專利名稱：具有非周期性光柵的垂直腔表面發(fā)射激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的各種實(shí)施例涉及激光器，并且特別涉及半導(dǎo)體激光器。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器代表現(xiàn)今在使用的最重要類別的激光器中的一種，這是因?yàn)樗鼈兛梢员挥迷诟鞣N各樣的應(yīng)用中，包括顯示器、固態(tài)照明、感測、印刷、以及電信，這里僅舉幾個(gè)例子。主要在使用的兩種類型的半導(dǎo)體激光器是邊緣發(fā)射激光器和表面發(fā)射激光器。邊緣發(fā)射激光器生成在基本上平行于發(fā)光層的方向上行進(jìn)的光。另一方面，表面發(fā)射激光器生成在發(fā)光層的法向上行進(jìn)的光。表面發(fā)射層與典型的邊緣發(fā)射層相比具有許多優(yōu)點(diǎn)它們更高效地發(fā)光，并且可以被布置形成二維發(fā)光陣列。被配置成具有夾在兩個(gè)反射器之間的發(fā)光層的表面發(fā)射激光器被稱作垂直腔表面發(fā)射激光器(“VCSEL”)。所述反射器通常是分布式布拉格反射器(“DBR”)，其在理想情況下形成具有大于99%反射率的反射腔以用于光學(xué)反饋。DBR由多個(gè)交替層構(gòu)成，每層由具有周期性折射率變化的電介質(zhì)或半導(dǎo)體材料構(gòu)成。DBR內(nèi)的兩個(gè)相鄰層具有不同的折射率， 并且被稱作“DBR對”。DBR反射率和帶寬取決于每層的構(gòu)成材料的折射率對比度以及每層的厚度。用來形成DBR對的材料通常具有類似的成分，并且因此具有相對較小的折射率差。 因此，為了獲得大于99%的腔反射率并 且提供窄鏡帶寬，DBR被配置成具有從大約15個(gè)到大約40個(gè)或者更多個(gè)DBR對。然而，制造具有大于99%反射率的DBR已證明是困難的，尤其是對于被設(shè)計(jì)成發(fā)射具有處于電磁譜的藍(lán)色-綠色和長紅外部分中的波長的光的VCSEL。物理學(xué)家和工程師們繼續(xù)尋求對VCSEL的設(shè)計(jì)、操作和效率的改進(jìn)。


圖IA示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例配置的示例VCSEL的等距視圖。圖IB示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例配置的圖IA中所示的VCSEL的分解等距視圖。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的沿著圖IA中所示的線A-A的VCSEL 的剖面圖。圖3A-3C示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的被配置成具有一維和二維光柵圖案的亞波長光柵的俯視圖。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的來自兩個(gè)單獨(dú)的光柵子圖案的線條的剖面圖，其揭示出由反射的光獲得的相位。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的來自兩個(gè)單獨(dú)的光柵子圖案的線條的剖面圖，其揭示出反射的波前如何改變。圖6不出由根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例配置的光柵圖案產(chǎn)生的不例性相位改變輪廓圖的等距視圖。圖7示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的被配置成將入射光聚焦到焦點(diǎn)的亞波長光柵的側(cè)視圖。圖8示出針對根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例配置的亞波長光柵的一定入射光波長范圍內(nèi)的反射率和相移的曲線圖。圖9示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例獲得的作為周期和占空比的函數(shù)的相位變化的相位輪廓曲線圖。圖IOA示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的被配置成作為聚焦柱面鏡操作的一維亞波長光柵的俯視圖。圖IOB示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的被配置成作為聚焦球面鏡操作的一維亞波長光柵的俯視圖。圖11A-11B示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例配置并操作的VCSEL的剖面圖。圖12示出從根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例配置的VCSEL的發(fā)光層發(fā)射的光的假設(shè)腔模式和強(qiáng)度或增益分布圖(profile)的示例曲線圖。圖13示出示意性地代表根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例配置的VCSEL的諧振腔的平凹諧振器。圖14示出從根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例配置的VCSEL發(fā)射的偏振光。圖15A示出在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例配置的VCSEL的腔中產(chǎn)生的兩種橫模的實(shí)例。圖15B示出從根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例配置的VCSEL發(fā)射的最低階橫模的強(qiáng)度分布圖分布的示例輪廓曲線圖。圖16示出從根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的VCSEL發(fā)射的光束的示例剖面圖。圖17A-17B示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例配置的示例VCSEL的等距視圖以及沿著線B-B的剖面圖。圖18A-18B示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例配置的示例VCSEL 1800的等距視圖以及沿著線C-C的剖面圖。圖19示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的用于生成光的方法的控制流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的各種實(shí)施例是針對VCSEL陣列的，其中每個(gè)VCSEL在不同波長發(fā)射激光。 VCSEL陣列內(nèi)的每個(gè)VCSEL包括非周期性亞波長光柵(“SWG”)和形成光學(xué)腔的DBR。每個(gè) VCSEL的SWG具有不同的光柵配置，其使每個(gè)VCSEL能夠在不同波長發(fā)射激光。每個(gè)VCSEL 的SWG可以被配置成控制從VCSEL發(fā)射的內(nèi)部腔模式的形狀和外部模式的形狀。每個(gè)VCSEL 具有小模式容積、近似單一空間輸出模式，在窄波長范圍內(nèi)發(fā)光，并且可以被配置成發(fā)射具有單偏振的光。在下面的描述中，術(shù)語“光”指代具有處于電磁譜的可見和不可見部分中的波長的電磁輻射，包括電磁譜的紅外和紫外部分。具有非周期性亞波長光柵的垂直腔表面發(fā)射激光器
圖IA示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例配置的示例VCSEL 100的等距視圖。VCSEL 100包括布置在分布式布拉格反射器(“DBR”)104上的發(fā)光層102。DBR 104又被布置在基板106上，基板106被布置在第一電極108上。VCSEL 100還包括布置在發(fā)光層102上的絕緣層110、布置在層110上的光柵層112、以及布置在光柵層112上的第二電極114。如圖IA的實(shí)例中所示，第二電極114被配置成具有矩形開口 116，其暴露出光柵層112的一部分。開口 116允許從發(fā)光層102發(fā)射的光基本上垂直于各層的平面離開VCSEL,如定向箭頭118所示(即光通過z方向上的開口從VCSEL 100發(fā)射)。圖IB示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例配置的VCSEL 100的分解等距視圖。所述等距視圖揭示出絕緣層110中的開口 120和光柵層112中的SWG 122。開口 120允許從發(fā)光層102發(fā)射的光到達(dá)SWG 122。 注意，本發(fā)明的實(shí)施例不限于開口 116和120是矩形的。在其他實(shí)施例中，第二電極和絕緣層中的開口可以是正方形、圓形、橢圓形或者任何其他合適的形狀。
層104、106和112由合適的化合物半導(dǎo)體材料的各種組合構(gòu)成?；衔锇雽?dǎo)體包括III-V化合物半導(dǎo)體和II-VI化合物半導(dǎo)體。III-V化合物半導(dǎo)體由選自硼(“B”)、 鋁(“Al”)、鎵(“Ga”)和銦(“In”)的IIIa列元素與選自氮(“N”)、磷(“P”)、砷(“As”)和銻 (“Sb”)的Va列元素組合構(gòu)成。III-V化合物半導(dǎo)體是根據(jù)III和V元素的相對數(shù)量來分類的，比如二元化合物半導(dǎo)體、三元化合物半導(dǎo)體、以及四元化合物半導(dǎo)體。舉例來說，二元半導(dǎo)體化合物包括但不限于GaAs、GaAl、InP、InAs和GaP ;三元化合物半導(dǎo)體包括但不限于 IrvGa^1As或GaAivP1+其中7處于O與I之間的范圍；以及四元化合物半導(dǎo)體包括但不限于 IrvGahAs/b，其中z和7都獨(dú)立地處于O與I之間的范圍。II-VI化合物半導(dǎo)體由選自鋅 (“Zn”)、鎘(“Cd”)、汞(“Hg”)的IIb列元素與選自氧(“O”)、硫(“S”)和硒(“Se”)的VIa元素組合構(gòu)成。舉例來說，合適的II-VI化合物半導(dǎo)體包括但不限于CdSe、ZnSe、ZnS和ZnO， 這些是二元II-VI化合物半導(dǎo)體的實(shí)例。VCSEL 100的層可以利用化學(xué)汽相沉積、物理汽相沉積、或者晶片接合來形成。SWG 122可以利用活性離子蝕刻、聚焦束銑、或者納米印刻形成在光柵層112中，并且光柵層112 被接合到絕緣層110。在某些實(shí)施例中，利用P型雜質(zhì)摻雜層104和106，同時(shí)利用η型雜質(zhì)摻雜層112。 在其他實(shí)施例中，利用η型雜質(zhì)摻雜層104和106，同時(shí)利用P型雜質(zhì)摻雜層112。P型雜質(zhì)是被結(jié)合到半導(dǎo)體晶格中的原子，其把被稱作“空穴”的空電子能級引入到層的電子帶隙。 這些摻雜劑也被稱作“電子受體”。另一方面，η型雜質(zhì)是被結(jié)合到半導(dǎo)體晶格中的原子，其把滿電子能級引入到層的電子帶隙。這些摻雜劑被稱作“電子施主”。在III-V化合物半導(dǎo)體中，VI列元素替代III-V晶格中的V列原子并且充當(dāng)η型摻雜劑，以及II列元素替代 III-V晶格中的III列原子以充當(dāng)P型摻雜劑。絕緣層110可以由絕緣材料構(gòu)成，比如SiO2或Al2O3或者具有大電子帶隙的另一合適材料。電極108和114可以由合適的導(dǎo)體構(gòu)成，比如金(“Au”)、銀(“Ag”)、銅(“Cu”)、 或鉬(“Pt”)。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的沿著圖IA中所示的線A-A的VCSEL 100的剖面圖。所述剖面圖揭示出各個(gè)層的結(jié)構(gòu)。DBR 104由平行于發(fā)光層102定向的DBR 對的堆疊構(gòu)成。在實(shí)踐中，DBR 104可以由大約15個(gè)到大約40個(gè)或者更多個(gè)DBR對構(gòu)成。 DBR 104的樣本部分的放大圖202揭示出，DBR 104的層分別具有大約和』/4/^的厚度，其中』是從發(fā)光層102發(fā)射的光的所期望的真空波長，以及是DBR層206的折射率，并且是DBR層204的折射率。深陰影層204代表由第一半導(dǎo)體材料構(gòu)成的DBR層， 以及淺陰影層206代表由第二半導(dǎo)體材料構(gòu)成的DBR層，其中層204和206具有不同的關(guān)聯(lián)的折射率。舉例來說,層204可以由GaAs構(gòu)成，其具有3. 6的近似折射率，層206可以由 AlAs構(gòu)成，其具有2. 9的近似折射率，并且基板可以由GaAs或AlAs構(gòu)成。圖2還包括發(fā)光層102的放大圖208，其揭示出包括發(fā)光層102在內(nèi)的多層的一種或許多種可能配置。放大圖208揭示出，發(fā)光層102由通過勢壘層212分開的三個(gè)單獨(dú)的量子阱層(“QW”)210構(gòu)成。QW 210被布置在約束層214之間。與勢壘層212和約束層214 相比，包括QW 210的材料具有較小的電子帶隙。約束層214的厚度可以被選擇成使得，發(fā)光層102的總厚度近似是從發(fā)光層102發(fā)射的光的波長。層210、212和214由不同的本征半導(dǎo)體材料構(gòu)成。舉例來說，QW層210可以由InGaAs (例如Ina2Gaa8As)構(gòu)成，勢壘層212 可以由GaAs構(gòu)成，以及約束層可以由GaAlAs構(gòu)成。本發(fā)明的實(shí)施例不限于具有三個(gè)QW的發(fā)光層102。在其他實(shí)施例中，所述發(fā)光層可以具有一個(gè)、兩個(gè)或多于三個(gè)QW。 圖2還揭示出光柵層112的配置。SWG 122薄于光柵層112的其余部分，并且被懸置在發(fā)光層112之上，以便在SWG 122與發(fā)光層112之間產(chǎn)生氣隙216。如圖2中以及圖IB 中所示，SWG 122可以沿著一個(gè)邊緣被附著到光柵層112上，其中氣隙218將SWG 122的三個(gè)剩余邊緣與光柵層112分開。光柵層112和絕緣層110也被配置成使得，光柵層112的部分220通過絕緣層110中的開口 120與發(fā)光層102接觸。絕緣層110把經(jīng)過光柵層112 的部分218的電流流動限制到發(fā)光層102的中心附近。SWG 122和DBR 104是形成反射腔的反射器，以用于VCSEL 100發(fā)射激光期間的光學(xué)反饋。非周期性亞波長光柵
如上所述，光柵層112的SWG 122被實(shí)施為發(fā)光層102上方的懸置膜。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例配置的SWG 122提供反射功能，其包括控制反射回到VCSEL 100的腔中的光的波前的形狀以及控制發(fā)射通過第二電極114中的開口 116的光的波前的形狀，如圖 IA中所示。這可以通過將SWG 122配置成具有非周期性光柵圖案來實(shí)現(xiàn)，其控制從SWG 122 反射的光的相位而不顯著影響SWG 122的高反射率。在某些實(shí)施例中，如下所述，SffG 122 可以被配置成具有使SWG 122能夠被操作為柱面鏡或球面鏡的光柵圖案。圖3A示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的被配置成具有形成在光柵層302中的一維光柵圖案的SWG 300的俯視圖。所述一維光柵圖案由許多一維光柵子圖案構(gòu)成。在圖3A的實(shí)例中，放大了三個(gè)光柵子圖案301-303。在圖3A中代表的實(shí)施例中，每個(gè)光柵子圖案包括光柵層102材料的許多規(guī)則間隔的線狀部分，其被稱作形成在光柵層301中的“線條”。所述線條在方向上延伸，并且在z方向上周期性地間隔開。在其他實(shí)施例中，線條間距可以連續(xù)地變化。圖3A還包括光柵子圖案302的放大端視圖304。線條306通過凹槽 308分開。每個(gè)子圖案由線條的特定周期性間距以及由z方向上的線條寬度來表征。舉例來說，子圖案301包括以周期A分開的寬度為^的線條，子圖案302包括以周期/72分開的寬度為％的線條，以及子圖案303包括以周期&分開的寬度為的線條。光柵子圖案301-303形成優(yōu)先反射在一f方向(即z方向)上偏振的入射光的亞波長光柵，條件是周期和/73小于入射光的波長。舉例來說，線條寬度的范圍可以是從近似IOnm到近似300nm，并且所述周期的范圍可以是從近似20nm到近似I//m，這取決于入射光的波長。從一個(gè)區(qū)域反射的光獲得由線條厚度 確定的相位0，并且占空比H被定義為
權(quán)利要求
1.一種表面發(fā)射激光器，包括 光柵層(112)，其被配置成具有非周期性亞波長光柵(122); 反射層；以及 發(fā)光層(102)，其被布置在所述光柵層與反射器之間，其中所述亞波長光柵和所述反射器形成諧振腔，以及所述光柵被配置成具有光柵圖案，所述光柵圖案對一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部腔模式進(jìn)行整形并且對從所述表面發(fā)射激光器發(fā)射的一個(gè)或多個(gè)外部橫模進(jìn)行整形。
2.權(quán)利要求I所述的表面發(fā)射激光器，還包括 布置在所述反射層上的基板(106)； 布置在所述基板上的第一電極(108);以及 布置在所述光柵層上的第二電極(114)，所述第二電極被配置成具有暴露出所述亞波長光柵的開口。
3.權(quán)利要求I所述的表面發(fā)射激光器，其中，所述反射層還包括分布式布拉格反射器(104)。
4.權(quán)利要求I所述的表面發(fā)射激光器，其中，所述反射層還包括第二光柵層(1702)，其被配置成具有第二非周期性亞波長光柵(1704)。
5.權(quán)利要求I或4所述的表面發(fā)射激光器，其中，所述光柵圖案還包括通過凹槽分開的線條的一維圖案(300)。
6.權(quán)利要求5所述的表面發(fā)射激光器，其中，線條的所述一維圖案還包括一個(gè)或多個(gè)線條子區(qū)域(301-303)，每個(gè)子區(qū)域內(nèi)的線條具有選擇的周期和占空比。
7.權(quán)利要求I或4所述的表面發(fā)射激光器，其中，所述光柵圖案包括二維光柵圖案。
8.權(quán)利要求I或4所述的表面發(fā)射激光器，其中，所述亞波長光柵還包括懸置膜(122)，其形成所述亞波長光柵與所述發(fā)光層之間的氣隙(216)。
9.權(quán)利要求I所述的表面發(fā)射激光器，還包括布置在所述發(fā)光層與所述光柵層之間的絕緣層(110)，所述絕緣層包括用于電流和光學(xué)約束的開口(120)。
10.權(quán)利要求I所述的表面發(fā)射激光器，其中，在所述諧振腔內(nèi)放大并且從所述諧振腔發(fā)射的光基于所述亞波長光柵的光柵圖案而被偏振(1404)。
11.權(quán)利要求I所述的表面發(fā)射激光器，其中，所述亞波長光柵和所述反射器被配置成形成用于發(fā)射單一光模式的單模諧振腔。
12.一種用于生成光的方法，所述方法包括 對發(fā)光層進(jìn)行電子泵浦(1901)以在諧振腔內(nèi)發(fā)光，所述諧振腔被形成在包括一個(gè)或多個(gè)非周期性亞波長光柵的諧振腔內(nèi)； 將光耦合到所述腔所支持的軸向模式橫向中(1903)； 基于一個(gè)或多個(gè)光柵層的配置，優(yōu)先放大耦合到所述腔所支持的最低損耗軸向和橫向模式中的光(1905);以及 發(fā)射與所述腔所支持的軸向和橫向模式相匹配的相干光束模式(1907)。
13.權(quán)利要求12所述的方法，發(fā)射相干光束模式還包括發(fā)射所述腔所支持的單一光模式。
14.權(quán)利要求12所述的方法，還包括優(yōu)先放大所述腔所支持的具有特定偏振的光模式。
15.權(quán)利要求14所述的方法，還包括所述一個(gè)或多個(gè)光柵被配置成反射具有 特定偏振的光。
全文摘要
本發(fā)明的各種實(shí)施例是針對具有腔的表面發(fā)射激光器的，所述腔包括至少一個(gè)單層、非周期性亞波長光柵，在一個(gè)實(shí)施例中，一種表面發(fā)射激光器包括光柵層(112)，其被配置成具有非周期性亞波長光柵(122)；反射層；以及發(fā)光層(102)，其被布置在光柵層與反射器之間。所述非周期性亞波長光柵被配置成具有光柵圖案，所述光柵圖案控制一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部腔模式的形狀，并且控制從所述表面發(fā)射激光器發(fā)射的一個(gè)或多個(gè)外部橫模的形狀。
文檔編號H01S5/00GK102714395SQ201080062644
公開日2012年10月3日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者D.A.法塔爾, M.R.T.譚, R.G.博索萊爾 申請人:惠普發(fā)展公司，有限責(zé)任合伙企業(yè)