覆层的至少一部分形成凸脊。
步骤(i)可以通过公知的生长技术进行，例如分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)。
步骤(ii)和(iii)可以交换，尽管优选的是先进行步骤(ii)再进行步骤(iii)。
优选地，无源区可以通过量子阱混杂(QWI)技术来形成，该技术优选地可以包括在无源区中形成空位，或者可以替代性地包括注入或扩散离子到无源区中，以及退火以形成芯层的成分无序区，具有比量子阱结构更大的带隙。
优选地，QWI技术可以通过形成无杂质空位来进行，更优选地可以利用损伤导入技术来获得量子阱混杂。在这种技术的优选实施方式中，该方法包括步骤：
利用双极溅射器(diode sputterer)并在基本上为氩气的气氛中在半导体激光器件材料的至少部分表面上沉积诸如氧化硅(SiO2)的介电层，以至少在该材料的邻近介电层的部分中引入点结构缺陷；
通过诸如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的非溅射技术，至少在该材料的表面的其它部分上可选择地沉积另一介电层；
退火该材料，从而将镓自该材料转移到介电层内。这种技术在也为本申请人提出的题为″Method of Manufacturing Optical Device and RelatedImprovements″的、且具有与本申请相同的提交日的同期申请中得以描述，该申请的内容在此参考引用。
优选地，在步骤(ii)中，无源区可以通过QWI形成在该区域中，以形成具有比量子阱结构大的带隙的激光发射材料成分无序区。
优选地，步骤(iii)可以通过公知的蚀刻技术获得，例如干法或湿法蚀刻。
优选地，无源区的长度比器件的长度短。这种布置提供了邻近增益区的无源区。
更优选地，至少部分无源区可以比凸脊宽。因此，无源区提供了与凸脊相邻的衍射区，其限制了QW结构中的光束。有利地，该凸脊不会延伸到所述无源区上。
优选地，该方法可以包括步骤：起初提供一衬底，该衬底上分别生长有第一覆层、芯层和第二覆层。
优选地，步骤(ii)可以通过形成无杂质空位来进行，更优选地可以采用损伤强化技术来获得量子阱混杂。
优选地，该方法可以包括步骤:将电接触层被覆到下部覆层的表面上和凸脊的表面上。替代地且优选地，电接触层可以分别被覆到衬底的下部表面上和凸脊的上部表面上。
在本发明的一实施例中，电接触层中的一个可以被覆到凸脊的一部分上，使得半导体激光器件具有有源区，以及之下的至少一个第二无源区，在凸脊的区域内。优选地，凸脊的该部分可以邻近器件的第一端，使得第二无源区设置在激光器件的“输出端”或其附近。
根据本发明的一个方面，提供一种半导体激光器件，包括：
衬底，在该衬底上形成有第一覆层、芯或导引层、以及第二覆层，该导引层包括有源激光发射材料；
光波导，其提供了横向光约束，且自该器件的第一端纵向延伸至该器件的第一端与第二端之间的一第一位置；
设置在该波导之下和/或之内的该芯或导引层内的光学有源区；
第一光学无源区，其设置在该芯或导引层内，且从该第一位置延伸至器件的该第二端，其比该波导宽，使得在使用中，来自该波导的光输出在穿过该第一光学无源区时衍射；以及
电接触材料，其设置在该波导上从而限定一比该波导的纵向长度更短的接触部分，使得提供该波导的一未接触部分，该未接触部分在该半导体激光器件的该芯层内提供第二光学无源区。
根据本发明的一个方面，提供一种制造半导体激光器件的方法，包括步骤：
(i)在衬底上顺序形成：
第一光学覆盖/电荷载流子约束层；
芯或导引层，包括有源激光发射材料；以及
第二光学覆盖/电荷载流子约束层；
(ii)形成光波导，其提供了横向光约束，且自该器件的第一端纵向延伸至该器件的第一端与第二端之间的一第一位置，从而限定一光波导结构；
(iii)形成第一光学无源区，其设置在该芯或导引层内，且从该第一位置延伸至该器件的该第二端，其比该波导宽，使得在使用中，来自该波导的光输出在穿过该第一光学无源区时衍射；
(iv)形成电接触材料，其设置在该波导上从而限定一比该波导的纵向长度更短的接触部分，使得提供该波导的一未接触部分，该未接触部分在该半导体激光器件的该芯层内提供第二光学无源区；以及
(v)在以上步骤(i)至(iv)中的至少一些步骤中，在该波导之下和/或之内的该芯或导引层内形成光学有源区。
附图说明
现在将仅借助示例，参照附图，说明本发明的多个实施例，该附图为：
图1 根据本发明第一实施例的半导体激光器件的平面图；
图2 图1的半导体激光器件的从一侧到一端的且上方的透视图；
图3 图2器件的沿线A-A的剖视图；
图4 根据本发明第二实施例的半导体激光器件的平面图；
图5 图4的半导体激光器件的从一侧到一端的且上方的透视图；以及
图6 图5器件的沿线A-A′的剖视图。
具体实施方式
首先参见图1至3，其示出根据本发明第一实施例的、总体上以10标注的半导体激光器件。器件10包括：光波导15；沿波导15的长度的一部分延伸的至少一个电接触部20，且其中该至少一个电接触部20比光波导15短。
电接触部20的一端25与光波导15的相应端30隔开。在此实施例中，光波导15为凸脊形波导，且电接触部20沿部分凸脊形波导15设置。籍此布置，凸脊形波导15的一部分或多个部分在使用时将不被电泵浦。
光波导15的长度可以为约200至2000μm，且电接触部20的长度总长度可以为约100至1900μm。
在此实施例中，凸脊形波导15的具有接触部20的部分在横向上以蚀刻部分32、35为界。
在一变体实施例中，蚀刻部分32、35可以包括限定光波导15的边界的成分无序(compositionally disordered)或量子阱混杂部分。
器件10还包括：
包括光波导15的光学有源或增益区40、以及设置在光波导15的一端的光学无源区45；其中
光学无源区45比光波导15宽，使得在使用中，光波导15的光输出随着其穿过该光学无源区45而被衍射。
以此方式，光输出得以扩展，使得撞击在器件10的输出小面50上的光强度下降，因此器件10的输出功率可以增加，而不会达到输出小面50的COMD限制。
光学有源和无源区40、45设置在第一和第二(下部和上部)光覆盖约层60、65之间的光导引或芯层55中。第一覆层60、导引层55和第二覆层65均可以具有3.0至3.5的折射率，导引层55具有比覆层60、65高的折射率。
凸脊70至少形成在第二覆层65中，且自器件10的第一端70向器件10的第一端70与第二端76之间的一位置75纵向延伸。
光导引层55包括有源激光发射材料层，该层包括量子阱结构77。
光学无源区45包括成分无序半导体材料78，该材料从或毗邻前述位置75至器件10的第二端76设置在导引层55中。
成分无序激光发射材料78具有比带量子阱结构77的导引层55更大的带隙。成分无序激光发射材料78具有比不具有成分无序的有源层55低的吸收。
如图1至3可见，器件10为包括衬底80的单片结构(monolithicconstruction)，其上，其它层60、55、65通过传统的III-V族半导体生长技术生长，例如分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)。
第二端76的输出小面50包括半导体激光器件10的输出部。成分无序激光发射材料78因此用作激光器件10的所述输出小面50处的衍射区。使用中，衍射区用于通过将光辐射散开来减小撞击到所述小面50上的光辐射(光)的强度。
小面50光学地包括解理半导体上的防反射涂层81。该防反射涂层81可以是约1％至10％反射的。衍射无源区45和防反射涂层81的结合提供了无吸收反射镜(non-absorbing mirror)(NAM)，其进一步提高了小面50的COMD水平，并且因而可以提高激光器件10的输出功率。
成分无序激光发射材料78可以通过量子阱混杂(QWI)获得，这将在以下更详细地说明。QWI去除了导引层55，即半导体激光材料中阱77的量子阱约束。更优选地，QWI可以基本上是无杂的。QWI无源区45被“蓝移”，即典型地100meV或更大的差异存在于以载流子泵浦时的光增益区40与QWI无源区45之间。因此，由于更高阶模式在其传播经过成分无序激光发射材料78时将经历比基本模式更大的衍射损失，所以成分无序激光发射材料78用作空间模滤波器。于是，基本模式将具有与有源区40的更大的重叠，且被选择性地放大。半导体激光器件10因此可以适于提供基本上单模的输出。
半导体激光器件10还包括接触凸脊70的上部表面90和衬底80下部表面95的各层金属接触材料20、85。接触层20、85为光增益区40提供了驱动电流。应当理解的是，对“上部”和“下部”的称谓是为了便于说明，在使用中，器件10可以以各种位置中的任意位置取向。接触凸脊70的上部表面90的接触材料20具有比凸脊70的上部表面90的总面积小的面积。在此实施例中，存在凸脊70的未接触部分105。此未接触部分105在半导体激光器件10的光学有源区40的端部提供了另一无源区110。第二无源区110具有比光学有源或增益区40更大的带隙能和更低的吸收。该另一无源区110可以通过QWI形成。如可从图1见到的那样，该另一无源区110横向上与凸脊70等宽。
在一优选布置中，从器件10的位置75到第二端76的长度约比器件10的第一端71与第二端76之间的长度小三个数量级。
在半导体激光器件10的这种实施例中，半导体激光器件10具有约1至5μm的凸脊宽度、至少约15μm的宽度、端部71和76间的约1-2mm的距离、第一端部71与位置75之间的约1.5mm的距离、以及具有约0.5mm长度的无源区45。
本实施例中，半导体激光器件由砷化镓(GaAs)材料系统制造，例如砷化铝镓(AlGaAs)材料系统，且因此可在600和1300nm之间，优选地在约980nm的波长发射激光。导引层55基本上可以包括砷化铟镓(InGaAs)。替代地，器件10可以以磷化铟(InP)材料系统制造，例如在1200至1700nm的波长范围内工作。
一种制造半导体激光器件10的方法包括步骤：
(i)顺序形成：
衬底80上的第一光学覆盖电荷载流子约束层60；
其中形成有量子阱结构60的导引(激光发射材料)层55；以及
第二光学覆盖约束层65；
(ii)在激光发射材料层55中形成无源区45；以及
(iii)自上部覆层65的至少一部分上形成凸脊70。
步骤(ii)和(iii)可以交换。
在此实施例中，无源区45通过量子阱混杂(QWI)技术形成，该技术包括在无源区45中形成空位，或者可以替代地包括注入或扩散离子到无源区45中，以及退火以形成导引层的具有比量子阱结构77更大的带隙的成分无序区。
QWI技术通过形成无杂质空位来进行，且有利地采用损伤诱导技术(damage induced technique)来获得量子阱混杂。该技术要求利用双极溅射器、且在基本上为氩气的气氛中沉积诸如氧化硅(SiO2)的介电层到半导体激光器件材料的至少部分表面上，以至少在邻近介电层的材料部分中引入点结构缺陷；
可选地，通过诸如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的非溅射技术来在材料表面的至少另一部分上沉积其它介电层；
退火该材料，从而将镓自该材料转移到介电层中。
制造此第一实施例的器件10的方法还包括或包含以下参照器件的第二实施例的制造方法所描述的步骤。
在步骤(ii)中，无源区45有利地通过QWI形成入区域45内，以形成激光发射材料层55的成分无序区78，该成分无序区具有比量子阱结构60大的带隙和小的吸收。
步骤(iii)可以通过公知的蚀刻来获得，例如湿法蚀刻或干法蚀刻。
如可从图1至3看到的那样，无源区45的长度在此实施例中比器件10的长度短。此布置提供了与光学增益区40相邻的无源区45。
如可从图2看出的那样，至少部分无源区45比凸脊75宽。因此，无源区45提供了靠近约束QW结构60中的光束的凸脊75的衍射区。凸脊70在此实施例中未延伸到所述无源区45上。
该制造方法包括步骤：在衬底80的下部表面95上和凸脊75的上部表面90上被覆接触层85、20。接触层80被覆到凸脊70的一部分上，使得半导体激光器件10具有有源区40，以及凸脊75下方的至少一个第二无源区110。凸脊70的该部分邻近器件10的一端，使得第二无源区110设置在激光器件10的第一端71或其附近。第二无源区110可以通过QWI技术以与无源区45相似的方式形成。
涂层71、81示于图1中，它们分别形成半导体激光器件10的后反光镜和输出耦合器。涂层71、81至少部分覆盖器件10的第一和第二端部70、76。涂层71为高反射涂层，即典型地＞90％，其与光学无源QWI区110一起提供了无吸收反射镜(NAM)。光学无源区110位于增益区40的输出部，并用作衍射区。衍射区通过将光辐射散开来减小撞击在第二端76上的光辐射(光)的强度。防反射涂层81将1％与10％之间的光辐射百分数反射回激光器件10中，并将其余的光辐射作为激光器件的输出而发送出。
成分无序激光发射材料区45、78、110通过量子阱混杂(QWI)如下所述地获得。QWI消除了半导体激光发射材料层或导引层55中阱的量子阱约束。在此实施例中，QWI为无杂的，且被“蓝移”，即在以载流子泵浦的光学有源区40与QWI无源区45、110之间存在典型地大于20-30meV，更典型地大于约100meV或更大数值的差别。由于更高阶模式随着其传播经过区域45而发生比基本模式更大的衍射损失，所以无源区45作为空间模滤波器。于是，基本模式将具有与增益区40更大的重叠，且被选择性放大。半导体激光器件10因此有利于单模输出。
现在参见图4至6，示出一种根据本发明第二实施例的、总体上用10a标注的半导体激光器件。器件10a的相同的部件用与第一实施例的器件10相同的附图标记表示，只是添加后缀“a”。
第二种器件10a与第一种器件10之间的区别在于，在器件10a中，在凸脊70a下方、以及接触部20a的端部155a与位置75a之间设置再一QWI无源区150a，也就是说，接触部20a在未到达位置75a时即终止。如可从图4见到的那样，该再一无源区150a在此实施例中在长度上远小于无源区45。
该再一无源区150a的端部160a设置在位置75a，使得该再一无源区150a在使用中可以辅助防止输出光束的转向(beam steering)。区域150a用作空间模滤波器，其比衍射无源区45a更具辨别力。也就是说，由于波导15a要被构造成单模的，所以该再一无源区150a在使用中由于其未注入电流而将保持单模。
在工作时，无接触部的该再一无源区150a基本上没有因输入载流子导致的非线性效应，因此避免了随电驱动电流的改变而使输出光束转向，于是对光束转向进行了修正。相似的布置在器件10a的NAM工作的第一端71a存在。
此实施例还具有如上参照第一实施例所述的衍射无源区45贡献的优点。
具体参见图6，现在将说明用于制造半导体激光器件10a的方法，该方法的至少一些部分也适用于第一实施例的器件10。
该方法的开头是提供衬底80a。衬底80a可以是砷化镓(GaAs)，也可以被高度n型掺杂。衬底80a上生长的是第一光学覆盖/电荷载流子约束层60a。第一电荷载流子约束层60a可以包括砷化铝镓(AlGaAs)，且可以被n型掺杂到第一浓度。此例如具有约3.0至3.5的折射系数的第一覆层60a通常为1至3μm厚。生长在第一覆层60a上的是光学有源导引芯半导体激光发射材料层55a。此层55a也包括AlGaAs。层55a基本上是本征的。例如具有约3.0至3.5的折射率的有源层55a通常生长至几百nm厚。在层55a中，提供量子阱结构77a。
在层55a上，生长第二覆层65a。第二覆层65a为p型，具有基本上与下部覆层的浓度相等的掺杂浓度。第二覆层65a也由AlGaAs制造，具有与第一覆层60a相似的厚度、成分和折射系数。于是，量子阱(QW)结构77a夹在分别为n型和p型层的第一和第二覆层60a、65a之间。有源层55a具有比覆层60a、65a更低的铝(Al)含量。有源层55a具有比覆层60a、65a更大的折射系数。
然后将选择性QWI掩模(未示出)放置在器件10a的将不成为QWI的部分上。本实施例中优选地用于在量子阱结构77a中和周围形成量子阱混杂的技术为利用空位的损伤诱导技术。然而，应当理解，在本发明的范围内，可以使用任何其它实现量子阱结构77a与量子阱混杂无源区45a、105a之间带隙能的不同的量子阱混杂技术。优选的损伤诱导技术需要溅射的氧化硅(SiO2)遮盖沉积在器件10a上。在沉积SiO2薄层后，器件可以接着被加热到高温以对其进行退火。
一旦器件10a退火后，一旦适当的蚀刻掩模被放置到定义凸脊70a的区域上，则第二覆层65a的其每一侧上将要定义凸脊70a的部分通过公知的蚀刻技术蚀刻。
金属接触部20a、85a于是可以通过公知的光刻技术分别沉积到凸脊70a和衬底80a上，以供器件10a的电驱动用。
于是，图5中以剖视图显示的器件10a为单片半导体激光器件结构。激光器件10a的有源或增益部分40a在层55a中，并被以上的凸脊70限制在量子阱结构77a内。量子阱结构77a周围的QW混杂区45a、110a、150a如前所述那样布置。
通过改变QWI掩模的大小，并通过在器件10a上进行QWI超过一次，可以形成多重QWI无源区45a、110a、150a。此外，QWI掩模可以仅用于衍射无源区45a中的QW混杂，于是形成器件10a，其中波导15a仅通过上面的凸脊70a定义。
前述的两个实施例均在层55、55a中包括部分45、45a，其因无源而是衍射的、且延伸穿过器件10、10a的宽度。于是，半导体激光器件10、10a在单模折射系数组合半导体波导激光器的端部具有衍射区45、45a。衍射区45、45a有效地是无源板层波导区，其中光辐射允许被衍射。
由于衍射角受控于凸脊波导70、70a与器件10、10a的其它区之间的相对折射系数，所以衍射区45、45a有效地降低了输出端81、81a上光的强度，而不减小器件10、10a的输出功率或亮度。无源板层波导衍射区45、45a还可以用作空间模滤波器，因为它们主要是激光谐振腔中的衍射区。其优点在于，高阶波导模式在其传播经过衍射区45、45a时将经历比基本模式更大的衍射损失。于是，基本模式将具有与增益区40的更大的重叠，并且被选择性放大。于是，对于本发明而言，有利的是，衍射区45、45a具有比器件10、10a的光学有源区40、40a更大的带隙能。
无杂混杂在本发明中有利地被使用，因为这导致了带隙能的增加，而不通过杂质的添加增加光损失。
本发明的再一优点是，器件输出部的无源量子阱混杂区使离开增益区的光辐射衍射。器件10、10a端部的增大的光束尺寸在每个小面上增加了COMD水平，因此可获得更高的输出功率。与不具有衍射区的器件相比，对折射系数的变化的仔细选择保持了输出光束的模式为具有水平发散的基本模式。
本发明的再一优点是，可以在接触部20与85和20a与85a之间使用高的驱动电流，而没有更高阶模式传播的危险。公知的是，半导体激光器件中的驱动电流增加，在增益区周围部分中的折射系数中发生非线性现象。折射系数的改变允许达到被维持为“弯曲电流(kink-current)”的更高阶模式。本发明消除了这种情形，因为这些高阶模式在QWI区域中经历了更大的发散角。此外，光束转向和额外模式的辨别从再一无源区150a获得。
本领域技术人员应当理解的是，可以对本发明进行各种修改而不脱离本发明的范围。
应当更具体地了解，本发明的具备比波导短的电接触部的实施例的优点在于，波导的没有电接触部的部分在使用中保持为单模的，由于它/它们中没有电流注入。
对所公开实施例的改进可以采用掩埋异质结构波导以取代已公开的凸脊。

Claims (27)

1.一种半导体激光器件，包括：
衬底，在该衬底上形成有第一覆层、芯或导引层、以及第二覆层，该导引层包括有源激光发射材料；
光波导，其提供了横向光约束，且自该器件的第一端纵向延伸至该器件的第一端与第二端之间的一第一位置；
设置在该波导之下和/或之内的该芯或导引层内的光学有源区；
第一光学无源区，其设置在该芯或导引层内，且从该第一位置延伸至器件的该第二端，其比该波导宽，使得在使用中，来自该波导的光输出在穿过该第一光学无源区时衍射；以及
电接触材料，其设置在该波导上从而限定一比该波导的纵向长度更短的接触部分，使得提供该波导的一未接触部分，该未接触部分在该半导体激光器件的该芯层内提供第二光学无源区。
2.如权利要求1所述的半导体激光器件，其中该第二光学无源区形成在该器件的该第一端，且还包括邻近该第一位置形成的第三光学无源区。
3.如权利要求1所述的半导体激光器件，其中，该有源激光发射材料层包括原生的量子阱结构。
4.如权利要求1所述的半导体激光器件，其中，该第一光学无源区包括自或相邻于该器件的该第一位置至该第二端设置的第一成分无序或量子阱混杂区。
5.如权利要求4所述的半导体激光器件，其中，提供有横向限定该光学有源区的界限的第二成分无序区。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的半导体激光器件，其中，该器件为单片结构。
7.如权利要求4所述的半导体激光器件，其中，该第二端包括半导体激光器件的输出部，且该第一量子阱混杂区在使用中用作该激光器件的所述输出部的衍射区，以通过将光辐射散开来减小撞击在所述第二端的小面上的光辐射的强度。
8.如权利要求7所述的半导体激光器件，其中，该小面在解理的半导体上包括防反射涂层。
9.如权利要求5所述的半导体激光器件，其中，该第一和第二成分无序区具有基本上相同的材料。
10.如权利要求1所述的半导体激光器件，还包括接触该衬底表面的电接触材料。
11.如权利要求1所述的半导体激光器件，其中，该第二光学无源区设置在该器件的与该第一光学无源区相对的一端。
12.如权利要求1所述的半导体激光器件，其中，从该第一位置到该器件第二端的长度比该器件的第一与第二端之间的长度小三个数量级。
13.如权利要求1所述的半导体激光器件，其中，该半导体激光器件具有1至5μm的波导宽度、至少三倍于该波导宽度的器件宽度、1至2mm的该第一和第二端之间的距离、1.5mm的该第一端与该第一位置之间的距离、以及0.5mm的该第一位置与该第二端之间的距离。
14.如权利要求1至5、以及7至13中的任一项所述的半导体激光器件，其中，该半导体激光器件以III-V族半导体材料系统来制作。
15.如权利要求14所述的半导体激光器件，其中，该III-V族半导体材料系统为砷化镓基系统，其在600与1300nm之间的波长发射激光。
16.如权利要求9所述的半导体激光器件，其中，该第一和第二成分无序材料主要包括砷化铟镓。
17.如权利要求14所述的半导体激光器件，其中，该III-V族半导体材料系统为磷化铟基系统，其在1200与1700nm之间的波长发射激光。
18.如权利要求1所述的半导体激光器件，其中，该光波导是形成在至少该第二覆层中的凸脊形波导。
19.如权利要求18所述的半导体激光器件，其中，该电接触材料接触该凸脊的表面。
20.一种制造半导体激光器件的方法，包括步骤：
(i)在衬底上顺序形成：
第一光学覆盖/电荷载流子约束层；
芯或导引层，包括有源激光发射材料；以及
第二光学覆盖/电荷载流子约束层；
(ii)形成光波导，其提供了横向光约束，且自该器件的第一端纵向延伸至该器件的第一端与第二端之间的一第一位置，从而限定一光波导结构；
(iii)形成第一光学无源区，其设置在该芯或导引层内，且从该第一位置延伸至该器件的该第二端，其比该波导宽，使得在使用中，来自该波导的光输出在穿过该第一光学无源区时衍射；
(iv)形成电接触材料，其设置在该波导上从而限定一比该波导的纵向长度更短的接触部分，使得提供该波导的一未接触部分，该未接触部分在该半导体激光器件的该芯层内提供第二光学无源区；以及
(v)在以上步骤(i)至(iv)中的至少一些步骤中，在该波导之下和/或之内的该芯或导引层内形成光学有源区。
21.如权利要求20所述的制造半导体激光器件的方法，其中，步骤(i)通过从分子束外延和金属有机化学气相沉积中选出的生长技术来进行。
22.如权利要求20所述的制造半导体激光器件的方法，其中，该第一无源区通过量子阱混杂技术来形成，该技术包括在该第一无源区中形成空位，并退火以形成该芯层的成分无序区，其具有比该量子阱结构更大的带隙。
23.如权利要求22所述的制造半导体激光器件的方法，其中，该量子阱混杂技术包括步骤：
利用双极溅射器并在基本上为氩气的气氛中在该半导体激光器件材料的至少部分表面上沉积介电层，以至少在该材料的邻近该介电层的部分中引入点结构缺陷；
通过非溅射技术，至少在该材料的表面的其它部分上可选地沉积另一介电层；以及
退火该材料，从而将离子或原子自该材料转移到该介电层内。
24.如权利要求20所述的制造半导体激光器件的方法，还包括步骤：邻近该器件的该第一端形成该波导的该第二光学无源区。
25.如权利要求20所述的制造半导体激光器件的方法，还包括步骤：邻近该器件的该第一端形成该波导的该第二光学无源区，且邻近该第一位置形成该波导的第三光学无源区。
26.如权利要求20所述的制造半导体激光器件的方法，其中，该光波导在至少该第二覆盖层内形成为凸脊形波导。
27.如权利要求26所述的制造半导体激光器件的方法，其中，该电接触材料形成在该凸脊的该表面上。
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