專利名稱：傾斜空腔半導(dǎo)體激光器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體裝置領(lǐng)域。更具體說(shuō)，本發(fā)明屬于表面發(fā)射激光器和波長(zhǎng)穩(wěn)定邊緣發(fā)射激光器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器在光纖傳輸及信號(hào)放大系統(tǒng)、波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)、波分交換系統(tǒng)、和波長(zhǎng)交叉連接系統(tǒng)中，以及在光測(cè)量領(lǐng)域中，都起著重要作用。
半導(dǎo)體激光器的一個(gè)主要問(wèn)題，是能帶隙隨溫度變化，導(dǎo)致不希望的發(fā)射光波長(zhǎng)對(duì)溫度的依賴性，特別是對(duì)高輸出功率的運(yùn)行。解決波長(zhǎng)穩(wěn)定性的一種途徑，包括使用分布反饋激光器。該種途徑的一些例子，包括U.S.Patent No.3,760,292，標(biāo)題為“INTEGRATEDFEEDBACK LASER”，1973年9月18日頒布，和U.S.Patent No.4,740,987，標(biāo)題為“DISTRIBUTED-FEEDBACK LASER HAVINGENHANCED MODE SELECTIVITY”，1988年4月26日頒布。對(duì)邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器，分布反饋一般通過(guò)半導(dǎo)體內(nèi)折射率的橫向調(diào)制實(shí)現(xiàn)，或通過(guò)光纖的形狀調(diào)制實(shí)現(xiàn)。分布反饋增強(qiáng)激光器輻射光學(xué)模的選擇性。發(fā)射光波長(zhǎng)的固定是通過(guò)裝置的設(shè)計(jì)，于是，裝置的溫度依賴性歸結(jié)為折射率的溫度變化，它比那些由于能帶隙的變化顯著地小。但是，該種途徑與常規(guī)激光器的外延生長(zhǎng)相比，要求非常復(fù)雜的技術(shù)步驟。
另一種途徑，包括使用垂直空腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)。它通常利用成對(duì)的交替高、低折射率層，形成n型和p型的多層Bragg堆反射鏡。反射鏡的高反射率導(dǎo)致銳諧振，而選擇的波長(zhǎng)由空腔厚度確定。波長(zhǎng)的溫度依賴性，是由于折射率的溫度變化。VCSEL設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在于不同折射率的層必須與基底晶格匹配。這一要求大大地降低可用于Bragg反射鏡的材料數(shù)量。對(duì)GaAs基激光器，典型的Bragg反射鏡包括交替的不同成分的GaAlAs層，或交替的GaAlAs層與GaAs層。在InP基激光器中，使用交替的GaInAs、AlInAs、GaInAs或不同組分的GaInAsP層。調(diào)整各層，對(duì)晶體中的光波長(zhǎng)提供λ/2的周期性。因?yàn)榻惶鎸又g的折射率差非常小，為了達(dá)到激光器運(yùn)行需要的高反射率，通常對(duì)制作Bragg反射器的不同材料，典型的反射鏡無(wú)論如何要求在20到100層之間。常規(guī)的Bragg堆反射鏡結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)，是制作完整的VCSEL要求40到200層以上的高質(zhì)量層。
因此，有必要在本領(lǐng)域降低制作反射鏡必須的層數(shù)。在該領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，包括引用導(dǎo)模諧振效應(yīng)的激光器，如在U.S.Patent No.6,154,480所公開(kāi)的，標(biāo)題為“VERTICAL CAVITY LASER ANDLASER ARRAY INCORPORATING GUIDE-MODE RESONANCEEFFECTS AND METHOD FOR MAKING THE SAME”，2000年11月28日頒布。在該專利中，一個(gè)(或多個(gè))Bragg反射鏡被光柵取代，該光柵構(gòu)成橫向方向的一種光學(xué)模波導(dǎo)。由于光柵的衍射，以某一波長(zhǎng)發(fā)射的光與波導(dǎo)模耦合，因而由光柵層提供產(chǎn)生激光要求的高的反射。該設(shè)計(jì)的一個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)，是制作一種或多種有橫向周期光柵時(shí)不可避免的光刻步驟，它不允許在單一的外延生長(zhǎng)過(guò)程中制作激光器。此外，實(shí)際的更可接受的情況是，只有一個(gè)頂部光柵被使用，底部Bragg反射器仍然有表征常規(guī)VCSEL的所有限制及缺點(diǎn)。
因此，在本領(lǐng)域，需要一種免除多層Bragg反射鏡的表面發(fā)射激光器，或更一般地說(shuō)，需要一種方法，能在單次外延生長(zhǎng)過(guò)程中，制作波長(zhǎng)穩(wěn)定激光器的完整結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
一種新穎的半導(dǎo)體激光器類型，或叫“傾斜空腔激光器”，包括至少一個(gè)具有有源區(qū)的有源單元，該有源區(qū)通過(guò)電流的注入及反射鏡，產(chǎn)生光增益。該有源單元放在空腔內(nèi)。該空腔的設(shè)計(jì)，能使諧振光學(xué)模的光路，既對(duì)垂直方向傾斜，也對(duì)橫向平面傾斜。因此，為該諧振光學(xué)模提供了垂直方向及橫向方向兩個(gè)方向上的反饋。與具體的實(shí)施例有關(guān)，該激光器既可作為表面發(fā)射激光器工作，也可作為邊緣發(fā)射激光器工作。采用傾斜光學(xué)模，能在底部和頂部干涉反射器中，比常規(guī)激光器使用顯著少得多的層。這樣可以維持必需的高的反射系數(shù)。還實(shí)現(xiàn)一種邊緣發(fā)射的波長(zhǎng)穩(wěn)定激光器。波長(zhǎng)的穩(wěn)定性，是由于色散定律對(duì)不同折射率各層中的傾斜光學(xué)模的差別。


圖1畫(huà)出垂直空腔表面發(fā)射激光器現(xiàn)有技術(shù)的示意圖。
圖2畫(huà)出被兩個(gè)多層干涉反射器包圍的空腔的傾斜模示意圖。
圖3畫(huà)出空腔傾斜模的示意圖，圖中的光呈現(xiàn)出從反射器的全內(nèi)反射，且每一反射器都使用單層反射器。
圖4畫(huà)出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中通過(guò)有選擇地部分移去多層反射器作成的光學(xué)孔徑，提供垂直方向的光輸出。
圖5畫(huà)出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中通過(guò)在多層干涉反射器頂部，增加一層淀積層，提供垂直方向的光輸出。
圖6畫(huà)出本發(fā)明一種特殊結(jié)構(gòu)的示意圖，該結(jié)構(gòu)包括空腔、三周期底部干涉反射器、和三周期頂部干涉反射器。
圖7對(duì)圖6結(jié)構(gòu)的傾斜角θ，畫(huà)出計(jì)算的傾斜光學(xué)模的輻射損耗。
圖8對(duì)圖6的結(jié)構(gòu)，畫(huà)出相同的計(jì)算的傾斜光學(xué)模輻射損耗示意圖，表示為發(fā)射的輻射波長(zhǎng)的函數(shù)。
圖9畫(huà)出包括兩層不同折射率的空腔的示意圖，圖中，有源層放在空腔該兩層之一內(nèi)。
圖10畫(huà)出包括兩層不同折射率的空腔的示意圖，圖中，有源層放在該兩層之間的邊界上。
圖11對(duì)圖10空腔的傾斜光學(xué)模，畫(huà)出計(jì)算的作為波長(zhǎng)函數(shù)的輻射損耗。
圖12對(duì)圖10空腔不同的光學(xué)模，畫(huà)出計(jì)算的輻射損耗。
圖13對(duì)圖3結(jié)構(gòu)的傾斜角θ，畫(huà)出計(jì)算的傾斜光學(xué)模的輻射損耗。
圖14對(duì)圖3的結(jié)構(gòu)，畫(huà)出計(jì)算的傾斜光學(xué)模輻射損耗相同的示意圖，表示為發(fā)射的輻射波長(zhǎng)的函數(shù)。
圖15畫(huà)出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中包括吸收區(qū)的吸收單元，放在頂部反射器的頂部。
圖16畫(huà)出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中部分地蝕刻頂部多層干涉反射器，為傾斜光學(xué)模提供橫向方向反饋。
圖17畫(huà)出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中在頂部多層干涉反射器的頂部，制作光柵，為傾斜光學(xué)模提供橫向方向反饋。
圖18畫(huà)出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中的空腔包括有源單元及含有Stark調(diào)制器的相位控制單元。
圖19畫(huà)出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中的空腔包括有源單元及含有Stark調(diào)制器的相位控制單元，以及在頂部多層干涉反射器頂部的光學(xué)孔徑，提供光輸出。
圖20畫(huà)出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，該實(shí)施例包括位于頂部反射器頂部的吸收單元。
圖21畫(huà)出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中的空腔包括有源單元及相位控制單元。
圖22畫(huà)出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中的空腔包括有源單元及功率調(diào)制單元。
圖23畫(huà)出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中的空腔包括有源單元、相位控制單元、和功率調(diào)制單元。
圖24畫(huà)出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中的空腔包括有源單元及提供增強(qiáng)發(fā)射光波長(zhǎng)溫度穩(wěn)定性的調(diào)制器。
圖25畫(huà)出使用調(diào)制器對(duì)抗溫度變化的波長(zhǎng)穩(wěn)定化原理。
圖26畫(huà)出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中的傾斜空腔裝置的作用，是用作波長(zhǎng)選擇光檢測(cè)器，以檢測(cè)沿垂直方向的入射光。
圖27畫(huà)出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中的傾斜空腔裝置的作用，是用作波長(zhǎng)選擇光檢測(cè)器，以檢測(cè)沿橫向方向的入射光。
圖28畫(huà)出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中的傾斜空腔裝置的作用，是用作波長(zhǎng)選擇放大器。
具體實(shí)施例方式
圖1畫(huà)出現(xiàn)有技術(shù)的表面發(fā)射激光器，或更準(zhǔn)確地說(shuō)，是垂直空腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)。在表面發(fā)射激光器中，有源區(qū)一般都置于空腔內(nèi)。非摻雜或弱摻雜的有源區(qū)，被n型和p型觸點(diǎn)層包圍，這些觸點(diǎn)層一般又被反射鏡包圍。該結(jié)構(gòu)在基底(10)上外延生長(zhǎng)。用作底部反射器(102)的是Bragg反射器。VCSEL的其余部分是有源單元。
電流孔徑(13)把有第一金屬觸點(diǎn)(15)的n型摻雜電流擴(kuò)展層(14)，與包圍有源區(qū)(17)的弱摻雜約束層(16)分開(kāi)。第二電流孔徑(13)把弱摻雜約束層(16)，與有第二金屬觸點(diǎn)(19)的p型摻雜電流擴(kuò)展層(18)分開(kāi)。n型摻雜電流擴(kuò)展層(14)直接放在底部反射鏡(102)的頂部。有源單元在正向偏置(11)下工作。有源區(qū)(17)產(chǎn)生光。約束層(16)用于對(duì)陷入有源區(qū)的載流子提供電約束。光通過(guò)頂部反射鏡(110)出射(112)。
基底(10)可以由任何III-V族半導(dǎo)體材料，或III-V族半導(dǎo)體合金，如GaAs、InP、GaSb形成。一般使用GaAs或InP，要看需要的激光輻射的發(fā)射波長(zhǎng)。形成n型摻雜層(14)的材料，必須與基底(10)晶格匹配或近似晶格匹配，對(duì)產(chǎn)生的光透明，并由施主雜質(zhì)摻雜。n型摻雜層(14)的材料，最好與基底(10)相同，如GaAs?？赡艿氖┲麟s質(zhì)包括，但不限于，S、Se、Te、和像Si、Ge、Sn的兩性雜質(zhì)，其中，后者是在如下技術(shù)條件下引入的，即它們主要被結(jié)合進(jìn)陽(yáng)離子子晶格并作為施主雜質(zhì)。
形成p型摻雜層(18)的材料，必須與基底(10)晶格匹配或近似晶格匹配，對(duì)產(chǎn)生的光透明，并由受主雜質(zhì)摻雜。p型摻雜層(18)的材料，最好與基底(10)相同，如GaAs?？赡艿氖苤麟s質(zhì)包括，但不限于，Be、Mg、Zn、Cd、Pb、Mn、和像Si、Ge、Sn的兩性雜質(zhì)，其中，后者是在如下技術(shù)條件下引入的，即它們主要被結(jié)合進(jìn)陰離子子晶格并作為受主雜質(zhì)。
金屬觸點(diǎn)(15)和(19)，最好由多層金屬結(jié)構(gòu)形成。金屬觸點(diǎn)(15)最好由包括，但不限于，結(jié)構(gòu)Ni-Au-Ge的結(jié)構(gòu)形成。金屬觸點(diǎn)(19)最好由包括，但不限于，結(jié)構(gòu)Ti-Pt-Au的結(jié)構(gòu)形成。
形成約束層(16)的材料，必須與基底(10)晶格匹配或近似晶格匹配，對(duì)產(chǎn)生的光透明，和非摻雜或弱摻雜。形成這些約束層的材料，最好與基底(10)相同。
放在約束層(16)內(nèi)的有源區(qū)(17)，最好由任一種能帶隙比基底(10)更窄的嵌入物形成?？赡艿挠性磪^(qū)(17)包括，但不限于，量子阱、量子線、量子點(diǎn)、或它們的任何組合的單層或多層系統(tǒng)。對(duì)GaAs基底上的裝置的情形，有源區(qū)(17)的例子包括，但不限于，InAs、In1-xGaxAs、InxGa1-x-yAlyAs、InxGa1-xAs1-yNy或類似材料的嵌入物系統(tǒng)。
每一層通過(guò)電流孔徑(13)與相鄰層分開(kāi)，該電流孔徑的作用是電流阻擋層，并由包括，但不限于，Al(Ga)O層或質(zhì)子轟擊層的材料形成。
對(duì)底部反射鏡(102)及對(duì)頂部反射鏡(110)的不同設(shè)計(jì)，都可以使用，如在下面的書(shū)所說(shuō)明D.G.Deppe，Optoelectronic Propertiesof Semiconductors and Superlattices(Vol.10，Vertical-CavitySurface-Emitting LasersTechnology and Applications，edited by J.Cheng and N.K.Dutta，Gordon and Breach Science Publishers，2000，pp.1-61)。典型的設(shè)計(jì)包括，但不限于，對(duì)GaAs基底上的裝置，是多層半導(dǎo)體反射鏡GaAs/Ga1-xAlxAs，或?qū)nP基底上的裝置，是帶有交替組分的四元合金InxGa1-x-yAlyAs的多層結(jié)構(gòu)。
使用該設(shè)計(jì)的一個(gè)缺點(diǎn)，是必須制作有極其大數(shù)量層的Bragg反射鏡，因?yàn)檫m合建立Bragg反射鏡層的材料的選擇非常嚴(yán)格。所有這些層必須與基底晶格匹配，或近似晶格匹配。對(duì)GaAs基的VCSEL，這些層是AlAs和Ga1-xAlxAs合金。對(duì)發(fā)射波長(zhǎng)λ＝0.98μm，GaAs與AlAs之間折射率的差別很小(Δn＝0.57)，要使Bragg反射鏡達(dá)到99.5％的反射率，必需約30個(gè)周期(60層)(如見(jiàn)U.S.Patent No.6,154,480)。對(duì)InP基的VCSEL，適合的晶格匹配材料是合金Ga0.47In0.53As及對(duì)應(yīng)的四元合金InxGa1-xAs1-yPy，其中的組分(x，y)服從關(guān)系x＝1-0.47(1-y)，或具有組分x＝0.53，及任意y的四元合金InxGa1-x-yAlyAs。各層間的折射率差別，在此情形下甚至更小(Δn＝0.3)，Bragg反射鏡需要約100周期(200層)。
本發(fā)明通過(guò)使用一種設(shè)計(jì)的有源單元，使諧振光學(xué)模傾斜于反射鏡，解決了要求大數(shù)量層的問(wèn)題。因?yàn)楫?dāng)光從兩層間單一邊界反射時(shí)，入射光的反射系數(shù)隨傾斜角增加，所以必要的高反射系數(shù)，例如99.5％，可以從層數(shù)比常規(guī)VCSEL少得多的諧振多層反射鏡獲得。具體說(shuō)，如果入射角超過(guò)兩層間邊界上的全內(nèi)反射角，則反射器可以包括折射率低于空腔折射率的單一層。所以，本發(fā)明的激光器在本文被稱為“傾斜空腔激光器”。使用該設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體裝置的具體例子，包括光檢測(cè)器和放大器。
如果空腔至少包括有不同折射率的兩層，那么兩層材料的諧振條件，能使發(fā)射光的波長(zhǎng)及光學(xué)模的傾斜角兩者都穩(wěn)定化。另外，如果空腔正好是被多層干涉反射鏡包圍的單一層，則可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的穩(wěn)定化。在空腔及有不同于空腔折射率的多層反射鏡層中，其諧振條件能使發(fā)射光的波長(zhǎng)及光學(xué)模的傾斜角穩(wěn)定化。在另一個(gè)實(shí)施例中，用光學(xué)模表現(xiàn)兩層半導(dǎo)體層之間邊界上的全內(nèi)反射。一方面是通過(guò)底部及頂部反射鏡，另一方面是通過(guò)側(cè)表面，兩種輻射損耗之間的相互作用，能使發(fā)射光的波長(zhǎng)穩(wěn)定化。
在一個(gè)實(shí)施例中，激光器添加了包含調(diào)制器的相位控制單元，該調(diào)制器在激光器產(chǎn)生的波長(zhǎng)的短波長(zhǎng)側(cè)，表現(xiàn)出強(qiáng)的窄的光吸收峰。波長(zhǎng)控制是通過(guò)使用電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。如果施加反向偏置，由于Stark效應(yīng)，吸收峰將移至較長(zhǎng)的波長(zhǎng)。如果施加正向偏置，則電流注入并導(dǎo)致漂白和降低峰吸收。在上述兩種情況中，在相位控制單元內(nèi)出現(xiàn)折射率強(qiáng)的調(diào)制。該效應(yīng)調(diào)諧空腔模的波長(zhǎng)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，激光器添加了包含吸收器的功率調(diào)制單元，該吸收器在激光器產(chǎn)生的波長(zhǎng)的短波長(zhǎng)側(cè)，表現(xiàn)出有限的或弱的吸收峰。功率調(diào)制是通過(guò)使用電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。如果施加反向偏置，由于Stark效應(yīng)，吸收的極大將移至較長(zhǎng)的波長(zhǎng)。如果施加正向偏置，則電流注入并導(dǎo)致漂白和降低峰吸收，從而降低光學(xué)模的內(nèi)部損耗，并增加輸出功率。
圖2示意畫(huà)出使用傾斜光學(xué)模的激光器原理。裝置(200)包括被底部反射器(202)和頂部反射器(210)包圍的空腔(220)?？涨?220)包括被弱摻雜或非摻雜約束層(106)包圍的有源區(qū)(107)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，基底、電流擴(kuò)展層、金屬觸點(diǎn)、和偏置，圖中都沒(méi)有畫(huà)出。底部反射器(202)和頂部反射器(210)是諧振多層結(jié)構(gòu)，在某一角度和波長(zhǎng)范圍表現(xiàn)出高的反射率。在每一反射器(202)和(210)內(nèi)，層數(shù)是可變的。雖然在該圖中，每一反射器(202)和(210)是多層的，但這些反射器之一或兩者，也可以只包含單層(見(jiàn)圖3)。插圖定義了層間邊界上入射光的傾斜角θ。
反射器(202)和(210)如同常規(guī)反射鏡(102)和(110)，包括相同材料的層狀結(jié)構(gòu)，但包含較少的層。同樣，一方面是高折射率的層，另一方面是低折射率的層，可以在厚度上顯著不同。傾斜模(213)的光路，以閉合的線表示。垂直方向的反饋，由底部(202)和頂部(210)反射器提供。對(duì)本特定實(shí)施例，沿橫向方向的反饋，由空腔(220)的側(cè)面反射器(221)提供。
圖3示意畫(huà)出使用傾斜光學(xué)模，及在底部和頂部反射器的全內(nèi)反射條件下，激光器的工作原理。裝置(300)包括被反射器(302)和(310)包圍的空腔(320)?？涨?320)包括被非摻雜或弱摻雜約束層(106)包圍的有源區(qū)(107)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，基底、電流擴(kuò)展層、金屬觸點(diǎn)、和偏置，圖中都沒(méi)有畫(huà)出。傾斜模(313)的光路，以閉合的線表示。底部反射器(302)和頂部反射器(310)是單層的，提供光學(xué)模顯著的衰減。
(302)和(310)的每一層，最好與基底晶格匹配或近似晶格匹配，對(duì)發(fā)射光透明，并有低于空腔(320)折射率n1的折射率n2。激光器產(chǎn)生的傾斜光學(xué)模，既能沿垂直方向發(fā)射，作為表面發(fā)射激光器工作，也能沿橫向方向發(fā)射，作為邊緣發(fā)射激光器工作。
在有源區(qū)的橫向尺寸(L)大于它的垂直厚度(D)的實(shí)際情況下，可以作更細(xì)致的考慮，即，L＞＞D(1)如在圖2和在圖3中所示。
在較為簡(jiǎn)單的圖3中，該結(jié)構(gòu)可以作為三維條形波導(dǎo)處理。于是，TE光學(xué)模中的電場(chǎng)能夠描述如下(H.C.Casey，Jr.And M.B.Panish，Heterostructure Laser，Part A.Academic Press，New York，1978，pp.34-57)Ey＝C1cos(kxx)exp[-κ|z)如果z＜0；(2a)Ey＝cos(kxx)[Acos(kzz)+Bsin(kzz)] 如果0＜z＜D； (2b)Ey＝C2cos(kxx)exp[-κ(z-D)]如果z＞D；(2c)波矢分量kx和kz，由有源區(qū)中的色散關(guān)系相聯(lián)系kx2+kz2＝n12(2π/λ)2(3)而衰減系數(shù)κ由反射器的色散關(guān)系確定kx2-κ2＝n22(2π/λ)2(4)這里λ是發(fā)射光在真空中的波長(zhǎng)。當(dāng)在z＝0和z＝D上加上邊界條件后，能用標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程算出波矢kx。
為分析空腔中不同類型的光學(xué)模，通常用波長(zhǎng)λ及角度θ，如圖2中的定義來(lái)表征它們。于是，kx＝(2π/λ)n1sinθ。在有源區(qū)與相鄰層(302)及(310)之間邊界上，如果sinθ＞n2/n1(5)則滿足全內(nèi)反射條件。對(duì)波長(zhǎng)λ＝0.98μm，我們把折射率n1＝3.52(如對(duì)GaAs)和n1＝2.95(如對(duì)AlAs)代入，可得θ＞57°。如果光學(xué)模滿足方程式(5)，那么圖3的結(jié)構(gòu)能使光學(xué)模約束在空腔中，并有高的來(lái)自反射器的反射系數(shù)。
對(duì)較小的傾斜角sinθ＜n2/n1(6)光在層中以折射率n2傳播。于是，圖2有多層干涉反射器的結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)光學(xué)模的約束。對(duì)傾斜光學(xué)模，與正入射的模比較，反射器需要的層數(shù)較少。
如果傾斜角θ在“半導(dǎo)體-真空”邊界，超過(guò)全內(nèi)反射角，即(1/n1)＜sinθ(7)那么通過(guò)反射器出射的諧振光學(xué)模仍舊不能出射至真空。對(duì)GaAs，這些角度是θ＞17°。對(duì)較小的入射角，與常規(guī)的VCSEL相比，沒(méi)有什么優(yōu)點(diǎn)。因此，需要找到一種途徑，以便把傾斜光學(xué)模的光沿垂直方向輸出。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是可能的途徑，其中的空腔被一側(cè)為多層干涉反射器，另一側(cè)為單層反射器包圍。該多層干涉反射器包括一系列折射率n1和n2交替的層，并且選擇傾斜光學(xué)模的入射角θ，使sinθ＜(n2/n1)，因此，在包括多層反射器的層間邊界，不發(fā)生全內(nèi)反射。單層反射器則是有折射率n3的層，使sinθ＞(n33/n1)，于是，在折射率為n1的空腔與折射率為n3之間的邊界，發(fā)生全內(nèi)反射?？赡艿膶?shí)施例包括，但不限于，一種如下的結(jié)構(gòu)，其中的空腔是一層GaAs，而多層反射器是GaAs及Ga1-x2Alx2As層系列，單層反射器是一層Ga1-x3Alx3As，且x3＞x2。在這樣的裝置中，底部反射器可以是多層干涉反射器，而頂部反射器可以是單層反射器。或者，底部反射器可以是單層干涉反射器，而頂部反射器可以是多層反射器。
圖4畫(huà)出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中通過(guò)有選擇地部分移去多層反射器(410)而建立光學(xué)孔徑(414)。為形成有源區(qū)，電流孔徑(103)把有第一金屬觸點(diǎn)(105)的n型摻雜電流擴(kuò)展層(104)，與包圍有源區(qū)(107)的弱摻雜或非摻雜約束層(106)分開(kāi)。第二電流孔徑(103)把弱摻雜或非摻雜約束層(106)，與有第二金屬觸點(diǎn)(109)的p型摻雜電流擴(kuò)展層(108)分開(kāi)。有源單元在正向偏置(111)下工作。有源區(qū)(107)產(chǎn)生光。約束層(106)用于對(duì)陷入有源區(qū)(107)的載流子提供電約束。
基底(101)可以由任何III-V族半導(dǎo)體材料，或III-V族半導(dǎo)體合金，如GaAs、InP、GaSb形成。一般使用GaAs或InP，要看需要的激光輻射的發(fā)射波長(zhǎng)。形成n型摻雜層(104)的材料，最好與基底(101)晶格匹配或近似晶格匹配，對(duì)產(chǎn)生的光透明，并由施主雜質(zhì)摻雜。n型摻雜層(104)的材料，最好與基底(101)相同，如GaAs。可能的施主雜質(zhì)，包括，但不限于，S、Se、Te、和像Si、Ge、Sn的兩性雜質(zhì)，其中，后者是在如下技術(shù)條件下引入的，即它們主要被結(jié)合進(jìn)陽(yáng)離子子晶格并作為施主雜質(zhì)。
形成p型摻雜層(108)的材料，最好與基底(101)晶格匹配或近似晶格匹配，對(duì)產(chǎn)生的光透明，并由受主雜質(zhì)摻雜。p型摻雜層(108)的材料，最好與基底(101)相同，如GaAs?？赡艿氖苤麟s質(zhì)包括，但不限于，Be、Mg、Zn、Cd、Pb、Mn、和像Si、Ge、Sn的兩性雜質(zhì)，其中，后者是在如下技術(shù)條件下引入的，即它們主要被結(jié)合進(jìn)陰離子子晶格并作為受主雜質(zhì)。
金屬觸點(diǎn)(105)和(109)，最好由多層金屬結(jié)構(gòu)形成。金屬觸點(diǎn)(105)最好由包括，但不限于，結(jié)構(gòu)Ni-Au-Ge的結(jié)構(gòu)形成。金屬觸點(diǎn)(109)最好由包括，但不限于，結(jié)構(gòu)Ti-Pt-Au的結(jié)構(gòu)形成。
形成約束層(106)的材料，最好與基底(101)晶格匹配或近似晶格匹配，對(duì)產(chǎn)生的光透明，和非摻雜或弱摻雜。形成這些約束層(106)的材料，最好與基底(101)相同。
放在約束層(106)內(nèi)的有源區(qū)(107)，最好由任一種能帶隙比基底(101)更窄的嵌入物形成。可能的有源區(qū)(107)包括，但不限于，量子阱、量子線、量子點(diǎn)、或它們的任何組合的單層或多層系統(tǒng)。對(duì)GaAs基底上的裝置的情形，有源區(qū)(107)的例子包括，但不限于，InAs、In1-xGaxAs、InxGa1-x-yAlyAs、InxGa1-xAs1-yNy或類似材料的嵌入物系統(tǒng)。
每一層被電流孔徑(103)與相鄰層分開(kāi)，該電流孔徑的作用是電流阻擋層，并由包括，但不限于，Al(Ga)O層或質(zhì)子轟擊層的材料形成。
傾斜空腔(420)包括層(103)、(104)、(105)、(106)、(107)、和(108)。傾斜空腔(420)在垂直方向受限于底部反射器(202)和頂部反射器(410)。傾斜空腔(420)在橫向平面受限于電流孔徑(103)。諧振光學(xué)模(413)的光穿過(guò)頂部反射器(410)出射。沒(méi)有光學(xué)孔徑(414)，由于與真空邊界的全內(nèi)反射，光不能從該結(jié)構(gòu)中出射。光學(xué)孔徑(414)導(dǎo)致光的衍射，從而使光的一些衍射分量出射(412)。具體的幾何實(shí)施例，是用例如R.D.Meade et al.在Accuratetheoretical analysis of photonic band-gap materials(Phys.Rev.B 4811，1993，pp.8434～8437)中發(fā)展的方法，通過(guò)求解光在非均勻介質(zhì)中傳播的三維問(wèn)題計(jì)算的。具體說(shuō)，典型的實(shí)施例包括，但不限于，把有源區(qū)(107)放在傾斜光學(xué)模(413)極大上的結(jié)構(gòu)。
圖5畫(huà)出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中在多層干涉反射器(210)頂部，引進(jìn)一光學(xué)孔徑(514)?？涨?520)包括層(103)、(104)、(105)、(106)、(107)、和(108)。諧振光學(xué)模(513)的光穿過(guò)頂部反射器(210)出射。光的一些衍射分量提供沿垂直方向的光輸出(512)。
為計(jì)算任一給定實(shí)施例選擇的諧振光學(xué)模，可以考慮該傾斜光學(xué)模(213)的輻射損耗，αrad＝αbottom+αtop+αside，(8)這里，經(jīng)圖2結(jié)構(gòu)的底部、頂部、和側(cè)面的損耗，等于αbottom=cosθDln1rbottom,---(9a)]]>αtop=cosθDln1rtop,---(9b)]]>αside=sinθDln1rside,---(9c)]]>底部和頂部Bragg反射鏡的振幅反射系數(shù)rbottom和rtop，可用M.Bornand E.Wolf的Principles of Optics(第6版，Pergamon Press，(1980)pp.1～70)中詳細(xì)說(shuō)明的方法計(jì)算。
側(cè)面的振幅反射系數(shù)，在厚空腔的情況下容易寫出，此時(shí)的光學(xué)模可用給定kz的平面波近似。于是rside=kx-k02-kz2kx+k02-kz2---(10)]]>這里k0＝2π/λ，是光在真空中的波矢。方程式(10)可以應(yīng)用H.C.Casey，Jr和M.B.Panish，Heterostructure Laser，Part A(Academic Press，New York，1978，pp.71-79)書(shū)中的方法，推廣到光學(xué)模沿z方向的實(shí)際分布。該方法是根據(jù)半導(dǎo)體層之間折射率差，小于半導(dǎo)體與真空之差的這一近似，即|n1-n2|＜＜n1-1 (11)于是，振幅反射系數(shù)的方程式(10)，能夠一般地寫成rside=kx-<k~x>kx+<k~x>---(12)]]>這里量 是平均<k~x>=∫dkz2πk02-kz2|E~y(kz)|2∫dkz2π|E~y(kz)|2---(13)]]>而 是光學(xué)模中電場(chǎng)強(qiáng)度的Fourier變換，E~y(kz)=∫dzEy(z)exp(-ikzz)---(14)]]>圖6畫(huà)出空腔的一個(gè)特定例子，已經(jīng)對(duì)該例算出輻射損耗。底部和頂部Bragg反射器(202)和(210)包括，交替的GaAs(折射率n1＝3.52)和Ga0.75Al0.25As(折射率n2＝3.38)層。多層反射器(202)和(210)是作為0.25λ/1.75λ的三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。有源區(qū)厚度D＝964nm，反射器中GaAs層的厚度等于H1＝241nm，而Ga0.75Al0.25As層的厚度是H2＝2691nm?？涨坏臋M向尺寸是L＝50μm。
圖7對(duì)給定空腔，借助方程式(8)、(9)、和(12)計(jì)算作為傾斜角θ函數(shù)的傾斜光學(xué)模輻射損耗。在小的和中等的傾斜角上，損耗主要由于光通過(guò)底部和頂部多層反射器的透射。在大的傾斜角上，損耗主要由于光通過(guò)空腔側(cè)面的透射。圖7表明，在角度＝72°上輻射損耗有一銳極小。該極小給出光學(xué)模的有效選擇，它是由給定激光器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。
圖8表明作為波長(zhǎng)函數(shù)的接近αrad極小的輻射損耗。豎條與空腔不同橫模對(duì)應(yīng)。該圖表明的光譜范圍是αradmin≤α≤2αradmin---(15)]]>頗窄的光譜范圍＝14nm，表明發(fā)射光波長(zhǎng)有效的穩(wěn)定性的可能性。
圖9畫(huà)出一種激光器(900)，其中的空腔(920)包括兩層其內(nèi)放置有源區(qū)(907)的層(906)，和層(916)。這兩層分別有不同的折射率n1和n2。例如，一層(906)可以有高的折射率，而層(916)有中等的折射率?；蛘撸粚?906)可以有低的折射率，而層(916)有中等的折射率。雖然有源區(qū)(907)在圖中是在層(906)內(nèi)，但它也可以位于層(906)或(916)之一內(nèi)。在這些例子中，底部反射器(202)的最頂層和頂部反射器(210)的最底層，最好有高的折射率。
傾斜光學(xué)模的路徑，包括層(906)中的路徑(913)，和層(916)中的路徑(915)，這里，在兩層間的邊界，既出現(xiàn)光的反射也出現(xiàn)光的透射。傾斜光學(xué)模與兩層(906)和(916)諧振。兩層(906)和(916)的每一層，最好由晶格匹配或近似晶格匹配的，對(duì)產(chǎn)生的光透明的，和非摻雜或弱摻雜的材料形成。
圖10畫(huà)出一種激光器(1000)，其中的空腔(1020)包括兩層層(1006)和層(1016)，分別有不同的折射率n1和n2。傾斜光學(xué)模的路徑，包括層(1006)內(nèi)的路徑(1013)和層(1016)內(nèi)的路徑(1015)。有源區(qū)(1007)位于層(1006)與(1016)之間的邊界。傾斜光學(xué)模與兩層(1006)和(1016)諧振。
為計(jì)算圖10空腔的輻射損耗，我們使用M.Born and E.Wolf的Principles of Optics(第6版，Pergamon Press，(1980)pp.1～70)中詳細(xì)說(shuō)明的方法計(jì)算，并得到αrad∝|[1-r1exp(2ikz(1)D1)][1+r2exp(2ikz(2)D2)+kz(2)kz(1)[1+r1exp(2ikz(1)D1)][1-r2exp(2ikz(2)D2)]|2---(16)]]>這里r1和r2分別是頂部和底部反射鏡的振幅反射系數(shù)。如果r1＞0，r2＞0，(1-r1)＜＜1，(1-r2)＜＜1，2kz(1)D1＝2m1π，2kz(2)D2＝2m2π，(17a)或r1＜0，r2＜0，(1+r1)＜＜1，(1+r2)＜＜1，2kz(1)D1＝(2m1+1)π，2kz(2)D2＝(2m2+1)π，(17b)這里m1和m2是整數(shù)。如果層(1006)的折射率高于底部多層反射器的最頂層的折射率，且層(1016)的折射率高于頂部多層反射器的最底層的折射率，則滿足方程式(17a)的條件。令層(1006)的折射率為n1，層(1016)的折射率為n2，和多層反射器為包括折射率n1和n3層的交替系列。那么如果n1＞n3和n2＞n3，能夠滿足方程式(17a)。如果層(1006)的折射率低于底部多層反射器的最頂層的折射率，且層(1016)的折射率低于頂部多層反射器的最底層的折射率，即，n1＜n3和n2＜n3，則滿足方程式(17b)的條件。通過(guò)使用適當(dāng)成分的半導(dǎo)體合金，例如對(duì)GaAs基的裝置，使用晶格匹配的合金Ga1-xAlxAs，它在波長(zhǎng)λ＝980nm的折射率n(x)＝3.52-0.57x，能夠?qū)崿F(xiàn)這些折射率的每一種組合。因此，通過(guò)調(diào)整合金組分x，能夠獲得必要的折射率分布。
在該兩層中波矢的z分量，遵從如下關(guān)系kx2+(kx(1))2＝n12(2π/λ)2(18a)kx2+(kz(2))2＝n22(2π/λ)2(18b)這里kx是波矢的x分量，它對(duì)給定的光學(xué)模，在兩層中是相同的。該分量對(duì)不同的橫模則不同。方程式(17a)或(17b)的諧振條件，對(duì)未知波長(zhǎng)λ和波矢分量kx，產(chǎn)生兩個(gè)方程式。因此唯一地定義該光學(xué)模。
本發(fā)明的其他實(shí)施例，包括由不同折射率的三層或更多層組成的微空腔，其中的有源層既可置于這些層之一中，也可置于兩層不同層間的邊界上。
圖11按照方程式(16)，對(duì)傾斜光學(xué)模，畫(huà)出通過(guò)底部和頂部多層反射器輻射損耗模型的計(jì)算結(jié)果。在本例中，0.5λ-0.5λ的空腔包括，一層折射率為n1＝3.52的GaAs層和一層折射率為n2＝3.38的Ga0.75Al0.25As層。選擇的傾斜模是具有傾斜角θ＝72°的一個(gè)，該傾斜角接近兩種半導(dǎo)體邊界上的全內(nèi)反射角(后者等于73.7°)。層的厚度是D1＝451nm，和D2＝1051nm。底部和頂部多層反射器兩者的振幅反射系數(shù)都是0.995。該結(jié)構(gòu)對(duì)波長(zhǎng)λ＝0.98μm的光學(xué)模諧振。圖11畫(huà)出輻射損耗中極其銳的的諧振，帶寬Δλ＝1.4nm。
圖12畫(huà)出圖10空腔的傾斜光學(xué)模的輻射損耗，該圖各模與層(1006)準(zhǔn)確諧振，即，kz(1)D1＝π，而不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于空腔不同的橫模。空腔的橫向尺寸是300μm。該空腔典型地用于邊緣發(fā)射激光器。圖12的結(jié)果表明，單個(gè)橫模接近輻射損耗的極小。這一點(diǎn)表明，能夠構(gòu)造只產(chǎn)生單一橫模的激光器。
圖13表明圖3空腔的傾斜光學(xué)模的輻射損耗，該圖的光學(xué)模傾斜角超過(guò)空腔(320)與底部反射器(302)之間邊界的全內(nèi)反射角，也超過(guò)空腔(320)與頂部反射器(310)之間邊界的全內(nèi)反射角。計(jì)算是對(duì)被包復(fù)層Ga0.7Al0.3As(折射率n＝3.35)包圍的GaAs空腔(折射率n＝3.52)進(jìn)行的。在本例中，空腔的厚度是245nm，每一包復(fù)層的厚度是1400nm，和空腔的長(zhǎng)度等于L＝50μm。在小的和中等的傾斜角上，損耗主要由于光通過(guò)底部(302)和頂部(310)反射器的透射。在大的傾斜角上，損耗主要由于光通過(guò)空腔側(cè)面的透射。圖13表明，在角度＝72°上輻射損耗有一銳極小。該極小提供光學(xué)模的有效選擇，它是由給定的激光器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。
圖14表明作為波長(zhǎng)函數(shù)的接近αrad極小的輻射損耗。豎條與空腔不同橫模對(duì)應(yīng)。寬度＝17nm的光譜范圍對(duì)應(yīng)的光學(xué)模，其損耗不超過(guò)最小損耗的兩倍。對(duì)所有已考慮的空腔的設(shè)計(jì)，從傾斜光學(xué)模的光輸出，可以通過(guò)頂部(和底部)反射器提供，也可以通過(guò)側(cè)面提供。
圖15畫(huà)出本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中，在頂部多層反射器(210)的頂部，放置吸收單元(1517)，并在吸收單元(1517)內(nèi)放置吸收區(qū)(1518)。因此，多層反射器(210)提供損耗最小的波長(zhǎng)選擇。通過(guò)頂部反射器(210)透射的光，被吸收區(qū)(1518)吸收。吸收區(qū)(1518)吸收通過(guò)反射器(210)透射的光，沿橫向方向提供光輸出。激光器通過(guò)空腔側(cè)面發(fā)出光(1519)，從而該激光器可以作為波長(zhǎng)穩(wěn)定的邊緣發(fā)射激光器工作。
該實(shí)施例的一種變化是，吸收單元(1517)夾在基底(101)和底部反射器(202)之間，從而使吸收層(1518)吸收通過(guò)底部反射器(202)透射的光。在另一種變化中，通過(guò)底部(202)或頂部反射器(210)透射的光，被觸點(diǎn)層吸收。
傾斜光學(xué)模(1513)橫向方向的反饋，一般能夠由折射率中任何一個(gè)階躍或多個(gè)階躍提供。例如，該階躍可以是空腔表面、空腔與電介質(zhì)涂層之間的界面、與蝕刻的反射器之間的界面、或與制作在頂部反射器頂部的光柵之間的界面。
圖16畫(huà)出本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中的頂部多層反射器(1610)被有選擇地蝕刻(1621)，因而對(duì)傾斜光學(xué)模(1613)改進(jìn)了沿橫向方向附加的反饋。光(1619)通過(guò)空腔(420)側(cè)面從激光器出射，從而可以作為波長(zhǎng)穩(wěn)定的邊緣發(fā)射激光器工作。本實(shí)施例與圖4實(shí)施例的差別，有如下方面。選擇性的蝕刻(1621)可以建立頂部多層反射器(1610)的厚度周期性調(diào)制，因而改進(jìn)了沿橫向方向附加的反饋，并增強(qiáng)發(fā)射光波長(zhǎng)的選擇性。與之相反，圖4實(shí)施例的頂部孔徑(414)的設(shè)計(jì)，僅為改進(jìn)垂直方向的光輸出。垂直方向的輸出能夠通過(guò)單個(gè)孔徑實(shí)現(xiàn)，不需要頂部反射器的周期性蝕刻。
圖17畫(huà)出本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中在頂部多層反射器(1710)的頂部，制作一光柵(1722)。光柵(1722)改進(jìn)了傾斜光學(xué)模(1713)沿橫向方向附加的反饋。光(1719)通過(guò)空腔(420)側(cè)面從激光器出射。
圖18畫(huà)出本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中的空腔(1820)除有源單元外，還包括相位控制單元。該相位控制單元是兩側(cè)被非摻雜或弱摻雜層包圍的調(diào)制器，非摻雜或弱摻雜層又被n型和p型觸點(diǎn)層包圍。用電場(chǎng)調(diào)諧調(diào)制器的折射率。調(diào)制器折射率的變化，改變諧振光學(xué)模(1813)的波長(zhǎng)。從而實(shí)現(xiàn)一種波長(zhǎng)可調(diào)諧的傾斜空腔半導(dǎo)體激光器。
為形成相位控制單元，包圍調(diào)制器(1827)的兩層弱摻雜層(1826)被第三電流孔徑(103)與p型摻雜電流電流擴(kuò)展層(108)分開(kāi)。第四電流孔徑(103)把層弱摻雜層(1826)與第二n型摻雜電流擴(kuò)展層(1828)分開(kāi)，該第二n型摻雜電流擴(kuò)展層(1828)帶有第三金屬觸點(diǎn)(1829)。相位控制單元在反向偏置(1831)下工作。
弱摻雜層(1826)與n型摻雜層(1828)的材料，最好與基底晶格匹配或近似晶格匹配，并對(duì)發(fā)射光透明。該弱摻雜層最好與層(106)從同一種材料生長(zhǎng)，而n型摻雜層(1828)最好與n型摻雜層(104)從同一種材料生長(zhǎng)。金屬觸點(diǎn)(1829)最好由金屬觸點(diǎn)(105)同一結(jié)構(gòu)形成。
調(diào)制器(1827)可以由任何能帶隙比基底(101)窄的嵌入物形成?？赡艿牟牧霞敖Y(jié)構(gòu)與用于有源區(qū)的相同，但特殊的設(shè)計(jì)應(yīng)能使調(diào)制器對(duì)激光器輻射波長(zhǎng)的高能端(短波長(zhǎng)端)呈現(xiàn)強(qiáng)的吸收峰。
通過(guò)對(duì)相位控制單元施加反向偏置(1831)，由于Stark效應(yīng)，吸收峰的光譜位置被移動(dòng)。結(jié)果導(dǎo)致調(diào)制器折射率在吸收峰光譜鄰域的相應(yīng)改變。這一改變影響諧振光學(xué)模(1813)，并導(dǎo)致發(fā)射光波長(zhǎng)的移動(dòng)。
圖18傾斜空腔激光器的典型實(shí)施例包括，但不限于，采用把有源區(qū)(107)和調(diào)制器(1827)兩者置于傾斜空腔模(1827)強(qiáng)度局部最大上的結(jié)構(gòu)。更準(zhǔn)確地說(shuō)，必須計(jì)及調(diào)制器(1827)吸收系數(shù)及折射率的諧振變化，來(lái)計(jì)算優(yōu)選的位置，即，通過(guò)精確求解光在多層結(jié)構(gòu)中傳播的Maxwell方程組(如M.Born and E.Wolf在Princtples ofOptics(第6版，Pergamon Press，(1980)pp.1～70)中的說(shuō)明)。
波長(zhǎng)可調(diào)諧傾斜空腔激光器的另一個(gè)實(shí)施例畫(huà)在圖19。通過(guò)有選擇地部分移去頂部多層反射器若干層，形成光學(xué)孔徑(414)，添加到該激光器上。光學(xué)孔徑(414)從諧振傾斜光學(xué)模(1913)提供光，沿垂直方向輸出(1912)。
波長(zhǎng)可調(diào)諧傾斜空腔激光器的另一個(gè)實(shí)施例畫(huà)在圖20。包括吸收區(qū)(1518)的吸收單元(1517)，置于頂部反射器(210)的頂部。吸收層(1518)吸收通過(guò)反射器(210)透射的光，提供橫向方向的光輸出。
波長(zhǎng)可調(diào)諧傾斜空腔激光器的再一個(gè)實(shí)施例畫(huà)在圖21。該實(shí)施例包括有源單元和有調(diào)制器的相位控制單元。對(duì)相位控制單元施加正向偏置。正向偏置(2132)使載流子注入相位控制區(qū)，注入的電子從金屬觸點(diǎn)(2129)通過(guò)n型摻雜層(2128)到弱摻雜摻雜層(2126)和調(diào)制器(2127)，注入的空穴從金屬觸點(diǎn)(109)通過(guò)p型摻雜層(108)到弱摻雜摻雜層(2126)和調(diào)制器(2127)。調(diào)制器(2127)折射率的變化，改變諧振光學(xué)模(2113)的波長(zhǎng)。調(diào)制器(2127)中載流子的復(fù)合建立漂白，降低激子吸收峰，直至峰消失并甚至在系統(tǒng)中建立第二增益區(qū)。
弱摻雜層(2126)材料最好與基底(101)晶格匹配或近似晶格匹配，并對(duì)發(fā)射的光透明。弱摻雜層(2126)材料最好與層(106)是相同的材料。n型摻雜層(2128)材料最好與基底(101)晶格匹配或近似晶格匹配，并對(duì)發(fā)射的光透明。該n型摻雜層最好與n型摻雜層(104)是相同的材料并有相同的施主雜質(zhì)。金屬觸點(diǎn)(2129)最好與金屬觸點(diǎn)(105)有相同的結(jié)構(gòu)。
調(diào)制器(2127)可以由任何能帶隙比基底(101)窄的嵌入物形成?？赡艿牟牧霞敖Y(jié)構(gòu)與用于有源區(qū)的相同，但特殊的設(shè)計(jì)應(yīng)能使調(diào)制器對(duì)激光器輻射波長(zhǎng)的高能端(短波長(zhǎng)端)呈現(xiàn)強(qiáng)的吸收峰。
該實(shí)施例的一種變化，是包括一光學(xué)孔徑，該光學(xué)孔徑位于頂部反射器頂部并沿垂直方向提供光輸出。另一種變化，是包括吸收單元，其吸收層置于頂部反射器頂部并沿橫向方向提供光輸出。
波長(zhǎng)可調(diào)諧傾斜空腔激光器的其他實(shí)施例，包括那些空腔內(nèi)折射率沿垂直方向非均勻分布的實(shí)施例，其中包括有不同折射率的層，從而提供發(fā)射波長(zhǎng)高的選擇性，與圖9和圖10的實(shí)施例類似。在一個(gè)實(shí)施例中，有源單元的層有一種折射率，而相位控制單元的層有不同的折射率。在其他實(shí)施例中，或者是有源單元、相位控制單元二者之一，或者二者，包括多于一層有不同的折射率的層。
波長(zhǎng)可調(diào)諧傾斜空腔激光器的其他實(shí)施例，包括那些把相位控制單元置于夾在底部反射器與有源單元之間的空腔內(nèi)的實(shí)施例。波長(zhǎng)可調(diào)諧傾斜空腔激光器另外的其他實(shí)施例，包括那些把相位控制單元置于底部或頂部反射器之內(nèi)的實(shí)施例。
另一個(gè)實(shí)施例畫(huà)在圖22，其中的微空腔(2220)包括有源單元和功率調(diào)制單元。功率調(diào)制單元是兩側(cè)被非摻雜或弱摻雜層包圍的吸收體，非摻雜或弱摻雜層又被n型和p型觸點(diǎn)層包圍。該吸收層是呈現(xiàn)出有限峰吸收的窄吸收光譜的層，使它對(duì)折射率的影響小得可以忽略。用電場(chǎng)調(diào)諧吸收峰的光譜位置，從而把它移至更接近或更遠(yuǎn)離發(fā)射光的光譜線。因此，可以調(diào)制諧振光學(xué)模的內(nèi)部光損耗，產(chǎn)生輸出功率調(diào)制。
為形成功率調(diào)制單元，第三電流孔徑(103)把包圍調(diào)制器(2227)的兩層弱摻雜層(2226)，與p型摻雜電流擴(kuò)展層(108)分開(kāi)。第四電流孔徑把層弱摻雜層(2226)與第二n型摻雜電流擴(kuò)展層(2228)分開(kāi)，該第二n型摻雜電流擴(kuò)展層(2228)帶有第三金屬觸點(diǎn)(2229)。功率調(diào)制單元在反向偏置(2231)下工作。
弱摻雜層(2226)與n型摻雜層(2228)的材料，最好與基底晶格匹配或近似晶格匹配，并對(duì)發(fā)射光透明。該弱摻雜層最好與層(106)由同一種材料生長(zhǎng)，而n型摻雜層(2228)最好與n型摻雜層(104)由同一種材料生長(zhǎng)。金屬觸點(diǎn)(2229)最好與金屬觸點(diǎn)(105)用同一結(jié)構(gòu)形成。
調(diào)制器(2227)可以由任何能帶隙比基底窄的嵌入物形成?？赡艿牟牧霞敖Y(jié)構(gòu)與用于有源區(qū)的相同，但特殊的設(shè)計(jì)應(yīng)能使調(diào)制器對(duì)激光器輻射波長(zhǎng)的高能端(短波長(zhǎng)端)呈現(xiàn)出有限的或弱的吸收峰。
通過(guò)對(duì)功率調(diào)制單元施加反向偏置(2231)，由于Stark效應(yīng)，使吸收峰光譜位置移動(dòng)。因?yàn)槲辗灞容^弱，它對(duì)折射率和對(duì)發(fā)射光波長(zhǎng)的影響可以忽略。吸收峰移至更接近或更遠(yuǎn)離發(fā)射光的光譜位置，分別導(dǎo)致諧振光學(xué)模(2213)內(nèi)部損耗的增加或減小。據(jù)此調(diào)制輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)功率可調(diào)諧的傾斜空腔激光器。
該實(shí)施例的一種變化，包括在頂部反射器頂部設(shè)置一光學(xué)孔徑，據(jù)此提供沿垂直方向的光輸出。另一種變化是包括第二吸收單元，其吸收層置于頂部反射器的頂部，以便提供沿橫向方向的光輸出。
在功率可調(diào)諧傾斜空腔激光器的另一個(gè)實(shí)施例中，功率調(diào)制單元在正向偏置下工作。它導(dǎo)致漂白，因而降低激子吸收峰，并增加激光器的輸出功率。在又一個(gè)實(shí)施例中，功率調(diào)制單元放在底部或頂部多層反射器內(nèi)。
圖23畫(huà)出傾斜空腔激光器的另一個(gè)實(shí)施例。它與圖18實(shí)施例的差別，在于其空腔(2320)包括，除有源單元與相位控制單元外，還有夾在相位控制單元與頂部反射器之間的功率調(diào)制單元。在本實(shí)施例中，該功率調(diào)制單元在正向偏置(2331)下工作。本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)發(fā)射光波長(zhǎng)與輸出功率兩者獨(dú)立的調(diào)制。
該功率調(diào)制單元包括弱摻雜層(2226)、調(diào)制器(2227)、和p型摻雜電流擴(kuò)展層(2328)。形成p型摻雜電流擴(kuò)展層(2328)的材料，最好與基底晶格匹配或近似晶格匹配，并對(duì)發(fā)射光透明。形成層(2328)的材料，最好與p型摻雜層(108)相同。形成金屬觸點(diǎn)(2329)的結(jié)構(gòu)，最好與金屬觸點(diǎn)(109)相同。
通過(guò)向相位控制單元施加偏置(1831)，和向功率調(diào)制單元施加偏置(2331)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射光波長(zhǎng)與輸出功率的獨(dú)立調(diào)諧。
圖24畫(huà)出傾斜空腔激光器的另一個(gè)實(shí)施例。空腔(2420)包括n型摻雜電流擴(kuò)展層(104)、包含有源區(qū)(107)的弱摻雜或非摻雜約束層(106)、p型摻雜電流擴(kuò)展層(108)、弱摻雜或非摻雜層(2432)與(2434)、及調(diào)制器(2433)。傾斜光學(xué)模(2413)中的光，通過(guò)有源區(qū)(107)和調(diào)制層(2433)兩者。與圖18-23的實(shí)施例不同，不需要對(duì)調(diào)制器施加偏置。圖25畫(huà)出圖24實(shí)施例所示激光器的工作原理。調(diào)制器(2433)是對(duì)光(2536)中能量比發(fā)射光(2535)更大的光子，呈現(xiàn)出諧振吸收(圖25(a))的層。該吸收峰導(dǎo)致吸收峰鄰域折射率的強(qiáng)色散(圖25(b))。激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)通常會(huì)導(dǎo)致激光器結(jié)構(gòu)溫度的增加，并導(dǎo)致所有半導(dǎo)體層折射率的相應(yīng)變化。主要原因是能帶隙隨溫度降低。因此，調(diào)制器吸收峰的位置在T2＞T1時(shí)，移向較低的光子能量(2537)(圖25(c))。激光器的設(shè)計(jì)，要使發(fā)射光(2535)的光譜位置，落在調(diào)制器的折射率隨光子能量而降低的光譜區(qū)。調(diào)制器(2433)在發(fā)射光能量上的折射率，隨溫度增加而降低(圖25(d))。所有其他組成空腔(2420)的層則遠(yuǎn)離與發(fā)射光的諧振，且它們的折射率隨溫度的增加而增加。因此，薄的調(diào)制層(2433)折射率的諧振降低，可以補(bǔ)償空腔(2420)所有其他層折射率的增加。這樣會(huì)增強(qiáng)發(fā)射光波長(zhǎng)的穩(wěn)定性。
形成層(2432)和(2434)的材料，最好與基底晶格匹配，并對(duì)發(fā)射的光透明。具體的實(shí)施例包括，但不限于，形成這些層的材料與基底(101)相同。調(diào)制器層(2433)最好由任何能帶隙比基底(101)窄的嵌入物形成?？赡艿恼{(diào)制器包括，但不限于，量子阱、量子線、量子點(diǎn)、或它們的任何組合的單層或多層系統(tǒng)。對(duì)GaAs基底上的裝置的情形，調(diào)制器(2433)的例子包括，但不限于，InAs、In1-xGaxAs、InxGa1-x-yAlyAs、InxGa1-xAs1-yNy或類似材料的嵌入物系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，示于圖26。傾斜空腔裝置的概念，被應(yīng)用于光檢測(cè)器。與圖4所示的傾斜空腔激光器不同，圖26的光檢測(cè)器在反向偏置(2611)下工作。外部的光(2638)在孔徑(2614)上衍射。底部(202)和頂部(2610)多層諧振反射器，定義空腔(2620)的傾斜光學(xué)模(2613)。該設(shè)計(jì)給出一種光檢測(cè)器，它有選擇地吸收與傾斜光學(xué)模(2613)諧振的外部光。被吸收區(qū)(2607)吸收的光，產(chǎn)生光電流，該電流被微安計(jì)(2639)測(cè)量。
可能實(shí)現(xiàn)的吸收區(qū)(2607)包括，但不限于，量子阱、量子線、量子點(diǎn)、或它們的任何組合的單層或多層系統(tǒng)。對(duì)GaAs基底上的裝置的情形，吸收區(qū)(2607)的例子包括，但不限于，InAs、In1-xGaxAs、InxGa1-x-yAlyAs、InxGa1-xAs1-yNy或類似材料的嵌入物系統(tǒng)。
圖27畫(huà)出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例，其中的外部光(2740)通過(guò)側(cè)面進(jìn)入，激發(fā)空腔(2720)的傾斜光學(xué)模(2713)，被吸收區(qū)(2607)吸收并產(chǎn)生光電流，該電流被微安計(jì)(2639)測(cè)量。
圖28畫(huà)出本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例。該實(shí)施例是使用傾斜空腔光學(xué)模概念的放大器。光學(xué)空腔(2820)置于底部多層諧振反射器(2802)和頂部多層諧振反射器(2810)之間。該結(jié)構(gòu)包括一系列n型觸點(diǎn)(2805)、n型摻雜基底(2801)、n型摻雜底部多層諧振反射器(2802)、n型摻雜層(2804)、其中設(shè)有有源區(qū)(2807)的非摻雜或弱摻雜約束層(2806)、p型摻雜層(2808)、p型摻雜頂部多層諧振反射器(2810)、和p型觸點(diǎn)(2809)。與本發(fā)明其他實(shí)施例不同，基底(2801)和底部反射器(2802)是n型摻雜，頂部反射器(2810)是p型摻雜，而觸點(diǎn)(2805)和(2809)分別放在基底(2801)的下面和在反射器(2810)的上面。經(jīng)觸點(diǎn)(2805)和(2809)向有源區(qū)(2807)施加正向偏置(2811)?？涨?2820)、底部多層反射器(2802)、和頂部反射器(2810)的設(shè)計(jì)，要使傾斜光學(xué)模(2813)是該結(jié)構(gòu)的諧振模。頂部觸點(diǎn)(2809)在橫向平面內(nèi)相對(duì)于諧振光學(xué)模中光傳播的橫向方向旋轉(zhuǎn)，以便沒(méi)有反饋沿橫向方向出現(xiàn)。因此，該裝置不能作為激光器工作。在向有源區(qū)(2807)施加正向偏置(2811)時(shí)，該裝置能作為放大器工作。輸入光(2841)變換為諧振傾斜光學(xué)模(2813)，并以增加的強(qiáng)度的光輸出(2842)。入射光向傾斜光學(xué)模(2813)的變換，和后者向輸出光(2842)的變換，建立了一種具有光波長(zhǎng)高度選擇性的放大器。
形成基底(2801)的材料，最好與本發(fā)明其他實(shí)施例的基底(101)相同，并對(duì)入射光透明，但最好是n型摻雜的。形成底部多層反射器(2802)的材料，最好是折射率高、低交替的層，對(duì)入射光透明，與基底晶格匹配或近似晶格匹配，并n型摻雜。對(duì)GaAs基底上的裝置，典型的設(shè)計(jì)包括，但不限于，多層半導(dǎo)體反射鏡GaAs/Ga1-xAlxAs，或?qū)nP基底上的裝置，是帶有交替組分的四元合金InxGa1-x-yAlyAs的多層結(jié)構(gòu)，所有各層都是n型摻雜。形成層(2804)的材料，最好與基底晶格匹配，或近似晶格匹配，對(duì)入射光透明，并n型摻雜。
形成約束層(2806)的任何材料，最好與基底晶格匹配或近似晶格匹配，對(duì)入射光透明，和非摻雜或弱摻雜。在優(yōu)選的實(shí)施例中，形成約束層(2806)的材料，與基底(2801)相同，但非摻雜或弱摻雜。形成層(2808)的材料，最好與基底晶格匹配或近似晶格匹配，對(duì)入射光透明，并p型摻雜。
形成頂部多層反射器(2810)的材料，最好是折射率高、低交替的層，對(duì)入射光透明，并p型摻雜。典型的設(shè)計(jì)包括，與底部反射器相同的那些材料形成的層，但p型摻雜。
有源區(qū)(2807)，最好由任一種能帶隙比基底(2801)更窄的嵌入物形成。可能的有源區(qū)(2807)包括，但不限于，量子阱、量子線、量子點(diǎn)、或它們的任何組合的單層或多層系統(tǒng)。對(duì)GaAs基底上的裝置，有源區(qū)(2807)的例子包括，但不限于，InAs、In1-xGaxAs、InxGa1-x-yAlyAs、InxGa1-xAs1-yNy或類似材料的嵌入物系統(tǒng)。
制作n型觸點(diǎn)(2805)的材料，最好與本發(fā)明其他實(shí)施例的n型觸點(diǎn)(105)相同。制作p型觸點(diǎn)(2809)的材料，最好與本發(fā)明其他實(shí)施例的p型觸點(diǎn)(109)相同。
發(fā)射光波長(zhǎng)與輸出功率獨(dú)立調(diào)諧的傾斜空腔激光器，可能有各種變化，其中的相位控制單元與功率調(diào)制單元兩者，在反向及正向偏置兩種偏置下工作。在另一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)孔徑置于頂部反射器的頂部，以便提供沿垂直方向的光輸出。另一個(gè)實(shí)施例有第二吸收單元，該第二吸收單元包括置于頂部反射器頂部的吸收層，以便提供沿橫向方向的輸出光。在其他的變化中，空腔包括多于一層不同折射率的層。
在本發(fā)明另外的實(shí)施例中，只有激光器結(jié)構(gòu)的一部分由傾斜空腔形成。此外的實(shí)施例，其中有源區(qū)與傾斜空腔在空間上是分開(kāi)的，并放在激光器結(jié)構(gòu)的不同部分，也包含在本發(fā)明之中。本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例，包括有多層涂層的光纖。該多層涂層的設(shè)計(jì)，能使只有某一區(qū)間波長(zhǎng)的光可以傳播，從而提供一種波長(zhǎng)穩(wěn)定系統(tǒng)。
本發(fā)明另外的實(shí)施例涉及全內(nèi)反射的物理性質(zhì)。光在兩種介質(zhì)之間邊界的全內(nèi)反射，表明光從第一介質(zhì)到達(dá)邊界，被反射回同一第一介質(zhì)，且不能在第二介質(zhì)內(nèi)傳播。但是，這一點(diǎn)只涉及第二介質(zhì)中的遠(yuǎn)場(chǎng)，光在遠(yuǎn)場(chǎng)消失。在接近邊界的近場(chǎng)區(qū)，光以漸逝電磁波的形式存在，它表現(xiàn)為指數(shù)衰減式或振蕩衰減式離開(kāi)邊界。在該近場(chǎng)區(qū)，光能夠耦合至另一種介質(zhì)并被引導(dǎo)離開(kāi)邊界。
例如，可以用單層或多層涂層覆蓋傾斜空腔的至少一側(cè)表面。這樣的覆蓋物改變光通過(guò)該側(cè)面的傳輸。通過(guò)改變涂層的層數(shù)、它們的厚度、和折射率，可以控制光沿橫向方向的輸出。
另一種可能性涉及通過(guò)頂部或小面反射器的光輸出。把一根或少數(shù)幾根光纖粘附在頂部反射器的頂部表面或靠近側(cè)面的小面，或者直接放在頂部反射器的頂部表面或靠近側(cè)面的小面，則來(lái)自傾斜空腔的諧振傾斜光學(xué)模的光，在光纖孔徑上受到衍射，并沿光纖傳播。
已說(shuō)明的傾斜空腔半導(dǎo)體激光器、光檢測(cè)器、或放大器的每一實(shí)施例，各單元優(yōu)選的順序、每一層的厚度、空腔、反射器及調(diào)制器的設(shè)計(jì)，均作為優(yōu)化的結(jié)果獲得，這些優(yōu)化的結(jié)果，對(duì)發(fā)射波長(zhǎng)最強(qiáng)的穩(wěn)定性、最大的輸出功率、和必要時(shí)對(duì)波長(zhǎng)及發(fā)射光功率的最大可調(diào)諧性諸因素之間，給出優(yōu)選的相互關(guān)系。
雖然本發(fā)明已經(jīng)對(duì)示范性實(shí)施例作了圖示與說(shuō)明，但本領(lǐng)域熟練人員應(yīng)當(dāng)清楚，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍下，可以作出前述的及各種不同的變化、省略、和添加。因此，不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為本發(fā)明僅限于上述具體的實(shí)施例，而應(yīng)認(rèn)為包括所有可能的實(shí)施例，所有可能的實(shí)施例，體現(xiàn)在附于后的權(quán)利要求書(shū)闡明的特征所涵蓋的范圍中，以及與所有可能實(shí)施例等價(jià)的例子中。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體激光器，包括a)底部反射器；b)頂部反射器；和c)位于底部反射器及頂部反射器之間的空腔，該空腔包括位于空腔內(nèi)的有源區(qū)，其中該空腔及有源區(qū)的設(shè)計(jì)，能使空腔內(nèi)光的傳播方向，既傾斜于橫向平面法線，也相對(duì)于該橫向平面本身傾斜。
2.按照權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器，還包括底部反射器下面的基底。
3.按照權(quán)利要求2的半導(dǎo)體激光器，其中a)當(dāng)對(duì)有源區(qū)施加正向偏置，使電流注入有源區(qū)時(shí)，有源區(qū)發(fā)射光；和b)該空腔還包括i)有源區(qū)下面的第一約束區(qū)；ii)有源區(qū)上面的第二約束區(qū)；iii)在基底上面和第一約束區(qū)下面的第一n型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)；iv)在第二約束區(qū)上面和頂部反射器下面的第一p型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)；v)位于每一相鄰區(qū)之間的電流孔徑；和vi)第一n型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)與第一p型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)之間的偏置控制裝置，以便能使電流注入有源區(qū)而產(chǎn)生光。
4.按照權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器，其中的有源區(qū)選自如下一組a)至少一個(gè)量子阱；b)至少一層量子線；c)至少一層量子點(diǎn)；和d)任何a)到c)的組合。
5.按照權(quán)利要求4的半導(dǎo)體激光器，還包括反饋機(jī)構(gòu)。
6.按照權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器，其中的底部反射器和頂部反射器是多層的。
7.按照權(quán)利要求6的半導(dǎo)體激光器，其中a)該空腔還包括至少一層有低折射率，和至少一層有中等折射率；b)底部反射器包括有高折射率的最頂層；和c)頂部反射器包括有高折射率的最底層。
8.按照權(quán)利要求7的半導(dǎo)體激光器，其中的有源區(qū)位于有高折射率的層內(nèi)。
9.按照權(quán)利要求7的半導(dǎo)體激光器，其中的有源區(qū)位于有中等折射率的層內(nèi)。
10.按照權(quán)利要求6的半導(dǎo)體激光器，其中a)該空腔還包括至少一層有高折射率，和至少一層有中等折射率；b)底部反射器包括有高折射率的最頂層；和c)頂部反射器包括有高折射率的最底層。
11.按照權(quán)利要求10的半導(dǎo)體激光器，其中的有源區(qū)位于有低折射率的層內(nèi)。
12.按照權(quán)利要求10的半導(dǎo)體激光器，其中的有源區(qū)位于有中等折射率的層內(nèi)。
13.按照權(quán)利要求10的半導(dǎo)體激光器，其中的有源區(qū)位于有低折射率的層與有中等折射率的層之間。
14.按照權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器，其中的激光器沿垂直方向發(fā)射光，使該激光器起表面發(fā)射激光器的作用。
15.按照權(quán)利要求14的半導(dǎo)體激光器，還包括光學(xué)孔徑，該光學(xué)孔徑能讓產(chǎn)生的光從該結(jié)構(gòu)中出射。
16.按照權(quán)利要求15的半導(dǎo)體激光器，其中的光學(xué)孔徑，是通過(guò)部分有選擇地移去頂部反射器的若干層作成的。
17.按照權(quán)利要求15的半導(dǎo)體激光器，其中的光學(xué)孔徑，是通過(guò)在頂部反射器的頂部增加一層作成的。
18.按照權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器，其中的激光器沿橫向方向發(fā)射光，使該激光器起邊緣發(fā)射激光器的作用。
19.按照權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器，其中沿垂直方向的反饋，是由多層的底部和頂部反射器提供的。
20.按照權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器，其中的頂部反射器由單層構(gòu)成，而底部反射器由多層構(gòu)成，以便這些反射器提供垂直方向的反饋。
21.按照權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器，其中的頂部反射器由多層構(gòu)成，而底部反射器由單層構(gòu)成，以便這些反射器提供垂直方向的反饋。
22.按照權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器，其中的頂部反射器和底部反射器各由單層構(gòu)成，從而提供垂直方向的反饋。
23.按照權(quán)利要求22的半導(dǎo)體激光器，其中的傾斜光學(xué)模，既在空腔與頂部反射器之間的邊界，也在空腔與底部反射器之間的邊界，以大于全內(nèi)反射角的角度，傾斜于層的法線。
24.按照權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器，其中的空腔還包括在空腔的每一側(cè)至少一個(gè)反射鏡，該反射鏡提供沿橫向方向的反饋。
25.按照權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器，其中的頂部反射器部分地被蝕刻，以便提供沿橫向方向的分布反饋。
26.按照權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器，還包括在頂部反射器上面制作的光柵，其中，該光柵提供沿橫向方向的分布反饋。
27.按照權(quán)利要求3的半導(dǎo)體激光器，還包括d)置于頂部反射器頂部的吸收單元，其中，該吸收單元包括吸收區(qū)，該吸收區(qū)吸收通過(guò)頂部反射器透射的光。
28.按照權(quán)利要求3的半導(dǎo)體激光器，還包括d)夾在基底與底部反射器之間的吸收單元，其中，該吸收單元包括吸收區(qū)，該吸收區(qū)吸收通過(guò)底部反射器發(fā)射的光。
29.按照權(quán)利要求3的半導(dǎo)體激光器，還包括d)相位控制單元，包含i)位于第一p型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)上面的調(diào)制區(qū)，其中，該調(diào)制區(qū)使用電光效應(yīng)調(diào)制光的波長(zhǎng)；ii)在該調(diào)制區(qū)上面的第二n型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)；iii)置于相位控制單元每一相鄰區(qū)之間的電流孔徑；和iv)在第二n型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)與第一p型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)之間的相位控制單元偏置控制裝置，以便能為調(diào)制區(qū)對(duì)光波長(zhǎng)的調(diào)制建立電場(chǎng)。
30.按照權(quán)利要求29的半導(dǎo)體激光器，其中，當(dāng)對(duì)調(diào)制區(qū)施加反向偏置，使調(diào)制區(qū)暴露在電場(chǎng)中時(shí)，調(diào)制區(qū)可以調(diào)制光的波長(zhǎng)。
31.按照權(quán)利要求30的半導(dǎo)體激光器，還包括光學(xué)孔徑，該光學(xué)孔徑能使產(chǎn)生的光從該結(jié)構(gòu)出射。
32.按照權(quán)利要求31的半導(dǎo)體激光器，其中的光學(xué)孔徑，是通過(guò)部分有選擇地移去頂部反射器的若干層作成的。
33.按照權(quán)利要求31的半導(dǎo)體激光器，其中的光學(xué)孔徑，是通過(guò)在頂部反射器的頂部增加一層作成的。
34.按照權(quán)利要求30的半導(dǎo)體激光器，還包括吸收單元，該吸收單元包括置于頂部反射器頂部的吸收區(qū)，用于提供沿橫向方向的光輸出。
35.按照權(quán)利要求29的半導(dǎo)體激光器，其中，當(dāng)對(duì)調(diào)制區(qū)施加正向偏置，使電流注入調(diào)制區(qū)時(shí)，調(diào)制區(qū)可以調(diào)制光的波長(zhǎng)。
36.按照權(quán)利要求35的半導(dǎo)體激光器，還包括光學(xué)孔徑，該光學(xué)孔徑能讓產(chǎn)生的光從該結(jié)構(gòu)出射。
37.按照權(quán)利要求36的半導(dǎo)體激光器，其中的光學(xué)孔徑，是通過(guò)部分有選擇地移去頂部反射器的若干層作成的。
38.按照權(quán)利要求36的半導(dǎo)體激光器，其中的光學(xué)孔徑，是通過(guò)在頂部反射器的頂部增加一層作成的。
39.按照權(quán)利要求36的半導(dǎo)體激光器，還包括吸收單元，該吸收單元包括置于頂部反射器頂部的吸收區(qū)，用于提供沿橫向方向的光輸出。
40.按照權(quán)利要求29的半導(dǎo)體激光器，還包括e)功率調(diào)制單元，包含i)位于第二n型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)上面的第一吸收區(qū)，其中該第一吸收區(qū)使用電光效應(yīng)，調(diào)制吸收的功率；ii)第一吸收區(qū)上面的第二p型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)；iii)位于功率調(diào)制單元每一相鄰區(qū)之間的電流孔徑；和iv)第二n型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)與第二p型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)之間的功率調(diào)制單元偏置控制裝置，以便能夠建立使第一吸收區(qū)移至吸收峰光譜位置的電場(chǎng)，從而在發(fā)射光給定波長(zhǎng)上調(diào)制吸收。
41.按照權(quán)利要求40的半導(dǎo)體激光器，其中，當(dāng)對(duì)第一吸收區(qū)施加反向偏置時(shí)，第一吸收區(qū)被暴露在電場(chǎng)中。
42.按照權(quán)利要求41的半導(dǎo)體激光器，還包括光學(xué)孔徑，該光學(xué)孔徑能讓產(chǎn)生的光從該結(jié)構(gòu)中出射。
43.按照權(quán)利要求41的半導(dǎo)體激光器，還包括吸收單元，該吸收單元包括位于頂部反射器頂部的第二吸收區(qū)，用于提供沿橫向方向的光輸出。
44.按照權(quán)利要求40的半導(dǎo)體激光器，其中，當(dāng)對(duì)第一吸收區(qū)施加正向偏置時(shí)，電流注入第一吸收區(qū)。
45.按照權(quán)利要求44的半導(dǎo)體激光器，還包括光學(xué)孔徑，該光學(xué)孔徑能讓產(chǎn)生的光從該結(jié)構(gòu)中出射。
46.按照權(quán)利要求44的半導(dǎo)體激光器，還包括吸收單元，該吸收單元包括位于頂部反射器頂部的第二吸收區(qū)，用于提供沿橫向方向的光輸出。
47.按照權(quán)利要求3的半導(dǎo)體激光器，還包括d)功率調(diào)制單元，包含i)位于第一p型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)上面的第一吸收區(qū)，其中，該吸收區(qū)使用電光效應(yīng)，調(diào)制吸收的功率；ii)在該吸收區(qū)上面的第二n型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)；iii)置于每一相鄰區(qū)之間的電流孔徑；和iv)在第二n型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)與第一p型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)之間的功率調(diào)制單元偏置控制裝置，以便能夠建立使該吸收區(qū)移至吸收峰光譜位置的電場(chǎng)，從而在給定光波長(zhǎng)上調(diào)制吸收。
48.按照權(quán)利要求47的半導(dǎo)體激光器，其中，當(dāng)對(duì)第一吸收區(qū)施加反向偏置，使第一吸收區(qū)暴露在電場(chǎng)中時(shí)，第一吸收區(qū)可以調(diào)制吸收功率。
49.按照權(quán)利要求48的半導(dǎo)體激光器，還包括光學(xué)孔徑，該光學(xué)孔徑能讓產(chǎn)生的光從該結(jié)構(gòu)中出射。
50.按照權(quán)利要求49的半導(dǎo)體激光器，其中的光學(xué)孔徑，是通過(guò)部分有選擇地移去頂部反射器的若干層作成的。
51.按照權(quán)利要求50的半導(dǎo)體激光器，其中的光學(xué)孔徑，是通過(guò)在頂部反射器的頂部增加一層作成的。
52.按照權(quán)利要求48的半導(dǎo)體激光器，還包括吸收單元，該吸收單元包括位于頂部反射器頂部的第二吸收區(qū)，用于提供沿橫向方向的光輸出。
53.按照權(quán)利要求47的半導(dǎo)體激光器，其中，當(dāng)對(duì)吸收區(qū)施加正向偏置時(shí)，電流注入吸收區(qū)。
54.按照權(quán)利要求53的半導(dǎo)體激光器，還包括光學(xué)孔徑，該光學(xué)孔徑能讓產(chǎn)生的光從該結(jié)構(gòu)中出射。
55.按照權(quán)利要求54的半導(dǎo)體激光器，其中的光學(xué)孔徑，是通過(guò)部分有選擇地移去頂部反射器的若干層作成的。
56.按照權(quán)利要求54的半導(dǎo)體激光器，其中的光學(xué)孔徑，是通過(guò)在頂部反射器的頂部增加一層作成的。
57.按照權(quán)利要求53的半導(dǎo)體激光器，還包括吸收單元，該吸收單元包括位于頂部反射器頂部的第二吸收區(qū)，用于提供沿橫向方向的光輸出。
58.按照權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器，其中一個(gè)反射器是多層反射器，而另一個(gè)反射器是單層反射器。
59.按照權(quán)利要求58的半導(dǎo)體激光器，其中的底部反射器是單層反射器，而頂部反射器是多層反射器。
60.按照權(quán)利要求59的半導(dǎo)體激光器，其中的傾斜光學(xué)模，在空腔與底部反射器之間的邊界上，以大于全內(nèi)反射角的角度，傾斜于層的法線。
61.按照權(quán)利要求58的半導(dǎo)體激光器，其中的底部反射器是多層反射器，而頂部反射器是單層反射器。
62.按照權(quán)利要求61的半導(dǎo)體激光器，其中的傾斜光學(xué)模，在空腔與頂部反射器之間的邊界上，以大于全內(nèi)反射角的角度，傾斜于層的法線。
63.按照權(quán)利要求3的半導(dǎo)體激光器，其中的有源區(qū)，位于諧振傾斜光學(xué)模強(qiáng)度局部最大的位置。
64.按照權(quán)利要求29的半導(dǎo)體激光器，其中的調(diào)制區(qū)，位于諧振傾斜光學(xué)模強(qiáng)度局部最大的位置。
65.按照權(quán)利要求29的半導(dǎo)體激光器，其中的有源區(qū)和調(diào)制區(qū)兩者，都位于諧振傾斜光學(xué)模強(qiáng)度局部最大的位置。
66.按照權(quán)利要求47的半導(dǎo)體激光器，其中的吸收區(qū)，位于諧振傾斜光學(xué)模強(qiáng)度局部最大的位置。
67.按照權(quán)利要求47的半導(dǎo)體激光器，其中的有源區(qū)和吸收區(qū)兩者，都位于諧振傾斜光學(xué)模強(qiáng)度局部最大的位置。
68.按照權(quán)利要求40的半導(dǎo)體激光器，其中的有源區(qū)、調(diào)制區(qū)、和吸收區(qū)，都位于諧振傾斜光學(xué)模強(qiáng)度局部最大的位置。
69.按照權(quán)利要求3的半導(dǎo)體激光器，其中的空腔還包括vii)位于第一p型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)上面的調(diào)制區(qū)；和viii)位于第一p型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)與調(diào)制區(qū)之間的電流孔徑。
70.按照權(quán)利要求69的半導(dǎo)體激光器，其中的調(diào)制區(qū)，包括調(diào)制層，該調(diào)制層在靠近產(chǎn)生的光的光譜線的光譜區(qū)中，有吸收峰。
71.按照權(quán)利要求70的半導(dǎo)體激光器，其中調(diào)制層的設(shè)計(jì)，要能使調(diào)制層折射率隨溫度增加而諧振降低，該諧振降低能對(duì)空腔有效折射率平均非諧振的增加進(jìn)行補(bǔ)償，因而為發(fā)射光的線寬提供對(duì)抗溫度變化的附加的穩(wěn)定性。
72.按照權(quán)利要求71的半導(dǎo)體激光器，其中的調(diào)制層位于諧振傾斜光學(xué)模局部最大的位置。
73.按照權(quán)利要求71的半導(dǎo)體激光器，其中的有源區(qū)和調(diào)制層兩者，都位于諧振傾斜光學(xué)模局部最大的位置。
74.一種光檢測(cè)器，包括a)底部反射器；b)頂部反射器；和c)位于底部反射器及頂部反射器之間的空腔，該空腔包括位于空腔內(nèi)的光吸收區(qū)，其中該空腔的設(shè)計(jì)，能使空腔的諧振光學(xué)模中光的傳播方向，既傾斜于橫向平面法線，也相對(duì)于該橫向平面本身傾斜。
75.按照權(quán)利要求74的光檢測(cè)器，還包括底部反射器下面的基底。
76.按照權(quán)利要求75的光檢測(cè)器，其中a)當(dāng)光吸收區(qū)吸收光時(shí)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)；和b)該空腔還包括i)光吸收區(qū)下面的第一約束區(qū)；ii)光吸收區(qū)上面的第二約束區(qū)；iii)在基底上面和第一約束區(qū)下面的第一n型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)；iv)在第二約束區(qū)上面和頂部反射器下面的第一p型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)；v)位于每一相鄰區(qū)之間的電流孔徑；和vi)第一n型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)與第一p型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)之間的偏置控制裝置，使光吸收層吸收光而建立的電子空穴對(duì)，在外部電路產(chǎn)生光電流。
77.按照權(quán)利要求76的光檢測(cè)器，其中的光檢測(cè)器檢測(cè)來(lái)自垂直方向的光。
78.按照權(quán)利要求76的光檢測(cè)器，其中的光檢測(cè)器檢測(cè)來(lái)自橫向方向的光。
79.一種放大器，包括a)底部反射器；b)頂部反射器；和c)位于底部反射器及頂部反射器之間的空腔，包括位于空腔內(nèi)的有源區(qū)，其中該空腔的設(shè)計(jì)，能使空腔的諧振光學(xué)模中光的傳播方向，既傾斜于橫向平面的法線，也相對(duì)于該橫向平面本身傾斜。
80.按照權(quán)利要求79的放大器，還包括底部反射器下面的基底。
81.按照權(quán)利要求80的放大器，其中a)當(dāng)對(duì)有源區(qū)施加正向偏置，使電流注入有源區(qū)時(shí)，有源區(qū)把光放大；和b)該空腔還包括i)有源區(qū)下面的第一約束區(qū)；ii)有源區(qū)上面的第二約束區(qū)；iii)在基底上面和第一約束區(qū)下面的第一n型摻雜區(qū)；iv)在第二約束區(qū)上面和頂部反射器下面的第一p型摻雜區(qū)；和v)第一n型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)與第一p型摻雜電流擴(kuò)展區(qū)之間的偏置控制裝置，能使電流注入光產(chǎn)生層，使光放大。
82.按照權(quán)利要求80的放大器，其中，基底是n型摻雜、底部反射器是n型摻雜、和頂部反射器是p型摻雜。
83.按照權(quán)利要求82的放大器，還包括d)位于基底下面的n型觸點(diǎn)；和e)位于頂部反射器上面的p型觸點(diǎn)；
84.按照權(quán)利要求83的放大器，其中的p型觸點(diǎn)在橫向平面內(nèi)相對(duì)于傾斜光學(xué)模傳播的橫向方向旋轉(zhuǎn)，以便使該放大器不作為激光器運(yùn)轉(zhuǎn)。
85.按照權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器，其中只有激光器結(jié)構(gòu)的一部分，是由傾斜空腔形成。
86.按照權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器，其中傾斜空腔的至少一個(gè)側(cè)面，被選自單層涂層及多層涂層的一種涂層覆蓋；其中的涂層控制橫向方向的光輸出。
87.按照權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器，其中至少有一根光纖附著在空腔側(cè)面鄰域中電磁場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)，從而把空腔的諧振光學(xué)模耦合至光纖。
88.按照權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器，其中至少有一根光纖附著在頂部反射器的頂部表面鄰域中電磁場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)，從而把空腔的諧振光學(xué)模耦合至光纖。
89.按照權(quán)利要求1的半導(dǎo)體激光器，其中至少有一根光纖附著在頂部反射器頂部表面上部鄰域中的電磁場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)，從而把空腔的諧振光學(xué)模耦合至光纖。
90.一種光纖，包括a)纖芯；和b)設(shè)計(jì)的多層涂層，以便只讓某一區(qū)間波長(zhǎng)的光能夠傳播，從而提供一種波長(zhǎng)穩(wěn)定系統(tǒng)。
全文摘要
一種新穎的半導(dǎo)體激光器類型，或叫“傾斜空腔激光器”，包括至少一個(gè)具有有源區(qū)的有源單元，該有源區(qū)通過(guò)注入電流及反射鏡，產(chǎn)生光增益。該有源單元放在空腔內(nèi)。該空腔的設(shè)計(jì)，能使諧振光學(xué)模的光路，既對(duì)垂直方向傾斜，也對(duì)橫向平面傾斜。因此，為該諧振光學(xué)模提供了垂直方向及橫向方向兩個(gè)方向上的反饋。與具體的實(shí)施例有關(guān)，該激光器既可作為表面發(fā)射激光器工作，也可作為邊緣發(fā)射激光器工作。采用傾斜光學(xué)模，能在底部和頂部干涉反射器中，比常規(guī)激光器使用顯著少得多的層。這樣可以維持必需的高的反射系數(shù)。還實(shí)現(xiàn)一種邊緣發(fā)射的波長(zhǎng)穩(wěn)定激光器。該波長(zhǎng)穩(wěn)定性，是由于色散定律對(duì)不同折射率各層中的傾斜光學(xué)模的差別。
文檔編號(hào)H01S5/00GK1643752SQ03806032
公開(kāi)日2005年7月20日 申請(qǐng)日期2003年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月12日
發(fā)明者尼克萊·N·登特索韋, 維特利·A·舒金 申請(qǐng)人:尼克萊·N·登特索韋