CN1647332A - 高功率半导体激光二极管及其制造方法 - Google Patents

高功率半导体激光二极管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

半导体激光二极管，特别是高功率脊形波导激光二极管，经常用于光电子领域，其作为所谓的泵浦激光二极管用于光通信线路中的光纤放大器。为了给这样的激光二极管提供需要的高功率输出和稳定性，并且避免在使用期间的老化，本发明考虑的是使用该器件的改进设计方案，其改进尤其包括激光器脊形波导的新颖设计。实质上，该新颖设计包含具有至少两个直分段的分段脊形波导，即带有恒定的、但横截面或宽度不同的分段，还包含至少一个连接这两个不同直分段的、向外展开的分段。进一步的改进可以通过将这一装置与共同未决的标题为“高功率半导体激光二极管”的美国专利申请US09/852994所描述的名为“非泵浦式末端部分”的激光二极管设计相结合而实现。对于有利的制造工艺而言，优选的是带有三个直分段的分段脊形波导设计方案，其中至少两个分段的横截面或宽度不同，并且两个向外展开的分段连接不同的直分段。后一种设计方案导致了同样的晶片图案和同样方向的激光二极管结构，因此允许使用标准的制造工艺。

Description

高功率半导体激光二极管及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体激光二极管，尤其涉及基于AlGaAs的高输出功率激光二极管。所述激光二极管通常用于光电器件中，在光通信领域中经常用作光纤放大器(例如掺铒光纤放大器)的所谓泵浦激光器。脊形波导激光二极管特别适于提供希望的在给定频带中具有稳定光输出功率的窄带宽光辐射。显然，所述激光二极管的输出功率和稳定性引起了人们的极大兴趣。本发明涉及一种改进的激光二极管，其改进特别涉及脊形波导的结构和设计；同时本发明还涉及这种激光二极管的制造方法。
背景技术
上述类型的半导体激光二极管已成为光通信技术中重要的部件，这特别是因为这种激光器可用于通过光学手段即时放大光信号。这就允许设计出纯光纤通信系统，避免待传输信号的任何复杂转化，从而提高该系统内的传输速度和可靠性。
在一种光纤通信系统中，激光二极管用于泵浦掺铒光纤放大器，即所谓的EDFA，这已经在本领域技术人员所熟知的各种专利文献和出版物上进行了描述。具有一定技术意义的例子是功率输出为150mW或者更大的脊形波导激光二极管，其波长匹配铒吸收谱线，因而能实现低噪音放大。已经发现了几种激光二极管可以很好的达成此目的并已在现今大量使用。然而，所述发明不限于这种激光二极管，而可应用于任何脊形波导激光二极管。
通常，用于光纤放大器用途的激光二极管泵浦源以有效耦合到单模光纤中的单一横向模式运行，并且大部分是多重纵模激光器，即法布里—珀罗激光器。对应于铒吸收波长，通常用于铒放大器的主要有两种类型：1480nm时的InGaAsP；大约980nm时的应变量子阱InGaAs/AlGaAs激光二极管。
上述类型的半导体激光二极管有很多问题。相当重要的一个问题是随着横向和纵向单模半导体激光二极管的光输出工作功率的提高，最大可用光输出功率受到了限制。认为这是由于多种原因引起的：
●由于零阶模和更高阶模的相干耦合而引起的受限制的线性功率。
●由于电阻发热而引起的热翻转，即光输出功率效率的减低。过度的发热导致急剧增加的载流子泄漏至激光二极管的异质势垒上。因此，光输出功率随着温度升高而降低。
●灾难性的光学反射镜毁损，所谓的COD。
这些限制/毁损似乎在一定的功率电平时发生并被认为是由对波导等施加的增加的热量以及光电影响导致的，例如，因为n取决于自由载流子密度Ne.p以及温度Tn＝n(Ne，Np，T)，所以空间烧孔和电阻发热能导致局部增加的折射率。在边缘发射单模波导激光二极管中，光强度典型地朝向前小平面增加。通常，因为反射镜涂层，后者的反射率与后小平面相比是减低的：前小平面的涂层的反射率在0.1％和10％之间，而后小平面的涂层的反射率在70％和100％之间。
因此，必须寻求防止上述毁损并且克服限制的方法。Lang等人的美国专利US6014396描述了一种提高半导体激光二极管的光输出功率的尝试。Lang等人披露了如何朝向前小平面和后小平面略微变宽脊形波导部分以达到相同的孔径。据报道，这与标准的窄带器件相比减少了串联电阻。另外，提高了横向增益范围，其中由于前后反射镜的不对称反射镜涂层而提高了功率密度。据报道，空间烧孔的影响与标准窄带脊形波导相比是减小的。
然而，从整体上看，Lang等人提出的设计方案对于诸如激光二极管的脊形波导来说是不尽人意的。尽管Lang等人提出了将脊形波导变宽到20-50μm，但是发现就运行时间内的横向单模运行而言，宽度大于6-7μm的标准单模激光器是不稳定的，尤其是当引入光反馈，即利用光纤布拉格栅格(FBG)时。并且，Lang等人还提出利用不同的小平面横截面或孔径。这需要一种制造方法，由此将激光二极管对称地成对置于晶片上。换言之，当脊形波导的后面部分是直的，而前面部分是向外展开的时，该制造方法的二极管片图案被设计成相邻的激光二极管面对面地设置。然而这种设置会导致二极管片处理、激光二极管特性和可靠性上的问题，因此相当麻烦。很明显，到目前为了实现诸如激光二极管的脊形波导，优选的方法是将所有激光二极管定位在同一个方向上。
因此，本发明的总的目的是提供一种可靠的高功率脊形波导的设计方案，其避免了高功率激光二极管的上述问题，并且特别提供了在所有条件下稳定工作并具有较高光输出功率和足够长寿命的激光二极管。
本发明的更具体的目的在于提供包括至少一个特定锥形部分或向波导一端展开的区域的脊形波导激光二极管，从而提供希望的稳定高功率输出。
本发明更进一步的主要目的在于提供一种有利且经济的制造新颖脊形波导激光二极管的方法，从而允许可靠地批量生产这种激光二极管。
发明内容
从原理上，本发明是通过以特定方式改变脊形波导的外形来改进脊形波导激光二极管的。其重点是这样一种特殊的设置：波导朝向前小平面和/或后小平面变宽或向外展开。为了提高光输出功率，脊形波导部分只是朝向前小平面和/或后小平面略微变宽，优选为变宽到相同的孔径。如果这样相对于标准的窄带状二极管激光器而言增加了有效接触面，则与后者相比减小了串联电阻。另外，功率密度增加的地方提高了横向增益范围。由于横向引起的朝向前小平面的增益区域的影响，因此可以进一步放大光束，然而在标准脊形波导激光二极管中，在低功率电平处的放大是局部饱和的。因此与标准窄带状波导相比来看，空穴烧孔的影响降低了。
本质上，所述新型波导设计可以表述成“纵向指数管理”(LIM)。LIM规定以下特征：
1、与普通向外展开的激光器结构相比，波导变宽程度较小，通常在10μm以下；
2、前、后末端部分的结果是局部直的波导几何形状，从而允许基本标准的“窄带状”制造工艺；以及
3、前、后末端部分优选具有相同的孔径宽度或横截面。
为了实现具有上述特征的向外展开的或锥形的脊形波导设计，特别是为了使用基本标准的制造工艺来实现脊形波导，设计了新的光刻图案。这将在下文中进一步阐述。
简言之，本发明涉及带有有源区的、包括具有前后小平面的脊形波导的半导体激光二极管。该脊形波导包括沿其纵向延伸的至少三个不同的分段：
以基本上恒定的第一横截面延伸的中央分段，和
朝向所述小平面中的至少一个变宽的略微呈锥形的分段，和
接近该小平面的末端分段，其具有基本上恒定的第二横截面，即与该小平面基本相同的横截面或孔径。
因此它可以被称作“直—外展—直”波导设计。
优选地，该脊形波导具有沿该脊形波导延伸的两个锥形分段，第一锥形分段朝向波导的前小平面变宽，而第二锥形分段朝向波导的后小平面变宽，该脊形波导还具有分别和每个小平面相连的两个末端分段。而且，这两个末端分段优选具有与相关孔径相同的横截面。因此它可被称作“直—外展—直—外展—直”波导设计。
通常，两个锥形或向外展开的分段具有不同的长度，具体而言，第一锥形分段比第二锥形分段长，并且优选具有相同的横截面。两个末端分段可以具有基本相同的长度，但并非必须的。
与一般情况相同，对称地构建脊形波导，该波导在总长度方向上厚度基本恒定，该脊形波导的宽度变化导致得到变宽以及不同的横截面。优选地，中央分段具有第一宽度，例如3μm宽，末端分段的宽度是所述第一宽度的两倍，例如6μm宽。
换言之，脊形波导具有带有基本恒定的第一横截面的长中央分段、至少一个朝向小平面之一变宽的外展分段、以及在所述锥形分段和所述小平面之间的至少一个短末端分段，所述短末端分段具有比所述第一横截面大的基本恒定的第二横截面。优选地，该脊形波导具有从中央分段朝向小平面以相反的方向延伸并变宽的两个外展分段，用于将长中央分段直接连至所述短末端分段。
一种制造高功率脊形波导激光二极管的新方法，该二极管带有形成镜像的具有相同横截面的小平面，这种方法允许利用条带方式(strip-wise)通过连续切断的手段来制造激光二极管，而不受脊形波导管的外展或锥形结构的影响。直到目前为止，这对于向外展开的设计方案仍是不可能的。
依照本发明构建的脊形波导激光二极管与现有技术的激光二极管相比具有巨大的进步，尤其是在长期稳定性和可靠性方面。
这一重要进步主要是由变宽的末端分段带来的，这允许在直中央分段提供光束稳定性的同时将电流注入到增大的接触面上。
可以通过将UIM设计方法与称为“非泵浦末端部分”的激光二极管设计相结合来实现另一本质上的进步，该激光二极管设计在名称为“High PowerSemiconductor Laser Diode(高功率半导体激光二极管)”的美国专利US09/852994中进行了描述，该文在此引入作为参考。该LIM-“非泵浦末端部分”的结合进一步提高了泵浦激光设备的可靠性。原因在于：在激光器敏感的前后末端部分处局部减小了可能导致设备老化的电流密度。
有利的是，获得这样的进步仅需稍微增加制造的复杂性，所以可以使用常规制造设备和通常的制造工艺。同时，激光二极管本身的尺寸与以前的二极管相同，因而可以避免任何封装上的改变或问题。
优选实施例详述
以下，将参照附图描述本发明实施例的结构和制造工艺：
图1表示了依照本发明的激光二极管的脊形波导的大体结构的概观图；
图2表示了依照现有技术的三个激光二极管脊形波导的制造工艺；
图3表示了依照本发明的“连续”激光二极管的制造工艺。
图1表示了本发明优选实施例的基本设计，这将在下文中详细解释。
该实施例表示AlGaAs 980nm泵浦激光二极管的脊形波导的顶视图。半导体在此是GaAs衬底，图中未示出，其形成激光二极管的基体。激光二极管基本包括由两个AlGaAs包层夹在中间的应变量子阱(SQW)有源区。顶端p金属镀层(也未示出)典型地覆盖了半导体脊形波导以及一些嵌入材料。
该AlGaAs 980nm脊形波导激光二极管的物理尺寸非常小，大约0.4mm宽，2-4mm长，0.15mm厚。
图1表示的脊形波导结构是“直—外展—直—外展—直”型。它由五个分段组成，从右边的前部分开始依次是：
●直的部分，即具有恒定横截面或宽度的分段，其在激光二极管的出射孔径处结束。本实施例中该直分段宽6-8μm，长大约20μm。
●向外展开的部分，即具有变小的横截面或宽度的分段。其宽度从6-8μm渐减到约4μm；其长度大约为1.2mm，在此正好是1.180mm。
●直中央部分，即另一具有恒定横截面或宽度的分段，其小于激光二极管的出射孔径。该直分段大约4μm宽，大约1.2mm长，在此长度正好为1.116mm。
●另一向外展开的部分，即带有变化的横截面或宽度的第二分段。其宽度从约4μm增加到6-8μm；大约20μm长。因此它比第一向外展开的分段短很多，即具有很大的开角。
●第三个直的部分，即具有恒定横截面或宽度的第三个分段，其在激光二极管的后反射镜处结束。该直分段也是6-8μm宽，约20μm长。
对于其他尺寸的激光二极管片而言，不同部分或分段相对大小和尺寸近似如下：
●第一个直的部分，即具有与激光二极管的出射孔径相同的恒定横截面的分段，长度最高为该二极管片总长的5％。
●第一个向外展开的部分，即具有变小的横截面或宽度的分段，长度最高为二极管片长度的30％-60％。其宽度从宽出射横截面向后者部分变小。
●直中央部分，即具有恒定横截面或宽度的第二个分段，长度为二极管片长度的40％-70％。
●第二个向外展开的部分，即具有变化的横截面或宽度的第二分段，长度最高为二极管片总长的5％。其宽度从直中央部分的横截面向出射孔径的横截面变大。
●第三个直的部分，即具有恒定横截面或宽度的第三个分段，其在激光二极管的后反射镜处结束。后者优选具有与出射孔径相同的横截面。第三直分段长度最高为二极管片总长的5％。
以上是关于激光二极管示例性脊形波导的大体结构。
如上所述，LIM波导设计提高了泵浦激光二极管的效率和线性光输出功率。根据脊形波导的几何形状，减小了串联电阻，并且因此降低了接点温度，从而提高了可靠性。
使用依照本发明的LIM设计，较长的直中央分段具有与标准脊形波导部分相当的波导属性以及同时绝热变宽的前部分，即图1右侧所示的向外展开的分段进一步放大了激光的零阶模。该向外展开的设计本身在半导体光学放大器原理中是众所周知的。但是，将该原理运用于横向单一单模泵浦激光二极管则不仅需要简单的调整。它甚至需要进行改变从而变得适于不同程度的标准脊形波导制造工艺。另外，必须准确地设计直中央分段和朝向激光器输出小平面绝热变宽的分段，以便在全部工作状态中都能表现出横向稳定的单模特性。这还要求激光二极管配备有光纤布拉格光栅。
在该实施例中，对于约1μm(即1000nm)的波长而言，前小平面的孔径宽度以及与激光器输出小平面相关联的直分段的宽度的应当限制在不高于大约8μm。否则利用标准透镜耦合到光纤末端的效率就会大大降低。
尽管本发明最初是在AlGaLnAs材料系统中的980nm激光器上实现，但它也适用于其他的波长，例如波长在1300μm-1600μm范围内诸如InGaAsP/InP或AlGaInAs/InP的材料系统。
以上是依照本发明的激光二极管的实施例。下文涉及依照本发明的激光二极管的优选制造工艺的具体细节。
图2和图3表示了三个激光二极管制造工艺的顶视图。通常，在半导体波形转换器上制造几百个本文所述类型的激光二极管。因此需要非常注意制造工艺及其细节。
图2表示了典型的现有技术设计。通常，已经通过设计光刻图案而实现了激光二极管制造工艺中的向外展开的脊形波导设计，该图案满足：该波导的后分段始终是直的，而前面的区域是向外展开的。因此二极管片的图案设计成如图2所示的相邻的激光二极管面对面排列。但是发现该排列不但导致制造期间的二极管片的处理问题，而且还导致所制造的激光二极管可靠性低、特性不稳定的问题。
图3表示依照本发明的具体方面的新设计。因为所有设备，即激光二极管都相同并且朝向同一方向，所以如图3所示，该新图案使得相同的设备遍布晶片。该设计使得涉及最大光输出功率和效率的设备性能得到了改善。
其它制造工艺里的许多步骤基本上仍然是标准的，并且是本领域技术人员公知的。
本领域技术人员将会很容易的想到其它的优点和修改，因此本发明并不限于本文中前面表示和描述的具体实施例、细节和步骤。在不背离所附权利要求限定的一般发明概念范围的情况下，可以进行各种修改。

Claims (22)

1、一种带有有源区的半导体激光二极管，包括具有前、后小平面的脊形波导，其中
所述脊形波导包括沿其纵向延伸的至少三个不同的分段：
以基本上恒定的第一横截面延伸的中央分段，和
朝向所述小平面之一变宽的第一锥形分段，和
在小平面处的以基本上恒定的第二横截面延伸的末端分段，第二横截面大于所述第一横截面。
2、根据权利要求1所述的激光二极管，还包括：
沿着该脊形波导延伸的第二锥形分段，第一锥形分段朝向所述脊形波导的前小平面变宽，所述第二锥形分段朝向所述脊形波导的后小平面变宽，和
两个末端分段，每个小平面与一个末端分段相联。
3、根据权利要求2所述的激光二极管，其中
两个锥形分段具有不同的长度，特别是第一锥形分段长于第二锥形分段。
4、根据权利要求2所述的激光二极管，其中
两个末端分段具有基本上相同的恒定横截面。
5、根据权利要求2所述的激光二极管，其中
两个末端分段具有基本上相同的长度。
6、根据权利要求2所述的激光二极管，其中
脊形波导的两个小平面具有基本相同的表面，因而制造工艺相同。
7、根据权利要求1所述的激光二极管，其中
沿纵轴对称构建脊形波导，该脊形波导在长度方向上具有基本恒定的厚度，所述脊形波导宽度的变化导致变宽的横截面以及不同的横截面。
8、根据权利要求7所述的激光二极管，其中
中央分段具有第一宽度，并且变宽的末端分段具有第二宽度，所述第二宽度大约是第一宽度的两倍。
9、根据权利要求7所述的激光二极管，其中
中央分段宽度至少为3μm，末端分段宽度至少为6μm，锥形分段用于连接中央分段和末端分段，因而其宽度至少在3-6μm之间。
10、一种带有有源区的高功率半导体激光二极管，其包括具有前、后小平面的脊形波导，包括在所述小平面之间延伸的：
具有基本上恒定的第一横截面的长中央分段，
朝向所述小平面之一变宽的至少一个锥形分段，和
在所述锥形分段和所述小平面之间的至少一个短末端分段，所述短末端分段具有基本上恒定的、比第一横截面大的第二横截面。
11、根据权利要求10所述的激光二极管，包括：
两个锥形分段，这两个锥形分段从中央分段朝向所述小平面以相反的方向延伸并变宽，并将长中央分段直接连至所述短末端分段。
12、根据权利要求11所述的激光二极管，其中
第一锥形分段的长度最高为激光二极管长度的30％-60％，
中央分段的长度为激光二极管长度的40％-70％，以及
第二锥形分段的长度为激光二极管总长度的10％。
13、根据权利要求11所述的激光二极管，还包括：
在激光二极管末端的至少一个直末端分段，其长度最高为激光二极管总长度的5％，
优选的是在所述激光二极管的每一端各有一个直分段。
14、根据权利要求13所述的激光二极管，其中
提供了两个直末端分段，分别位于激光二极管的各个末端上，
所述的两个直末端分段具有基本相同的横截面。
15、一种制造带有有源区、包括具有前后小平面以及在这两小个平面之间的至少三个不同分段的脊形波导的高功率脊形波导激光二极管的方法，所述不同分段具有不同的横截面，其特征在于：
所述小平面具有形成镜像的相同横截面，因而允许利用条带方式通过连续切断的手段来制造激光二极管。
16、一种带有有源区、包括具有前后小平面的脊形波导和在所述脊形波导上镀有金属镀层的高功率半导体激光二极管，每个小平面带有反射镜，所述金属镀层用于将载流子注入所述有源区，所述高功率半导体激光二极管包括在所述脊形波导的所述小平面之间延伸的：
具有基本上恒定的第一横截面的长中央分段，
朝向所述小平面之一变宽的至少一个锥形分段，
在所述锥形分段和所述小平面之间的至少一个短末端分段，所述短末端分段具有基本上恒定的、比所述第一横截面大的第二横截面，和
用于通过在所述前和/或所述后小平面附近提供非泵浦部分来限制所述载流子的注入的装置。
17、根据权利要求16所述的激光二极管，其中
用于限制载流子注入的装置是激光二极管有源区和金属镀层之间的隔离层。
18、根据权利要求17所述的激光二极管，包括：
从中央分段朝向所述小平面以相反的方向延伸并变宽的两个锥形分段，从而将长中央分段直接连至短末端分段。
19、根据权利要求17所述的激光二极管，其中
第一锥形分段的长度最高为激光二极管长度的30％-60％，
中央分段长度为激光二极管长度的40％-70％，并且
第二锥形分段的长度最高为激光二极管总长度的10％。
20、根据权利要求17所述的激光二极管，还包括：
在激光二极管末端的至少一个直末端分段，其长度最高为激光二极管总长度的5％，
优选的是在所述激光二极管的每一端各有一个直分段。
21、根据权利要求20所述的激光二极管，其中
提供了两个直末端分段，分别位于激光二极管的各个末端，
所述的两个直末端分段具有基本相同的横截面，
在所述末端分段上延伸有用于限制载流子注入该激光二极管有源区的隔离层。
22、一种制造带有有源区的高功率脊形波导激光二极管的方法，该高功率脊形波导激光二极管包括具有前后小平面以及在所述小平面之间的至少三个具有不同横截面的不同分段的脊形波导，还包括在所述脊形波导上用于将载流子注入所述有源区中的金属镀层，还包括用于限制载流子注入所述有源区中的隔离层，其中
所述小平面具有形成镜像的相同横截面，因而允许利用条带方式通过连续切断的手段来制造激光二极管。
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