高smsr單向蝕刻雷射器和低背反射光子器件的製作方法

2023-06-24 09:41:36 2

專利名稱：：高smsr單向蝕刻雷射器和低背反射光子器件的製作方法
技術領域：
：本發明一般涉及用於從蝕刻的雷射腔提供單向發射並用於從光子器件提供低背反射的方法和裝置，尤其涉及與雷射輸出耦合的光子器件。特別是，本發明涉及具有蝕刻間隙的V形雷射器和三角環形雷射器，以通過提供高邊模抑制來控制雷射輸出處發射的單向性，並涉及布儒斯特角或其附近的蝕刻小面的使用，以最小化光子器件中的背反射。
背景技術：
：當前單體集成技術的發展已允許製造各種幾何形態的雷射器，包括V形雷射器和三角環形雷射器，如1991年9月16日的AppliedPhysicsLetters，59，pp.1395-97中所描述的。這些發展擴展了集成半導體雷射器的應用並提升了對更高製造能力和更低成本的吸引力。該技術使得有機會開發能組合在雷射腔之內和之外的新型部件。2002年8月23日提交並轉讓給本受讓人的共同待批的美國專利申請No.10/226076「WavelengthSelectableDevice」(結合在此作為參考)揭示了單體結構，其通過器件幾何形態的合適選擇防止來自諸如電吸附調製器(EAM)的元件的入口小面的背反射進入用作元件光源的雷射腔。在這種配置中，單向發射的雷射器是期望的，以便最大化進入EAM或其它這種元件的雷射的耦合。如已知的，環形腔雷射器具有Fabry-Perot腔所沒有的好處；例如，環形腔能產生比用Fabry-Perot腔所能獲得的更高光譜純度的雷射活動。現有技術以及2001年8月1日提交的共同待批的美國專利申請No.09/918544「CurvedWaveguideRingLasers」現在的2004年1月20日出版的美國專利No.6680961(轉讓給本發明的受讓人，且其內容結合在此作為參考)已揭示了單體三角環形雷射器以及其它類型的環形雷射器和它們的集成耦合。此外，現有技術中還描述了環形雷射器中的單向特性。在過去幾年，主要由於網際網路的普及，對帶寬的需求呈爆炸式增長。傳輸設備公司及其供應商通過安裝波分復用(WDM)系統來解決該問題，該系統允許多個波長的雷射通過單股光纖傳輸。WDM系統中使用的雷射腔的主要要求之一是雷射源具有光譜純度，結果是雷射腔的多數功率必須被集中在較窄的波長範圍內。雷射源具有許多可能的縱模，且儘管它具有在導致最大增益的一個縱模下操作的趨勢，但也部分放大某些其它模，使其生成不同波長中的光輻射並降低其光譜純度。1984年6月的IEEEJournalofquantumElectronics，Vol.QE-20，No.6，pp.659-670中LarryA.Coldren和T.L.Koch的「AnalysisandDesignofCoupled-CavityLasers-Part1ThresholdGainAnalysisandDesignGuidelines」提出了用於用駐波操作的Fabry-Perot雷射腔的光譜特性改善的間隙的使用。如所描述的，在兩個劈開的小面之間引入間隙以實現不同腔之間的耦合，從而根據腔和間隙的長度改善模區分。然而，由於構建精確定位的劈開小面的固有困難以及將兩個劈開小面設置成彼此接近來形成間隙所涉及的容差，不能實現這些雷射器的大規模製造。LarryA.Coldren等人的「EtchedMirrorandGrooveCoupledGaInAsP/InPLaserDevicesforIntegratedOptics」IEEEJournalofQuantumElectronics，Vol.QE-18，No.10，pp.1679-1688，1982年10月中呈現了蝕刻反射鏡和凹槽耦合器件。但是，在反射性上不等效於劈開小面的這些蝕刻小面和這些器件的蝕刻型式沒有它們的劈開對應物那樣有效。美國專利4851368教授了一種方法，它允許製造蝕刻的雷射器小面，其在反射性上等效於劈開小面。
發明內容本發明涉及一種新穎的技術，用於基於在雷射器中提供一個或多個蝕刻間隙獲得諸如環形雷射器和V形雷射器中的半導體光子器件的單向性，尤其涉及這種一個或多個間隙相對於環形雷射器中的輸出小面或者相對於V形雷射器中的支架長度的位置。此外，本發明涉及具有至少一個蝕刻間隙以增強邊模抑制率(SMSR)的半導體雷射器的形成；所述邊模抑制率即所述雷射器中主雷射波長和旁瓣的功率之間的差。此外，本發明涉及使用布儒斯特角或其附近的諸如光放大器、電吸收調製器等的光子器件上形成的小面來防止這種器件中的背反射。在本發明的較佳形式中，通過在雷射腔或波導中形成至少一個氣隙來增強半導體雷射器的單向性，且每個間隙由分開的小面限定以提升腔中的邊模抑制率。例如，通過蝕刻通過基片表面上集成地製造的脊型環或V形雷射器的腔來提供間隙。可以在雷射腔的任一個支架中蝕刻一個或一些間隙，並可將其蝕刻成與雷射器軸線成90°，或者可以蝕刻成與該軸線成一角度。在後一種情況中，間隙可按分離對被蝕刻，其中間隙之間的波導分段被偏移以補償蝕刻小面處的折射。在本發明的另一種形式中，當雷射器輸出耦合到光子器件時，通過在光子器件的遠端處以布儒斯特角提供小面來最小化背反射。本發明的前述和其它目的、特點和優點將通過其較佳實施例的以下詳細描述以及附圖而變得顯而易見，其中圖1是設置成防止背反射幹擾雷射器運作的耦合單體結構的示意圖；圖2是根據本發明的具有兩個深蝕刻間隙區域的三角環形雷射腔雷射器的示意圖；圖3說明了圖2的三角環形雷射器的測得的光譜；圖4是圖2環形雷射器的單向性特性的圖示；圖5(a)到5(f)示出了根據本發明的具有蝕刻間隙的三角環形腔的基本配置；圖6(a)和6(b)示出了由(a)平角小面氣隙和(b)有角度小面氣隙分開的雙氣隙；以及圖7(a)和7(b)示出了(a)沒有氣隙和(b)有氣隙的DBR反射器的V形腔。具體實施例方式圖1說明了具有支架12、14和16的單體、單向的三角環形雷射腔10形式的光子器件，其中支架12和16在出口小面18處結合。通過提供外部反射鏡20，在雷射器10中獲得單向性，該反射鏡20將雷射器中傳播並在出口小面18處發射的順時針方向的光22反射回雷射器，以增強逆時針方向的光24。光24的一部分在小面18處作為光束26發射，其耦合入另一個光子器件28，諸如半導體光放大器(SOA)、電吸收調製器(EAM)等等。在所示結構中，器件28是V形EAM，它包括輸出小面34處各自第一端結合的第一和第二支架30和32，其中支架30的第二端具有設置成接收發射光束26的入口小面36，且支架32的第二端在小面38處的其末端或遠端處終止，其處於布儒斯特角，以使反射率最小。如上述申請No.10/226076中所述，通過將輸入小面36定位成將光束26耦合入支架30同時確保從小面36反射的任何光40都反饋不耦合至雷射器10，可以減小來自諸如光子器件28的外部器件的不期望的背反射。這樣，器件28相對於雷射器10的幾何形態最小化反饋耦合；但是，這減少了可耦合入器件28的光量。為了最大化從雷射器到調製器的光耦，可使用直接耦合，其中器件28的輸入小面直接影響雷射器的性能，例如通過增加反射率。根據本發明的一個方面，通過在布儒斯特角或其附近器件28的最末遠端處提供小面38，最小化從諸如EAM28的光子元件到雷射器的背反射。採用這種結構，耦合入器件28的光42在支架30中傳播並在臨界角以下擊向小面34，以便發射輸出光束44。光46(小面34處內部反射的光42的一部分)在支架32中傳播，擊向小面38，並作為光束48被發射而不是被內部反射回。這樣，不作為輸出光束44發送的器件28中的光將不會反射回雷射器10，這將防止在雷射器中產生過量啁啾。為了完整地討論調製器小面引起的雷射器啁啾，例如參見D.Marcuse的「DFBlaserwithattachedexternalintensitymodulator」IEEEJournalofQuantumElectronics，Volume26，Issue2，Pages262-269，1990年2月。儘管圖1所述的雷射器是現有技術的單向環形雷射器10，但可理解，具有布儒斯特角或其附近的小面38的光子器件28可以與各種其它類型的雷射器耦合。還可理解，入口小面36可以垂直入射，以直接耦合器件28到雷射器。本發明的另一個方面在圖2中示出，其中至少一個間隙設置於環形雷射腔60中，且其中通過改善其邊模抑制率(SMSR)及其單向性，這種間隙的尺寸以及構成腔的雷射腔元件的長度確定雷射腔的光譜特性。在所示實施例中，環形雷射腔60是三角形的，包括小面68、70和72處結合的支架62、64和66。小面68和70完全內部反射，而小面72是發射逆方向旋轉的光束74和76的出口小面。在所示實施例中，兩個深間隙78和80被完全蝕刻通過支架62，其中每一個都具有間隙長度LG。小面72和間隙78之間的支架62的分段長度表示為LA；間隙78和間隙80之間的支架62的分段長度表示為LT；且間隙80和小面68之間的支架62的分段長度表示為LB1。支架64和66的長度表示為LB2和LB3，所以總長度LB或者光學腔的周長為LB＝LA+LT+LB1+LB2+LB3+2LG選定支架62和66之間的角度，以使輸出小面72具有小於臨界角的角度，且由於支架62中的間隙78和80，逆時針方向(左)的輸出光束74強於順時針方向(右)的輸出光束76。可以理解，輸出光束74被引導到諸如圖1的EAM28的合適光子器件。間隙78和80的尺寸以及形成環形雷射腔60的各支架元件的長度確定雷射器的光譜特性。通過添加單間隙，諸如間隙78，雷射腔60被分成通過空氣界面耦合的兩個腔。使用由中間腔部分LT分開的兩個間隙78和80將雷射腔分成三個腔LA，LT以及LB1、LB2和LB3的組合，它們由間隙連續耦合。圖3中說明了這種器件的光譜效率的實例。在本發明的一種形式中，三角環形雷射腔60是磷化銦(InP)基片90上製造的單體脊形波導結構，具有350μm的總長LB。按已知方式將腔適當偏置，以生成將在箭頭92表示的順時針方向上和箭頭94表示的逆時針方向上傳播的光。環形雷射腔的支架62和66在小面72處以角度96會合，該角度96被選擇成為腔中傳播的光產生約12°的入射角。為了形成來自雷射腔的高邊模抑制輸出，以及單向性特性，在腔的至少一個支架中設置至少一個氣隙。在所示實施例中，例如藉助光刻法和蝕刻，將兩個氣隙蝕刻通過腔支架62，每個間隙約3μm寬，其中間隙由約17.5μm的腔部分LT分開。這些蝕刻間隙形成腔部分之間的幹擾，這會導致雷射腔中一個縱模的振蕩。這形成約38dB的邊模抑制率(SMSR)，如圖3中的曲線100所示，圖3是形成輸出左光束74的逆時針方向傳播的光的測量譜。蝕刻間隙導致來自腔的光的基本單向發射。如圖4的圖表102所示，左光束74的光的強度約是右光束76的光的強度的5倍。雷射腔的總長LB可以廣泛變化並優選在約10μm和10000μm之間。此外，可以改變間隙的數量，優選在1到10個間隙之間，設置於沿環形雷射腔的長度的任何位置。每個間隙的長度優選在約0.001μm和約10μm之間並延伸完全通過腔。圖5(a)到5(f)示出了具有蝕刻間隙的環形雷射腔的幾種可能配置的實例。在這些實例中，使用兩個間隙，儘管可理解也可如上所述地提供更少或更多的間隙。圖5(a)中，三角環形雷射腔120結合了左手腔分段或支架126中的兩個間隙122和124，圖5(b)中，間隙122和124設置於雷射腔120的底部腔分段或支架128中，且圖5(c)中，間隙122和124設置於雷射腔120的右手腔分段130中。圖5(c)到5(f)示出了使用雷射器出口小面附近設置的諸如布拉格反射器(DBR)的外部光子元件的雷射腔配置。圖5(d)中，雷射器120結合了左手分段126中的間隙122和124，並包括與臂126對準的DBR元件140，用於反射環形雷射器120的出口小面140發出的順時針方向(右)光束142。在這種情況中，DBR器件被定位用於反射入最接近間隙的臂，並增強單向性。圖5(e)中，DBR器件140被定位用於反射入離蝕刻間隙最遠的臂，因此與臂130對準以便反射從小面144作為光束146發射的逆時針方向的光。在這種情況下，通過這種結構增強SMSR。圖5(f)示出了一實施例，其中當間隙122和124被設置於中心臂128中時，DBR140被定位用於反射入臂126或臂130。該結構是增加的SMSR和單向性之間的折衷。也可以提供其它配置，如通過在左和右臂兩者中結合間隙，具有或沒有DBR器件。諸如圖2中的78和80以及圖5(a)-5(f)中的122和124的蝕刻間隙可以在它們所處的雷射腔的製造期間形成，或者可以通過在腔形成前蝕刻基片或者通過在腔製成後蝕刻腔而分開製造。這種蝕刻使用常規光刻技術進行，用於定位間隙和選擇它們的寬度。如圖6(a)和6(b)所示，間隙的端部由蝕刻過程在雷射腔中形成的小面限定。因此，例如，在圖6(a)的實施例中，通過蝕刻掉雷射腔或波導154的一些部分並在間隙150的端部156和158以及間隙152的端部160和162處形成波導中的小面，製成第一和第二間隙150和152。在本發明的較佳形式中，這些小面是平面的；即相對于波導的軸線164成90°。在圖6(b)的實施例中，在間隙處形成有角度的小面，在這種情況中，將鄰接波導分段偏移以補償雷射腔和氣隙的界面處的光折射。在所示實施例中，兩個氣隙170和172設置于波導174中，這些氣隙將波導分成分段176、178和180。氣隙170的端部分別由分段176和178中的平行的有角度小面182和184形成，而氣隙172的端部分別由分段178和189中的平行的有角度小面186和188形成。小面182和184在與小面186和188相反的方向上形成角度，且間隙之間的波導分段178的中心線偏離波導174的中心線190，以便在光貫穿小面進入氣隙隨後返回入波導時補償光折射。偏移距離d與小面相對於中心線的角度有關並與氣隙的長度1有關。有角度的小面增加了單向環形雷射器的效率，並通過抑制雷射腔中傳播的行波上的反射波改善了期望的輸出光束(圖2中的左光束)相對於被抑制的輸出光束(圖2中的右光束)的強度。雖然圖6(b)中示出了兩個間隙，但可以理解，可以提供不同數量的間隙。此外可以理解，可以在雷射器製造過程中光刻形成腔分段相對於腔中心線的偏移。本發明的另一個實施例在圖7(a)和7(b)中示出，其中相對於圖1-6討論的環形雷射器由V形雷射腔200代替。圖7(a)的雷射腔結合了基片上形成的以角度206彼此相對的和在出口小面208處相交的第一和第二支架202和204，光從出口小面208出發出。通過支架202和204的相對長度建立雷射腔的單向性。DBR反射器210和212可分別設置於支架202和204的自由端處，以減少閾值電流並提供改進性能。如圖7(b)所示，通過在構成腔的相交支架222和224之一中結合至少一個氣隙來增強V形雷射腔220中的單向性。在該實施例中，支架222中設置了兩個分開的氣隙226和228，這些間隙增加了腔中的SMSR以便在輸出小面230處提供改善的單向性。如圖所示，該實施例還可分別在支架222和224的自由端處採用DBR反射器232和234，以改善其性能。本發明的氣隙結構用於在將環形腔或V形腔雷射器耦合到另一個光子元件(諸如圖1所示的EAM器件)時顯著降低或防止背反射。藉助於光子元件中布儒斯特角的使用(如圖1中EAM遠端處)，進一步減少背反射。儘管根據較佳實施例說明了本發明，但可以理解，可以進行變型和修改而不背離所附權利要求書中闡述的其真實精神和範圍。權利要求1.一種半導體雷射器，其特徵在於，包括半導體雷射腔，具有至少一分段和至少一輸出；至少一個蝕刻間隙，它位於所述至少一分段中；以及至少一個分布布拉格反射器(DBR)，它位於所述至少一個輸出處。2.如權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，所述雷射腔的總長度在約10μm和約10000μm之間。3.如權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，所述至少一個蝕刻間隙的長度在約0.001μm和約10μm之間。4.如權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，進一步包括與所述雷射腔的所述至少一個輸出相連的至少一個光子器件。5.如權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，所述雷射腔是環形雷射器。6.如權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，雷射器是V形雷射器。7.一種半導體雷射器，其特徵在於，包括半導體雷射腔，它具有至少一分段以及至少一輸出；至少一個蝕刻間隙，它位於雷射腔的至少一分段中；至少一個光子器件，它與所述雷射腔的所述至少一個輸出相連；以及所述光子器件的一端處布儒斯特角或其附近的至少一個蝕刻小面。8.如權利要求7所述的雷射器，其特徵在於，所述雷射腔的總長度在約10μm和約10000μm之間。9.如權利要求7所述的雷射器，其特徵在於，所述至少一個蝕刻間隙的長度在約0.001μm和約10μm之間。10.一種半導體光子器件，其特徵在於，包括具有至少一分段的腔；以及所述至少一分段的一端處布儒斯特角或其附近的至少一蝕刻小面。11.如權利要求10所述的光子器件，其特徵在於，所述腔包括入口小面和出口小面。12.如權利要求10所述的光子器件，其特徵在於，所述入口小面直接耦合到另一個光子器件。13.如權利要求10所述的光子器件，其特徵在於，所述光子器件是V形結構，且其中所述至少一個分段包括第一和第二支架。14.如權利要求13所述的光子器件，其特徵在於，布儒斯特角或其附近的所述蝕刻小面位於所述V形結構的所述第一支架的端部。15.如權利要求14所述的光子器件，其特徵在於，所述第一和第二支架在相應端部處結合，以形成所述V形結構，其中出口小面位於所述第一和第二支架的接合部處。16.如權利要求15所述的光子器件，其特徵在於，進一步包括所述V形結構的所述第二支架的自由端處的入口小面。全文摘要通過在雷射腔中形成一個或多個蝕刻間隙(78、80)增強雷射器的單向性。這些間隙可以設置於雷射器的任何分段中，諸如環形雷射器的任何支架，或者V形雷射器(60)的一個支架(62)中。與雷射器耦合的光子器件遠端處的布儒斯特角小面降低了進入雷射腔的背反射。分布布拉格反射器在雷射器的輸出處用於增強雷射器的邊模抑制率。文檔編號H01S3/08GK1795591SQ200480007097公開日2006年6月28日申請日期2004年3月18日優先權日2003年3月19日發明者A·A·貝法爾,小A·T·施雷默爾,C·B·斯塔蓋瑞斯庫申請人:賓奧普迪克斯股份有限公司