專利名稱：頻率轉(zhuǎn)換裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非線性光學(xué)器件，更具體地，涉及用于基于二極管激光器結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換光頻率的裝置。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器在光纖傳輸系統(tǒng)、信號放大系統(tǒng)、波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)、波分切換系統(tǒng)、波長交叉連接系統(tǒng)等等中起重要的作用。此外，半導(dǎo)體激光器在光學(xué)測量領(lǐng)域也是有用的。
半導(dǎo)體激光器(于1959年首次提出)是基于非平衡載流子注入半導(dǎo)體有源介質(zhì)、產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和足夠的模式增益來實現(xiàn)激射的。
現(xiàn)在參照附圖，目前半導(dǎo)體市場中基本上有兩種半導(dǎo)體激光器占主導(dǎo)地位，在圖1a-b中對它們進(jìn)行描述。圖1a示出了垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，其中光子在垂直方向上(圖1a中向上)在高度精細(xì)的腔內(nèi)循環(huán)。在這種激光器中，腔很短且每循環(huán)的增益很低。因此，至關(guān)重要的是保證每次反射時損耗很低，否則，激射將不會發(fā)生，或者將需要過大的電流密度，這樣不適于連續(xù)波的工作。自從1962年首次提出以來，VCSEL變得非常流行。VCSEL可以做的很小，可在低閾值電流下工作并且以成熟化生產(chǎn)的平面技術(shù)制造。
另一種半導(dǎo)體激光器是邊緣發(fā)射激光器，如圖1b所示。在這種激光器中，有源介質(zhì)(例如，薄層)放置在折射率大于周圍包層的波導(dǎo)內(nèi)，以確保激光限制在波導(dǎo)內(nèi)。所產(chǎn)生的光通常以30°-60°的大角度在器件的出射面衍射。邊緣發(fā)射激光器的優(yōu)點是其緊湊的輸出孔徑，并且同時實現(xiàn)了高光輸出功率。邊緣發(fā)射激光器與VCSEL相比缺點在于當(dāng)采用圓形輸出孔徑時經(jīng)常發(fā)生散光現(xiàn)象。此外，與VCSEL相反，在邊緣發(fā)射激光器中，溫度升高導(dǎo)致顯著的波長漂移，這是因為半導(dǎo)體的帶隙隨溫度升高變窄。
所有半導(dǎo)體激光器的缺點之一是所發(fā)射光的波長(或頻率)限于由半導(dǎo)體材料的能帶隙值所提供的值。由于各種結(jié)構(gòu)(已知的有量子阱、量子線或量子點異質(zhì)結(jié)構(gòu))導(dǎo)致的載流子的局域化，可利用的波長還有可能變得更大(所謂的紅移)。由于III-V族化合物半導(dǎo)體，半導(dǎo)體激光器技術(shù)得到了很好的發(fā)展，并且超越了600nm的波長?，F(xiàn)在已知的600nm以下的半導(dǎo)體激光器(例如，紫外到綠色光譜范圍)不是很成熟。
半導(dǎo)體激光器的另外的缺點是光束質(zhì)量差、光譜寬以及波長的溫度穩(wěn)定性差。
已經(jīng)提出了幾種產(chǎn)生600nm以下的光的方法，主要使用非線性光學(xué)技術(shù)，該技術(shù)轉(zhuǎn)換從半導(dǎo)體激光器輸出的光的波長。這些技術(shù)能夠產(chǎn)生極寬的光譜范圍內(nèi)的光，例如從中紅外(mid-IR)到可見光。頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)的例子包括和頻率發(fā)生(SFG(sum frequencygeneration))、二倍頻(SFG的特例)、微分頻率發(fā)生(DFG)和光學(xué)參數(shù)發(fā)生。
經(jīng)過過去的十年，頻率轉(zhuǎn)換的工藝已經(jīng)變得商業(yè)化了，制造諸如倍頻綠光源的產(chǎn)品代替了多瓦特Ar+離子激光器和光學(xué)參量振蕩器，所述光學(xué)參量振蕩器在增強(qiáng)的功率水平下產(chǎn)生可用于國防用途的中紅外輻射。
例如，美國專利No.5175741公開了采用單個非線性光學(xué)(NLO)晶體的波長轉(zhuǎn)換方法，其內(nèi)容在此引用作為參考。固態(tài)激光器由半導(dǎo)體激光器泵浦，并且產(chǎn)生由固態(tài)激光器振蕩的激光束。然后，NLO晶體將激光束的波長和泵浦激光束的波長轉(zhuǎn)換成一波長，該波長的頻率是這些激光束的頻率之和。
在頻率轉(zhuǎn)換過程中需要固態(tài)激光器通常由幾種爭論推動。首先，固態(tài)激光器提供高質(zhì)量的激光束，束發(fā)散相當(dāng)?shù)颓蚁裆⒌汀Ｆ浯?，激光束的光譜寬度小到足以允許NLO晶體的最大波長轉(zhuǎn)換效率。例如，對于KNbO3晶體，轉(zhuǎn)換效率峰值的半高全寬通常為約0.5nm。因此，光譜寬度小于0.1nm的固態(tài)激光器相當(dāng)適合于使用KNbO3進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換。
然而，上述技術(shù)受到下述低效率的限制。對于從半導(dǎo)體二極管激光器到固態(tài)激光器的光轉(zhuǎn)換，最大功率轉(zhuǎn)換效率不高于30％。另一方面，使用NLO晶體對固態(tài)激光器進(jìn)行二次諧波轉(zhuǎn)換的頻率轉(zhuǎn)換效率可以高達(dá)70％。因此，該過程的低效率源于在從二極管激光器的光(或燈光)到固態(tài)激光器激光的轉(zhuǎn)換過程中。
例如在美國專利No.5991317和6241720中公開了已提出的用于提高效率的技術(shù)，其內(nèi)容在此引用作為參考。在這些技術(shù)中，采用了腔內(nèi)轉(zhuǎn)換的概念。例如，美國專利No.5991317公開了由兩個或更多個諧振腔面限定的諧振腔。在諧振腔中放置激光晶體和幾個NLO晶體。二極管泵浦源向激光晶體提供泵浦束，并且產(chǎn)生具有多軸模式的激光束，照射NLO晶體且產(chǎn)生倍頻(或三倍頻)輸出光束。
然而，這些技術(shù)的轉(zhuǎn)換效率仍然相當(dāng)?shù)汀Ｒ呀?jīng)認(rèn)識到低轉(zhuǎn)換效率需要使用高功率二極管激光器，該激光器不可避免地需要冷卻。因此，由于發(fā)熱導(dǎo)致的能量損失加重了低效率問題，該能量損失是總能量的至少90％。
此外，對于轉(zhuǎn)換效率而言，NLO晶體的最佳波長取決于溫度(例如，對于KNbO3，最佳波長是0.28nm/°K)。這與波長穩(wěn)定的固態(tài)激光器是矛盾的。為了有效地工作，要通過向系統(tǒng)增加部件來精確控制NLO晶體的溫度，這樣增加了設(shè)計的復(fù)雜性。
另一缺點是固態(tài)激光器具有嚴(yán)格定義的波長，限制了得到任意頻率轉(zhuǎn)換波長的可能性。
在上述技術(shù)中，二極管激光器用于泵浦，同時間接使用固態(tài)激光器進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換。用于提高頻率轉(zhuǎn)換效率的另一種解決方法是使用邊緣發(fā)射二極管激光器進(jìn)行直接頻率轉(zhuǎn)換。然而，對于這種激光器，激光器波長與最佳NLO晶體波長之間的匹配是極為困難的，首先是因為所產(chǎn)生的光光譜寬，其次是因為激射波長與溫度有關(guān)。
另一個缺點是二極管激光器的束發(fā)散程度很高。這種發(fā)散導(dǎo)致激光束相對于所需的結(jié)晶方向有很大偏差，此外還會破壞器件的性能。
校正束發(fā)散通常需要包括幾個透鏡的復(fù)雜裝置，這些透鏡被放置成將泵浦輻射聚焦到NLO晶體的表面上[關(guān)于這點，參見例如，Simon，U.et al.，“Difference-Frequency Generation in AgGaS2by Useof Single-Mode Diode-Laser Pump Sources”，Optics Letters，18，No.131062-1064，1993，以及美國專利No.5912910、6229828和6304585]。然而，已知的是，所增加的用于將激光器的輸出轉(zhuǎn)變成平行光束的透鏡會使得光束直徑顯著變寬，因此減小功率密度，而功率密度對于有效的波長轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵要求。由于這些問題，邊緣發(fā)射二極管激光器在商業(yè)上并沒有用于直接頻率轉(zhuǎn)換，而是主要用作固態(tài)激光器的泵浦源。
在美國專利No.6097540中公開了另一種將半導(dǎo)體二極管激光器用于直接頻率轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，利用透鏡和鏡面將多個激光器產(chǎn)生的光束組合成單個光束并將其引導(dǎo)到NLO晶體的表面上。然而，這種解決方案并不明顯優(yōu)于上述技術(shù)，因為該系統(tǒng)很復(fù)雜且昂貴，其包括大量激光器，僅提供腔外轉(zhuǎn)換并且波長不穩(wěn)定。
因此，對于不受上述限制的頻率轉(zhuǎn)換裝置是普遍認(rèn)識到都是需要的，獲得這樣的裝置可能會是極為有利的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種光頻率轉(zhuǎn)換裝置，該裝置包括(a)發(fā)光器件，用于發(fā)射具有第一頻率的光，該發(fā)光器件是具有延伸的波導(dǎo)的邊緣發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管，該波導(dǎo)被選擇成使得該延伸的波導(dǎo)的基橫模具有低射束發(fā)散性的特征；(b)光反射器，構(gòu)造并設(shè)計成使得所述光多次通過外部腔并且提供用于產(chǎn)生具有第一頻率的激光的反饋，所述外部腔限定在所述發(fā)光器件和該光反射器之間；以及(c)非線性光學(xué)晶體，位于所述外部腔內(nèi)，并被選擇成使得當(dāng)具有第一頻率的激光多次通過該非線性光學(xué)晶體時，第一頻率被轉(zhuǎn)換成不同于第一頻率的第二頻率。
根據(jù)下述的本發(fā)明優(yōu)選實施例中的另一些特征，該裝置還包括至少一個另外的發(fā)光器件。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中又一些特征，所述至少一個另外的發(fā)光器件中的至少一個是具有延伸的波導(dǎo)的邊緣發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中又一些特征，該裝置還包括光譜選擇濾波器，設(shè)置該濾波器以便防止具有第二頻率的光照射發(fā)光器件。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中又一些特征，該裝置還包括位于發(fā)光器件和非線性光學(xué)晶體之間的所述外部腔內(nèi)的透鏡。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供用于轉(zhuǎn)換光頻率的方法，該方法包括(a)使用發(fā)光器件發(fā)射具有第一頻率的光，該發(fā)光器件是具有延伸的波導(dǎo)的邊緣發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管，該延伸的波導(dǎo)被選擇成使得該延伸的波導(dǎo)的基橫模的特征在于低射束發(fā)散度；(b)使用光反射器，以允許所述光多次通過外部腔，從而提供用于產(chǎn)生具有第一頻率的激光的反饋，所述外部腔限定在所述發(fā)光器件和該光反射器之間；以及(c)使用位于所述外部腔內(nèi)的非線性光學(xué)晶體，以將激光的第一頻率轉(zhuǎn)換成第二頻率，其中第二頻率不同于第一頻率。
根據(jù)下述本發(fā)明優(yōu)選實施例中另一些特征，該方法還包括通過向延伸的波導(dǎo)注入電流來發(fā)光。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中又一些特征，該方法還包括使用透鏡將微弱發(fā)散的光束變成平行光束。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了用于制造光頻率轉(zhuǎn)換裝置的方法，該方法包括(a)提供用于發(fā)射具有第一頻率的光的發(fā)光器件，該發(fā)光器件是具有延伸的波導(dǎo)的邊緣發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管，該波導(dǎo)被選擇使得該延伸的波導(dǎo)的基橫模具有低射束發(fā)散性的特征；(b)提供光反射器，并將該光反射器相對發(fā)光器件放置，該光反射器構(gòu)造并設(shè)計成使得所述光多次通過外部腔并且提供用于產(chǎn)生具有第一頻率的激光的反饋，所述外部腔限定在所述發(fā)光器件和該光反射器之間；以及(c)提供非線性光學(xué)晶體并將該非線性光學(xué)晶體放置在所述外部腔內(nèi)，選擇該非線性光學(xué)晶體使得當(dāng)具有第一頻率的激光多次通過該非線性光學(xué)晶體時，第一頻率被轉(zhuǎn)換成不同于第一頻率的第二頻率。
根據(jù)下述本發(fā)明優(yōu)選實施例中另外的特征，該方法還包括提供至少一個額外的發(fā)光器件。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，當(dāng)被注入電流時延伸的波導(dǎo)能夠發(fā)光。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，發(fā)光器件的條長度和注入電流被選擇成使得僅由注入電流產(chǎn)生非相干光，且激光由電流和反饋的組合來產(chǎn)生。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，將外部腔設(shè)計成基本以基橫模產(chǎn)生激光。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，選擇光反射器，使其反射具有非第二頻率的頻率的光并透射具有第二頻率的光。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，發(fā)光器件由多個層形成。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，發(fā)光器件包括從第一側(cè)與延伸的波導(dǎo)相鄰的n-發(fā)射極，以及從第二側(cè)與延伸的波導(dǎo)相鄰的p-發(fā)射極。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，延伸的波導(dǎo)包括形成在摻入n-雜質(zhì)的第一延伸波導(dǎo)區(qū)域和摻入p-雜質(zhì)的第二延伸波導(dǎo)區(qū)域之間的有源區(qū)，該第一和第二延伸波導(dǎo)區(qū)域是透光的。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，有源區(qū)包括至少一層。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，有源區(qū)包括選自以下組的系統(tǒng)，所述組包括量子阱系統(tǒng)、量子線系統(tǒng)、量子點系統(tǒng)及其任意組合。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，n-發(fā)射極的厚度大于10微米。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，發(fā)光器件的前面涂敷有抗反射涂層。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，發(fā)光器件的背面涂敷有高反射涂層。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，高反射涂層包括多層。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，高反射涂層的特征在于預(yù)定阻帶窄到足以提供基橫模的高反射率并提供高階橫模的低反射率。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，光反射器包括多個層。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，光反射器的特征在于預(yù)定阻帶窄到足以提供基橫模的高反射率并提供高階橫模的低反射率。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，高反射涂層和光反射器各自獨立的特征在于預(yù)定阻帶窄到足以提供基橫模的高反射率并提供高階橫模的低反射率。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，非線性光學(xué)晶體的特征在于頻率轉(zhuǎn)換效率，此外，其中高反射涂層的阻帶的溫度相關(guān)性與頻率轉(zhuǎn)換效率的溫度相關(guān)性相同。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，非線性光學(xué)晶體的特征在于頻率轉(zhuǎn)換效率，此外，其中光反射器的阻帶的溫度相關(guān)性與頻率轉(zhuǎn)換效率的溫度相關(guān)性相同。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，高反射涂層的阻帶的溫度相關(guān)性與頻率轉(zhuǎn)換效率的溫度相關(guān)性相同。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，該方法還包括提供光譜選擇濾波器并且定位該光譜選擇濾波器以防止具有第二頻率的光照射到發(fā)光器件。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，光譜選擇濾波器形成在非線性光學(xué)晶體與發(fā)光器件的面對的一側(cè)上。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，延伸的波導(dǎo)包括至少兩部分，每一部分具有不同的折射率，使得該延伸的波導(dǎo)的特征在于折射率可變。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，所述延伸的波導(dǎo)的至少兩部分包括具有中間折射率的第一部分和具有高折射率的第二部分，該第一和第二部分設(shè)計和構(gòu)造成使得基橫模在第一部分中產(chǎn)生，漏到第二部分中并且以預(yù)定角度通過發(fā)光器件的前面出射。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，延伸的波導(dǎo)的至少一部分包括光子帶隙晶體。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，光子帶隙晶體包括具有周期性調(diào)制折射率的結(jié)構(gòu)，其中該結(jié)構(gòu)包括多個層。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，發(fā)光器件包括至少一個吸收層，該吸收層能夠吸收位于光子帶隙晶體的一層內(nèi)的光。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，發(fā)光器件包括多個吸收層，使得該多個吸收層中的每一層位于光子帶隙晶體的不同層內(nèi)。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，延伸的波導(dǎo)的至少一部分包括與光子帶隙晶體的第一側(cè)相鄰的缺陷(defect)，選擇該缺陷和該光子帶隙晶體使得基橫模位于該缺陷處且其它模式在整個光子帶隙晶體上延伸。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，該缺陷包括具有n-側(cè)和p-側(cè)的有源區(qū)，該有源區(qū)在被注入電流時能夠發(fā)光。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，光子帶隙晶體和所述缺陷的總厚度被選擇成允許低射束發(fā)散度。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，發(fā)光器件包括與光子帶隙晶體的第二側(cè)相鄰的n-發(fā)射極以及與光子帶隙晶體相隔所述缺陷并與所述缺陷相鄰的p-發(fā)射極。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，發(fā)光器件包括具有可變折射率的p型摻雜層狀結(jié)構(gòu)，該p-摻雜層狀結(jié)構(gòu)在p-發(fā)射極和缺陷之間。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，n-發(fā)射極形成在襯底的第一側(cè)上，該襯底是III-V族半導(dǎo)體。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，III-V族半導(dǎo)體選自包括GaAs、InAs、InP和GaSb的組。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，有源區(qū)的特征在于能量帶隙小于襯底的能量帶隙。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，發(fā)光器件包括與襯底接觸的n-接觸和與p-發(fā)射極接觸的p-接觸。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，選擇所述可變折射率，以防止基橫模延伸到n-接觸和/或p-接觸。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，p-發(fā)射極包括與延伸的波導(dǎo)接觸的至少一層p-摻雜層以及與p-接觸相接觸的至少一層p+-摻雜層。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，所述缺陷還包括第一薄電子隧穿勢壘層，位于有源區(qū)的n-側(cè)并且夾在第一對額外層之間；第二薄空穴隧穿勢壘層，位于有源區(qū)的p-側(cè)并夾在第二對額外層之間。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，第一薄隧穿勢壘層由選自包括輕摻雜n-層和非摻雜層的組中的材料形成。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，第二薄隧穿勢壘層由選自包括輕摻雜p-層和非摻雜層的組中的材料形成。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，所述缺陷還包括與遠(yuǎn)離有源區(qū)的第一對額外層中的一個鄰接的厚n-摻雜層；以及與遠(yuǎn)離有源區(qū)的第二對額外層中的一個鄰接的厚p-摻雜層。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，第一對額外層中的至少一個由選自包括輕摻雜n-層和非摻雜層的組中的材料形成。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，第二對額外層中的至少一個由選自包括輕摻雜p-層和非摻雜層的組中的材料形成。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，該方法還包括提供透鏡并將該透鏡定位在外部腔內(nèi)發(fā)光器件和非線性光學(xué)晶體之間。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，將該透鏡設(shè)計和構(gòu)造成將微弱發(fā)散的光束轉(zhuǎn)變成平行光束。
根據(jù)所述優(yōu)選實施例中的又一些特征，光反射器是能夠反射平行光束的平面光反射器。
本發(fā)明通過提供遠(yuǎn)超出現(xiàn)有技術(shù)的頻率轉(zhuǎn)換裝置，成功解決了現(xiàn)有觀念和結(jié)構(gòu)的缺點。
除非另外定義，此處所使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與本領(lǐng)域技術(shù)人員通常的理解具有相同意義。然而在實踐或測試本發(fā)明的過程中，也可以使用與此處所描述的那些相似或相等的方法和材料。如果有沖突的地方，以本專利說明書(包括權(quán)利要求)為準(zhǔn)。此外，材料、方法和實例僅是說明性的，并不意在限制本發(fā)明。


下面參照附圖，以舉例的方式描述本發(fā)明?，F(xiàn)在就細(xì)節(jié)具體參照附圖，需要強(qiáng)調(diào)的是具體細(xì)節(jié)的描述是示例性的，只是為了說明性地討論本發(fā)明的優(yōu)選實施例，以及為了提供對本發(fā)明的原理和概念性方面的最有用和最容易理解的描述。因此，僅僅示出了對于本發(fā)明的基本理解而言所必需的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，結(jié)合附圖的說明向本領(lǐng)域的技術(shù)人員明示了如何在實踐中實施本發(fā)明的幾個形式。
在附圖中圖1a示意性說明了現(xiàn)有技術(shù)的垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)；圖1b示意性說明了現(xiàn)有技術(shù)的邊緣發(fā)射激光器；圖2示意性說明了基于VCSEL的現(xiàn)有技術(shù)頻率轉(zhuǎn)換裝置；圖3示意性說明了根據(jù)本發(fā)明的光頻率轉(zhuǎn)換裝置；圖4示意性說明了根據(jù)本發(fā)明的光頻率轉(zhuǎn)換裝置，其包括形成在發(fā)光器件的不同小面(facet)上的抗反射涂層和高反射涂層；圖5示意性說明了根據(jù)本發(fā)明的頻率轉(zhuǎn)換裝置，其中發(fā)光器件包括光子帶隙晶體；圖6示意性說明了根據(jù)本發(fā)明的頻率轉(zhuǎn)換裝置，其中利用漏式的激光器來產(chǎn)生初級光；圖7示意性說明了根據(jù)本發(fā)明的頻率轉(zhuǎn)換裝置，其包括平面光反射器和用于提供平行光束的透鏡；圖8示意性說明了根據(jù)本發(fā)明的頻率轉(zhuǎn)換裝置，其包括發(fā)光器件上以及光反射器上的額外的多層涂層；圖9是根據(jù)本發(fā)明的光頻率轉(zhuǎn)換的方法的流程圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的制造光頻率轉(zhuǎn)換裝置的方法的流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及可用于轉(zhuǎn)換激光頻率的頻率轉(zhuǎn)換裝置和方法。具體地，本發(fā)明可用于提供具有寬光譜范圍的激光。更具體地，本發(fā)明可用于例如光學(xué)存儲應(yīng)用或投影顯示，在所述光學(xué)存儲應(yīng)用中需要短波長通過減小特征性的特征尺寸來增加存儲信息密度，在所述投影顯示中對于全色應(yīng)用需要綠色和藍(lán)色激光器。本發(fā)明還涉及制造該裝置的方法。
為了更好地理解如附圖中圖3-8所示的本發(fā)明，首先參照圖2所示的傳統(tǒng)(即，現(xiàn)有技術(shù))頻率轉(zhuǎn)換裝置的構(gòu)造和操作。
圖2示出了基于垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)的現(xiàn)有技術(shù)頻率轉(zhuǎn)換裝置。
因此，該現(xiàn)有技術(shù)裝置包括VCSEL型結(jié)構(gòu)101，該結(jié)構(gòu)在襯底102上外延生長、并制造成多層結(jié)構(gòu)。VCSEL型結(jié)構(gòu)101包括底部分布布拉格反射器(DBR)103和位于半導(dǎo)體腔104內(nèi)的有源區(qū)106。在該裝置中，VCSEL型結(jié)構(gòu)101不包括頂部DBR。包括頂部DBR的類似裝置在本領(lǐng)域中也是已知的，該頂部DBR相對于DBR 103質(zhì)量相對差。
在使用中，利用外部激光束109光泵浦VCSEL型結(jié)構(gòu)101并且使其產(chǎn)生光，該產(chǎn)生的光通過外部鏡面114反射回VCSEL型結(jié)構(gòu)101。選擇VCSEL型結(jié)構(gòu)101和激光束109的功率，使得在從鏡面114反射回來的光不具有額外功率的情況下VCSEL型結(jié)構(gòu)101不產(chǎn)生激光。鏡面114和VCSEL型結(jié)構(gòu)101限定了包括半導(dǎo)體腔104和外部腔112的有效腔。該有效腔限制足以產(chǎn)生激光111的增強(qiáng)的光反饋。使用位于外部腔112內(nèi)的NLO晶體113來將激光111的頻率轉(zhuǎn)換成具有不同頻率(通常高于光111的頻率)的激光115，激光115通過外部鏡面114出射。
已知VCSEL結(jié)構(gòu)具有孔徑寬(通常大約100μm)的初級光束。寬孔徑的優(yōu)點在于激光束分散度低，并且將光聚焦回VCSEL孔徑不困難且沒有顯著損失。使用外部鏡面以便能夠?qū)崿F(xiàn)腔內(nèi)的光學(xué)功率聚集，這與使用傳統(tǒng)的外部腔直接二極管泵浦情況下的低效單通放大相反。
然而，由于VCSEL結(jié)構(gòu)的光輸出孔徑等于熱耗散表面，因此從這種結(jié)構(gòu)獲得高功率密度是及其困難的。
此外，VCSEL結(jié)構(gòu)對光激發(fā)的需要大大降低了該裝置的整體轉(zhuǎn)換效率，而該裝置的效率已經(jīng)受到了VCSEL的低功率密度的限制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解，由于頂部接觸層的高電阻，VCSEL不能被注入電流均勻地泵浦。因此，在上述以及類似的現(xiàn)有技術(shù)裝置中，使用光泵浦VCSEL對轉(zhuǎn)換效率有損害。
解決上述限制的一個辦法是使用邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器(見上面背景技術(shù)中的圖1b)代替VCSEL。與VCSEL，相比邊緣發(fā)射激光器具有兩個優(yōu)點(i)邊緣發(fā)射激光器的物理尺寸足以提供有效的熱散逸，這對于高功率密度是有利的；以及(ii)在使用邊緣發(fā)射激光器的情況下，可以使用直接電泵浦，這與實踐中只能使用光泵浦的VCSEL是相反的。
現(xiàn)在已知的邊緣發(fā)射激光器的波導(dǎo)相當(dāng)窄，通常大約在亞微米的范圍內(nèi)。由于波導(dǎo)窄，因此，在不造成顯著的功率損失的情況下，難以將從鏡面反射回波導(dǎo)的光聚焦。此外，邊緣發(fā)射激光器的特征在于光束發(fā)散度高，這妨礙了激光對于NLO晶體的最佳晶體學(xué)方向的精確定向。
本發(fā)明通過提供具有改進(jìn)的邊緣發(fā)射激光器(也稱為邊緣發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管)的頻率轉(zhuǎn)換裝置，成功地提供了解決上述問題的方法。
因此，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了光頻率轉(zhuǎn)換裝置，在此泛稱為裝置10。
在詳細(xì)解釋本發(fā)明的至少一個優(yōu)選實施例之前，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于應(yīng)用下面的描述或圖中所示的裝置的構(gòu)造和設(shè)置的細(xì)節(jié)。本發(fā)明還可有其它的實施例，或者可以以各種方式實踐或執(zhí)行。同樣，應(yīng)當(dāng)理解，此處所使用的措辭或術(shù)語是為了描述而不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是限制性的。
現(xiàn)在再次參照附圖，圖3是裝置10的示意性說明，該裝置10包括用于發(fā)射具有第一頻率的光的發(fā)光器件201。發(fā)光器件201是邊發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其具有延伸的波導(dǎo)204，該波導(dǎo)使得波導(dǎo)204被選擇成使得基橫模(fundamental transverse mode)具有射束發(fā)散度低的特征。裝置10還包括光反射器214和位于限定在該發(fā)光器件和光反射器之間的外部腔212內(nèi)的NLO晶體213。NLO晶體可以是任何已知的NLO晶體，例如，但不限于KNbO3或LiNbO3，其特征在于具有預(yù)定頻率轉(zhuǎn)換效率。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，當(dāng)例如使用正向偏壓218向波導(dǎo)注入電流時，該波導(dǎo)204能夠通過前小面210發(fā)光。優(yōu)選地，選擇發(fā)光器件201的條長度和注入電流，使得注入電流不提供用于激射的最低條件，而是產(chǎn)生非相干初級光。
外部腔212和波導(dǎo)204形成限定在光反射器214和波導(dǎo)204的后小面269之間的有效腔。在裝置10的工作模式中，該有效腔提供了對初級發(fā)射光的額外反饋，因而產(chǎn)生激光211。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，通過審慎地選擇阻帶足夠窄的光反射器214，提供來自光反射器214的激光211的基橫模的高反射率，該光反射器214優(yōu)選由多層結(jié)構(gòu)形成，如下參見圖8的更詳細(xì)的描述。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會理解光反射器214的預(yù)定窄阻帶也用于通過提供其高階橫模的低反射率來濾除激光211的不想要的模式。
因此，激光211通過NLO晶體213多次，該晶體將光211轉(zhuǎn)換成具有不同于第一頻率的第二頻率的轉(zhuǎn)換后的激光215。優(yōu)選地，選擇光反射器214，以反射頻率不是第二頻率的光(例如，光211)并且透射具有第二頻率的光(光215)。此外，為了實現(xiàn)裝置10的最佳轉(zhuǎn)換效率，優(yōu)選光反射器214的阻帶與NLO 213的頻率轉(zhuǎn)換效率一樣具有相同(或相似)的溫度相關(guān)性。因此，根據(jù)NLO 213的類型、取向、幾何形狀和尺寸，裝置10提供波長相當(dāng)?shù)颓屹|(zhì)量高的激光，下面將做詳細(xì)解釋。
在提供對如前面所描述的根據(jù)本發(fā)明的裝置10的另外的詳細(xì)描述之前，先關(guān)注其所提供的優(yōu)點。
因此，本發(fā)明的優(yōu)選實施例的特別優(yōu)點是把發(fā)光器件201的設(shè)計，被設(shè)計成使得延伸的波導(dǎo)204提供單模激光211。使用延伸的波導(dǎo)通常導(dǎo)致產(chǎn)生激光的多種光學(xué)橫模。那么，光學(xué)基模沿波導(dǎo)的方向傳播，并且表現(xiàn)出以垂直于發(fā)光器件201的前小面210的方向為中心的窄的遠(yuǎn)場分布圖。高階光學(xué)橫模的傳播可以描述為相對于該方向以某一角度發(fā)生。
通常，高階模的遠(yuǎn)場圖案顯著寬于基模的遠(yuǎn)場圖案，并且通常包含旁瓣(side lobe)。當(dāng)被光反射器214反射回前小面210時，與具有基模的光(對其優(yōu)化了光反射器214的結(jié)構(gòu))相反，高階光學(xué)模式的光部分地被衍射出所述腔。因此這些衍射損失對于高階模式是顯著的，而對于基模小得可以忽略。換而言之，光反射器214提供的反饋對于基模強(qiáng)而對于高階模弱。這樣就能夠滿足關(guān)于注入電流、激光器條長度、外部鏡面的形狀和位置方面的條件，從而使得只有基橫模發(fā)生激射。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會理解，上述的是一般的優(yōu)點，與所使用的發(fā)光器件的數(shù)量無關(guān)。更具體地，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實施例，可以使用不止一個發(fā)光器件，其中由另外的發(fā)光器件產(chǎn)生的光可以通過特定的光學(xué)系統(tǒng)引導(dǎo)到NLO晶體213上。由此，假設(shè)制造了所述發(fā)光器件中的至少一個，并且它與發(fā)光器件201相似地操作，則可能產(chǎn)生和頻或差頻或頻率的任意其它組合。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，發(fā)光器件201在襯底202上生長，襯底202優(yōu)選由任何III-V族半導(dǎo)體材料或III-V族半導(dǎo)體合金，例如，InAs、InP、GaSb等形成。更優(yōu)選地，襯底202由GaAs制成。
裝置10的一個特別的特征是延伸的波導(dǎo)204，如上所述，該波導(dǎo)204提供基橫模具有低射束發(fā)散度的光。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，波導(dǎo)204形成在n-發(fā)射極(n-emitter)203和p-發(fā)射極(p-emitter)220之間，其中n-發(fā)射極203優(yōu)選直接生長在襯底202上，并且從一側(cè)與波導(dǎo)204相鄰，而p-發(fā)射極從另一側(cè)與波導(dǎo)204相鄰。
優(yōu)選延伸的波導(dǎo)204包括形成在摻有n-雜質(zhì)的第一波導(dǎo)區(qū)205和摻有p-雜質(zhì)的第二波導(dǎo)區(qū)207之間的有源區(qū)206。第一區(qū)205和第二區(qū)297都是透光的。
第一區(qū)205和第二區(qū)207優(yōu)選多層，或者為由與襯底202晶格匹配或接近該匹配的材料形成的多層結(jié)構(gòu)。
可以被引入第一波導(dǎo)區(qū)205的雜質(zhì)是施主雜質(zhì)，例如但不限于S、Se和Te?；蛘?，可以用兩性雜質(zhì)，例如但不限于Si、Ge和Sn，摻雜第一波導(dǎo)區(qū)205，可在如下技術(shù)條件下引入這些雜質(zhì)它們主要被結(jié)合到陽離子亞晶格中，從而充當(dāng)施主雜質(zhì)。因此，第一波導(dǎo)區(qū)205可以是例如用分子束外延生長并且以大約2×1017cm-3的濃度摻入Si雜質(zhì)的GaAs或GaAlAs層。
此處使用的術(shù)語“大約”是指±50％。
可引入第二波導(dǎo)區(qū)207中的雜質(zhì)是受主雜質(zhì)，例如，但不限于Be、Mg、Zn、Cd、Pb和Mn?；蛘?，可以用兩性雜質(zhì)，例如但不限于Si、Ge和Sn，摻雜第二波導(dǎo)區(qū)207，可在如下技術(shù)條件下引入這些雜質(zhì)它們主要被結(jié)合到陰離子亞晶格中，從而充當(dāng)受主雜質(zhì)。因此，第二波導(dǎo)區(qū)207可以是例如用分子束外延生長并且以大約2×1017cm-3的濃度摻入Be雜質(zhì)的GaAs或GaAlAs層。
有源區(qū)206優(yōu)選由能量帶隙窄于襯底202的能量帶隙的任何插入物形成。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，有源區(qū)206可以是例如量子阱系統(tǒng)、量子線系統(tǒng)、量子點系統(tǒng)或者任意其組合。有源區(qū)206可以形成為單層系統(tǒng)或多層系統(tǒng)。在襯底202由GaAs制成的優(yōu)選實施例中，有源區(qū)206可以是例如InAs、In1-xGaxAs、InxGa1-x-yAlyAs、InxGa1-xAs1-yNy或類似材料的插入物的系統(tǒng)，其中x和y標(biāo)記合金成分。
N-發(fā)射極203優(yōu)選由與襯底202晶格匹配或者接近晶格匹配的材料制成，例如，合金材料Ga1-xAlxAs制成。此外，優(yōu)選n-發(fā)射極203對于所產(chǎn)生的光是透明的，并且摻有施主雜質(zhì)，與第一波導(dǎo)區(qū)205的摻雜類似，更詳細(xì)的描述見上文。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，p-發(fā)射極220包括至少一p摻雜層208和至少一p+摻雜層209，其中p摻雜層208設(shè)置在波導(dǎo)204和p+摻雜層209之間。優(yōu)選p摻雜層208和p+摻雜層209均為透光的，并且由與襯底202晶格匹配或者接近晶格匹配的材料形成。使用受主雜質(zhì)摻雜層208和209，與第二波導(dǎo)區(qū)207的摻雜相似。層209和層208之間的差別在于摻雜水平。然而，優(yōu)選第二波導(dǎo)區(qū)207和p摻雜層208的摻雜水平相似，且p+摻雜層209的摻雜水平較高。例如，在其中第二波導(dǎo)區(qū)207的摻雜水平為約2×1017cm-3的實施例中，p+摻雜層209可以是使用分子束外延生長并以約2×1019cm-3的濃度摻雜Be的GaAlAs層。
器件201的厚度優(yōu)選為10μm或更厚，優(yōu)選條寬度為約7μm至約10μm或更寬，器件201的優(yōu)選長度為約100μm或更長。
如上所述，設(shè)計并構(gòu)造發(fā)光器件201，使得波導(dǎo)204提供單模激光211。這可以通過例如將n-發(fā)射極203和p-摻雜層208的折射率選擇成低于波導(dǎo)204的折射率來實現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)保證了激光輻射的基橫模被限制在波導(dǎo)204內(nèi)，并在n-發(fā)射極203和p-發(fā)射極208中衰減。
優(yōu)選將正向偏置218通過與襯底202接觸的n-接觸216和與p-發(fā)射極220(或者p+摻雜層209)接觸的p-接觸217連接到發(fā)光器件201。接觸216和217可以使用任何已知的結(jié)構(gòu)，例如，但不限于多層金屬結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。例如，n-接觸216可以形成為Ni-Au-Ge的三層結(jié)構(gòu)，且p-接觸217可以形成為Ti-Pt-Au的三層結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，裝置10還包括定位成防止光215照射發(fā)光器件201的光譜選擇濾波器260。在一個優(yōu)選實施例中，濾波器260可以與發(fā)光器件201相對地形成在NLO晶體213上。在該實施例中，濾波器260可以由例如介電沉積物(例如，但不限于SiO2、MgF2或者ZnS)形成。
參照圖4，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，發(fā)光器件201的前小面210和后小面269分別涂敷有抗反射涂層320和高反射涂層319。
高反射涂層319用于最小化通過后小面269的損耗。這可以通過例如形成反射率具有阻帶的涂層來進(jìn)行。涂層319的阻帶可以設(shè)計成窄到足以提供基橫模的高反射率且提供高階橫模的低反射率。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，涂層319由多層介電結(jié)構(gòu)形成，該結(jié)構(gòu)設(shè)計成在窄光譜區(qū)中提供高反射率。如下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的(參見圖8)，在該實施例中，對于基橫模反射率更高且損耗更低，而對于高階模，損耗明顯高得多。因此，該實施例允許另外的模式選擇并且有利于實現(xiàn)單模激射。
抗反射涂層320保證只隨著額外的反饋并且只對光學(xué)基橫模發(fā)生激射，如上進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，涂層319和320的阻帶與NLO213的頻率轉(zhuǎn)換效率具有相同(或相似)的溫度溫度相關(guān)性。涂層319和320均優(yōu)選包括由本領(lǐng)域已知的任何適合的材料形成的多個層，所述材料是例如介電沉積物，例如但不限于SiO2、MgF2或ZnS。
現(xiàn)在參照圖5，該圖示意性地說明了使用光子帶隙晶體激光器概念的優(yōu)選實施例的裝置10。為了更好地識別如下進(jìn)一步詳述的當(dāng)前的本發(fā)明優(yōu)選實施例，在圖5中分別將發(fā)光器件和波導(dǎo)用附圖標(biāo)記401和440標(biāo)明。
因此，在該實施例中，延伸的波導(dǎo)440的至少一部分包括n個周期431的光子帶隙晶體(PBC)430。PBC 430的每個周期431優(yōu)選由一個具有低折射率且一個具有高折射率的兩個摻雜層形成。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，發(fā)光器件401包括位于PBC 430和p-摻雜層208之間的缺陷432。缺陷432優(yōu)選包括具有n-側(cè)433和p-側(cè)435的有源區(qū)434，該有源區(qū)在例如使用偏壓218注入電流時發(fā)光。如下面進(jìn)一步詳細(xì)解釋的，主要使用PBC430產(chǎn)生光以提供具有非常寬的波導(dǎo)的高效低閾值電流密度輻射源。
PBC激光器的概念首先在Ledentsov，N.N.和Shchukin，V.A.的文章中提出，該文章的題目為“Long Wavelength Lasers Using GaAs-Based Quantum Dots”，發(fā)表于Photonics and Quantum Technologies forAerospace Applications IV，Proceedings of SPIE，Donkor，E.et al.，editors，437215-26，2002。概括地說，PBC是具有周期性折射率調(diào)制特征的多維結(jié)構(gòu)。為了簡單起見，考慮只在一個維度(例如，z方向)具有周期性折射率調(diào)制的結(jié)構(gòu)。在無限大的優(yōu)選周期性的PBC中，電磁波或者光子的特征在于具有明確定義的x方向的波矢kx和y方向的波矢ky，使得電場E或磁場H與x-y空間坐標(biāo)的空間關(guān)系表示為平面波E，H～exp(ikxx)exp(ikyy)，(等式1)而根據(jù)布洛赫理論，與z-坐標(biāo)的空間關(guān)系不表示為平面波，而表示為平面波和周期函數(shù)u(z)的乘積，u(z)具有與折射率調(diào)制相同的周期。因此，所述場總的與空間的關(guān)系為E，H～exp(ikxx)exp(ikyy)exp(ikzz)u(z)(等式2)電磁波頻率的特征帶或者光子能量的特征帶包括容許帶和禁止帶隙，對于允許帶周期性電磁波傳播通過該晶體，而對于禁止帶隙，可能沒有電磁波傳播。
PBC的完美周期性可以被層(插入物)序列的終止或者破壞折射率周期性分布的任何類型的缺陷故意破壞。這種缺陷可以局域化電磁波或者使電磁波移位。在局域化缺陷的情況下，可能有兩種類型的電磁波(i)局域化在該缺陷處并且遠(yuǎn)離該缺陷時衰減的波；以及(ii)在整個PBC上延伸的波，其中該延伸的波的空間分布可能被缺陷擾亂。
在基于周期性層序列的一個更傳統(tǒng)類型的激光器中，光在平行于折射率調(diào)制軸(例如z軸)的方向傳播，而波矢的x-和y-分量滿足kx＝0和ky＝0。這種情況通常是對于VCSEL的。在這種類型的激光器中，層的周期性序列設(shè)計成在特定關(guān)鍵波長處提供高反射率光譜范圍(阻帶)。將“缺陷”層設(shè)計成在該阻帶內(nèi)提供受限模式。
如由Ledenstov等提出的PBC激光器的顯著優(yōu)點是該激光器得益于PBC特性，PBC特性與特定波長的反射無關(guān)。在該方法中，將PBC設(shè)計成使得折射率的周期性調(diào)制發(fā)生在z方向，而光的主要傳播發(fā)生在x方向。打破該周期性，使得基橫模光在該缺陷處局域化在z方向并且在z方向遠(yuǎn)離該缺陷時衰減。在這種情況下，對于給定的波長，對反射率的阻帶的特定光譜位置或者外部腔厚度沒有一般性的要求。由于PBC的周期性不與傳播光的波長直接相關(guān)，裝置10可同時用于寬波長范圍，例如1μm、0.9μm、0.8μm?？梢岳斫猓b置10的這種特性在設(shè)計和制造方面提供了極高的容限，這些容限對于直接頻率轉(zhuǎn)換尤其有利。
缺陷432對局域化激光輻射的模式的能力受到兩個參數(shù)的控制。第一個參數(shù)是缺陷432和PBC的參考層之間的折射率差Δn。第二個參數(shù)是該缺陷的體積。對于折射率僅在一個方向調(diào)制的一維PBC，第二個參數(shù)是缺陷432的厚度。通常，在固定缺陷厚度下，當(dāng)Δn的值增加時，被該缺陷局域化的模式數(shù)也增加。在Δn固定的情況下，當(dāng)缺陷厚度增加時，被該缺陷局域化的模式數(shù)也增加。可以選擇這兩個參數(shù)，Δn和缺陷的厚度，使得缺陷432局域化激光輻射的一個且僅僅一個模式。其它模式在整個PBC上延伸。
因此，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，選擇缺陷432和PBC430，使得(在垂直于折射率調(diào)制軸的方向上傳播的)光學(xué)基模局域化在缺陷432處并且在遠(yuǎn)離缺陷432處衰減，而所有其它(高階)光學(xué)模式在整個光子帶隙晶體上延伸。于是，增益區(qū)可直接置于光子帶隙晶體的缺陷處或與其接近。
如下計算整個結(jié)構(gòu)上的折射率分布。引入模型結(jié)構(gòu)。從波動方程的本征矢量問題的解獲得基諧TE模式和高階TE模式。由于計算了基模，使用例如在H.C.Casey，Jr.和M.B.Panish在SemiconductorLasers Part A(Academic Press，N.Y.，1978，Chapter 2)給出的方法計算遠(yuǎn)場模式。作為優(yōu)化的結(jié)構(gòu)獲得所需的結(jié)構(gòu)，該優(yōu)化的結(jié)構(gòu)提供最小射束發(fā)散度、有源區(qū)中基模的最大幅度以及有源區(qū)中高階模式的幅度與基模幅度的最小比率之間的優(yōu)選相互關(guān)系。
如所述的，有源區(qū)434優(yōu)選位于缺陷432內(nèi)，激光輻射的基模局域化在缺陷432處。所需的基模的局域化長度由兩個趨勢的相互關(guān)系決定。一方面，局域化長度需要大到足以提供低的遠(yuǎn)場射束發(fā)散度。另一方面，局域化長度應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于PBC的長度。這在PBC總厚度的尺度上提供了基模的有效局域化，并因此與其它模式的電場強(qiáng)度相比大大加強(qiáng)了基模的電場強(qiáng)度。例如，在一個實施例中，PBC激光器實現(xiàn)了4°的射束發(fā)散度，同時限制因子為標(biāo)準(zhǔn)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器的0.11，標(biāo)準(zhǔn)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有0.8μm的GaAs腔以及Ga1-xAlxAs包層，其中x＝0.3。
應(yīng)當(dāng)理解，這種設(shè)計促進(jìn)了來自延伸的波導(dǎo)440的單橫模激射，使裝置10提供有效的光頻率轉(zhuǎn)換。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，選擇制做接觸層216和217的材料，僅使延伸的高階模式被層216和217散射，而被缺陷432良好局域化的基模不到達(dá)接觸區(qū)，因而不被散射。用于接觸層216和217的適合的材料包括例如合金材料。
此外，發(fā)光器件401還包括位于PBC430的第一層431之一內(nèi)的一個或多個吸收層420，該吸收層420遠(yuǎn)離缺陷432并且吸收所有延伸的高階模，而局域化的基模不受影響。也可以將吸收層420這樣定位在PBC430的不同的層431內(nèi)。
PCB優(yōu)選由與襯底202晶格匹配或者接近晶格匹配并且對所發(fā)射的光透明的材料形成。在上述器件位于GaAs襯底上的例子中，優(yōu)選實施例是具有調(diào)制鋁組分x的Ga1-xAlxAs。周期數(shù)n、每層的厚度以及每層中的合金成分優(yōu)選選擇成提供激光輻射的一個且僅僅一個模式的局域化。
發(fā)光器件401中的層數(shù)和有源區(qū)的位置可以變化，這取決于裝置10的制造工藝以及裝置10的設(shè)計用途。因此，一個實施例包括這樣的結(jié)構(gòu)其中與圖5中的實施例相似地引入吸收層，但是有源區(qū)位于缺陷外。另一實施例包括這樣的結(jié)構(gòu)其中有源區(qū)位于缺陷外且在折射率低的每層和折射率高的相鄰層之間引入折射率漸變層。有源區(qū)位于缺陷外的另一個實施例包括圍繞有源區(qū)的薄的載流子隧穿阻擋層。本發(fā)明的其它實施例也是可能的其中有源區(qū)位于缺陷外，且包括所有元件或其中一些，例如吸收層、折射率漸變層和周圍薄的載流子隧穿阻擋層。本發(fā)明的其它實施例包括缺陷位于有源區(qū)的n-側(cè)和p-側(cè)上的結(jié)構(gòu)。
器件401的優(yōu)選厚度是約10μm或更厚，PBC 430的周期431的優(yōu)選數(shù)量為約5至約10或者更多，優(yōu)選條寬度為約7μm至約10μm或者更寬，器件401的優(yōu)選長度為約100μm或更長。
通過發(fā)光器件401的適當(dāng)漏光設(shè)計，可進(jìn)一步提高裝置10的效率，其中所述延伸的高階模式漏光并滲入襯底202或接觸層216和217中，而基模與之相反，如上所述，其并不到達(dá)襯底202或者接觸層216和217并且沒有任何漏光損失。
現(xiàn)在參照圖6，該圖示出了使用漏式激光器來產(chǎn)生初級光的優(yōu)選實施例中的裝置10。
因此，在該實施例中，波導(dǎo)204優(yōu)選包括兩個部分具有中間折射率的第一部分539和具有高折射率的優(yōu)選的第二部分540。有源區(qū)206夾在層205和207之間，層205和207中的每一個的特征都在于具有中間折射率。在有源區(qū)206中產(chǎn)生的光從第一部分539(具有中間折射率)漏出到達(dá)第二部分540(具有較高的折射率)，沿光路541傳播通過第二部分540，并且通過前小面210出射，在外部腔512內(nèi)沿路徑511傳播。光511在腔內(nèi)通常沿相對于前小面210的法線傾斜的方向傳播。以某一角度傳播導(dǎo)致反饋僅對于單橫向漏光模式選擇性存在。作為單模式光，一旦光511進(jìn)入NLO晶體213，就會發(fā)生有效的頻率轉(zhuǎn)換，并且產(chǎn)生轉(zhuǎn)換后的光515。光515通過光反射器214出射，見上面進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
基模漏入其中的第二部分540，優(yōu)選由與襯底202晶格匹配或者接近匹配、對發(fā)射的光透明、n-摻雜且具有高折射率的材料形成。摻入雜質(zhì)的類型和摻雜水平優(yōu)選與上面進(jìn)一步詳述的層203的相同。對于GaAs襯底上器件的例子，優(yōu)選材料是Ga1-xAlxAs，其中根據(jù)對折射率的需要選擇調(diào)制鋁組分x。
可選地并且優(yōu)選，用于產(chǎn)生初級光的漏式激光器可以制造成使得波導(dǎo)204僅包括第一部分(沒有第二部分)。在該實施例中，所產(chǎn)生的光直接泄漏到襯底202中。
參照圖7，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，裝置10還可包括用于將微弱發(fā)散的光束611轉(zhuǎn)變成平行光束651的透鏡650。在該實施例中，使用平面光發(fā)射器614，而不是聚焦光反射器。該實施例的特別的優(yōu)點在于平面光反射器的設(shè)計通常比聚焦光反射器的設(shè)計簡單。透鏡650可以由本領(lǐng)域中已知的任何適合的材料制作，例如，但不限于玻璃或者石英玻璃。
圖8示出了另一優(yōu)選實施例中的裝置10，該實施例包括幾個涂層。因此，如前面已經(jīng)解釋過的，發(fā)光器件201可包括前小面210上的抗反射涂層320，以及后小面269上的可由多層介電結(jié)構(gòu)形成的高反射涂層719。在該實施例中，將另外的高反射涂層714用作光反射器?；蛘?，涂層714可形成在光反射器214或614上，將涂層714的厚度、形狀和層數(shù)優(yōu)選設(shè)計成有利于涂層714的選擇性反射、吸收和/或透射屬性。具體地，涂層714優(yōu)選提供基橫模(211、511或651)的高反射率和低損耗，對轉(zhuǎn)換后的光215提供高透射吸收和低損耗，并對不想要的高階模式提供高損耗。
應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的范圍意在包括上述涂層的所有組合。例如，在一些實施例中，一個或多個涂層可以獨立地實現(xiàn)為單層或者多層涂層。此外，在其它實施例中，涂層714可以與涂層320和/或涂層319包含在一起。
對涂層使用多層結(jié)構(gòu)可以選擇如下的組成材料，即該材料的(多個)窄阻帶的光譜位置隨溫度的變化與NLO晶體的光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換的最大效率的光譜位置隨溫度的變化具有相同的方式。這使得裝置10的頻率轉(zhuǎn)換效率的極高溫度穩(wěn)定性得以實現(xiàn)。
涂層714和719可由任何已知的適當(dāng)材料形成，所述材料具有特定反射、吸收和/或透射屬性，例如，但不限于交替沉積的介電材料(例如SiO2、MgF2或ZnS)。
現(xiàn)在參照圖9，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種光頻率轉(zhuǎn)換方法。該方法包括在圖9的流程圖中所示的如下方法步驟。
因此，在由框802表示的第一步，從發(fā)光器件發(fā)射具有第一頻率的光，該發(fā)光器件可以是例如，發(fā)光器件201或發(fā)光器件401，見上面更詳細(xì)的描述。在由框804表示的第二步，使用光反射器使得所述光在外部腔內(nèi)通過多次并多次通過NLO晶體，其中該外部腔可設(shè)計成例如外部腔212或外部腔512，并且NLO晶體可以是具有適合的光轉(zhuǎn)換特性的任何已知的NLO晶體，例如具有或不具有涂層260的NLO晶體213，見上面的詳細(xì)描述。通過使光在外部腔內(nèi)通過多次，提供足以產(chǎn)生具有第一頻率的激光的反饋。在由框806表示的第三步中，具有第一頻率的激光多次通過非線性光學(xué)晶體。該非線性光學(xué)晶體將激光的第一頻率轉(zhuǎn)換成不同于第一頻率的第二頻率。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，光反射器可以是光反射器214、614、714等中的任一個。此外，優(yōu)選光反射器被涂敷單層涂層或多層涂層，見上面的詳細(xì)描述?？蛇x地，該方法還可包括由框808指定的附加步驟，在該步驟中使用透鏡(例如，透鏡650)將微弱發(fā)散的光束轉(zhuǎn)換成平行光束。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了制造光頻率轉(zhuǎn)換裝置的方法。
圖10是該方法的方法步驟的流程圖，其中，在由框902表示的第一步中，提供諸如發(fā)光器件201或發(fā)光器件401的發(fā)光器件。在由框904表示的第二步中，提供光反射器并將其與發(fā)光器件相對地放置，在由框906表示的第三步中，提供NLO晶體并將其放置在限定在發(fā)光器件和光反射器之間的外部腔內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，發(fā)光器件、光反射器和非線性光學(xué)晶體被構(gòu)造和設(shè)計成使得光多次通過NLO晶體，并且提供用于產(chǎn)生具有被轉(zhuǎn)換的頻率的激光的反饋，見上面的詳細(xì)說明。
可以理解，為了清楚起見在各實施例的內(nèi)容中所描述的本發(fā)明的某些特征，也可以在一個實施例中組合提供。相反，為了簡潔，而在一個實施例的內(nèi)容中描述的本發(fā)明的各種特征，也可以分開或者在任何合適的次組合中提供。
雖然已經(jīng)結(jié)合其具體實施例描述了本發(fā)明，但是很明顯，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言很多替換、修改和變化是顯而易見的。因此，旨在包括在所附權(quán)利要求的精神和廣闊范圍內(nèi)的所有這種替換、修改和變化。在本說明書中提及的所有出版物、專利、專利申請在此引用作為參考，如同具體且單獨地在此引入每個單獨的出版物、專利或?qū)＠暾堊鳛閰⒖肌４送?，在本申請中任何參考的引用和證明不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為承認(rèn)該參考可用作本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種光頻率轉(zhuǎn)換裝置，該裝置包括(a)發(fā)光器件，用于發(fā)射具有第一頻率的光，所述發(fā)光器件是具有延伸的波導(dǎo)的邊緣發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管，所述延伸的波導(dǎo)被選擇成使得該延伸的波導(dǎo)的基橫模的特征在于低射束發(fā)散度；(b)光反射器，構(gòu)造和設(shè)計成使得所述光多次通過外部腔并且提供用于產(chǎn)生具有所述第一頻率的激光的反饋，該外部腔限定在所述發(fā)光器件和所述光反射器之間；以及(c)非線性光學(xué)晶體，位于所述外部腔內(nèi)，并被選擇成當(dāng)具有所述第一頻率的所述激光多次通過所述非線性光學(xué)晶體時，所述第一頻率被轉(zhuǎn)換成不同于所述第一頻率的第二頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括至少一個另外的發(fā)光器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中所述至少一個另外的發(fā)光器件中的至少一個是具有所述延伸的波導(dǎo)的邊緣發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述延伸的波導(dǎo)在被注入電流時能夠發(fā)光。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其中選擇所述發(fā)光器件的條長度和所述注入電流使得所述注入電流只產(chǎn)生非相干光，并且具有所述第一頻率的所述激光是通過所述注入電流和所述反饋的結(jié)合產(chǎn)生的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述外部腔被設(shè)計成使得具有所述第一頻率的所述激光基本以所述基橫模產(chǎn)生。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中選擇所述光反射器，以便反射頻率不同于所述第二頻率的光，并且透射具有第二頻率的光。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述發(fā)光器件由多個層形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述發(fā)光器件包括從第一側(cè)與所述延伸的波導(dǎo)相鄰的n-發(fā)射極，以及從第二側(cè)與所述延伸的波導(dǎo)相鄰的p-發(fā)射極。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其中所述n-發(fā)射極形成在襯底的第一側(cè)上，所述襯底是III-V族半導(dǎo)體。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中所述III-V族半導(dǎo)體選自包括GaAs、InAs、InP和GaSb的組中。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中所述發(fā)光器件包括與所述襯底接觸的n-接觸和與所述p-發(fā)射極接觸的p-接觸。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中所述p-發(fā)射極包括至少一個與所述延伸的波導(dǎo)接觸的p-摻雜層以及至少一個與所述p-接觸相接觸的p+-摻雜層。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中所述延伸的波導(dǎo)包括形成在被摻入n-雜質(zhì)的第一延伸的波導(dǎo)區(qū)和被摻入p-雜質(zhì)的第二延伸的波導(dǎo)區(qū)之間的有源區(qū)，所述第一和所述第二延伸的波導(dǎo)區(qū)是透光的。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中所述有源區(qū)的特征在于其能量帶隙窄于所述襯底的能量帶隙。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中所述有源區(qū)包括至少一層。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中所述有源區(qū)包括選自以下組中的系統(tǒng)，該組包括量子阱系統(tǒng)、量子線系統(tǒng)、量子點系統(tǒng)及其任意組合。
18.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其中所述n-發(fā)射極的厚度大于10微米。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述發(fā)光器件的前小面涂敷有抗反射涂層。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述發(fā)光器件的后小面涂敷有高反射涂層。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，其中所述發(fā)光器件的后小面涂敷有高反射涂層。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的裝置，其中所述高反射涂層包括多個層。
23.根據(jù)權(quán)利要求20的裝置，其中所述高反射涂層的特征在于預(yù)定阻帶窄到足以提供所述基橫模的高反射率并提供高階橫模的低反射率。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述光反射器包括多個層。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的裝置，其中所述光反射器的特征在于預(yù)定阻帶窄到足以提供所述基橫模的高反射率并提供高階橫模的低反射率。
26.根據(jù)權(quán)利要求20的裝置，其中所述高反射涂層和所述光反射器分別獨立地具有如下特征預(yù)定阻帶窄到足以提供所述基橫模的高反射率并提供高階橫模的低反射率。
27.根據(jù)權(quán)利要求23的裝置，其中所述非線性光學(xué)晶體的特征在于頻率轉(zhuǎn)換效率，并且此外，其中所述高反射涂層的所述阻帶的溫度相關(guān)性與所述頻率轉(zhuǎn)換效率的溫度相關(guān)性相同。
28.根據(jù)權(quán)利要求25的裝置，其中所述非線性光學(xué)晶體的特征在于頻率轉(zhuǎn)換效率，并且此外，其中所述光反射器的所述阻帶的溫度相關(guān)性與所述頻率轉(zhuǎn)換效率與溫度相關(guān)性相同。
29.根據(jù)權(quán)利要求26的裝置，其中所述高反射涂層的所述阻帶的溫度相關(guān)性與所述頻率轉(zhuǎn)換效率與溫度相關(guān)性相同。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的裝置，其中所述光反射器的所述阻帶的溫度相關(guān)性與所述頻率轉(zhuǎn)換效率的溫度相關(guān)性相同。
31.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中還包括光譜選擇濾波器，其定位成防止具有第二頻率的光照射所述發(fā)光器件。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的裝置，其中所述光譜選擇濾波器形成在所述非線性光學(xué)晶體的與所述發(fā)光器件面對的一側(cè)上。
33.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述延伸的波導(dǎo)包括至少兩部分，這兩部分分別具有不同的折射率，使得所述延伸的波導(dǎo)的特征在于折射率可變。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的裝置，其中所述延伸的波導(dǎo)的所述至少兩部分包括具有中間折射率的第一部分和具有高折射率的第二部分，所述第一和所述第二部分設(shè)計和構(gòu)造成使得所述基橫模在所述第一部分中產(chǎn)生，漏到所述第二部分中并且以預(yù)定角度通過所述發(fā)光器件的前小面出射。
35.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述延伸的波導(dǎo)的至少一部分包括光子帶隙晶體。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的裝置，其中所述光子帶隙晶體包括具有周期性調(diào)制折射率的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括多個層。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的裝置，其中所述發(fā)光器件包括至少一個吸收層，其能夠吸收位于所述光子帶隙晶體的一個層內(nèi)的光。
38.根據(jù)權(quán)利要求36的裝置，其中所述發(fā)光器件包括多個吸收層，使得所述多個吸收層中的每一個都位于所述光子帶隙晶體的不同層內(nèi)。
39.根據(jù)權(quán)利要求35的裝置，其中所述延伸的波導(dǎo)的至少一部分包括與所述光子帶隙晶體的第一側(cè)相鄰的缺陷，所述缺陷和所述光子帶隙晶體被選擇成使得所述基橫模被局域化在所述缺陷處，并且其它所有模在整個所述光子帶隙晶體上延伸。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的裝置，其中所述缺陷包括具有n-側(cè)和p-側(cè)的有源區(qū)，所述有源區(qū)在被注入電流時能夠發(fā)光。
41.根據(jù)權(quán)利要求39的裝置，其中所述光子帶隙晶體和所述缺陷的總厚度被選擇成允許所述的低射束發(fā)散度。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的裝置，其中所述發(fā)光器件包括與所述光子帶隙晶體的第二側(cè)相鄰的n-發(fā)射極，以及與所述光子帶隙晶體相隔所述缺陷并且與所述缺陷相鄰的p-發(fā)射極。
43.根據(jù)權(quán)利要求42的裝置，其中所述發(fā)光器件包括具有可變折射率的p-摻雜層狀結(jié)構(gòu)，所述p-摻雜層狀結(jié)構(gòu)位于所述p-發(fā)射極和所述缺陷之間。
44.根據(jù)權(quán)利要求42的裝置，其中所述n-發(fā)射極形成在襯底的第一側(cè)上，所述襯底是III-V族半導(dǎo)體。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的裝置，其中所述III-V族半導(dǎo)體選自包括GaAs、InAs、InP和GaSb的組中。
46.根據(jù)權(quán)利要求44的裝置，其中所述發(fā)光器件包括與所述襯底接觸的n-接觸以及與所述p-發(fā)射極接觸的p-接觸。
47.根據(jù)權(quán)利要求46的裝置，其中所述發(fā)光器件包括具有可變折射率的p-摻雜層狀結(jié)構(gòu)，所述p-摻雜層狀結(jié)構(gòu)位于所述p-發(fā)射極和所述缺陷之間。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的裝置，其中選擇所述可變折射率，以防止所述基橫模延伸到所述n-接觸和/或所述p-接觸。
49.根據(jù)權(quán)利要求46的裝置，其中所述p-發(fā)射極包括與所述延伸的波導(dǎo)接觸的至少一個p-摻雜層，以及與所述p-接觸相接觸的至少一個p+-摻雜層。
50.根據(jù)權(quán)利要求40的裝置，其中所述缺陷還包括第一薄的電子遂穿勢壘層，位于所述n-側(cè)上并且夾在第一對額外層之間；以及第二薄的空穴遂穿勢壘層，位于所述p-側(cè)上并且夾在第二對額外層之間。
51.根據(jù)權(quán)利要求50的裝置，其中所述第一薄的電子遂穿勢壘層由從包括輕摻雜n型層和非摻雜層的組中選出的材料形成。
52.根據(jù)權(quán)利要求50的裝置，其中所述第二薄的空穴遂穿勢壘層由從包括輕摻雜p型層和非摻雜層的組中選出的材料形成。
53.根據(jù)權(quán)利要求50的裝置，其中所述缺陷還包括與遠(yuǎn)離所述有源區(qū)的所述第一對額外層中的一個鄰接的厚n-摻雜層；以及與遠(yuǎn)離所述有源區(qū)的所述第二對額外層中的一個鄰接的厚p-摻雜層。
54.根據(jù)權(quán)利要求50的裝置，其中所述第一對額外層中的至少一個由從包括輕摻雜n型層和非摻雜層的組中選出的材料形成。
55.根據(jù)權(quán)利要求50的裝置，其中所述第二對額外層中的至少一個由從包括輕摻雜p型層和非摻雜層的組中選出的材料形成。
56.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括位于所述發(fā)光器件和所述非線性光學(xué)晶體之間的所述外部腔內(nèi)的透鏡。
57.根據(jù)權(quán)利要求56的裝置，其中所述透鏡設(shè)計和構(gòu)造成可將微弱發(fā)散的光束轉(zhuǎn)變成平行光束。
58.根據(jù)權(quán)利要求57的裝置，其中所述光反射器是平面光反射器，能夠反射所述平行束。
59.一種光頻率轉(zhuǎn)換方法，該方法包括(a)使用發(fā)光器件發(fā)射具有第一頻率的光，所述發(fā)光器件是具有延伸的波導(dǎo)的邊緣發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管，所述延伸的波導(dǎo)被選擇成使得該延伸波導(dǎo)的基橫模的特征在于低射束發(fā)散度；(b)使用光反射器以允許所述光多次通過外部腔，該外部腔限定在所述發(fā)光器件和所述光反射器之間，以便提供用于產(chǎn)生具有所述第一頻率的激光的反饋；以及(c)使用位于所述外部腔內(nèi)的非線性光學(xué)晶體，來將所述第一頻率轉(zhuǎn)換成第二頻率，從而提供具有第二頻率的激光，其中所述第二頻率不同于所述第一頻率。
60.根據(jù)權(quán)利要求59的方法，其中所述光的所述發(fā)射通過向所述延伸的波導(dǎo)注入電流來進(jìn)行。
61.根據(jù)權(quán)利要求60的方法，其中所述發(fā)光器件的條長度和所述注入電流被選擇成使得所述注入電流只產(chǎn)生非相干光，并且具有所述第一頻率的所述激光是通過所述注入電流和所述反饋的結(jié)合來產(chǎn)生的。
62.根據(jù)權(quán)利要求59的方法，其中所述外部腔設(shè)計成使得具有所述第一頻率的所述激光基本以所述基橫模產(chǎn)生。
63.根據(jù)權(quán)利要求59的方法，其中選擇所述光反射器，以便反射頻率不同于所述第二頻率的光，并且透射具有所述第二頻率的光。
64.根據(jù)權(quán)利要求59的方法，其中所述發(fā)光器件由多個層形成。
65.根據(jù)權(quán)利要求59的方法，其中所述發(fā)光器件包括從第一側(cè)與所述延伸的波導(dǎo)相鄰的n-發(fā)射極，以及從第二側(cè)與所述延伸的波導(dǎo)相鄰的p-發(fā)射極。
66.根據(jù)權(quán)利要求65的方法，其中所述n-發(fā)射極形成在襯底的第一側(cè)上，所述襯底是III-V族半導(dǎo)體。
67.根據(jù)權(quán)利要求66的方法，其中所述III-V族半導(dǎo)體選自包括GaAs、InAs、InP和GaSb的組中。
68.根據(jù)權(quán)利要求66的方法，其中所述發(fā)光器件包括與所述襯底接觸的n-接觸和與所述p-發(fā)射極接觸的p-接觸。
69.根據(jù)權(quán)利要求68的方法，其中所述p-發(fā)射極包括至少一個與所述延伸的波導(dǎo)接觸的p-摻雜層以及至少一個與所述p-接觸相接觸的p+-摻雜層。
70.根據(jù)權(quán)利要求66的方法，其中所述延伸的波導(dǎo)包括形成在被摻入n-雜質(zhì)的第一延伸的波導(dǎo)區(qū)和被摻入p-雜質(zhì)的第二延伸的波導(dǎo)區(qū)之間的有源區(qū)，所述第一和所述第二延伸的波導(dǎo)區(qū)是透光的。
71.根據(jù)權(quán)利要求70的方法，其中所述有源區(qū)的特征在于能量帶隙窄于所述襯底的能量帶隙。
72.根據(jù)權(quán)利要求70的方法，其中所述有源區(qū)包括至少一層。
73.根據(jù)權(quán)利要求70的方法，其中所述有源區(qū)包括選自以下組中的系統(tǒng)，該組包括量子阱系統(tǒng)、量子線系統(tǒng)、量子點系統(tǒng)及其任意組合。
74.根據(jù)權(quán)利要求65的方法，其中所述n-發(fā)射極的厚度大于10微米。
75.根據(jù)權(quán)利要求59的方法，其中所述發(fā)光器件的前小面涂敷有抗反射涂層。
76.根據(jù)權(quán)利要求59的方法，其中所述發(fā)光器件的后小面涂敷有高反射涂層。
77.根據(jù)權(quán)利要求75的方法，其中所述發(fā)光器件的后小面涂敷有高反射涂層。
78.根據(jù)權(quán)利要求76的方法，其中所述高反射涂層包括多個層。
79.根據(jù)權(quán)利要求76的方法，其中所述高反射涂層的特征在于預(yù)定阻帶窄到足以提供所述基橫模的高反射率并提供高階橫模的低反射率。
80.根據(jù)權(quán)利要求59的方法，其中所述光反射器包括多個層。
81.根據(jù)權(quán)利要求80的方法，其中所述光反射器的特征在于預(yù)定阻帶窄到足以提供所述基橫模的高反射率并提供高階橫模的低反射率。
82.根據(jù)權(quán)利要求76的方法，其中所述高反射涂層和所述光反射器分別獨立地具有如下特征預(yù)定阻帶窄到足以提供所述基橫模的高反射率并提供高階橫模的低反射率。
83.根據(jù)權(quán)利要求79的方法，其中所述非線性光學(xué)晶體的特征在于頻率轉(zhuǎn)換效率，并且此外，其中所述高反射涂層的所述阻帶的溫度相關(guān)性與所述頻率轉(zhuǎn)換效率的溫度相關(guān)性相同。
84.根據(jù)權(quán)利要求81的方法，其中所述非線性光學(xué)晶體的特征在于頻率轉(zhuǎn)換效率，并且此外，其中所述光反射器的所述阻帶的溫度相關(guān)性與所述頻率轉(zhuǎn)換效率的溫度相關(guān)性相同。
85.根據(jù)權(quán)利要求82的方法，其中所述高反射涂層的所述阻帶的溫度相關(guān)性與所述頻率轉(zhuǎn)換效率的溫度相關(guān)性相同。
86.根據(jù)權(quán)利要求85的方法，其中所述光反射器的所述阻帶的溫度相關(guān)性與所述頻率轉(zhuǎn)換效率的溫度相關(guān)性相同。
87.根據(jù)權(quán)利要求59的方法，還包括光譜選擇濾波器，將其定位成防止具有所述第二頻率的光照射所述發(fā)光器件。
88.根據(jù)權(quán)利要求87的方法，其中所述光譜選擇濾波器形成在所述非線性光學(xué)晶體的與所述發(fā)光器件面對的一側(cè)上。
89.根據(jù)權(quán)利要求59的方法，其中所述延伸的波導(dǎo)包括至少兩部分，這兩部分分別具有不同的折射率，使得所述延伸的波導(dǎo)的特征在于折射率可變。
90.根據(jù)權(quán)利要求89的方法，其中所述延伸的波導(dǎo)的所述至少兩部分包括具有中間折射率的第一部分和具有高折射率的第二部分，將所述第一和所述第二部分設(shè)計和構(gòu)造成使得所述基橫模在所述第一部分中產(chǎn)生，漏到所述第二部分中并且以預(yù)定角度通過所述發(fā)光器件的前小面出射。
91.根據(jù)權(quán)利要求59的方法，其中所述延伸的波導(dǎo)的至少一部分包括光子帶隙晶體。
92.根據(jù)權(quán)利要求91的方法，其中所述光子帶隙晶體包括具有周期性調(diào)制折射率的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括多個層。
93.根據(jù)權(quán)利要求92的方法，其中所述發(fā)光器件包括至少一個吸收層，其能夠吸收位于所述光子帶隙晶體的一個層內(nèi)的光。
94.根據(jù)權(quán)利要求92的方法，其中所述發(fā)光器件包括多個吸收層，使得所述多個吸收層中的每一個都位于所述光子帶隙晶體的不同層內(nèi)。
95.根據(jù)權(quán)利要求91的方法，其中所述延伸的波導(dǎo)的至少一部分包括與所述光子帶隙晶體的第一側(cè)相鄰的缺陷，所述缺陷和所述光子帶隙晶體被選擇成使得所述基橫模被局域化在所述缺陷處，并且其它所有模在整個所述光子帶隙晶體上延伸。
96.根據(jù)權(quán)利要求95的方法，其中所述缺陷包括具有n-側(cè)和p-側(cè)的有源區(qū)，所述有源區(qū)在被注入電流時能夠發(fā)光。
97.根據(jù)權(quán)利要求95的方法，其中所述光子帶隙晶體和所述缺陷的總厚度被選擇成允許所述的低射束發(fā)散度。
98.根據(jù)權(quán)利要求95的方法，其中所述發(fā)光器件包括與所述光子帶隙晶體的第二側(cè)相鄰的n-發(fā)射極，以及與所述光子帶隙晶體相隔所述缺陷并且與所述缺陷相鄰的p-發(fā)射極。
99.根據(jù)權(quán)利要求98的方法，其中所述發(fā)光器件包括具有可變折射率的p-摻雜層狀結(jié)構(gòu)，所述p-摻雜層狀結(jié)構(gòu)位于所述p-發(fā)射極和所述缺陷之間。
100.根據(jù)權(quán)利要求98的方法，其中所述n-發(fā)射極形成在襯底的第一側(cè)上，所述襯底是III-V族半導(dǎo)體。
101.根據(jù)權(quán)利要求100的方法，其中所述III-V族半導(dǎo)體選自包括GaAs、InAs、InP和GaSb的組中。
102.根據(jù)權(quán)利要求100的方法，其中所述發(fā)光器件包括與所述襯底接觸的n-接觸以及與所述p-發(fā)射極接觸的p-接觸。
103.根據(jù)權(quán)利要求102的方法，其中所述發(fā)光器件包括具有可變折射率的p-摻雜層狀結(jié)構(gòu)，所述p-摻雜層狀結(jié)構(gòu)位于所述p-發(fā)射極和所述缺陷之間。
104.根據(jù)權(quán)利要求103的方法，其中選擇所述可變折射率，以防止所述基橫模延伸到所述n-接觸和/或所述p-接觸。
105.根據(jù)權(quán)利要求102的方法，其中所述p-發(fā)射極包括與所述延伸的波導(dǎo)接觸的至少一個p-摻雜層，以及與所述p-接觸相接觸的至少一個p+-摻雜層。
106.根據(jù)權(quán)利要求96的方法，其中所述缺陷還包括第一薄的電子遂穿勢壘層，位于所述n-側(cè)上并且夾在第一對額外層之間；以及第二薄的空穴遂穿勢壘層，位于所述p-側(cè)上并且夾在第二對額外層之間。
107.根據(jù)權(quán)利要求106的方法，其中所述第一薄的電子遂穿勢壘層由從包括輕摻雜n型層和非摻雜層的組中選出的材料形成。
108.根據(jù)權(quán)利要求106的方法，其中所述第二薄的空穴遂穿勢壘層由從包括輕摻雜p型層和非摻雜層的組中選出的材料形成。
109.根據(jù)權(quán)利要求106的方法，其中所述缺陷還包括與遠(yuǎn)離所述有源區(qū)的所述第一對額外層中的一個鄰接的厚n-摻雜層；以及與遠(yuǎn)離所述有源區(qū)的所述第二對額外層中的一個鄰接的厚p-摻雜層。
110.根據(jù)權(quán)利要求106的方法，其中所述第一對額外層中的至少一個由從包括輕摻雜n型層和非摻雜層的組中選出的材料形成。
111.根據(jù)權(quán)利要求106的方法，其中所述第二對額外層中的至少一個由從包括輕摻雜p型層和非摻雜層的組中選出的材料形成。
112.根據(jù)權(quán)利要求59的方法，還包括使用透鏡將微弱發(fā)散的光束轉(zhuǎn)變成平行光束。
113.根據(jù)權(quán)利要求112的方法，其中所述光反射器是平面光反射器，能夠反射所述平行射束。
114.一種制造光頻率轉(zhuǎn)換裝置的方法，該方法包括(a)提供發(fā)光器件，用于發(fā)射具有第一頻率的光，所述發(fā)光器件是具有延伸的波導(dǎo)的邊緣發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管，所述延伸的波導(dǎo)被選擇成使得該延伸的波導(dǎo)的基橫模的特征在于低射束發(fā)散度；(b)提供光反射器并將所述光反射器定位成與所述發(fā)光器件相對，所述光反射器被構(gòu)造和設(shè)計成使得所述光多次通過外部腔并且提供用于產(chǎn)生具有所述第一頻率的激光的反饋，該外部腔限定在所述發(fā)光器件和所述光反射器之間；(c)提供非線性光學(xué)晶體并且將所述非線性光學(xué)晶體定位在所述外部腔內(nèi)，所述非線性光學(xué)晶體被選擇成當(dāng)具有所述第一頻率的所述激光多次通過所述非線性光學(xué)晶體時，所述第一頻率被轉(zhuǎn)換成不同于所述第一頻率的第二頻率。
115.根據(jù)權(quán)利要求114的方法，還包括提供至少一個另外的發(fā)光器件。
116.根據(jù)權(quán)利要求114的方法，其中所述延伸的波導(dǎo)在被注入電流時能夠發(fā)光。
117.根據(jù)權(quán)利要求116的方法，其中所述發(fā)光器件的條長度和所述注入電流被選擇成使得所述注入電流只產(chǎn)生非相干光，并且具有所述第一頻率的所述激光是通過所述注入電流和所述反饋的結(jié)合來產(chǎn)生的。
118.根據(jù)權(quán)利要求114的方法，其中所述外部腔設(shè)計成使得具有所述第一頻率的所述激光基本以所述基橫模產(chǎn)生。
119.根據(jù)權(quán)利要求114的方法，其中選擇所述光反射器，以便反射頻率不同于所述第二頻率的光，并且透射具有所述第二頻率的光。
120.根據(jù)權(quán)利要求114的方法，其中所述發(fā)光器件由多個層形成。
121.根據(jù)權(quán)利要求114的方法，其中所述發(fā)光器件包括從第一側(cè)與所述延伸的波導(dǎo)相鄰的n-發(fā)射極，以及從第二側(cè)與所述延伸的波導(dǎo)相鄰的p-發(fā)射極。
122.根據(jù)權(quán)利要求121的方法，其中所述n-發(fā)射極形成在襯底的第一側(cè)上，所述襯底是III-V族半導(dǎo)體。
123.根據(jù)權(quán)利要求122的方法，其中所述III-V族半導(dǎo)體選自包括GaAs、InAs、InP和GaSb的組中。
124.根據(jù)權(quán)利要求122的方法，其中所述發(fā)光器件包括與所述襯底接觸的n-接觸和與所述p-發(fā)射極接觸的p-接觸。
125.根據(jù)權(quán)利要求124的方法，其中所述p-發(fā)射極包括至少一個與所述延伸的波導(dǎo)接觸的p-摻雜層以及至少一個與所述p-接觸相接觸的p+-摻雜層。
126.根據(jù)權(quán)利要求122的方法，其中所述延伸的波導(dǎo)包括形成在被摻入n-雜質(zhì)的第一延伸的波導(dǎo)區(qū)和被摻入p-雜質(zhì)的第二延伸的波導(dǎo)區(qū)之間的有源區(qū)，所述第一和所述第二延伸的波導(dǎo)區(qū)是透光的。
127.根據(jù)權(quán)利要求126的方法，其中所述有源區(qū)的特征在于能量帶隙窄于所述襯底的能量帶隙。
128.根據(jù)權(quán)利要求126的方法，其中所述有源區(qū)包括至少一層。
129.根據(jù)權(quán)利要求126的方法，其中所述有源區(qū)包括選自以下組中的系統(tǒng)，該組包括量子阱系統(tǒng)、量子線系統(tǒng)、量子點系統(tǒng)及其任意組合。
130.根據(jù)權(quán)利要求121的方法，其中所述n-發(fā)射極的厚度大于10微米。
131.根據(jù)權(quán)利要求114的方法，還包括用抗反射涂層涂敷所述發(fā)光器件的前小面。
132.根據(jù)權(quán)利要求114的方法，還包括用高反射涂層涂敷所述發(fā)光器件的后小面。
133.根據(jù)權(quán)利要求131的方法，還包括用高反射涂層涂敷所述發(fā)光器件的后小面。
134.根據(jù)權(quán)利要求132的方法，其中所述高反射涂層包括多個層。
135.根據(jù)權(quán)利要求132的方法，其中所述高反射涂層的特征在于預(yù)定阻帶窄到足以提供所述基橫模的高反射率并提供高階橫模的低反射率。
136.根據(jù)權(quán)利要求114的方法，其中所述光反射器包括多個層。
137.根據(jù)權(quán)利要求136的方法，其中所述光反射器的特征在于預(yù)定阻帶窄到足以提供所述基橫模的高反射率并提供高階橫模的低反射率。
138.根據(jù)權(quán)利要求132的方法，其中所述高反射涂層和所述光反射器分別獨立地具有如下特征預(yù)定阻帶窄到足以提供所述基橫模的高反射率并提供高階橫模的低反射率。
139.根據(jù)權(quán)利要求135的方法，其中所述非線性光學(xué)晶體的特征在于頻率轉(zhuǎn)換效率，并且此外，其中所述高反射涂層的所述阻帶的溫度相關(guān)性與所述頻率轉(zhuǎn)換效率的溫度相關(guān)性相同。
140.根據(jù)權(quán)利要求137的方法，其中所述非線性光學(xué)晶體的特征在于頻率轉(zhuǎn)換效率，并且此外，其中所述光反射器的所述阻帶的溫度相關(guān)性與所述頻率轉(zhuǎn)換效率的溫度相關(guān)性相同。
141.根據(jù)權(quán)利要求138的方法，其中所述高反射涂層的所述阻帶的溫度相關(guān)性與所述頻率轉(zhuǎn)換效率的溫度相關(guān)性相同。
142.根據(jù)權(quán)利要求141的方法，其中所述光反射器的所述阻帶的溫度相關(guān)性與所述頻率轉(zhuǎn)換效率的溫度相關(guān)性相同。
143.根據(jù)權(quán)利要求114的方法，還包括提供光譜選擇濾波器，并且將所述光譜選擇濾波器定位成防止具有第二頻率的光照射所述發(fā)光器件。
144.根據(jù)權(quán)利要求143的方法，其中所述光譜選擇濾波器形成在所述非線性光學(xué)晶體的與所述發(fā)光器件面對的一側(cè)上。
145.根據(jù)權(quán)利要求114的方法，其中所述延伸的波導(dǎo)包括至少兩部分，這兩部分分別具有不同的折射率，使得所述延伸的波導(dǎo)的特征在于折射率可變。
146.根據(jù)權(quán)利要求145的方法，其中所述延伸的波導(dǎo)的所述至少兩部分包括具有中間折射率的第一部分和具有高折射率的第二部分，將所述第一和所述第二部分設(shè)計和構(gòu)造成使得所述基橫模在所述第一部分中產(chǎn)生，漏到所述第二部分中并且以預(yù)定角度通過所述發(fā)光器件的前小面出射。
147.根據(jù)權(quán)利要求114的方法，其中所述延伸的波導(dǎo)的至少一部分包括光子帶隙晶體。
148.根據(jù)權(quán)利要求147的方法，其中所述光子帶隙晶體包括具有周期性調(diào)制折射率的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括多個層。
149.根據(jù)權(quán)利要求148的方法，其中所述發(fā)光器件包括至少一個吸收層，其能夠吸收位于所述光子帶隙晶體的一個層內(nèi)的光。
150.根據(jù)權(quán)利要求148的方法，其中所述發(fā)光器件包括多個吸收層，使得所述多個吸收層中的每一個都位于所述光子帶隙晶體的不同層內(nèi)。
151.根據(jù)權(quán)利要求147的方法，其中所述延伸的波導(dǎo)的至少一部分包括與所述光子帶隙晶體的第一側(cè)相鄰的缺陷，所述缺陷和所述光子帶隙晶體被選擇成使得所述基橫模被局域化在所述缺陷處，并且其它所有模在整個所述光子帶隙晶體上延伸。
152.根據(jù)權(quán)利要求151的方法，其中所述缺陷包括具有n-側(cè)和p-側(cè)的有源區(qū)，所述有源區(qū)在被注入電流時能夠發(fā)光。
153.根據(jù)權(quán)利要求151的方法，其中所述光子帶隙晶體和所述缺陷的總厚度被選擇成允許所述的低射束發(fā)散度。
154.根據(jù)權(quán)利要求153的方法，其中所述發(fā)光器件包括與所述光子帶隙晶體的第二側(cè)相鄰的n-發(fā)射極，以及與所述光子帶隙晶體相隔所述缺陷并且與所述缺陷相鄰的p-發(fā)射極。
155.根據(jù)權(quán)利要求154的方法，其中所述發(fā)光器件包括具有可變折射率的p-摻雜層狀結(jié)構(gòu)，所述p-摻雜層狀結(jié)構(gòu)位于所述p-發(fā)射極和所述缺陷之間。
156.根據(jù)權(quán)利要求154的方法，其中所述n-發(fā)射極形成在襯底的第一側(cè)上，所述襯底是III-V族半導(dǎo)體。
157.根據(jù)權(quán)利要求156的方法，其中所述III-V族半導(dǎo)體選自包括GaAs、InAs、InP和GaSb的組中。
158.根據(jù)權(quán)利要求156的方法，其中所述發(fā)光器件包括與所述襯底接觸的n-接觸以及與所述p-發(fā)射極接觸的p-接觸。
159.根據(jù)權(quán)利要求158的方法，其中所述發(fā)光器件包括具有可變折射率的p-摻雜層狀結(jié)構(gòu)，所述p-摻雜層狀結(jié)構(gòu)位于所述p-發(fā)射極和所述缺陷之間。
160.根據(jù)權(quán)利要求159的方法，其中選擇所述可變折射率，以防止所述基橫模延伸到所述n-接觸和/或所述p-接觸。
161.根據(jù)權(quán)利要求158的方法，其中所述p-發(fā)射極包括與所述延伸的波導(dǎo)接觸的至少一個p-摻雜層，以及與所述p-接觸相接觸的至少一個p+-摻雜層。
162.根據(jù)權(quán)利要求154的方法，其中所述缺陷還包括第一薄的電子遂穿勢壘層，位于所述n-側(cè)上并且夾在第一對額外層之間；以及第二薄的空穴遂穿勢壘層，位于所述p-側(cè)上并且夾在第二對額外層之間。
163.根據(jù)權(quán)利要求162的方法，其中所述第一薄的電子遂穿勢壘層由從包括輕摻雜n型層和非摻雜層的組中選出的材料形成。
164.根據(jù)權(quán)利要求162的方法，其中所述第二薄的空穴遂穿勢壘層由從包括輕摻雜p型層和非摻雜層的組中選出的材料形成。
165.根據(jù)權(quán)利要求162的方法，其中所述缺陷還包括與遠(yuǎn)離所述有源區(qū)的所述第一對額外層中的一個鄰接的厚n-摻雜層；以及與遠(yuǎn)離所述有源區(qū)的所述第二對額外層中的一個鄰接的厚p-摻雜層。
166.根據(jù)權(quán)利要求162的方法，其中所述第一對額外層中的至少一個由從包括輕摻雜n型層和非摻雜層的組中選出的材料形成。
167.根據(jù)權(quán)利要求162的方法，其中所述第二對額外層中的至少一個由從包括輕摻雜p型層和非摻雜層的組中選出的材料形成。
168.根據(jù)權(quán)利要求114的方法，還包括提供透鏡并將所述透鏡置于所述發(fā)光器件和所述非線性光學(xué)晶體之間的所述外部腔內(nèi)。
169.根據(jù)權(quán)利要求168的方法，其中所述透鏡設(shè)計和構(gòu)造成將微弱發(fā)散的光束轉(zhuǎn)變成平行光束。
170.根據(jù)權(quán)利要求169的方法，其中所述光反射器是平面光反射器，能夠反射所述平行束。
全文摘要
光頻率轉(zhuǎn)換裝置(如圖，標(biāo)記10)，該裝置包括發(fā)光器件(如圖，標(biāo)記201)，用于發(fā)射具有第一頻率的光，該發(fā)光器件(如圖，標(biāo)記201)是具有延伸的波導(dǎo)(如圖，標(biāo)記204)的邊緣發(fā)射半導(dǎo)體發(fā)光二極管，選擇該延伸的波導(dǎo)(如圖，標(biāo)記204)使得該波導(dǎo)的基橫模的特征在于低射束發(fā)散度。該裝置(如圖，標(biāo)記10)還包括光反射器(如圖，標(biāo)記214)，被構(gòu)造和設(shè)計成使得光多次通過外部腔(如圖，標(biāo)記212)，并提供用于產(chǎn)生具有第一頻率的激光的反饋，所述外部腔限定在發(fā)光器件和光反射器之間。該裝置(如圖，標(biāo)記10)還包括位于外部腔(如圖，標(biāo)記212)內(nèi)的非線性光學(xué)晶體(如圖，標(biāo)記213)，其被選擇成使得當(dāng)具有第一頻率的光多次通過該非線性光學(xué)晶體(如圖，標(biāo)記213)時，第一頻率被轉(zhuǎn)換成不同于第一頻率的第二頻率。
文檔編號H01S3/10GK1778022SQ200480010504
公開日2006年5月24日 申請日期2004年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月19日
發(fā)明者N·勒登特索夫, V·斯楚金 申請人:Pbc激光有限公司