TWI364891B - Laser source with interdigital heater electrodes and underlying current confinement layer - Google Patents

Description

13648夕1 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明侧於波長選擇雷射二極體以及包含該二極體 之雷射光源。 【先前技術】 先前技術並無關於波長選擇雷射二極體之技術。 【發明内容】

:依據本發明的某實施範例提供半導體雷射光源，其中 雷射—極H的波長選擇區域包括P地態電流俯〖層，及在 電趣限層上形成的第—和第二域蝴加絲電極。第 一和第二域位間加熱11電㈣各個電概位，沿著雷射 二極體的主動波導層定義的光傳播方向，連續地交替。相 第-組數位間加熱n電極是正賴的電極^相對於雷射二

極體陰極’第一組數位間加熱料極的相對偏魏阳是 小於P-N連接點的正偏開啟電麼。 _依據本發蝴另—實施範例，？觸電流侷限層是在 了極體的波魏魏域和相健__ p纖半導體層 電間加熱器電極可以在相位匹配區域的 和相發：另一實施範例’相對於雷射二極體陰極 電間加峨極，第—組數位間加熱器 ㈣目·餘项1陰極，第一 』電極的相對偏壓i的絕對值是小於卜 頁 第5 13648^1 N連接點的反向破壞電壓。 依據本發明的又另一實施範例，雷射光源包括耦合到 雷射二極體光學輸出的波長轉換設備。可設計光學反饋迴 路根據波長轉換設備的轉換輸出以控制相對偏壓+Vbias。 【實施方式】 首先請參考圖1，本發明的各種特性顯示在圖1所示的 DBR雷射二極體10。一般而言，DBR雷射二極體包括波長選 擇區域12,相位匹配區域14,以及增益區域π。波長選擇區 域12也可以稱為雷射二極體1〇的DBR區域通常包括位在雷 射腔主動區外面的第一階或第二階布拉格光栅。此區提供 波長的選擇，因為光柵扮演鏡子的角色，其反射係數根據波 長而定。DBR雷射二極體1〇的增益區域16提供雷射主要的 光學增益，而相位匹配區域14則在增益區域π的增益材料 和波長選擇(I域12的反射材料之間產生可調式相移。在很 多種使用或不使用布拉格光栅適合的選擇設計♦可以提供 波長選擇區域12。 雷射二極體10是設計成一種半導體異質結構，包括主 紐導層15,形成在定義主動波導層15 ·Ν連接點的 型態半導體層13,17之間。Ρ和Ν型態半導體層13，17的功能 疋作為鍵膜層，並分別提供注入電洞和電子到主動波導層 15。因為主動波導層15及其周_波導材料折射率是大於 鍍膜層13,17,其中產生的光線被揭限在主動波導層15及其 顺的波騎_。賊選棘域12，她隨㊄域14，以' 及增益區域16每個都界定在半導體異質結構之内。 第 6 頁* 13648夕1 月另夕卜參考圖2,波長選擇區域12包括在p型態半導體 層13上形成的朽型態電流揭限層2〇。第一和第二組數位間 加熱器電極22,24形成在雷射二極體1〇波長選擇區域12内 的電，偈闕。為了描述和界定本發明，要注意”數位間” 電極是界定成交錯在其他組電極的電極數位之間,一組電 極的-個或多個電極數位，反之亦然。圖】顯示一個相當簡 單的數位間電極設計的範例，第一和第二組數位間加熱器 電極22, 24的各個電極數位23, 25沿著主動波導層15界定的 光傳播方向30連續地交替。第一和第二組數位間加熱器電 極22’ 24可從任何適合的導體形成，雖然說TiPt通常是最佳 的組成。 P+型態電流偈限層20是抗電接觸層，當傳輸相鄰電極 ^ 23’ 25之間的電流時會產生熱。一般而言，所產生熱的 里是和電触正比，但雷射二極體異冑結翻性質將會對 功率設^明確地說，請參考圖3顯示波長選擇區域 12的同等電路，包括雷射二極體1〇波長選擇區域12 侷限層20和P-N連接點兩個部份，p_N連接點的電阻顯示為L R1’而電流侷限層20界定的加熱器電阻則顯示為R2。如果 P-N連接點使以兩個數位間電極之—反偏壓，而且反偏壓維 持在P-N連接點轉㈣壓以下以確保p_N連接點的可依賴 性，最大的加熱功率如下： —r BREAK-DOWN / MAX— /r2 va 其中V_)⑽是P-N連接點的破壞電壓。此關係明顯指 出需要較小的加熱器電阻以達到較大的加熱器功率。 然而’本發明者已知道P_N雜點的反偏射移除波長 選擇區域12產生触魏，使其更容絲學吸收，並產生光 學功率的下降。除了光學轉的雛之外反偏壓也可產 生相當大的光K假使絲紐夠大的話，可能傷害P—N 連接點。 在圖2中，相對於雷射二極體陰極26和相對於第二組數 位間加熱H f極％帛_組触間加熱_電極22是正偏壓 的電極。® 1所補㈣H 4〇可耻方式設計來設定陽極 電壓Va，陰極電壓Vc，和第一和第二組數位間加熱器電極22 ’ 24的電壓。相對於雷射二極體陰極26，第一組數位間加熱 器電極22的相對偏壓+vBIAS是小於p_N連接點的正偏開啟 電壓。藉著以圖2顯示的方式偏壓雷射二極體1〇，可運作波 長選擇區域12免於光電流效應的傷害。通常，為了確保持 續性的運作，相對於陰極電壓Vc，第一組數位間加熱器電極 的相對偏壓+νΒ1Α8是小於p-N連接點的正偏開啟電壓約9〇% 。圖2所示的設計，其結果最大加熱功率可表示如下： Pmax=Vitoj-on2/R2 其中Vtwon是P-N連接點的開啟電壓。 雖然其中描述的本發明實施範例和特性主要參考的 實施範例是相對於雷射二極體陰極26,第一組數位間加熱器 電極22的相對偏壓為正(+Vbias),而且是小於p_N連接點的 正偏開啟電壓，但我們認為相對於雷射二極體陰極26，第一 組數位間加熱器電極22的相對偏壓也可以是負的(_Vbias) 。在相對於雷射二極體陰極％第一組數位間加熱器電極 22是負的相對偏壓的情況，其絕對值將小於p_N連接點的反 破壞電壓。 要注意的是需要較小的加熱器電阻以達到較大的加熱 器功率，第一和第二組數位間加熱器電極的數位間設計可 藉著選擇_撤電酬的_轉枝織純器電阻 R以適當的電壓就可達到所需的加熱功率，而不會導致對於 雷射的傷害絲學轉的損耗。沿著波導的加熱器電流路 役侷限在主動波導層15的上方。因為ρ+·電流侷限層2〇 產生的熱;^接近主動波導層15,圖2顯示的加熱II設計在改 變主動波導層15的溫度是效能高且快速。據此，圖2顯示的 加熱器》又5十也產i雷射一極體10有效率和雷射波長快速的 改變，而且也提出在雷射二極體和使用雷射二極體的雷射 源和波長轉換it件譬如SHG晶體，改善電⑽上插座效能和 波長控制速度的最佳方式。 圖2顯不的本發明實施範例中，雷射^亟體陰極26和第 二組數位間加熱器電極24是固定在共同的陰極電壓％。雖 然這是很方便的-種設計，但本發明的各式觀念不應蓋限 制在雷射二極體陰極26和第二組數位間加熱器電極汉是固 定在共同陰極電壓V。的控制機制。我們認為假定相對偏壓 +W是小於P_N連接點的正偏開啟電壓，相對於雷射二極 體陰極26,第-組數位間加熱器電極22的相對偏壓他β 將有各種合適的值。假使—二極體陰極26和第二組數位 間加熱器電極24是固定在不同電壓，應該很明顯最好可以 設定相對於雷射二極體陰極26 _β峨以及第二組數 位間加熱器電極24的電氣在這種情況下，使其小於連 接點的正偏開啟電壓。 我們也認為電流揭限層2〇的抗電性以及第一和第二組 數位間加熱H 22,24各個雜數位μ，25 _隔可採用 ，種口適的值。電流侷限層20的抗電性可藉由選擇第一和 第二組數位間加熱器電極22, 24各個電極數位23,25的適當 ^隔很方便絲。修，但不糾來關，在本發明特 疋貝把例中，電"|(_侷限層2〇的抗電性和各個電極數位烈， 的間隔使得大約〇到2.2伏特之間的相對偏論站產生雷 射二極體的雷射波長至少3nm的偏移。更明確地說，依據本 發明某實施範例中，我們發現2· 2伏特的相對偏壓·足 以產生雷射二極體的雷射波長至少3. 7nm的偏移。 雖然在雷射二極體10的波長選擇區域12中以描述過本 發明的特性，我們認為P+型態電流侷限層2〇也可以形成在 她匹配d域14 _ P鶴半導騎13上。在這種情況下, 另外-組數位間加熱器電極32, 34也可以形成在相位匹配， 區域14 _電流侷限層20上。除此之外參考圖i，其中的 驅動電極28也稱為雷射二極體陽極是在增益區域16内的p 型態半導It層13上職，獅成也可叫f絲驅動電極 28和P型態半導體層13之間放置p+型態電流偈限層2〇。 如以上綱的，控制器40是設計來設定陽極電壓％，陰 極電壓Vc，和第一和第二組數位間加熱器電極22, ％的電壓 ，使得第-組數位間加熱器電極22相對於雷射二極體陰極 26和相對於第二組數位間加熱器電極24是正偏壓。如圖i 第10 頁 1364891 所示，相對於陰極電壓Vc和第

連接點到雷射二極體陰極26。 内，而很少數的電流通過P_N ，據和dbr雷射二極體 受限於其中提出的設計限制， 作相關的現存或仍在發展巾的概選擇其中描 設計和運. 述的雷射—極财冑結構狀喊的p和 ，17，陰極層26，和陽極電_。_態電流偈限層=组 成應該選擇和P型態半導體層13以及第-和第二組數位間 加熱器電㈣，24的㈣眺。修σ，# p 半導體層13 &含PttAlGaAs鑛層，p+聽電流舰層2()就可以包含 厚塗料的GaAs。其他合適的p+型態電流侷限層2〇包括，但 不限定是厚塗料的GalnAs，GalnAsP，InP，及其組合。也可 以調整P+型態電流侷限層20的厚度來配合所使用的DBR雷 射二極體設備。已註明的是，我們認為在大多數的情況合 適的侷限層厚度是在約50nm和約300nm之間。 睛再參考圖1，依據本發明的雷射光源也可以使用在倍 頻或波長轉換雷射光源。在圖示的實施範例中，雷射光源 1〇〇進一步包括耦合到雷射二極體1〇光學輸出的波長轉換 設備50。波長轉換設備通常包括第二諧波產生(SHG)晶體， 譬如Mg〇塗膜的週期性極化反轉鈮酸鋰(PPLN),設計從DBR 雷射二極體10產生較高諧波的基礎雷射訊號。可藉著控制 根據波長轉換設備50轉換輸出的相對偏壓+Vbias以設計光 第11 頁 1364891 學反饋迴路，以調整雷射二極體10的波長到SHG晶體的頻帶 。為了這個目的，光學反饋迴路包括光束分裂器52,光偵測 器54,和控制器40。或者，也可以程序控制控制器4〇執行開 放式迴路控制機制來控制相對偏壓+Vbias,譬如藉由隨機 改變施加到第一和第二組數位間加熱器電極22,24的電壓， 引起施加到波長選擇區域12,相位匹配區域14，或兩者的控 制訊號隨機的抖動或擾動。 光偵測器54和光束分裂器52是設計來產生代表雷射二 極體10波長轉換輸出強度的電訊號。控制器4〇可藉著控制 根據光偵測器54和光束分裂器52產生的強度訊號，程序控 制來穩定波長轉換設備50轉換輸出的強度波動。如以上說 明的，另外一組數位間加熱器電極32, 34也可以形成在雷射 二極體10相位匹配區域14内的電流侷限層2〇上，而且也可 進一步設計光學反饋迴路以控制施加在另外一組數位間加 熱器電極32, 34的相對偏壓+Vbias。我們也認為，可更進一 步設計光學反饋迴路以控制陽極電極28的驅動電壓。 人們了解本發明組件在此設計成實施特定性能，特定 型式功能等為結構性說明而異於預期使用之說明。更特 別地，在此對所設計組件方式之說明代表組件現存實際條 件，因而視為組件結構特性之確切的說明。除此，人們了解 在此對一層或材料形成於另一層或材料之說明不應排除插 入兩層間之層或材料的可能性。 ΛΜ 了解所謂”優先地”，”共同地"以及"通常地"在此 並不使时關φ料利細之細或意含攸性能對申 第12 頁 請專利範圍之結構或功能為關鍵性，實質的，或甚至於重要 的。然而，诞4罐纖細其他絲外躲其可或不 使用於本發明特定實施例中。 本發明已詳細地以及參考特定實施例加以說明，人們 了解能夠倾纽魏變麵並衫雌下财請專利範 圍界定出本發明範I更特別地，本發明—些項目在此表 示為優先的鱗贿剑，Θ赫發明本剌並不必需 受限於本發明這些優先項目。 【圖式簡單說明】 士下列本發明特定實施例之詳細說明連同下列附圖閱讀 %將能最佳了解，其中相同結構以相同的參考數字表示。 圖1為本發明各項之雷射光源示意圖。 圖2為本發明各項之半導體異質結構部份的示意圖。 圖3顯補娜本發明—項實_魏辆光源之等 【主要元件符號說明】 雷射二極體1〇;波長選擇區域 相位匹配區域14;主動波導層;5;增益 4限層20;加熱器電極22,24;電極數位射一 極體陰極_極電極28;光傳播方向3〇;控制二= 長轉換設備50;光束分裂器52光# I ° " ⑽。 ，⑽· 54;雷射光源

Claims (1)

1364891 十、申請專利範圍·· 1.種包含雷射二極體及控制器之雷射光源，其中： 雷射二極體設計為異質結構，其包含陽極，陰極，以及主 動波導層形雜界定出P-N連接點之P及N型式半導體層之 間； a 雷射二極體包含波長選擇區域，她匹配區域，以及增益 定於半_異質結構内； a 波長選擇區域包括p+型態電流侷限層形成於p型態半導 體層上以及第—和第二缝侧之加熱器電鄉成於電流 偽限層上； 第一及第二組數位間加熱器電極之各個電極數位沿著主 動波導層界定出光學傳播方向連續地交替； 控制器連接至陰極以及第一及第二組數位間加熱器電極 ’使得第一組數位間加熱器電極相對於雷射：^體以及相 對於第二組數位間加熱器電極為正偏壓的丨以及 相對於雷射二極體陰極之第一組數位間加熱器電極的相 對偏壓傷WS為小於p_N雜點的正綱啟電壓。 2·依據申請專利範圍第！項之雷射光源，其中電流偈限層之 電阻以及第一及第二組數位間加熱器電極之各個電極數位 的間隔使得大約G取2伏特間的相對偏壓+^使雷射二 的雷射波長產生至少3nm的偏移。 3·依據申請專利細第1項之雷射光源，其中P+型態電流侷 限層形成於波長選擇區域以及相位匹配區域中p型態半導 體層上。 U 第14 頁 1364891 4·依據申請專利範圍第4項之雷射光源，其中額外組數位間 加熱器電極形成於相位匹配區域中電流侷限層上。 • 5·依據申請專利範圍第1項之雷射光源，其中控制器設計成 設定陽極電㈣，陰極電壓Vc，以及第一和第二組數位間加 熱器電極的電壓使得第一組數位間加熱器電極相對於雷射 . 二極體陰極以及相對於第二組數位間加熱器電極為正偏壓 的。 • 6.依據申請專利細第1項之雷射光源，其中相對於陰極電 壓Vc以及第二組數位間加熱器電極電壓之第一組數位間加 熱器電極相對偏壓+VB1AS，使得第一及第二組數位間加熱 器極間產生之主要電祕祕P+娜電流侷限層内。 7·依據申請專利範圍第6項之雷射光源，其中最小電流流經 p一N連接點至雷射二極體陰極。 8屬康申請專利範圍第1項之雷射光源，其中相對於陰極電 壓Vc以及第二組數位間加熱器電極電壓之第一組數位間加 • ，器電極相對偏壓傷MS，使得第-及第二組數位間加熱 器電極間產生之電流侷j^p+型態電流偈限層内。 9.依射請專機_ 8項之餘紙其巾並無電流流經 P-N連接點至雷射二極體陰極。 1〇 j康申請專利範圍第9項之雷射光源，其中控制器設計 成η又疋知力17於第—組數位間力〇熱器電極之電壓與陰極電壓 Vc相同數值。 U.依據申請專利範圍第1項之雷射光源，其中相對於雷射 二極體陰極以及第二組數位間加熱器電極電壓之第一組數 第15 頁 1364891 位間之加熱器電極相對偏壓+VBIAS為小於p_N連接點之正 偏開啟電壓。 12.依據申請專利範圍第1項之雷射光源，其中相對於陰極 • 電壓仏之第-組數位間加熱器電極相對偏壓+V祕為小： 90%之P-N連接點之正偏開啟電壓。 . 13.依據申請專利範圍第1項之雷射光源，其中相對於陰極 電壓Vc以及帛二域爛加熱n電極賴之帛—組數位間 Φ 加熱器電極相對偏壓傷⑽為小於9〇%之P-N連接點之正偏 開啟電塵。 14. 依據申請專利範圍第！項之雷射光源其中雷射光源更 進-步包含波長轉換裝置耦合至_二極體之光學輸出以 及光學反饋迴路設計成依據波長轉換裝置之轉換輸出來控 制相對偏壓+Vbias。 15. 依據申請專利麵第14項之雷射光源其中光學反饋迴 路包含光束分裂器，光偵測器，以及控制器。 Φ 16.依據申請專利範圍第I5項之雷射光源，其中： 光束分裂ϋ及光侧H設計成產生代表波長轉換裝置之 轉換輸出n槪其藉由鱗光束分辟及光偵測器 產生之強度訊號來控制相對偏壓+VB⑽達成。 17.依射請專利細第14狀魏級射光學反饋迴 路更進-步设計成控制形成於雷射二極體之相位匹配區域 中電流舰層上之額夕卜組數位間加熱器電極之相對偏壓 +Vbias。 18·依射請專利細第1項之雷射光源，其中雷射光源更 第16 頁 進一步包含波長轉換裝置耦合至雷射二極體之光學輸出以 及控制器程式化以執行開放式迴路控制機制來控制相對低 . 壓+W。 19·—種包含雷射二極體及控制器之雷射光源，其中： 雷射一極體設計為異質結構，其包含陽極，陰極，以及主 • 動波導層形成於界定出P-N連接點之p及N型式半導體層之 間； " ^ 雷射二^體包含波長選擇區域，相位匹配區域，以及増益 區域，每一區域界定於半導體異質結構内； 波長選擇區域包括P+型態電流侷限層形成於P型態半導 體層上以及fn組數爛加鮮電鄉成於電流偈 限層上； 第一及第二組數位間加熱器電極之各個電極數位沿著主 動波導層界定出光學傳播方向連續地交替； 控制器連接至陰極以及第一及第二組數位間加熱器電極 • ，使得第一組數位間加熱器電極相對於雷射二極體以及相 對於第二組數位間加熱器電極為負偏壓的;以及 相對於雷射二極體陰極之第一組數位間加熱器電極的相 對偏壓-V㈣之絕對值小於p_N連接點的反向破壞電壓。 20. 一種雷射光源，其包含雷射二極體，波長轉換裝置光學 反饋迴路，及控制器，其中： ， 雷射二極體設計為異f結構，其包含陽極，陰極以及主 間； 丄观391 雷射二極體包含波長選擇區域相位匹配區域以及增益 區域，每一區域界定於半導體異質結構内； ' 波長選擇11域包括p+型態電流舰層形成於p型態半導 . 體層上以及第—和第二組數網加熱器電極職於電流偈 限層上； 第一及第二組數位間加熱器電極之各個電極數位沿著主 動波導屬界定出光學傳播方向連續地交替； • 她匹配區域包含p+魏電流舰層形餅p型態半導 體層上以及額外組數位間加熱器電極形成於電流舰層上; 額外組數位間加熱器電極之各個電極數位沿著主動波導 層界定出光學傳播方向連續地交替； 控制為連接至陰極，第一及第二組數位間加熱器電抵以 及額外組數位間加熱器電極，使得數位間加熱器電極相對 於雷射二極體為正或負偏壓的； 田相對於雷射二極體陰極之數位間加熱器電極為正偏壓 鲁 時’相對於雷射二極體陰極之第-組數位間加熱器電極的 相對偏壓為小於Ρ_Ν連接點的正偏開啟電篆 當相對於雷射二極艇極之數位間加熱器電極為負偏壓 ^相對於雷射二極體陰極之第一組數位間加熱器電極的 相對偏壓絕對值為小於ρ—Ν連接點的反向破壞電屢； 波長轉換裝置耦合至雷射二極體之光學輸出以及 制=迴路設計成依據波長轉換裝置之轉換輪出來控 第18 頁