專利名稱：拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡和可調(diào)外腔激光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡(parabolic waveguide-typecollimating lens)和設(shè)置有其的可調(diào)外腔激光二極管；更具體而言，涉及一種能無模式跳變(mode hopping)地實現(xiàn)連續(xù)波長可調(diào)特性的拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡和設(shè)置有其的可調(diào)外腔激光二極管。
背景技術(shù)：
通常，Littman-Metcalf型外腔和Littrow型外腔經(jīng)常用作選擇特定波長的外腔，以采用衍射光柵從具有預(yù)定增益帶寬范圍的增益媒質(zhì)中選擇特定波長。
常規(guī)波長可調(diào)激光二極管技術(shù)是通過采用MEMS(微機電系統(tǒng)，micro-electro-mechanical system)機械移動衍射光柵或反射鏡而改變波長的外腔激光二極管。
然而，常規(guī)技術(shù)因為由各種光學(xué)元件和MEMS技術(shù)的驅(qū)動部分構(gòu)成而封裝困難，且其具有易于受外部變化影響的缺點。并且，它具有需要形成在半導(dǎo)體激光器端面上的高質(zhì)量高成本的抗反射薄膜的缺點。
圖1是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的Littman-Metcalf型外腔激光二極管光源的示意圖。
參照圖1，Littman-Metcalf型外腔包括具有寬的波長帶寬的增益媒質(zhì)101、用于使增益媒質(zhì)101所產(chǎn)生的光束平行的準(zhǔn)直透鏡102、用于衍射該平行光束的衍射光柵103和用于反射衍射光束的反射鏡104。
如果光束從增益媒質(zhì)101產(chǎn)生，該產(chǎn)生的光束被準(zhǔn)直透鏡102會聚得平行，且平行光束被衍射光柵103衍射到反射鏡104。此時產(chǎn)生的光束的波長如下mλ＝nd(sinα+sinβ) 方程1其中m表示衍射級數(shù)，n表示折射率，d表示衍射光柵的周期，α表示入射角且β表示衍射角。
通常，由于衍射的級數(shù)和衍射光柵的周期在其制造時確定，為了在Littman-Metcalf型外腔激光二極管中實現(xiàn)波長調(diào)諧，改變?nèi)肷涞窖苌涔鈻派系娜肷浣腔蛘吒淖兎瓷溏R的角度。
雖然增益媒質(zhì)101的發(fā)射面由解理面或反射薄膜制成，其本質(zhì)上要求在位于增益媒質(zhì)101內(nèi)部的端面上淀積高質(zhì)量的抗反射薄膜106，以抑制由于法布里-玻羅(Fabry-Perot)諧振腔所導(dǎo)致的多波長振蕩。
在圖1中，反射鏡104通過機械裝置控制朝向衍射光柵103的角度，因此在入射到反射鏡104的光束中，反射鏡104可以僅反射具有特定波長的垂直入射光束到衍射光柵。反射回衍射光柵103的光束再次被衍射光柵103衍射，通過準(zhǔn)直透鏡102回到激光二極管101。
如果反射鏡104從位置104a旋轉(zhuǎn)到位置104b，垂直入射到反射鏡104上的光束的類型改變了。即，雖然具有預(yù)定波長的第一光束105a垂直入射到反射鏡104的位置104a上，以被反射到衍射光柵103，如果反射鏡的位置由于反射鏡104的旋轉(zhuǎn)而變化到位置104b，具有另一波長的第二光束105b垂直入射到反射鏡104上以被反射到衍射光柵103。因此，根據(jù)反射鏡104所設(shè)置的角度，反射回增益媒質(zhì)101的光束的波長變化，且相應(yīng)于反射鏡104的角度而實現(xiàn)波長調(diào)節(jié)。如此，應(yīng)該指出，Littman-Metcalf型外腔可以通過控制反射鏡104的角度而改變波長。
另一方面，Littrow型外腔激光二極管光源可以通過控制衍射光柵的角度而改變波長。圖2是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的Littrow型外腔激光二極管光源的示意圖的結(jié)構(gòu)圖。
參照圖2，Littrow型外腔激光二極管光源的結(jié)構(gòu)與Littman-Metcalf型外腔激光二極管光源的類似。只是，Littrow型外腔激光二極管光源不是通過控制反射鏡104的角度，而是通過控制衍射光柵103的角度而改變波長。此時振蕩的光束的波長如下mλ＝2ndsinα 方程1其中m表示衍射級數(shù)，n表示折射率，d表示衍射光柵的周期，且α表示入射角(衍射角β等于入射角α)。
如在圖1中所述，增益媒質(zhì)101的前端面107由解理面或反射薄膜制成，其本質(zhì)上要求在位于增益媒質(zhì)101內(nèi)部的截面上淀積高質(zhì)量的抗反射薄膜106，以抑制由于法布里-玻羅(Fabry-Perot)諧振腔所導(dǎo)致的多波長振蕩。
類似地，與上述Littman-Metcalf型外腔激光二極管光源中類似，由于衍射的級數(shù)和衍射光柵的周期在其制造時確定，可以通過改變?nèi)肷涞窖苌涔鈻派系娜肷浣嵌{(diào)節(jié)波長。
如果光束從增益媒質(zhì)101產(chǎn)生，產(chǎn)生的光束被準(zhǔn)直透鏡102會聚得平行，且通過衍射具有響應(yīng)于衍射光柵103的角度的特定波長的光束而通過準(zhǔn)直透鏡102將具有特定波長的光束反射回增益媒質(zhì)101。
最后，通過響應(yīng)于衍射光柵103設(shè)置的角度而改變反射回增益媒質(zhì)101的光束的波長而實現(xiàn)諧振波長的調(diào)節(jié)。
如上所述，常規(guī)Littman-Metcalf或Littrow型外腔可調(diào)激光器可以通過控制角度而選擇具有特定波長的光束，其中角度的控制通過機械旋轉(zhuǎn)反射鏡或衍射光柵而實現(xiàn)。因此，由于反射鏡或衍射光柵被精確地機械旋轉(zhuǎn)，其具有這樣的缺點激光器穩(wěn)定性降低；激光器易受外部震動影響；激光器具有大尺寸；且激光器在其封裝過程中需要多個光學(xué)元件。而且，其另一缺點是由于光學(xué)對準(zhǔn)不容易而增加了生產(chǎn)成本。
而且，SGDBR(取樣光柵分布式布拉格反射器)和SSDBR(超結(jié)構(gòu)分布式布拉格反射器)等被用作其他不同的常規(guī)可調(diào)光源。圖3是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的SGDBR型可調(diào)半導(dǎo)體激光器的示意圖。
由于SGDBR可調(diào)半導(dǎo)體激光器由4個輸入注入電流控制部分即增益部分、兩個SGDBR部分和相移部分制成，其具有難于發(fā)現(xiàn)特定波長的運行條件的缺點。
另一方面，在圖3中，分別地，參考標(biāo)號201表示增益媒質(zhì)(有源波導(dǎo))，參考標(biāo)號202表示無源波導(dǎo)，參考標(biāo)號203表示SGDBR，參考標(biāo)號204表示抗反射薄膜，參考標(biāo)號205表示底歐姆接觸，參考標(biāo)號206表示歐姆層，且參考標(biāo)號207表示歐姆電極。
圖4是描述常規(guī)半導(dǎo)體基拋物柱面反射鏡的平面圖。
參照圖4，入射到光纖的光束被傳送到輸入無源波導(dǎo)302，因此以輻射角θ分散到條形波導(dǎo)301。分散的光束被RIE(反應(yīng)離子刻蝕)而蝕刻的拋物柱面TIR(內(nèi)全反射)鏡304變成反射到平行于x方向的方向的平行光束307。
此時，由于無源波導(dǎo)302的折射率與空氣折射率之間的差異，拋物柱面鏡根據(jù)斯涅爾定律反射入射到其上的光束，優(yōu)選如果入射到拋物柱面鏡的入射角(γ)306在臨界角以上，則在反射鏡處產(chǎn)生的損耗由于在拋物柱面反射鏡處全反射光束而最小化。
圖5A到5C是示出半導(dǎo)體基拋物柱面反射鏡沿圖4的線A-A’、B-B’和C-C’所取的截面圖。襯底由Si、InP基半導(dǎo)體和GaAs基半導(dǎo)體之一制成。底覆層311、無源波導(dǎo)芯層312和頂覆層313形成在襯底上。并且，采用RIE，輸入無源波導(dǎo)和拋物柱面全反射鏡形成空氣層314。
圖6是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體基拋物柱面反射鏡的平行光形成的圖。
如圖6所示，以任意入射角入射到拋物線中的焦點F(a，0)的光束被反射為平行于x軸的光束。另一方面，根據(jù)拋物線的定義所給出的線是這樣的一系列點，其中給定線上的點與焦點F(a，0)之間的距離等于在給定線上的點與垂直線即x＝-a上的點之間的距離。因此，顯然，由于從焦點F(a，0)通過給定線到任意線x＝s之間的距離不依賴于入射角，而總是彼此相等，所以反射的光束307是平行光束。
然而，在拋物柱面反射鏡中，由于入射光束的方向與出射光束的方向存在90°差，其具有制造過程中在晶片上的集成度低的缺點。由于在制造后不易精確識別發(fā)射的拋物線光束的位置，其具有不易將光纖與微透鏡光學(xué)對準(zhǔn)的問題。
而且，由于，出射的平行光束的尺寸僅由從輸入無源波導(dǎo)向條形波導(dǎo)移動的輻射角和焦點尺寸控制，存在任意調(diào)節(jié)出射平行光束尺寸上的限制。此外，由于向條形波導(dǎo)移動的輻射角取決于無源波導(dǎo)的寬度和無源波導(dǎo)芯層的厚度及折射率、輸入無源波導(dǎo)的寬度，因此存在出射平行光束的尺寸響應(yīng)于在具有同樣焦點尺寸(focus size)的準(zhǔn)直透鏡中的無源波導(dǎo)芯層的厚度和折射率而變化的缺點。
通常，條形波導(dǎo)芯層的厚度和折射率以及輸入無源波導(dǎo)的寬度在例如材料生長工藝、光刻工藝、RIE蝕刻工藝、濕法蝕刻工藝等工藝中響應(yīng)于短期或長期(a short term or a long term)而稍有變化。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種能單片地集成增益媒質(zhì)、條形波導(dǎo)、光反射器和衍射光柵的拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡。
本發(fā)明的另一目的是提供一種單片集成的可調(diào)外腔激光二極管，通過響應(yīng)于電或熱變化改變折射率而改變光束的方向，從而在外部振動下穩(wěn)定工作。
本發(fā)明另一目的是提供一種單片集成的可調(diào)外腔激光二極管，其具有優(yōu)良的波長選擇特性，而同時降低了制造成本。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種可調(diào)外腔激光二極管，其包括準(zhǔn)直透鏡以校正發(fā)散的光柵為平行光束；條形波導(dǎo)，以通過其傳播該平行光束；以及光反射器，響應(yīng)于外部電信號，通過改變在通過條形波導(dǎo)傳播的光束的傳播通路上的媒質(zhì)的折射率而改變光束的傳播方向。
即，根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)外腔激光二極管設(shè)置有響應(yīng)于不同于常規(guī)Littman-Metcalf型和Littrow型外腔結(jié)構(gòu)的電信號而工作的光反射器，因此通過電信號改變振蕩波長，沒有腔結(jié)構(gòu)元件的機械移動。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種可調(diào)外腔激光二極管，其把取代常規(guī)體型(bulk-type)準(zhǔn)直透鏡的準(zhǔn)直透鏡和增益媒質(zhì)集成為一體，并設(shè)置有能響應(yīng)于電信號和熱變化而改變光束方向的光反射器，以及衍射光柵。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種半導(dǎo)體基的準(zhǔn)直透鏡，包括接收來自外部光束的輸入波導(dǎo)，用于把來自輸入波導(dǎo)的發(fā)散光束校正為平行光束的拋物柱面波導(dǎo)，其中拋物柱面波導(dǎo)從關(guān)于通過輸入波導(dǎo)輸入的光束的傳播方向線對稱的拋物線形狀變?yōu)橥ㄟ^垂直于穿過拋物線焦點的對稱軸的直線除去極點(polar point)的形狀。優(yōu)選地，當(dāng)光束從輸入波導(dǎo)傳播到拋物柱面波導(dǎo)時，通過逐漸減小(tapering)輸入波導(dǎo)的寬度，輻射角增加和減小。
并且，由于根據(jù)本發(fā)明被電信號操作的可調(diào)光反射器的一個實施例包括由例如InP或GaAs基半導(dǎo)體制成的條形波導(dǎo)和平面三角形形狀的局部p/n結(jié)，其特征在于，由于條形波導(dǎo)的載流子密度響應(yīng)于電流注入和電壓施加而變化或電光效應(yīng)，可以通過改變折射率而任意控制穿過三角形可調(diào)光反射器的條形波導(dǎo)的光束的方向。或者，可調(diào)光反射器是由例如InP、GaAs基半導(dǎo)體、硅基半導(dǎo)體或聚合物基材料的材料制成的條形波導(dǎo)并通過在頂部淀積具有一定大小電阻的平面三角形(a triangle in plane)的金屬而形成。并且，其特征在于，可以采用由響應(yīng)于電信號的溫度的變化引起的折射率的變化而任意控制穿過條形波導(dǎo)的光束的方向。
優(yōu)選地，為了提高波長的調(diào)節(jié)范圍，可調(diào)光反射器可以將特定波長轉(zhuǎn)換為以該特定波長為中心的短波長和長波長。


從下面接合附圖給出的優(yōu)選實施例的描述中，本發(fā)明的上述和其他目的和特點將變得更為清楚，在附圖中圖1是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的Littman-Metcalf型外腔激光二極管光源的示意圖；圖2是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的Littrow型外腔激光二極管光源的示意圖的方框圖；圖3是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的SGDBR(取樣光柵分布式布拉格反射器)型可調(diào)半導(dǎo)體激光器的示意圖；圖4是描述常規(guī)半導(dǎo)體基拋物柱面反射鏡的平面圖；圖5A到5C是示出沿圖4的線A-A’、B-B’和C-C’所取的半導(dǎo)體基拋物柱面反射鏡的截面圖；圖6是描述根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體基拋物柱面反射鏡的平行光形成的曲線圖；圖7是代表根據(jù)本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體基拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡的平面圖；圖8A和8B是示出沿圖7的線D-D’和E-E’所取的半導(dǎo)體基拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡的截面圖；圖9是代表根據(jù)本發(fā)明另一實施例的設(shè)置有錐形輸入無源波導(dǎo)的準(zhǔn)直透鏡的示意圖；圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡的照片；圖11A到11C是根據(jù)本發(fā)明的拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡的近場圖像；圖12是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的Littrow型單片集成可調(diào)外腔激光二極管光源的示意圖；圖13A和13B是描述沿圖12的線A-A’和B-B‘所取的Littrow型單片集成可調(diào)外腔激光二極管光源的截面圖；圖13C到13E是示出沿圖12的線C-C’、D-D’和E-E‘所取的Littrow型單片集成可調(diào)外腔激光二極管光源的截面圖；圖14A到14C是代表形成本發(fā)明的波導(dǎo)層的對接(butt-joint)技術(shù)的截面圖；
圖15是描述在根據(jù)本發(fā)明的光反射器產(chǎn)生的電流泄漏的截面圖；圖16是示出通過離子注入工藝防止圖15的電流泄漏的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖17A到17C是代表通過生長非摻雜InP層或半絕緣InP層而防止圖15所示的電流泄漏的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖18是示出根據(jù)本發(fā)明實施例制造的Littrow型單片集成可調(diào)外腔激光二極管中的光反射器響應(yīng)于注入電流的波長可調(diào)特性的曲線圖；圖19是示出在根據(jù)本發(fā)明實施例制造的Littrow型單片集成可調(diào)外腔激光二極管中響應(yīng)于相控制部分的注入電流的連續(xù)波長可調(diào)特性的曲線圖；圖20是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的Littman-Metcalf型單片集成可調(diào)外腔激光二極管光源的示意圖；圖21是代表根據(jù)本發(fā)明實施例的Littrow型混合集成可調(diào)外腔激光二極管光源的示意圖；圖22是描述根據(jù)本發(fā)明實施例的Littman-Metcalf型混合集成可調(diào)外腔激光二極管光源的示意圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。在此之前，不應(yīng)將本說明書和權(quán)利要求中的術(shù)語或詞語理解為限定它們?yōu)槌Ｒ?guī)的或詞典的意義，基于發(fā)明人適當(dāng)限定了術(shù)語的概念以將其發(fā)明描述為最好的方法這一事實，它們應(yīng)被理解為與本發(fā)明的技術(shù)精神相匹配的意義和概念。因此，由于在本說明書中描述的實施例和在附圖中示出的結(jié)構(gòu)僅是本發(fā)明的最好的優(yōu)選實施例，它們不代表本發(fā)明的所有技術(shù)特征，應(yīng)該理解，在提交本申請時，可以進(jìn)行代替它們的各種變化和改進(jìn)。
實施例1本實施例涉及一種拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡，設(shè)置有改進(jìn)的結(jié)構(gòu)并能用于根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)外腔激光二極管。
圖7是表示根據(jù)本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體基拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡的平面圖。
參照圖7，示出了輸入無源波導(dǎo)401和拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡402。輸入無源波導(dǎo)401的末端和拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡402的輸入端位于焦點F(a，0)，且拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡402設(shè)置有一對拋物柱面波導(dǎo)(y2＝4ax)，其中拋物柱面波導(dǎo)是關(guān)于輸入波導(dǎo)彼此對稱的。
在這種情況下，拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡402的初始寬度405是4a，輸出端的寬度406決定準(zhǔn)直光束403的尺寸。即，拋物柱面波導(dǎo)在拋物線形y2＝4ax拋物柱面波導(dǎo)的焦點F(a，0)處變?yōu)猷徑虞斎霟o源波導(dǎo)401，“a”是拋物柱面波導(dǎo)的焦距，且拋物柱面波導(dǎo)形成為在拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡402的寬度變?yōu)?a的點被截去的形狀。
圖8A和8B是示出半導(dǎo)體基拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡沿線D-D’和E-E’所取的截面圖。參照附圖，在由例如Si、鈮酸鋰(LiNbO3)、InP基材料等制成的化合物半導(dǎo)體襯底410上，依次形成底覆層411、無源波導(dǎo)芯層412和頂覆層413。并且，輸入無源波導(dǎo)401和拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡402可以通過常規(guī)光刻和RIE(反應(yīng)離子蝕刻)工藝而制造。
比較圖7的本發(fā)明和圖4的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過將輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)設(shè)置成直線，能在晶片上顯著改善制造過程中的集成度，并具有輸出準(zhǔn)直光束的尺寸可以通過使用拋物線的焦點和長度而控制的優(yōu)點。而且，比較圖7的本發(fā)明與上述圖4的現(xiàn)有技術(shù)，由于輸出準(zhǔn)直光束的尺寸不依賴于輸入無源波導(dǎo)的寬度和在條形無源波導(dǎo)層中芯層的厚度和組分，本發(fā)明能精確知道輸出準(zhǔn)直光束的位置和尺寸，并具有優(yōu)異的均勻性和可重復(fù)性。
然而，在圖7中，存在這樣的缺點，從輸入無源波導(dǎo)401發(fā)射的光束中，未被拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡402反射的輸出準(zhǔn)直光束的部分404a和404b未變成平行光。即，如果部分404a和404b變得增加，則拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡402不能充分發(fā)揮準(zhǔn)直透鏡的作用。
第二實施例圖9是示出向輸入無源波導(dǎo)增加了寬度傾斜的錐型無源波導(dǎo)414以改進(jìn)圖7所示的外腔激光二極管的缺點的、根據(jù)本發(fā)明另一實施例的準(zhǔn)直透鏡的示意圖。如果輸入無源波導(dǎo)的寬度變得減小，由于輻射角在傳播到拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡403的過程中變得增加，通過相對減小未被拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡反射的光束的比例能夠減少光束的損耗。
圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡的照片。并且，圖11A到11C分別是根據(jù)本發(fā)明的拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡的近場圖像。
所制造的拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡通過下面的方法構(gòu)成。即，在由例如n型InP半導(dǎo)體制成的底覆層、由例如非摻雜InGaAsP半導(dǎo)體制成的無源波導(dǎo)芯層和由非摻雜InP制成的頂覆層形成在由例如n型InP半導(dǎo)體制成的襯底上之后，通過常規(guī)光刻工藝和RIE工藝制造輸入無源波導(dǎo)、錐形輸入波導(dǎo)、拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡和圖10所示的條形波導(dǎo)。根據(jù)本發(fā)明的實施例，優(yōu)選無源波導(dǎo)芯層具有從0.30～0.40μm范圍的厚度，且非摻雜InGaAsP半導(dǎo)體的帶隙從1.20μm到1.28μm變化。使用光纖將光束注入到所制造的拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡中，且近場圖像被安裝在拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡輸出端的IR(紅外)照相機拍攝。
如圖11A到11C所示，隨著條形長度的變化，空間多模未產(chǎn)生，可以這樣理解，雖然輸出光束穿過具有彼此不同的長度的條形波導(dǎo)，但輸出的光束沒有很大變化，因此光束輸出為基本平行的光束。
第三實施例本實施例涉及一種可調(diào)外腔激光二極管，其設(shè)置有能由于電變化或熱變化，而通過折射率的變化來改變光束方向的光反射器。為了產(chǎn)生入射到光反射器上的平行光束，雖然優(yōu)選采用第一實施例中的準(zhǔn)直透鏡或第二實施例中的準(zhǔn)直透鏡，但可以采用根據(jù)常規(guī)技術(shù)的體型準(zhǔn)直透鏡(或填充有具有不同于波導(dǎo)的折射率的預(yù)定媒質(zhì)的平凸透鏡)。在下面的描述中，將詳細(xì)描述在這些中運行質(zhì)量最優(yōu)異的設(shè)置有第二實施例的準(zhǔn)直透鏡的可調(diào)外腔激光二極管。
圖12是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的Littrow型單片集成可調(diào)外腔激光二極管光源的示意圖。
參照圖12，本可調(diào)外腔激光二極管的基本結(jié)構(gòu)包括作為具有寬的波長范圍的增益媒質(zhì)的有源波導(dǎo)501和通過對接(butt-joint)連接的無源波導(dǎo)502。并且，本可調(diào)外腔激光二極管還包括形成在無源波導(dǎo)502上的相控制部分510、在其長度方向漸細(xì)的無源波導(dǎo)502、拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡503、條形波導(dǎo)504、一對三角形光反射器505a和505b以及衍射光柵506。
在具有寬的波長范圍的增益媒質(zhì)處產(chǎn)生的光束輸出為在拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡503處具有足夠光束尺寸的平行光束，由于僅被衍射光柵506所衍射的特定單一波長被反饋回有源波導(dǎo)501，該特定單一波長輸出到有源波導(dǎo)501的前端面。此時，如果電信號施加到設(shè)置在條形區(qū)的光反射器505a和505b，光束的方向響應(yīng)于電或熱變化所導(dǎo)致的折射率的變化而通過斯涅爾定律發(fā)生改變。因此，響應(yīng)于輸入到衍射光柵506的入射角的變化而輸出的單一波長光束的波長如數(shù)學(xué)方程式2而變化。
在條形波導(dǎo)504中的光反射器505a和505b通過在條形波導(dǎo)504的預(yù)定區(qū)域中形成p/n結(jié)而實現(xiàn)。即，p/n結(jié)僅在由例如InP或GaAs等能形成條形波導(dǎo)504的化合物半導(dǎo)體所形成的條形波導(dǎo)504中的三角形部分平面地形成，因此由于響應(yīng)于施加到p/n結(jié)區(qū)的電壓或注入電流的載流子密度的變化或電-光效應(yīng)而改變了折射率。結(jié)果，當(dāng)在條形波導(dǎo)504中傳播的光束穿過p/n結(jié)區(qū)的三角形部分時，光束的折射角可以通過使用施加到p/n結(jié)區(qū)的電壓或電流而控制。此時，折射率被響應(yīng)于施加到p/n結(jié)區(qū)的電壓或電流的條形波導(dǎo)504的載流子密度的變化或例如QCSE(量子限制斯塔克效應(yīng))的電-光效應(yīng)而改變。
因此，光束可以在條形波導(dǎo)504與光反射器505a和505b的界面處被折射。在條形波導(dǎo)504由InP和InGaAsP制成的情況下，可以通過改變載流子密度到大約5×1018cm-3而將折射率最大變化0.05。因此，制造可調(diào)外腔激光二極管所需的所有元件都可以集成進(jìn)單一襯底。并且，光反射器可以被構(gòu)造為一對向前和向后的三角形。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，優(yōu)選地，由于未被拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡503反射而未變成平行光束的光束509通過反射到其上未形成衍射光柵506的區(qū)域而不反射回拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡503。這是通過使衍射光柵506的尺寸與拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡503的輸出端相等而實現(xiàn)的。
下面，將描述相應(yīng)于每個結(jié)構(gòu)部分的本半導(dǎo)體工藝的詳細(xì)制造工藝。
圖13A和13B是表明Littrow型單片集成可調(diào)外腔激光二極管光源沿圖12的線A-A’和B-B’所取的截面圖。并且，圖13C到13E是示出Littrow型單片集成可調(diào)外腔激光二極管光源沿圖12的線C-C’、D-D’和E-E’所取的截面圖。
用于制造根據(jù)本發(fā)明實施例的Littrow型單片集成可調(diào)外腔激光二極管光源的方法如下。
首先，在由例如n型或非摻雜InP半導(dǎo)體制成的底覆層511、由非摻雜InGaAsP阱/InGaAsP勢壘的多量子阱結(jié)構(gòu)構(gòu)成的有源波導(dǎo)的芯層512、和由例如p型InP半導(dǎo)體制成的覆層513依次形成在由例如n型InP半導(dǎo)體制成的襯底410上后，通過常規(guī)光刻工藝和RIE工藝，從除了有源波導(dǎo)區(qū)以外的無源波導(dǎo)區(qū)到有源波導(dǎo)的芯層進(jìn)行蝕刻。根據(jù)本發(fā)明的實施例，優(yōu)選多量子阱結(jié)構(gòu)具有從1.50μm到1.60μm范圍的帶隙。
此后，無源波導(dǎo)的非摻雜InGaAsP層521通過對接工藝生長。根據(jù)本發(fā)明的實施例，優(yōu)選無源波導(dǎo)的非摻雜InGaAsP具有1.20μm到1.28μm范圍的帶隙。接著，生長p型InP覆層513和522以及p型InGaAs歐姆接觸層514。
圖14A到14C是表示通過對接技術(shù)將有源波導(dǎo)層512連接到無源波導(dǎo)層521的工藝的截面圖。圖14A示出了構(gòu)圖工藝，圖14B示出了RIE工藝且圖14C示出了用于再生長無源波導(dǎo)層521的工藝。由于圖中示出的對接技術(shù)對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是公知的，因此此處將省略其詳細(xì)描述。
即，有源波導(dǎo)通過常規(guī)光刻、RIE工藝和濕法刻蝕工藝形成淺脊(shallowridge)型波導(dǎo)圖案，且無源波導(dǎo)形成為深脊(deep ridge)結(jié)構(gòu)。最后，形成頂電極515a和底電極515b。在頂/底電極形成過程中，光反射器524可以根據(jù)實施一起形成。
另一方面，為了減小在光反射器中的注入電流的電流泄漏，優(yōu)選在無源波導(dǎo)區(qū)中的頂覆層513的頂部和側(cè)部上形成電流阻隔層523。
圖15是示出產(chǎn)生在根據(jù)本發(fā)明實施例的光反射器處的電流泄漏的截面圖。
為了實現(xiàn)作為本發(fā)明一個特點的波長調(diào)諧，電流注入進(jìn)三角形光反射器，并通過使注入電流限制在無源波導(dǎo)的芯層521(通過頂覆層與底覆層之間的帶隙差)而改變媒質(zhì)的折射率。然而，如圖所示，當(dāng)注入電流穿過p型InP頂覆層513時，它并未被限定為沿垂直方向的直線向下，而是通過擴散分散到側(cè)面。
因此，電流僅限定在三角形光反射器中(不擴散到側(cè)面)且電流僅注入到三角形下面的無源波導(dǎo)的芯層是很重要的。然而，當(dāng)注入電流如圖所示擴散到側(cè)面時，電流泄漏增加了；折射率改變的界面可能不是直角。為了減少p型頂覆層513的注入電流擴散現(xiàn)象，優(yōu)選采用電流阻隔層。
可以使用非摻雜InP電流阻隔層、摻雜有半絕緣材料或離子注入的InP層作為電流阻隔層。
而且，優(yōu)選地，有利的是，在增加可調(diào)外腔激光二極管光源的輸出光強以減小光損耗中，無源波導(dǎo)中的芯層的頂覆層513由非摻雜InP電流阻隔層或摻雜有半絕緣材料的InP層制成。
圖16是示出通過離子注入工藝而防止電流泄漏的結(jié)構(gòu)的截面圖。
通常，本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知通過大大增加p型覆層電阻而防止在p型覆層中的電流擴散的方法，其中增加p型覆層電阻是通過將例如氫或氧等注入進(jìn)p型覆層而實現(xiàn)的。在此方法中，在電流注入的區(qū)域通過覆蓋光致抗蝕劑圖案而防止離子注入之后，如果離子由離子注入機注入，具有高電阻的電流阻隔層形成在除了電流注入?yún)^(qū)之外的頂覆層上。此時，離子注入穿進(jìn)襯底的深度可以通過改變離子注入機的加速能量而控制。
圖17A到17C是代表通過生長非摻雜InP層或半絕緣InP層而防止電流泄漏的結(jié)構(gòu)的截面圖。這些是通過進(jìn)行常規(guī)光刻(圖17A所示)、RIE工藝(圖17B所示)和再生長工藝(圖17C所示)而實現(xiàn)的。
圖18是示出在根據(jù)本發(fā)明的實施例而制造的Littrow型單片集成可調(diào)外腔激光二極管中響應(yīng)于光反射器的注入電流的波長可調(diào)特性的曲線圖。并且，圖19是示出在根據(jù)本發(fā)明的實施例而制造的Littrow型單片集成可調(diào)外腔激光二極管中響應(yīng)于相控制部分注入電流的連續(xù)波長可調(diào)特性的曲線圖。
首先，參照圖18，示出了在本發(fā)明提出的Littrow型單片集成可調(diào)外腔激光二極管中單一波長響應(yīng)于光反射器505a和505b的注入電流的變化而變化。
并且，參照圖19，示出了波長可以在大約0.05nm的準(zhǔn)連續(xù)范圍內(nèi)響應(yīng)于在相移部分中的注入電流的變化而調(diào)節(jié)，而有源波導(dǎo)501的注入電流和光反射器505a和505b的注入電流是固定的。并且，振蕩波長具有40dB的SMSR(邊模抑制比，side mode suppression ratio)，展示出非常優(yōu)異的特性。
上述本發(fā)明實施例的有源波導(dǎo)的芯層可能采用InGaAs體結(jié)構(gòu)。并且，也可能上述本發(fā)明實施例的無源波導(dǎo)的芯層采用具有InGaAsP阱/InGaAsP勢壘的多量子阱結(jié)構(gòu)。
圖20是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的Littman-Metcalf型單片集成可調(diào)外腔激光二極管光源的示意圖，其中圖12和圖20的相似的參考標(biāo)號代表同樣的結(jié)構(gòu)和同樣的功能。雖然整個制造方法或結(jié)構(gòu)以及運行原理與圖12中的類似，但此實施例的特征在于其包括由RIE工藝蝕刻的反射鏡531。此時，通過僅將垂直輸入到蝕刻的反射鏡的光束反饋回衍射光柵506，僅特定單一波長振蕩。
然而，由RIE蝕刻的截面發(fā)揮著反射鏡的作用，且由于光束沿垂直方向輸入，不滿足全反射條件，因反射鏡所導(dǎo)致的光的損耗變得較大。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，在改進(jìn)輸出特性的過程中，優(yōu)選例如Al、Au、Ag、Pt等展示高反射率的材料淀積在由RIE工藝蝕刻的截面圖上，或者通過淀積介電薄膜增加具有約90％的高反射率的薄膜。
第四實施例本實施例涉及一種能制造可調(diào)外腔激光二極管結(jié)構(gòu)的可調(diào)外腔激光二極管，其中可調(diào)激光二極管結(jié)構(gòu)通過使用抗反射層514a和514b分別形成增益媒質(zhì)部分和可調(diào)部分而集成。
圖21是代表根據(jù)本發(fā)明實施例的Littrow型混合集成可調(diào)外腔激光二極管光源的示意圖。應(yīng)該注意，圖12和圖21的相似的參考標(biāo)號代表同樣的結(jié)構(gòu)和同樣的功能。
參照圖21，應(yīng)該注意，增益媒質(zhì)部分和可調(diào)部分通過抗反射層514a和514b而單獨制造。具體地，在兩部分，例如其上集成有有源波導(dǎo)501和拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡503的第一部分以及其上形成有條形波導(dǎo)504、光反射器505a、505b和衍射光柵506的第二部分制造之后，可以實現(xiàn)混合集成的可調(diào)外腔激光二極管?；旌霞傻目烧{(diào)外腔激光二極管具有可以由具有優(yōu)異的增益媒質(zhì)的材料和具有優(yōu)異的可調(diào)特性的材料單獨制造的優(yōu)點，因為它可以單獨制造成為增益媒質(zhì)部分和可調(diào)部分。
圖22是描述根據(jù)本發(fā)明實施例的Littman-Metcalf型混合集成可調(diào)外腔激光二極管光源的示意圖。因此，本實施例具有與圖20所示的類似的結(jié)構(gòu)。
另一方面，增益媒質(zhì)、相移部分和準(zhǔn)直透鏡集成為一體的第一區(qū)，且條形波導(dǎo)、光反射器和衍射光柵集成為一體的第二區(qū)。而且，增益媒質(zhì)、相移部分和準(zhǔn)直透鏡集成到第一區(qū)中，且條形波導(dǎo)、光反射器、反射鏡和衍射光柵集成到一體的第二區(qū)中。
雖然參照某些實施例和附圖描述了本發(fā)明，但其不局限于此，而且本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，在不脫離權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)，可以進(jìn)行各種變化和改進(jìn)。
例如，在上述第一和第四實施例中所述的襯底可以采用InP基半導(dǎo)體和例如GaAs基半導(dǎo)體、Si基半導(dǎo)體、LiNbO3基半導(dǎo)體等的材料。有源波導(dǎo)的截面結(jié)構(gòu)可以采用PBH(平面掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)，planar buried hetero-structure)或BRS(掩埋脊條，buried ridge stripe)結(jié)構(gòu)代替淺脊結(jié)構(gòu)。并且，有源波導(dǎo)可以采用InP基半導(dǎo)體和例如摻雜有例如鉺的稀土原子的GaAs基半導(dǎo)體、GaN基半導(dǎo)體、Si基半導(dǎo)體，摻雜有稀土原子的聚合物等各種媒質(zhì)。并且，襯底或無源波導(dǎo)可以采用InP基半導(dǎo)體和例如GaAs基半導(dǎo)體、GaN基半導(dǎo)體、Si基半導(dǎo)體、聚合物、鈮酸鋰(LiNbO3)等各種媒質(zhì)。
另一方面，如果具有一定大小電阻的金屬例如鎢用作光反射器的頂電極，則注入電流所導(dǎo)致的熱效應(yīng)會改變折射率。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，通過將增益媒質(zhì)和拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡集成為一體，本可調(diào)外腔激光二極管具有這樣的效果，它允許高速進(jìn)行波長調(diào)節(jié)，從而改善了要求連續(xù)波長調(diào)節(jié)特性而不產(chǎn)生模式跳變的波長復(fù)用系統(tǒng)的性能。
而且，通過沒有機械設(shè)備而進(jìn)行振蕩波長的變化，本發(fā)明改進(jìn)了耐用性并節(jié)省了制造成本。
本申請包括涉及2005年5月31日在韓國專利局提交的韓國專利申請第2005-46155號的主題，其全部內(nèi)容引用在此處作為參考。
雖然結(jié)合某些優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，在不脫離權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)，可以進(jìn)行各種變化和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡，包括輸入波導(dǎo)，接收來自外部的光束；和拋物柱面波導(dǎo)，將從所述輸入波導(dǎo)傳送的光束校正為平行光，其中所述輸入波導(dǎo)的末端和拋物柱面波導(dǎo)的輸入端設(shè)置于所述拋物柱面波導(dǎo)的焦點，且拋物柱面波導(dǎo)的輸入端寬度大約是從所述拋物面波導(dǎo)的頂點到焦點的距離的4倍。
2.如權(quán)利要求1所述的拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡，其中所述輸入波導(dǎo)包括寬度變得減小的錐形，該錐形作為連接到所述拋物柱面波導(dǎo)的部分，在接觸所述拋物柱面波導(dǎo)的點具有最小寬度。
3.如權(quán)利要求1所述的拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡，其中所述輸入波導(dǎo)和拋物柱面波導(dǎo)通過半導(dǎo)體堆疊工藝形成為具有預(yù)定厚度的薄膜形狀。
4.一種可調(diào)外腔激光二極管，包括準(zhǔn)直透鏡，用于將發(fā)散的光束校正為平行光束；條形波導(dǎo)，所述平行光束通過其傳播；光反射器，通過響應(yīng)于外部電信號改變位于通過條形波導(dǎo)傳播的平行光束的傳播通路上的媒質(zhì)的折射率而改變所述平行光束的傳播方向；和衍射光柵，衍射穿過所述光反射器的平行光束。
5.如權(quán)利要求4所述的可調(diào)外腔激光二極管，還包括反射鏡，反饋被所述衍射光柵所衍射的平行光束。
6.如權(quán)利要求4所述的可調(diào)外腔激光二極管，其中所述光反射器是形成在無源波導(dǎo)表面上的p/n結(jié)區(qū)，以通過從外部接收電壓或電流將電子注入到所述無源波導(dǎo)中而改變折射率。
7.如權(quán)利要求4所述的可調(diào)外腔激光二極管，其中所述條形波導(dǎo)包括至少一個折射率變化界面，其響應(yīng)于所述光反射器的運行而相對于平行光束的傳播方向傾斜預(yù)定角度。
8.如權(quán)利要求4所述的可調(diào)外腔激光二極管，其中所述光反射器設(shè)置有一對向前和向后方向的三角形。
9.如權(quán)利要求4所述的可調(diào)外腔激光二極管，其中所述準(zhǔn)直透鏡包括輸入波導(dǎo)，接收來自外部的光；和拋物柱面波導(dǎo)，把從所述輸入波導(dǎo)傳送來的光束校正為平行光，其中所述輸入波導(dǎo)的末端和拋物柱面波導(dǎo)的輸入端位于所述拋物柱面波導(dǎo)的焦點，且所述拋物柱面波導(dǎo)輸入端的寬度大約是從拋物面波導(dǎo)的頂點到焦點的距離的4倍。
10.如權(quán)利要求9所述的可調(diào)外腔激光二極管，其中所述輸入波導(dǎo)包括寬度變得減小的錐形，該錐形作為連接到拋物柱面波導(dǎo)的部分，在接觸所述拋物柱面波導(dǎo)的點具有最小寬度。
11.如權(quán)利要求4所述的可調(diào)外腔激光二極管，其中所述準(zhǔn)直透鏡保持體狀態(tài)或者由填充有具有不同于所述無源波導(dǎo)的折射率的媒質(zhì)的凸透鏡制成。
12.如權(quán)利要求4所述的可調(diào)外腔激光二極管，其中用于所述衍射光柵的、來自所述準(zhǔn)直透鏡的發(fā)射表面的突出表面在尺寸上基本上等于準(zhǔn)直透鏡發(fā)射表面。
13.如權(quán)利要求4所述的可調(diào)外腔激光二極管，其中所述準(zhǔn)直透鏡和所述條形波導(dǎo)以預(yù)定距離分開。
14.如權(quán)利要求13所述的可調(diào)外腔激光二極管，其中所述準(zhǔn)直透鏡和所述無源波導(dǎo)獨立制造，使得穿過所述準(zhǔn)直透鏡和所述無源波導(dǎo)的光束穿過不同媒質(zhì)。
15.如權(quán)利要求13所述的可調(diào)外腔激光二極管，其中所述準(zhǔn)直透鏡的輸出面和所述條形波導(dǎo)的輸入面淀積有抗反射膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體基的拋物柱面波導(dǎo)型準(zhǔn)直透鏡和單片集成型可調(diào)外腔激光二極管光源。單片集成型可調(diào)外腔激光二極管光源包括用于產(chǎn)生光信號增益的增益媒質(zhì)、用于把發(fā)散光束校正為平行光束的準(zhǔn)直透鏡、平行光束通過其傳播的無源波導(dǎo)、通過響應(yīng)于外部電信號改變位于通過條形波導(dǎo)傳播的平行光束的傳播通路上的媒質(zhì)的折射率而改變所述平行光束的傳播方向的光反射器，其中這些部分集成在一個由InP基半導(dǎo)體和例如GaAs基半導(dǎo)體、Si基半導(dǎo)體、LiNbO
文檔編號H01S5/14GK1874093SQ20051013161
公開日2006年12月6日 申請日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月31日
發(fā)明者金鉉洙, 沈恩德 申請人:韓國電子通信研究院