TWI634715B - 端面射出型半導體雷射 - Google Patents

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Abstract

不使生產性及成品率下降，得到可以抑制隨著溫度變化的振盪波長偏移之端面射出型半導體雷射。
半導體基板1上，形成具有第1折射率的第1遮蓋層2。第1遮蓋層2上，形成具有比第1折射率高的第2折射率的活性層3。活性層3上，以λ為振盪波長，n為媒體的折射率，形成厚度分別比λ/4n厚的低折射率層4a與高折射率層4b交互堆疊的布拉格(bragg)反射鏡4。布拉格(bragg)反射鏡4上，形成具有比活性層3小的能帶間隙能量之光吸收層5。光吸收層5上，形成具有比第2折射率低的第3折射率之第2遮蓋層6。

Description

端面射出型半導體雷射
本發明係關於從波導端面射出光的端面射出型半導體雷射。
半導體雷射中，包含活性層的的高折射率的核心層以低折射率的遮蓋層上下夾住形成波導。夾住活性層的一方的遮蓋層係p型摻雜，另一方n型摻雜。從p型遮蓋層側注入的電洞與從n型遮蓋層側注入的電子在活性層內再結合發光。從活性層產生的光的一部分由核心層與遮蓋層的界面全反射，返回至活性層。光通過活性層的期間得到增益而增幅，再次由核心層與遮蓋層的界面全反射。反覆此並在波導內傳輸光並增幅。
又，半導體雷射端面與射出媒體即空氣的界面成為反射鏡，以前後兩端面的反射鏡形成法比-培羅特(Fabry-Perot)共振器。波導內傳輸的光以半導體端面一部分射出外部，成為鏡損耗。殘留的光以端面反射，再次在波導內傳輸。反覆此這些的期間，共振器內只有具有駐波的特定波長共振。波導傳輸時的內部損耗及端面反射時的鏡損耗的和與傳輸中得到的增益相等時，雷射振盪，同調光從端面射出。
[先行技術文件] [專利文件]
[專利文件1]日本專利平成7年第202320號公開公報
一邊以光的折射率高的核心層與折射率低的遮蓋層的界面反覆全反射，一邊導波。因為此界面中的反射率沒有波長依存性，波導本身沒有波長選擇性。因此，溫度變化時，根據活性層的能隙的變化，因為振盪波長位移，雷射的振盪波長大為偏離所希望的波長，例如光纖的波長分散為0的1310nm(毫微米)。由於此分散的影響，有光信號的傳送距離被限制的問題。
作為用以解決此問題的習知技術，有沿著波導設置繞射柵的分佈回饋型雷射(DFB-LD)及分佈反射型雷射(DBR-LD)，但裝置製作時必須以次微米級加工等，構造是複雜的，有生產性及成品率低下的問題。
又，提議設置λ為振盪波長、n為媒體的折射率、厚度為大約λ/4n的2種化合物半導體交互層壓的半導體多層反射層之半導體雷射(例如，參照專利文件1)。但是，上述厚度，並非考慮對於在核心內傳播的光的半導體多層反射層之入射角而設定。
本發明，因為用以解決如上述的課題而形成，其目的係不使生產性及成品率下降，得到可以抑制隨著溫度變化 的振盪波長偏移之端面射出型半導體雷射。
根據本發明的端面射出型半導體雷射，其特徵在於包括：半導體基板；第1遮蓋層，在上述半導體基板上形成，具有第1折射率；活性層，在上述第1遮蓋層上形成，具有比上述第1折射率高的第2折射率；布拉格(bragg)反射鏡，在上述活性層上形成，以λ為振盪波長，n為媒體的折射率，交互堆疊厚度分別比λ/4n厚的低折射率層與高折射率層；光吸收層，在上述布拉格(bragg)反射鏡上形成，具有比上述活性層小的能帶間隙能量；以及第2遮蓋層，在上述光吸收層上形成，具有比上述第2折射率低的第3折射率。
本發明中，活性層與光吸收層之間，形成厚度分別比λ/4n厚的低折射率層與高折射率層交互堆疊的布拉格(bragg)反射鏡。藉此，不使生產性及成品率下降，可以抑制隨著溫度變化的振盪波長偏移。
1‧‧‧InP基板(半導體基板)
2‧‧‧第1遮蓋層
3‧‧‧活性層
3a‧‧‧量子點
3b‧‧‧埋入層
4‧‧‧布拉格(bragg)反射鏡(第2反射鏡)
4a‧‧‧低折射率層
4b‧‧‧高折射率層
5‧‧‧光吸收層(第2光吸收層)
6‧‧‧第2遮蓋層
7、8‧‧‧電極
9‧‧‧光吸收層(第1光吸收層)
10‧‧‧布拉格(bragg)反射鏡(第1反射鏡)
10a‧‧‧低折射率層
10b‧‧‧高折射率層
[第1圖]係顯示本發明第一實施例的端面射出型半導體雷射的剖面圖；[第2圖]係顯示光入射至布拉格(bragg)反射鏡時的反射率光譜的計算值圖；[第3圖]係顯示變更布拉格(bragg)反射鏡的對數時的反射光譜圖； [第4圖]係顯示變更布拉格(bragg)反射鏡的折射率的組合時的反射光譜圖；[第5圖]係顯示根據本發明的第二實施例的端面射出型半導體雷射的剖面圖；[第6圖]係顯示根據本發明的第三實施例的端面射出型半導體雷射的剖面圖；[第7圖]係顯示根據本發明的第四實施例的端面射出型半導體雷射的剖面圖；[第8圖]係顯示根據本發明的第五實施例的端面射出型半導體雷射的剖面圖；以及[第9圖]係顯示根據本發明的第六實施例的端面射出型半導體雷射的剖面圖。
關於根據本發明的實施例的端面射出型半導體雷射，參照圖面說明。相同或對應的構成要素附上相同的符號，可能省略重複的說明。
[第一實施例]
第1圖係顯示本發明第一實施例的端面射出型半導體雷射的剖面圖。在InP(磷化銦)基板1上，形成具有第1折射率nclad1的InP構成的第1遮蓋層2。第1遮蓋層2上，形成具有比第1折射率nclad1高的第2折射率ncore的活性層3。活性層3以InGaAsP(磷砷化銦鎵)系或AlGaInAs(砷化鋁鎵銦)系半導體構成，具有多重量子井層也可以。活性層3的厚度是Dcore。
活性層3上，形成以InGaAsP系或AlGaInAs系半導體構成的布拉格(bragg)反射鏡4(DBR)。布拉格(bragg)反射鏡4，成為厚度dL、折射率nL的低折射率層4a與厚度dH、折射率nH的高折射率層4b交互堆疊的周期構造。但是，nH>nL。布拉格(bragg)反射鏡4的周期構造，在靠近活性層3側以低折射率層4a開始，遠離側以高折射率層4b結束。
布拉格(bragg)反射鏡4上，形成具有比活性層3小的能帶間隙能量之光吸收層5。光吸收層5上，以InGaAsP系或AlGaInAs系半導體構成。光吸收層5的折射率是na、膜厚是da。為了光吸收層5中光吸收係數變高，使用比起振盪波長能帶間隙Eg夠小的材料，例如振盪波長1310nm(毫微米)時，Eg=0.886eV的InGaAsP。
光吸收層5上形成具有比第2折射率ncore低的第3折射率nclad2的InP構成之第2遮蓋層6。第2遮蓋層6上，形成包含Au(金)、Ge(鍺)、Zn(鋅)、Pt(鉑)或Ti(鈦)的金屬構成的電極7。InP基板1的下方形成包含Au、Ge、Zn、Pt或Ti的金屬構成的電極8。從此半導體層的上下的電極7、8注入電流，得到來自活性層3的發光。
InP基板1是p型時，位於比活性層3下側的第1遮蓋層2係p型摻雜，位於比活性層3上側的布拉格(bragg)反射鏡4、光吸收層5、第2遮蓋層6係n型摻雜。相反地，InP基板1是n型時，位於比活性層3下側的第1遮蓋層2係n型摻雜，位於比活性層3上側的布拉格(bragg)反射鏡4、光吸收層5、第2遮蓋層6係p型摻雜。
各半導體層的摻雜濃度，在層內均勻，或者半導體界面近旁摻雜濃度變高，各層內漸變(GRADED)或階段狀分佈，成為1×1016cm-3到2×1019cm-3的範圍內的值。元件的共振器長L大多形成150~600μm(微米)，但不特別限定於此範圍內。
活性層3中產生的光以活性層3與第1遮蓋層2的界面、以及活性層3與布拉格(bragg)反射鏡4的界面一邊反覆全反射，一邊以傳輸角θcore導波。因為活性層3與布拉格(bragg)反射鏡4的界面中的反射率具有波長依存性，首先，作為前提條件，不以活性層3與布拉格(bragg)反射鏡4的低折射率層4a的界面產生全反射，而以第1遮蓋層2與活性層3的界面產生全反射，必須滿足數式1。又，不以光吸收層5與布拉格(bragg)反射鏡4的高折射率層4b的界面產生全反射，而以光吸收層5與第2遮蓋層6的界面產生全反射，必須滿足數式2。
又，為了光從雷射端面射出至空氣中(折射率1)，必須滿足數式3。
[數2] n core sin θ core <1 (數式3)
又，傳輸角θcore根據數式4決定。在此，dp-DBR、dp-clad是分別往布拉格(bragg)反射鏡4側及第1遮蓋層2側的 光滲出深度。
作為光的橫模式，為了只傳輸基本模式，必須設計活性層3的膜厚Dcore與折射率ncore，滿足數式4的m只有m=1。例如，假設振盪波長λ=1310nm中Dcore=767nm、ncore=3.3時，傳輸角可以近似θcore=15°。又，假設光吸收層5為na=3.29、da=200nm、第1及第2遮蓋層2、6為nclad1=nclad2=3.17時，可以滿足數式1~3。
布拉格(bragg)反射鏡4的反射率RDBR(λ)可以根據膜厚、折射率的設計具有波長依存性。對布拉格(bragg)反射鏡4的表面以入射角θi入射波長λ的光時，布拉格反射鏡4的低折射率層及高折射率層的厚度dL、dH分別滿足數式5、6時，波長λ中的反射率成為最大。設計布拉格(bragg)反射鏡4的各層膜厚dH、dL及折射率nH、nL，在所希望的雷射的振盪波長λ中，RDBR(λ)成為最大。又，為了光在核心內傳輸，因為必須是0°<θi<90°，根據數式5、6，dH、dL成為比λ/4n大的值。
例如，布拉格(bragg)反射鏡4，以nH=3.31、nL=3.29、dH=382nm、dL=385nm、30對構成時，可以得到振盪波長λ=1310nm中最大的反射率。
為了此雷射振盪，必須滿足數式7。但是，L是共振器長、Γ是光侷限(optical confinement)係數，g是增益，αi是內部損耗，Rf、Rr分別是前端面、後端面的反射率。
反射率高的波長帶的光一邊反覆以布拉格(bragg)反射鏡4反射一邊導波。反射率低的波長帶的光一部分透過反射鏡4，到達之前的光吸收層5後，以光吸收層5與第1遮蓋層2的界面全反射返回至活性層3。在此期間，因為產生光的吸收，數式7內包含的半導體雷射的內部吸收損耗αi成為布拉格(bragg)反射鏡4的反射率RDBR(λ)的函數，具有波長依存性。 根據數式7內部損耗αi(λ)小的波長，即反射率RDBR(λ)高的波長中，雷射振盪必需的臨界值增益gth小。另一方面，內部吸收損耗αi(λ)大的波長，即反射率RDBR(λ)低的波長中，雷射振盪必需的臨界值增益gth高，高電流值是必需的。因此，αi(λ)小的波長的一方以低電流值雷射振盪。根據此內部損耗αi(λ)的波長依存性，可以使波導具有波長選擇性。
第2圖係顯示光入射至布拉格(bragg)反射鏡時的反射率光譜的計算值圖。布拉格(bragg)反射鏡，係nH=3.305、nL=3.295、50對。光的入射角與光的傳輸角θcore同樣15°。入射媒體的折射率為相當於活性層的3.3，射出媒體的折射率為相當於吸收層的3.29。振盪波長的1310nm，得到95.9%的反射率，但波長從那偏離時，反射率下降。
第3圖係顯示變更布拉格(bragg)反射鏡的對數時的反射光譜圖。nH=3.31、nL=3.29。一增加布拉格(bragg)反射鏡的對數，就可以得到更高的反射率。
第4圖係顯示變更布拉格(bragg)反射鏡的折射率的組合時的反射光譜圖。布拉格(bragg)反射鏡是30對。折射率的組合是(nH,nL)=(3.305,3.295)、(3.31,3.29)、(3.32,3.28)。布拉格(bragg)反射鏡的膜厚分別是(dH,dL)=(383nm,385nm)、(382nm,385nm)、(381nm,386nm)。高反射率波長頻寬由構成布拉格(bragg)反射鏡的層的折射率差決定，越縮小折射率差，頻帶越窄，可以具有更強的波長選擇性。因此，由於溫度變化活性層的增益光譜即使位移，也可以根據波導的波長選擇性抑制振盪波長偏移。
如以上說明，本實施例中，活性層3與光吸收層5之間，設置厚度分別比λ/4n厚的低折射率層4a與高折射率層4b交互堆疊的布拉格(bragg)反射鏡4。因此，不使生產性及成品率下降，可以抑制隨著溫度變化的振盪波長偏移。又，在活性層3的下側形成光吸收層5與布拉格(bragg)反射鏡4也可以得到同樣的效果。
[第二實施例]
第5圖係顯示根據本發明的第二實施例的端面射出型半導體雷射的剖面圖。取代第一實施例的布拉格(bragg)反射鏡4及光吸收層5，第1遮蓋層2上形成光吸收層9，其上形成布拉格(bragg)反射鏡10。活性層3在布拉格(bragg)反射鏡10上形成。布拉格(bragg)反射鏡10，與布拉格(bragg)反 射鏡4相同，係交互堆疊厚度分別比λ/4n厚的低折射率層10a與高折射率層10b。其他的構成與第一實施例相同。本實施例的構成也得到與第一實施例相同的效果。
[第三實施例]
第6圖係顯示根據本發明的第三實施例的端面射出型半導體雷射的剖面圖。本實施例中，設置第一實施例的布拉格(bragg)反射鏡4及光吸收層5與第二實施例的光吸收層9及布拉格(bragg)反射鏡10兩方。如此一來，藉由在活性層3的上側與下側兩方設置吸收層與布拉格(bragg)反射鏡，可以比第一實施例更擴大取得波長選擇性。
[第四實施例]
第7圖係顯示根據本發明的第四實施例的端面射出型半導體雷射的剖面圖。p型摻雜的第2布拉格(bragg)反射鏡4的低折射率層4a與高折射率層4b，由價電子帶側的障壁△Ev小的p型AlInGaAs構成。n型摻雜的布拉格(bragg)反射鏡10的低折射率層10a與高折射率層10b，由傳導帶側的障壁△Ec小的n型InGaAsP構成。因此，直到注入電洞至活性層3內為止越過的價電子帶側的障壁及直到注入電子至活性層3內為止越過的障壁，比使用其他的材料的情況下低，能夠高效率進行電流注入。其他，得到與第一實施例相同的效果。又，只有布拉格(bragg)反射鏡4、10任一方也可以。
[第五實施例]
第8圖係顯示根據本發明的第五實施例的端面射出型半導體雷射的剖面圖。第一實施例等的活性層3具有多重 量子井層，而本實施例中活性層3具有InAs系半導體的量子點3a。量子點3a係以GaAs系的埋入層3b埋入並平坦化。量子點3a的直徑在10nm以下。此時，以第1遮蓋層2、布拉格(bragg)反射鏡4、第2遮蓋層6的材料作為AlGaAs系半導體。本實施例的構成也得到與第一實施例相同的效果。又，將本實施例的構成與第二、三實施例的構成組合也可以。
[第六實施例]
第9圖係顯示根據本發明的第六實施例的端面射出型半導體雷射的剖面圖。布拉格(bragg)反射鏡4，實施摻雜具有光吸收係數，兼第一實施例的光吸收層5而省略光吸收層5的設置。布拉格(bragg)反射鏡4的摻雜濃度，越接近活性層3越低，離活性層3越遠越高，漸變(GRADED)或階段狀地變化。具體而言，布拉格(bragg)反射鏡4的摻雜濃度，在接近活性層3的區域，振盪波長的吸收損耗變低，低至1×1016cm-3左右，離活性層3越遠越高，至2×1019cm-3左右。本實施例的構成也得到與第一實施例相同的效果。又，將本實施例的構成與第二~四實施例的構成組合也可以。

Claims (9)

  1. 一種端面射出型半導體雷射，其特徵在於包括：半導體基板；第1遮蓋層，在上述半導體基板上形成，具有第1折射率；活性層，在上述第1遮蓋層上形成，具有比上述第1折射率高的第2折射率；布拉格(bragg)反射鏡，在上述活性層上形成，以λ為振盪波長，n為媒體的折射率，交互堆疊厚度分別比λ/4n厚的低折射率層與高折射率層；光吸收層，在上述布拉格(bragg)反射鏡上形成，具有比上述活性層小的能帶間隙能量；以及第2遮蓋層，在上述光吸收層上形成，具有比上述第2折射率低的第3折射率。
  2. 一種端面射出型半導體雷射，其特徵在於包括：半導體基板；第1遮蓋層，在上述半導體基板上形成，具有第1折射率；光吸收層，在上述第1遮蓋層上形成；布拉格(bragg)反射鏡，在上述光吸收層上形成，以λ為振盪波長，n為媒體的折射率，交互堆疊厚度分別比λ/4n厚的低折射率層與高折射率層；活性層，在上述布拉格(bragg)反射鏡上形成，具有比上述第1折射率高的第2折射率與比上述光吸收層大的能帶間隙能量；以及第2遮蓋層，在上述活性層上形成，具有比上述第2折射率低的第3折射率。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述的端面射出型半導體雷射，其中，上述布拉格(bragg)反射鏡，p型摻雜時具有AlGaInAs層，n型摻雜時具有InGaAsP層。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述的端面射出型半導體雷射，其中，上述布拉格(bragg)反射鏡的摻雜濃度，越接近上述活性層越低，離上述活性層越遠越高。
  5. 一種端面射出型半導體雷射，其特徵在於包括：半導體基板；第1遮蓋層，在上述半導體基板上形成，具有第1折射率；第1光吸收層，在上述第1遮蓋層上形成；第1布拉格(bragg)反射鏡，在上述第1光吸收層上形成，以λ為振盪波長，n為媒體的折射率，交互堆疊厚度分別比λ/4n厚的低折射率層與高折射率層；活性層，在上述第1布拉格(bragg)反射鏡上形成，具有比上述第1折射率高的第2折射率與比上述第1光吸收層大的能帶間隙能量；第2布拉格(bragg)反射鏡，在上述活性層上形成，交互堆疊厚度分別比λ/4n厚的低折射率層與高折射率層；第2光吸收層，在上述第2布拉格(bragg)反射鏡上形成，具有比上述活性層小的能帶間隙能量；以及第2遮蓋層，在上述第2光吸收層上形成，具有比上述第2折射率低的第3折射率。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的端面射出型半導體雷射，其中，上述第1及第2布拉格(bragg)反射鏡，p型摻雜時具有AlGaInAs層，n型摻雜時具有InGaAsP層。
  7. 如申請專利範圍第5或6項所述的端面射出型半導體雷射，其中，上述第1及第2布拉格(bragg)反射鏡的摻雜濃度，越接近上述活性層越低，離上述活性層越遠越高。
  8. 如申請專利範圍第1、2、5或6項中任一項所述的端面射出型半導體雷射，其中，上述活性層具有多重量子井層。
  9. 如申請專利範圍第1、2、5或6項中任一項所述的端面射出型半導體雷射，其中，上述活性層具有量子點。
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