TWI274923B - Parabolic waveguide-type collimating lens and tunable external cavity laser diode provided with the same - Google Patents

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TWI274923B TW094142777A TW94142777A TWI274923B TW I274923 B TWI274923 B TW I274923B TW 094142777 A TW094142777 A TW 094142777A TW 94142777 A TW94142777 A TW 94142777A TW I274923 B TWI274923 B TW I274923B
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Description

1274923 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種抛物線波導型準直透鏡及一種具有該 透鏡之可調外腔雷射二極體，且更明確地說，係關於一種 月b夠建構連績波長可調特徵而無模態跳躍之拋物線波導型 準直透鏡及一種具有該透鏡之可調外腔雷射二極體。 【先前技術】 一般而言，為選擇一特定波長，通常將Littman_Metcalf 型外腔及Littrow型外腔用作一外腔以使用繞射光柵自具有 預定增益頻寬範圍之增益介質選擇該特定波長。 白知波長可調雷射二極體技術為一藉由使用MEMS(微機 電系統）機械地移動繞射光柵或反射鏡面來改變波長之外 腔雷射二極體。 然而，習知技術在其封裝上較為困難，因為其係藉由各 種光學元件及MEMS技術之驅動配件來建構，且其具有易受 外部振動影響的缺陷。且其具有需要形成於半導體雷射之 刻面（facet)上的高品質及成本之抗反射薄膜的另一缺陷。 圖1為一展示根據先前技術之Littman-Metcalf型外腔雷 射二極體光源的示意圖。 參看圖1，Littman-Metcalf型外腔包括一具有寬波長頻寬 之增益介質101、一用於使自增益介質1〇1產生之光束平行 之準直透鏡102、一用於使平行光束發生繞射之繞射光栅及 一用於使該繞射光束發生發射之反射鏡面1〇4。 若該光束自增益介質1〇1產生，則藉由準直透鏡1〇2將所 106779.doc 1274923 產生之該光束平行彙集，且藉由繞射光柵1〇3將該平行光束 繞射至反射鏡面丨〇4。此時所產生之該光束的波長如下： ^λ^ηά^ιηα + ύηβ) 方程式 1 其中m表示繞射級，η表示折射率，d表示繞射光柵之週 期，α表示入射角及β表示繞射角。 一般而言’由於繞射光栅之繞射級及週期係決定於其製 ie時期，所以為了在Littman-Metcalf型外腔雷射二極體中 達成波長調變，改變撞擊繞射角之入射角或改變反射鏡面 之角度。 儘管增益介質101之發射刻面係由分裂刻面（cleaved_ facet)或反射薄膜製成，但是其實質需要將高品質抗反射薄 膜106沉積於置於增益介質1〇1之内部的刻面上以抑制歸因 於法布裏-ίό羅（Fabry-Perot)諧振器之多波長振盪。 在圖1中，反射鏡面1 04藉由一機械裝置控制對於繞射光 栅103之角度，因此反射鏡面104可僅將入射至反射鏡面ι〇4 之光束中之具有特定波長的垂直入射光束反射至繞射光栅 103。反射回至繞射光柵103之光束藉由繞射光栅ι〇3發生繞 射經由準直透鏡102再次返回至雷射二極體1〇1。 若反射鏡面104自位置l〇4a旋轉至位置l〇4b，則改變垂直 撞擊反射鏡面104之光束類型。即，儘管具有預定波長之第 一光束105a垂直地撞擊位置l〇4a之反射鏡面1〇4而被反射 至繞射光柵103，若歸因於反射鏡面1〇4之旋轉反射鏡面之 位置改變至位置104b，則具有其它波長之第二光束1〇5b垂 直撞擊反射鏡面1 04而被反射至繞射光柵1 〇3。因此，根據 106779.doc 1274923 反射鏡面104配置之角度，改變反射回至增益介質101之光 束的波長且回應反射鏡面104之角度建構波長調變。如此， 應注意Littman-Metcalf型外腔可藉由控制反射鏡面1〇4之 角度改變波長。 另一方面，Littrow型外腔雷射二極體光源可藉由控制繞 射光柵之角度改變波長。圖2為一說明展示根據先前技術之 Littrow型外腔雷射二極體光源之示意圖之結構圖。 參看圖2，Littrow型外腔雷射二極體光源之結構類似於 Littman-Metcalf外腔雷射二極體光源之結構。只是，Uttrow 型外腔雷射二極體光源可藉由控制繞射光栅103之角度而 非控制反射鏡面1 04之角度來改變波長。此時所振盪之光束 的波長如下： τηλ = 2nd sin a 方程式 2 其中m表示繞射級，n表示折射率，d表示繞射光栅之週期 及α表示入射角（繞射角召等於入射角。 如圖1之描述中所描述，增益介質101之前刻面1〇7係由分 裂刻面或反射薄膜製成，其實質上需要將高品質抗反射薄 膜106沉積於置於增益介質1〇1之内部的橫截面上以抑制歸 因於法布裏-珀羅諧振器之多波長振盪。 颂似地，如同在上述Littman-Metcalf外腔雷射二極體光 源中，由於繞射光柵之繞射級及週期係在其製造時期決 疋’所以可藉由改變撞擊繞射光栅之人射角來調變波長。 #自曰:”貝101產生光束，則藉由準直透鏡102將所產 生之光束平行彙集，且藉由回應繞射光栅⑻之角度繞射具 106779.doc 1274923 有特定波長的光束將具有該特定波長之光束經由準直透鏡 102反射回至增益介質101。 最後，藉由回應配置繞射光柵1〇3之角度改變反射回至增 盈介質1 01之光束的波長來建構諧振波長的調變。 如上文所描述，習知Littman_Metcalf^Littr〇w型外腔可 調雷射可藉由控制角度選擇具有特定波長之光束，其中該 角度之控制藉由機械地旋轉反射鏡面或繞射光柵達成。因 此，由於精確地機械旋轉反射鏡面或繞射光栅，其具有以 下缺陷：雷射之穩定性降低；雷射易受外部振動之影響，· 雷射具有較大尺寸；&雷射在其封裝期間需要若干光學元 件。且由於不易進行光學„，其具有增加製造成本之另 一缺陷。 且可採用SGDBR(取樣光柵分佈式布拉格反射鏡） (Sampled-grating distributed Bragg ㈣⑽叫及⑽时(超級 結構分佈式布拉格反射鏡）(super_structure
Bragg renector)或其類似物作為其它不同習知可調光源。圖 3為展示根據先前技術之犯醜型可調半導體雷射的示意 圖。 由於SGDBR可調半導體雷射係由4個輪入注入電流控制 配件裝成’思即’-增益部分、兩個SGDbr配件及一個相 移部分，所以其具有難以找到料波長之操作條件的缺陷。 另一方面’在圖3中’分別地，參考數字201表示增益介 質（主動波導）’參考數字2()2表示被動波導，參考數字則 表7Γ SGDBR參考數字2G4表示抗反射薄膜，參考數字加 106779.doc 1274923 表不底部歐姆接觸’參考數字206表示歐姆層及參考數字 207表示歐姆電極。 圖4為一描繪一習知基於半導體之抛物線反射鏡面的平 面圖。 苓看圖4，將入射至光纖之光束傳輸至輸入被動波導 3 02，藉此以輻射角Θ分散至平板波導301。經分散之光束藉 由一藉由RIE(反應式離子蝕刻）所蝕刻之抛物線TIR(全内 _ 反射）鏡面304反射成一沿平行於X方向之平行光束3〇7。 此時’歸因於被動波導302之折射率與空氣之折射率之間 的差異藉由司乃耳定律（Snell’s law)，拋物線鏡面反射撞擊 其上之光束，較佳地，若入射於拋物線鏡面之入射角（γ)3〇6 高於臨界角，則藉由在拋物線反射鏡面全反射光束來最小 化反射鏡面處所產生的損失。 圖5&至圖5〇為說明一沿圖4之線八-八，、；6-3，及(：-(：，所截取 之基於半導體之抛物線反射鏡面的橫截面視圖。基板係由 • Si、InP基半導體及GaAs基半導體中之一者製成。—底部鍍 層31卜一被動波導核心層312及一頂部鍍層313形成於基板 上。且使用RIE將輸入被動波導與抛物線全反射鏡面形 空氣層3 1 4。 圖6為描述根據先前技術之圖4中所示之基於半導體之拋 物線反射鏡面的平行光束的形成的圖解。 如圖6中所示，以任何入射角入射至抛物線中之焦點 的光束經反射成為一平行於又轴的光束。另據 物線的定義所給定線為'组點，在所給定線上的二： 106779.doc 1274923 F(a’ 〇)之間的距離等於在所給定線處上之該點與垂直於線 (思即，x=^a)之點之間的距離。因此，很顯然，由於自焦點 F(a’ 〇)經由給定線至任意線之距離總是彼此相等而無需 取决於入射角，所以反射光束307為一平行光束。 然而，在拋物線反射鏡面中，由於輸入光束之方向與輸 出光束之方向之間存在9〇。差異，所以在其製造期間在晶圓 上有整合度低的缺點。由於在製造之後不易精確辨認所發 _ 平行光束的位置，所以具有不易光學對準光纖與微小 透鏡的問題。 且同樣，由於所輸出之平行光束之尺寸係僅由自輸入被 動波導傳播至平板波導的輕射角及焦距尺寸所控制，所以 任意調整所輸出平行光束之尺寸上存在限制。此外，由於 向平板波導傳播之幸虽射角取決於被動波導之寬度及被動波 導之核心層的厚度及折射率、輸入被動波導之寬度，所以 存在在八有相同焦距尺寸之準直透鏡中回應被動波導之核 •心層的厚度及折射率所輸出之平行光束之尺寸改變的缺 點。 大體而α，回應_諸如材料生長製程、光微影製程、 罐程、濕餘刻製程或其類似物之製程中之一短期或一 長期，平板波導之核心層之厚度及折射率及輸入被動波導 之寬度稍改變。 【發明内容】 口此本么明之目的為提供一種能夠單片整合增益介 貝平板波‘、光偏轉器及繞射光栅的拋物線波導型準直 106779.doc 1274923 透鏡。 二另—目的為提供m整合式可調外腔雷射 -猎由回應電或熱變化經由折射率之變化來改變 罘的方向而穩定地在外部振動中操作。 P夂：：：之另一目的為提供一種具有極佳波長選擇特徵並 牛…、：造成本的單片整合式可調外腔雷射二極體。 盆根據本务明之—態樣，提供—種可調外腔雷射二極體， 其包括·· 一準直透鏡，其將發散光束修正為平行光束；一 平板波導，其用於傳播穿過其之平行光束，·及-光偏轉器， 其藉由回應一外部電訊號改變穿過平板波導傳播之光束之 傳播路徑上的介質的折射率來改變光束的傳播方向。 思即，回應本發明之一可調外腔雷射二極體具有一光偏 轉裔，該光偏轉器回應一電訊號而操作（不同於習知 Littman-Metcalf型及Littrow型外腔結構），進而藉由該電訊 號來改變振盪波長而無需腔構造元件的機械移動。 根據本發明之另一態樣，提供一種可調外腔雷射二極 體，其將替代習知體（bulk)型準直透鏡之一準直透鏡及一增 益介質整合為一體，並且其配備：一光偏轉器，其能夠回 應電訊號及熱變化而改變光束之方向；以及一繞射光柵。 根據本發明之另一恶樣，提供一種基於半導體之準直透 鏡’其包括：一輸入波導，其接收來自外部之光束；及一 拋物線波導，其用於將來自輸入波導之發散光束修正為平 行光束，其中將抛物線波導自一相對於經由該輸入波導輸 入之光束的傳播方向線對稱之抛物線形狀，改變為一藉由 106779.doc 1274923 垂直於、’工過拋物線之焦點的對稱軸的直線而移除極點部 刀的m大車乂 l地，當光束自輸入波導傳播至抛物線波導 時，藉由逐漸減小輸入波導之寬度來增大或減小輕射角。 且同樣’由於根據本發明之—藉由電訊號操作之可調光 偏轉器之一實施例包括一由諸如㈣偏基半導體之材料 製成的平板波導及一平面三角形形式的部分p/n接面，所以 其特徵在於：藉由歸因於平板波導之載體密度變化或-回 應電流注人或錢施加的f光效應所導致的折射率之變 化、’，可任意控制穿過三角形式之可調光偏轉器之平板波導
的光束的方向。或者，可調光偏轉器係、—由諸如㈣L 基半導體1基半導體或基於聚合物之材料的材料所製成 的平板波導’且藉由將一具有某種程度電阻之金屬沉積於 平面,角形式之頂部來形成。且其特徵在於：使用藉由回 〜電Λ唬之/皿度之變化之折射率的變化，可任意控制穿過 平板波導之光束的方向。 —車乂 ^地’為了增大波長之可調範圍，可調光偏轉器可將 一特定波長改變為以該特定波長為中心的一短波長及一長 波長。 又 【實施方式】 在下=中，參照附圖詳細地描述本發明之較佳實施例。 在匕之月”本說明書及中請專利範圍中所使用之術語 :應理解為以習知或字典意義將其定義，應基 :定義術語之概念以將其發明描述為最佳方法之實情= -理解為匹配於本發明之技術精神的意義及概念。因此， 106779.doc -12- 1274923 由於本說明書中所描述之實施例及圖式中所示之構造僅為 本發明之最佳實施例且其並不表示本發明之所有技術特 徵，所以應瞭解在申請本申請案時可進行替代其之多種變 化及修改。 實施例1 本發明係關於一種抛物線波導型準直透鏡，其具有改良 結構且能夠用於根據本發明之可調外腔雷射二極體。 圖7為一表示一根據本發明之實施例之基於半導體之抛 物線波導型準直透鏡的平面圖。 參看圖7，其中展示一輸入被動波導4〇1及一拋物線波導 型準直透鏡402。將輸入被動波導4〇1之一端及拋物線波導 型準直透鏡402之輸入端置於焦點F(a，〇)處且拋物線波導 型準直透鏡402具有一對拋物線波導（y2=4ax)，其中該等拋 物線波導關於輸入波導彼此對稱。 在此情況下，拋物線波導型準直透鏡4〇2的初始寬度4〇5 為4a，一輸出端之寬度406決定準直光束403之尺寸。即， 抛物線波導在拋物線波導之焦點p(a，〇)處變得鄰近輸入被 動波導40 1 ’该專抛物線波導為y2=4ax之拋物線形狀，，，a，， 為拋物線波導之焦距，且以在抛物線波導型準直透鏡402之 寬度變為4a之一點切割之形狀來形成該等拋物線波導。 圖8 a及圖8b為展示沿線D-D，及E-E，所截取之基於半導體 之拋物線波導型準直透鏡的橫截面視圖。參看圖式，在一 由諸如Si基、鈮酸鋰（LiNb03)基、inP基材料或其類似物之 材料製成的複合半導體基板41 0上，依序地形成一底部鍍層 106779.doc -13 - 1274923 411、一被動波導核心層412及一頂部鍍層413。且可藉由習 知光微影及RIE(反應式離子蝕刻）製程來製造輸入^動波 導401及拋物線波導型準直透鏡4〇2。 比較圖7中之本發明與圖4中之先前技術，藉由將輸入波 導及輸出波導以直線排列，本發明能夠在製造期間在晶圓 上極大地改良整合度且具有可藉由使用抛物線之焦點及長 度控制輸出準直光束的尺寸之優點。且同樣，比較圖7中之 本發明與如上文所述之圖4中之先前技術，由㈣出準直光 束之尺寸獨立於輸人被動波導之寬度及平板被動波導層中 之核心層的厚度及組份’所以本發明能夠精確地知道輸出 準直光束之位置及尺寸，輸出準直光束變得具有極佳均句 性及再現性。 J而在圖7中，存在一缺點：自輸入被動波導4〇丨發射 之光束中之輸出準直光束的部分4〇4&及4〇仆未經拋物線波 導型準直透鏡402反射，其沒有變成平行光。即，若部分4〇4& 及404b變得增大，則抛物線波導型準直透鏡4〇2沒有足夠起 到作為準直透鏡的作用。 實施例2 圖9為添加在其寬度上傾斜之楔形被動波導4丨4至輸 入被動波導之概念視圖，其展示根據本發明之另一實施例 的準直透鏡改良圖7中所示之外腔雷射二極體之缺點。若輸 入被動波導之寬度變得減小，由於在向拋物線波導型準直 透鏡402之傳播期間輻射角變得增大，則可藉由相對地減小 未被抛物線波導型準直透鏡反射之光束的比例來減小光束 106779.doc 14 1274923 的損失。 圖1 〇為一展示一根據本發明之抛物線波導型準直透鏡的 照片。且圖lla至圖lie分別為根據本發明之拋物線波導型 準直透鏡的近場影像。 藉由以下方法建構所製造之抛物線波導型準直透鏡。 即，在由（例如）n型InP半導體製成之基板上形成在一由（例 如）η型InP半導體製成之底部鍍層、一由（例如）未摻雜 InGaAsP半導體製成之被動波導核心層及一未摻雜InP頂部 鍍層之後，藉由一習知光微影製程及一 RIE製程來製造圖1 〇 中所示之一輸入被動波導、一楔形輸入波導、一抛物線波 導型準直透鏡及一平板波導。根據本發明之實施例，較佳 地該被動波導核心層具有在0.30至〇·40 μηι之範圍之厚度且 該未摻雜InGaAsP半導體之帶隙在丨·“ ^瓜至丨以μπι之範 圍。使用一光纖將光束注入所製造之拋物線波導型準直透 鏡且藉由一安裝於拋物線波導型準直透鏡處之輸出端之 IR(紅外）相機來拍攝近場影像。 如圖lla至圖lie中所示，回應平板長度之變化並未產生 空間多模式，鑒於儘管所輸出之光束穿過長度彼此不同之 平板波導傳播，而並未發生彳艮大變化，可認為光束作為一 大體平行光束輸出。 實施例3 本實施例係、關於一具有一光偏肖器之可調夕卜月空雷射二極 體，該光偏轉器能夠經由歸因於電變化或熱變化之折射率 的變化來改變光束的方向。為產生撞擊光偏轉器之平行光 106779.doc 15 1274923 束’儘官較佳使用第一實施例之準直透鏡或第二實施例之 準直透鏡’但是可使用根據習知方法之體型準直透鏡（或一 填充有一預定介質的平凸透鏡，該預定介質具有不同於波 v之折射率之折射率）。在以下描述中，將詳細地描述具有 第二實施例之準直透鏡（在此等準直透鏡中，其在操作品質 方面最佳）的可調外腔雷射二極體。 圖12為一說明一展示一根據本發明之一實施例之Littrow 型單片整合式可調外腔雷射二極體光源的示意圖之示意 圖。 參看圖12,本可調外腔雷射二極體之基本構造包括：一 主動波導501，其充當一具有寬波長範圍之增益介質；及一 被動波導502，其藉由對接（butH〇int)而連接。且本可調外 腔雷射二極體進-步包括：一相控制配件51〇，其形成於被 動波導502上，該被動波導502在其寬度上逐漸減小；一拋 物線波導型準直透鏡503、一平板波導5〇4、一對三角光偏 轉器505a及5 05b及一繞射光柵5〇6。 將於增益介質處所產生之具有寬波長範圍的光束在抛物 線波導型準直透鏡503處輸出為具有足夠光束尺寸的平行 光束，由於僅將藉由繞射光柵506繞射之特定單一波長反饋 至主動波導5(Π，所以該特定單一波長被輸出至該主動心 5(Η之前刻面。此時’若將電訊號施加至置於平板區域之光 偏轉器505a及505b，則回應歸因於電或熱變化之折射率的 變化藉由司乃耳定律改變光束的方向H改變回應輸 入至繞射角506之入射角之變化而輸出的單一波長光扣 106779.doc 1274923 波長，如數學方程式2中所示。 藉由在平板波導504之預定區域中形成p/n接面區域來建 構平板波導504中之光偏轉器505a及505b。即，僅在由諸如 InP或GaAs或能夠形成平板波導504之其類似物之複合半導 體所形成的平板波導504中以三角形式的部分上平坦地形 成p/n接面，進而回應施加至p/n接面區域之電壓或注入電流 歸因於載體密度之變化或電光效應改變折射率。在此結果 中，當在平板波導504中傳播之光束穿過p/n接面區域之三 角部分時，可藉由使用施加至p/n接面區域之電壓或電流控 制光束之折射角。此時，回應施加至p/n接面區域之電壓或 電流，藉由平板波導504之載體密度的變化或諸如qCSE(量 子侷限史托克效應（quantum confined Stark effect))之電光 效應來改變折射率。 因此，可在平板波導504與光偏轉器505a及505b之間之界 面處折射光束。在由InP及InGaAsP所製成之平板波導5〇4 之情況下，藉由將載體密度改變為約5X1 〇u cnie3可將折射 率改變至0.05。因此，可將用於建構可調外腔雷射二極體 所需之所有元件整合為單一基板。且同樣，可將光偏轉器 建構為一對正方向及反方向三角。 根據本發明之實施例，較佳地光束509(其由於未被拋物 線波導型準直透鏡503反射，所以未變成平行光束）藉由反 射至一其上未形成有繞射光拇5 0 6之區域而不反射回至拋 物線波導型準直透鏡503。此係藉由使繞射光柵506之尺寸 等於拋物線波導型準直透鏡503之輸出端的尺寸來達成。 106779.doc -17- 1274923 在下文中’將描述回應於用於該等構造配件之每一者之 本半導體製程的詳細製造製程。 圖13a及圖13b為描繪沿圖12之線A-A，及B-B，所截取之 Littrow型單片整合式可調外腔雷射二極體光源的橫截面視 圖。且’圖1 3c至圖13e為說明沿圖12之線C-C，、D-D，及E-E， 所截取之Littrow型單片整合式可調外腔雷射二極體光源的 橫截面視圖。 用於製造根據本發明之實施例之Littrow型單片整合式可 调外腔雷射二極體光源的方法如下。 首先’在由（例如允型“卩半導體製成之基板41〇上依序地 形成一由（例如）n型或未摻雜InP半導體製成之底部鍍層 5!1、一藉由一由未摻雜InGaAsP井/InGaAsP障壁製成之多 里子井結構所建構之主動波導之核心層5丨2及一由（例如 型InP半導體製成之鍍層513之後，藉由習知光微影製程及 RIE製私自除了主動波導區域之外之被動波導區域至主動 波導之核心層執行蝕刻。根據本發明之實施例，較佳地， 多里子井結構具有自1·5〇 μιη至1·60 μηι之帶隙範圍。 其後’藉由對接製程生長被動波導之未摻雜InGaAsp層 521。根據本發明之實施例，較佳地該被動波導之未摻雜 InGaAsP具有自μιη至1.28 μηι之帶隙範圍。依序地生長 ρ型InP鍍層513及522及ρ型InGaAs歐姆接觸層514。 圖14a至圖}4C為一表示一藉由對接技術來將主動波導層 5 12連接至被動波導層521之製程的橫截面視圖。圖說明 一圖案化製程，圖14b說明一 RIE製程及圖14c說明一用於再 106779.doc -18- 1274923 生長被動波導層521之製程。由於熟習此項技術者熟知圖式 中所示之對接技術，因此在此將省略詳細描述。 即，藉由一習知光微影、一RIE製程及一濕式蝕刻製程將 主動波導形成為一淺脊型波導圖案，且將被動波導形成為 一深脊結構。最後，形成頂部電極515a及底部電極515b。 在頂部/底部電極形成期間，根據該建構可一起形成光偏轉 器 524。 • 另一方面，為減少光偏轉器中之注入電流之漏電流，較 佳地在被動波導區域中之頂部鍍層513之頂部及側部上形 成電流阻擋層523。 圖15為一描述根據本發明之實施例之光偏轉器處所產生 之漏電流的橫截面視圖。 為將波長調變建構為本發明之特徵之一，將電流注入三 角光偏轉器且藉由使注人電流約束於被動波導之核心層 521處(藉由頂部鍍層與底部鍍層之間之帶隙差異)來改變介
• 冑之折射率。然而’如圖式中所示，當注入電流穿過p型InP 頂部鍵層5 1 3時，盆去、、;l击古+人 . 才八未&垂直方向之直線向下約束，而是藉 由擴散分散至側部。 因此’將電流僅約束至三角光偏轉器中（而不擴散至側部） 且將電流僅注入至三角形狀下方之被動波導的核心層中理 想上是係重要的。然而，如圖式中所示當注入電流擴散至 側部時漏電流會增加；可能改變其折射率之界面不是直角 三角。為了減少p型頂部鑛層513之注入電流擴散現象，較 佳地採用電流阻擋層。 106779.doc -19- 1274923 可將未摻雜InP電流障壁層、一摻有半絕緣材料之 層或一離子植入用作電流阻擋層。 且同樣，較佳地，被動波導中之核心層之頂部鍍層513 由未摻雜InP電流阻播層或摻有半絕緣材料之inp層製成係 有利的’其增加可調外腔雷射：極體光源之光學強度而減 小光彳貝失。 圖1 6為一展示一藉由離子植入製程以防止漏電流之結構 的橫截面圖。 通㊉，热習此項技術者熟知藉由極大地增加p型鍍層之電 阻率來防止p型鍍層中之電流擴散的方法，其中增加p型鑛 層之電阻率係藉由將諸如氯或氧或其類似物之植入注入p 型鍍層中來達成。在此方法中，在藉由塗佈光阻圖案來保 護注有電流之區域以免離子植入之後，若以離子植入器植 離子貝J於除了電流注入區域之外之頂部鐘層上形成且 有高電阻率之電流阻檔層。此時’藉由改變離子植入器: 加速能量可控制離子植入穿透至基板之深度。 圖173至圖17C為表示藉由生絲摻雜InP層或半絕緣Inp 層=防止漏電流之結構的橫截面圖。此等結構係藉由執行 一習知光微影（圖17a中所示）、_RIE製程（圖Μ中所示）及 一再生長製程（圖17c中所示）來達成。 圖18為展示回應根據本發明之實施例所製造之咖卿型 單片整合式可調外腔雷射二極體中之光偏轉器的注入電流 之波長可調特徵的圖解。且圖19為說明回應根據本發明之 實施例所製造之Littrow型單片整合式可調外腔雷射二極體 106779.doc -20- 1274923 、，彳彳工制配件之注入電流之連續波長可調特徵的圖解。 、:先，翏看圖18，展示回應光偏轉器5〇5&及5〇外之注入 “…的麦化在本發明所提議之Littrow型單片整合式可調外 腔雷射二極體中改變單一波長。 %且同樣，參看圖19，展示回應相移部件中之注入電流的 文化（同時主動波導5〇1之注入電流及光偏轉器5〇5&及5〇5b 之注入電流固定）可以約〇·〇5 nm之準連續測距（quasi_ continuous ranging)調變波長。且其表示振盈波長具有4〇忉 之SMSR(邊模抑制比）的極佳特徵。 可此本發明之上述實施例之主動波導的核心層採用 InGaAs體結構。且亦可能本發明之上述實施例之被動波導 的核心層採用具有InGaAsJ^/InGaAsp障壁之多量子井結 構。 圖2〇為說明根據本發明之_實施例之Uuman-Metcaif型 單片整合式可調外腔雷射二極體光源的示意圖，其中圖12 與圖20中之相同數字表示相同結構及相同功能。儘管整個 製造方法或結構及操作原理類似於圖丨2之整個製造方法或 結構及操作原理，但此實施例之特徵在於其包括一藉由RIE 製程蝕刻之反射鏡面53卜此時，藉由僅將輸入至蝕刻反射 鏡面之光束垂直地反饋至繞射光柵5〇6來僅振盪特定單一 波長。 然而，經RIE蝕刻之橫截面起到反射鏡面之作用，且由於 光束以垂直方向輸入，所以在不滿足全反射之條件下歸因 於反射鏡面之光束的損失變得相對更大。 106779.doc -21 - 1274923 根據本發明之實施例，在改良輸出 Δ 出特铽方面較佳將諸如 、Au、Ag、Pt或表示高反射率之i類 ^ i 八頦似物之材料沉積於 错由RIE製程蝕刻之橫截面上或藉 田，儿積一介電薄膜來添 加具有高於90%之反射率的薄膜。 實施例4 本實施例係關於能夠製造可調外腔雷射二極體結構之可 調外腔雷射二極體，其中藉由使用抗反射層心及⑽來
獨立形成增益介質部分及可調部分來整合可調外腔雷射二 極體結構。 圖2 1為表示根據本發明之實施例之Uur〇w型混合整合可 凋外腔雷射二極體光源的示意圖。應注意圖12及圖中之 相同數字表示相同結構及相同功能。 ί看圖21，應’主思藉由抗反射層51^及514]3獨立製造增 益介質部分及可調部分。具體言之，在製造兩部分(意即其 上整合有主動波導501及拋物線波導型準直透鏡5〇3之第一 邛分及其上形成平板波導504、光偏轉器505a及505b及繞射 光柵506之第二部分）之後，可建構混合整合可調外腔雷射 一極體。混合整合可調外腔雷射二極體具有一益處··由於 其可獨立地製入增益介質部分及可調部分，所以其可獨立 地製造一具有極佳增益介質之材料及一具有極佳可調特性 之材料。 圖22為描述根據本發明之實施例之Littman-Metcalf型混 合整合可調外腔雷射二極體光源的示意圖。因此，本實施 例具有類似於圖20之結構的結構。 106779.doc -22- 1274923 另一方面，將增益介質、相移部分及準直透鏡作為一體 整合於第-區域且將平板波導、光偏轉器及繞射光拇作為 -體整合於第二區域。且同#，將增益介質、相移部分及 準直透鏡整合於第一區域且將平板波導、％偏轉器、反射 叙面及繞射光柵作為一體整合於第二區域。 儘管參考某些實施例及圖式描述本發明，但並非受其限 制且對熟習此項技術者顯而易見在不偏離下文申請專利範 圍所界定之本發明之範疇的情況下可進行多種改變及修 改。 ’ 舉例而言，在以上第一至第四實施例中所描述之基板可 採用InP基半導體以及諸如GaAs基半導體、y基半導體、
LlNb〇3基半導體或其類似物的材料。主動波導之橫截面結 構可採用PBH(板狀掩埋式異質結構（咖贿fcuried hetero-structure))或BRS(掩埋式脊條（buried ridge …咖》 結構替代淺脊結構。且主動波導可採用Inp基半導體以及諸 士 GaAs基半V體、GaN基半導體、以基並摻有諸如铒之稀 土原子的半導體、摻有稀土原子之聚合物或其類似物的多 種介負。且同樣，基板或被動波導可採用InP基半導體以及 諸如GaAs基半導體、GaN基半導體、Si基半導體、聚合物、 鈮酸鋰（LiNb〇3)或其類似物的多種介質。 另一方面’若將諸如鎢之具有某種程度的電阻之金屬用 作光偏轉盗之頂部電極，則可藉由歸因於注入電流之熱效 應來改變折射率。 根據本發明之實施例，藉由將增益介質及拋物線波導型 106779.doc -23 · 1274923 I .透鏡整。為一體’本可調外腔雷射二極體具有一效 心、二藉由允許波長多卫系、統高速地執行波長調變改良需 要連績波長調變特徵 吁彳又皮長多工糸統的效能而不產生模態 跳躍。 且同樣’藉由在無需機械裝置下執行振盪波長之變化， 本發明改良耐久性且節約製造成本。 本申明案含有與韓國專利申請案第2〇〇5_46155號（2〇〇5年 5月3 1曰申晴於韓國專利局）相關之主題，其全文以引用的 方式併入本文。 ” k &本發明已關於某些較佳實施例進行描述，但對於熟 白此項技術者顯而易見在不偏離下文申請專利範圍所界定 之本發明之範疇的情況下可進行多種改變及修改。 【圖式簡單說明】 圖1為一展示一根據先前技術之Uttman_Metcalf型外腔 雷射二極體的示意圖； 圖2為一說明一展示一根據先前技術之Uttr〇w型外腔雷 射二極體之示意圖的結構圖； 圖3為一展示一根據先前技術之sgdBR(取樣光栅分佈式 布拉格反射鏡）型之可調半導體雷射的示意圖； 圖4為一描繪一習知基於半導體之拋物線反射鏡面的平 面圖； 圖5a至圖5c為說明沿圖4之線A-A’、B-B’及C-C，所截取之 基於半導體之抛物線反射鏡面的橫截面視圖； 圖6為一描繪根據先前技術之基於半導體之拋物線反射 106779.doc -24· 1274923 鏡面之平行光的形成的圖解； 圖7為一表不根據本發明之一實施例之基於半導體之拋 物線波導型準直透鏡的平面圖； 圖8a及圖8b為展示沿圖7之線D_D，及E-E，所截取之基於半 導體之拋物線波導型準直透鏡的橫截面視圖； 圖9為一表示根據本發明之另一實施例之一具有楔形輸 入被動波導之準直透鏡的示意圖； 圖10為一展示根據本發明之一拋物線波導型準直透鏡的 照片； 圖11a至圖lie為根據本發明圖之拋物線波導型準直透鏡 的近場影像； 圖12為一說明一展示根據本發明之一實施例之Littrow型 單片t合式可调外腔雷射二極體光源的示意圖的示意圖； 圖13a至圖i3b為描繪沿圖12之線a_a，及所截取之
Uttrow型|片整合式可調外腔雷射二極光源體的橫截面視 圖； 圖13c至圖13e為說明沿圖12之線c_c,、ddhe|所截取 w^L單片整合式可調外腔雷射二極體光源的橫截面 視圖； 圖14a至圖14c為表示形成本發明之波導層之對接技術的 橫截面視圖； 圖15為一描述於-根據本發明之-實施例之光偏轉器處 所產生之漏電流的橫截面視圖； 圖16為一展示—藉由離子植入製程來防止圖15之漏電流 106779.doc -25- 1274923 之結構的橫截面圖； 圖17a至圖17cA表-„
μ 、、不猎由生長未摻雜1nP層或半絕緣InP 層來防止圖15之漏電流之結構的橫截面圖； 圖18為一展示一回 一 w 一根據本發明之實施例所製造之 Uttr〇w型單片整合式 展仏惑 飞了凋外腔雷射二極體中之光偏轉器的 庄入電&之波長可調特徵的圖解，· .圖19為：說明一回應-根據本發明之實施例所製造之 Lmrow型早片整合式可調外腔雷射二極體中之相控制配件 的注入電流之連續波長可調特徵的圖解； 圖20為-說明—根據本發明之—實施例之咖― Metcalf型早片整合式可調外腔雷射二極體光源的示意圖； 圖21為一表示一根據本發明之一實施例之[出卿型混合 整合可調外腔雷射二極體光源的示意圖；及 圖22為一描述一根據本發明之一實施例之uttman_ Metcalf型混合整合可調外腔雷射二極體光源的示意圖。 【主要元件符號說明】 101 增益介質 102 準直透鏡 103 繞射光栅 104 反射鏡面 104a 位置 104b 位置 105a 第一光束 105b 第二光束 106779.doc -26- 1274923 106 抗反射薄膜 107 前刻面 201 增益介質 202 被動波導 203 取樣光柵分佈式布拉格反射鏡（SGDBR) 204 抗反射薄膜 205 底部歐姆接觸 206 歐姆層 207 歐姆電極 301 平板波導 302 被動波導 304 拋物線TIR鏡面 306 入射角 307 平行光束/反射光束 311 底部鍍層 312 被動波導核心層 313 頂部鍍層 314 空氣層 401 輸入被動波導 402 拋物線波導型準直透鏡 403 準直光束 404a 輸出準直光束的部分 404b 輸出準直光束的部分 405 初始寬度 106779.doc -27- 1274923 406 輸出端之寬度 411 底部鍍層 412 被動波導核心層 413 頂部鍵層 414 楔形被動波導 501 主動波導 502 被動波導 503 拋物線波導型準直透鏡 504 平板波導 505a 三角光偏轉器 505b 三角光偏轉器 506 繞射光柵 509 光束 510 相控制配件 511 底部鍍層 512 主動波導之核心層/主動波導層 513 p型InP鍵層 514 p型InGaAs歐姆接觸層 514a 抗反射層 514b 抗反射層 515a 頂部電極 515b 底部電極 521 未摻雜InGaAsP層/被動波導層 522 p型InP鐘層 106779.doc -28- 1274923 523 電流阻擋層 524 光偏轉器 531 反射鏡面
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Claims (1)

1274923 十、申請專利範圍： 1 · 一種拋物線波導型準直透鏡，其包含： 一輸入波導，其接收一來自外部之光束；及 一抛物線波導，其用於將自該輸入波導傳輸之該光束 補償為一平行光束， 其中’該輸入波導之一端及該拋物線波導之一輸入端 置於該拋物線波導之一焦點處，且該拋物線波導之該輸 入端之一寬度約為一自該拋物線波導之一頂點至一焦點 之距離的4倍。 2·如請求項1之拋物線波導型準直透鏡，其中該輸入波導包 括一楔形’由於一連接至該抛物線波導之部分在寬度上 k:得減小’所以該楔形在一與該拋物線波導接觸之點具 有一最小寬度。 3·如請求項1之拋物線波導型準直透鏡，其中該輸入波導及 该抛物線波導被形成為藉由一半導體堆疊製程所製造之 一具有一預定厚度之薄膜形狀。 4. 一種可調外腔雷射二極體，其包含： 準直透鏡，其用於將一發散光束修正為一平行光束； 平板波導，該平行光束穿過該平板波導而傳播； 波 率 :光偏轉器’其回應一外部電訊號而改變穿過該平板 導傳播之該平杆来Φh 九束之一傳播路徑上的介質的一折射 ，來改變該平行光束的一傳播方向·，及 一繞射光柵 發生繞射。 其用於使穿過該光偏#器之該平行光束 106779.doc 1274923 •如請求項4之可調外腔雷射二極體，其進一步包含· 反射鏡面’其用於反饋藉由該繞射光柵所繞射之該 平行光束。 6·如請求項4之可調外腔雷射二極體，其中該光偏轉器為_ 形成於一被動波導之一表面上的p/n接面區域，用以藉由 自外部接收一電壓或一電流來將電子注入該被動波^中 而改變一折射率。 7·如請求項4之可調外腔雷射二極體，其中該平板波導包括 至少一個折射率改變界面，其回應該光偏轉器之一操作 而以相對於该平行光束之一傳播方向的預定角度傾 斜。 、 8·如請求項4之可調外腔雷射二極體，其中該光偏轉器具有 對正方向與反方向三角。 9·如請求項4之可調外腔雷射二極體，其中該準直透鏡包 含： 輸入波導，其接收一來自外部之光束；及 一抛物線波導，其用於將自該輸入波導傳輸之該光束 補你為一平行光束， 其中，該輸入波導之一端及該抛物線波導之一輸入端 置於該拋物線波導之一焦點處，且該拋物線波導之該輸 入端之一寬度約為一自該拋物線波導之一頂點至一焦點 之距離的4倍。 10·如請求項9之可調外腔雷射二極體，其中該輸入波導包括 模形’隨著一連接至該拋物線波導之部分變成寬度遞 106779.doc 1274923 減，所以該楔形在一與該拋物線波導接觸之點具有一最 小寬度。 1 1.如請求項4之可調外腔雷射二極體，其中該準直透鏡保持 —體狀悲（bulk state)或係由一填充有一介質的凸透鏡形 狀所製成’該介質具有一不同於該被動波導之折射率之 折射率。 12.如請求項4之可調外腔雷射二極體，其中用於該繞射光柵 之自該準直透鏡之一發射表面的一投影表面在尺寸上大 體等於該準直透鏡之一發射表面。 13·如請求項4之可調外腔雷射二極體，其中該準直透鏡與該 平板波導以一預定距離隔開。 14. 15.
如請求項13之可調外腔雷射二極體’其中該準直透鏡及 該被動波導以-方式分別製造’使得穿過該準直透鏡及 5亥被動波導之光束經由一不同介質傳播。 如請求項13之可調外腔雷射二極體’其中該準直透鏡之 輸出刻面及該平板波導之輪人刻面沉積有抗反射膜。 106779.doc
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