半导体激光器制造技术

一种用于通信的半导体激光器。由此激光器提供的光模具有高功率输出束和窄的远场，因而能使该激光器高效地耦合到小数值孔径光纤内。此激光器由一种半导体异质结构和一个或数个光俘获层构成。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体激光器，且尤其是适用于光通信的高功率半导体激光器。
技术介绍
半导体激光器一般是由pn-结形成的，此pn-结经过增强以使电子-空穴对有效的复合，导致辐射的发射(光能)。对半导体激光器的一个众所周知的改进是在P-型和N-型半导体层之间加入一种新材料层，此新材料层具有比P-型和N-型层更低的带隙能。由此种具有低带隙能材料形成的层通常在半导体激光器中叫做活性区(或活性层)。一般把两种不同材料间的界面称为异质结。因此，在P-型和N-型层之间加进另外一层(活性区)获得所谓的双异质结构，因为在P-型和N-型两种材料界面上各有一个异质结。根据打算达到的效果，可将活性区的掺杂设定在不同的水平。因而，目前半导体异质结构激光器通常都由三层或更多层半导体构成。最简单的激光器包括一个P-型约束区(P-型层)、一个N-型约束区(N-型层)和一个活性区。活性区典型地由好几层组成，而且处在P-型和N-型约束区之间的pn-结的耗尽区内。由于在活性区及P-型和N-型约束区之间的折射率不同，光学模式主要是被约束在活性区。当异质结构是前向偏置时，活性区为光学模式提供增益。正是在活性区内，一旦半导体激光器前向偏置且电流被注入异质结构时就产生光。为了使激光器的性能适合预定的激光器应用所需要求(例如调制带宽、功率、对温度的灵敏度等)，活性区往往是由多个层组成。半导体激光器的最大光学输出功率一般受限于发热。活性区的温度随激励电流而增加，使得激光器性能下降。为达到高光学功率，一般需要增加腔体长度和脊宽度，以降低功率耗散密度，防止激光器过热。由于电流注入区域增大使电和热阻抗减小，从而使功率密度降低。当腔体长度增加时(对高功率激光器的典型腔体长度为2mm)，效率(每mA激励电流的光功率mW数)因腔体内部的光耗而下降(不仅对脊状结构如此，对所有结构都一样)。光耗主要是由P-型材料(区)内的光能吸收造成的。因而减小P-型区内光模的重叠是降低激光器内光能损失的一种有用方法，这时可以采用较长的腔体以产生较高输出功率的激光器。可以采用不同的结构来降低光耗(即光能损失)。但那些结构一般会使激光器腔体内的光模尺寸减小。其缺点是光模远场(即光远场)变宽且光功率较难耦合到光纤中去。激光器腔体中的光远场和光模在数学上为傅立叶变换关系。这是光学衍射的结果。通常远场是对称的，即使近场是不对称的。耦合到光纤中的效率之所以讯号只是因为光纤中的光模和激光器远场的形状不相同。光纤只能接收具有最大发散的圆形斑点。而激光器远场一般为椭圆形且发散较大。对于通信应用，重要的是耦合到光纤内的光能量，而不是从激光器出来的原始功率。因此需要有一种同时满足以下要求的结构1)光耗低，以便采用长腔体达到高输出功率；2)维持低发散度，以使更多的椭圆远场功率耦合到光纤内。活性区通常由好几层构成，其中一些设计成量子阱(或体阱)。量子阱被设计成很薄的一层，因而能使导带中的电子和价带中的空穴更好定位，这将增强电子-空穴对的复合。当一个电子-空穴对复合时，电子所具有的过剩能量以光(辐射)的形成发射，加到激光器的运行中。另外，相对于两个约束层的带隙能而降低活性区的带隙能可改善电子和空穴在活性区的约束，因而使光模分布曲线保持在一个窄的斑点内。但是，对适用于光通信的激光器，约束得太窄的光模分布曲线很难耦合到光纤内，因为它具有较宽的远场。为使高功率激光器的性能最佳，必须让激光器的内、外效率都最大。激光器的内效率是电能转换成光能(也即光模)的效率。外效率是光模离开激光器的效率。但是在这两个效率之间有一个折衷，且迄今为止高功率激光器是受到这种折衷的限制。特别是当考虑半导体激光器时，外效率大部分是P-型约束层内光模能量损失的结果，此层吸收的光能比活性或N-型层要多得多。另一方面，(半导体激光器的)内效率一般主要取决于漏电流，漏电流使温度增加，温度又随着激励电流而增加。换句话说，由于某些电流通过半导体层耗散，故供给激光器的电能未最大限度地转换成激光器内的光能。当考虑光通信应用时，还有另一个重要的光能损失来源必须考虑到。用于光通信的半导体激光器必须让它们的输出与一个光纤耦合，因此一般的做法是将激光器商业封装有一段短纤维(通称猪尾线，它已和激光器输出对齐)。所以对通信应用而言，测量激光器的外效率时就包括工业封装的影响。在这种情况下就意味着激光器的外效率应在猪尾线的端部测量，以便能将耦合损失考虑进去。换句话说，在设计用于光通信应用的激光器时必须考虑从激光器耦合到猪尾线的可能损失，因为耦合损失可能是使外效率变坏的一个重要原因。仅仅使激光器输出与猪尾线准确对齐还不足以解决这个问题。目前的高功率激光器输出具有一个很宽的远场，因为试图将光模约束在活性区内。这一事实结合到目前采用的小数字孔径纤维(为降低光通信的畸变所要求的)造成了一种状况，此时当激光器输出耦合到纤维内时有一个重要的光模能量损失要考虑。我们希望高功率半导体激光器被优化为内部高效的，激光器内部的光能损失低，且输出束具有窄的远场，使得束能以最小的光学耦合损失耦合到光纤内。专利技术概要本专利技术的第一个主要形式是提供一个具有多个层的半导体激光器。这些层顺次包括第一金属接触层；N-型半导体衬底；N-型半导体光俘获层；N-型半导体约束层；一个活性区，它由半导体材料构成；P-型半导体约束层，其中P-型半导体约束层，活性区和N-型半导体约束层共同组成一个异质结构，它具有一个非常接近并处于活性区内的pn结(耗尽区)；一个P-型接触层；至少一个介质层，所述至少一个介质层的每个具有通过它蚀刻出的一个通路，以提供到P-型接触层的电接触入口；一个与P-型接触层接触的第二金属接触层。在某些实施例中，这些层沿垂直于各层的结晶平面至少在两个地方是劈开的，以形成一个在两端为镜面的谐振腔体。在某些实施例中，半导体激光器内产生一个横向受约束的非对称光模，该非对称光模具有一基本处于活性区内的峰值光强，该非对称光模在所述多个层上具有这样的光强分布分布在N-型半导体约束层，N-型半导体光俘获层和N-型半导体衬底层内的光模能量比存在于P-型半导体约束层内的光模能量要大得多。在某些实施例中，半导体激光器的活性区具有多个量子阱，每个量子阱夹在两个阻档层之间。在某些实施例中，半导体激光器还有一个埋在P-型半导体约束层内的蚀刻阻止层。在这些实施例中，半导体还包含一个脊状结构，其中P-型半导体约束层部分处于脊状结构中，后者在横向约束横向受限制的非对称光模。在某些实施例中，半导体激光器还有一个脊状结构，其中P-型半导体约束层基本处于此脊状结构之内。在某些实施例中，半导体激光器还有一个脊状结构，它包括P-型半导体约束层的绝大部分。在某些实施例中，N-型半导体衬底层是N-型InP(磷化铟)。在某些实施例中，N-型半导体光学俘获层是一种N-型InGaAsP(磷化铟镓砷)合金。在某些实施例中，N-型半导体约束层是N-型InP。在某些实施例中，活性区基本由InGaAsP合金构成。在某些实施例中，P-型半导体约束层是P-型InP。在某些实施例中，在N-型半导体光学俘获层下面，半导体激光器还有至少一个额外的N-型半导体约束层和至少一个额外的N-型半导体光学俘获层。在某些实施例中，多个N-型半导体光学俘获层有多个子层。在半导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体激光器，包括多个层，这些层包括：１）第一金属接触层；２）Ｎ－型半导体衬底；３）Ｎ－型半导体光俘获层；４）Ｎ－型半导体约束层；５）活性区，该活性区包括半导体材料；６）Ｐ－型半导体约束层 ，其中Ｐ－型半导体约束层，活性区和Ｎ－型半导体约束层共同组成一个异质结构，该异质结构具有一个非常接近并处在活性区内的ｐｎ－结（耗尽区）；７）Ｐ－型接触层；８）至少一个介质层，所述至少一个介质层的每一个具有通过它蚀刻出的一条通 路，以提供到Ｐ－型接触层的电接触入口；９）与Ｐ－型接触层相接触的第二金属接触层。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：B赖德，
申请(专利权)人：波科海姆技术公共有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]