CN101091293A

CN101091293A - 单模光子晶体vcsel

Info

Publication number: CN101091293A
Application number: CNA2005800406419A
Authority: CN
Inventors: 达恩·比克达尔; 斯文·比朔夫; 迈克尔·尤尔; 芒努斯·哈尔·马森; 弗朗西斯·帕斯卡尔·罗姆斯塔德
Original assignee: Alight Technologies AS
Current assignee: Alight Photonics ApS
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2025-11-29
Also published as: JP4944788B2; CA2589452A1; DK1820244T3; WO2006056208A3; CN100550545C; CA2589452C; EP1820244B1; US20080219307A1; JP2008522388A; WO2006056208A2; EP1820244A2; US7693203B2

Abstract

本说明书揭示了具有单模输出和可选的单偏振输出的VCSEL(垂直腔表面发射激光器)器件。该器件通过在部分VCSEL顶部镜片中的浅蚀刻由根据PBG(光子带隙)效应的横向模限制给出。PBG区域环绕特征为大的纵向模损耗的MS区域(模整形区域)。MS区域环绕特征为低纵向模损耗的LA区域(光孔径区域)。MS区域不对到LA孔径的横向模限制作出贡献，横向模由PBG区域限制。从而对于单基模工作优化了VCSEL。

Description

单模光子晶体VCSEL

技术领域

本发明主要关于光波导中的横向模控制领域，特别是涉及垂直腔表面发射激光器中的横向模控制。

背景技术

垂直腔表面发射激光器(VCSEL)具有多种优点，诸如低阈值，小尺寸，在晶片可测性以及高光纤耦合效率。如果可以从VCSEL提取足够高的单模输出功率(5-20mW)，则单模对于诸如数据(λ＝850nm的发射波长)和通信(λ＝1.3-1.7μm)的应用是特别有用的。

VCSEL从器件结构的顶部或者低部发出垂直于半导体衬底平面的辐射。VCSEL为表面发射激光器，具有平行与衬底表面放置的镜片，衬底形成由他们之间包围的光学空腔谐振器。VCSEL通常具有放置了第一镜片组和第二镜片组的衬底，第一镜片组和第二镜片组之间的主动区域包括量子阱或者量子点。由于VCSEL中的单程增益比边缘发射激光器中低很多，因此需要镜片有较高的反射率。由于这个原因，VCSEL中的镜片组通常包括可能具有99％或者更高反射率的多个分布式布拉格反射镜(DBR)镜片。电接触通常放置在第二镜片组上，另一个接触提供在与衬底接触的相对端。当注射的电流在两个接触之间流动时，引起从主动区的激光发射，并且发射通过VCSEL的顶部或者底部表面。VCSEL结构的示意图示于图1。

图1示例说明了根据现有技术的VCSEL 100的例子。VCSEL 100的核心为包括量子阱112的主动区110。在图1中，主动区110由上部DBR层108和下部DBR层114界定。DBR层中的一层包括n型半导体材料，另一层包括p型半导体材料。DBR层通过交替折射率变化的材料层而形成。每个单独的DBR层通常具有大约λ/4的厚度。这些交替的层通常由半导体材料或者电介质材料形成。

光在DBR层的结处反射，但是为了实现VCSEL需要的高反射率，必须形成或者生长很多的层。因此，DBR层108和DBR层114形成将光反射通过主动区110的镜片层。透过其发射光的VCSEL 100的光孔径通常通过一个或者几个DBR层(区域106)的选择性氧化或者离子注入来形成孔径107而形成，光可以通过该孔径107溢出并且电流可以通过该孔径107流动。最后，VCSEL 100还包括衬底116和金属接触104和118。

主动区110的组成通常与VCSEL 100产生的波长相关并且通常由GaAs或者AlGaAs的某种组合形成。本发明并不限制在这些材料。例如GaNAs，InGaNAs，InGaAs，GaInNAs，InGaAsP，和InGaP通常用于发射650，780，850，980，1300和1550nm的波长。量子阱或者体主动区的组成对于带隙具有影响，带隙与VCSEL 100产生的波长或者模式相关。

传统光波导中的模限制通过具有由较低折射率的覆层包围的高折射率的纤芯而实现。这得到基于全内反射原理的光波导。如同Hadley在【G.R.Hadley，“Effective index model for vertical-cavity surface-emitting lasers，”Optical LettersVol.20，No.13，p1483(1995)】中指出的，在诸如VCSEL的光谐振器中，腔谐振波长的偏移对应于传统光波导结构中的有效折射率阶梯，Δλ/λ＝Δn/n。结果是，VCSEL中的横向模限制可以通过具有由短的腔谐振波长的覆层区域包围的长腔谐振波长的纤芯而实现。这种VCSEL中的横向模限制类似于传统折射率波导型光纤中的横向模限制。

相反，微结构型光纤在覆层的折射率上具有丰富的布局，通常石英覆层中的气孔，使得横向模限制到光纤的中央的低折射率纤芯(例如大的空洞)。这些光纤称为光子带隙(Photonic Band-Gap，PBG)光纤。PBG光纤通过可以视为半导体的电子带隙的光学类似物的效应来导光。PBG光纤的光孔径，也称为PBG缺陷，具有低于用来包围的覆层区域的折射率。纤芯的折射率低于覆层的折射率的光纤称为反波导，并且在没有光子带隙效应的情况下不会限制任何横向模。

可以通过由具有腔谐振波长的变化的丰富布局的覆层区域包围纤芯(光孔径)来实现VCSEL中的通过PBG效应的横向模限制。在VICSEL DBR顶部镜片中的蚀刻导致腔谐振波长的偏移。从而VICSEL顶部镜片的局部蚀刻是局部地修正腔谐振波长以及实现通过PBG效应的横向模限制的有效方法，如同在线的专利申请WO 02/073753中描述的。

为了清楚起见，更深度地说明诸如VCSEL的光谐振器中，光纤中的折射率阶梯与腔谐振条件的关系。

光谐振器可以使用由厚度L，折射率n的间隔区隔开的两个平面平行的镜片实现。不失去一般性，可以假定平面镜片在x-y平面延伸。光谐振器以一组谐振波长λ_m＝2Ln/m，m＝1，2，3，......为特征。具有这些波长的光将在法向入射经受透过谐振器的增加的传送。

激光腔可以支持产生的光的多个横向模。在本申请中，横向电磁模可以视为具有描述电磁场的传播的波矢

的平面波的分布。任何波矢

可以投射到垂直于腔的延伸的平面，例如平行于镜片的平面。将波矢

到这种平面的投射指定为波矢

的横向分量

术语横向指的是腔的范围而不是

的长度为

k = \frac{2 π \overset{&OverBar;}{n}}{λ},

其中

为有效纵向折射率。从而的横向分量对于定义横向波长是有用的：

λ_{| |} = \frac{2 π \overset{&OverBar;}{n}}{| k_{| |} |},

从而z方向的传播常数为

k_{z} = \frac{2 π \overset{&OverBar;}{n}}{λ_{z}},

其中

k = \sqrt{{| k_{z} |}^{2} + {| k_{| |} |}^{2}} .

在第一个例子中，假定VCSEL谐振器中，VCSEL的纤芯具有短的腔谐振波长λ_core，而覆层区域具有较长的腔谐振波长λ_clad。两个区域的谐振波矢的长度为：

k_{z, core} = \frac{2 π \overset{&OverBar;}{n}}{λ_{core}} > k_{z, clad} = \frac{2 π \overset{&OverBar;}{n}}{λ_{clad}} .

首先以纤芯谐振器(core resonator)考虑电磁场谐振：λ＝λ_core和

k = \frac{2 π \overset{&OverBar;}{n}}{λ_{core}},

从而电磁场具有波矢

并且仅在纤芯谐振器的z轴方向传播。然而，在覆层谐振器中，发现由于是保留的，

其中，

k_{| |, clad}^{2} = k^{2} - {k^{2}}_{z, clad}

或者

k_{| |, clad}^{2} = {(\frac{2 π \overset{&OverBar;}{n}}{λ_{core}})}^{2} - {(\frac{2 π \overset{&OverBar;}{n}}{λ_{clad}})}^{2} .

由于λ_core＜λ_clad，k_‖，clad的值为实数并且该电磁场可以在覆层区域自由传播。在此情况下，纤芯区域为反波导。现在，在相反的情况下，λ_core＞λ_clad，k_‖，clad的值将为与覆层区域中的渐逝场对应复数。在此情况下，纤芯将是光场的波导。

该讨论的例子显示了谐振波长如何确定VCSEL的波导或者反波导特性。此外，该讨论的例子给出了横向波长(λ_‖)所表示的很好的物理描述，这在讨论通过VCSEL中的光子带隙实施横向模限制时广泛地使用。

对于PBG波导，PBG微/纳构造的物理尺寸与横向波长(λ_‖)相关，并且由于期望λ_‖比纵向波长λ_z以及自由空间波长大很多，所以预期为很大。从而，期望PBG效应的实现不期望经受半导体加工技术的当前限制。

垂直腔表面发射激光器的腔谐振波长可以通过改变VCSEL的布拉格镜片中一层或者几层的厚度来变化。当蚀刻穿过VCSEL镜片时，可以观察到腔谐振波长中的变化为蚀刻深度的周期函数。

如前所述，波导(VCSEL)的横向模限制取决于折射率(腔谐振波长)差异。如果VCSEL的核心部分与覆层区域相比腔谐振波长为较大或者较小，则可以分别使用VCSEL顶部镜片的局部蚀刻来形成弱折射率波导或者弱反波导。当通过蚀刻减薄镜片时，VCSEL的顶部或者低部镜片的反射率改变。然而，反射率不是作为蚀刻深度的函数单调下降，而是类似于腔谐振波长，作为蚀刻深度的周期函数。周期由布拉格镜片材料内的纵向四分之一波长给出。当然该周期性镜片反射率的最大和最小反射率对于增加的蚀刻深度是降低的，这是DBR镜片层对的数量减少的结果。

图2示例说明了在DBR镜片层202的顶部增加了光子微/纳结构210的垂直腔表面发射激光器200，参见例如WO 02/073753。主动区204由上部DBR层202和下部DBR镜片层206界定。光子微/纳结构210由从用于横向模控制的上部DBR镜片的顶部开始的浅或者深蚀刻洞212形成。光子微/纳结构210定义了光孔径区域214，透过该光孔径区域214发射光。横向电流限制通常通过DBR结构中一层或者多层的选择性氧化或者离子注入而形成。电流孔径通常大于光子微/纳结构的光孔径214。从而横向光和电流孔径对于这种VCSEL200是去耦合的。从而与电横向电流孔径无关地优化横向光模。

在浅蚀刻(仅仅少数几个DBR镜片对)的情况下，当在整个半导体顶部镜片中蚀刻时，腔谐振波长偏移相对较小。当如同图2中的区域210那样蚀刻深洞(穿过几个周期)到VCSEL的DBR镜片的一个中时，腔谐振波长改变几个纳米。在这种情况下蚀刻区域212的纵向反射率明显减少，这是DBR镜片层对数量减少的结果。减少的DBR反射率将与实现的腔谐振波长偏移一起确定限制到光孔径214的横向模。在一些情况下，横向变化损耗将主导过程中的模限制，类似于从宽区域边缘发射激光领域所公知的增益波导机制。此外，PBG效应的实现需要蚀刻的和没有蚀刻的区域之间的相对高的腔谐振波长偏移。

作为蚀刻深度的函数的腔谐振波长的实际值取决于DBR内的蚀刻的位置。当PBG结构接近于VCSEL的主动区并且嵌入在DBR顶部镜片中时，通过浅蚀刻可以实现谐振腔波长的大偏移。随着PBG结构的位置更接近DBR镜片的顶部，最大腔谐振波长降低(对于相同的蚀刻深度)。因此，为了在蚀刻的和未蚀刻的区域之间引入必要的高腔谐振波长偏移，如图3所示，在一个VCSELDBR中而不是在DBR的顶部蚀刻浅洞312。对于少于200nm的蚀刻深度，腔谐振波长偏移非常大(几十纳米)，并且这种方式对于镜片反射率(VCSEL腔的光子寿命)的影响要少得多。

图3示例说明了在DBR镜片层302中嵌入了光子微/纳结构318的垂直腔表面发射激光器300，参见例如WO 02/073753。在部分顶部镜片中完成洞312的浅蚀刻，该部分顶部镜片的反射率对于VCSEL产生激光是不够的。达到产生激光所需的DBR镜片反射率例如通过再生长工艺步骤或者沉积电介质顶部镜片而获得。完整的DBR顶部镜片302包括三个不同的层，第一未蚀刻的部分顶部镜片区域316。部分顶部镜片层318中的横向微/纳构造310通过蚀刻浅的洞而形成。顶部镜片320在明确横向微/纳构造310之后沉积或者再生长。

部分DBR顶部镜片层316可以省略或者由间隔层代替。此外，微/纳结构318可以由在部分半导体DBR顶部层或者电介质顶部层，或者半导体和电介质部分DBR顶部镜片层两者的组合中的浅蚀刻形成。光孔径区域314定义PBG缺陷，光被限制到该PBG缺陷的区域。LA区域314的腔谐振波长通常至少短于或者等于包围区域312和313。腔谐振波长取决于蚀刻深度并且通过不同的蚀刻深度使得区域312，313和314的腔谐振波长中的差异可视化。最后，VCSEL 300还包括主动区304，下部DBR底部镜片306和衬底308。

L.J Mawst和D.Zhou的专利US 6.396.865揭示了一种垂直腔表面发射激光器，其中以单个或者两个反谐振反射光波导(箭头(ARROW))环实现横向模限制。环的宽度为奇数个横向四分之一波长。

在D.Zhou和L.J Mawst的“Simplified-antiresonant reflecting opticalwaveguide-type vertical surface-emitting lasers”(Applied Physics Letters Vol.76，No.13，p.1659(2000))中还发表了只使用单个环的箭头方法。箭头方法使用一个或者两个反谐振反射环来减少由于中心反波导的不足的模限制引起的横向波导损耗。反波导促进单模工作，而反谐振反射环降低基模和高阶模的横向辐射损耗。从而，当实施箭头模限制环时，降低了仅使用反波导的VCSEL的阈值电流。在箭头设计中也降低了高阶模的横向辐射损耗，但是相比于基模仍然明显较高。

在N.S.Chen，S.F.Yu和C.W.Tee等的“Suppression of PolarizationSwitching on Birefringent Antiresonant Reflecting Optical WaveguideVertical-Cavity Surface-Emitting Lasers”(IEEE Photonics Technology Letters，Vol.16，No.3，p.711(2004))中，显示了当邻近反波导(光孔径)的环稍微宽于奇数个横向四分之一波长时，一个和两个反谐振环VCSEL设计具有改进的单偏振模稳定性。环宽度增加直到大约λ/3以达到最佳偏振稳定性，环是圆形的并且对于两个正交偏振状态不引入任何横向反射系数的不对称。

这些现有的单模设计基于一种方法，其中，反波导(光孔径)由对反波导给出了增加的限制的区域(箭头环)包围，这减少了基模和高阶模两者的横向辐射损耗。由于降低了辐射损耗，这些环的增加导致与反波导VCSEL结构相比的降低的阈值电流。然而，由于为这些箭头型的VCSEL设计更强地限制了基模和高阶模这两者，通过一个或者两个反射镜环的横向模限制降低了较大光孔径(反波导)尺寸的单模工作体制。

这些现有单模设计的物理实施已使用了外延再生长来实现箭头环。这是高成本的生产方法并且在器件的加工中明显降低了产量。该设计进一步使用离子注入来限制横向的电流。这具有限制电流而不引入光限制的优点。然而，由于大的工艺偏差和不稳定性，在业界很大程度上放弃了该方法。替代地，由于高产量和出色的稳定性，氧化物限制主导了当前的VCSEL的实现。在箭头型的单模VCSEL中引入氧化物限制是困难的并且现在还没有论证。由于氧化物孔径自身的横向限制，氧化物层的存在将干扰箭头环的功能。

美国专利6,185,241揭示了一种微腔激光器，其中环形金属层通过引入吸收孔径抑制高阶模。环形金属层直径的典型值为5μm，并且除了引入与模相关的损耗，环形金属层还定义了激光器的孔径。

美国专利5,838,715揭示了一种包括损耗确定元件的VCSEL，该损耗确定元件随着距离光轴(平行与衬底法线的轴)的横向距离增加，逐步增加VCSEL光腔的光损耗。环形金属层提供与模相关的损耗，还定义了激光器的光孔径。损耗确定元件通常是提供透镜效果的弯曲部分。

美国专利5,432,812揭示了具有三维光反射镜的微腔半导体激光器的使用，该三维光反射镜覆盖了双异质结部分，该双异质结部分用于控制沿着各种方向的自发发射和用于增加与特定激光模的自发发射的耦合率，从而降低激光器的阈值电流。根据美国专利5,432,812中揭示的发明的激光器的实施例，可以具有与图2中的210示例说明的那些PBG结构或者图3中的区域310相似的PBG结构。根据美国专利5,432,812的激光器具有覆盖其双异质结部分的光反射镜，该双异质结部分是包围激光器的主动区的区域。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于VCSEL中的横向模控制的技术，能够提供大孔径单模高功率VCSEL。

本发明通过提供允许大孔径单模高功率工作的基本结构细节，给出改进的VCSEL设计。由于主题的复杂性，下面给出新型VCSEL设计中包含的特性的大致描述。这用于提供一个概貌并用于介绍本发明的术语和概念，而不是用于限制本发明的范围或者发明的创造性。

根据本发明的横向模控制通过将横向模的限制与模尺寸相关的光损耗组合来实现。通过局部地修改纵向层结构，典型地通过少量附加材料的沉积或者通过部分顶部(底部)镜片中或者内部的浅蚀刻，来获得限制/损耗。除非另外指出，下面的横向区域中的布局为从VCSEL的顶部并且沿着光轴(垂直于衬底)观看。“顶部”指的是相对于衬底端的VCSEL的末端。相应的，为了举例说明，图4中的层412为VCSEL 424的最顶部部分。垂直方向为平行于光轴，横向方向为垂直于光轴。

横向模控制用于确保VCSEL的单个基模的工作。横向模控制通过具有三个不同的横向区域实现。由于产生激光的横向模主要限制在纤芯，纤芯通常是没有明确结构的并且称为(第一)光孔径(Light Aperture，LA)。关于高纵向反射(表示低纵向损耗或者长光子寿命)，为光孔径优化纵向镜片反射率，这得到长的腔光子寿命，低的阈值电流和高的输出功率。

包围LA的第二区域称为模整形区域(Mode-ShapingArea，MS区域)。由于MS区域优选具有比LA的纵向腔谐振波长更长的纵向腔谐振波长，MS区域不对光孔径造成光模的任何横向限制。从而，光孔径或纤芯为反波导结构并且横向模从纤芯泄漏到MS区域中。由于反射率像腔谐振波长一样，为蚀刻深度的周期函数，因此以纵向反射率较低从而具有比光孔径更短的光子寿命的方式选择较长的MS区域的腔谐振波长。因此，显著地穿入到MS区域中的横向模将经受很大的损耗，因此将具有高的阈值电流用于产生激光。MS区域的宽度在环形区域的情况下选择为半横向波长(λ_‖)的正整数倍，这将最小化从这一区域的横向反射率。

由于与布拉格镜片的类似性，从而完成横向四分之一波长的引入。然而，由于冷腔本征模由贝塞尔函数(Bessel function)描述，在VCSEL中横向模限制的情况下横向波长是直径的函数。从而贝塞尔函数的零点确定径向尺寸(横向波长)，如同C.W.Tee，C.C.Tan和S.F.Yu的“Design of antiresonant-reflectingoptical waveguide-type vertical-cavity surface-emitting lasers using transferrmatrix method”(IEEE Photonics Technology Letters Vol.15，No.9，p.1231(2003))中的讨论。因而，本发明的VCSEL设计中的横向波长的符号不是固定的数，而是与描述VCSEL的冷腔模的贝塞尔函数相关。然而，在不讨论与贝塞尔函数的关系的情况下考虑到与布拉格镜片的相似性，仅仅提到横向波长是适宜的。从而本设计指导中的横向波长不是固定的数，而是由贝塞尔函数的零点确定。

MS区域的存在不对LA造成横向模限制。LA与MS区域的组合得到具有大的横向辐射损耗的VCSEL结构。

MS区域再次由具有微/纳构造的区域包围，该微/纳构造具有周期处于横向波长的范围内的腔谐振波长(λ_‖)中的变化。该变化导致对LA与MS区域的好的横向模限制。换而言之，MS区域由模限制区域(MC区域)包围，这抑制了光传播从而导致对LA和MS区域的横向模的限制。

MC区域的腔谐振波长大于或者至少等于LA区域的腔谐振波长(前面提到腔谐振波长是蚀刻深度或者生长/沉积高度的周期函数)。因此，MS区域或者MC区域都不在自身中提供横向限制，这是因为两个区域具有大于纤芯的腔谐振波长，因此，该结构相对于包围的MC区域和MS区域仍然是反波导。MC区域的周期性构造提供了该限制。

基模通常与MS区域具有小的重叠，而高阶模与MS区域具有较大的重叠。从而MS区域较短的光子寿命导致了模选择性损耗机制，这确保了VCSEL的单基模操作。(此外，可以以这样的方式设计MC区域，即仅仅很好地限制基模而非常弱地限制高阶模并且高阶模可以相对深地穿透到MS还有MC区域中，这进一步提高了所提出的VCSEL的横向模选择性。

上述讨论用于给出本发明一般性的，概念性的概述。在下面，将给出本发明的各方面和优选实施例的更详细的描述。

通常，VCSEL包含多层结构。在下面，在一层或者多层中定义不同的区域，这影响贯穿该结构的模的行为。由于一层中的区域影响另一层中的行为，这种区域可以被认为是定义了透过该结构的所有层的列，尽管它仅仅物理地存在于一层或者多层中。因此，不同区域的相对尺寸、形状和位置(此后称为区域之间的关系)在沿着垂直于层的方向的投射中确定，即从俯视观看。

在第一方面，本发明提供一种VCSEL，包括：

·半导体材料层，具有用于产生光并用于发射所产生的光的主动区；

·第一和第二至少基本平行的镜片，形成包括该主动区的激光腔，该激光腔和该主动区支持所产生的光的至少一个纵向电磁模；

·中心光孔径(LA)区域，提供长的光子寿命并且与该主动区重叠或者至少部分环绕该主动区；

·模整形(MS)区，形成在该第一和/或第二镜片内或者邻近该第一和/或第二镜片并环绕该LA区域，该MS区域提供短于LA区域的光子寿命；

·模限制(MC)区，形成在该第一和/或第二镜片内或者邻近该第一和/或第二镜片并环绕该MS区域，且被设计为对MS区域和LA区域提供模的横向限制；

·其中，选择LA区域、MS区域和MC区域的尺寸来设计在该腔的每个横向电磁模中的激光动作的效率。

换一种表示，第一方面提供一种VCSEL，包括：

·主动区；

·第一和第二至少基本平行的镜片，形成包括该主动区的激光腔；

·光孔径(LA)区域，提供长的光子寿命；

·模整形(MS)区；

·模限制(MC)区域，形成在该第一和/或第二镜片内或者邻近该第一和/或第二镜片，并被设计为对MS区域和LA区域提供模的横向限制；

·其中，该模整形(MS)区形成在该LA区域和该MC区域之间，该MS区域形成在该第一和/或第二镜片内或者邻近该第一和/或第二镜片，并提供短于该LA区域的光子寿命。

为了进一步示例说明所应用的词汇，术语“包围LA区域的MS区域”不需要MS区域和LA区域定义在相同的层中，仅是MS区域的投影包围LA区域的投影，或者换一种表示，由第一层中的MS区域定义的透过所有层的列包围由第二层中的LA区域定义的透过所有层的列。

此外，术语“环绕”解释为在周围形成回路，而不考虑回路的形状。在一些情况下，例如，由于外部区域的开始自动地表示内部区域的终止，作为定义的事件“该外部区域环绕该内部区域”。尽管该内部区域的物理效应可能仍然在该外部区域中存在，但属于外部区域的其他物理效应的存在定义了该区域的命名。因此，有人可能替代地采用区域重叠的方式，但是该方式在本文中不采用并且不应该依靠来限制本发明的范围。

还有，在本文中，环不是圆形的而是可以是诸如圆形结构的任何封闭的回路结构。当在给定层中定义了环的时候，环的宽度是在基本为径向的方向上的环的尺寸，而环的厚度为层的厚度。还有，孔径也是任何形状的贯通开口。

“通过设计腔中的每个横向电磁模中的激光动作的效率”是指计划，设计或者生成预定的效率，该效率可以是设计者所需要的低，中等或者高效率或者仅仅是近似效率。

较佳的是，LA区域和MS区域不以与主动区接触的方式形成。同样较佳的是，LA区域和MS区域不形成在邻近于主动区的层中。这与根据美国专利5,432,812的激光器相反，该激光器中具有与主动区接触的反射镜部分，从而增加自发发射与增益层之间的耦合。

根据本发明第一方面的激光器还与根据美国专利6,185,241的激光器根本上不同。在根据美国专利6,185,241的激光器中，横向模主要由同样用作光孔径的环形金属层控制。

本发明第一方面中的模整形机制还与美国专利5,838,715中揭示的那些根本上不同。在美国专利5,838,715中，损耗确定元件随着距离光轴的横向距离增加，逐步增加VCSEL光腔的光损耗，损耗确定元件是像透镜一样工作的弯曲部分。此外，环形金属层提供与模相关的损耗，还定义了光孔径。

在根据本发明第一方面的激光器中，优选LA区域和MS区域都与主动区分开，通常通过几个中间层分开。较佳的是，第一方面的一些实施例具有它们的LA区域和MS区域在VCSEL的顶部附近，通过顶部镜片的一部分与主动区分开，诸如通过一个或多个四分之一波长DBR层。

在本发明的第二方面，提供一种设计垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的横电磁模中的激光动作的效率的方法，该方法包括以下步骤：

·提供一种VCSEL，包括主动区；第一和第二至少基本平行的镜片，形成包括该主动区的激光腔；以及，中心光孔径(LA)区域，提供长的光子寿命；

·通过形成围绕LA区域的模整形(MS)区域制作相对于MS区域的LA区域反波导，引入对取决于自身横向分布的模的损耗，该MS区域提供短于LA区域的光子寿命；以及，

·通过形成围绕MS区域的模限制(MC)区域，将模横向限制到MS区域和LA区域。

本发明的一个优点是，它通过提供光的横向分量可以传播进入的区域(MS区域)和光的横向分量不能传播进入的区域(MC区域)抑制或者防止模中的激光动作。因此，在实质上延伸进入MS区域和/或MC区域的模中只有很少或者没有激光动作。因此，在MC区域不允许场的任何穿透的情况下，本发明通过对于穿透进入MS区域的模引入严重的损耗，抑制了多模激光产生。

采用另一种观点，由MC区域在尺寸上限制了横向模，从而它们与MS区域的重叠决定了模损耗。基模明显窄于高阶模，因此，与横向高阶模的激光产生相比提高了基模中的激光产生。

MS区域作用是对与MS区域显著重叠的模引入损耗。因此，腔支持的模应当优选地延伸进入MS区域。这可以通过使得LA区域为相对于MS区域的反波导，并且通过设计MS区域来减少/最小化对于LA区域的模的横向限制来确保。如果MS区域具有周期性结构，它不应当在MS区域和LA区域的边界处提供横向波长的反射。另一方面，应当确保从LA区域到MS区域的模的泄漏。

形成邻近于第一和/或第二镜片MS和MC区域可以通过在位于增益区域和第一和/或第二镜片之间的间隔层中形成这些来实现。间隔层可以位于增益区域和仅仅一个镜片之间。可选的，一个间隔层可以位于增益区域和第一镜片之间，而另一个间隔层位于增益区域和第二镜片之间。可选的，两个或更多(例如由各种材料制成)间隔层可以位于增益区域与第一和/或第二镜片之间，或者一个或者更多间隔层可以由多个(例如不同的材料)层来构造。

尽管可以仅在该结构的几个层中物理地定义光孔径区域，但光孔径区域在垂直于镜片的方向透过该结构的投射所定义的区域也称为纤芯。

通过使得MS和MC区域在第一和/或第二镜片内或者邻近第一和/或第二镜片，或者在一个间隔层中，确保了MS和MC区域不延伸通过整个增益区域。较佳的是，放置MS和MC区域使得它们根本不与增益区域相交。由于这确保了整个增益区域可以用于提供从VCSEL的足够的输出功率，因此是非常有利的。较佳的是LA区域和MS区域不与增益区域接触或者不形成在邻近增益区域的层中。

在优选实施例中，LA区域，MS区域和MC区域形成在部分半导体DBR顶部镜片中。可选的，LA区域，MS区域和MC区域在电介质顶部镜片层中实现。这些的任意组合也是可能的，例如，MS定义在电介质顶部镜片层中而MS区域定义在半导体底部镜片等中。各种区域和结构通常通过蚀刻一层或者多层到不同的深度来实现。从而该工艺一般称为垂直构造。蚀刻的层可以经受再生长。

在MS区域为没有明确结构的区域的情况下，它通常由环形成，该环由具有与包含该环的平面中的相邻材料相比是发散的光学特性的材料构成。在此情况下，环的宽度应当是偶数个横向四分之一波长或者如同贝塞尔函数指示的在这些附近的范围，例如，增加或者减少0-5％或者0-10％或者0-15％或者0-20％或者0-25％或者0-30％。等价地，环的宽度可以是奇数个增加或者减少0-30％的横向半波长。微/纳构造的MS区域通常由将相对于LA区域的该区域的横向反射最小化的结构形成。

MC区域可以例如通过一维轴向PBG结构实现，在此情况下MC区域包括交替的长和短腔谐振波长的几个环构成，如同图5中的区域504描绘的。每个环的纵向腔谐振波长在长和短的值之间交替来确保径向方向的PBG效应。这些环导致强的横向限制，类似于DBR镜片层对的高纵向反射率的纵向限制。可选的，MC区域可以由一个或者多个环构成，在这种情况下限制机制可能很弱，导致基模或者高阶模穿透到MC区域中。从而较佳的是调节MC区域中的环的宽度以具有奇数个横向四分之一波长(λ_‖/4)的宽度，根据适当的贝塞尔函数在宽度上增加或者减少0-5％或者0-10％或者0-15％或者0-20％或者0-25％或者0-30％。

可选的，MC区域的丰富布局可以通过对于LA和MS区域给出强的横向模限制的两维或者三维PBG结构实现。两维PBG效应可以例如通过棒的周期性配置来实现，该配置相比这些棒与棒之间的中间区域具有长或者短的腔谐振波长，请参考图6中的区域604作为例子。二维PBG结构的周期性配置可以为例如圆，矩形，三角形或者它们的组合的三对角，蜂巢或者方点阵配置。

光子带隙效应在实验和理论上都有很多的文献。它们依赖于诸如材料介电常数的光学常数在一维，二维或者三维上的周期性调制，该周期性调制通过形成一维，二维或者三维周期性微/纳结构而得到。通过在VCSEL顶部(或者底部)镜片中的浅蚀刻得到的维/纳结构导致调制的折射率(空气洞的蚀刻)以及光子寿命的调制。

MS区域可以由环形的区域形成，该环形区域具有提供较低折射率从而较短的光子寿命的蚀刻深度。较佳的是，为了抵消横向限制，这种环或者多个环具有为偶数个横向四分之一波长的宽度，如同贝塞尔函数定义的。可选的，如果MS区域是微或者纳构造的，设计该构造来使得该区域相对于LA区域的横向反射率最小化。

在优选的实施例中，MC区域设计为提升发射光的偏振控制。这里，MS区域可以为椭圆环，其中椭圆环沿着长轴和短轴的宽度为偶数个横向四分之一波长或者奇数个横向半波长，又，该宽度可能必须增加或者减少0到30％，如同适当的贝塞尔函数指示的。还有，对于MC区域，一维PBG结构可以通过一个或者更多椭圆环实现，其中椭圆环对于长轴和短轴的宽度为增加或者降低0到30％的奇数个横向四分之一波长。可以使用任何其他的MC和/或MS区域的延长的形状来提供偏振控制。在另一个实施例中，形成MS和/或MS区域的环的形状不是必须椭圆的，而是可以是其他的延长的形状，诸如矩形，卵形或者其他非中心对称形状。类似地，在二维PBG结构的情况下，在选择的区域修改微/纳构造区域的周期性或者尺度来获得提供偏振控制的非中心对称形状。

如果VCSEL是电驱动的，它可以进一步包括电流供给装置，用于将电流提供到用于定义增益区域的半导体材料的区域。可选的，如果VCSEL是光泵浦的，它可以包括用于将光泵浦提供到定义增益区域的区域。在这两种情况下，增益区域特征都可以在于，在至少基本平行于第一和第二镜片的第二平面中，具有与腔的一个或者多个横向电磁模的基本重叠。

从而，电流限制和横向模控制的分离允许在具有模控制的同时，诸如在具有单模工作的同时具有大得多的增益区域。由于横向模控制由MC区域和MS区域和光孔径提供，增益区域可以积极地耦合到几个横向模而不会恶化单模工作。

如果电流限制从氧化物孔径得到，从氧化物层得到的小的有效波导可以通过使得氧化物边界与MS区域或者MC区域重叠而失效。由于在这种情况下基模具有与增益区域的高度重叠，较佳的是，氧化物边界横向地位于MS区域之内。

通常，第一和第二平行镜片为分布式布拉格反射镜(DBR)，其中一个分布式布拉格反射镜通过允许部分的回跳辐射(impinging radiation)透射而形成输出耦合器。根据本发明的模控制并不将微/纳构造(MS区域和MC区域)限制到输出耦合镜片。光孔径仍然作为对于光的孔径，这是因为它对于模的波矢的横向分量构造了许可区域。

根据本发明的VCSEL中光孔径可以具有三重或者多重对称。通常，光孔径将形成为常规的多边形，然而这对于模控制不是本质的。

本发明的一个优点是横向模限制和模稳定性部分地与确定具有高增益的横向区域的电流限制机制去耦合，这确定了具有高增益的横向区域。然而，电流孔径应该设计为具有与基模的优化的重叠。现有技术VCSEL中电流限制和光限制通常通过高Al含量AlGaGs层的选择性氧化实现。氧化孔径通过氧化速率(通常1μm/min)和氧化环境控制，这解释了其再现性上严重的限制。此外，由于氧化物层引入应力并且如果不小心设计会导致VCSEL可靠性问题，从而必须小心地设计氧化物层。因此，光限制孔径和电流限制孔径的分离改进了器件可靠性和再现性。

箭头设计没有MS区域，但是包括光孔径区域和模限制区域，该模限制区域包括宽度为横向四分之一波长(λ_‖/4)的奇数倍的一个或者两个箭头区域。

在本发明中，MC区域控制模限制，而模选择性主要由MS区域并且部分由MC区域控制。控制MS区域中的纵向反射率(光子寿命)的可能性增加了VCSEL设计的额外的设计参数，这扩展了用于显著增加光孔径尺寸的VCSEL的单基模(工作体制)稳定性。

附图说明

图1是根据现有技术的标准垂直腔表面发射激光器的示意性示例说明。

图2是根据现有技术的一种垂直腔表面发射激光器的示意性示例说明，其中在整个(标准)VCSEL DBR顶部镜片中实现了微/纳构造。

图3是根据现有技术的一种垂直腔表面发射激光器的示意性示例说明，其中在VCSEL DBR顶部镜片中嵌入了微/纳构造。

图4是根据本发明的一种VCSEL的俯视区域400和横截面视图区域424的示意性示例说明，示出了光孔径区域(LA区域)408，模整形区域(MS区域)406和模限制区域(MC区域)404。

图5是根据本发明的一种VCSEL的可能俯视区域500和横截面视图区域524的例子，其中一维PBG结构(径向限制)504和环形MS区域506用于设计单基模VCSEL。

图6是根据本发明的一种VCSEL的可能俯视区域600和横截面视图区域630的例子，其中二维PBG结构604用于横向模限制。

图7A和7B示出了当在VCSEL DBR顶部镜片中嵌入微/纳构造时计算的腔谐振波长和光子寿命。

图8A为一种垂直腔表面发射激光器的可能俯视图的例子，其中一维PBG结构806(径向限制)和环形MS区域804定义横向模。基模和一阶模分别示于图8B和8C。

图9示出了垂直腔表面发射激光器的作为电流的函数的光输出功率和光谱，该垂直腔表面发射激光器具有用以确保单模工作的8μm直径LA区域，MS区域，以及PBG区域。

图10示出了对于图9中测量的相同的器件，不同电流下测量的一系列近场(顶部箭头和第三箭头)和远场(第二箭头和底部箭头)。

具体实施方式

图4示例说明了微/纳构造的垂直腔表面发射激光器的俯视400和横截面视图424。俯视视图上的电接触区域402和横截面视图中的区域410包围模限制区(MC区域)404，模整形区(MS区域)406和光孔径区(LA区域)408。LA区域，MS区域和MC区域也由截面视图424的带阴影的区域层414表示。然而，该图示上没有指示不同的厚度和施加的微/纳构造。在层414下具有部分半导体DBR顶部镜片或者间隔层416。顶部镜片层在层414之上通过半导体DBR顶部镜片或者电介质顶部镜片412的再生长完成。图424还显示了主动区418，DBR底部镜片层420和衬底422。

MS区域(区域406)具有比区域408和404长的腔谐振波长。MS区域由具有较短腔谐振波长的区域包围，从而是环形的波导结构。从而限制到MS区域的模的限制机制类似于传统阶梯折射率波导(例如传统光纤)中的模限制机制。然而，由于MS区域具有短的光子寿命(低镜面反射率)并且最重要的是MS区域的宽度很窄，从而限制到MS区域的横向模具有高的衍射损耗，因此限制到MS区域的横向模不会达到激光产生的阈值。

MS区域的宽度应当是偶数个横向四分之一波长。通常，由于在此情况中衍射损耗仍然是主要的，MS区域的宽度应当仅仅是单个横向半波长或者仅仅一个横向波长。当第二区域的宽度变得太宽时，衍射损耗不再阻止限制到第二区域的模的激光发射，替代地，MS区域的纵向光子寿命应该非常短以防止限制到MS区域的横向模的激光发射。从而具有宽MS区域(几个横向半波长)的VCSEL将通常具有类似反波导VCSEL的特性。

MC区域(区域404)为具有在腔谐振波长上的丰富布局的微/纳构造，其中较佳的是所有腔谐振波长大于或者至少等于光孔径区域(区域408)的腔谐振波长。其中，模限制基于光子带隙效应的MC区域导致了强的横向模限制，这是因为禁止了很深地穿透到MC区域中的模。

根据本发明的可能的VCSEL的例子如图5所示，其中模限制通过一维PBG结构区域504(MC区域)实现。带有阴影的区域对应于具有比光孔径508增加的腔谐振波长的区域。同心环导致类似于布拉格镜片的一维带隙的径向带隙。从而同心环确保了对于MS区域506和光孔径区域508的横向模限制。

图5示例说明了根据本发明的一种VCSEL的俯视视图500和横截面视图524的示意图，其中通过一维PBG结构实现模限制。横向微/纳结构包括LA区域508，MS区域506和PBG区域504。腔谐振波长由不同的带有阴影的区域代表。区域508具有最短的腔谐振波长，而MS区域(区域506)具有长的腔谐振波长。MC区域(区域504)包括具有短和长腔谐振波长的交替的环，区域505和507。区域504的短腔谐振波长应当大于或者至少等于区域508的腔谐振波长，而区域504的长腔谐振波长可以短于或者等于区域508的腔谐振波长。

VCSEL的横截面视图524显示了如何在VCSEL的顶部镜片的区域514中通过浅蚀刻或者材料沉积实现LA孔径，MS区域和MC区域。VCSEL DBR顶部镜片通过半导体顶部镜片的再生长或者电介质顶部镜片512的沉积完成。微构造的区域之下具有间隔区或者部分半导体顶部镜片区域516。此外，横截面视图524显示了主动区518，底部DBR镜片520和衬底522。电接触由区域502和516指示。

图6示例说明了根据本发明的一种VCSEL的俯视视图600和横截面视图630的例子，其中通过二维PBG结构实现模限制。横向微/纳结构包括LA区域608，MS区域606和MC区域604。MS区域606包含在显示的微构造区域的例子中，其中背景具有长的腔谐振波长，而小洞614具有较短的，但是仍然大于或者至少等于LA区域608的腔谐振波长的腔谐振波长。MC区域604包括具有长腔谐振波的棒612的三对角点阵配置。棒之间的区域(区域604的背景)中的腔谐振波长大于或者等于LA区域608的腔谐振波长。

在分割线610处的VCSEL的横截面630显示了如何在VCSEL的顶部镜片的区域620中通过浅蚀刻或者材料沉积实现LA孔径，MS区域和MC区域。腔谐振波长取决于蚀刻深度(沉积材料的厚度)。从而区域620中不同的厚度对应于不同的腔谐振波长以及不同的腔光子寿命。VCSEL DBR顶部镜片通过半导体顶部镜片的再生长或者电介质顶部镜片618的沉积完成。微构造的区域之下具有间隔区或者部分半导体顶部镜片区域622。此外，横截面视图630显示了主动区624，底部DBR镜片626和衬底628。电接触由区域602和616指示。

二维PBG结构由洞612的三对角配置展现。模限制也可以通过蜂巢结构或者得到二维PBG的任何其他周期结构实现。

图7示出了在半导体部分DBR镜片中作为蚀刻深度D的函数的腔谐振波长λ(702，704，706)和光子寿命T(708，710，712)。对于在蚀刻部分DBR半导体顶部镜片之后沉积了电介质DBR顶部镜片的情况绘制了腔谐振波长和光子寿命。不同的曲线是分别对于5和4周期(702，708)，8和3周期(704，710)，以及11和2周期(706，712)的半导体和电介质顶部镜片对的情况。对于半导体顶部镜片中的少量周期，即，当更接近主动区地执行蚀刻时，观察到对于浅蚀刻的最大腔谐振波长偏移；而最大光子寿命变化对于数量减少的DBR半导体顶部镜片层是降低的。

蚀刻之后沉积的DBR顶部镜片可以通过半导体DBR镜片的再生长或者通过电介质DBR顶部镜片的沉积来实现。可以通过使用例如SiO₂/TiO₂，CaF₂/ZnSe，MgF₂/ZnSe的交替层来构造电介质DBR顶部镜片。

图8A显示了具有一维PBG结构(区域806)的一种VCSEL 800的例子，类似于图5中描绘的一维PBG结构的俯视图，该PBG结构包括光孔径区域802，模整形区域804和模限制区域806。VCSEL结构支持基模图8B和一阶模图8C这两者。基模很好地局限到LA区域，而一阶模泄漏到MS区域和MC区域中。

基模与光孔径区域802具有很好的重叠，而PBC效应(MC区域806)限制的一阶模具有与MS区域804相对大的重叠，并且还实际上轻微地穿透到MC区域806中。从而由于MS区域804短的纵向光子寿命和高的衍射损耗，一阶模和高阶模将不会达到激光发射的阈值。作为其形状的结果，基模将总是具有比高阶模小的与MS区域的重叠和低得多的衍射损耗。

本发明与现有技术解决方案相比的优点在于分开了模限制机制和模选择机制。不同模与MS区域的重叠可以通过MC区域和MS区域的宽度控制。从而LA孔径可以对适当的单基模VCSEL设计增加到8μm到16μm的孔径直径。单模特性主要由对于大孔径尺寸的不同电流注入来限制。电流注入分布对于大电流孔径尺寸通常具有圆环形的横向分布，这在将孔径尺寸增加到20μm以上时阻止了单基模工作。通过本发明的设计提供的去耦合，可以改进VCSEL的电流注入分布的均匀性来实现对于更大LA孔径的单基模VCSEL工作。

例如由用于横向电流限制的氧化物孔径定义的横向增益区域通常大于光孔径区域。VCSEL的高功率单基模横向模工作要求与横向增益分布的横向重叠很高。氧化物孔径通常与MS区域或MC区域重叠。与材料增益的良好基模重叠要求相对大的基模。这由不对光孔径区域贡献横向模限制的MS区域保持。另一种控制基模尺寸的方法是调整MC区域的横向模限制强度。这可以例如在一维PBG环形结构中通过增加MC区域中的短/长腔谐振波长区域的横向环宽度5，10，20，或30％来实现。在此情况下环宽度稍微宽于预期的横向四分之一波长。第三种可能性是将MS区域减少5或10％，这也具有稍微加宽基模的趋向。

如前所述，可以以这样的方式设计MC区域，即，仅仅很好地限制基模，而很弱地限制高阶横向模，并且高阶模可以相对深的穿透到MS区域和MC区域这两者中，这进一步改进了所提出的VCSEL的横向模选择性。通过类比DBR布拉格镜片可以最好地理解MC区域对于单模操作的优化。DBR镜片的高反射率窗口可以通过增加或者减小DBR镜片中的层厚度来偏移。这同样适用于MC区域(一维PBG)。基模应该放置在接近“高反射率”窗口的边界。在此情况下基模将仍然由一维PBG区域很好地限制，而高阶模将明显经受较少的限制并且将明显穿透到MC区域中，如同图8所示。

在模拟中还发现MC区域中环宽度的调整(调整PBG强度)是补偿热透镜效应的有效方法，该热透镜效应是在施加的电流增加的情况下由于器件的加热引起的。调整环宽度来预补偿由于增加的电流引起的器件温度增加时的腔谐振波长偏移的径向依赖性。

PBG效应本身是用于VCSEL中的偏振控制的非常有效的方法，如同申请WO 02/073753中要求保护的。该偏振选择性可以与本发明结合。目前基于通过具有非环形光孔径区域(正方形，椭圆等)或者非对称电流注入的衍射损耗的方法实现偏振控制的原理。这些方法对于小光孔径区域很有效，但是不适合大光孔径VCSEL。可选的解决方法对于VCSEL生长使用了双折射材料，得到单偏振VCSEL。还可以通过使用量子点作为主动增益材料来制作单偏振VCSEL。通常量子点形状在一个方向延伸，导致对于两种正交偏振状态的各向异性增益，从而导致VCSEL的单偏振工作。这里提出另一种方法，用于通过使用用于偏振控制的PBG效应实现在根据本发明的VCSEL中的偏振控制。

偏振控制通过在微/纳构造的MC区域的特定区域进行改变(对PBG结构的改变)来实现。局部改变破坏了PBG结构的对称性并从而导致PBG限制的对称性，这提升了两个正交偏振模式的退化。在如图6所示的二维MC区域的情况下，MC区域中长/短腔谐振波长区域的棒/洞(图6的区域604)的三对角点阵配置具有60度旋转对称性，从而导致两个正交偏振状态的模退化的提升。模退化的提升可以通过改变特定区域中棒/洞配置的节距(周期)和/或改变结构的特定区域/方向中棒/洞的形状和/或面积来增强。

MC区域的横向模限制取决于横向模的偏振状态，这解释了为什么PBG效应是实现VCSEL中的偏振控制的有效方法。原理基本上类似于VCSEL，其中通过例如具有椭圆表面立体形状从衍射损耗得到偏振控制。在本发明中，通过对于两种正交偏振具有稍微不同的横向模限制实现模选择性。在此情况下横向模与MS区域的重叠取决于偏振，并且从这些模经受的不同损耗(MS区域中的低光子寿命)得到偏振选择性。

单模偏振器件的设计不局限于二维PBG微/纳结构。偏振选择性可以例如通过在MC区域(图5的区域504)中使用椭圆形环而在图5描绘的一维设计中实现。MC区域中单个椭圆环的宽度仍然接近偶数个横向四分之一波长。然而，椭圆的长轴和短轴方向的环的宽度通常通过增加或者减少0-30％的四分之一波长来修改。通常，对于良好的偏振区分，椭圆的长轴和短轴的环宽度的变化在±0-10％或者±0-20％的范围内。

由于确定模选择机制的是对于正交偏振的模选择机制，LA区域和MS区域的形状(环形，椭圆，正方形等)重要性较低。然而，基于PBG效应的单偏振模式VCSEL设计可以为了加强的偏振稳定性而与用于偏振控制的其他方法组合。

图9示出了对于具有8μm直径LA区域的垂直腔表面发射激光器，不同的电流值下测量的光-电流曲线(LI曲线)和测量的光谱。MS区域和MC区域是根据本发明设计的。曲线图900是总光输出功率的图示。曲线图902和904是对于两个正交偏振的偏振决定的输出功率。偏振立方体引入一些不想要的额外光损耗。显示了不同电流值下的光谱：4mA 906，6mA 908，8mA 910，10mA 912，12mA 914和14mA 916。光谱显示了VCSEL的良好的单模工作，具有超过25dB的旁模抑制比(SMSR)。不能确定最小SMSR，这是因为它处于信号的噪声等级之下。

尽管没有为单偏振状态优化VCSEL，VCSEL仍在单模偏振状态下工作。光谱显示从MS和MC区域得到的出色的横向模控制。氧化物孔径具有10-11μm的直径，因而明显大于LA孔径。从氧化物孔径得到横向模限制的参考VCSEL显示了高阶模的激光发射。并且8μm直径反波导VCSEL也显示了高阶模的激光发射。两个参考结构与根据本发明的VCSEL位于相同的芯片上。此外，两个正交偏振状态都在这些参考VCSEL中发射激光。

图10示出了在图9中绘制了LI曲线和光谱的垂直腔表面发射激光器的近场(上部箭头)和远场(下部箭头)的测量例子。对于测量的近场和远场，在所有电流值下观察到单基模工作。此外，远场的半峰全宽(FWHM)分散角仅仅是7度，这对于8μm LA区域VCSEL是期望的。远场测量确认了根据本发明的VCSEL的基模激光发射。

Claims

1.一种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，包括多层结构，该多层结构包括在一层或者多层中定义的不同区域，不同区域之间的关系在沿着垂直于层的方向的投射中确定，该VCSEL包括：

半导体材料层，具有用于产生光并用于发射所产生的光的主动区；

第一和第二至少基本平行的镜片，形成包括该主动区的激光腔，该激光腔和该主动区支持所产生的光的至少一个纵向电磁模；

中心光孔径(LA)区域，提供长的光子寿命并且与该主动区重叠或者至少部分环绕该主动区；

模整形(MS)区域，形成在该第一和/或第二镜片内或者邻近该第一和/或第二镜片并环绕该LA区域，该MS区域提供短于该LA区域的光子寿命；

模限制(MC)区域，形成在该第一和/或第二镜片内或者邻近该第一和/或第二镜片并环绕该MS区域，且被设计为对该MS区域和该LA区域提供模的横向限制，

其中，选择该LA区域，该MS区域和该MC区域的尺寸来设计腔的每个横向电磁模中的激光动作的效率。

2.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，该LA区域和该MS区域不形成为与该主动区接触。

3.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，该LA区域和该MS区域不形成在邻近该主动区的层中。

4.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，该LA区域为相对于该MS区域的反波导，并且设计该MS区域来减少/最小化到该LA区域的模的横向限制。

5.根据权利要求4所述的VCSEL，其中，该MS区域由垂直构造形成，该垂直构造提供大于该LA区域的纵向腔谐振波长的纵向腔谐振波长。

6.根据权利要求4所述的VCSEL，其中，该MS区域具有不提供该MS区域和该LA区域的边界处的横向波长的反射的周期。

7.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，在所述方向上的该MS区域和该MC区域的尺寸明显小于VCSEL在所述方向上的整体尺寸。

8.根据权利要求1所述的VCSEL，进一步包括，用于将注入电流限制到该LA区域和该MS区域的装置，所述用于限制电流的装置包括包围该LA区域的多层结构的区域中的质子注入。

9.根据权利要求1所述的VCSEL，进一步包括，用于将注入电流限制到该LA区域和该MS区域的装置，所述用于限制电流的装置包括包围该LA区域的多层结构的单层或多层的选择性氧化。

10.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，该MC区域包括一维PBG结构。

11.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，该MC区域包括一个或多个垂直构造的环，所述环具有奇数个增加或者减少了0-5％或者0-10％或者0-15％或者0-20％或者0-25％或者0-30％的横向四分之一波长的宽度。

12.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，该MC区域包括椭圆，矩形或者非对称垂直构造的环，所述环具有奇数个增加或者减少了0-30％的横向四分之一波长的宽度。

13.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，该MC区域包括二维PBG结构。

14.根据权利要求13所述的VCSEL，其中，在选择的区域中修改二维PBG结构的周期或者尺度，以获得偏振控制。

15.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，该MS区域为垂直构造或者掺杂的环，所述环具有偶数个增加或者减少了0-5％或者0-10％或者0-15％或者0-20％或者0-25％或者0-30％的横向四分之一波长的宽度。

16.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，该MS区域为微/纳构造区域，该微/纳构造区域将该区域相对于该LA区域的横向反射最小化。

17.根据权利要求1所述的半导体激光，其中，该MS区域包括椭圆，矩形或者非中心对称垂直构造的环，所述环具有奇数个增加或者减少了0-30％的横向半波长的宽度。

18.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，该LA区域，该MS区域和该MC区域在部分半导体DBR顶部镜片中实现。

19.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，该LA区域，该MS区域和该MC区域在电介质顶部镜片层中实现。

20.一种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，包括多层结构，该多层结构包括在一层或者多层中定义的不同区域，不同区域之间的关系在沿着垂直于层的方向的投射中确定，该VCSEL包括：

主动区；

第一和第二至少基本平行的镜片，形成包括该主动区的激光腔；

光孔径(LA)区域，提供长的光子寿命；

模限制(MC)区域，形成在该第一和/或第二镜片内或者邻近该第一和/或第二镜片，且被设计为对该LA区域提供模的横向限制；

其中，模整形(MS)区形成在该LA区域和该MC区域之间，该MS区域形成在该第一和/或第二镜片内或者邻近该第一和/或第二镜片，并提供短于该LA区域的光子寿命。

21.根据权利要求20所述的VCSEL，其中，该LA区域为相对于MS区域的反波导，并且MS区域被设计来减少/最小化到该LA区域的模的横向限制。

22.根据权利要求20所述的VCSEL，其中，该MS区域由垂直构造形成，该垂直构造提供大于该LA区域的纵向腔谐振波长的纵向腔谐振波长。

23.根据权利要求20所述的VCSEL，其中，该MS区域具有不提供在该MS区域和该LA区域的边界处的横向波长的反射的周期。

24.一种设计垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的横电磁模中的激光动作的效率的方法，该方法包括以下步骤：

提供一种VCSEL，包括主动区；第一和第二至少基本平行的镜片，形成包括该主动区的激光腔；以及，中心光孔径(LA)区域，提供长的光子寿命；

通过形成围绕该LA区域的模整形(MS)区域制作相对于MS区域的LA区域反波导，引入取决于自身横向分布的模的损耗，该MS区域提供短于该LA区域的光子寿命；以及

通过形成围绕该MS区域的模限制(MC)区域，将模横向限制到该MS区域和该LA区域。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，形成该MS区域的步骤包括确保模从该LA区域泄漏到该MS区域的步骤。