CN1292522C - 半导体激光器装置 - Google Patents

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Abstract

半导体激光器装置，在至少一个激光器芯片的光出射面上，形成了反射率大于等于83%的电介质多层膜，电介质多层膜包含由氧化钽(Ta2O5)构成的电介质薄膜、以及由氧化铝(Al2O3)、氧化硅(Si)等电介质氧化物构成的其它电介质薄膜。氧化钽的光吸收系数小于硅(Si)膜，由于伴随着发光的热稳定性比氧化钛(TiO2)膜优秀，因此能够大幅改善COD恶化。

Description

半导体激光器装置
技术领域
本发明涉及形成有电介质多层膜的半导体激光器装置。
背景技术
半导体激光器一般是通过晶片解理来形成谐振器端面，在该谐振器端面上形成电介质薄膜。通过任意选择在该端面上形成的该电介质的种类、膜厚以及层数，能够将其控制到所希望的反射率。
这种反射膜不仅要求可任意控制反射率的特性，而且还要求不容易产生由于瞬间光学损伤(严重光学损伤：以下简称为COD)而引起恶化的特性。所谓COD恶化是指激光被激光元件端面的膜所吸收而使膜发热，温度上升的结果是发生膜的熔解从而导致端面损毁。
例如，在得到反射率40％以上的反射膜的情况下，一般而言，是使用了交替层叠低折射率膜和高折射率膜材料的电介质多层膜。举出以下文献作为相关的在先技术。
(专利文献1)
特开平10-247756号公报
(专利文献2)
特开2001-267677号公报
(专利文献3)
特开2002-305348号公报
例如，特开2001-267677号公报是采用由Al2O3膜和含氧的Si膜构成的5层多层反射膜作为在半导体激光器的后端面上形成的高反射膜，通过在Si膜的成膜工艺中导入氧来降低Si的衰减系数，从而防止COD恶化。但是，随着激光的振荡波长的波长变短以及输出变高，Si膜变为具有这样一种光吸收系数：使得在超过一定限度时发生COD恶化。
特开平10-247756号公报是采用氧化钛(TiO2)和氧化硅(SiO2)的多层膜，作为半导体激光器的光出射端面上形成的反射膜，来改善COD级别。但是，氧化钛由于伴随发光的热稳定性低，因而容易引起时效恶化，所以，担心由于膜厚和折射率的变化而产生反射率变化，从而最终引起COD恶化。
特开2002-305348号公报是采用氧化铌(Nb2O3)和氧化硅(SiO2)的多层膜，作为在振荡波长400nm的半导体激光器的谐振器端面上形成的反射膜。
在以往的半导体激光器中，研究了使用硅(Si)膜、氧化钛(TiO2)膜等高折射率膜。但是，在上述膜结构中，随着今后激光器的输出变高，伴随着发光，激光器端面的温度上升，因此，我们担心伴随着COD恶化以及膜厚和折射率的变化而产生反射率变化等时效变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于解决上述问题的形成有电介质多层膜的半导体激光器，借助于使用光吸收系数小于硅(Si)、伴随发光的热稳定性优于氧化钛(TiO2)膜的材料来构成电介质多层膜，而大幅改善COD恶化。
根据本发明的半导体激光器装置，在激光器芯片的至少一个光出射面上，形成反射率大于等于83％的电介质多层膜，其特征在于，设激光器芯片的振荡波长为λ，电介质多层膜包含多层交替设置的由氧化钽构成的电介质薄膜，其中，多层由氧化钽构成的电介质薄膜层的总厚度为3λ/4以上。
在本发明中，电介质多层膜最好含有由氧化铝构成的电介质薄膜，以及由氧化钽构成的电介质薄膜。
此外，电介质多层膜包含由氧化铝构成的电介质薄膜作为与激光器芯片连接的膜，最好还包含由氧化硅构成的电介质薄膜、以及由氧化钽构成的电介质薄膜。
通过这样构成，在使用氧化钽(Ta2O5)膜构成电介质多层膜的情况下，由于即便因电介质多层膜上的光吸收而发生温度上升，折射率变化以及膜厚变化也很小，因此，能够大幅改善电介质多层膜的时效恶化和COD恶化。
附图说明
图1A是显示本发明第1实施方式的结构图，图1B是显示高反射膜10的结构的放大图，图1C是就高反射膜10的反射率而显示其波长依赖性的曲线图。
图2是就氧化钽(Ta2O5)膜和氧化钛(TiO2)膜的折射率和膜厚而言，显示其温度依赖性的曲线图。
图3A是显示本发明第2实施方式的结构图，图3B是显示高反射膜20的结构的放大图，图3C是就高反射膜20的反射率而言，显示其波长依赖性的曲线图。
图4是显示对于半导体激光器的驱动电流之光输出特性的一个例子的曲线图。
具体实施方式
本申请是以2003年4月23日在日本申请的特愿2003-118151号为优先权的基础而作出的，该部分的内容通过参照该申请而被纳入本申请内。
以下，将参照附图来说明最佳实施方式。
实施方式1
图1A是显示本发明第1实施方式的结构图，显示了沿着光轴的垂直剖面。激光器芯片由GaAs等半导体衬底1、有源层2、有源层2上方以及下方形成的包层3、以及在包层3的上方和下方形成的电极4等构成。
半导体激光器由上述激光器芯片、在激光器芯片前端面上形成的低反射膜9、在激光器后端面上形成的高反射膜10等构成。一般而言，设定低反射膜9以使其具有小于等于15％的反射率，设定高反射膜10以使其具有大于等于40％的反射率。
低反射膜9和高反射膜10是使用蒸镀、溅射、CVD(化学汽相生长)等成膜工艺来形成的。在激光器前端面和激光器后端面之间构成光谐振器，在有源层2上振荡的激光的大部分作为输出光Lo从低反射膜9出射，激光的一部分也从高反射膜10出射。
图1B是显示高反射膜10结构的放大图。高反射膜10从连接到激光器芯片一侧开始，依次由以下部件构成：折射率n11和膜厚d11的电介质薄膜11、折射率n12和膜厚d12的电介质薄膜12、折射率n13和膜厚d13的电介质薄膜13、折射率n14和膜厚d14的电介质薄膜14、折射率n15和膜厚d15的电介质薄膜15、折射率n16和膜厚d16的电介质薄膜16、折射率n17和膜厚d17的电介质薄膜17、折射率n18和膜厚d18的电介质薄膜18、以及折射率n19和膜厚d19的电介质薄膜19。
一般来说，电介质多层膜是高折射率的电介质薄膜和低折射率的电介质薄膜交替重复层叠的。各电介质薄膜的膜厚被设定为换算成光学长度的振荡波长λ之1/4即λ/4的整数倍，并根据电介质薄膜的折射率的大小来调整为适当的膜厚。
在本实施方式中，高反射膜10含有由氧化钽(Ta2O5)构成的电介质薄膜，以及由氧化铝(Al2O3)构成的电介质薄膜。如后所述，氧化钽由于对于加热而引起的温度上升具有折射率变化量以及膜厚变化量小的特性，因此作为电介质多层膜是合适的。
接下来，就高反射膜10的具体结构例子进行说明。这里，显示了在振荡波长λ＝660nm的红色半导体激光器上形成高反射膜10的例子。激光器芯片的等效折射率为3.817。
如图1B所示，按照从连接到激光器芯片一侧开始的顺序，作为第1层的电介质薄膜11由折射率n11＝1.641的氧化铝(Al2O3)构成，将膜厚d11设定为与光学长度换算下的λ/4相当的100.5nm。
作为第2层的电介质薄膜12由折射率n12＝2.031的氧化钽(Ta2O5)构成，将膜厚d12设定为与光学长度换算下的λ/4相当的81.2nm。
作为第3层的电介质薄膜13由折射率n13＝1.641的氧化铝(Al2O3)构成，将膜厚d13设定为与光学长度换算下的λ/4相当的100.5nm。
作为第4层的电介质薄膜14由折射率n14＝2.031的氧化钽(Ta2O5)构成，将膜厚d14设定为与光学长度换算下的λ/4相当的81.2nm。
作为第5层的电介质薄膜15由折射率n15＝1.641的氧化铝(Al2O3)构成，将膜厚d15设定为与光学长度换算下的λ/4相当的100.5nm。
作为第6层的电介质薄膜16由折射率n16＝2.031的氧化钽(Ta2O5)构成，将膜厚d16设定为与光学长度换算下的λ/4相当的81.2nm。
作为第7层的电介质薄膜17由折射率n17＝1.641的氧化铝(Al2O3)构成，将膜厚d17设定为与光学长度换算下的λ/4相当的100.5nm。
作为第8层的电介质薄膜18由折射率n18＝2.031的氧化钽(Ta2O5)构成，将膜厚d18设定为与光学长度换算下的λ/4相当的81.2nm。
作为第9层的电介质薄膜19由折射率n19＝1.641的氧化铝(Al2O3)构成，将膜厚d19设定为与光学长度换算下的λ/2相当的201.0nm。
图1C是显示具有上述结构的高反射膜10的反射率之波长依赖性的曲线图。从该曲线图中，在中心波长λ＝660nm处显示了约83％的反射率，针对振荡波长的变化之反射率变化小。因此，可以判断上述结构的高反射膜10即便激光器振荡波长变化也能显示稳定的反射率。
图2A以及图2B是就氧化钽(Ta2O5)膜和和氧化钛(TiO2)膜的折射率和膜厚而言，显示其温度依赖性的曲线图。这里，以约110℃的加热温度下的折射率和膜厚为基准值100％，利用百分数表示约400℃的加热温度下的折射率和膜厚的变化率。
从这些曲线图可以看出，相对于氧化钛的折射率在约400℃中有+2.18％的增加而言，氧化钽膜的折射率被抑制为有+0.94％的增加。另外，相对于氧化钛膜的膜厚在约400℃中有-1.95％的减少而言，氧化钽膜的膜厚被抑制为有-0.26％的减少。如此，可以判断氧化钽膜与氧化钛膜相比，在热稳定性上是优秀的。
因此，激光器芯片产生高输出激光，在由于在高反射膜10上的光吸收而引起温度上升的情况下，如果存在氧化钛(TiO2)膜，则折射率变化和膜厚变化变大。由此，每逢反复开/关激光时，就容易产生高反射膜10的时效恶化，从而成为引起COD恶化的首要因素。
与此相反，在使用氧化钽(Ta2O5)膜来构成高反射膜10的情况下，因为即便由于高反射膜10上的光吸收而引起温度上升的情况下，折射率变化和膜厚变化也很小，因此，能够防止高反射膜10的时效恶化和COD恶化。
在上述高反射膜10中，显示了对以作为高折射率膜的氧化钽膜和作为低折射率膜的氧化铝膜为重复单元的4套多层膜而言，追加氧化铝作为与大气相连的低折射率膜的例子，但是，为了控制为所希望的反射率，也可以通过使氧化钽膜和氧化铝膜的重复单元为1-3套或大于等于5套来构成。在反射率特性的中心波长从660nm处开始改变的情况下，可以将各电介质薄膜的膜厚变更为按光学长度换算后的膜厚。
实施方式2
图3A是显示本发明第2实施方式的结构图，显示了沿着光轴的垂直剖面。激光器芯片由GaAs等半导体衬底1、有源层2、有源层2上方以及下方形成的包层3、以及在包层3的上方和下方形成的电极4等构成。
半导体激光器装置由上述激光器芯片、在激光器芯片前端面上形成的低反射膜9、在激光器后端面上形成的高反射膜20等构成。一般而言，设定低反射膜9以使其具有小于等于15％的反射率，设定高反射膜20以使其具有大于等于40％的反射率。
低反射膜9和高反射膜20是使用蒸镀、溅射、CVD(化学汽相生长)等成膜工艺来形成的。在激光器前端面和激光器后端面之间构成光谐振器，在有源层2上振荡的激光的大部分作为输出光Lo从低反射膜9出射，激光的一部分也从高反射膜20出射。
图3B是显示高反射膜20结构的放大图。高反射膜20从连接到激光器芯片一侧开始，依次由以下部件构成：折射率n21和膜厚d21的电介质薄膜21、折射率n22和膜厚d22的电介质薄膜22、折射率n23和膜厚d23的电介质薄膜23、折射率n24和膜厚d24的电介质薄膜24、折射率n25和膜厚d25的电介质薄膜25、折射率n26和膜厚d26的电介质薄膜26、折射率n27和膜厚d27的电介质薄膜27、以及折射率n28和膜厚d28的电介质薄膜28。
一般来说，电介质多层膜是高折射率的电介质薄膜和低折射率的电介质薄膜交替重复层叠的。各电介质薄膜的膜厚被设定为换算成光学长度的振荡波长λ之1/4即λ/4的整数倍，并根据电介质薄膜的折射率的大小来调整为适当的膜厚。
在本实施方式中，高反射膜20含有由氧化铝(Al2O3)构成的电介质薄膜，以及由氧化硅(SiO2)构成的电介质薄膜、以及由氧化钽(Ta2O5)构成的电介质薄膜。如图2所示，氧化钽由于对于加热而引起的温度上升具有折射率变化量以及膜厚变化量小的特性，因此作为电介质多层膜是合适的。
接下来，就高反射膜20的具体结构例子进行说明。这里，显示了在振荡波长λ＝660nm的红色半导体激光器上形成高反射膜20的例子。激光器芯片的等效折射率为3.817。
如图3B所示，按照从连接到激光器芯片一侧开始的顺序，作为第1层的电介质薄膜21由折射率n21＝1.641的氧化铝(Al2O3)构成，将膜厚d21设定为与光学长度换算下的λ/2相当的201.0nm。
作为第2层的电介质薄膜22由折射率n22＝1.461的氧化硅(SiO2)构成，将膜厚d22设定为与光学长度换算下的λ/4相当的112.9nm。
作为第3层的电介质薄膜23由折射率n23＝2.031的氧化钽(Ta2O5)构成，将膜厚d23设定为与光学长度换算下的λ/4相当的81.2nm。
作为第4层的电介质薄膜24由折射率n24＝1.461的氧化硅(SiO2)构成，将膜厚d24设定为与光学长度换算下的λ/4相当的112.9nm。
作为第5层的电介质薄膜25由折射率n25＝2.031的氧化钽(Ta2O5)构成，将膜厚d25设定为与光学长度换算下的λ/4相当的81.2nm。
作为第6层的电介质薄膜26由折射率n26＝1.461的氧化硅(SiO2)构成，将膜厚d26设定为与光学长度换算下的λ/4相当的112.9nm。
作为第7层的电介质薄膜27由折射率n27＝2.031的氧化钽(Ta2O5)构成，将膜厚d27设定为与光学长度换算下的λ/4相当的81.2nm。
作为第8层的电介质薄膜28由折射率n28＝1.461的氧化硅(SiO2)构成，将膜厚d28设定为与光学长度换算下的λ/2相当的225.8nm。
图3C是显示具有上述结构的高反射膜20的反射率之波长依赖性的曲线图。从该曲线图中，在中心波长λ＝660nm处显示了约86％的反射率，针对振荡波长的变化之反射率变化小。因此，可以判断上述结构的高反射膜20即便激光器振荡波长变化也能显示稳定的反射率。
在上述高反射膜20中，显示了对于以作为高折射率膜的氧化钽膜以及作为低折射率膜的氧化硅膜为重复单位的3套多层膜而言，追加作为连接到芯片的低折射率膜之氧化铝膜以及作为连接至大气的低折射率膜之氧化硅膜的例子，但是，为了控制为所希望的反射率，也可以利用1-2套或大于等于4套的氧化钽膜和氧化硅膜的重复单位来构成。在反射率特性的中心波长从660nm处改变的情况下，通过将各电介质薄膜的膜厚改变为用光学长度换算后的膜厚而能够应对。
图4是显示针对半导体激光器的驱动电流之光输出特性的一个例子之曲线图。作为以往的高反射膜，是由从连接至激光器芯片一侧开始依次形成的氧化铝(Al2O3)膜、硅(Si)膜、氧化铝(Al2O3)膜、硅(Si)膜、氧化铝(Al2O3)膜构成的总计5层膜的电介质多层膜。
看曲线图，我们会发现：任意一个驱动电流超过振荡阀值电流50mA附近时，光输出会增加。以往的情况是驱动电流在240mA附近，光输出激减，产生了COD的恶化。
与此相反，利用第1实施方式和第2实施方式说明的高反射膜10、20，在一直到驱动电流500mA时都没有产生COD恶化，可以判断为与以往的高反射膜相比，可以耐受约1.7倍的光输出。
在以上的说明中，显示了在激光器的后端面上形成本发明的电介质多层膜的例子，但是，也可以在激光器前端面上形成本发明的电介质多层膜。
本发明尽管是联系最佳实施方式和附图进行的说明，但是各种变化和改变对本领域人员来说也是显而易见的。这种变化或改变是由所附加的权利要求书定义的，并没有脱离本发明的范围，并且是能够理解的。

Claims (5)

1.一种半导体激光器装置，在激光器芯片的至少一个光出射面上形成有反射率大于等于83％的电介质多层膜，其特征在于：
设激光器芯片的振荡波长为λ，电介质多层膜包含多层交替设置的由氧化钽构成的电介质薄膜，其中，多层由氧化钽构成的电介质薄膜层以光学长度换算的总厚度为3λ/4以上。
2.如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于：
电介质多层膜由从与激光器芯片相接的一侧开始依次配置三对以上由氧化铝膜与氧化钽膜组成的对，进而配置氧化铝膜作为最末层来构成。
3.如权利要求2所述的半导体激光器装置，其特征在于：
在电介质多层膜中，从与激光器芯片相接的一侧开始依次按照光学长度换算被设定为λ/4的膜厚，最末层的膜厚按照光学长度换算被设定为λ/2。
4.如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于：
电介质多层膜由从与激光器芯片相接的一侧开始依次配置氧化铝膜作为第一层，还配置三对以上由氧化硅膜与氧化钽膜组成的对，进而配置氧化硅膜作为最末层来构成。
5.如权利要求4所述的半导体激光器装置，其特征在于：
在电介质多层膜中，从与激光器芯片相接的一侧开始依次将第一层的膜厚按照光学长度换算设定为λ/2，将除最末层的第二层以后的膜厚按照光学长度换算设定为λ/4，将最末层的膜厚按照光学长度换算设定为λ/2。
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