CN1602570A - 用于宽带通信系统的表面发射dfb激光器结构及阵列 - Google Patents

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Abstract

表面发射半导体激光器包括具有激活层的半导体激光发射结构、邻接上述激活层的反相包层、衬底以及向半导体激光发射结构注入电流的电极。也包括具有周期性交替元件的二阶或更高阶的分布式衍射光栅，每个元件归类为高增益元件或低增益元件。每个元件都有一个长度，高增益元件的长度和低增益元件的长度共同定义了光栅周期，要求该周期必须在一定范围内，以产生光通信信号频带内的光学信号。高增益元件的总长度不能大于低增益元件的总长度。本文将提出简单的激光器结构或在同一衬底上的激光器结构阵列，以及测试晶片上激光器结构的方法。

Description

用于宽带通信系统的表面发射DFB激光器结构及阵列
技术领域
本发明涉及通信领域，特别是光通信系统。更特别的是，本发明涉及这种光通信系统的生成载波信号的激光器，比如半导体二极管激光器。
技术背景
光通信系统快速发展和提高，在这些系统中，首先生成个体载波信号，而后进行调制以传输信息。这些个体载波信号多路传输在一起形成密集波分复用(DWDM)信号。光技术的提高导致单个信号通道之间的间隔更小，现在通常在C-频带内同时使用40个信号通道，在不久的将来，将有80甚至160路同步信号通道在组合的C+L频带中同时使用。
每个信号通道需要一个光信号载体源，在光通信中这个信号载体源的代表是激光器。当密集波分复用(DWDM)信号通道数量增加时，所需信号载体源的数量也增加。此外，当光网络从数据密集的干线引出到数据松散的边界或终端用户连接时，需要大量的新网络节点，DWDM要求每个节点具有多个信号载体源。同样，当数据密度减少，网络更靠近边缘时，提供信号载体源的成本成为数据通信功能问题。大量不同的激光源普遍可用，包括固定的、可转换的或者可调波长的激光器，例如光纤法布里—珀罗(Fabry-Perot)，分布式布拉格发射器(DBR)，垂直共振腔表面放射激光(简称面射型激光)和分布式反馈设计(DFB)。目前在通信应用中最广泛使用的信号载体源是边射率耦合式DFB激光源，它在调制速度、输出功率、稳定性、噪声和边模抑制比(SMSR)方面均具有良好的性能。此外，通过选择一个合适的半导体媒介和激光器设计，通信波长将易于产生。在这一点上，边模抑制比引用DFB激光器的属性，从而具有能产生不同波长激光的两个低阈值纵向模式，其中一个是典型的期望值，另一个不是。SMSR包括了非期望模式被抑制的程度测量，而后将更多功率转移到可取的模式，同时也减少了非期望模式在其他DWDM通道的波长中发射功率所产生的串扰效果。边射DFB激光信号源的缺点是，波束形状呈短条状，由于发射区域的小孔，该波束在不同的角度强烈发散为两个波束，需要光束点转换器来将信号耦合到单模光纤。所需技术困难，有损耗，从而导致成本增加。
虽然边射DFB激光器经修整并耦合到光纤，就能得到好的性能，但是其若干基本特征使其生产效率低，因而比较昂贵。更特别的是，大量边射DFB激光器能在一个晶片上同时生产。不过由于最后制造或封装步骤中的大量因素，在一个晶片上生产的边射DFB激光器的成品率(例如，达到期望信号输出规范)可能是会较低。一旦成形，每个DFB激光器必须从晶片上划片下来。在一端使用防反射包层，另一端使用高反射包层的最常见应用中，其最后的结束步骤之前有一个划片步骤。如果两个表面都使用对称包层(常为防反射包层)，激光器的两个主要模式将退化，在这两个模式之间没有一个先验的区别，导致对SMSR的控制减弱，从而产生不良的单模模式。不同端包层的不对称性将有助于给出两模式的优先权，改进SMSR。然而，即使单模操作改进了，当从激光腔的末端进行划片时，DFB激光器的波长仍是光栅相位的函数。划片步骤所带来的相位的不确定性，将导致对激光波长的控制减弱。于是这样产生的激光器常有低的单模成品率、波长合格率，或者两者兼有，将其用于DWDM系统不是最理想的。
生产边射DFB激光器的一个重要方面是，激光器只有在其完全生成之后，包括从晶片划片和端包层过程之后，才能通过向激光腔中注入电流来测试。由于多模性能(差的SMSR)或者不正确的波长，会导致在低成品率的晶片上的低效率的测试。
试图增加单模边射DFB激光器成品率的设计已提出，主要通过在两面使用防止反射包层的激光腔的中心，引入一个四分之一的波长相位漂移实现。这个结构容许空间洞燃烧，使得在相位漂移范围产生高密度区域。这限制了设备的输出功率。更进一步，激光器对表面的小反射非常敏感，由于表面高品质防止反射包层的需求，增加了源的不稳定性和实现的困难性。
在DFB激光器中，其他的提高模式简并度的方法包括在耦合折射率定义中引入虚数或复数。一种实现方法是在激活增益层(所谓的增益耦合设计)或者在光模区域的吸收层(损耗耦合设计)生产光栅。由于所需半导体制造技术的先进性，这些设计只在最近才开始应用。增益和损耗耦合DFB激光器有效的将敏感度明显减少到随机相位，由划片步骤和其他帮助引起，如高的单模成品率、变窄的线宽、提高的交流(ac)响应(例如，它们能在更高频率调制)。增益和损耗耦合设计也需要在芯片测试前进行划片和表面包层。辐射还是从边缘射出，如何耦合到光纤依然是一个问题。
边缘发射和通过复数耦合的单模操作，都通过使用一个二阶或更高阶光栅替代常用的一级光栅实现。在使用二阶光栅的情况下，所引起的激光器表面辐射损耗与两模式不同，因而提高了简并度，实现了单模操作，参考R.Kazarinov和C.H.Henry的文章，IEEE，J.Quantum Electron.，Vol.QE-21，pp.144-150，Feb.1985.在折射率耦合的二阶光栅中，激光模式的空间轮廓是双瓣状，在激光腔的中心有一个最小值。在这个实例中，抑制模式是在激光腔中心达到峰值的单瓣型高斯曲线轮廓。注意，轮廓是两个方向的、不对称的高斯曲线，与激光横截的高斯宽度相比，沿激光轴的高斯宽度较大。对绝大多数应用有利的后者模式，在通信领域也许更具有决定性作用，因为它与单模光纤的模直径和数字窗孔更匹配，能更有效的耦合到光纤中。双瓣形只能低效的耦合到光纤中。
为使边射DFB激光器的单瓣模型变为主模式(或振荡主模)，在改变激光器的工艺中做尝试，但没有成功。例如，美国专利5,970,081提出了一个表面发射、折射率耦合、二阶光栅DFB激光器结构，介绍了通过压缩波形将腔结构引入中部的方式将相位移动到激光腔中，这里光模的首选是近似高斯模式。由于涉及光刻技术，这种方法很难实现，并且设计导致与相位移动区域所增加的空间空穴相关的其他规格参数退化。更进一步，与增益耦合设计对应的更低的辐射耦合效率和折射率耦合的低耦合率，导致表面的低功率和设备的相对高的阈值电流。
相似的，美国专利4,958,357介绍的表面发射、折射率耦合、二阶光栅DFB激光器的相位移动，同样难以实现。声称由于表面发射提供了晶片评估和消除平面划片，这个专利提出了一种复杂结构，难以实现、更难控制。由于在相位漂移位置，光强度有一个峰值，于是出现了空间空穴燃烧。当提出不同的方案来减轻空腔空穴的燃烧时，将增加复杂度，并且都没有成功过。因而，空腔空穴的燃烧限制了按比例增加。
在通信领域以外，在美国专利5,727,013中出现了一个表面发射DFB激光器结构的例子。这个专利提出了用于生成蓝/绿光的单瓣型表面发射激光器，其中二阶光栅被写入到吸收层或者直接写入增益层。该专利没有透露光栅如何影响纤维耦合效率(因为没有考虑应用到任何通信应用中)。该专利也没有指出，什么参数控制总输出功率和纤维耦合效率之间的平衡，或者如何有效控制这种模式。最后，该专利也没有提出一个适合于通信波长范围的表面发射激光器。
最近，适用于光通信领域的垂直共振腔面射型激光器(VCSELs)开始介绍尝试推出。这些尝试由于一些原因没有成功。这些设备需要忍受，由于需要大量分层结构而导致的难以制造，以及由于腔内增益介质长度很短导致的低输出功率。这个短腔也导致了高噪声和宽谱线宽度。由于纤维的分散效应，宽谱线宽度限制了这些源发出信号的传输距离。
发明内容
本发明的任务是提供一种表面发射激光器结构，它既适用于通信应用，也能避免以前工艺的缺点。更特别地是，这个激光器结构中的模式能精确、有效地控制，以允许纤维耦合，并能使用半导体工艺中通用的光刻技术制造。本发明的目标是提供一个低成本的光信号源，它能生成适合在光宽带通信信号范围内使用的信号。最可取的是，这个信号源以半导体激光器形式存在，可使用通用的半导体制造技术生产，与当前技术相比有更高的成品率和更低的成本。本发明的进一步目标是，信号源具有足够的功率、宽带通信所需的稳定、精确的波长，并能生成易于高效耦合到光纤的输出信号。该设备可以选择在同一个晶片结构上以阵列形式制造，也可以和邻近的结构(如信号吸收邻近区域、光检测设备)同时成形或制造。
本发明的进一步特征涉及制造效率。阵列信号源的数量越多，低的制造故障率需求越高。例如，每个源的成品率若为98％，那么40个源阵列的成品率将是45％。也就是说，提高制造的成品率对阵列制造成本效率非常重要。
本发明的进一步特征是，可以为阵列的每个激光源，设置通信信号频带范围内相同或不同的合适的波长。最可取的是，这个设备将提供一个简单、有效手段，来限制输出信号，以帮助纤维耦合效率。更进一步，这个设备有一个与外部反馈回路连接的内置传感器，可用于细微的波长调节和信号维护。
结合本发明的第一个特征，提出了表面发射半导体激光器的组成：
具有激活层的半导体光激射结构，邻接上述激活层的反相包层，衬底，作为光模容器和电极的横向边界的折射率结构，通过该结构向上述的半导体激射结构注入电流；
具有周期性交替衍射元件的二阶或更高阶的分布式衍射光栅，每个衍射元件归类为高增益元件或低增益元件，相对于高增益元件，低增益元件显示出低增益、无增益或者吸收，每一个上述元件都有一个长度，高增益元件的长度和低增益元件的长度一起定义了光栅周期，该周期必须在一定范围内，以生成光通信信号频带内的光学信号，其中高增益元件的长度不能大于光栅周期的1/2。
结合本发明的第二个特征，提出生产半导体激光器的方法，由以下步骤组成：
在衬底上通过成形法逐层形成大多数半导体激光器结构；
在晶片上生成第一级包层，激活层和第二级包层；
在上述晶片上，形成大部分二阶分布式衍射光栅；
在上述晶片上，形成向每个所述光栅注入电流的电极；
向上述晶片中成形的结构，注入电流来测试所述的半导体结构。
结合本发明的第三个特征，提出了具有规定空间特征的输出信号的表面发射半导体激光器的组成：
具有激活层的半导体光激射结构，邻接上述激活层的反相包层，衬底和电极，通过该电极向半导体光激射结构注入电流，从而能产生在通信频带内的输出信号、能提供指定大小和外形的二阶或更高阶分布式衍射光栅，电流一注入光激射结构，单瓣模式的增益阈值就低于任何其他模型的增益阈值，其中所说的单瓣模式发出的激光便于耦合上述的输出信号传送到光纤中。
附图说明
下面结合附图，说明本发明优选的实施例：
图1是本发明的一个实施例在增益媒介中形成二阶光栅的情况下，表面发射半导体激光器装置的侧视图
图2是图1装置的端视图
图3是增益耦合系数Kg、发射耦合系数Kr、折射率耦合系数Ki、整个耦合系数的虚部Kg+Kr、耦合度(Kg+Kr/Ki与高增益元件占空比的关系示意图
图4是按照本发明在吸收或损耗层形成二阶光栅的情况下，表面发射半导体激光器的第二种装置的侧视图
图5是图4装置的端视图
图6是模式1和模式2中，光接近区域强度与激光腔距离的关系轮廓图
图7是本发明另一个装置的顶视图，显示了在激光腔两端以吸收区域的形式出现的终止区域
图8是图7中本发明的另一个装置的顶视图，其中一个所说的终止区域是传感器
图9是本发明的进一步装置的顶视图，其中终止区域包括一级光栅部分
图10是同一衬底的表面发射半导体激光器结构阵列的顶视图，其波长1到N。
具体实施方式
图1是按照本发明，表面发射半导体激光器结构10装置的侧视图，图2是同一结构的端视图。激光器结构10由大量层逐层建造组成，可使用标准半导体光纤技术。本发明中这些知名半导体光纤技术的使用，说明本发明不需要新的制造技术就能有效的大量生产。
本发明公开的术语具有如下含义。半导体的P区域掺杂了以空穴(价电子带的电子空隙)作为主要载流子的电子接收器。N区域是半导体掺杂区，具有过量的电子作为载流子。输出信号是指由本发明的半导体激光器生成的任何光信号。模容器是指光模存在的容器，即光(信号)强度。为了本发明公开的目的，在分布式衍射光栅中，光栅与激光腔的激活增益长度或吸收长度共同起作用，从而，由光栅反馈所引起的干扰效果，使得只在使干扰加强的确定波长处产生振荡或激光。
本发明的衍射光栅由光栅或栅网电阻元件组成，生成交替的增益效应。两个相邻的光栅元件定义了一个光栅周期。交替的增益效应就是指在增益发生时，邻近的光栅元件中一个具有相对高的增益效应，另一个具有相对低的增益效应。本发明认为相对低的增益可能是一个小的、负的增益值，可能没有实际增益或者是一个吸收值或负值。因而，本发明认为光栅元件的增益效应的任何绝对值，提供了邻近光栅元件之间增益效应的相对差值，足以对一给定波长激光的产生发生干扰。本发明认为能形成上述交替增益效应的光栅，包括损耗耦合和增益耦合光栅、激活区或非激活区的载流子阻塞光栅。
本发明提到的衍射光栅的全部效应包括，限制激光振荡器选择任一种或两种纵向的激光模式，使用不同的附加技术来进一步设计激光器使得只有单纵向模式是稳定的，给激光器一个被称为单模输出信号的窄线宽。
如图1所示，激光器结构10的两个外层12和14是电极。电极的作用是向激光器结构10注入电流。注意，电极12包括一个孔16。孔16允许光输出信号从激光器结构10向外传输，下面将详细描述。在本发明中，孔也可以存在于对面电极14上。虽然图示为脊波导设备，但本发明也适用于其他波导结构，如隐埋式异质结构。虽然图示为孔，但本发明也适用于使用连续电极，至少在局部，来实现同样的输出信号从激光器结构10向外传输的过程。具有孔16的简单金属电极可以提供合理的结果，由于其制造的简易性和低成本，将更可取。
和电极12相邻的是n+InP衬底或者晶片17，和衬底17相邻的是由n-InP组成的缓冲层18，下一层是由n-InGaAsP组成的密封层20。它和其他四层的一般成分是InxGa1-xAsyP1-y，其中三层具有公共成分In1-xGaxAs。下一层是激活层22，它由具有激活量子池和阻挡层的交替薄层组成，它们都由InGaAsP或InGaAs组成。对于那些熟悉本技术的人来说，InGaAsP或InGaAs是首选的半导体，因为这些具有确定范围的合成半导体，具有展示在波长范围1200nm-1700nm或更高范围的光增益能力，包括1300nm带宽(1270-1330nm)、S-频带(1468-1525nm)、C-频带(1525-1565nm)和L-频带(1568-1610nm)宽带光谱。其他半导体物质，如本发明提到的GaInNAs、InGaAIAs，也具有在宽带范围内生成输出信号的能力。对于按照本发明由适当物质组成(如InGaAs/GaAs)的设备，其它相关的重要的通信波长范围为910-990nm(与对光泵激放大器和基于Er、Yb、或Yb/Er掺杂物质的纤维激光器最通用的相互作用的波长范围一致)和850nm附近(通常用于短距离数据传输)。在图1的装置中，衍射光栅24在激活层22中形成，衍射光栅24由高增益部分26和低增益部分28交替组成。最可取的是，光栅24是具有一个常数周期的规则光栅，按大小、形状放置在激光器10中，组成了上述的分布式衍射光栅。在这种情况下，光栅24的周期为高增益部分26的长度30和邻近的低增益部分28的长度32的和。在这个大量甚至全部激活结构都被移动的区域，与高增益部分相比，低增益部分28显示了低的或没有增益。依照本发明，光栅24是一个二阶光栅，具有与半导体介质中期望波长相等的周期，造成以表面发射形式输出信号的结果。高级别光栅也显示了面发射，但是级别越高，具有越多不同角度的射束，从而降低了期望输出射束的效率。因为这种装置中的光栅24在激活增益层形成，可认为是一个增益耦合设计。
在光栅24之上的另一层是p-InGaAsP密封层34，位于密封层34之上的是p-InP缓冲区36，位于36层之上的是p-InGaAsP防腐蚀层38，p-InP包层40在p++-InGaAs管帽层42之上。
本领域技术人员可以理解，当写入激活层的分布式光栅的分布式反馈反映出激光器为单模激光器时，使用上述方法配制层的半导体激光器，可以通过调谐来生成预设定波长的输出信号。输出信号的精确波长将是多变量函数，这些变量相互关联，并与激光器结构的其它变量有复杂的关系。例如，上述的这些变量将影响输出信号波长，包括光栅周期、激活层、封闭层和包层的折射率(随温度和注入电流依次典型变化)，激活区域的合成物(影响层应变、增益波长和折射率)和不同层的厚度。另外一个重要的变量是由电极注入到结构中的电流量。于是，按照本发明操作这些变量，可以构建一个具有预设定、高度明确输出波长的激光器的结构。这种激光器适用于需要单独信道信号源的通信工业，或者需要DWDM光谱信号成分的通信工业。本发明提到了层厚度、增益周期、注入电流的不同组合，也提到了可生成适合于通信应用的功率、波长和带宽要求的输出信号的组合区域。
不过，仅仅得到希望的波长和带宽是不够的。本发明解决的一个比较难的问题是，由二阶光栅生成精确的波长，通过控制该方式实现光纤的有效耦合。输出信号的空间特征，具有理想的单模单瓣高斯型，对耦合效率有较大的影响。表面发射半导体激光器的两个主要模式为发散的双瓣模式和单瓣模式。前者比较难以耦合到大量通信应用必须的单模光纤中，因为光纤是单高斯模式。相反的，激光器的单瓣模式易于高效的耦合到光纤中，因为能量强度的峰值位于中心位置，与光纤模式的形状比较接近。依照本发明，表面发射激光器结构可使用最可取的、能可靠控制的模式构建。
如上所述，SMSR提到对不需要模式的抑制将有利于需要模式。依照本发明，为得到好的SMSR，对激光器10表面的操作，需要将注意力集中到光栅24的占空比设计，以及对激活层24的增益的空间调制。在本说明书中，占空比是指，具有高增益的光栅周期长度，与光栅周期相比的百分比。简单说，占空比是指高增益光栅24的周期部分。占空比参数由增益耦合激光器控制，通过蚀刻部分激活层、按忙闲度百分比保留剩下的激活层，如图1所示。也就是，在电流阻挡层蚀刻百分比与占空比一致的情况下，激活增益层保持完整不动，而向电流阻挡层刻入光栅。
如图1，通过蚀刻增益介质形成光栅24，从而写入二阶分布式衍射光栅。作为结果，半导体激光器10的两个基本模式显示了不同的表面辐射损耗(为激光器的输出)，并具有不同增益。只有一个模式(具有最低增益阈值的模式)会发射激光，产生好的SMSR。本发明认为，期望的激光模式是单瓣高斯形模式。于是，该激光模式易于耦合到光导纤维上，因为这种功率或光强很容易将输出信号耦合到光导纤维上。
为了使本发明的单激光模式具有希望的单瓣模式，将占空比限制在一个指定的范围很重要。其原因可以参考图3，图中显示了增益、辐射、折射率的耦合系数(分别为Kg，Kr和Ki)、总的耦合系数的虚部(Kg+Kr)、及耦合强度((Kg+Kr)/Ki)之间的相关性，表示为分布式二阶衍射光栅高增益部分的占空比的函数。注意，全部的耦合系数定义为Ki+j(Kg+Kr)，其中j＝(-1)1/2。要注意的重要特征是，折射率和增益耦合系数是正弦曲线，而发射耦合系数是高斯状负曲线。考虑腔损耗，总耦合系数Ki＝Ki+i(Kg+Kr)的虚部为Kg+Kr，而耦合强度(Kg+Kr)/Ki是虚部与总耦合系数的实部之比。考虑腔损耗，总耦合系数的实部(Ki)很大程度上决定了增益阈值，同时，耦合强度是两个基本模式之间差别程度的良好指示，因为总耦合系数的虚部与其中一种模式更相关，而实部不区分这两个模式。
在激光器的两个基本模式中，具有低的增益阈值的那个模式产生激光。参见图3中的曲线，对于按照前面的讨论设计的二阶增益耦合激光器，当Kg+Kr为正时，单瓣模式会具有最低的增益阈值，而当其为负时，双瓣模式会具有一个较低的阈值。因为当Kr为负，且占空比高于0.5时，Kg+Kr将永远为负。交叉点永远在低于0.5的地方，只有在Kg＞＞Kr时，才接近0.5。因而为得到期望值，占空比的上限设为0.5。Kg+Kr值越大，模式之间的差别越大，这说明占空比的最佳值在0.25左右。可以看出，在这个占空比范围内，耦合强度相对比较平坦，因此当其值足够大了之后，耦合强度不是主要的问题。在最终的设计中必须考虑的另一个问题是，随着占空比的下降，增益物质越少，于是当占空比降低后，需要高增益物质。这种情况促使最优的占空比尽可能地要大，以降低物质增益需求。考虑到所有因素，本发明指出了一个有利的占空比范围，约在15％至35％之间。
除了由于激光器腔的设计引起的模式差异(SMSR)外，我们同样考虑了光导纤维耦合步骤对SMSR的贡献。因为仅仅只有通常的高斯模式易于耦合到光导纤维，可以通过使其他模式的能量不耦合到光导纤维上，来实现SMSR的明显提高。再考虑由于腔体设计导致的两种模式的巨大差异，激光器的整体SMSR会是出色的。
图2显示了图1所示激光器结构的侧视图。从图2可以看出，通过电极12和14给半导体激光器10加电压，可得到前文所述的激光。此外，还可以看出，由上面几层形成的脊，横向的将光模限制在注入电流的区域内。尽管在这个装置中显示了一个脊状波导，可以认为，使用一个具有合适尺寸与形状的掩埋式异质结构来横向限制载流子和光场，同样可以生产出类似的结构。
其他形式的增益耦合的设计被认为是实现本发明的一种方法。例如，不是用前文所述的蚀刻激活区方法，而是在该激活层上淀积一个高度n掺杂的层，也可以在该层上生成光栅。然后该层不再具有光激活性，既不吸收也不显示增益。相反的，只要它没有被蚀刻掉，它就会阻止电荷载流子被注入到激活层。在“C.Kazmierski，R.Robein，D.Mathoorasing，A.Ougazzaden，and M.Filoche，IEEE，J.Select.Topics Quantum Electron.，vol.1，pp.371-374，1995年6月”中，介绍了这种边缘发射增益耦合激光器结构。本发明，包括修改这种结构来限制载流子阻挡层拥有开口，该结构的占空比小于0.5，比较可取的是在0.15到0.35之间，最好是约为0.25(即，大约0.75的闭锁)。
图4表示了表面发射半导体激光器结构100的另一种装置。在这个装置中，在顶部与底部提供了电极112和114。邻近电极112的是一个n+InP的衬底116，紧接着的是一个n-InP缓冲器118。在电极112上有一个开口117，这个开口也可以在对应的电极114上。第一个n-InGaAsP密封层120之上是一个激活区域122，它由InGaAsP或InGaAs量子势阱层组成，由InGaAsP或InGaAs阻挡层分隔。然后，在p-InGaAsP的密封区之上有一个p-InP缓冲区126。光栅125在下一层形成，该光栅可能是一个p-或n-InGaAs或InGaAsP吸收层128。此外，p-InGaAsP蚀刻阻挡层132紧跟p-InP缓冲器层130，p-InP覆盖层134和p++-InGaAs电容层136一起位于电极114的下方。该装置描绘了一个二阶(或更高)光栅，该光栅的形成通过提供一个吸收层并且蚀刻，或者移走相同的来形成损耗耦合设备实现。光栅125由周期性重复发生损耗或吸收的元件组成。当与持续增益层122(即使该增益层与吸收层不在同一个平面上)放在一起时，该光栅125可以被视为一个具有周期性重复的高增益元件138和低增益(可能没有增益或甚至是净损耗)元件140的光栅。任何一个高增益元件138和一个低增益元件140的组合定义了所述光栅125的周期142。
图5表示了图4所示半导体激光器结构的端视图。正如所表明的，为了如上文描述的那样发射激光，可以通过电极112和114向半导体激光器结构100中注入电流。如同在图2中，脊提供了光场的横向限制。图6是一个示意图，表示了光的近场强度与到激光腔距离的关系，适用于前面描述的两个装置。如图所示，在激光腔的中部，模式1(通常期望的高斯形状)场强在146处达到峰值，相反的，模式2(不期望的分离的双波瓣)场强在146处达到极小值。这样，在激光腔的中部，模式1或高斯轮廓的光场有高得多的强度。图6图解了由本发明中控制的占空比引起的高效边界模式抑制。此外，它还图解了对腔中部电极12的开口16的需求，从而使得可以发出如图1所示的信号。如同前文所述，该开口可以位于两个电极中的任一个。
图7表示了本发明的另一个装置的顶视图，其中，光栅区域150包括了终端部分152，154以提高性能。正如所见到的，光栅150可用已知的技术写到一个晶片156(如中断线158所示)上。这样写入的光栅150可以被邻近区域160包围，该区域将光栅150隔离并保护起来。因为本发明是一个表面发射器件，与其象以前的边缘发射激光器技术一样划片光栅的终端区域，倒不如象本发明计划的那样进行必要的伸展，在邻近的非激活临近区域160划片。因此，在划片时不会切割到光栅150，并且光栅150的每个特性都可以明确设计、预定、并按照半导体光刻技术写入。从而，每个光栅都可以按光栅长度的整数倍制造，并在晶片156上写入的每个临近光栅都可以与其邻近的光栅相同或不同。唯一的限制就是半导体制造技术。重要的是，与以前的边缘发射半导体激光器的技术不同，在激光器结构封装之后该光栅的特性不会改变。
本发明进一步提出了光栅终端部分152和吸收区域154的制造，不用向终端区域注入电流就能顺利实现，因为没有注入充电电荷的激活层具有吸收能力。同样的，这些区域会强烈地吸收在水平方向产生和发射的光能量，从而在不需要更多的边缘修整的情况下，实现以前的技术中的防反射包层的功能。这种吸收区域可以易于成形，因为在半导体生产过程中，在晶片上制造这些层不需要任何额外的步骤或材料。在这种方法中，消除了以前技术所要求的结束步骤，使得按照本发明制造的激光器机构10，比以前技术的边缘发射激光器更加具有成本优势。因而，本发明原计划的划片通过邻近区域160远离光栅150的实际终端(必需的或希望的)实现，在以前技术中光栅划片所产生的难题、向激光腔引入不可控制的相移问题，就都被彻底避免了。
现在就可以理解本发明的另一个优点了，本发明包括了一种制造方法，不需要从晶片上划片个体元件，直到对激光器结构进行功能性测试前，也不需要完成端点的精细加工或者激光器的封装。举例来说，参见图1，因为激光器结构在一个晶片上加工，电极12和14在结构10内形成。通过在晶片对电极适当的布线和沉积、在光栅之间的毗邻区域160留下高电阻的区域，可以使得晶片上的每个结构10都可以与邻近结构电隔离。从而，在任何封装步骤之前，仅仅通过向晶片上每个光栅150注入电流，每个结构的电特性都可以在晶片上进行测试。这样，在任何封装步骤开始之前(甚至在划片前)有缺陷的结构就可被丢弃或排除。这意味着，与以前那种更复杂、而且需要在任何测试进行之前就进行封装的技术相比，按照本发明进行激光器结构的生产，其效率更高，并且成本更低。因此，在以前的边缘发射激光器制造技术中，对于不工作的或是不正常工作的激光器结构的划片、封装以及最后的细加工步骤，在本发明中都被消除了。
图8表示了本发明的另一个装置，它包括位于光栅区域一侧的探测器区域200。探测器区域200可以和激光器结构集成，通过将探测器区域200的层反转偏置，使其担当光探测器的功能。该探测器在本质上是与表面发射激光器10结合在一起的，并且通过与激光器结构的同时加工实现方便地集成，很具有成本优势。这样，信号输出就可以由探测器200感应到，并且，光信号在功率稳定性方面的品质就可以实时监控。该监控可用于一个外部反馈回路来调节参数，例如注入电流，可以通过其变化来控制功率的细小波动。该反馈系统使得本发明可以提供随着时间变化非常稳定或稳固的输出信号，对输出信号按照要求进行调谐，或者对象温度变化或其他类似的会导致输出信号漂移的环境变化进行补偿。因而，通过改变参数，如注入激光器的电流，来补偿输出光信号的变化。这样，本发明设想了一个内置探测器，来建立一个在一定的条件下，具有稳定功率的稳定的信号源。
图9表示了本发明的另一个装置，它包括对光近场到器件中部的进一步限制。当空间烧孔的微小增加预期发生时，偏移的好处是表面发射被较强的限制在沿激光器腔的方向上，从而更接近圆柱形。为在本发明中得到这种结果，激光器结构的中间部分由以下部分组成：一个二阶(或更高阶)光栅，并在二阶光栅区域24的每端都增加一个一阶光栅300。独立电极302和304用来激活一阶光栅区域300。二阶光栅旁边的一阶光栅的效果是增强对输出信号的约束。
图10是在公共衬底400上，按照本发明制作的半导体激光器结构10阵列的顶视图。其中，每个光栅24都可以设计为在波长与输出功率上都具有特定输出(特定信号)。本发明预期每个邻近的信号源，不论是具有相同波长或特定信号，还是具有不同波长或特定信号，都可以组成该阵列。于是，本发明计划了一个单阵列结构，该结构可以从大量并排的半导体激光器结构中同时发射光谱信号，该光谱中的每个信号的波长都适用于宽带通信。每个激光器机构或信号源都可以独立调制，然后复用到DWDM信号中。尽管为了方便起见只在图例中显示了三个，由于设计的灵活性，该阵列在衬底400上可以包括从两个到四十个或更多的独立波长信号源。
对于熟悉本技术的人会很明显，当以本发明的优选装置为基准参考时，各种各样的变化与改进都可以在不违背本发明权利要求的精神下进行。其中的一部分变化在上文讨论过，其余的对于熟悉本技术的也很明白。举例来说，尽管已经给出了本发明中半导体激光器结构的层的优选结构，其他结构也可以使用，只要能产生可接受的结果。这些结构可能是损耗耦合的或增益耦合的，重要的是光栅的占空比要小于50％，并最好接近25％。

Claims (37)

1、表面发射半导体激光器包括：
具有激活层的半导体光激射结构，邻接上述激活层的反相包层，衬底，作为光模容器和电极的横向边界的折射率结构，通过该结构向上述的半导体激射结构注入电流；
具有周期性交替衍射元素的二阶或更高阶的分布式衍射光栅，每个衍射元件归类为高增益元件或低增益元件，注入电流后，相对于高增益元件，低增益元件显示出低增益、无增益或者吸收，每个上述元件都有一个长度，高增益元件的长度和低增益元件的长度一起定义了光栅周期，该周期必须在一定范围内，以生成光通信信号频带内的光学信号，其中高增益元件的长度不能大于光栅周期的1/2。
2、根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中高增益元件的长度是光栅周期的15％-35％。
3、根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中高增益元件的长度约为光栅周期的25％。
4、根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中分布式衍射光栅是光激活的，并以增益介质的形式存在于激活层。
5、根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中分布式衍射光栅是光激活的，并以损耗介质的形式存在于模容器中。
6、根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中分布式衍射光栅不是光激活的，并由电流阻塞物质形成。
7、根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中光栅由光栅周期的整数倍组成。
8、根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中结构更进一步包括，至少局部围绕平面图中光栅的邻接区域。
9、根据权利要求8所述的表面发射半导体激光器，其中邻接区域更进一步包括在所说的分布式衍射光栅两端的整体成形的吸收区域。
10、根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，更进一步包括一个具有光电探测器的邻接区域。
11、根据权利要求10所述的表面发射半导体激光器，其中光电探测器由上述光激射结构集合形成。
12、根据权利要求11所述的表面发射半导体激光器，更进一步包括一个连接到上述光电探测器的反馈回路，以比较检测到的输出信号和期望的输出信号。
13、根据权利要求12所述的表面发射半导体激光器，更进一步包括一个调节输入电流的调节器，使上述输出信号具有期望的特征。
14、根据权利要求8所述的表面发射半导体激光器，其中所说的邻接区域，由一种能在上述激光器使用时，具有足够的电阻来隔离所述光栅的物质组成。
15、根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中一个电极具有一个信号发射开口。
16、根据权利要求1所述的表面发射激光器，其中所说的横向限制折射率结构是一个窄脊波导管或者埋式异质结构波导管。
17、根据权利要求8所述的表面发射半导体激光器，其中所说的激光器结构更进一步包括位于激光腔两端的纵向区域限制结构。
18、根据权利要求17所述的表面发射半导体激光器，其中所说的纵向区域限制结构由一个整体成形的一阶光栅组成，所说的激光器更进一步包括两个电极和在那里注入电流的一阶光栅。
19、根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器阵列，其中阵列是指在一个公共衬底上包括两个或更多所说的激光器。
20、根据权利要求19所述的表面发射半导体激光器阵列，其中所说的两个或更多激光器中的每一个，都能产生具有不同波长、输出功率的输出信号，并能分别调制。
21、根据权利要求19所述的表面发射半导体激光器阵列，其中所说的两个或更多激光器中的每一个，都能产生具有相同波长的输出信号。
22、制造表面发射半导体激光器的方法，包括以下步骤：
在公共的晶片衬底上，通过成形法逐层形成大量的半导体激光器结构；
在上述的晶片衬底上，形成第一个包层，激活层，第二个包层；
联合上述晶片衬底上的激活层，形成大量的二阶或更高阶分布式衍射光栅；
在每个上述的晶片衬底上的半导体激光器结构中形成电极，以便向每个光栅中注入电流，这里的每个电极有一个允许光发射的开口；
当上述半导体激光器仍在公共晶片衬底上时，通过向每个半导体激光器结构注入测试电流来测试该结构。
23、根据权利要求22所述的制造表面发射半导体激光器的方法，更进一步包括在大量分布式衍射光栅之间同时形成邻接区域的步骤。
24、根据权利要求22所述的制造表面发射半导体激光器的方法，更进一步包括以窄脊波导管或者埋式异质结构波导管的形式，提供折射率结构来横向限制每个半导体激光器结构的光模的步骤。
25、根据权利要求22所述的制造表面发射半导体激光器的方法，更进一步包括在上述邻接区域中的每个光栅的两端形成一个吸收区域的步骤。
26、根据权利要求22所述的生产表面发射半导体激光器的方法，更进一步包括沿着邻接区域对上述晶片划片，以形成激光器阵列的步骤。
27、表面发射半导体激光器包括：
具有激活层的半导体光激射结构，邻接上述激活层的反相包层，衬底，横向限制光模容器和向半导体激射结构注入电流的电极的折射率结构，和具有上述光激射结构的激活层的二阶或更高阶分布式衍射光栅；所说的分布式衍射光栅具有周期性交替的光栅元件，每个元件具有增益效应，其中任何一对邻近的光栅元件包括一个相对高增益效应的元件和一个相对低增益效应的元件，这些增益效应的差异、高增益和低增益元件的不同折射率和光栅周期导致生成了在850nm附近、910nm-990nm或1200nm-1700nm范围的输出信号，其中每个光栅元件具有一个长度，高增益元件的长度和低增益元件的长度一起定义了光栅周期，高增益元件的长度不能大于光栅周期的1/2。
28、根据权利要求27所述的表面发射半导体激光器，其中，横向限制折射率结构是一个窄脊波导管或者埋式异质结构波导管。
29、稳定激光器输出信号的方法，包括以下步骤：
通过向激光器注入电流，给表面发射半导体激光器注入能量；
给与激光器连接的一个或多个相关光电检测器注入能量；
通过光电检测器，监测表面发射半导体激光器输出信号的质量；
调整注入激光器的电流量，以防止信号漂移。
30、根据权利要求29所述的方法，进一步包括一个前期步骤，在上述激光器中集成光电检测器。
31、根据权利要求30所述的稳定激光器输出信号的方法，更进一步包括连接上述光电检测器和反馈回路，比较检测到的输出信号和期望输出信号的步骤。
32、根据权利要求31所述的稳定激光器输出信号的方法，更进一步包括使用调节器来调节注入所述激光器的电流的步骤，以防止为响应上述反馈回路生成的比较值而产生的信号漂移。
33、具有规定空间特征的输出信号的表面发射半导体激光器包括：
具有激活层的半导体光激射结构，邻接上述激活层的反相包层，衬底和向半导体光激射结构注入电流的电极，从而能产生通信频带内的输出信号和指定大小和外形的二阶或更高阶分布式衍射光栅，电流注入光激射结构后，单瓣模型的增益阈值低于任何其他模型的增益阈值，其中所说的单瓣模型发出的激光易于和输出信号耦合到光纤。
34、根据权利要求33所述的具有规定空间特征的输出信号的表面发射半导体激光器，其中，分布式衍射光栅由交互的光栅元件组成，该元件定义了光栅周期，其中一个元件具有相对高的增益，相邻的另一个具有相对低的增益，高增益元件的长度不能大于光栅周期的1/2。
35、根据权利要求33所述的具有规定空间特征的输出信号的表面发射半导体激光器，其中，在所述结构的激活域中，分布式衍射光栅是增益耦合光栅。
36、根据权利要求33所述的具有规定空间特征的输出信号的表面发射半导体激光器，其中，在所述结构的模容器中，分布式衍射光栅是损耗耦合光栅。
37、根据权利要求33所述的具有规定空间特征的输出信号的表面发射半导体激光器，其中，在所述半导体光激射结构中，分布式衍射光栅是一个电流阻挡光栅。
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