專利名稱：具有非周期性光柵的垂直腔表面發射激光器的制作方法
技術領域：
本發明的各種實施例涉及激光器，并且特別涉及半導體激光器。
背景技術：
半導體激光器代表現今在使用的最重要類別的激光器中的一種，這是因為它們可以被用在各種各樣的應用中，包括顯示器、固態照明、感測、印刷、以及電信，這里僅舉幾個例子。主要在使用的兩種類型的半導體激光器是邊緣發射激光器和表面發射激光器。邊緣發射激光器生成在基本上平行于發光層的方向上行進的光。另一方面，表面發射激光器生成在發光層的法向上行進的光。表面發射層與典型的邊緣發射層相比具有許多優點它們更高效地發光，并且可以被布置形成二維發光陣列。被配置成具有夾在兩個反射器之間的發光層的表面發射激光器被稱作垂直腔表面發射激光器(“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反饋。DBR由多個交替層構成，每層由具有周期性折射率變化的電介質或半導體材料構成。DBR內的兩個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個到大約40個或者更多個DBR對。然而，制造具有大于99%反射率的DBR已證明是困難的，尤其是對于被設計成發射具有處于電磁譜的藍色-綠色和長紅外部分中的波長的光的VCSEL。物理學家和工程師們繼續尋求對VCSEL的設計、操作和效率的改進。
圖IA示出根據本發明的一個或多個實施例配置的示例VCSEL的等距視圖。圖IB示出根據本發明的一個或多個實施例配置的圖IA中所示的VCSEL的分解等距視圖。圖2示出根據本發明的一個或多個實施例的沿著圖IA中所示的線A-A的VCSEL 的剖面圖。圖3A-3C示出根據本發明的一個或多個實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示出根據本發明的一個或多個實施例的來自兩個單獨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示出根據本發明的一個或多個實施例的來自兩個單獨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不出由根據本發明的一個或多個實施例配置的光柵圖案產生的不例性相位改變輪廓圖的等距視圖。圖7示出根據本發明的一個或多個實施例的被配置成將入射光聚焦到焦點的亞波長光柵的側視圖。圖8示出針對根據本發明的一個或多個實施例配置的亞波長光柵的一定入射光波長范圍內的反射率和相移的曲線圖。圖9示出根據本發明的一個或多個實施例獲得的作為周期和占空比的函數的相位變化的相位輪廓曲線圖。圖IOA示出根據本發明的一個或多個實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示出根據本發明的一個或多個實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示出根據本發明的一個或多個實施例配置并操作的VCSEL的剖面圖。圖12示出從根據本發明的一個或多個實施例配置的VCSEL的發光層發射的光的假設腔模式和強度或增益分布圖(profile)的示例曲線圖。圖13示出示意性地代表根據本發明的一個或多個實施例配置的VCSEL的諧振腔的平凹諧振器。圖14示出從根據本發明的一個或多個實施例配置的VCSEL發射的偏振光。圖15A示出在根據本發明的一個或多個實施例配置的VCSEL的腔中產生的兩種橫模的實例。圖15B示出從根據本發明的一個或多個實施例配置的VCSEL發射的最低階橫模的強度分布圖分布的示例輪廓曲線圖。圖16示出從根據本發明的一個或多個實施例的VCSEL發射的光束的示例剖面圖。圖17A-17B示出根據本發明的一個或多個實施例配置的示例VCSEL的等距視圖以及沿著線B-B的剖面圖。圖18A-18B示出根據本發明的一個或多個實施例配置的示例VCSEL 1800的等距視圖以及沿著線C-C的剖面圖。圖19示出根據本發明的一個或多個實施例的用于生成光的方法的控制流程圖。
具體實施例方式本發明的各種實施例是針對VCSEL陣列的，其中每個VCSEL在不同波長發射激光。 VCSEL陣列內的每個VCSEL包括非周期性亞波長光柵(“SWG”)和形成光學腔的DBR。每個 VCSEL的SWG具有不同的光柵配置，其使每個VCSEL能夠在不同波長發射激光。每個VCSEL 的SWG可以被配置成控制從VCSEL發射的內部腔模式的形狀和外部模式的形狀。每個VCSEL 具有小模式容積、近似單一空間輸出模式，在窄波長范圍內發光，并且可以被配置成發射具有單偏振的光。在下面的描述中，術語“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射激光器
圖IA示出根據本發明的一個或多個實施例配置的示例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允許從發光層102發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發射)。圖IB示出根據本發明的一個或多個實施例配置的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允許從發光層102發射的光到達SWG 122。 注意，本發明的實施例不限于開口 116和120是矩形的。在其他實施例中，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體材料的各種組合構成。化合物半導體包括III-V化合物半導體和II-VI化合物半導體。III-V化合物半導體由選自硼(“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列元素組合構成。III-V化合物半導體是根據III和V元素的相對數量來分類的，比如二元化合物半導體、三元化合物半導體、以及四元化合物半導體。舉例來說，二元半導體化合物包括但不限于GaAs、GaAl、InP、InAs和GaP ;三元化合物半導體包括但不限于 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體包括但不限于 IrvGahAs/b，其中z和7都獨立地處于O與I之間的范圍。II-VI化合物半導體由選自鋅 (“Zn”)、鎘(“Cd”)、汞(“Hg”)的IIb列元素與選自氧(“O”)、硫(“S”)和硒(“Se”)的VIa元素組合構成。舉例來說，合適的II-VI化合物半導體包括但不限于CdSe、ZnSe、ZnS和ZnO， 這些是二元II-VI化合物半導體的實例。VCSEL 100的層可以利用化學汽相沉積、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。在某些實施例中，利用P型雜質摻雜層104和106，同時利用η型雜質摻雜層112。 在其他實施例中，利用η型雜質摻雜層104和106，同時利用P型雜質摻雜層112。P型雜質是被結合到半導體晶格中的原子，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型雜質是被結合到半導體晶格中的原子，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化合物半導體中，VI列元素替代III-V晶格中的V列原子并且充當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P型摻雜劑。絕緣層110可以由絕緣材料構成，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可以由合適的導體構成，比如金(“Au”)、銀(“Ag”)、銅(“Cu”)、 或鉬(“Pt”)。圖2示出根據本發明的一個或多個實施例的沿著圖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層的結構。DBR 104由平行于發光層102定向的DBR 對的堆疊構成。在實踐中，DBR 104可以由大約15個到大約40個或者更多個DBR對構成。 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』是從發光層102發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代表由第一半導體材料構成的DBR層， 以及淺陰影層206代表由第二半導體材料構成的DBR層，其中層204和206具有不同的關聯的折射率。舉例來說,層204可以由GaAs構成，其具有3. 6的近似折射率，層206可以由 AlAs構成，其具有2. 9的近似折射率，并且基板可以由GaAs或AlAs構成。圖2還包括發光層102的放大圖208，其揭示出包括發光層102在內的多層的一種或許多種可能配置。放大圖208揭示出，發光層102由通過勢壘層212分開的三個單獨的量子阱層(“QW”)210構成。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，發光層102的總厚度近似是從發光層102發射的光的波長。層210、212和214由不同的本征半導體材料構成。舉例來說，QW層210可以由InGaAs (例如Ina2Gaa8As)構成，勢壘層212 可以由GaAs構成，以及約束層可以由GaAlAs構成。本發明的實施例不限于具有三個QW的發光層102。在其他實施例中，所述發光層可以具有一個、兩個或多于三個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，并且被懸置在發光層112之上，以便在SWG 122與發光層112之間產生氣隙216。如圖2中以及圖IB 中所示，SWG 122可以沿著一個邊緣被附著到光柵層112上，其中氣隙218將SWG 122的三個剩余邊緣與光柵層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與發光層102接觸。絕緣層110把經過光柵層112 的部分218的電流流動限制到發光層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發射激光期間的光學反饋。非周期性亞波長光柵
如上所述，光柵層112的SWG 122被實施為發光層102上方的懸置膜。根據本發明的一個或多個實施例配置的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現，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示出根據本發明的一個或多個實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成。在圖3A的實例中，放大了三個光柵子圖案301-303。在圖3A中代表的實施例中，每個光柵子圖案包括光柵層102材料的許多規則間隔的線狀部分，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。在其他實施例中，線條間距可以連續地變化。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。從一個區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
權利要求
1.一種表面發射激光器，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或多個內部腔模式進行整形并且對從所述表面發射激光器發射的一個或多個外部橫模進行整形。
2.權利要求I所述的表面發射激光器，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.權利要求I所述的表面發射激光器，其中，所述反射層還包括分布式布拉格反射器(104)。
4.權利要求I所述的表面發射激光器，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.權利要求I或4所述的表面發射激光器，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.權利要求5所述的表面發射激光器，其中，線條的所述一維圖案還包括一個或多個線條子區域(301-303)，每個子區域內的線條具有選擇的周期和占空比。
7.權利要求I或4所述的表面發射激光器，其中，所述光柵圖案包括二維光柵圖案。
8.權利要求I或4所述的表面發射激光器，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光層之間的氣隙(216)。
9.權利要求I所述的表面發射激光器，還包括布置在所述發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約束的開口(120)。
10.權利要求I所述的表面發射激光器，其中，在所述諧振腔內放大并且從所述諧振腔發射的光基于所述亞波長光柵的光柵圖案而被偏振(1404)。
11.權利要求I所述的表面發射激光器，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 對發光層進行電子泵浦(1901)以在諧振腔內發光，所述諧振腔被形成在包括一個或多個非周期性亞波長光柵的諧振腔內； 將光耦合到所述腔所支持的軸向模式橫向中(1903)； 基于一個或多個光柵層的配置，優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.權利要求12所述的方法，發射相干光束模式還包括發射所述腔所支持的單一光模式。
14.權利要求12所述的方法，還包括優先放大所述腔所支持的具有特定偏振的光模式。
15.權利要求14所述的方法，還包括所述一個或多個光柵被配置成反射具有 特定偏振的光。
全文摘要
本發明的各種實施例是針對具有腔的表面發射激光器的，所述腔包括至少一個單層、非周期性亞波長光柵，在一個實施例中，一種表面發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或多個內部腔模式的形狀，并且控制從所述表面發射激光器發射的一個或多個外部橫模的形狀。
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 優先權日2010年1月29日
發明者D.A.法塔爾, M.R.T.譚, R.G.博索萊爾 申請人:惠普發展公司，有限責任合伙企業