專利名稱：半導(dǎo)體激光元件及使用它的激光模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及法伯利—玻羅(Fabry-Perot)型半導(dǎo)體激光元件及使用它組裝成的激光模塊，更具體地說(shuō)，涉及通過(guò)接受返回光進(jìn)行動(dòng)作、產(chǎn)生其振蕩頻譜為多模激光振蕩的半導(dǎo)體激光元件。
背景技術(shù)：
波分復(fù)用(WDM)通信方式正在發(fā)展作為傳送多路信號(hào)光的光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，在光路的規(guī)定部位配置例如摻鉺光纖放大器(EDFA)，以半導(dǎo)體激光元件作為激勵(lì)光源的泵浦激光模塊與此相連接，激勵(lì)用激光從該激光模塊入射到所述EDFA，對(duì)從信號(hào)光源傳送來(lái)的信號(hào)光進(jìn)行光放大，通過(guò)這樣將經(jīng)光放大的信號(hào)光再傳送到下游側(cè)。
這時(shí)，對(duì)于激光模塊中裝入的半導(dǎo)體激光元件，采用下述那樣的措施，即讓注入電流值跟隨信號(hào)光源的光輸出變動(dòng)而變化，從而使激光模塊出射的激勵(lì)用激光的光輸出穩(wěn)定。
在振蕩波長(zhǎng)處于1480nm波長(zhǎng)區(qū)的半導(dǎo)體激光元件的情況下，由于EDFA中的增益帶寬較寬，上述那樣的措施是有效的。但是在振蕩波長(zhǎng)處于980nm波長(zhǎng)區(qū)的半導(dǎo)體激光元件的情況下，由于EDFA中的增益帶寬較窄，故不能采用上述那樣的措施。
這樣，在用振蕩波長(zhǎng)為980nm波長(zhǎng)區(qū)中的半導(dǎo)體激光元件來(lái)組裝激光模塊時(shí)，必須規(guī)定組裝的激光模塊出射的激勵(lì)用激光的波長(zhǎng)為能與EDFA的窄的增益帶寬相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。
關(guān)于使來(lái)自激光元件的振蕩波長(zhǎng)穩(wěn)定，已知有效的方法是在該激光元件的出射端面(前端面)與具有規(guī)定的反射帶寬寬度的光纖布喇格光柵(FBG)進(jìn)行光耦合而動(dòng)作。這是因?yàn)镕BG具備波長(zhǎng)選擇功能與光反饋功能。
這時(shí)，激光元件出射的激光中，位于特定波長(zhǎng)帶寬內(nèi)的一部分光由FBG反射，成為返回光，該返回光再反饋到激光元件。然后，利用該返回光的作用，由激光元件產(chǎn)生振蕩的激光的波長(zhǎng)、亦即從激光模塊出射的激勵(lì)用激光的波長(zhǎng)就穩(wěn)定在FBG的反射帶寬寬度內(nèi)的特定的值。
然而，在作為振蕩波長(zhǎng)位于980nm波長(zhǎng)區(qū)的代表性的半導(dǎo)體激光元件的GaAs系統(tǒng)激光元件的情況下，當(dāng)與FBG進(jìn)行光耦合來(lái)組裝激光模塊時(shí)，得到的激勵(lì)用激光的波長(zhǎng)可以說(shuō)存在于FBG的反射帶寬寬度內(nèi)，但其激勵(lì)用激光的光輸出隨時(shí)間的變動(dòng)大，呈不穩(wěn)定的光輸出狀態(tài)。例如，只要激光元件的注入電流變動(dòng)或周圍溫度變化等，就引起驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的變化，則從激光模塊出射的激勵(lì)用激光的光輸出就不穩(wěn)定。
據(jù)認(rèn)為這是因?yàn)樵贕aAs系激光元件情況下，振蕩縱模易變得不穩(wěn)定，其光輸出容易以百分之幾的量級(jí)變動(dòng)。
激光模塊出射的激勵(lì)用激光中的光輸出變動(dòng)，通常取0.5％以下作為標(biāo)準(zhǔn)，若這樣來(lái)考慮時(shí)，那末上述的情況就成為問(wèn)題了。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決GaAs系激光元件中的上述問(wèn)題，提供在作為光源裝入激光模塊時(shí)使得從該激光模塊出射的光輸出能夠?yàn)榉€(wěn)定的激勵(lì)用激光那樣來(lái)設(shè)計(jì)的GaAs系半導(dǎo)體激光元件、以及使用該元件的激光模塊。
為達(dá)到上述目的，在組裝出射的激勵(lì)用激光的波長(zhǎng)穩(wěn)定、同時(shí)光輸出也穩(wěn)定的激光模塊時(shí)，認(rèn)為必須使作為光源裝入模塊中的激光元件所振蕩的激光，其振蕩波長(zhǎng)穩(wěn)定在特定波長(zhǎng)，同時(shí)其振蕩縱向模式為多模式。因此，本發(fā)明提供的半導(dǎo)體激光元件具備有由量子阱結(jié)構(gòu)構(gòu)成的活性層的層結(jié)構(gòu)，且利用返回光的作用產(chǎn)生波長(zhǎng)穩(wěn)定的激光振蕩，是其振蕩頻譜為多模式的Fabry-Perot型半導(dǎo)體激光元件，其特征在于，設(shè)每1層阱層的光限制系數(shù)為Γ、1層阱層的厚度為d(nm)時(shí)，則Γ與d之間滿足下式Γ/d≤1.3×10-3nm-1的關(guān)系。
具體地說(shuō)，上述的返回光是來(lái)自以FBG作為較佳實(shí)例的光反饋機(jī)構(gòu)的返回光，而且，1層阱層的厚度(d)為8.5nm以上為好。此外所提供的半導(dǎo)體激光元件其所述活性層中的阻擋層的導(dǎo)帶帶隙能量與阱層的導(dǎo)帶帶隙能量之差為170meV以下為好。
此外，所提供的半導(dǎo)體激光元件，為了抑制在高輸出驅(qū)動(dòng)時(shí)發(fā)生的燒孔效應(yīng)，使注入的載流子的主要部分在振蕩激光的分布區(qū)域內(nèi)優(yōu)化，該優(yōu)化是通過(guò)選定電流阻斷層的條寬來(lái)實(shí)現(xiàn)。
而且，所提供的半導(dǎo)體激光元件，最好夾著所述活性層形成光限制層，在所述活性層與所述光限制層之間隔著具有帶隙能量大于所述活性層的阻擋層與所述光限制層的各自導(dǎo)帶中的帶隙能量的載流子阻斷層，或者，所提供的半導(dǎo)體激光元件，夾著所述活性層形成具有帶隙能量大于所述活性層的阻擋層的導(dǎo)帶中的帶隙能量的分別限制層。
此外，本發(fā)明中所提供的激光模塊，其特征在于，光纖與所述的半導(dǎo)體激光元件的出射端面進(jìn)行光耦合。


圖1示出本發(fā)明的激光元件的使用形態(tài)概略圖；圖2示出本發(fā)明的激光元件的1例A1的層結(jié)構(gòu)斷面圖；圖3為激光元件A1中的層結(jié)構(gòu)D的帶結(jié)構(gòu)圖的1例；圖4示出本發(fā)明的另一激光元件A2的層結(jié)構(gòu)的斜視圖；圖5為激光元件A2中的層結(jié)構(gòu)D的帶結(jié)構(gòu)圖的1例；圖6示出本發(fā)明的激光模塊的1例的斷面圖；圖7為實(shí)施形態(tài)2的激光元件的電流—光輸出特性圖；圖8示出裝入實(shí)施例2的激光元件的激光模塊的Pf變化率與Im變化率的曲線；圖9為各注入電流的振蕩頻譜圖；圖10示出從圖9的振蕩頻譜圖導(dǎo)出的注入電流與譜寬之間的關(guān)系曲線；圖11示出電流阻斷層的條寬與彎折輸出關(guān)系的曲線；以及圖12為將多模振蕩的實(shí)施例5～15的半導(dǎo)體激光元件中的諧振器長(zhǎng)度(L)與Γ/d值繪在坐標(biāo)上的曲線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的激光元件是基于以下的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。
(1)首先，對(duì)于作為光源裝入出射的激勵(lì)用激光的光輸出穩(wěn)定的激光模塊中的激光元件來(lái)說(shuō)，必要的條件如下。即，來(lái)自該激光元件的振蕩激光的振蕩波長(zhǎng)穩(wěn)定，同時(shí)該光輸出的變動(dòng)得到抑制。
(2)所謂使振蕩波長(zhǎng)穩(wěn)定的問(wèn)題，可以例如使激光元件與FBG組合，使這時(shí)的返回光再次反饋到激光元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，為抑制振蕩激光的光輸出的變動(dòng)，只要設(shè)計(jì)使該振蕩激光的振蕩頻譜為多模式就可。
(3)另外，在返回光進(jìn)行反饋的激光元件的情況下，如出現(xiàn)相干衰減現(xiàn)象，則可知該激光元件的振蕩激光為多模激光。
(4)因此認(rèn)為，在激光元件的活性層結(jié)構(gòu)中，找出使上述的相干衰減現(xiàn)象容易出現(xiàn)的因素，對(duì)振蕩激光的多?；凑袷幖す獾墓廨敵龅姆€(wěn)定來(lái)說(shuō)是重要的。
以往，關(guān)于生成活性層結(jié)構(gòu)，是將振蕩的激光高效地限制在活性層內(nèi)那樣的設(shè)計(jì)思想作為主流。但是在打算使振蕩激光的多模式化的情況下，則認(rèn)為完全相反，不如說(shuō)重要的是設(shè)計(jì)不易起振的活性層。
(5)本發(fā)明者從這一觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)各種激光元件的阱層的厚度(d)、其阱層中的光限制系數(shù)(Γ)與振蕩激光的多模式化之間的關(guān)系加以研究，得到新的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為以返回光的反饋為前提時(shí)，Γ/d值與構(gòu)成活性層的半導(dǎo)體材料的種類無(wú)關(guān)，是制約相干衰減現(xiàn)象的因素。
(6)而且，進(jìn)一步反復(fù)研究的結(jié)果，還發(fā)現(xiàn)上述的相干衰減現(xiàn)象在阱層的厚度越厚越易于出現(xiàn)、而且阱層的電位深度越淺越易于出現(xiàn)這樣的事實(shí)。
然后，本發(fā)明者根據(jù)以上的認(rèn)識(shí)，并進(jìn)而為使激光元件進(jìn)行高輸出動(dòng)作，則依照其諧振器長(zhǎng)度較長(zhǎng)比較有利那樣的公知事實(shí)，開(kāi)發(fā)出上述構(gòu)成的本發(fā)明的半導(dǎo)體激光元件。
以下詳述根據(jù)上述的設(shè)計(jì)思想開(kāi)發(fā)出的本發(fā)明的激光元件。
首先，圖1示出本發(fā)明的激光元件的使用形態(tài)概略圖。
圖1中，通過(guò)作為光耦合手段的例如透鏡C，將后述的激光元件A與光纖B在互相對(duì)準(zhǔn)光軸的狀態(tài)下進(jìn)行光耦合，構(gòu)成激光模塊。然后在光纖B上形成具有例如規(guī)定的反射帶寬寬度的FBG B1。
來(lái)自激光元件A的振蕩激光，經(jīng)透鏡C聚光，入射到光纖B的端面。入射的振蕩激光中，只有FBG B1的反射帶寬寬度內(nèi)存在的振蕩波長(zhǎng)的激光由該FBG B1反射，這成為返回光反饋到激光元件A。
又，本發(fā)明中，由于激光元件A為以下說(shuō)明的結(jié)構(gòu)，故來(lái)自該激光元件A的振蕩激光，其振蕩波長(zhǎng)穩(wěn)定，同時(shí)其振蕩頻譜為多模式。
這里，圖2示出具有較佳的層結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的激光元件的1例A1。
該激光元件A1為SAS結(jié)構(gòu)(自對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu))，是總體具有規(guī)定的諧振器長(zhǎng)度(L)的Fabry-Perot型的激光元件。
該激光元件A1如圖2所示，在例如由n-GaAs構(gòu)成的基板1上形成例如由n-AlGaAs構(gòu)成的下部包層2A，再在其上形成后述的層結(jié)構(gòu)D。然后在層結(jié)構(gòu)D上依次形成例如由p-AlGaAs構(gòu)成的上部包層2B、例如由p-GaAs構(gòu)成的接觸層3，在基板1的背面和接觸層3的上面分別形成n型電極4A和p型電極4B。
上述的層結(jié)構(gòu)D是在《機(jī)能材料》Vol.17，No.8，pp26～33(1997年8月號(hào))中作為完全分別限制結(jié)構(gòu)(DCH結(jié)構(gòu))提出的層結(jié)構(gòu)。
也就是說(shuō)，層結(jié)構(gòu)D具有用例如由InGaAs構(gòu)成的2個(gè)阱層5A1、5A2及位于各阱層的兩側(cè)例如由AlGaAs構(gòu)成的3個(gè)阻擋層5B0、5B1、5B2構(gòu)成的量子阱結(jié)構(gòu)的活性層5。
然后，在活性層5內(nèi)位于其厚度方向的兩端的阻擋層5B1、5B2的各自的外側(cè)，配置其帶隙能量比其他層大的后述的載流子阻斷層，再在其外側(cè)上，分別配置例如由n-GaAs構(gòu)成的下部光限制層7A與由p-GaAs構(gòu)成的上部光限制層7B。這里，將活性層5內(nèi)位于其兩端的阻擋層5B1、5B2稱為側(cè)阻擋層。
具體地說(shuō)，在側(cè)阻擋層5B1與下部光限制層7A之間夾入例如由n-AlGaAs構(gòu)成的下部載流子阻斷層6A，在側(cè)阻擋層5B2與上部光限制層7B之間夾入例如p-AlGaAs構(gòu)成的上部載流子阻斷層6B。
然后，在上部光限制層7B之中(圖中厚度的中間位置)形成例如由n-AlGaAs構(gòu)成的具有某種條寬(W)的電流阻斷層8，使來(lái)自p型電極4B的載流子能有效地注入活性層5。
這里，圖3示出有關(guān)上述的層結(jié)構(gòu)D的帶結(jié)構(gòu)圖之1例作為概略圖。
用這樣的帶結(jié)構(gòu)圖表示層結(jié)構(gòu)D時(shí)，注入到活性層5的載流子利用位于兩側(cè)的載流子阻斷層6A、6B的高的帶隙，不擴(kuò)散到外側(cè)而被限制在該活性層5之中，從而有助于激光的振蕩。然后，振蕩激光整個(gè)被限制在該DCH結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)波。從而在該DCH結(jié)構(gòu)中位于載流子阻斷層6A、6B的兩側(cè)的光限制層7A、7B也是光波導(dǎo)層。
在具有以上那樣結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的激光元件A1中，按如下設(shè)計(jì)上述的DCH結(jié)構(gòu)。
(1)首先，設(shè)阱層5A1、5A2各自的厚度都為d(nm)，設(shè)每1層阱層的光限制系數(shù)為Γ時(shí)，d值與Γ值之間按照滿足下式
Γ/d≤1.3×10-3nm-1…(1)所示的關(guān)系來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
從該關(guān)系成立時(shí)開(kāi)始，如后所述，全部向激光元件A1的注入電流使振蕩激光的振蕩頻譜多模式化，使該光輸出在時(shí)間上穩(wěn)定。
(2)在上述的式(1)成立為前提的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)阱層5A1、5A2的厚度(d)為8.5nm為好。
將阱層設(shè)成上述厚度時(shí)，在形成的量子阱中除了基底能級(jí)，還存在高次能級(jí)。然后，從p型電極4B注入的載流子的一部分被上述的高次能級(jí)捕獲，其結(jié)果減小了對(duì)電流注入量的凈增益增加率。
這可以反過(guò)來(lái)說(shuō)，是基于返回光的振蕩增益的微小變化引起對(duì)激光元件的擾動(dòng)被擴(kuò)大，相干衰減現(xiàn)象更加容易發(fā)生。
但是，阱層的厚度上限由用于形成阱層的半導(dǎo)體材料的臨界膜厚所決定，不過(guò)即使薄于其臨界膜厚，但如果太厚時(shí)會(huì)引起第2量子能級(jí)的振蕩，招致振蕩激光的劣化，故大致以12nm程度的厚度為上限為好。
一旦決定該阱層的厚度(d)后，就據(jù)此決定阱層的光限制系數(shù)Γ，使其為滿足式(1)的適當(dāng)?shù)闹?，并?jù)此選定用于阱層成膜時(shí)的半導(dǎo)體材料的種類和組成等。
(3)根據(jù)同樣的原理，在層結(jié)構(gòu)D的活性層5中，如圖3所示那樣，設(shè)計(jì)組擋層5B0(5B1，5B2)的導(dǎo)帶帶隙能量與阱層5A1(5A2)的導(dǎo)帶帶隙能量之差(ΔEc)為小于170meV為好。
在設(shè)計(jì)上述的ΔEc的情況下，注入的載流子的一部分從阱層向阻擋層溢出，同樣減小了凈增益增加率。
但是，當(dāng)ΔEc值過(guò)小時(shí)，由于不能發(fā)生最初注入載流子的有效的復(fù)合，故ΔEc值的下限設(shè)定于9.5meV程度為好。
為此，只有用AlxGa1-xAs(x為大于0而小于0.1的數(shù))形成側(cè)阻擋層5B1、5B2就可，特別是用GaAs形成側(cè)阻擋層為好。
(4)激光元件A1的諧振器長(zhǎng)(L)沒(méi)有特別的限定，但為了高輸出，將諧振器長(zhǎng)度(L)設(shè)計(jì)在1500μm以上為好。然而在實(shí)際的元件制作中，實(shí)際上是很難制作超過(guò)3000μm的諧振器長(zhǎng)度(L)的激光元件，故長(zhǎng)度(L)的上限為3000μm為好。
(5)在本發(fā)明的激光元件的情況下，要優(yōu)化電流阻斷層中的條寬，以使振蕩激光的分布區(qū)域中包含注入載流子的大部分。具體地說(shuō)，條寬設(shè)計(jì)為3.5μm以下。以下說(shuō)明其設(shè)計(jì)思想。
本發(fā)明的激光元件中的設(shè)計(jì)思想，如前所述，就是要通過(guò)設(shè)計(jì)活性層結(jié)構(gòu)使成為激光難以振蕩的結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)振蕩激光的多模式化。
這種情況下，正是根據(jù)上述的設(shè)計(jì)思想，對(duì)于制作的激光元件，必須考慮使其保持高的彎折輸出。
例如，在設(shè)計(jì)如本發(fā)明的激光元件那樣，Γ值小而d值大(阱層厚)情況下，所謂的振蕩閾值載流子密度變高。
為此，與層結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)無(wú)關(guān)，相對(duì)于載流子密度變動(dòng)的相對(duì)折射率的變動(dòng)增大，總的來(lái)說(shuō)所謂的燒孔變得顯著，其結(jié)果，由于低輸出驅(qū)動(dòng)階段而使橫模不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)彎折現(xiàn)象。
因此，本發(fā)明的激光元件中就要尋求對(duì)燒孔現(xiàn)象的對(duì)策。具體地說(shuō)，優(yōu)化配置于活性層5的上方的電流阻斷層8的條寬(W)，以抑制燒孔現(xiàn)象的出現(xiàn)。
可是，振蕩激光的分布區(qū)域的大小，由形成于該激光元件內(nèi)的條寬的寬窄與因電流阻斷層的形成等主要是激光器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的條內(nèi)部與條外部區(qū)域之間的有效折射率差所決定。
然后，在具有電流阻斷層的半導(dǎo)體激光元件的情況下，電流阻斷層中的條寬一般設(shè)計(jì)成4～6μm程度。
但是，根據(jù)IEEE，Photonics Technology Letters，Vol.6，No，12，p1409～p1411，1999，在這種半導(dǎo)體激光元件的情況下，注入載流子沿活性層的橫方向擴(kuò)散，使載流子的分布區(qū)域比振蕩激光的分布區(qū)域還要寬。而且，以此為出發(fā)點(diǎn)，該激光元件在高輸出驅(qū)動(dòng)時(shí)振蕩激光的分布變得不穩(wěn)定。也就是說(shuō)，該激光元件的高輸出特性遭到破壞。
因此，為了即使在高輸出驅(qū)動(dòng)時(shí)也使振蕩激光的分布穩(wěn)定，要使振蕩激光的分布區(qū)域比注入載流子的分布區(qū)域來(lái)得大，假如實(shí)現(xiàn)前者之中包含后者的狀態(tài)，則認(rèn)為可抑制燒孔，實(shí)現(xiàn)高彎折輸出。
而且，如果通過(guò)使電流阻斷層中的條寬足夠地窄來(lái)使注入的載流子的分布區(qū)域縮小，則認(rèn)為能夠?qū)崿F(xiàn)。
從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，如后所述，考慮條寬與彎折輸出之間的關(guān)系時(shí)，本發(fā)明的激光元件中如設(shè)計(jì)條寬為3.5μm以下，則即使例如在200mW以上的高輸出驅(qū)動(dòng)時(shí)，也能看到有利于抑制燒孔的事實(shí)。
又，這種場(chǎng)合，為了大致保持振蕩激光的分布區(qū)域的大小一定，需要對(duì)應(yīng)于上述條寬適當(dāng)調(diào)節(jié)條內(nèi)部與條外區(qū)域間的有效折射率差。
對(duì)激光元件A1的制作，為了滿足以上所述的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，選定形成各層的半導(dǎo)體材料。
這時(shí)，作為可能使用的半導(dǎo)體材料，可舉出例如GaAs系、AlGaAs系、InGaAsP系、InGaNAs系等，適當(dāng)選定這些材料的種類、組成、成膜時(shí)的厚度，使?jié)M足上述的各設(shè)計(jì)項(xiàng)目。
又，上述的激光元件A1其層結(jié)構(gòu)D是DCH結(jié)構(gòu)的情況，但本發(fā)明的激光元件并不限于此，也可以具有如圖5所示的層結(jié)構(gòu)的激光元件A2。
該激光元件A2如圖4所示，上部為脊形波導(dǎo)形狀，整體具有規(guī)定的諧波器長(zhǎng)度(L)。然后，在例如n-GaAs構(gòu)成的基板10之上，形成例如n-AlGaAs構(gòu)成的下部包層11A，再在其上形成后述的層結(jié)構(gòu)E，在基板10的背面形成n型電極12A，在所述層結(jié)構(gòu)E的上面形成例如氮化硅(SiNx)構(gòu)成的保護(hù)膜13，在其開(kāi)口處形成p型電極12B。
層結(jié)構(gòu)E具有由例如InGaAs構(gòu)成的3個(gè)阱層14A0、14A1、14A2、以及位于各阱層的兩側(cè)由例如GaAsP構(gòu)成的4個(gè)阻擋層14B1、14B2、14B3、14B4構(gòu)成的量子阱結(jié)構(gòu)的活性層14。
然后，在位于活性層14兩端的阻擋層14B1、14B4的兩側(cè)，分別配置例如AlGaAs構(gòu)成的下部光限制層15A與AlGaAs構(gòu)成的上部光限制層15B。
該層結(jié)構(gòu)E稱作分別限制結(jié)構(gòu)(SCH結(jié)構(gòu))，圖5示出其導(dǎo)帶的帶結(jié)構(gòu)圖1的1例。
本發(fā)明中，即使是具有該SCH結(jié)構(gòu)的激光元件A2的情況，也設(shè)計(jì)該SCH結(jié)構(gòu)使其滿足上述的設(shè)計(jì)項(xiàng)目。
該激光元件A2的場(chǎng)合，各阱層的厚度(d)是規(guī)定振蕩激光的振蕩頻譜的多模式的主要因素。具體地說(shuō)，加厚各阱層的厚度(d)對(duì)振蕩頻譜的多模式是有用的。
又，該激光元件A2的場(chǎng)合，調(diào)整脊形波導(dǎo)的寬度可控制來(lái)自p型電極12B的注入電流。
用以上說(shuō)明的激光元件A1、A2組裝本發(fā)明的激光模塊。組裝成的激光模塊的1例示于圖6。
該激光模塊中，在封裝20的底板20a之上配置冷卻激光元件A1(A2)用的珀?duì)柼K21，再在珀?duì)柼K21之上配置例如由科瓦鐵鎳鈷合金構(gòu)成的基材22。
在基材22上面通過(guò)芯片載臺(tái)23配置激光元件A1(A2)，在與該激光元件A1(A2)對(duì)準(zhǔn)光軸的狀態(tài)下，與具有FBG 24a的光纖24進(jìn)行光耦合。
光纖24用光纖固定部件25固定于基材22之上，而且，其出射端側(cè)通過(guò)氣密地安裝于封裝20的筒形孔部?jī)?nèi)的套筒26，從封裝20引出。
此外，在激光元件A1(A2)的背面?zhèn)壬吓渲霉怆姸O管27，使其能夠監(jiān)視激光模塊的光輸出的大小。
又，為提高激光元件與光纖的光耦合效率，作為光纖最好使用其前端成透鏡形狀的光纖，但即使前端不是透鏡形狀，也可通過(guò)在途中插入透鏡來(lái)提高兩者間的光耦合效率。
又，作為光纖如采用楔形光纖，則組裝成的激光模塊的光耦合效率高，也可減少組裝所需的零部件數(shù)，降低綜合的制造成本。
該激光模塊中，由于如前述那樣設(shè)計(jì)作為光源的激光元件A1(A2)，故通過(guò)接收從FBG 24a反饋的返回光，使激光元件A1(A2)的振蕩激光的振蕩波長(zhǎng)穩(wěn)定，而且其振蕩頻譜為多模式，光輸出不隨時(shí)間變動(dòng)。
因此，該激光模塊中，由于將上述的振蕩激光傳送到光纖24，故其出射光的光輸出非常穩(wěn)定。
實(shí)施例實(shí)施例1～3、比較例(1)激光元件的結(jié)構(gòu)制成具有DCH結(jié)構(gòu)、總體如圖2所示的層結(jié)構(gòu)的激光元件A1。這時(shí)各層的規(guī)格示于表1。又，諧振器長(zhǎng)度(L)都為2100μm。無(wú)論哪一個(gè)激光元件，都設(shè)定前端面的反射率為2％，后端面的反射率為96％。此外，電流阻斷層8中的條寬均設(shè)定為3.2μm。
表1

*圖2中夾著電流阻斷層的整個(gè)厚度因此，實(shí)施例1～3、比較例的各激光元件中的Γ值與Γ/d值為表2中所示的值。
表2

(2)激光元件的特性。
用各激光元件組裝圖6所示的激光模塊。
又，與激光元件光耦合的FGB設(shè)計(jì)成具有反射率4％、反射帶寬寬度0.5nm、中心波長(zhǎng)975nm的波長(zhǎng)選擇特性。
1.用裝入實(shí)施例2的激光元件的激光模塊，測(cè)定其激光元件的電流—光輸出特性。其結(jié)果示于圖7。
從圖7可知，該激光元件在注入電流800mA以前，以極其穩(wěn)定的狀態(tài)出射高光輸出的激光。
2.然后，以每5mA間隔增加激光元件的注入電流，每次測(cè)定激光模塊的光輸出(Pf)與監(jiān)視器光強(qiáng)度(Im)，算出其變化率。將結(jié)果示于圖8。
從圖8可見(jiàn)，即使注入電流改變，該激光元件光輸出的變化率也在0.5％以下，相對(duì)于注入電流值的光輸出的穩(wěn)定性很好。
3.改變激光元件的注入電流，這時(shí)測(cè)定在元件驅(qū)動(dòng)開(kāi)始后5秒鐘的振蕩激光的振蕩頻譜。將結(jié)果示于圖9。
從圖9可見(jiàn)，該激光元件在全部注入電流的數(shù)值中以多模振蕩。因此在圖9的振蕩頻譜中，讀取距離光輸出峰值要低10dB位置的譜寬度(nm)，并相對(duì)于各注入電流繪出這些譜寬度的曲線。將結(jié)果示于圖10。
又，對(duì)于比較例的激光元件也與上述相同，測(cè)定振蕩頻譜，同樣讀取低10dB位置的譜寬，也示于圖10。
從圖10可見(jiàn)，在實(shí)施例2的激光元件的情況下，即使注入電流變化，上述的譜寬變動(dòng)也小，維持多模振蕩。與之相反，在比較例的激光元件的情況下，其譜寬大幅度變動(dòng)，不斷出現(xiàn)單模振蕩。
又，對(duì)實(shí)施例1、3的激光元件也進(jìn)行了同樣的試驗(yàn)，幾乎得到同樣的結(jié)果。
又，在實(shí)施例2的層結(jié)構(gòu)中，改變電流阻擋層8中的條寬，并制成激光元件。測(cè)定這些激光元件的電流—光輸出特性，觀察其彎折輸出(Pk:mW)。
將其結(jié)果作為與條寬的關(guān)系圖示于圖11。
又，實(shí)施例1、3的激光元件的情況也得到與圖11幾乎相同的結(jié)果。
實(shí)施例4(1)激光元件的結(jié)構(gòu)制成具有SCH結(jié)構(gòu)、總體如圖4所示的層結(jié)構(gòu)的激光元件A2。這時(shí)各層的規(guī)格示于表3。又，諧振器長(zhǎng)度(L)做成1500μm與2000μm兩種。又，這些激光元件的情況下，設(shè)定前端面的反射率為1％，后端面的反射率為92％。
表3

這些激光元件中的阱層的光限制系數(shù)(Γ)為0.011。從而，Γ/d值為1.2×10-3nm-1。
對(duì)于該激光元件也與實(shí)施例1～3的的情況相同，能夠確認(rèn)進(jìn)行多模振蕩。
實(shí)施例5～15在具有表1所示的DCH結(jié)構(gòu)的實(shí)施例2的層結(jié)構(gòu)中，通過(guò)改變阱層厚度使Γ/d值變化，而且也改變諧振器長(zhǎng)度(L)，制成表4、5所示的各種激光元件。用這些激光元件組裝成與實(shí)施例1～3情況相同的激光模塊。
表4

表5

然后，使激光元件振蕩，測(cè)定其振蕩激光的振蕩頻譜，觀察有無(wú)多模式化。實(shí)施例5～15的激光元件示出全部如圖9所示那樣的振蕩頻譜。在以諧振器長(zhǎng)度(L)與Γ/d值(×10-3nm-1)為坐標(biāo)軸的坐標(biāo)上描圖。其結(jié)果示于圖12。
圖中，符號(hào)□表示實(shí)施例5，+表示實(shí)施例6、13，△表示實(shí)施例7、10，×表示實(shí)施例8，*表示實(shí)施例9，-表示實(shí)施例11，○表示實(shí)施例12，▲表示實(shí)施例14，■表示實(shí)施例15。
又，為了參考起見(jiàn)，實(shí)施例4的激光元件A2的結(jié)果也在圖12中以◆表示。
從圖12可見(jiàn)，按Γ/d值為1.3×10-3nm-1以下那樣來(lái)設(shè)計(jì)的各實(shí)施例的激光元件，與諧振器長(zhǎng)度(L)的長(zhǎng)短無(wú)關(guān)，如圖9所示那樣，都為多模振蕩，而且其光輸出穩(wěn)定。因此可知，為了振蕩頻譜的多模式化，即實(shí)現(xiàn)光輸出的穩(wěn)定，將Γ/d值設(shè)定于1.3×10-3nm-1以下是有效的。
工業(yè)上的實(shí)用性由以上的說(shuō)明可見(jiàn)，本發(fā)明的激光元件由于利用返回光的作用，使振蕩波長(zhǎng)穩(wěn)定，并設(shè)計(jì)阱層的光限制系數(shù)(r)與其厚度(d)的關(guān)系，使其出現(xiàn)返回光與相干衰減現(xiàn)象，故振蕩激光的振蕩頻譜多模式化，并且其光輸出穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體激光元件，具備有由量子阱結(jié)構(gòu)構(gòu)成的活性層的層結(jié)構(gòu)，且利用返回光的作用產(chǎn)生穩(wěn)定波長(zhǎng)的激光振蕩，是其振蕩頻譜為多模式的Fabry-Perot型半導(dǎo)體激光元件，其特征在于，設(shè)每1層阱層的光限制系數(shù)為Γ、1層阱層的厚度為d(nm)時(shí)，則Γ與d之間滿足下式Γ/d≤1.3×10-3nm-1的關(guān)系。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光元件，其特征在于，所述返回光是來(lái)自光反饋機(jī)構(gòu)的返回光。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體激光元件，其特征在于，所述光反饋機(jī)構(gòu)是光纖布喇格光柵。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光元件，其特征在于，所述活性層中的阱層的1層厚度為8.5nm以上。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光元件，其特征在于，所述活性層中的阻擋層的導(dǎo)帶帶隙能量與阱層的導(dǎo)帶帶隙能量之差為170meV以下。
6.如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體激光元件，其特征在于，使注入載流子的主要部分在振蕩激光的分布區(qū)域內(nèi)優(yōu)化。
7.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體激光元件，其特征在于，使注入載流子的主要部分在振蕩激光的分布區(qū)域內(nèi)優(yōu)化。
8.如權(quán)利要求6或7所述的半導(dǎo)體激光元件，其特征在于，所述優(yōu)化是通過(guò)選定電流阻斷層的條寬來(lái)實(shí)現(xiàn)。
9.如權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體激光元件，其特征在于，夾著所述活性層形成光限制層，在所述活性層與所述光限制層之間隔著具有帶隙能量大于活性層與所述光限制層的各自的導(dǎo)帶中的帶隙能量的載流子阻斷層。
10.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體激光元件，其特征在于，夾著所述活性層形成光限制層，在所述活性層與所述光限制層之間隔著具有帶隙能量大于活性層與所述光限制層的各自的導(dǎo)帶中的帶隙能量的載流子阻斷層。
11.一種激光模塊，其特征在于，光纖與權(quán)利要求1～10中任一個(gè)半導(dǎo)體元件的出射端面進(jìn)行光耦合。
全文摘要
本發(fā)明提供半導(dǎo)體激光元件，其振蕩激光的振蕩波長(zhǎng)穩(wěn)定、振蕩頻譜為多模式，具備有由量子阱結(jié)構(gòu)構(gòu)成的活性層的層結(jié)構(gòu)，且利用返回光的作用產(chǎn)生穩(wěn)定波長(zhǎng)的激光振蕩，是其振蕩頻譜為多模式的Fabry－Perot型半導(dǎo)體激光元件，設(shè)每1層阱層的光限制系數(shù)為Γ、1層阱層的厚度為d(nm)時(shí)，則Γ與d之間滿足下式Γ/d≤1.3×10
文檔編號(hào)H01S5/022GK1561567SQ0281906
公開(kāi)日2005年1月5日 申請(qǐng)日期2002年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月28日
發(fā)明者大久保敦, 岡田知, 藤本毅, 小磯武, 室清文, 大久保典雄, 大木泰 申請(qǐng)人:三井化學(xué)株式會(huì)社, 古河電氣工業(yè)株式會(huì)社