[发明专利]带扭折抑制层的半导体激光器

说明书

相关的专利申请

这项申请是美国专利申请第09/002,151号(1997年12月31日申请)的继续申请，在此通过引证将其全部教导并入本文。

本发明的现有技术

半导体激光器件(如脊形波导激光器和激光放大器)被用在许多通信系统中。在它们的制造和包装方面日渐精致，已经导致一类器件，它们具有可接受的性能特征和得到充分理解的长期使用性能。此外，与更复杂的构造(例如基于埋置异质结构的构造)相比，这种脊形波导结构在制造上不太复杂并且具有极好的得率。

在大多数应用中，使激光器或放大器的有用负载功率最大是主要的设计标准。在长距离的通信应用中，器件的功率输出规定到下一个中继级的距离，而给定的链路中的级数在该链路的初期投资和随后的维护中是主要费用因素。

激光器件的有用负载功率在许多应用中受功率/电流相依关系中高于激光阀值的“扭折”(Kink)的限制，而弱导向的半导体器件(如脊形波导激光器)对这些扭折是特别敏感的。扭折的定义变化相当大，但是它通常与所述阀值上方的偏离线性相依关系大约20％相对应。

已经有人提出许多不同的理论，以便解释在功率/电流相依关系中的扭折。这些理论在下述范围内是意见一致的，即在影响总光学输出的较高的电流下似乎存在本征模空间的偏移和/或该输出怎样与光纤传输媒体耦合等方面是意见一致的。

虽然存在理论的不确定性，但是实验已经证明对于给定的激光器件扭折功率在很大程度上取决于它的谐振腔特征，例如谐振腔的尺寸和折射指数以及它们的分布曲线。例如，在弱引导的砷化镓脊形波导器件的情况下，谐振腔的特征部分地是由覆层参数确定的。遗憾的是，这些覆层参数和用于定义这些参数的制造工艺很难以对于所有的晶片和所有的器件都是最佳的单谐振腔设计所要求的精度来进行控制的。

为了对这些不能高精度控制的参数进行补偿，脊形波导器件必须对每个基本晶片进行优化，以便获得可接受的扭折功率性能。测量晶片之间的变异，然后把获得的信息用于个别地考虑晶片的工艺。

本发明的概述

晶片逐片对比地优化制造工艺成本高而且产量低，这是因为通过检验，大量的晶片被淘汰。此外，制造工艺所要求的允差通常超出标准工艺的能力。因此，即使在适当地完成优化时，就大多数晶片器件而言，扭折功率性能仍然是不可接受的而且分布范围宽广，从而进一步降低产量。

按照本发明，脊形波导半导体的传统构造得到改进，以便引人注目地降低扭折功率对谐振腔的特征，特别是对脊的几何形状的依赖性。这是通过添加毗邻或接近脊的材料的光学层实现的，该光学层的作用是抑制功率/电流相依关系中的扭折。具体地说，业已证明包括这个光学层将使平均扭折功率增加80mW，使扭折功率变化减少50％，并且使横向远场张角减少40％。

抑制扭折的光学层通过吸收和修改需要的振荡主模与不需要的高阶横向谐振腔模所经历的有效指数的综合作用，控制激光模式和优化扭折功率。尽管这些潜在的贡献究竟哪个更重要很难界定，但是我们认为吸收占主导地位。此外，应力、导热性和波导几何学方面的变化可能也对本发明的性能产生有利的作用。

某些研究人员已经建立这样的理论，即弱引导脊形激光器件中的扭折是振荡主模与某个高阶模锁相的结果。这导致这两个模相结合的新本征模。这种锁相发生在这两个模的传播常数由于与驱动电流相关的热或其它干扰而退化的时候。本发明通过修改振荡主模和高阶模的传播常数，抑制这种锁相也是可能的。因此，在某些情况下为了获得观察到的结果可能不需要在光学层中存在充分的吸收作用。

一般的说，一方面本发明以半导体激光器件为特征。它包括具有数个膜层(优选外延膜层)的半导体基材，其中包括上覆层、下覆层和夹在两者中间的活性层。刻面沿着光轴定位在该器件相对的两端，而脊是按光轴方向在上覆层上形成的。扭折抑制层沿着光轴安排，并相对覆层取向，以降低扭折功率对谐振腔特征的依赖性。

在特定的实施方案中，扭折抑制层沿着光模区域外围被横向截短，并且优选包括两个部分，在脊的两侧一边一个。