CN1251370C - 半导体激光器与光通信用元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供可以出射角度无偏移地输出激光的、具有窗口结构的半导体激光器。在激活层上发生的光经窗口部分出射的这种半导体激光器中，在衬底上形成的窗口部分中设有：以第一载流子浓度形成的第一半导体层，以及以比第一载流子浓度低的第二载流子浓度形成的包含激活层延长面的第二半导体层。在窗口部分中的第二半导体层的上方还设有以第三载流子浓度形成的第三半导体层，窗口部分的光的折射率分布，以激活层的延长面为中心在层叠方向上成对称。从而产生的激光均等地传播，因此，能使激光在垂直方向(层叠方向)上无偏移地出射。

Description

半导体激光器与光通信用元件
技术领域
本发明涉及半导体激光器和由半导体激光器与其他光学元件集成的光学元件。
背景技术
除面发光激光器等特殊的激光器以外，半导体激光器的出射端面一般通过解理面的劈开而形成，劈开后，根据半导体激光器的用途，出射端面设置成高反射镀层，低反射镀层，无反射镀层等镀膜方式。
半导体激光器存在的问题是，出射激光的端面上的反射光会返回到半导体激光器的激活层。例如用于光通信的分布反馈型激光器(Distribution Feedback Laser Diode；DFB-LD)，特别是其中称为λ/4移相DFB-LD的激光器。这样的激光器的端面上形成无反射的镀层，该无反射镀层指形成理想化反射率为0的镀膜的镀层。虽然反射率为0是最佳，但是由于镀膜的加工精度无法提高等原因，无法完全达到0，所以即使形成了无反射镀层，实际上激光出射端面上还会发生反射。
要求端面为无反射的激光器，之所以大多采用所谓的窗口结构(关于窗口结构的原理请参照非专利文献1)，是因为利用窗口结构可使从端面反射回来的光无法返回半导体激光器的激活层。
通过采用窗口结构，可使反射回来的光无法返回激活层，理由如下：首先，因为窗口结构部分不存在波导结构，从激活层入射到窗口结构部分的光将渐渐边扩展边传送，其结果是激光器端面上光的强度分布形成扩展状态。尽管加了无反射镀层后到达端面的那部分光还有少量被反射，但是因为光强度的分布被扩展，发射光中的相当部分无法返回激活层。所以设置窗口结构后可以更有效地降低反射率。
此外，与分布反馈型激光器相同，为了有效降低端面的反射率，窗口结构也被用于集成了调制器和激光器等的元件上。窗口结构还可进一步用于大功率激光器，大功率激光器的端面上，光密度高的场合，容易发生局部的温度上升，导致端面部分由于发热引起损坏。为了避免此问题，需要采用窗口结构逐渐地扩展光，以有效降低在端面的光密度。
(非专利文献)IEEE Journal of Quantum Electronics(IEEE量子电子学杂志)，Vol.QE-20，No.3，pp.236-245(1984)
发明所要解决的课题
传统的窗口结构降低了反射回来的光和光密度，但是存在出射光的出射角度在上下方向(与出射方向垂直的方向)容易偏移的问题。其理由如下述。
半导体激光器以激活层为中心，在层叠方向实质上容易形成非对称结构。半导体激光器是二极管，由p型半导体和n型半导体构成。通常，若激活层的下侧为p型则上侧为n型，反之下侧为n型则上侧为p型。由于在激活层的一侧设置将电流集中在宽度为1～2μm的激活层上的电流狭窄结构，这成为非对称的原因之一。
即使是采用InP类和GaAs类材料的半导体激光也是一样，不仅导电型而且载流子浓度分布也容易形成垂直方向的非对称，这是因为制作元件时提高p型载流子浓度比较困难。当载流子浓度不均匀时，由于称为等离子体效果的现象的存在，材料的折射率会发生变化。其结果是元件内的光的折射率会具有垂直方向的非对称性，同时窗口部分也不例外，以激活层的延长面为中心，层叠方向的折射率在垂直方向上为非对称。
因载流子浓度分布造成的材料折射率非对称的半导体激光器中，可以发现光的出射角度在垂直方向(层叠方向)偏移的现象，这是由于光的传送回避折射率低的部分的缘故。
以下，具体说明光的出射角度偏移的例子。传统的激光器，窗口部分的光轴(激活层的延长面)正下方存在高载流子浓度的n型InP层。由于n型InP层具有电流阻挡层的作用，并且载流子浓度低时高温、高输出功率特性会恶化，因此提高了载流子浓度。结果，由于上述等离子体效果折射率变化，高载流子浓度n型InP层折射率比其上方的p型InP层或n型InP层的折射率约低0.6％。因此随着出射光在窗口部分的传送向上方弯折，以约5～10°角度从端面向上方出射。
如出射光的出射角度偏移，就会发生例如激光器的出射光和光纤耦合时耦合效率降低等的问题。
发明内容
本发明旨在提供能够出射角无偏移地出射光的、具有窗口结构半导体光学元件。
(解决课题的手段)
本发明的一种在活层上产生的光经窗口部分射出的半导体激光器，其特征在于，在衬底上形成的所述窗口部分中设有：以第一载流子浓度形成的第一电流阻挡层；以及在所述第一电流阻挡层上以比所述第一载流子浓度低的第二载流子浓度、包含所述激活层的延长面地形成的第二电流阻挡层；在所述第二电流阻挡层的上方还设有以第三载流子浓度形成的折射率调整层，用以使所述窗口部分的光的折射率分布以所述激活层的延长面为中心在层叠方向上对称。由此，达成上述目的。
所述第三载流子的浓度和所述第一载流子的浓度相等。
所述折射率调整层层叠在所述第二电流阻挡层上。
所述折射率调整层在所述第二电流阻挡层上层叠的包层上层叠。
所述折射率调整层也可以进而设置到所述激活层的上方。
所述衬底是p型InP衬底，所述第一电流阻挡层和所述折射率调整层是n型InP层。
所述第二电流阻挡层由InGaAsP形成。
将光调制器跟本发明的上述半导体激光器集成，便可获得光通信用元件。
附图说明
图1中(a)是实施例1的半导体激光器的剖面图，(b)是(a)中A-A’线处的半导体激光器10的剖面图。
图2表示通过BPM计算半导体激光器发生的激光的传播形式的结果。
图3中(a)是实施例2的半导体激光器的剖面图，(b)为(a)中的A-A’线处的半导体激光器的剖面图。
(符号说明)
1：p型InP衬底；2：InGaAsP激活层；3：n型InP包层；4：n型InP电流阻挡层；5：p型InP电流阻挡层；6：n型InP折射率调整层；7、8：电极；9：光的出射方向
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的实施例。
(实施例1)
图1(a)是实施例1的半导体激光器10的剖面图，(b)是(a)中A-A’线处的半导体激光器10的剖面图。本实施例的半导体激光器10的光出射端面上设有窗口部分。这里的“窗口部分”指的是具有从InGaAsP激活层2的端面到半导体激光器10的出射端面的宽度的、介于电极7和电极8之间的区域。通过设置窗口部分，在InGaAsP激活层2发生的光从该层2射出后经窗口部分出射到半导体激光器10的外部。
半导体激光器10中有：P型InP衬底1、InGaAsP激活层2、n型InP包层3、n型InP电路阻挡层5、n型InP折射率调整层6、电极7和8。半导体激光器10中，从电极7和8注入的空穴和电子在InGaAsP激活层2耦合发光。光向所有方向发射，但只将InGaAsP激活层2中平行方向的光取出。然后，光经由窗口部分向外部射出。
实施例1的特征在于，通过设置调整了载流子浓度的InP折射率调整层6使窗口部分中光轴方向上的折射率分布成为相等。以激活层2的延长面为中心，因为层叠方向的折射率分布上下对称，发生的光将均等地传播，且在垂直方向(层叠方向)上无偏移地出射。
以下说明半导体激光器10的形成工序。其结构如图1(a)和(b)所示的半导体激光器10，通过用外延生长法层叠各层、用蚀刻将预定的部位去掉而形成。作为外延生长法，例如可以采用有机金属气相生长法(MOVPE)和有机金属分子束生长法(MOMBE)。前一方法中，包含生长的有机金属的气体向衬底上流动，通过衬底表面上的化学反应而生长；后一方法中，使有机金属在高真空中向衬底蒸发，并使之在衬底上附着生长。
以下，说明采用MOVPE法的具体层叠步骤。首先，在p型InP衬底1上层叠InGaAsP激活层2。然后，通达蚀刻去除InGaAsP激活层2上的一部分。蚀刻进行到符号4所示的层的下部。然后，依次层叠n型InP电路阻挡层4、p型InP电路阻挡层5、n型InP折射率调整层6以及n型InP包层3，最后形成电极7和8。
本实施例中，p型InP衬底1的载流子浓度，例如为5×1018个/cm3。以下，「个/cm3」简单表示为「cm-3」。其他层的载流子浓度是：n型InP包层3为1×1018cm-3、n型InP电流阻挡层4为8×1018cm-3、p型InP电流阻挡层5为1×1018cm-3、n型InP折射率调整层6为8×1018cm-3。n型InP电流阻挡层4是为了使电流集中到InGaAsP激活层2而设置的。n型InP电流阻挡层4的载流子浓度高，是为了获得良好的高温、高输出功率特性。
半导体激光器10中，一方面窗口部分光轴的正下方存在高载流子浓度的n型InP电流阻挡层4，另一方面光轴的正上方设置了同样载流子浓度的n型InP折射率调整层6。所以，窗口部分折射率的分布以激活层2的延长面为中心，层叠方向(垂直方向)上大致对称。其结果是发生的光将均匀地传播，在垂直方向(层叠方向)上无偏移地出射。图2是半导体激光器10发生的光传播形式通过BPM计算结果表示的图。从图中可明显看出，光的出射方向实际上是水平的，光的出射角度不存在偏移。
(实施例2)
实施例2中，说明在整个共振器范围内层叠n型InP折射率调整层6的半导体激光器。
图3(a)是实施例2的半导体导体激光器30的剖面图，(b)是(a)中A-A’线处的半导体激光器30的剖面图，本实施例的半导体激光器30具有与实施例1一样的窗口结构。
半导体激光器30的层结构除n型InP折射率调整层6的位置与范围以外和半导体激光器10(图1)的一样。以下，主要说明n型InP折射率调整层6。另外，各层的浓度和实施例1的相同。
n型InP折射率调整层6插入n型InP包层3而形成，也就是n型InP折射率调整层6设置在层叠在InGaAsP激活层2和p型InP电流阻挡层5上的n型InP包层3上。在n型InP折射率调整层6上面再层叠n型InP包层3。这样的结构，可以通过在层叠了实施例1说明的p型InP电路阻挡层5后，层叠n型InP包层3、n型InP折射率调整层6以及n型InP包层3得到。通过这样的结构，也可以得到以激活层2的延长面为中心，在层叠方向(垂直方向)上大致对称的结果。因此光9的出射角不发生偏移。
但是因为整个共振器存在高载流子浓度(折射率调整层6)，所以因自由载流子吸收导致激光器的阈值电流增加，从而使效率低下。因此，需要采用这样的结构：不是将整个n型InP包层设置成高载流子浓度层，而是在n型InP包层3的一部分中插入折射率调整层6，从而将自由载流子吸收的影响控制到最小限度。
以上说明了实施例1和2。这些实施例中，作为例子将n型InP包层4的载流子浓度设为8×1018cm-3。但是，也有基于高温特性的改善等目的，例如，将n型InP阻挡层4的载流子浓度增加到约2×1019cm-3的情况。这种场合，有必要增加窗口部分光轴附近的平均折射率。其理由如下：由于n型InP包层4的折射率比周围的InP低2％，在采用实施例1或2所述的发明的场合，窗口部分的光由附近的平均折射率比周围包层3低，由于反波导作用光束分开为上下两支传播。因此，将p型InP阻挡层5(图1的(a)、(b)、图3的(a)、(b))设为p型InGaAsP是有效的。但是，为了得到良好的高温、高输出功率特性，在可能的限度内可将InGaAsP的组成设为接近InP的组成(例如得到1.24eV以上的带隙的组成)。因此，即使在n型InP阻挡层的载流子浓度非常高的场合，也可以得到光的出射角度无偏移的半导体激光器。
以上实施例1和2的说明中，特别规定了各层的导电型，但是这只是例子，本发明的应用不以此为限定。
本发明适用于任何具有图1和图3(a)和(b)所示结构的激光器。例如，设有衍射光栅的分布反馈型激光器(Distribution FeedbackLaser(Diode)；DFB激光器)。所谓分布反馈型激光器，就是共振器内用衍射光栅构成反射面的激光器。由于衍射光栅而形成单模振荡，可以输出特定波长的光。由于获得特定的波长，可用于超高速、长距离的光通信。并且，作为另一例，本发明也可适用于λ/4移相的DFB激光器。这是一种将半导体激光器的纵模单一化的激光器，通过将衍射光栅的相位向中心偏移π，只使满足布拉格条件的最低次的模共振而被设为单模。本发明也能适用于高输出功率的激光器。因为设有窗口结构能够降低光密度，同时能够光轴不倾斜地出射光。
上述实施例说明了关于由InP系材料构成的激光器，但是本发明也适用于采用GaAs系等其他材料的激光器。
本发明的半导体激光器可用于光通信。光通信中需要对光加以调制以叠加信号。据知，为进行光调制，有调制半导体激光器驱动功率的直接调制和以光源以外的手段调制半导体激光器输出的激光的外部调制。采用外部调制的调制器一般称为光调制器。光调制器按照信号在调制器中引起物理变化，调制光的强度、相位等。即使单片集成本发明的半导体激光器和这种光调制器而构成光通信用元件，本发明的优点照样能够实现。也就是，由于本发明的半导体激光器消除了光轴偏移，能够实现不使与光纤耦合的效率降低的光通信。
(发明效果)
由于窗口部分中，设置调整了载流子浓度的层6，光的折射率分布以激活层延长面(光轴)为中心在层叠方向上相等。由此，所发生的光得以均等地传播，能够在垂直方向(层叠方向)上避免偏移地出射光。

Claims (7)

1.一种在激活层上产生的光经窗口部分射出的半导体激光器，其特征在于，在衬底上形成的所述窗口部分中设有：
以第一载流子浓度形成的第一电流阻挡层；以及
在所述第一电流阻挡层上以比所述第一载流子浓度低的第二载流子浓度、包含所述激活层的延长面地形成的第二电流阻挡层；
在所述第二电流阻挡层的上方还设有以第三载流子浓度形成的折射率调整层，用以使所述窗口部分的光的折射率分布以所述激活层的延长面为中心在层叠方向上对称。
2.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于：所述第三载流子浓度跟所述第一载流子浓度相等。
3.如权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于：所述折射率调整层在所述第二电流阻挡层上层叠。
4.如权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于：所述折射率调整层在所述第二电流阻挡层上层叠的包层上层叠。
5.如权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于：所述折射率调整体层还进而设置到所述激活层的上方。
6.如权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于：
所述衬底为p型InP衬底；
所述第一电流阻挡层和所述折射率调整层为n型InP层。
7.如权利要求6所述的半导体激光器，其特征在于：所述第二电流阻挡层由InGaAsP形成。
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