专利名称：波长可变半导体激光器和使用该激光器的气体检测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及波长可调半导体激光器和采用该波长可调的半导体激光器的气体检测器，尤其涉及其中出射激光的波长可调的波长可调半导体激光器，以及其中包含所述波长可调半导体激光器的气体检测器。
背景技术：
已知气体例如甲烷、二氧化碳、乙炔和氨等根据分子转动或成份原子的振动而吸收特定波长的光。
例如，甲烷吸收1.6μm、3.3μm和7μm波长(吸收波长)的光。
因此，通过采用具有吸收波长的激光照射待测空间，且测量其衰减状态，可以测知在该空间中特定气体的存在，并检测出其气体浓度。
例如，专利文献1中公开了利用这样的光吸收特性的气体检测器。
专利文献1Jpn.Pat.Appln.KOKAT Publication No.11-326199，即，在气体检测器中，从其中包含半导体激光器的半导体激光器模块发射的激光穿过例如含有甲烷的待测气体，并入射到光接收器上。
这里例如，如图9所示，含有甲烷的待测气体具有吸收特性A，吸收中心波长λ0＝1.6537μm。
包含在半导体激光器模块中的半导体激光器是根据施加的驱动电流I改变振荡波长λ的波长可调半导体激光器，如图10B中的波长特性C所示。
当然，在波长可调半导体激光器中，根据施加的驱动电流I，振荡波长λ变化，出射激光″a″的光强X也变化，如图10A中的强度特性B所示。
激光驱动控制单元如图9所示地运行，其中中心电流值I0(偏置电流值)是与半导体激光器的振荡波长λ的中心波长λ0对应的值，并且将围绕中心电流值λ0(偏置电流值)，幅度为IW，调制频率f1＝10kHz的调制信号b施加到包含在该半导体激光器模块中的半导体激光器上。
结果，该半导体激光器模块发射其波长λ围绕吸收中心波长λ0以幅度λW和频率f1＝10kHz变化的激光。
波长围绕吸收中心波长λ0这样调制的激光在穿过待测气体的过程中根据吸收特性A被吸收，被光接收器接收到，并被转化为将输入到气体检测单元的电信号。
由于光接收器不具有激光的波长分辩能力，因此所述电信号具有调制频率数量级的频率分量。
气体检测单元提取包含在输入电信号中的基波信号d1作为调制频率f1＝10kHz的信号分量，以及包含在输入电信号中的倍波信号(double wavesignal)d2作为是调制频率f1＝10kHz的两倍的频率f2(＝20kHz)的信号分量，由此计算倍波信号d2的幅度D2和基波信号d1的幅度D1之间的比值(D2/D1)，且得到与气体浓度对应的检测值D(＝D2/D1)。
如图10A所示，因为在基波信号d1中发生了归因于强度调制的大偏移，所以计算倍波信号d2的幅度D2与基波信号d1的幅度D1之间的比值(D2/D1)作为与气体浓度对应的检测值D(＝D2/D1)，从而提高了测量精度。
但是，这样的传统气体检测器具有待解决的其它问题。
即，气体检测器经常被用于当前气体管道区域内气体泄漏的检测，管道安装后的周期性检查，或化学工厂中的异常情况检测。
因此，就此类气体检测器而言，希望其尺寸更小、性能更高、能耗更低。
为了实现尺寸更小、性能更高、能耗更低的气体检测器，要求半导体激光器模块1有效地发射与图9所示的待测气体3的吸收特性A对应的激光，其波长λ围绕吸收中心波长λ0以幅度λW和频率f1＝10kHz变化。
然而，包含在半导体激光器模块中的传统半导体激光器中，如图10A中的强度特性B和图10B中的波长特性C所示，需要将施加到半导体激光器上的调制信号b的偏置电流值(电流值I0)设置为大值，以获得必要的中心波长λ0和光强X0，因此能耗增大。
图10B所示的波长特性C中，当驱动电流I以单位电流变化时振荡波长(频率)的变化程度被称为调频效率(frequency modulation efficiency)η。传统半导体激光器中，调频效率η非常低，例如小于0.1GHz/mA。
因此，要围绕吸收中心波长λ0以幅度λW改变波长λ，就要增大施加到半导体激光器的调制信号b的电流幅度IW，这样，能耗也会增大。
此外，图10A的强度特性B中，从半导体激光器发出的激光″a″的光强X不是与施加到半导体激光器的调制信号b的电流值I完全成比例的，而是在电流幅度IW的上限附近趋于饱和。
因此，随着强度特性B的非线性状态增加，激光的调制失真变大，从检测的电信号计算出的检测值D(＝D2/D1)没有正确地与气体浓度对应，测量精度下降。
在专利文献2公开的半导体激光器中，本发明人等已经提出了一种能够获得高发光效率和高输出的半导体激光器，其特征在于具有在p型覆层(cladding layer)中作为p型杂质的Zn的杂质浓度分布，其与稍后描述的发明适用的图3中的基本相同。
专利文献2USP6351479。
尽管公开了能够获得高发光效率和高输出的半导体激光器，但并未提及上述强度特性B的非线性状态的增加的分析和改善，以及调频效率的提高。
发明内容
本发明是根据上述背景得到的，本发明的目的是提供一种波长可调半导体激光器和包含该波长可调半导体激光器的气体检测器，该波长可调半导体激光器能够将调制信号的偏置电流值设置得较小，所述调制信号被施加以用于获得其波长围绕吸收中心波长以吸收特性决定的幅度变化的激光，并且能够将调制信号的电流幅度设置得较小，从而降低能耗，此外还能够改善强度特性B的非线性状态并降低激光的调制失真，以及显著提高待测气体的气体检测的检测精度。
根据本发明的第一方面，提供一种波长可调半导体激光器(27)，其包括n型半导体衬底(11)；设置在n型半导体衬底(11)上并且产生光的有源层(17)；设置在有源层(17)上的p型覆层(22)；以及用于使有源层(17)产生的光中仅特定波长选择性振荡的波长选择装置(15)，能够以特定波长振荡的可调半导体层(27)通过向有源层(17)注入电流而工作，所述特定波长通过改变所述电流的大小而变化，其中，表示在有源层(17)产生的光的传播方向上的长度的器件长度约为200μm到500μm，且
P型覆层(22)包括从有源层(17)一侧顺序排列的具有低杂质浓度的轻掺杂覆层(19)和具有高杂质浓度的重掺杂覆层(20)。
这样构造的本发明第一方面的波长可调半导体激光器中，表示在有源层(17)产生的光的传播方向上的长度的器件长度L被设置在约200μm到500μm的范围。
通常，波长可调半导体激光器中表示在有源层产生的光的传播方向上的长度的器件长度L越长，施加电流的电极的面积或者有源层的面积就越大，从而每单位面积的电流值下降，波长可调半导体激光器的有源层的温度不易上升。
即，在这样的具有较长的器件长度L的波长可调半导体激光器中，即使通过改变施加的电流来尝试改变发热，温度变化也较小，因此，表示与施加的电流相关的波长变化的程度的调频效率η较低。
相反，在具有缩短的器件长度L的波长可调半导体激光器中，施加电流的电极的面积或者有源层的面积变小，使得每单位面积的电流值增大，该波长可调半导体激光器的有源层的温度易于上升。
因此，在这样的具有较短的器件长度L的波长可调半导体激光器中，如果通过改变施加的电流而改变发热，那么有源层的温度容易地改变，且振荡波长变化，使得表示与施加的电流相关的波长变化的程度的调频效率η变高。
因此，在具有较短的器件长度L的波长可调半导体激光器中，可以将调制信号的偏置电流值设置得较低，该调制信号被施加以用于获得其波长围绕吸收中心波长以吸收特性决定的幅度变化的激光，且还可以将该调制信号的电流幅度设置得较小，从而减小能耗。
作为本发明人的试验结果，在这类波长可调半导体激光器中，适当的器件长度L被证明优选在约200μm到500μm的范围，如图4所示。
图4所示的结果是通过利用具有2.2μm的有源层宽度的波长可调半导体激光器得到的。
在如本发明的第一方面所说明地配置的波长可调半导体激光器(27)中，位于有源层(17)上的p型覆层(22)包括从有源层(17)一侧顺序排列的轻掺杂覆层(19)和重掺杂覆层(20)。
通常，在半导体激光器中，重要的是以高概率激发注入到有源层中的载流子(电子和空穴)并使其发生复合，其是获得高输出的技术。
出于这一目的，希望通过覆层的p型掺杂来阻挡载流子从有源层流出，并希望增强有源层中载流子的捕获。
通过如上所述地配置位于有源层(17)上的p型覆层(22)，从有源层流出的电子(载流子)可以通过重掺杂的p型覆层(20)而被阻挡。
此外，诸如Zn的杂质从重掺杂p型覆层(20)的扩散将被阻止在轻掺杂p型覆层(19)中，不会到达有源层(17)。
结果，在基本阻挡载流子的同时，也防止了在制造半导体激光器时注入的p型掺杂物向有源层(17)中的扩散，可以获得高发光效率和高输出。因此，图10A所示的强度特性B的非线性状态得到改善，出射激光的调制失真被降低。
因此，可以提高其中包含该波长可调半导体激光器的气体检测器的检测精度。
根据本发明的第二方面，提供一种波长可调半导体激光器(27)，其包括n型半导体衬底(11)；设置在n型半导体衬底(11)上且产生光的有源层(17)；设置在有源层(17)上的p型覆层(22)；以及用于使有源层(17)产生的光中仅特定波长选择性振荡的波长选择装置(15)，能够以特定波长振荡的波长可调半导体激光器(27)通过向有源层(17)注入电流而工作，所述特定波长通过改变所述电流的大小而变化，其中，与有源层(17)中产生的光的传播方向正交的且表示在与n型半导体衬底平行的方向上的长度的有源层(17)的宽度为约1μm到2μm，且P型覆层(22)包括从有源层(17)一侧顺序排列的具有低杂质浓度的轻掺杂覆层(19)和具有高杂质浓度的重掺杂覆层(20)。
在该第二方面的这样配置的波长可调半导体激光器中，表示在与有源层(17)中产生的光的传播方向正交的方向上的长度的有源层宽度W被设置在约1μm到2μm的范围。
另外，就有源层的宽度W而言，有源层宽度W越窄，与前述器件长度L中一样施加电流的有源层的面积就越小。因此，每单位面积的电流值增大，波长可调半导体激光器的有源层的温度易于上升。
即，在具有窄的有源层宽度W的波长可调半导体激光器中，当通过改变施加的电流而改变发热时，有源层的温度容易地上升，且振荡波长λ改变，使得表示与施加的电流相关的温度变化的程度的调频效率η变大。
根据本发明人的实验，如图5所示，有源层宽度W被证明优选在约1μm到2μm的范围。
图5所示的结果是通过采用具有600μm器件长度的波长可调半导体激光器得到的。
因此，根据本发明第二方面的波长可调半导体激光器产生了与根据本发明第一方面的波长可调半导体激光器的效果基本相同的效果。
根据本发明的第三方面，提供一种波长可调半导体激光器(27)，其包括n型半导体衬底(11)；设置在n型半导体衬底(11)上且产生光的有源层(17)；设置在有源层(17)上的p型覆层(22)；以及用于使有源层(17)产生的光中仅特定波长选择性振荡的波长选择装置(15)，能够以特定波长振荡的波长可调半导体激光器(27)通过向有源层(17)注入电流而工作，所述特定波长通过改变所述电流的大小而变化，其中，表示在有源层(17)产生的光的传播方向上的长度的器件长度约为200μm到500μm，与有源层(17)中产生的光的传播方向正交的且表示在与n型半导体衬底(11)平行的方向上的长度的有源层(17)的宽度约为1μm到2μm，且p型覆层(22)包括从有源层(17)一侧顺序排列的具有低杂质浓度的轻掺杂覆层(19)和具有高杂质浓度的重掺杂覆层(20)。
在该第三方面的这样配置的波长可调半导体激光器中，表示在有源层(17)产生的光的传播方向上的长度的器件长度L被设置在约200μm到500μm的范围，有源层(17)的宽度W被设置在约1μm到2μm的范围。
因此，根据本发明第三方面的波长可调半导体激光器产生根据第一方面和第二方面的波长可调半导体激光器的结合的效果。
根据本发明的第四方面，提供一种气体检测器，其包括
其中包含波长可调半导体激光器的半导体激光器模块(1a)，所述半导体激光器模块发射以特定频率调制波长的激光；光接收器(4)，其接收激光以转化为电信号，所述激光从半导体激光器模块(1a)发射并已经穿过待测气体；以及气体检测单元(6)，其在从光接收器(4)输出的电信号的基础上检测待测气体，包含在半导体激光器模块(1a)中的波长可调半导体激光器(27)包括n型半导体衬底(11)；设置在n型半导体衬底(11)上且产生光的有源层(17)；设置在有源层(17)上的p型覆层(22)；以及用于使有源层(17)产生的光中仅特定波长选择性振荡的波长选择装置(15)，能够以特定波长振荡的波长可调半导体激光器(27)通过向有源层(17)注入电流而工作，所述特定波长通过改变所述电流的大小而变化，其中，表示在有源层(17)产生的光的传播方向上的长度的器件长度约为200μm到500μm，以及P型覆层(22)包括从有源层(17)一侧顺序排列的具有低杂质浓度的轻掺杂覆层(19)和具有高杂质浓度的重掺杂覆层(20)。
根据本发明的第五方面，提供一种气体检测器，其包括其中包含波长可调半导体激光器的半导体激光器模块(1a)，所述半导体激光器模块发射以特定频率调制波长的激光，光接收器(4)，其接收激光以转化为电信号，所述激光从半导体激光器模块(1a)发射并已经穿过待测气体；以及气体检测单元(5)，其在从光接收器(4)输出的电信号的基础上检测待测气体，包含在半导体激光器模块(1a)中的波长可调半导体激光器(27)包括n型半导体衬底(11)；设置在n型半导体衬底(11)上且产生光的有源层(17)；设置在有源层(17)上的p型覆层(22)；以及用于使有源层(17)产生的光中仅特定波长选择性振荡的波长选择装置(15)，
能够以特定波长振荡的波长可调半导体激光器(27)通过使电流流入有源层(17)来工作，所述特定波长通过改变所述电流的大小而变化，其中，与有源层(17)中产生的光的传播方向正交的且表示在与n型半导体衬底(11)平行的方向上的长度的有源层(17)的宽度约为1μm到2μm，且p型覆层(22)包括从有源层(17)一侧顺序排列的具有低杂质浓度的轻掺杂覆层(19)和具有高杂质浓度的重掺杂覆层(20)。
根据本发明的第六方面，提供一种气体检测器，其包括其中包含波长可调半导体激光器的半导体激光器模块(1a)，所述半导体激光器模块发射以特定频率调制波长的激光，光接收器(4)，其接收激光以转化为电信号，所述激光从半导体激光器模块(1a)发射并已经穿过待测气体；以及气体检测单元(5)，其在从光接收器(4)输出的电信号的基础上检测待测气体，包含在半导体激光器模块(1a)中的波长可调半导体激光器(27)包括n型半导体衬底(11)；设置在n型半导体衬底(11)上且产生光的有源层(17)；设置在有源层(17)上的p型覆层(22)；以及用于使有源层(17)产生的光中仅特定波长选择性振荡的波长选择装置(15)，能够以特定波长振荡的波长可调半导体激光器(27)通过使电流流入有源层(17)来工作，所述特定波长通过改变所述电流的大小而变化，其中，表示在有源层(17)产生的光的传播方向上的长度的器件长度约为200μm到500μm，与有源层(17)中产生的光的传播方向正交的且表示在与n型半导体衬底(11)平行的方向上的长度的有源层(17)的宽度约为1μm到2μm，且P型覆层(22)包括从有源层(17)一侧顺序排列的具有低杂质浓度的轻掺杂覆层(19)和具有高杂质浓度的重掺杂覆层(20)。
在具有这样的配置的波长可调半导体激光器以及其中包含该波长可调半导体激光器的气体检测器中，可以将调制信号的偏置电流值设置得较低，所述调制信号被施加以用于获得其波长围绕所述吸收中心波长以吸收特性决定的幅度变化的激光，且可以将该调制信号的电流幅度设置得较小，从而降低能耗。另外，可以改善强度特性B的非线性状态和降低出射激光的调制失真，并显著提供待测气体的气体检测的测量精度。
在本发明的第一至第六方面中，优选的是，当p型覆层(22)具有作为p型杂质的Zn时，轻掺杂覆层(19)的杂质浓度是未掺杂或约为3×1017/cm3，重掺杂覆层(20)的杂质浓度约为1×1018/cm3。
在本发明的第一至第六方面中，重掺杂覆层(20)的浓度在峰值希望为8×1017/cm3或更高，轻掺杂覆层(19)的浓度希望是未掺杂或者4×1017/cm3或者更低，具有约30nm到70nm的厚度。
在本发明的第一至第六方面中，优选的是p型覆层(22)还包括具有中间杂质浓度的中度掺杂覆层(21)，中度掺杂覆层按顺序排列在重掺杂覆层(20)上。
在本发明的第一至第六方面中，优选的是，当p型覆层(22)具有作为p型杂质的Zn时，中度掺杂覆层(21)的杂质浓度约为5×1017/cm3。
在本发明的第一至第六方面中，优选包括借助间隔层(10)在n型半导体衬底(11)上形成的下单独限制异质结构(separate confinementheterostructure，SCH)层(16)；形成在下SCH层(16)上作为有源层(17)的多量子阱(MQW)层；以及形成在有源层(17)上的上SCH层(18)。
在本发明的第一至第六方面中，优选的是，n型半导体衬底(11)的上部、波长选择装置(15)、下SCH层(16)、有源层(17)、上SCH层(18)和部分p型覆层(22)形成为台面形状，并且p型掩埋层(25)和n型掩埋层(26)从底侧起形成在台面的两侧。
在本发明的第一至第六方面中，优选的是，分布反馈型(DFB)、分布反射型(DR)、分布布拉格反射型(DBR)、部分衍射光栅型(PC)和外腔型(EC)中的任何一种被用作波长可调半导体激光器(27)的结构。
图1是沿光传播方向得到的根据本发明第一实施例的波长可调半导体激光器的剖切图。
图2是沿图1的II-II线截取的截面图。
图3是显示根据本发明第一实施例的波长可调半导体激光器中p型覆层的杂质浓度分布的视图。
图4是显示根据本发明第一实施例的波长可调半导体激光器中器件长度L与调频效率η之间的关系的视图。
图5是显示根据本发明的第一实施例的波长可调半导体激光器中有源层宽度W与调频效率η之间的关系的视图。
图6A是显示传统半导体激光器的特性的视图。
图6B是显示根据本发明第一实施例的波长可调半导体激光器的特性的示例的视图。
图6C是显示根据本发明第一实施例的波长可调半导体激光器的特性的另一示例的视图。
图7是显示根据本发明第二实施例的气体检测器的配置的示意图。
图8是显示包含在根据本发明第二实施例的气体检测器中的半导体激光器模块和激光驱动控制单元的构造的示意图。
图9是显示待测气体的吸收特性和根据传统气体检测器的调制信号之间的关系的视图。
图10A是显示包含在传统气体检测器中的半导体激光器的光强特性的视图。
图10B是显示包含在传统气体检测器中的半导体激光器的振荡波长特性的视图。
图11是说明根据本发明第一实施例的波长可调半导体激光器的可调性的接线图。
图12是外差差拍信号(heterodyne beat signal)的波形图，用于说明根据本发明第一实施例的波长可调半导体激光器的可调性。
具体实施例方式
下面将参照附图描述本发明的波长可调半导体激光器以及其中包含该波长可调半导体激光器的气体检测器的实施例。
(第一实施例)图1是沿光传播方向得到的根据本发明第一实施例的波长可调半导体激光器的剖切图。图2是沿图1的II-II线截取的波长可调半导体激光器的截面图。
第一实施例的波长可调半导体激光器27包括分布反馈(DFB)半导体激光器。
即，如图1所示，在波长可调半导体激光器27中，由n型InGaAsP制成的衍射光栅层12形成在由n型InP制成的n型半导体衬底11上面。
衍射光栅层12包括多个光栅13和具有多个间隙14的波长选择装置15，间隙14位于多个光栅13相互之间。
间隙14被填充有由n型InP制成的间隔层10。
在n型半导体衬底11之上，形成有由InGaAsP制成的下单独限制异质结构(SCH)层16、由多量子阱(MQW)层形成的有源层17、以及具有各自适当组分的上SCH层18。
由p型InP制成的p型覆层22形成在上SCH层18上面。
从上SCH层18一侧p型覆层22顺序包括具有低杂质浓度的轻掺杂覆层19和具有高掺杂浓度的重掺杂覆层20。
这里，重掺杂覆层20阻挡来自有源层17的载流子，轻掺杂覆层19防止作为杂质的Zn扩散到有源层17中。
为了获得这些效果，希望轻掺杂覆层20的浓度在峰值为8×1017/cm3或更大，希望轻掺杂覆层19的浓度是未掺杂或者4×1017/cm3或者更小，具有约30nm到70nm的厚度。
这是因为当轻掺杂覆层19的厚度小于30nm时，用作杂质的Zn扩散至有源层17，发光特性被破坏，且另一方面，当该厚度大于70nm时，载流子聚集在轻掺杂覆层19中，不能获得载流子阻挡效应。
由于重掺杂覆层20的作用是阻挡载流子从有源层17流出，所以不要求重掺杂覆层20覆盖通常具有数μm的厚度的整个覆层，重掺杂覆层20上面可以由中度掺杂覆层21形成，所述中度掺杂覆层21具有低浓度和高浓度之间的中间浓度。
只要重掺杂覆层20的厚度为30nm或更大，那么，即使浓度通过扩散被降低，峰值也可以保持在7×1017/cm3或更高。
另一方面，中度掺杂覆层21的浓度优选为5×1017/cm3到7×1017/cm3。
即，如果中度掺杂覆层21的浓度太低，电阻增大且引起过多的发热，器件特性变差，另一方面，如果中度掺杂覆层21的浓度太高，价带之间的吸收增加且光损耗增大，使得对高输出运行不利。
在该实施例中，对具有作为p型覆层22的从上SCH层18一侧顺序形成的轻掺杂覆层(轻掺杂p型覆层)19、重掺杂覆层(重掺杂p型覆层)20、以及中度掺杂覆层(中度掺杂p型覆层)21的结构给出说明。
图3是显示使用Zn作为p型覆层22中的p型杂质的杂质浓度分布的视图。
轻掺杂覆层19的杂质浓度为未掺杂或者约为3×1017/cm3，重掺杂覆层20的杂质浓度约为1×1018/cm3。
图3所示的采用Zn作为p型覆层22中的p型杂质的杂质浓度分布由本发明人等还公开在上述专利文献2(USP 6351479)中。但是，并没有论及强度特性B的非线性状态的增加的分析和改善，以及调频效率的提高，其是本发明的重要主题，将在下文中予以说明。
中度掺杂覆层21的杂质浓度约为5×1017/cm3。
p电极23借助由p型InGaAs制成的接触层(未示出)设置在p型覆层22的上面，n电极24设置在n型半导体衬底11的下面。
在波长可调半导体激光器27的光传播方向上的器件长度L为300μm。
如图2中的截面图所示，n型半导体衬底11的上部、衍射光栅层12、下SCH层16、有源层17、上SCH层18、以及部分p型覆层22形成为台面形状。
在台面的两侧，从底侧起形成由p型InP制成的p型掩埋层25和由n型InP制成的n型掩埋层26。
在与波长可调半导体激光器27的光传播方向正交的方向上的有源层17的有源层宽度W设置为1.5μm。
在具有这样的构造的第一实施例的波长可调半导体激光器27中，当驱动电流I被施加在p电极23和n电极24之间时，有源层17发出具有多个波长的光。但是，所述具有多个波长的光中，具有由衍射光栅层12的周期、等价折射率、以及温度所决定的单个波长λ的光被选定，并被作为激光″a″从波长可调半导体激光器中输出。
下面将说明具有这样的构造的第一实施例的波长可调半导体激光器27的特征。
图4是显示器件长度L与调频效用η之间的关系的特性图，其中形成仅器件长度L不同的多种类型的半导体激光器，所述器件长度为250μm±10％、300μm±10％、350μm±10％和600μm±10％，所述半导体激光器具有与第一实施例的波长可调半导体激光器27相同的结构，采用甲烷作为如上所述的待测气体，测量了每个半导体激光器中的调频效率η。
当波长可调半导体激光器27用作气体分析器的激光源时，由能耗、激光调制失真等要求的调频效率η为0.1GHz/mA或更大。
在目前的制造技术水平，很难稳定地制造具有小于20μm的器件长度L的半导体激光器，且光输出也会降低。
因此，波长可调半导体激光器27的器件长度L优选在约200μm到500μm(更优选地，约250μm到450μm)的范围。
由于在传统的普通半导体激光器中不要求调制出射激光的波长，因此不考虑调频效用η，考虑到为了最大化输出的发热，器件长度L被设置在600μm或更大。
因此，在第一实施例的波长可调半导体激光器27中，器件长度L被设置为约200μm到500μm，其短于传统半导体激光器的器件长度。因此，可以确保足够的调频效率η，且如上所述，为了获得其波长λ围绕吸收中心波长λ0以待测气体的吸收特性A确定的幅度λW变化的激光″a″，施加的调制信号b的偏置电流值I0可被设置得更低，调制信号b的电流幅度IW还可以设置得更小，从而可以减小能耗。
图5是显示有源层宽度W与调频效率η之间的关系的特性图，其中形成仅有源层宽度W不同的多种类型的半导体激光器，所述有源层宽度W为1.1μm±10％、1.7μm±10％和2.2μm±10％，所述半导体激光器具有与第一实施例的波长可调半导体激光器27相同的结构，采用甲烷作为如上所述的待测气体，测量每个半导体激光器中的调频效率η。
如上所述，在此类波长可调半导体激光器中，要求调频效率η为0.1GHz/mA或更大。
在目前的制造技术水平，很难稳定地制造具有小于1μm的有源层宽度W的半导体激光器，此外，在具有小于1μm的有源层宽度W的半导体激光器中没有获得足够的增益，从而极大地降低了光输出。
因此，波长可调半导体激光器27的有源层宽度W优选在约1μm到2μm的范围。
由于在传统的普通半导体激光器中不要求调制出射激光的波长，因此不考虑调频效用η，考虑到为了最大化输出的发热，有源层宽度W被设置为2μm或更大。
因此，在第一实施例的波长可调半导体激光器27中，有源层宽度W被设置为约1μm到2μm，其短于传统半导体激光器的有源层宽度。因此，可以确保足够的调频效率η，且如上所述，为了获得其波长λ围绕吸收中心波长λ0以待测气体的吸收特性A确定的幅度λW变化的激光″a″，施加的调制信号b的偏置电流值I0可以被设置得更低，且调制信号b的电流幅度IW还可以被设置得更小，从而可以减小能耗。
此外，在第一实施例的波长可调半导体激光器27中，位于有源层17上的p型覆层22从有源层17一侧顺序包括具有低杂质浓度的轻掺杂覆层19、具有高杂质浓度的重掺杂覆层20、以及具有中等杂质浓度且用于抑制p型覆层22中空穴中的光吸收的中度掺杂覆层21。
在第一实施例的波长可调半导体激光器27中，p型覆层22包括杂质浓度不同的多个层19、20、21。因此，如上所述，从有源层17流出的载流子可以被充分阻挡，p型杂质到有源层17中的扩散被防止，且p型覆层22中的光吸收被最小化，从而可以获得高发光效率和高输出。
因此，由于图10A所示的强度特性B的非线性状态在第一实施例的波长可调半导体激光器27中被改善了，因此出射激光的调制失真被降低。
从改善图10A所示的强度特性B的非线性状态的视点出发，在第一实施例的波长可调半导体激光器27中，中度掺杂覆层21并非总是必需的。
因此，其中包含第一实施例的波长可调半导体激光器27的气体检测器在检测精度方面被增强了。
图6A、6B和6C相互比较地示出第一实施例的波长可调半导体激光器27的特性和传统半导体激光器的特性，以说明缩短第一实施例的波长可调半导体激光器27的器件长度L和有源层宽度W的效果，以及p型覆层22上形成重掺杂覆层20的效果。
图6A示出传统半导体激光器的强度特性B和波长特性C。
图6B示出波长可调半导体激光器的强度特性B1和波长特性C1，其中在本发明第一实施例的波长可调半导体激光器27中器件长度L被缩短至约300μm且有源层17的宽度W被缩短至约1.5μm。
根据图6B所示的第一实施例的波长可调半导体激光器27的强度特性B1和波长特性C1，为了获得在调频的出射激光″a″中必需的中心波长λ0和光强X0，将施加到波长可调半导体激光器上的调制信号b的偏置电流值(电流值I01)与图6A中传统半导体激光器的偏置电流值(电流值I0)相比显著降低，从而可以减小能耗。
此外，根据图6B所示的第一实施例的波长可调半导体激光器27的强度特性B1和波长特性C1，为了获得在调频的出射激光″a″中必需的幅度λW，将施加到第一实施例中波长可调半导体激光器27上的调制信号b的幅度I与图6A中传统半导体激光器的幅度IW相比显著降低，从而可以减小能耗。
图6C示出波长可调半导体激光器27的强度特性B2和波长特性C2，其中在根据本发明第一实施例的波长可调半导体激光器27中，器件长度L和有源层17的宽度W分别被缩短至300μm和1.5μm，此外，p型覆层22上具有重掺杂覆层20。
根据图6C所示的第一实施例的波长可调半导体激光器27的强度特性B2，与图6A所示的传统半导体激光器的强度特性B以及图6B所示的波长可调半导体激光器的强度特性B1相比，非线性状态显著改善，且出射激光″a″的调制失真可以被降低。
结果，其中包含波长可调半导体激光器27的气体检测器在检测精度方面被增强了。
将说明第一实施例的波长可调半导体激光器27的可调性。
图11是用于说明根据本发明第一实施例的波长可调半导体激光器27的可调性的接线图。
图12是外差差拍信号的波形图，用于说明根据本发明第一实施例的波长可调半导体激光器27的可调性。
可调性通过外差差拍系统由如图11所示的测量装置构造来确定。
作为测试芯片的激光二极管LD1通过以50mA偏置的频率为10kHz且幅度为5mA(峰峰值为10mA)的正弦信号被调制。
用于获得作为参考光的探测光的另一个激光二极管LD2通过DC工作，该激光的波长接近于调制的激光二极管LD1的激光的波长。
激光二极管LD1和LD2被连接至SiC块且被安装，并通过热电致冷器被热控制。来自激光二极管LD1和LD2的激光两者都被聚焦且经3dB耦合器101和光隔离器(未示出)被耦合。耦合的激光通过光电(O/E)转换器102被检测，且其输出信号通过频谱分析仪103被观测。
图12示出作为测试芯片的激光二极管LD1在10kHz具有约0.68GHz/mA的可调性。
在室温和大气压下，甲烷的R(3)吸收线具有约3.4GHz的半高全宽(FWHM)，作为测试芯片的激光二极管LD1可通过12mA的调制在甲烷的整个FWHM上改变波长。这些特性足以支持作为便携式电池供电甲烷传感器的应用。
即，当本发明第一实施例中的波长可调半导体激光器27用于稍后描述的本发明第二实施例的气体检测器中时，通过使用外差差拍系统测量可调性的方法能够获得最有用的数据，并可以比较波长可调半导体激光器27的特性。
图12中，上激光二极管LD(下文称为LD1)是本发明第一实施例的波长可调半导体激光器27，且对应于作为测试芯片的激光二极管和调制激光二极管LD1。
例如，围绕50mA以幅度5mA(峰峰值为10mA)调制激光二极管LD1，从激光二极管LD1输出的光的波长(光频率)也与该调制相应地被调制。
图11中，下激光二极管LD(下文称为LD2)对应于用来获得作为参考光的探测光的另一个激光二极管LD2。
由于激光二极管LD2以DC运行，因此光波长(光频率)是固定的，且来自激光二极管LD2的光的波长接近于激光二极管LD1的光的波长(即，LD1和LD2之间的差动频率(differential frequency)处于下面描述的O/E转换器的频带(band)内)。
来自激光二极管LD1的光与来自激光二极管LD2的光通过3dB耦合器101被结合，该结合的光在O/E转换器102被接收，具有两个二极管的差动频率的电信号(差拍(beat))通过频谱分析仪103被观测。
由于到激光二极管LD1中的注入电流被调制，因此，激光二极管LD1和激光二极管LD2的光两者的频率差也与该调制相应地改变，即，差拍频率(frequency of beat)也与该调制相应地改变。
当光束频率附近通过频谱分析仪被放大(沿横坐标放大)时，如图12所示，差拍频率改变为3.4GHz，激光二极管LD1的频率可调宽度估计在3.4GHz。
所述数据对应于第一实施例的波长可调半导体激光器27的器件长度L＝350μm且有源层宽度W＝1.7μm的情况下的特性，获得0.60GHz/mA的平均值。
尽管未显示在图中，但在第一实施例的波长可调半导体激光器27的器件长度L＝300μm且有源层宽度W＝2.2μm的情况下的特性中，获得约0.25GHz/mA的平均值。
本发明的范围之外，在第一实施例的波长可调半导体激光器27的器件长度L＝600μm且有源层宽度W＝2.2μm的传统半导体激光器中，平均值约为0.08GHz/mA。
通过这样的对比，可知第一实施例的波长可调半导体激光器27的可调性与传统半导体激光器相比具有至少三倍到七倍甚至更大的可调性。
(第二实施例)图7是显示根据本发明第二实施例的气体检测器的配置的示意图。
根据第二实施例的气体检测器在半导体激光器模块1a中包括根据第一实施例的波长可调半导体激光器27。
从其中包含波长可调半导体激光器27的半导体激光器模块1a发射的激光″a″穿过含有例如甲烷的待测气体3，且通过光接收器4被检测。含有甲烷的气体3具有吸收特性A，其具有吸收中心波长λ0＝1.6537μm，例如图9所示。
激光器驱动控制单元2a发出调制信号b到包含在半导体激光器模块1a中的波长可调半导体激光器27。
图8是显示半导体激光器模块1a和激光器驱动控制单元2a的配置的示意图。
波长可调半导体激光器27在温度上通过珀耳帖元件(Peltier element)31被控制。
从波长可调半导体激光器27的一个出射面发射的激光″a″经聚焦透镜29和保护玻璃30被发送到半导体激光器模块1a外，并被入射到待测气体3上。
从波长可调半导体激光器27的另一出射面发射的激光通过聚焦透镜32被转化为平行光，穿过参考气体单元33，并被入射到光接收器34上，参考气体单元33中填充有作为参考气体的与待测气体3相同的甲烷。
光接收器34将入射激光的强度转化为电(电流)信号，并将所述信号输入到激光器驱动控制单元2a的电流-电压转换器35中。
激光器驱动控制单元2a包括电流-电压转换器35、基波信号放大器36、信号差动检测器(signal differential detector)37、波长稳定化控制单元38、温度稳定化PID电路39、以及激光器驱动电路40。
电流-电压转换器35将光接收器34的电信号转换为电压。基波信号放大器36放大电流-电压转换器35转换的电压。信号差动检测器37识别基波信号放大器36放大的电压波形，并产生相对于参考气体的吸收中心波长λ0的偏差信号。
波长稳定化控制单元38起控制作用从而使波长可调半导体激光器27的发射波长λ稳定在参考气体的吸收中心波长λ0。
即，波长稳定化控制电路38将来自信号差动检测器37的偏差信号转换为波长可调半导体激光器27的温度，并将其输出至温度稳定化PID电路39，且还在所述偏差信号的基础上输出控制信号至激光器驱动电路40。
温度稳定化PID电路39控制珀耳帖元件31。即，温度稳定化PID电路39执行PID控制，从而波长可调半导体激光器27被控制到一温度，以便根据来自波长稳定化控制电路38的温度信号在所需波长振荡，且将波长可调半导体激光器27的温度稳定地维持在特定温度。
激光器驱动电路40将围绕中心电流值I01(偏置电流值)且具有幅度IW和调制频率f1＝10kHz的调制信号b施加到包含在半导体激光器模块1a中的波长可调半导体激光器27上，该中心电流值I01(偏置电流值)是与在波长可调半导体激光器27的振荡波长λ处参考气体(待测气体3)的如图9所示的吸收特性A的吸收中心波长λ0相对应的值。
结果，半导体激光器模块1a输出其波长λ围绕吸收中心波长λ0以幅度λW、频率f1＝10kHz变化的激光。
激光器控制电路40控制中心电流值I01(偏置电流值)，从而根据来自波长稳定化控制电路38的控制信号在输出激光″a″中获得上述波长特性。
因此，在根据第二实施例的气体检测器中，通过使波长可调半导体激光器27发射的气体穿过填充有与待测气体3相同的甲烷气体的参考气体室33，波长可调半导体激光器27的温度和施加到波长可调半导体激光器27的调制信号b的中心电流值I01(偏置电流值)被自动控制，使得所述激光的中心波长与参考气体(待测气体3)的如图9所示的吸收特性A的吸收中心波长λ0一致。
图7中，从半导体激光器模块1a发射且波长围绕吸收中心波长λ0被调制的激光″a″在穿过待测气体3的过程中根据如图9所示的吸收特性A被吸收，通过光接收器4被接收且被转换为电(电流)信号，并且被输入到气体检测单元5中。由于光接收器4不具有激光″a″的波长分辩能力，因此电(电流)信号c具有调制频率数量级的频率分量。
气体检测单元5包括电流-电压转换器41、基波信号检测器42、倍波信号检测器43、以及除法器(divider)44。电流-电压转换器41将输入电流的电(电流)信号″c″转换为电压电信号c，且发送所述信号至基波信号检测器42和倍波信号检测器43。
基波信号检测器42提取基波信号d1作为包含在输入电信号″c″中的调制频率f1＝10kHz的信号分量，且发送至除法器44。
倍波信号检测器43提取倍波信号d2作为包含在输入电信号″c″中的是调制频率f1＝10kHz的两倍的调制频率f2(＝20kHz)的信号分量，且发送至除法器44。
除法器44计算倍波信号d2的幅度D2与基波信号d1的幅度D1之间的比值(D2/D1)，且将该计算出的比值(D2/D1)作为与气体浓度对应的检测值D(＝D2/D1)发射出去。
在具有这样配置的气体检测器中，作为将被包含在半导体激光器模块1a中用以发射入射到待测气体3中的激光″a″的半导体激光器，采用了波长可调半导体激光器27，其中器件长度L被缩短至约300μm且有源层宽度W被缩短至约1.5μm，此外重掺杂覆层20被设置在p型覆层22中。
因此，所述气体检测器可以减小半导体激光器模块1a和激光器驱动控制单元2a中的能耗，并显著抑制入射到待测气体3中的激光″a″的调制失真，使得对气体3的测量的精度得到显著提高。
本发明涉及用于通过单个电流同时控制光输出和振荡波长的波长可调半导体激光器，以及采用该波长可调半导体激光器的气体检测器。
因此，所述半导体激光器的具体结构包括分布反馈型(DFB)、分布反射型(DR)、分布布拉格反射型(DBR)、部分衍射光栅型(PC)、以及外腔型(EC)。
除甲烷以外，本发明中的待测气体3包括例如下述气体，括号中同时给出各个吸收线波长。
HCl(1.74μm)、NO(1.8μm)、CO(1.57μm)、N2O(1.96μm)、NH3(1.54μm)、HF(1.3μm)、H2O(1.38μm)、H2S(1.57μm)、C2H2(1.51到1.54μm)、HCN(1.53到1.56μm)、以及CO2(2.0μm)。
关于衬底和材料，所述实施例中，在InP衬底上生长外延材料，但并非仅限于此，可以采用诸如GaN、GaAs系的其它材料。
因此，根据本发明，可以提供一种波长可调半导体激光器以及其中包含该波长可调半导体激光器的气体检测器。所述波长可调半导体激光器中，为了获得其波长围绕吸收中心波长以吸收特性决定的幅度变化的激光，可以将施加的调制信号的偏置电流值设置得更低，且将该调制信号的电流幅度设置得更小，从而降低能耗。此外，通过改善强度特性的非线性状态，该激光的调制失真可以被降低，待测气体的测量精度显著提高。
权利要求
1.一种波长可调半导体激光器，包括n型半导体衬底；有源层，其设置在所述n型半导体衬底上且产生光；p型覆层，其设置在所述有源层上；以及波长选择装置，其用于使所述有源层产生的光中仅特定波长选择性振荡，能够以特定波长振荡的所述波长可调半导体激光器通过使电流流入到有源层中而工作，所述特定波长通过改变所述电流的大小而变化，其中，表示在所述有源层产生的光的传播方向上的长度的器件长度约为200μm到500μm，且所述p型覆层包括从有源层一侧顺序排列的具有低杂质浓度的轻掺杂覆层和具有高杂质浓度的重掺杂覆层。
2.如权利要求1所述的波长可调半导体激光器，其中，当所述p型覆层具有作为p型杂质的Zn时，所述轻掺杂覆层的杂质浓度为未掺杂或约为3×1017/cm3，所述重掺杂覆层的杂质浓度约为1×1018/cm3。
3.如权利要求2所述的波长可调半导体激光器，其中所述重掺杂覆层的浓度在峰值希望为8×1017/cm3或更大，所述轻掺杂覆层的浓度为未掺杂或4×1017/cm3或更小，具有约30nm到70nm的厚度。
4.如权利要求1所述的波长可调半导体激光器，其中所述p型覆层还包括具有中等杂质浓度的中度掺杂覆层，所述中度掺杂覆层顺序排列在所述重掺杂覆层上。
5.如权利要求4所述的波长可调半导体激光器，其中，当p型覆层具有作为p型杂质的Zn时，所述中度掺杂覆层的杂质浓度约为5×1017/cm3。
6.如权利要求1所述的波长可调半导体激光器，包括下单独限制异质结构(SCH)层，其借助于间隔层形成在所述n型半导体衬底上；多量子阱(MQW)层，其作为所述有源层形成在所述下SCH层之上；以及上SCH层，其形成在所述有源层之上。
7.如权利要求6所述的波长可调半导体激光器，其中所述n型半导体衬底的上部、所述波长选择装置、所述下SCH层、所述有源层、所述上SCH层、以及部分所述p型覆层形成为台面形，且p型掩埋层和n型掩埋层从底侧起形成在所述台面的两侧。
8.如权利要求1所述的波长可调半导体激光器，其中分布反馈型(DFB)、分布反射型(DR)、分布布拉格反射型(DBR)、部分衍射光栅型(PC)、以及外腔型(EC)中的任一种作为所述波长可调半导体激光器的结构被采用。
9.一种波长可调半导体激光器，包括n型半导体衬底；有源层，其设置在所述n型半导体衬底上且产生光；p型覆层，其设置在所述有源层上；以及波长选择装置，其用于使所述有源层产生的光中仅特定波长选择性振荡，能够以特定波长振荡的所述波长可调半导体激光器通过注入电流到所述有源层中而工作，所述特定波长通过改变所述电流的大小而变化，其中，与所述有源层中产生的光的传播方向正交且表示在与所述n型半导体衬底平行的方向上的长度的所述有源层的宽度约为1μm到2μm，且所述p型覆层包括从有源层一侧顺序排列的具有低杂质浓度的轻掺杂覆层和具有高杂质浓度的重掺杂覆层。
10.如权利要求9所述的波长可调半导体激光器，其中，当所述p型覆层具有作为p型杂质的Zn时，所述轻掺杂覆层的杂质浓度为未掺杂或约为3×1017/cm3，所述重掺杂覆层的杂质浓度约为1×1018/cm3。
11.如权利要求10所述的波长可调半导体激光器，其中所述重掺杂覆层的浓度在峰值希望为8×1017/cm3或更大，所述轻掺杂覆层的浓度为未掺杂或4×1017/cm3或更小，具有约30nm到70nm的厚度。
12.如权利要求9所述的波长可调半导体激光器，其中所述p型覆层还包括具有中等杂质浓度的中度掺杂覆层，所述中度掺杂覆层顺序排列在所述重掺杂覆层上。
13.如权利要求12所述的波长可调半导体激光器，其中，当p型覆层具有作为p型杂质的Zn时，所述中度掺杂覆层的杂质浓度约为5×1017/cm3。
14.如权利要求9所述的波长可调半导体激光器，包括下单独限制异质结构(SCH)层，其借助于间隔层形成在所述n型半导体衬底上；多量子阱(MQW)层，其作为所述有源层形成在所述下SCH层之上；以及上SCH层，其形成在所述有源层之上。
15.如权利要求14所述的波长可调半导体激光器，其中所述n型半导体衬底的上部、所述波长选择装置、所述下SCH层、所述有源层、所述上SCH层、以及部分所述p型覆层形成为台面形，且p型掩埋层和n型掩埋层从底侧起形成在所述台面的两侧。
16.如权利要求9所述的波长可调半导体激光器，其中分布反馈型(DFB)、分布反射型(DR)、分布布拉格反射型(DBR)、部分衍射光栅型(PC)、以及外腔型(EC)中的任一种作为所述波长可调半导体激光器的结构被采用。
17.一种波长可调半导体激光器，包括n型半导体衬底；有源层，其设置在所述n型半导体衬底上且产生光；p型覆层，其设置在所述有源层上；以及波长选择装置，其用于使所述有源层产生的光中仅特定波长选择性振荡，能够以特定波长振荡的所述波长可调半导体激光器通过注入电流到所述有源层中而工作，所述特定波长通过改变所述电流的大小而变化，其中，表示在所述有源层产生的光的传播方向上的长度的器件长度约为200μm到500μm，与所述有源层中产生的光的传播方向正交且表示在与所述衬底平行的方向上的长度的所述有源层的宽度约为1μm到2μm，且所述p型覆层包括从有源层一侧顺序排列的具有低杂质浓度的轻掺杂覆层和具有高杂质浓度的重掺杂覆层。
18.如权利要求17所述的波长可调半导体激光器，其中，当所述p型覆层具有作为p型杂质的Zn时，所述轻掺杂覆层的杂质浓度为未掺杂或约为3×1017/cm3，所述重掺杂覆层的杂质浓度约为1×1018/cm3。
19.如权利要求18所述的波长可调半导体激光器，其中所述重掺杂覆层的浓度在峰值希望为8×1017/cm3或更大，所述轻掺杂覆层的浓度为未掺杂或4×1017/cm3或更小，具有约30nm到70nm的厚度。
20.如权利要求17所述的波长可调半导体激光器，其中所述p型覆层还包括具有中等杂质浓度的中度掺杂覆层，所述中度掺杂覆层顺序排列在所述重掺杂覆层上。
21.如权利要求20所述的波长可调半导体激光器，其中，当p型覆层具有作为p型杂质的Zn时，所述中度掺杂覆层的杂质浓度约为5×1017/cm3。
22.如权利要求17所述的波长可调半导体激光器，包括下单独限制异质结构(SCH)层，其借助于间隔层形成在所述n型半导体衬底上；多量子阱(MQW)层，其作为所述有源层形成在所述下SCH层之上；以及上SCH层，其形成在所述有源层之上。
23.如权利要求22所述的波长可调半导体激光器，其中所述n型半导体衬底的上部、所述波长选择装置、所述下SCH层、所述有源层、所述上SCH层、以及部分所述p型覆层形成为台面形，且p型掩埋层和n型掩埋层从底侧起形成在所述台面的两侧。
24.如权利要求17所述的波长可调半导体激光器，其中分布反馈型(DFB)、分布反射型(DR)、分布布拉格反射型(DBR)、部分衍射光栅型(PC)、以及外腔型(EC)中的任一种作为所述波长可调半导体激光器的结构被采用。
25.一种气体检测器，包括其中包含波长可调半导体激光器的半导体激光器模块，所述半导体激光器模块发射以特定频率调制波长的激光；光接收器，其接收激光以转换为电信号，所述激光从半导体激光器模块发射并已经穿过待测气体；以及气体检测单元，其在从光接收器输出的电信号的基础上检测待测气体，包含在所述半导体激光器模块中的所述波长可调半导体激光器包括n型半导体衬底；有源层，其设置在所述n型半导体衬底上且产生光；p型覆层，其设置在所述有源层上；以及波长选择装置，其用于使所述有源层产生的光中仅特定波长选择性振荡，能够以特定波长振荡的所述波长可调半导体激光器通过注入电流到有源层中而工作，所述特定波长通过改变所述电流的大小而变化，其中，表示在所述有源层产生的光的传播方向上的长度的器件长度约为200μm到500μm，且所述p型覆层包括从有源层一侧顺序排列的具有低杂质浓度的轻掺杂覆层和具有高杂质浓度的重掺杂覆层。
26.如权利要求25所述的气体检测器，其中，当所述p型覆层具有作为p型杂质的Zn时，所述轻掺杂覆层的杂质浓度为未掺杂或约为3×1017/cm3，所述重掺杂覆层的杂质浓度约为1×1018/cm3。
27.如权利要求26所述的气体检测器，其中所述重掺杂覆层的浓度在峰值希望为8×1017/cm3或更大，所述轻掺杂覆层的浓度为未掺杂或4×1017/cm3或更小，具有约30nm到70nm的厚度。
28.如权利要求25所述的气体检测器，其中所述p型覆层还包括具有中等杂质浓度的中度掺杂覆层，所述中度掺杂覆层顺序排列在所述重掺杂覆层上。
29.如权利要求28所述的气体检测器，其中，当p型覆层具有作为p型杂质的Zn时，所述中度掺杂覆层的杂质浓度约为5×1017/cm3。
30.如权利要求25所述的气体检测器，包括下单独限制异质结构(SCH)层，其借助于间隔层形成在所述n型半导体衬底上；多量子阱(MQW)层，其作为所述有源层形成在所述下SCH层之上；以及上SCH层，其形成在所述有源层之上。
31.如权利要求30所述的气体检测器，其中所述n型半导体衬底的上部、所述波长选择装置、所述下SCH层、所述有源层、所述上SCH层、以及部分所述p型覆层形成为台面形，且p型掩埋层和n型掩埋层从底侧起形成在所述台面的两侧。
32.如权利要求25所述的气体检测器，其中分布反馈型(DFB)、分布反射型(DR)、分布布拉格反射型(DBR)、部分衍射光栅型(PC)、以及外腔型(EC)中的任一种作为所述波长可调半导体激光器的结构被采用。
33.一种气体检测器，包括其中包含波长可调半导体激光器的半导体激光器模块，所述半导体激光器模块发射以特定频率调制波长的激光；光接收器，其接收激光以转换为电信号，所述激光从半导体激光器模块发射并已经穿过待测气体；以及气体检测单元，其在从光接收器输出的电信号的基础上检测待测气体，包含在所述半导体激光器模块中的所述波长可调半导体激光器包括n型半导体衬底；有源层，其设置在所述n型半导体衬底上且产生光；p型覆层，其设置在所述有源层上；以及波长选择装置，其用于使所述有源层产生的光中仅特定波长选择性振荡，能够以特定波长振荡的所述波长可调半导体激光器通过注入电流到有源层中而工作，所述特定波长通过改变所述电流的大小而变化，其中，与所述有源层中产生的光的传播方向正交且表示在与所述n型半导体衬底平行的方向上的长度的所述有源层的宽度约为1μm到2μm，且所述p型覆层包括从有源层一侧顺序排列的具有低杂质浓度的轻掺杂覆层和具有高杂质浓度的重掺杂覆层。
34.如权利要求33所述的气体检测器，其中，当所述p型覆层具有作为p型杂质的Zn时，所述轻掺杂覆层的杂质浓度为未掺杂或约为3×1017/cm3，所述重掺杂覆层的杂质浓度约为1×1018/cm3。
35.如权利要求34所述的气体检测器，其中所述重掺杂覆层的浓度在峰值希望为8×1017/cm3或更大，所述轻掺杂覆层的浓度为未掺杂或4×1017/cm3或更小，具有约30nm到70nm的厚度。
36.如权利要求33所述的气体检测器，其中所述p型覆层还包括具有中等杂质浓度的中度掺杂覆层，所述中度掺杂覆层顺序排列在所述重掺杂覆层上。
37.如权利要求36所述的气体检测器，其中，当p型覆层具有作为p型杂质的Zn时，所述中度掺杂覆层的杂质浓度约为5×1017/cm3。
38.如权利要求34所述的气体检测器，包括下单独限制异质结构(SCH)层，其借助于间隔层形成在所述n型半导体衬底上；多量子阱(MQW)层，其作为所述有源层形成在所述下SCH层之上；以及上SCH层，其形成在所述有源层之上。
39.如权利要求38所述的气体检测器，其中所述n型半导体衬底的上部、所述波长选择装置、所述下SCH层、所述有源层、所述上SCH层、以及部分所述p型覆层形成为台面形，且p型掩埋层和n型掩埋层从底侧起形成在所述台面的两侧。
40.如权利要求33所述的气体检测器，其中分布反馈型(DFB)、分布反射型(DR)、分布布拉格反射型(DBR)、部分衍射光栅型(PC)、以及外腔型(EC)中的任一种作为所述波长可调半导体激光器的结构被采用。
41.一种气体检测器，其包括其中包含波长可调半导体激光器的半导体激光器模块，所述半导体激光器模块发射以特定频率调制波长的激光；光接收器，其接收激光以转换为电信号，所述激光从半导体激光器模块发射并已经穿过待测气体；以及气体检测单元，其在从光接收器输出的电信号的基础上检测待测气体，包含在所述半导体激光器模块中的所述波长可调半导体激光器包括n型半导体衬底；有源层，其设置在所述n型半导体衬底上且产生光；p型覆层，其设置在所述有源层上；以及波长选择装置，其用于使所述有源层产生的光中仅特定波长选择性振荡，能够以特定波长振荡的所述波长可调半导体激光器通过注入电流到有源层中而工作，所述特定波长通过改变所述电流的大小而变化，其中，表示在所述有源层产生的光的传播方向上的长度的器件长度约为200μm到500μm，与所述有源层中产生的光的传播方向正交且表示在与所述衬底平行的方向上的长度的所述有源层的宽度约为1μm到2μm，且所述p型覆层包括从有源层一侧顺序排列的具有低杂质浓度的轻掺杂覆层和具有高杂质浓度的重掺杂覆层。
42.如权利要求41所述的气体检测器，其中，当所述p型覆层具有作为p型杂质的Zn时，所述轻掺杂覆层的杂质浓度为未掺杂或约为3×1017/cm3，所述重掺杂覆层的杂质浓度约为1×1018/cm3。
43.如权利要求42所述的气体检测器，其中所述重掺杂覆层的浓度在峰值希望为8×1017/cm3或更大，所述轻掺杂覆层的浓度为未掺杂或4×1017/cm3或更小，具有约30nm到70nm的厚度。
44.如权利要求41所述的气体检测器，其中所述p型覆层还包括具有中等杂质浓度的中度掺杂覆层，所述中度掺杂覆层顺序排列在所述重掺杂覆层上。
45.如权利要求44所述的气体检测器，其中，当p型覆层具有作为p型杂质的Zn时，所述中度掺杂覆层的杂质浓度约为5×1017/cm3。
46.如权利要求41所述的气体检测器，包括下单独限制异质结构(SCH)层，其借助于间隔层形成在所述n型半导体衬底上；多量子阱(MQW)层，其作为所述有源层形成在所述下SCH层之上；以及上SCH层，其形成在所述有源层之上。
47.如权利要求46所述的气体检测器，其中所述n型半导体衬底的上部、所述波长选择装置、所述下SCH层、所述有源层、所述上SCH层、以及部分所述p型覆层形成为台面形，且p型掩埋层和n型掩埋层从底侧起形成在所述台面的两侧。
48.如权利要求41所述的气体检测器，其中分布反馈型(DFB)、分布反射型(DR)、分布布拉格反射型(DBR)、部分衍射光栅型(PC)、以及外腔型(EC)中的任一种作为所述波长可调半导体激光器的结构被采用。
全文摘要
一种波长可调半导体激光器，其包括n型半导体衬底；设置在所述n型半导体衬底上且能够发光的有源层；设置在所述有源层上的p型覆层；以及用于使有源层中发出的光的特定波长选择性振荡的波长选择装置。在电流注入到所述有源层中时，所述波长可变半导体激光器以特定波长振荡，所述特定波长可以通过改变所述电流的大小而被改变。表示在产生的光的传播方向上的长度的器件长度在约200μm到500μm的范围。表示在与所述光的传播方向垂直且与所述衬底平行的方向上的长度的有源层的宽度在约1μm到2μm的范围。所述p型覆层包括从有源层一侧顺序形成的具有低杂质浓度的低浓度覆层子层和具有高杂质浓度的高浓度覆层子层。
文档编号H01S5/12GK1765037SQ200580000140
公开日2006年4月26日 申请日期2005年2月10日 优先权日2004年2月16日
发明者森浩, 菊川知之, 高桥良夫, 铃木敏之, 木村洁 申请人:安立股份有限公司