CN1689204A - 具有增益或吸收光栅区域的移相的表面发射dfb激光器结构 - Google Patents

具有增益或吸收光栅区域的移相的表面发射dfb激光器结构 Download PDF

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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器结构，邻接上述激活层的反相包层，衬底和电极，通过它向上述的半导体激光器结构注入电流，还包括具有周期性交替的光栅元件的分布式衍射光栅；每个光栅元件的特征在于其是高增益元件或低增益元件，每个元件具有长度，高增益元件的长度与低增益元件的长度一起定义了光栅周期，其中，光栅周期位于光通信信号带中所需产生光信号的范围，用于在腔内对所述相反运行的模式进行移相的装置，以改变模式轮廓来提高所述输出信号的近场强度；由改变的模式轮廓引起的空间空穴燃烧得到改良。

Description

具有增益或吸收光栅区域的移相的表面发射DFB激光器结构
发明领域
本发明涉及电信领域，特别是基于光信号的电信系统。更特别的是，本发明涉及产生这种光通信系统的泵与载波信号的激光器，例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。
只要边射DFB激光器修整并耦合到光纤，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，在一个晶片上生产边射DFB激光器的成品率(例如，达到期望信号输出规范)可能会比较低。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。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，当从激光腔的末端进行划片时，单模DFB激光器的工作仍是光栅相位的函数。划片步骤所带来的相位的不确定性，将由于差的SMSR导致其所产生的单端模式的低产量。用这种方式生产的多模激光器不适合用于DWDM系统中。
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。由于多模性能或差的SMSR，会导致低成品率的晶片上的效率进一步降低。
通过复数耦合的边缘发射和单模操作，都已通过使用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，两种模式所引起的激光器的表面辐射损耗是不同的，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。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式形状更匹配，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激光器的激光模式的轮廓更易于耦合到光纤，尝试改变激光器的工艺，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，通过在中部压缩波导腔的形状将相移引入到激光腔中，从而改进了激光模式的轮廓以及耦合效率。然而，移相模式的轮廓包括一个陡峭的峰值，该峰值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。另外，由于涉及到的光刻技术，这种发明也很难实现。在美国专利4,958,357中介绍了一种激光器，它包括一个用于表面发射的折射率耦合的二阶光栅，激光器中部使用了双相移动或是在激光腔内使用了多相移。由于在相位漂移位置的光场强度，在这种结构中出现了空间空穴燃烧。这限制了器件的输出功率，因而是不理想的。
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。该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。
在电信领域色散效应是一个问题。沿着光纤传播时，一个信号脉冲的不同的波谱分量的群速(group velocities)会有轻微的差异。因此，脉冲会被展宽。脉冲展宽会导致脉冲之间的干扰并增加误码率。脉冲展宽也会增加邻近波长信道之间的串扰。传输的距离越远，脉冲被展宽的越多。因此，比特率就被光连接中的色散效应以及脉冲展宽所限制，该色散效应通常由光纤的长度决定。如果光信号的源表现出更多的线性调频脉冲性质，脉冲展宽的就会更快，并且给定比特率的连接长度会下降。因此，在光通信中期望低的线性调频源。
所期望的是一个表面发射激光器结构，它可以提供实用的输出功率，同时不会产生以前移相技术中出现的有害的空间空穴燃烧问题。并希望该结构具有低的线性调频脉冲性质。
发明内容
本发明的目的是提供一个表面发射激光器结构，它既适用于通信应用，也能避免或最小化先前工艺的缺点。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，这个信号源以表面发射半导体激光器形式存在，可使用常规的半导体制造技术生产，与当前技术相比有更高的成品率。于是，本发明的目标是产生信号源，与前文中提到的以前的工艺技术相比，该信号源有较低的成本。
本发明的进一步目的是，该信号源具有足够的功率和宽带通信所需的稳定精确的波长，并且不会产生由于空间空穴燃烧导致的不能实用的限制。最特别需要的是，该激光器的模式被优化以允许光纤耦合，并且可以用常规的半导体技术中的光刻技术来生产。因此，所期望的表面发射激光器包括一种改进空间空穴燃烧的方法，从而允许该激光器发出有实用价值的输出功率值。并且该装置将表现出最低限度的线性调频脉冲特性，以允许在没有不可接受的脉冲展宽情况下的信号的传输和处理。
本发明期望得到一个半导体激光器信号源，它的输出信号易于有效率地耦合到单模光纤。该器件也适宜于在一个单一的晶片结构上以阵列的方式制造，并且可以与邻近的结构，如邻近的信号吸收区和光电探测器器件等，整体地、同时地成形或制造。
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，可将每个阵列中的激光源生产为在相同或不同的波长工作，最可取的是波长在电信信号频带内。
另外，这个设备有一个与外部反馈回路连接的内置探测器，可用于信号监测和维护。
因此，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激光器结构，邻接上述激活层的反相包层、衬底，用来向所述半导体激光器结构注入电流的电极，从而引起所述激光器结构发射至少表面发射的输出信号；
所述激光器结构的与所述激活层关联的分布式二阶衍射光栅，所述衍射光栅包括大量具有周期性交替的高增益与低增益值的光栅元件，当所述电流被注入所述激光器结构中，所述光栅的尺寸与形状可以在腔内产生不断反向的模式；
将腔内所述的不断反向的模式进行移相的装置，从而改变模式的轮廓以提高所述输出信号的近场强度；
以及改善由所述改变的模式轮廓引起的空间空穴燃烧的装置。
结合本发明的第二个特征，提出了生产表面发射半导体激光器的方法，所述方法包括以下步骤：
在公共晶片衬底上，逐层形成众多的半导体激光器结构；
在所述公共晶片衬底上生成第一级包层，激活层和第二级包层；
在所述公共晶片衬底上，形成与所述激活层关联的众多的二阶分布式衍射光栅；
在所述光栅上，形成移相器以改变从所述半导体激光器输出的信号的模式轮廓；
在所述公共晶片衬底上的每个所述半导体激光器上，形成向每个所述激光器结构注入电流的电极；
当所述结构仍然连接在所述公共晶片衬底时，向上述结构中注入测试电流，来测试每个所述半导体激光器结构。
附图说明
现在，仅仅通过举例的方式，依据附图提出本发明的优选装置参考：
图1是按照本发明，在增益媒介中形成具有四分之一波长相移的二阶光栅的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是关于折射率耦合与增益耦合四分之一波长相移的DFB激光器之间比较关系的曲线示意图，说明了本发明的特征；
图4是图3中四分之一波长相移DFB激光器中，作为偏置电流的函数的规格化了的增益差异的曲线图；
图5是按照本发明，在吸收层或损耗层形成二阶光栅的另一个装置的表面发射半导体激光器的侧视图；
图6是图5装置的端视图；
图7是按照本发明，一个间距调节的设计的顶视图；
图8是本发明图1装置中，光的近场强度与沿激光腔距离的关系示意图；
图8a，8b，8c是图7装置的三个主要模式的光子密度和表面发射的规格化的场分布示意图；
图9是本发明的另一种装置的顶视图，展示了在激光器腔的每一端以吸收区的形式生成的终止区；
图10是图8中发明的另一种装置的顶视图，其中一个所述终止区是探测器；
图11是在一个公共衬底上的表面发射半导体激光器结构的阵列的顶视图，该阵列用来产生1到N的波长。
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的侧视图，图2是同一结构的端视图。激光器结构10可使用标准半导体制造技术，由大量层逐层堆叠组成。本发明使用这些已知的半导体制造技术，说明本发明不需要新的制造技术就能有效的大量生产。
本说明书中，其后公开的术语具有下列含义。半导体的P区域是掺杂了电子接受器的区域，以空穴(价电子带的电子空隙)作为主要载流子。N区域是具有过量的电子作为载流子的半导体掺杂区。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。模容器是指包括大部分光模式的体积，也就是说这里存在明显的光(信号)强度。例如，模容器可以是包括80％光模式能量的边界。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格元件组成，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以是小的但为正的增益值，可以没有实际增益或者是吸收值或负值。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，包括激活区的损耗耦合和增益耦合光栅，以及载流子阻塞光栅无论其是否位于激活区。
本发明提到的衍射光栅的全部效应包括，限制激光振荡器从两种纵向的激光模式中选择一种，该模式可能视为单模输出信号。按照本发明，使用了多种技术来进一步设计激光器，这样，模式的轮廓就可能被有效地耦合到光纤。
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。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，它由具有激活量子阱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员来说，InGaAsP或InGaAs是优选的半导体，因为这些具有确定范围的合成半导体，在波长范围1200nm-1700nm或更高范围内显示出可以具有光学的增益能力，包括以下宽带光学频谱：S-波段(1300-1320nm)、C-波段(1525-1565nm)和L-波段(1568-1610nm)。其他半导体物质，如GaInNAs、InGaAIAs，只要具有在宽带范围内生成输出信号的能力，也包括在本发明中。对于按照本发明由适当物质设计组成(如InGaAs/GaAs)的设备，另一相关的重要的通信波长范围为910-990nm，与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。
在图1的实施例中，衍射光栅24在激活层22中形成。衍射光栅24由高增益部分27和低增益部分28交替组成。最可取的是，光栅24是具有固定周期的规则光栅，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27的长度32和邻近的低增益部分28的长度30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27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，造成以表面发射形式输出信号的结果。正如所见的，因为这种装置中的光栅24在激活增益层形成，它可被认为是一个增益耦合设计。
在光栅24中部的是用于移相的装置，它包括一个稍微宽一点的高增益“齿状物”26。齿状物26的大小与形状设计为可产生一个四分之一波长的相移。熟悉本技术的人会理解，本发明包括其他形式的移相元件。所需的是为光栅提供足够的相移，来改变近场强度轮廓，从而将主要模式从双峰配置更改为单峰配置，其中峰值通常是位于相位移动上面。这样的模式轮廓可以比双瓣的轮廓更有效的耦合到光纤中。因而，只要改变模式轮廓来提高耦合效率，相移的数量以及实现相移的方法就可以在不偏离本发明精神的条件下变化。
例如，成倍的相位移动可以用来产生总体的四分之一波长移动，举例来说，由两个λ/8或两个3λ/8或其他的组合来组成。最好还包括连续的线性调频脉冲光栅或间距调制的光栅，尽管它们更难于生产。图7中说明了遵照本发明的间距调制光栅，图中表示了终端吸收区域301，脊状电极302，以及围绕中部光栅部分303的等长的边缘光栅部分304。如图所示，中部光栅周期与304部分的光栅周期有些微的差异。图7表示了间距调节光栅，其中相位的移动分布在整个光栅上。
附属的图8a，8b，8c是光子密度和表面发射的场强对比腔长度的理论曲线。三条曲线(8a，8b，8c)代表了三种基本的模式，分别是0阶模式、-1阶模式和+1阶模式。由图8a可知，对于主要的(即产生激光的)0阶模式，在激光器结构或腔中，光子的密度分布的相当平均。事实上，图中的峰值401小于2.5，而谷底402略小于1。光子密度这样广泛平均的分布减小了空间空穴燃烧的问题。同样从图8a可以看出，表面发射的轮廓404大体上是圆形或者在406处是高斯型的，意味着表面发射适合于耦合到电信应用的光纤中。
同样的，两个二级的模式8b和8c表现出规格化的近场分布趋势，分别在腔的中部410和412处趋向于零。因为二级模式耦合到光纤的比例非常低，产生高的边模式抑制，同时完成空间空穴燃烧的减小(改善)。这种配置同样显示出低的线性调频特性。总之，尽管有许多种类型的结构可用来引入相位移动，间距调制的设计是较优的形式。在本说明书中，术语间距调制设计指的是在腔的中部和端点处具有少许周期差异的光栅。最可取的是，这样的周期改变是逐步地引入到整个光栅的，而不是在前文描述装置的某个齿状物处突然的引入的。
回到图1，在光栅24上面是p-InGaAsP密封层34，位于密封层34上面的是p-InP缓冲区36，层36上面是p-InGaAsP蚀刻阻挡层38，在p-InP包层40上方的p++-InGaAs保护层42。
对熟悉技术的人来说很容易理解，按照上面所述配置各层的方法来建造的半导体激光器，可以被调谐到产生具有预定波长的输出信号，因为写在激活层的衍射光栅的分布式的反馈致使激光器成为单模激光器。输出信号的精确波长是一系列变量的函数，通过一种复杂的方式，这些变量之间互相关联并与激光器结构的其它变量相关。例如，其中一些变量影响输出信号的波长，包括光栅周期，激活层、密封层及包层的折射率(典型的，它们会随着温度及注入电流而改变)，激活区的构成(会影响层的应力，增益波长和折射率)，以及上述各个层的厚度。另一个重要的变量是通过电极注入结构的电流的大小。因而，按照本发明，通过操纵这些变量，激光器结构可以建造为具有预定的且非常精确的输出波长。在期望创建用于DWDM频谱的独立信道的信号源或信号元件的通信工业中，这样的激光器是很有用的。因此，本发明包括各种层厚度、增益周期、注入电流及其它相似成分的组合，它们一起产生具有适合于电信应用的功率、波长及带宽的输出信号。
然而，仅仅得到期望的波长与带宽是不够的。本发明解决的一个更困难的问题是，从二阶光栅(因而，作为表面发射)产生一个期望的特定的波长，通过这样的方式控制它使其有效地耦合到，例如光纤中。输出信号的空间特性对耦合效率有着大的影响，理想的形状是单模、单瓣高斯型。对于表面发射半导体激光器，两个主要的模式包括分叉的双瓣模式和单瓣模式。因为大多数的电信应用中的单模光纤具有单高斯模式，前者很难耦合到这些光纤中。
如上文所指出的，SMSR指的是抑制不期望的模式以有利于期望的模式。依照本发明，为了从激光器10的表面得到好的SMSR，需要仔细设计光栅24的占空比以及激活层22的增益的空间调制。在本说明书中，术语占空比指的是表现为高增益的光栅周期的长度与光栅周期之比。在更简单的术语中，占空比可定义为光栅24展现高增益的周期部分。如同图1中说明的，在增益耦合的激光器中，通过腐蚀掉部分的激活层来控制占空比的参数，由留下来的激活层部分充当占空比。或者另外一种选择是，激活增益层可以完整的保留下来，而光栅可被刻蚀成为电流阻挡层，通过与占空比相对应的刻蚀掉部分电流阻挡层。
现在可以充分的理解图1中的二阶分布式衍射光栅是通过刻蚀增益介质来形成光栅24的。其结果是半导体激光器10的两个主要模式展现出不同的表面发射损耗(那正是激光器的输出)并因此具有不同的增益。只有一个模式(具有低的增益阈值的模式)会发出激光，产生良好的SMSR。本发明认为所期望的激光模式是单瓣的，并且近似为高斯轮廓。在这种方式中，因为功率或信号强度的轮廓易于耦合输出信号到光纤中，激光模式可以更容易的耦合进光纤。相位移动的二阶激活-耦合光栅具有三个可以发出激光的模式，其中两个双瓣模式具有高的增益阈值，单瓣模式具有最低的增益阈值。因而，主要的模式在相位移动区域有极大值的单瓣外形，为了最优的耦合进光纤中，依照本发明，它应该位于激光器结构的中点。
另外，依照本发明，提供了一种改进空间空穴燃烧的装置。在这个意义上，改进意味着使其更好，而不是彻底消除。因而，本发明通过减少空间空穴燃烧带来的有害限制，来使激光器结构的性能比先前技术有所提高。正如熟悉技术的人所重视的，空间空穴燃烧没有被消除，仅仅被改进，以允许本发明的激光器以更高的输出功率运行，同时不会使单模操作退化，这种退化在相移设计中常常发生，导致不可接受的色散或脉冲展宽。
依照本发明，具有与激活层相关的光栅的相位移动DFB激光器，由于改善了空间空穴燃烧问题的装置，对于空间空穴燃烧问题是稳健的。更特别的，本发明提供了一个具有纹波激活层(或一个与激活层相关的波纹，例如，在模容器上的吸收层)的DFB激光器，从而增加载流子注入(以增加增益)导致在高增益区有更多的载流子，但是由于等离子效应，折射率下降。作为结果，折射率系数下降，从而改善纵向的空间空穴燃烧。这样，由于与激活层有关的光栅的特性，空间空穴燃烧得到改善。因而，本发明包括与有源层相关的相位移动的二阶光栅，利用了相移折射光栅的模式轮廓的优点，同时包括上述的对空间空穴燃烧的自我抑制。
尽管对于占空比的选择没有限制，如果以合理可能的功率运行本发明的激光器，相信约为0.75的占空比是较为适宜的。
然而，也可以使用其他的占空比，从0.25到0.75甚至更高。在较低的占空比情况下，光栅产生较少的增益，从而提高阈值电流并降低激光器可得到的整体功率和效率。
为说明这个效应，图3说明了两个不同的二阶四分之一波长相移DFB激光器的特性。其中一个具有折射率耦合光栅，另一个具有增益耦合光栅。为了进行公平的对比，假定两个光栅都有相同的规格化的折射耦合系数K，L＝2，并且到辐射场的耦合系数为3cm-1。更进一步，假定具有增益光栅的DFB激光器的增益耦合系数比率Kg/Ktotal为10％。这样，图3展示了一个对比，在该对比中，腔的两端的场强都已规格化。可以看出，折射率光栅的场强的峰值大于增益耦合光栅场强的峰值。
在图4中，对图3中的两个激光器，将规格化了的增益差异作为偏置或注入电流的函数，用曲线表示出来。这为边模抑制比提供了一个指示。正如从图中可看到的，随着偏置增加，由于模式竞争，具有折射率光栅的激光器的规格化增益差异迅速下降。因而，在具有折射光栅的四分之一波长相位移动的结构中，空间空穴燃烧对于高功率级别是一个限制因素，是多模式操作因而发出线性调频的一个原因。相反，随着偏置(因而输出功率)的变化，具有增益光栅的激光器的规格化增益差异几乎保持不变。这样，本发明为每个装置提供一个四分之一波长相位移动结构，该结构与以前折射耦合光栅技术相比，具有低的线性调频特性。
在半导体激光器中，多模式操作是线性调频的一个来源。增益或损耗耦合DFB激光器有一个固有的机制进行模式选择。因而，其边模抑制比非常高，因此，线性调频特性很低。更特别的，在半导体DFB激光器中，由于激励复合与空间空穴燃烧，激光场的不一致性会导致激光腔内载流子分布的不一致性。在折射耦合光栅中，纵向模式的稳定性会由于改进的腔内折射分布的改变而退化。如前面的图中说明的，本发明包括由于增益耦合光栅而改进的空间空穴燃烧。
转到图2，展示了图1中激光器结构的侧视图。从图2中可看出，电极12和14使得在跨越激光器结构10上施加电压，从而像前面描述的那样激励激光发射。更进一步的，可以看出，顶层上形成的脊状物用于将侧面的光模式封闭在注入电流的区域。虽然展示了这个装置的一个脊状波导管，应注意到同样的结构可以使用掩埋异质结构设计来制造，从而将载流子和光场横向的密封起来。
作为实现本发明的装置，包括了增益耦合设计的其他形式。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，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，June 1995”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实施表面发射，还包括上述的相位移动。
转到图5，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。第一个n-InGaAsP密封层120之上是一个激活区域122，它由InGaAsP或InGaAs量子阱层组成，由InGaAsP或InGaAs阻挡层分隔。然后，在p-InGaAsP的密封区124之上有一个p-InP缓冲区126。光栅125在下一层形成，该光栅是一个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。然后，p-InP覆盖层134和p++-InGaAs保护层136一起位于电极114的下方。如同所察觉的那样，该装置描绘了一个二阶(或更高)光栅，该光栅的形成是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来实现的。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140和低增益(可能没有增益或甚至是净损耗)元件138的光栅。任何一个高增益元件140和一个低增益元件138的组合定义了所述光栅125的周期142。通过相位移动齿状物141提供四分之一波长的相移。它与第一个装置中齿状物26在改变激光器的近场模式轮廓方面是一样的。
图6表示了图5中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。
如同前面论述的，考虑到本发明的增益耦合光栅，图5与图6中的损耗耦合光栅也包括用于改进空间空穴燃烧的装置。在损耗耦合的装置中，激活区的载流子损耗通过在吸收性层的光激的载流子生成来补偿。这又有一个减少空间空穴燃烧的效应。此外，因为场强分布与损耗调制的同时进行，本发明对外部反馈更为稳健(这同样适用于增益耦合的设计)。正如熟悉技术的人所理解的，在以前技术的折射率耦合设计中没有这个效应。
图8是一个示意图，表示了光的近场强度与沿着激光腔长度的关系，适用于前面图1、图2、图5和图6中描述的装置。如图所示，在激光腔的中部，模式2(分叉的双波瓣)场强被相位移动修改为达到峰值144。因此，图8表明了在腔的中间在电极12上开口16的必要，以像图1展示的那样释放出信号。图8的曲线可以与图8a的进行比较，可以发现，已调周期的光栅同时增加了光子密度分布的均匀性和表面发射的峰值的圆滑。
图9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，这样将光栅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在光栅的终端区域划片，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的每个特性都可以特定的设计、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上写入的每个邻近的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的写入能力。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。
本发明进一步包括了制造光栅终端部分152和吸收区域154。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。这样，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。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，因此这种吸收区域易于成形。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。因而可以发现，本发明期待通过邻近区域160远离光栅150的实际终端处进行划片(必需的或希望的)，在以前技术中由于光栅划片所产生的难题、向激光腔引入不可控制的相移的问题，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，不需要从晶片上划出个体元件，直到对激光器结构进行功能性测试前，也不需要完成最终的精细加工或者激光器的封装。举例来说，参见图1，当激光器结构在一个晶片上加工时，电极12和14在就在结构10上形成。通过在晶片对电极适当的成形和沉积，如上所述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气隔离。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10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，来建立一个在一定范围的条件下，具有期望波长的稳定的信号源。
图11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。这样，每个光栅24都可以设计为在波长与输出功率方面特定的输出(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的信号，还是具有不同波长或特定的信号，都可以组成该阵列。
从而，本发明预期了一个单阵列结构，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。也可以明白，当每个激光源都调谐到同样的频率彼此相干时，N个激光器的阵列将具有功率因数N2。
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，各种各样的改造与改进都可以在不违背权利要求的精神下进行。其中的一部分改造在上文讨论过，其余的对于熟悉本技术的人员也很明白。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首选结构，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，重要的是二阶DFB光栅具有相位移动，以及改进空间空穴燃烧的装置。

Claims (44)

1、表面发射半导体激光器包括：
具有激活层的半导体激光器结构，邻接上述激活层的反相包层，衬底和电极，通过它向上述的半导体激光器结构注入电流，以引起所述激光器结构以至少一种表面发射形式发射输出信号；
与所述激光器结构的所述激活层相关的分布式衍射光栅，所述衍射光栅具有大量周期性交替的光栅元件，每个光栅元件具有高增益值或低增益值，向所述激光器注入所述电流后，所述光栅的尺寸与形状使其在腔内产生相反运行的受操纵的模式；
用于在腔内对所述相反运行的模式进行移相的装置，以改变模式轮廓来提高所述输出信号的近场强度；
用于改进由所述改变模式轮廓引起的空间空穴燃烧的装置。
2、根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中所述分布式衍射光栅是位于所述激活层上的增益耦合光栅，用于改进由所述改变模式轮廓引起的空间空穴燃烧的所述装置，包括高增益值交替光栅元件，其特征是，当对所述光栅元件施加更高增益时，所述高增益光栅元件的折射率下降，其中所述折射率的下降改良纵向的空间空穴燃烧。
3、根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中所述分布式衍射光栅是位于所述激活层附近的损耗耦合光栅，用于改进由所述改变模式轮廓引起的空间空穴燃烧的所述装置，包括低增益值交替的光栅元件，其特征是，充足的光激载流子的产生，是发生在当激活层的载流子损耗被施加的增益提升所补偿的时候，其中纵向的空间空穴燃烧被改良。
4、根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中所述相位移动的装置包括形成在所述光栅上的已调整间距。
5、根据权利要求4所述的表面发射半导体激光器，其中所述已调整间距光栅的尺寸与形状使得跨越所述激光器结构的光子密度平坦化。
6、根据权利要求4所述的表面发射半导体激光器，其中所述已调整间距光栅产生大体上是高斯形状的表面发射轮廓。
7、根据权利要求4所述的表面发射半导体激光器，其中所述已调整间距光栅引起一个或更多次要模式的表面发射在所述激光器的中央趋近于零。
8、根据权利要求2或3所述的表面发射半导体激光器，其中所述半导体激光器结构除表面发射信号之外，以边缘发射的形式发射第二输出信号。
9、根据权利要求1、2或3所述的表面发射半导体激光器，其中任何一对邻近的所述交替光栅元件形成一个光栅周期，其中具有较大增益的光栅元件包含所述光栅周期长度的大约75％。
10、根据权利要求1、2或3所述的表面发射半导体激光器组成的任何阵列，其中所述激光器的形式是一个由N个激光器组成的相干阵列，从而形成一个具有功率因数N2的泵源。
11、根据权利要求2所述的表面发射半导体激光器，其中所述分布式衍射光栅是旋光活性的，并在激活层上形成增益介质。
12、根据权利要求3所述的表面发射半导体激光器，其中所述分布式衍射光栅是旋光活性的，并在模容器上形成损耗介质。
13、根据权利要求2所述的表面发射半导体激光器，其中所述分布式衍射光栅不是旋光活性的，并由电流阻挡材料形成。
14、根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中所述光栅在所述相移的任一边包括整数倍的光栅周期。
15、根据权利要求1、2或3所述的表面发射半导体激光器，其中所述结构进一步包括邻近区域，该邻近区域在平面上至少部分包围所述光栅。
16、根据权利要求15所述的表面发射半导体激光器，其中所述邻近区域进一步包含整体成型的吸收区域，该吸收区域位于所述分布式衍射光栅的任一端。
17、根据权利要求15所述的表面发射半导体激光器，进一步包含具有光探测器的邻近区域。
18、根据权利要求17所述的表面发射半导体激光器，其中所述光探测器与所述激光器结构一起整体成型。
19、根据权利要求17所述的表面发射半导体激光器，进一步包含与所述光探测器相连的反馈回路，以将检测的输出信号与期望的输出信号相比较。
20、根据权利要求19所述的表面发射半导体激光器，进一步包含调节器，以调节输入电流使所述输出信号保持期望的特性。
21、根据权利要求15所述的表面发射半导体激光器，其中所述邻近区域由具有足够电阻的材料形成，当所述激光器使用时，将所述光栅电气隔离。
22、根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中一个所述电极包含有信号发射开口。
23、根据权利要求1、2或3所述的表面发射半导体激光器，其中一个所述电极的尺寸与形状使其在横向将光模式限制在一个区域中，通过该区域注入电流。
24、根据权利要求23所述的表面发射半导体激光器，其中所述横向限制电极是脊状电极。
25、根据权利要求1、2或3所述的表面发射半导体激光器的阵列，其中所述阵列包括公共衬底上的两个或更多所述激光器。
26、根据权利要求25所述的表面发射半导体激光器阵列，其中两个或更多所述激光器中的每一个都产生具有不同波长与输出功率并可单独调制的输出信号。
27、根据权利要求26所述的表面发射半导体激光器阵列，其中两个或更多所述激光器中的每一个都产生相同波长的输出信号。
28、制造表面发射半导体激光器的方法，所述方法包括以下步骤：
在公共的晶片衬底上，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所述激活层，形成大量分布式衍射光栅；
在所述光栅上形成相位移动以改变所述半导体激光器输出信号的模式轮廓；
在上述的晶片衬底上的每个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；
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半导体激光器结构。
29、根据权利要求28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。
30、根据权利要求28所述的制造表面发射半导体激光器的方法，更进一步包括调整至少一个与每个光栅相关的所述电极的尺寸与形状的步骤，以横向限制每一个所述半导体激光器结构的光模式。
31、根据权利要求28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每个光栅的两端的邻接区域中形成一个吸收区域的步骤。
32、根据权利要求28所述的生产表面发射半导体激光器的方法，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。
33、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，向半导体激射结构注入电流的电极；
与所述激光器结构激活层相关的分布式衍射光栅，所述分布式衍射光栅具有周期性交替的光栅元件，每个所述光栅元件具有增益效应，其中任何一对邻近的光栅元件包括有相对高增益效应的元件和有相对低增益效应的元件，这些增益效应的差异导致生成了在910nm-990nm或1200nm-1700nm范围的输出信号，其中所述光栅包括一个移相器，改变输出模式轮廓，以方便将所述输出耦合到光纤，及一种改良纵向空间空穴燃烧的装置。
34、根据权利要求33所述的表面发射半导体激光器，其中，所述分布式衍射光栅是位于所述激活层的增益耦合光栅，用于改进由所述改变模式轮廓引起的空间空穴燃烧的装置，包括具有高增益值的交替光栅元件，其特征是，当施加更高的增益到所述光栅元件时，所述高增益光栅元件的折射率会下降，其中所述折射率的下降可改良纵向空间空穴燃烧。
35、根据权利要求33所述的表面发射半导体激光器，其中，所述分布式衍射光栅是邻近所述激活层的损耗耦合光栅，用于改进由所述改变模式轮廓引起的空间空穴燃烧的装置，包括所述具有低增益值的交替光栅元件，其特征是，当施加的增益上升时，充足的光激载流子产生可补偿激活层的载流子损耗，其中纵向空间空穴燃烧得到改良。
36、具有规定空间特征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，向所述半导体光激射结构注入电流从而能产生通信频带内的输出信号的电极，以及有移相器的指定大小和外形的分布式衍射光栅，依据注入激光器结构的电流，提供模式轮廓以便所述输出信号耦合到光纤。
37、根据权利要求36所述的产生具有规定空间特性的输出信号的表面发射半导体激光器，其中所述光栅为已调间距光栅。
38、根据权利要求37所述的产生具有规定空间特性的输出信号的表面发射半导体激光器，其中所述已调间距光栅将跨越所述激光器结构的光子密度平坦化。
39、根据权利要求37所述的产生具有规定空间特性的输出信号的表面发射半导体激光器，其中所述已调间距光栅产生大体上为高斯外形的表面发射，其中心在所述激光器结构的中央。
40、根据权利要求37所述的产生具有规定空间特性的输出信号的表面发射半导体激光器，其中所述已调间距光栅引起一个或多个次要模式在所述激光器结构中央的表面发射趋向于零。
41、根据权利要求36所述的产生具有规定空间特性的输出信号的表面发射半导体激光器，其中所述分布式衍射光栅包括定义了光栅周期的交替的光栅元件，其中一个所述元件为有相对高增益的元件，邻近的元件是相对低增益的元件，其中相对高增益的元件的长度大约为光栅周期长度的75％。
42、根据权利要求41所述的产生具有规定空间特性的输出信号的表面发射半导体激光器，其中所述分布式衍射光栅是所述结构激活区上的增益耦合光栅。
43、根据权利要求36所述的产生具有规定空间特性的输出信号的表面发射半导体激光器，其中所述分布式衍射光栅是所述结构模容器内的损耗耦合光栅。
44、根据权利要求36所述的产生具有规定空间特性的输出信号的表面发射半导体激光器，其中所述分布式衍射光栅是所述半导体激光器结构上的电流阻挡光栅。
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