CN102088161A - 高速大功率半导体光源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高速大功率半导体光源，其包括：相对设置的p电极和n电极、主振荡部分以及功率放大部分。主振荡部分为单模高速DFB-LD或DBR-LD。功率放大部分位于主振荡部分的后方，且功率放大部分的主轴线与主振荡部分的主轴线有一定的倾斜角。本发明高速大功率半导体光源进一步包括一隔离槽，该隔离槽设置于p电极上且位于主振荡部分与功率放大部分之间。本发明的半导体光源可有效地抑制光反馈及电信号间的干扰，具有直接调制输出高速大功率光信号的潜在能力，可通过百毫安的调制电流和数安培的直流电流获得几兆赫兹、瓦级的直接调制的输出光功率。

Description

高速大功率半导体光源
【技术领域】
本发明涉及一种半导体激光光源，尤其涉及一种高速大功率半导体光源。
【背景技术】
普通通讯用的半导体激光器的输出功率一般为毫瓦级，无法满足诸如无线光通信***对光源高速、大功率的需要。目前，实现高速、大功率光源的方法是采用半导体激光器+掺铒光纤放大器，可以得到2.5Gb/S的调制速率和百毫瓦的输出光功率。但是，该方法制作的高速、大功率光源具有体积庞大，封装困难，耦合效率低，光功率损耗较大，成本高等缺点。
【发明内容】
本发明解决的技术问题是提供一种高速大功率半导体光源，其可改善半导体光放大器的直流偏置电流和激光二极管的调制电流对彼此的干扰、抑制光反射，以获得高质量、高速、大功率的激光光束。
本发明提供一种高速大功率半导体光源，其包括：相对设置的p电极和n电极；主振荡部分，且主振荡部分为单模高速分布反馈半导体激光器(DFB-LD)或分布布拉格反射器半导体激光器(DBR-LD)；功率放大部分，位于主振荡部分的后方。其中，功率放大部分的主轴线与主振荡部分的主轴线有一定的倾斜角，高速大功率半导体光源进一步包括一隔离槽，隔离槽设置于p电极上且位于主振荡部分与功率放大部分之间。
根据本发明一优选实施例，隔离槽的深度为1-6微米，宽度为5-50微米。
根据本发明一优选实施例，隔离槽的宽度为30微米。
根据本发明一优选实施例，在n电极上相对于隔离槽设置一浅槽，浅槽的深度为1-10微米，宽度为25-100微米。
根据本发明一优选实施例，功率光放大部分的前端为一过渡光波导，且主振荡部分的主轴线与功率放大部分的主轴线之间的该倾斜角为锐角夹角，且通过该过渡光波导实现平滑连接。
根据本发明一优选实施例，该过渡光波导的长度为50-300微米，该夹角为5-12度。
根据本发明一优选实施例，功率光放大部分的前端为一过渡光波导，后端为一锥形放大部分，且在该过渡光波导的光输出端与锥形放大部分之间平滑连接。
根据本发明一优选实施例，功率放大部分的前端为一过渡光波导，后端为一锥形放大部分，且在该过渡光波导的光输出端与锥形放大部分之间还进一步设置一第二隔离槽。
根据本发明一优选实施例，本发明中的过渡光波导为弯曲的过渡光波导。
本发明的高速大功率半导体光源的显著的优点之一是通过采用弯曲过渡光波导、隔离槽等结构，有效地抑制了光反馈及电信号间的干扰，具有直接调制输出高速大功率光信号的潜在能力，可通过百毫安的调制电流和数安培的直流电流获得几兆赫兹、瓦级的直接调制的输出光功率。
【附图说明】
图1为本发明高速大功率半导体光源第一种实施方式的结构示意图。
图2为图1所示的高速大功率半导体光源的俯视图。
图3为图1所示的高速大功率半导体光源沿A-A方向的剖面示意图。
图4为图1所示的高速大功率半导体光源沿B-B方向的剖面示意图。
图5为本发明高速大功率半导体光源第二种实施方式的结构示意图。
图6为图5所示的高速大功率半导体光源的俯视图。
【具体实施方式】
图1为本发明高速大功率半导体光源的结构示意图，请参阅图1所示，其包括主振荡部分101以及功率放大部分102。其中，主振荡部分101在光路上设置于高速大功率半导体光源的起始端，功率放大部分102则设置于主振荡部分101的后方，中间有一隔离槽122使两部分隔离。
图2为图1所示的高速大功率半导体光源的俯视图。请参阅图2所示，主振荡部分101可为单模的主振荡器：例如一个分布布拉格反射激光二极管或分布式反馈激光二极管。以采用分布式反馈激光二极管为例，主振荡部分101有源区宽度(光波导宽度)W0约为5-10微米，其长度L1可调，L1介于300-400微米之间。
功率放大部分102设置于主振荡部分101的后方，功率放大部分102例如可为锥形的光功率放大器，其长度L3可调，L3约为1000微米，其宽度W2可调，W2约为600-800微米。其中，功率放大部分102包括过渡光波导102a以及锥形放大部分102b。过渡光波导102a为曲线型，其包括一光输入端1021与一光输出端1022。光输入端1021的宽度Wa与主振荡部分101有源区宽度W0相同或相近，为2-10微米，其长度L2可调，L2介于50-300微米。过渡光波导102a的光输出端1022的宽度Wb与锥形放大部分102b的输入端的宽度相同或相近，锥形放大部分102b的输出端宽度W3(有源区)约为100-400微米，较佳为300微米，且主振荡部分101的中心轴线与锥形放大部分102b的中心轴线之间具有一夹角θ，夹角θ为锐角，较佳取值范围为5-12度。本发明中的曲线型的过渡光波导102a可进一步改善光束在此段的光束质量，提高单模光的输出功率，具有输出光模式质量好、有效功率更大的效果。
图3为如图1所示的高速大功率半导体光源沿A-A方向的剖面示意图。图3显示高速大功率半导体光源的多层结构，其包括n电极层110，以及依序分别形成于n电极110上的衬底层d0、缓冲层d1、第一波导层d2、量子阱层d3、势垒层d4、第二波导层d5、P型缓冲层d6、刻蚀阻止层d7、第一导电层d8、第二导电层d9、欧姆接触层d10以及p电极层120。
其中，n电极层110和p电极层120可为多层金属层，采用蒸发或溅射的方法在其表面覆盖，然后在适当的温度下进行合金化而形成一个低阻的金属-半导体结。n电极层金属材料采用Au-Sn***，厚度约为150纳米-200纳米，或采用In-Sn-Ag***，厚度约为200纳米-250纳米。p电极层金属材料可为Zn-Au、Mg-Au、Ti-Pt-Au等。
衬层d0形成于n电极层110上，其可为掺杂硫(S)的n型InP层，其厚度约为80-120微米，较佳为90微米，掺杂质量约为20×1017-50×1017cm-3。
p电极层120设置于欧姆接触层d10上方，且第一限制层d8、第二限制层d9、欧姆接触层d10以及p电极120的宽度与主振荡部分101有源区宽度W0相同，约为2～4微米。
如图3所示，高速大功率半导体光源的表面上可进一步包括SiN介质层105和聚酰亚胺保护层107。其中，SiN介质层105覆盖于刻蚀停止层d7的上表面，聚酰亚胺保护层107设置于SiN介质层105上方，且SiN介质层105与聚酰亚胺保护层107的覆盖高度是达至与p电极120的上表面相平齐，以此形成对高速大功率半导体光源的表面保护。
图4为图1所示的高速大功率半导体光源沿光波导轴线B-B方向的剖面示意图。请一并参阅图3与图4所示，高速大功率半导体光源的主振荡部分101与功率放大部分102之间还设置有隔离槽122。隔离槽122的宽度W1为5-50微米，较佳约为30微米。隔离槽122贯穿p电极层120、欧姆接触层d10、第二限制层d9以及第一限制层d8直至刻蚀停止层d7的上表面，其深度D1为1-6微米，较佳约为2微米。
更进一步的，高速大功率半导体光源可在n电极110处，相对于隔离槽122设置有浅槽112。浅槽112贯穿n电极110并深入至衬底层d0的内部，其深度D2可为1-10微米，宽度W4为25-100微米，且浅槽112的宽度W4与隔离槽122的宽度W1存在以下的关系：
W4≈W1+(10-50)微米。
请参阅图4所示，高速大功率半导体光源还包括光栅109，其设置于第二波导层d5，且光栅109刻至隔离槽122处，布满整个主振荡部分101。
本发明高速大功率半导体光源在安装时，p电极120所在面朝下，以倒装的形式安装，使用电隔离的特殊热沉；也可以n电极110所在面朝下，以正装的形式安装，使用常规的热沉。
本发明高速大功率半导体光源工作时，主振荡部分101的调制输出信号注入至功率放大部分102中，经过衍射行波放大，可获得功率高达瓦级的光输出。其中，主振荡部分101和功率放大部分102分别单独偏置。例如，主振荡部分101可在固定偏置电流上施加调制电流，对功率放大部分102施加固定的偏置电流，其输出的调制光信号根据功率放大部分102的偏置电流而线性变化。此外，也可使其输出光功率根据主振荡部分101的电流的变化而改变。
以1550mn的高速大功率半导体光源为例，其主要工作参数如下：
A.工作波长    1550微米波段
B.工作电流    2-3A
C.输出光功率  约1-1.5W
D.工作速率    约2.5Gb/s
图5为本发明高速大功率半导体光源第二种实施方式的结构示意图。图6为图5所示的高速大功率半导体光源第二种实施方式的俯视图。高速大功率半导体光源与图1所示的高速大功率半导体光源的不同之处在于：在过渡光波导102a的光输出端与锥形放大部分之间还进一步设置一隔离槽123。隔离槽123的宽度为2-5微米。隔离槽123实现了功率放大部分102中过渡光波导102a以及锥形放大部分102b之间的电隔离，提高单模输出光的质量。
综上所述，本发明高速大功率半导体光源通过采用了弯曲过渡光波导、隔离槽等结构，有效地抑制了光反馈及电信号间的干扰，具有直接调制输出高速大功率光信号的潜在能力，可通过百毫安的调制电流和数安培的直流电流获得几兆赫兹、瓦级的直接调制的输出光功率。本发明的光源把激光技术与行波光放大技术有机地融为一体，是一种可以广泛应用于光纤通信、无线光通信、材料加工、激光医疗和军事等行业的高速大功率半导体光源。
在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (9)

1.一种高速大功率半导体光源，其包括：
相对设置的p电极和n电极；
主振荡部分，且该主振荡部分为单模高速DFB-LD或DBR-LD；
功率放大部分，该功率放大部分位于该主振荡部分的后方；
其特征在于：该功率放大部分的主轴线与该主振荡部分的主轴线有一定的倾斜角，该高速大功率半导体光源进一步包括一隔离槽，该隔离槽设置于该p电极上且位于该主振荡部分与该功率放大部分之间。
2.如权利要求1所述的高速大功率半导体光源，其特征在于：该隔离槽的深度为1-6微米，宽度为5-50微米。
3.如权利要求1所述的高速大功率半导体光源，其特征在于：该隔离槽的宽度为30微米。
4.如权利要求1所述的高速大功率半导体光源隔离槽，其特征在于：在该n电极上相对于该隔离槽设置一浅槽，该浅槽的深度为1-10微米，宽度为25-100微米。
5.如权利要求1所述的高速大功率半导体光源，其特征在于：该功率光放大部分的前端为一过渡光波导，且主振荡部分的主轴线与功率放大部分的主轴线之间的该倾斜角为锐角夹角，且通过该过渡光波导实现平滑连接。
6.如权利要求5所述的高速大功率半导体光源，其特征在于：该过渡光波导的长度为50-300微米，该夹角为5-12度。
7.如权利要求5所述的高速大功率半导体光源，其特征在于：该功率光放大部分的前端为一过渡光波导，后端为一锥形放大部分，且在该过渡光波导的光输出端与锥形放大部分之间平滑连接。
8.如权利要求1所述的高速大功率半导体光源，其特征在于：该功率放大部分的前端为一过渡光波导，后端为一锥形放大部分，且在该过渡光波导的光输出端与锥形放大部分之间还进一步设置一第二隔离槽。
9.如权利要求6、7或8所述的高速大功率半导体光源，其特征在于：该过渡光波导为弯曲的过渡光波导。
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