TWI289959B - Semiconductor laser - Google Patents

Description

1289959 五、發明說明（3) 核心半寬度之奇數倍。在抗共振反射式波導中僅只基 本模式（mode)在波導核心中具有高的振幅，而在較高 等級的模式還在波導外部區域中具有高的振幅。因此 更高等級模式有效地衰減。以此種配置而產生半導體 雷射其波導核心具有4至8微米m)之寬度。此以所 熟知的半導體雷射所產生之雷射射線之擴散是在側面 方向之4°至8°的區域中。 此所熟知的半導體雷射之缺點爲在垂直方向中從30 °至40°之仍然非常高的擴散。此垂直方向因此被理 解爲所塗佈層磊晶成長之方向。由於此由30°至40° 之高的半値寬度，此非常昂貴的光學裝置只可使用此 由半導體雷射所發射光之80%至90%。 由D. Botez在1999年之應用物理學報74卷3102 至 3104 頁所發表之論文"Design Considerations and analytical approximations for high continuous-wave power，broad waveguide diode laser··而爲熟知 ^ 此光 線擴散可以藉由將波導核心加寬與減少波導核心與相 鄰反射層之折射率之差異而減少。然而’此波導核心 之加寬會造成，經由此波導核心不由傳導基本模式’ 並且在雷射臨界的情況下會達成另外更高模式之傳導 。因此造成雷射射線品質之急劇惡化。此波導核心之 厚度因此在實際上被限制於小於2 // m(微米）。此相對 應於在垂直方向中之射線擴散大於30°之半寬度。還 1289959 五、發明說明（4 ) 有欲減少波導核心與反射層之間折射率之差異在實際 上難以執行。爲了獲得具有半値寬度<2 0。之射線擴散 ’而須要非常高的技術費用來調整非常小折射率差異。 由此習知技術而產生本發明目的之基礎，其說明一 種可容易製成之單模式半導體雷射，其具有光線小的 垂直擴散。 此根據本發明之目的以此方式達成，此波導外部區 域、反射區域與波導核心形成在基板上塗佈之層序列 ，其具有埋入於波導核心中之主動層。 爲了進一步地提高光學輸出功率與改善射線品質， 而在根據本發明之半導體雷射中須選擇層序列，使得 在垂直方向中形成抗共振反射式波導。根據本發明此 被波導核心、反射層區域與外部波導區域各由層所形 成。因此波導核心可以具有大於2微米（// m)之厚度。 因此可以將光線之垂直擴散在基本上減少。尤是具有 3微米厚度之波導核心，在800奈米（nm)的波長範圍 中具有大約18°之完全半値寬度之光線垂直擴散。 此外，藉由波導核心大的厚度，而將光學輸出功率 分配在較大的橫截面上，因此晶體表面之熱負載下降 ，並且可以獲得較高之光學輸出功率。 在根據本發明之半導體雷射中，各個層之間之折射 率差異應選擇高，使得可以有大的製造公差，此外， 此波導核心具有小的折射率，因此通常由具有較大能 1289959 五、發明說明（5) 量缺口之半導體材料所構成，而產生帶電粒子較佳之 攙入，以及減少在晶體表面上藉由加熱之吸收。 本發明其他有利的配置是申請專利範圍附屬項之標 的。 以下是本發明根據圖式作進一步說明。 圖式之簡單說明 第1圖是經由根據本發明半導體雷射之層序列之橫 截面。 第2圖是顯示經由層序列之折射率曲線之圖式。 第3圖是具有基本模式光學強度之曲線之圖式，其 中配置折射率曲線。 第4圖是具有由半導體雷射所發出雷射光之遠距場 強度之曲線之圖式。 第5圖是具有較高等級模式之光強度曲線之圖式， 其中配置折射率曲線。 第1圖顯示經由半導體雷射之橫截面，此基板1具 有折射率爲ηι而由結晶之半導體材料所構成。在基板 1上是具有折射率n2與厚度d2之第一外部波導層2。 此外部波導層2附加配置具有折射率n3與厚度d3之 第一反射層3，在其上連接附加具有折射率n4與厚度 d4之內部波導層4，具有折射率n5與厚度d5之發射光 子主動層5，以及第二內部波導層6。在繼續的順序中 是具有折射率n7與厚度d7之反射層7，具有折射率n8 1289959 五、發明說明（6) 與厚度d8之第二外部波導層8，以及具有折射率η9之 接觸層9。此等層共同形成抗共振式波導10，其中由 內部波導層4與6形成波導核心1 1而將主動層5埋 入。 在第2圖中說明折射率分佈1 2之可能曲線。在實際 上所使用此兩個折射率位準之過渡絕不是變化無常地 進行，而是可以具有斜波形之連續曲線。在基本上用 於抗共振反射式波導1 1之功能是，此等反射層3與7 之折射率n3與n7是大於外部反射層2與8之折射率 n2與n8，以及內部波導層4與6之折射率n4與n6。 因此，此外部邊界層2與8，反射層3與7，以及內部 波導層4與6之折射率可以各自相等。此相等還可以 適用於各自的層厚度，因此產生對於主動層5幾乎對 稱之層序列。 此外，此第一外部與內部波導層2與4之折射率n2 與n4，以及第二內部與外部之波導層6與8之折射率 n6與η8還可以幾乎相等。 須選擇反射層3與7之厚度，使得它形成此在垂直 方向中所投影之基本模式波長之大約四分之一之奇數 倍。若將此等反射層各自成串而作爲Fabry-Perot腔 ，其對應於抗共振腔。通常必須選擇中間邊界層3與 7之厚度d3與d7，使得基本模式之射線損耗爲最小， 此外，此基本模式之光學最大強度應該沿著主動層5 1289959 五、發明說明（8) 之AU.5Gao.5As所構成。最後對於此未摻雜17奈米 (nm)厚的主動層5是使用具有折射率n5 = 3.61之 GaAs〇.5P〇.2 所構成。 第3圖顯示基本模式13之光學強度之所計算出之曲 線，其中配上折射率分佈1 2之曲線。此在第2圖中所 說明之折射率分佈1 2是作爲用於基本模式1 3之抗共 振反射式光學波導，其中反射層3與7之0.5微米（//m) 之厚度是大約對應於此在波導核心1 1中所投射雷射光 波長之四分之三。此基本模式1 3之射線損失大約是 1 /cm 〇 在第4圖說明基本模式1 3之遠距場強度1 4之所計 算出之曲線。此由第4圖之圖式因此顯示雷射射線之 強度分佈爲垂直角度之函數。此雷射射線之完全半寬 度是18.6°。因此，此垂直光線之擴散只是傳統半導 體雷射之垂直光線擴散之大約一半。 第5圖顯示較高等級模式5之光學強度之所計算出 之曲線，其中配置所說明之折射率分佈1 2曲線。如同 在外部波導層2與8中之最大強度上可以看出，比較 高等級之模式1 5在反射層3與7上沒有產生抗共振反 射，藉由此較高等級之模式15在基板1與接觸層9中 之擴展’此較高等級之模式15相較於基本模式13具 有較高的損耗。此較高等級之模式1 5之射線損耗爲 6 0 0 / c m 〇 -10· 1289959 五、發明說明（9) 在本實施例中主動層5是由壓緊之Ga A sP量子膜所 構成，其發出橫向磁場偏極化之光。此主動層5通常 可以由一或多個組成成份爲XY之量子膜所構成，其 中X爲由元素Al、In與Ga所構成之組之至少一個元 素，以及Y是由元素AS、Pn與Sb所構成之組之至少 一個元素。此外此主動層5不但可以被放鬆，而且可 以被壓緊，其導至發出橫向電性偏極化光；或者此主 動層5可以被拉緊，其導致發出橫向磁性偏極化光。 此外此主動層5可以被埋入於由已經提到之材料χγ 所構成之阻障層中。若不使用量子膜，則可以將量子 線或量子點埋入於阻障層中。 此外要說明，此實施例可以在側面的方向中以及沿 著光線傳播的方向在半導體雷射中被隨意的結構化。 與此相應的，它可以藉由此所介紹之層序列而實現抗 共振式波導。而使用於寬帶（Wide-Band)雷射、脈波波 導雷射、具有側面埋入波導結構之雷射、以及具有分 散式回饋（feed-back)(分散式bragg reflector)的雷射中 。因此其優點總是在垂直方向中只有少量的光線擴 散，以及在晶體表面位置上大的光線橫截面。 符號之說明 1 基板 2 外部波導層 3 反射層 -11- 1289959 五、發明說明（10) 4 內 部 波 導 層 5 主 動 層 6 內 部 波 導 層 7 反 射 層 8 外 部 波 導 層 9 接 觸 層 10 抗 共 振 式 波 導 11 波 導 核 心 1 2 折 射 率 分 佈 13 基 本 模 式 14 遠 距 場 強 度 15 較 局 等 級 模 式 -12-

Claims (1)

12891959, ，日正替換頁丨 六、申請專利範圍 第90 1 22978號「半導體雷射」專利案 ( 2007年7月修正） 六申請專利範圍 1. 一種半導體雷射，其特徵爲： -在基板（1 )上施加一種層序列，其中由基板（1 )觀看 時依序配置第一外部波導層（2)，第一反射層（3)， 波導核心（1 1 )，第二反射層（7 )及第二外部波導層 (8 )，一種發出光子之主動層（5 )嵌入該波導核心 (11)中， -第一和第二反射層（3，7)之折射率大於波導核心（11 ) 之折射率且大於相鄰之外部波導層（2，8 )之折射率 -使該第一和第二反射層（3、7)之厚度略等於波導核 心（1 1 )中所投射光子波長之四分之一的奇數倍， -該層序列在垂直方向中具有一種反射用之抗共振式 波導（1 0 )。 2 .如申請專利範圍第1項之半導體雷射，其中此主動層 (5 )之厚度小於波導核心（11 )之邊界區域（4、6 )之厚 度。 3 .如申請專利範圍第1項之半導體雷射，其中此層序列 就其厚度而言係對稱於主動層（5)。 4 .如申請專利範圍第3項之半導體雷射，其中此主動層 (5)之厚度是介於0.01與〇·〇3微米（//m)之間，波導 I2陳货月修替換頁 Dd » ·丄 G__' —六、申請專利範圍 核心（1 1 )之厚度是介於1 · 5與2 · 5微米（// m)之間， 反射層（3、7)的厚度是介於0.4與0.6微米（//m)之 間、以及波導外部區域（2、8 )之厚度是介於0 . 5與 1 · 5微米（// m)之間。 5 .如申請專利範圍第1或2項之半導體雷射，其中基板 (1 )之折射率各大於相鄰之波導外部區域（2)-與波導 核心（1 1 )之折射率。 6 .如申請專利範圍第1項之半導體雷射，其中在層序列 上塗佈一接觸層（9 )，其所具有之折射率各大於相鄰 波導外部區域（8 )-與波導核心（1 1 )之折射率。 7 .如申請專利範圍第1項之半導體雷射，其中此波導外 部區域（2、8 )之折射率等於波導核心（1 1 )之折射率。 8 .如申請專利範圍第 6或 7項之半導體雷射，其中基 板（1 )與接觸層（9 )之折射率各自等於相鄰反射區域（3 、7)之折射率。 9 .如申請專利範圍第1或3項之半導體雷射，其中此層 序列之折射率係對稱於主動層（5 )。 1 0 .如申請專利範圍第1或2項之半導體雷射，其中基板 (1)以及介於基板（1)與主動層（5)之間之層序列是n-導電的。 1 1 .如申請專利範圍第6項之半導體雷射，其中接觸層（9) 以及介於主動層（5)與接觸層（9)之間的層序列是P -導 電的。 U&96% . < 日修巧)正替換$ %. 7. 1〇 Λ I •〜_ ·_『_ι _· * Γ _ -伙一一―•""•J 六、申請專利範圍 1 2 ·如申請專利範圍第1或2項之半導體雷射，其中基板 (1)與接觸層（9)是由GaAs製成。 1 3 ·如申請專利範圍第 1 2之半導體雷射，其中此層序列 是由包含Al、Ga與As之半導體所製成。 1 4 ·如申請專利範圍第 1 2項之半導體雷射，其中反射區 域（3、7)是由包含Al、Ga與As之半導體所構成，且 波導核心（11 )與波導外部區域（2、8 )是由包含I η、Ga 與P之半導體所製成。 1 5 .如申請專利範圍第1或2項之半導體雷射，其中主動 層（5)至少具有一量子膜。 1 6 .如申請專利範圍第1或2項之半導體雷射，其中主動 層（5 )具有埋入於阻障層中之量子線。 1 7 .如申請專利範圍第1或2項之半導體雷射’其中主動 層（5 )具有埋入於阻障層中之量子點。