CN1537349A - 弯曲波导环形激光器 - Google Patents

Abstract

一种包括行波腔体的环型激光器，该腔体包括至少第一和第二直的腔体分段和至少一个弯曲腔体分段。对应的直的腔体分段的两个第一端部在第一发射光的小面处相互连接，而直的分段的第二端部与弯曲波导相互连接。可把额外的弯曲和直的分段连接起来以提供各种环形结构。

Description

弯曲波导环形激光器

发明背景

本发明一般涉及一种具有弯曲波导腔体的环形激光器，具体地说涉及一种环形激光器，它具有至少耦合到两个笔直部段的一个弯曲部段，而这两个笔直部段与一个部分透射的小面相连，并涉及用于制作这样一种激光器的改良工艺。

由于目前在单块集成技术方面的各种进步，已经可以制作复杂几何形状的激光器，包括具有各种腔体结构的环形激光器。这样一种环形激光器的例子可在于1989年7月25日提交的第4,851,368号，于1990年5月8日提交的第4,924,476号和于1992年7月21日提交的第5,132,983号的美国专利中找到，它们所揭示的内容通过引用结合在此。这些专利揭示了行波半导体激光器，具体地说，利用相关于诸小面上直的支柱的环形激光器，某些小面具有全部内反射，且至少一个小面能发射在环形激光器中产生的激光。这些专利还揭示了一种在基底上由脊峰形成激光器的方法，尤其是用于这目的的化学辅助离子束腐蚀。

常规的pn结激光器利用诸如砷化镓的半导体材料形成具有平行、半反射端面，即小面的法卜利—波洛共振腔，而使腔体上另外组的诸小面打毛以抑制除在端面之间传输的模式之外的任何模式的光能量。半导体的n型和p型层间的结形成了激光器的有源区，这样用上和下表面上的金属化层跨接在晶片上的偏压，例如，起着在半导体材料之内激发能态间的跃迁而导致沿该器件的长度传播光的作用。

环形腔体具有法卜利—波洛腔体所不能提供的好处；例如，它提供具有光谱纯度较高的激光发射作用。环形腔体激光器的发展扩大了对集成半导体激光器的远景应用，并增添了较大的可制造性和降低成本的吸引力。这样一种环形腔体激光器不仅依靠部分透射(PT)的小面产生在激光器内、选择的位置上发射的行波，而且还依靠全内反射(TIR)小面。不过，已经发现在这样一种器件中，TTR小面的使用产生大的光学腔体，从而，需要新的技术来制作能减小或消除对TIR小面依赖的环形激光器。

发明内容

根据本发明，通过提供一个由至少一个弯曲波导分段和至少一个部分透射(PT)小面构成的腔体而获得了在环形激光腔体的长度上的减少。较佳的是，弯曲部段与至少两个直的波导部段对应的第一端部连接，其中所述两个直的波导部段被连接于它们的第二端部上形成PT小面。该弯曲波导分段起着从一个笔的支架部段到另一支架部段以低的损耗来导引激光的光波导作用，而在环形激光器的形式中，部分或全部消除的TIR小面的需求。

在它最简单的形式中，本发明的环形腔体把一弯曲波导与两个直的波导和单一的PT小面组合起来，当从顶视图上看时，形成泪滴形状的腔体。该小面用作激光的发射表面，而该弯曲形状则减小了腔体的总长度，而仍保留着作为环形腔体特征的较高的光谱纯度。

本发明的弯曲环形腔体可采用熟知的工艺当作脊峰激光器来制作，也可通过另一种方法，即采用空气或其它气体作为在激光腔体外的介质的改良狭宽度工艺来制作。由这种工艺生产用于单一横模工作的腔体宽度小于1微米，较佳的是约0.2微米。

附图简述

从下面它的结合附图的较佳实施例的详细描述会使领域中的技术人员明白本发明上述的以及另外的目的，特性和优点，其中：

图1是现有技术三角环形激光器的顶透视示意图；

图2是根据本发明结合弯曲波导泪滴形环形激光器的顶透视示意图；

图3是根据本发明结合两个弯曲波导分段和两个PT小面的环形激光腔体的顶视示意图；

图4是本发明结合三个弯曲波导部段和三个PT小面的弯曲环形激光器的第三实施例的顶视示意图；

图5是本发明结合四个弯曲波导部段和四个PT小面的环形激光腔体第四实施例的顶视示意图；

图6是示出具有单个变曲波导分段，三个PT小面和两个TIR小面的环形激光腔体的本发明第五实施例的顶视示意图；

图7a-7f示出用于制作狭宽度激光器的改良工艺过程；

图8示出泪滴形环形激光器的计算机辅助设计；

图9示出用于带有两个弯曲波导分段和两个PT小面的环形激光器的计算机辅助设计；以及

图10示出泪滴形环形激光器的脊峰型式的顶透视图。

较佳实施方式

图1示出上述专利4,924,476中描述的、具有相互连接的三个相邻长条形腔体分段12，14和16以形成封闭三角腔体的环形激光器10。如图所示，激光器10较佳的是作为单块结构形成在基底20上，且可采用如在‘476专利中描述的常规单块集成技术制作。当在顶部和底部表面22和24上的电极间施加偏压，即通过激光器件施加了电流，就在激光器10的体内产生发射激光的作用，在三个分段12，14和16中引起光学行波。在这三角形激光器中，环形腔体是封闭的，使光学波绕着这环形传播，包括如在26，28和30所指示的那个小面的三个腔体顶点，它们至少是部分地内反射以在激光器之内产生行进的光波。

小面的表面在光学上是平滑的，而支架则相对于彼此成角度，使得两个小面在大于临界角的情况下接受光因而是全部内反射，而第三个小面在预先选择好的小于临界角的情况下接受光，使得相应的光激光比例是内部反射的而一部分入射光则被透射。把三个小面的角度关系选择到能产生为获得激光发射的所需阀值电流，并因此产生所需的激光输出。在示于图1的实施例中，小面28和30是全部内反射(TIR)的，而小面2b则是部分透射(PT)的，以使光出射。

如上述‘476专利中讨论的，在激光器10腔体内传播的，并照射到一小面上的光将透射出相当大部分的以垂直于该小面的角度入射的光能量。但是，以偏离垂直的角度照射到该表面上的光，它的大部分能量被反射而将提供较低数量的出射光。在某个根据上面表面对面一侧的材料折射率的过渡角度上，入射光将沿着小面表面传播，而这个角就是临界角。在大于临界角的角度射到该表面上的光被全部内反射。从垂直到临界角度来改变光的入射角，将使出射光量从最大值变到零，从而为激光器10提供能控制从小面26出射光量的设计参数。由于内部反射的光量，部分地决定了为产生发射激光作用所需的阀值电流，所以该入射角可提供用于调用并减小为获得受激光射所需电流的可控制参数。

也如在前述的’476专利中描述的，图1的激光器是用一种合适的腐蚀工艺来制作的，这工艺能决定器件的形状，能提供打毛的壁表面来防止在激光器体内的横向振荡，且在激光器腔体的三个支架面产生垂直的，平滑的面来保证正常的激光器运作。如在’476专利中指出的，该环形激光器可以是具有狭的有源区的狭条即脊射，并通过在IEEE of Quantum Electronics，Vol 28，pages 1227-1231(在下文中称为脊射工艺)中描述的工艺步骤来制作的，它所揭示的内容通过引用结合在此。脊射式激光器是用于提供在激光器腔体内传播光的横向导引技术的一个例子，不过，其它的激光波导结构可用于提供光的横向制约。例如，隐埋的肋形波导，选择区域外延的使用，使杂质无序的使用，以及腐蚀与再生长诸技术能产生横向制约。

图2示出一种改良的波导结构，这种结构消除了在图1现有技术中采用的两个小面。根据本发明，激光器40采用弯曲波导部段来代替成角度的小面以引导围绕激光器体内的行波。本发明的环形激光器440包括第一和第二长条形腔体分段，即部段42和44，它们彼此在接合处46连接，并在它们衬面的一端与弯曲腔体分段，即部段48互相连接。把这些腔体分段相互连接起来以致形成泪滴形激光腔体40，用弯曲波导部段48以低的损耗沿弯曲路径导引光，消除了对TIR小面的依赖面形成一环形激光器。激光器40是作为单一结构形成于基底50上，而可利用作为第5,132,983号美国专利的狭宽度工艺所描述工艺，即用上面指出的脊峰工艺来制作。举例来说，当通过激光器的顶表上合适的电极58和通过基底50连接到激光器底表面的电极60，把偏压电源52跨接在激光器顶、底两表面54和56上来施加通过激光器件的电流，这样，就在激光器40的体内产生发射激光的作用而在诸分段42，44t 48之内产生并传播光学行波。

泪滴形环形激光器40具有制作在区域46中的单一小面62，该区域位于邻接的腔体分段42和44的交会处。小面62的表面是光学平滑的，而波导臂42和44的角度要选择得使在波导中传播的光以能让光发射出来的所选角度射到这表面上。与现有技术的三角形激光器相比，围泪滴形腔体的光路具有减小了的尺寸，它为由偏压产生的光学行波提供较短的路径。

为减小环形激光器的路径长度而采用的弯曲波导并不限于图2的泪滴形，因为弯曲波导可在各种其它环形光学波导中优点。因此，象图3示出的环形激光器70，它包括有相互连接形成环形激光腔体的两个弯曲腔体分段72和74以及四个直的腔体分段76，78，80和82。如图所示，直的，即长条形腔体分段76和78的第一端部在接合区域处84连接在一起并分别在它们的第二即自由端86和88分别与弯同分段72和74的对应端相连接。相似地，直的分段80和82在接合区域处90于第一端部处连接起来，并分别在它们的自由端92和94分别与弯曲部段72和74的对应端相连接。

在区域84处，小面96形成于诸分段76和78的接合处，相似地，在区域90处，小面98形成于直的分段80和82的接合处。较佳的是两个小面都是PT小面，可使环形激光器70在每个小面发射出到在腔体中传播的已选定部分的激光。较佳的是激光器70，以关于图2所描述的方式，作为单块结构形成在基底100上，以上面所描述的方式，用偏压102跨接在激光器的上、下两表面之间。

虽然激光器70是作为具有相当小的角度104示出的，但要理解在直的分段76，78，80，82之间的角度是可以变化的，随着也改变诸分段72和74的曲率，并具有能使在环形激光波导形状变化的、较大的或较小的曲率。这种变化能对在激光腔体中行波的入射角的控制，从而能对发射光控制。相似地，虽然在图3所示的实施例中，分段76和78的长度彼此是相等的且等于分段80和82的长度，但是，要理解，这些分段的相对长度也是可改变的。

本发明弯曲波导环形激光器第三实施例用顶视图中的120示于图4。本实施例是一种环形激光器，它具有相互连接起来形成环形激光腔体120的三个弯曲腔体部分122，124和126，以及六个直的腔体分段128，130，132，134，136和138。直的分段128和130在接合区域140的第一端部处彼此连接，直的分段132和134在接合区域中142的第一端部处彼此相互连接，而直的分段136和138在接合区域中144的第一端部处彼此连接。直的分段128和138的第二端部通过弯曲分段122相互连接，直的分段130和132的第二端部通过弯曲分段124相互连接，以及直的分段134和136的第二端部通过弯曲分段126相互连接来完成环形结构。

较佳的是激光器120作为单块结构或是采用狭宽度工艺，或是采用脊峰工艺形成在基底上，它的第一小面150形成在区域140中腔体分段128和130的会合处，第二小面152形成在区域142中分段132和134的会合处，以及第三小面形成在区域144中直的分段136和138的会合处。较佳的是，这三个小面是PT小面以提供根据在激光腔体中入射到该三个小面的行进光学波的角度的光发射。要知道用合适的偏压(未示出)跨接在激光腔体以产生在光学腔体内的行进光学波。

本发明第四实施例示于图5，其中激光器160包括所有的都相互连接起来以形成连续的环型激光腔体的四个弯曲分段162，164，166和168，以及八个直的腔体分段170，172，174，176，178，180，182和184。直的分段在170和172接合区域190处它们的第一端部处连接，分段174和176在区域192中它们的第一端部处连接，直的分段178和180在接合区域194中它们的第一端部处连接，以及直的分段182和184在接合区域196中它们的第一端部处连接在一起。直的分段170的第二端部通过弯曲分段162连接到直的分段184的第二端部，直的分段172的第二端部通过弯曲分段164连接到直的分段174，直的分段176和178的第二端部通过弯曲分段166相互连接，以及直的分段180和182的第二端部通过弯曲分段168相互连接来形成连续的激光波导。较佳的是，激光器160作为单块结构形成在基底200上，而在区域190，192，194和196处分别制作小面210，212，214和216，用于在环形激光器160的腔体中产生的所选定的光量发射提供PT小面。

本发明第五实施例示于图6的顶视图中的220。环形激光器220包括一个弯曲腔体分段222，和六个直的腔体分段224，226，228，230，232和234。直的分段224和226在接合区域240中它们的第一端部处相互连接；直的分段226和228在接合区域242中对应的端部相互连接；直的分段230和232在接合区域244中对应的端部相互连接；直的分段232和234在接合区域246中对应的端部相互连接；以及直的分段234和224在接合区域248中对应的端部相互连接。弯曲分段222与直的分段228和230的自由端相互连接以完成环形激光器220。较佳的是，激光器220作为单块结构形成在基底250上，并包括在区域240处的第一小面252，在区域242处的第二小面254；在区域244处的第三小区256；在区域246处的第四小面258；以及在区域248处的第五小面260。较佳的是，小面260，254和256是PT小面，而252和258较佳的是TIR小面。如前面所讨论的，跨接在激光腔体220的偏压以如上描述的方式在激光器内，产生引起传播光能的电流。

如上所述的，一种用于制作本发明环形激光器的工艺是“狭宽度”工艺，它采用如在第5,132,983号美国专利描述并图示的单一金属版印刷步骤。通过这个工艺制作的激光器支承单横模。如在’983专利中描述的，制作过程的例子从晶片结构开始，它包括带有n型下覆盖层的掺n型杂质的InP基底，有源区，p型上覆盖层，和高掺杂p型接触层。从该晶片制作激光器件，在晶片上采用诸如PECVD技术沉积诸如厚度约500nm的二氧化硅材料。然后完成金属印刷求和RIE，在二氧化硅薄层上做出图形而形成掩膜，如第4,851,368号美国专利所描述的。较佳的是，采用化学辅助离子束腐蚀把掩膜图形转移到晶片形成激光腔体的长度，宽度和诸小面。沉积诸如二氧化硅(例如，spin-on玻璃)的光学透明并绝缘的材料以便把已限定的激光腔体完全地埋没，而在晶片的背侧上沉积n型接触层。此后，不仅把剩留下来的掩膜材料，而且还有把该自旋玻璃层腐蚀掉以显露出激光器结构的顶部，并在顶表面上沉积p型接触层，p型接触层和n型接触层提供激光器的连接电。

较佳的是，本发明的狭宽度激光器用一种在激光腔体外能取消对介质绝缘材料的需要的改良工艺，而这工艺图示于图7a-7f，现在作出对它们的说明。能采用空气或其它气体作为在激光腔体外的介质而完成狭宽度脊峰激光器的图示工艺步骤上面描述的工艺步骤，直至形成诸如腔体300和302的激光腔体的长度，宽度和诸小面的腐蚀步骤的完成。如图所示，激光腔体形成于基底304上，它具有n型掺杂的InP层306，在它的上面形成下覆盖层308。在薄层308的顶部形成有源层310，而在有源层的顶部则形成上覆盖层312。如图7a所示，在各腔体的顶部剩留着掩膜层314。

在本发明的工艺中，二氧化硅的，或另一种氮化硅的、厚约10nm的薄的相一致的介质绝缘层316，例如通过PECVD沉积在激光腔体上。这薄层覆盖着腔体的顶部，侧壁和诸小面。所以，在基底304的背侧(或在如图7b中看到的下表面)沉积n型接触层318。

然后，在薄层316的顶部上，把光致抗蚀剂320涂敷到晶片的前侧(在图7c中看到晶片的前侧(在图7c中看到的顶部表面)，它有足够的厚度把晶片和它的激光腔体完全覆盖起来，并形成平面顶表面322。象在市场上能买到的Shipley 51800系列的光致抗蚀剂，其未曝光光的光致抗蚀剂吸收率高于已曝过光的光致抗蚀剂的吸收率，而这个性质被用来把光致抗蚀剂层320充分曝光到略在腔体的顶部324和326的深度之下，如虚线328所示，而把光致抗蚀剂的余下深度仍保持不被曝光。

如图7d所示，把光致抗蚀剂显影除去由虚线328所示深度以上的曝地光的光致抗蚀剂，在应有的位置上留下光致抗蚀剂的较下面的未曝过光的部分。然后，采用缓冲的HF(氢氟酸)把在剩留下来的光致抗蚀材料320上面延伸的薄的PECVD层316和剩留下来的掩膜材料314腐蚀掉，如图7e所示。此后，把剩留下来的光致抗蚀剂全部曝光，如在320’所示的，但不显影，并在晶片的顶表面上沉积覆盖曝光光的光致抗蚀剂320’和腔体300和302的顶表面332和334的p型接触层330。

如图7f所示，然后把晶片放在光致抗蚀剂的显影液中从薄层330的下面除去已曝过光的光致抗蚀剂320’，围绕着激光腔体300和302留下由空气填充着的空隙336。在这显影阶段中，二氧化硅或氮化硅薄层316保护了腔体的侧壁和小面使其免受显影液的侵害，p型接触层330在相邻的腔体顶部之间形成金属桥，在空隙336中的空气介质，如果想要，可由另一种所要的气体来代替。对于以InP为基的，用于单横模工作的、发射1550nm的器件，象腔体300或302那样的腔体宽度小于1.0微米，较佳的是约0.2微米。

用上面描述的狭宽度工艺的本发明弯曲腔体工作起来特别地好。图8和9示出不仅为限定弯曲腔体激光器的小面，而且还有腔体长度和宽度所需的用于单一光刻掩膜层的计算机辅助设计，图8中在340示出泪滴形环形激光掩膜，而图9中在350示出用于具有两个弯曲波导腔体分段和两个PT小面环形激光器的掩膜。图10是以关于图2所描述的方式的泪滴形脊峰激光器360’的透视图。

虽然本发明包括的激光器是通过施加偏压而结果在激光腔体中引起电流来泵激的，但是诸如光泵激的其它方案也能用来产生所要的光学行波。不过，注入电流是较佳选择的方案。在上面描述的各个器件的诸小面，较佳的是光学平滑的；而且，激光器较佳的是横向约束型的。

虽然本发明已经用较佳实施例作了说明，但是，要知道在不背离于下面权利要求书中设定的真实的实质和范围的情况下，可以作出变化和修改。

Claims (29)

1.一种环型行波激光腔体，其特征在于，包括：

至少第一和第二腔体分段，各分段都具有第一端部和第二端部，所述第一和第二腔体的所述第一端部在一小面处连接起来；

至少一个弯曲腔体分段，它把所述第一和第二腔体分段的所述第二端部相互连接起来。

2.如权利要求1所述的激光腔体，其特征在于，所述第一和第二腔体是长条形的。

3.如权利要求1所述的激光腔体，其特征在于，所述第一和第二腔体是成角度的，这个角度使得在所述腔体中传播的光学波以小于该小面的临界角入射到所述小面上。

4.如权利要求1所述的激光腔体，其特征在于，还包括为引起在所述腔体中传播激光的方法。

5.如权利要求4所述的激光腔体，其特征在于，所述第一和第二腔体是长条形的，且相对于彼此成角度，这个角度使得在所述腔体中传播的光学波以一小于该小面临界角的角度入射到所述小面。

6.如权利要求1所述的激光腔体，其特征在于，包括：

至少四个腔体分段，每分段具有第一和第二端部，第一和第二腔体分段的第一端部在第一小面处连接，而第三和第四腔体分段的第一端部则在第二小面处连接；以及

至少两个弯曲腔体分段，第一弯曲腔体分段与第一和第三腔体分段的第二端部相互连接，而第二弯曲分段与第二和第四腔体分段的第二端部相互连接。

7.一种环型行波激光腔体，其特征在于，包括：

多个直的腔体分段；

至少一个弯曲腔体分段，所述直的和弯曲腔体分段相互连接以形成封闭的环；以及至少一个在相邻的相互连接分段接合处的部分透射的小面。

8.如权利要求7所述的腔体，其特征在于，所述腔体分段是半导体。

9.如权利要求8所述的腔体，其特征在于，还包括通过所述腔体分段传播光的方法。

10.如权利要求9所述的腔体，其特征在于，把所述诸腔体分段相互连接以引导以一小于该小面临界角的角度入射到所述小面、在所述腔体中传播的光。

11.如权利要求10所述的腔体，其特征在于，还包括多个弯曲腔体分段。

12.如权利要求11所述的腔体，其特征在于，还包括至少一个在相邻的相互连接分段接合处的全部内反射小面。

13.如权利要求7所述的腔体，其特征在于，所述直的和所述弯曲分段是狭宽度腔体，以及其中所述腔体分段被空气所包围。

14.如权利要求7所述的腔体，其特征在于，所述直的和所述弯曲腔体分段包括一个狭宽度脊峰激光器。

15.如权利要求14所述的腔体，其特征在于，还包括覆盖所述激光器的薄介质绝缘层，所述激光器被一气体包围。

16.如权利要求15所述的腔体，其特征在于，所述激光器具有顶表面，以及在所述顶表面上还包括第一接触层。

17.如权利要求16所述的腔体，其特征在于，所述激光器被支撑在基底上，且在所述基底上还包括第二接触层。

18.一种用于制作弯曲波导行波激光器的工艺，其特征在于，包括：

在具有一有源区以及上和下覆盖区的晶片顶表面上沉积介质绝缘层；

把该介质绝缘层做好图形以形成限定弯曲波导的掩膜；

把该掩膜转移到该晶片以形成具有包括顶表面，侧壁和至少一个小面的弯曲波导的激光腔体；

在所述激光腔体顶表面，侧壁和小面上面沉积薄的，相一致的介质绝缘层；

在晶片的底表面上沉积接触层；

在所述薄的、相一致的介质绝缘层上面的晶片所述顶表面上沉积其厚度足以完全覆盖该晶片和激光腔体，并形成平面顶表面的光致抗蚀剂；

把该光致抗蚀剂曝光到在所述腔体顶表面之下的深度；

除去该已曝光光的光致抗蚀剂；

从所述腔体顶表面除去该薄层的、相一致的介质绝缘层；

在所述腔体顶表面上沉积p型接触层；以及

除去以前未除去的光致抗蚀剂，以留下围绕所述腔体周围填满着气体的空隙。

19.一种基底，其特征在于，包括

在所述基底上的至少两个集成的腔体，所述腔体具有侧面和至少一个相等高度的小面，并有相等高度的顶部；

与至少一个腔体顶部接触的金属层；以及

在所述腔体间的气体介质。

20.如权利要求19所述的基底，其特征在于，所述腔体是用于光的波导。

21.如权利要求20所述的基底，其特征在于，所述腔体被构成来支持光的横向约束。

22.如权利要求21所述的基底，其特征在于，所述腔体的所述小面是为发射光而设定位置的。

23.如权利要求22所述的基底，其特征在于，所述光是激光。

24.如权利要求19所述的基底，其特征在于，所述小面是所述腔体共有的，而所述集成腔体被弯曲来形成具有单一小面的连续的、弯曲波导。

25.如权利要求24所述的基底，其特征在于，所述金属层形成一个电极，用它来接触偏压以在所述波导中传播激光，所述激光被所述小面射出。

26.如权利要求19所述的基底，其特征在于，该至少两个集成腔体是由非弯曲腔体分段的端部对端部相互连接的多个弯曲腔体分段构成以形成一封闭的环型波导。

27.如权利要求26所述的基底，其特征在于，在所述波导上还包括多个小面。

28.一种光发射器件，其特征在于，包括：

至少一个具有顶部的腔体分段，并具有侧面和至少一个同等高度的小面；

在所述顶部上形成并与之电接触的金属层；

邻接于所述腔体侧面且至少在所述部分金属层下面的气体介质。

29.如权利要求28所述的光发射器件，其特征在于，所述至少一个腔体分段包括第一和第二彼此隔开的腔体分段，而形成金属层覆盖在所述腔体分段间的空间以形成含有所述气体介质的空隙。

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