CN102089944A - 电学泵浦半导体锯齿形扩展腔表面发射激光器和超发光led - Google Patents

电学泵浦半导体锯齿形扩展腔表面发射激光器和超发光led Download PDF

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Abstract

半导体表面发射光学放大器芯片利用光学放大器芯片之内的锯齿形光学路径。锯齿形光学路径耦合两个或更多个增益元件。每个单独增益元件具有圆形孔径且包含增益区域和至少一个分布布拉格反射器。在一个实施方式中，光学放大器芯片包含至少两个增益元件，该至少两个增益元件分隔开且具有不大于0.5的填充因子。结果，总光学增益可以增加。光学放大器芯片可作为超发光LED工作。交替地，光学放大器芯片可以与外部光学元件一起使用以形成扩展腔激光器。单独增益元件可以工作于反向偏置模式以支持增益切换或者模式锁定。

Description

电学泵浦半导体锯齿形扩展腔表面发射激光器和超发光LED
相关申请的交叉引用
本申请主张于2008年2月14日申请的美国临时专利申请No.61/065,817的利益，该申请全文引用结合于此。
技术领域
本发明总体上涉及半导体表面发射激光器。更具体而言，本发明涉及通过使用锯齿形(zigzag)配置来改善扩展腔表面发射半导体激光器结构的性能。
背景技术
光学泵浦固态Nd:YAG板条激光器(slab laser)是固态激光器的一种重要类别。一种类型的Nd:YAG板条激光器是锯齿形板条几何形状，如图1所说明。在锯齿形板条几何形状中，Nd:YAG板条具有矩形横截面。板条包含倾斜面以允许激光束进入和离开板条。板条具有两个大的相对的面。如现有技术图1所说明，通过贯穿板条整个长度经过相对的面照射板条，板条被光学泵浦。倾斜面的角度导致光束以一角度进入板条(由于斯涅尔定律)并且随后在相对的面经历全内反射。通过适当选择倾斜面的角度以及其它设计因素，光束由于全内反射的原因而曲折遍历板条的长度。也就是说，光学束经历一连串的内反射，使得其具有沿着板条长度的交变路径，束在该交变路径中在两个大的相对的面之间来回弹射。提供附加的折回反射器以提供反馈到板条激光器。关于传统锯齿形固态激光器几何形状的背景信息描述于W.Koechner，Solid State Laser Engineering，Springer Verlag Ed.，1976，p.392-394；B.J.Comaskey等人，″High average power diode pumped slab laser″，IEEE J.Quantum Electronics，vol.28，no 4，1992年4月，p.992；以及A.D.Farinas等人，″Design and characterization of a 5.5-W，cw，injection-locked，fiber-coupled，laser-diode-pumped Nd:YAG miniature-slab laser″，Optics Letters，vol 19，no.2，1994年1月15日，p.114，其内容引用结合于此。
常规Nd:YAG板条锯齿形激光器的一个方面在于，它贯穿板条的整个主体被光学泵浦。因而，束沿着其穿越板条的整个长度经历光学增益。附加地，常规Nd:YAG锯齿形板条激光器受益于固态激光器的比较小的增益谱和比较小的折射率特性变动。结果，常规Nd:YAG板条激光器可以用于提供高质量激光输出。
相反，锯齿形激光器几何形状先前已被证明对于实施具有期望光学模式特性的高效高功率半导体激光器是不切实际的。半导体激光器具有比较宽的增益谱、更高的增益系数、以及折射率对温度和泵浦水平的高灵敏度。难以从大面积和体积的增益材料获得高功率输出而不形成在空间和纵向模式中的各种光学不稳定性。例如，公知的是，在大的宽度上被泵浦的板条几何形状半导体激光器具有在多个横向模式中激射的趋势。也就是说，由于典型半导体中大的增益的原因，经常需要特殊的努力来抑制板条几何形状半导体激光器和放大器中的寄生激射。例如，在高填充因子激光器棒(bar)中会出现横向激射，除非在发射器条(stripe)之间蚀刻形成深隔离槽来避免它。结果，由于典型半导体材料中大的增益的原因，抑制寄生激射的设计是常见问题。由于大面积半导体激光器的电容大(RC时间常数大)、需要高的调制电流以及产生各种模式不稳定性的原因，在调制它们时也存在一些实际困难。
现有技术中已经提出若干种半导体锯齿形激光器。然而，它们中的每一种具有明显的缺点，使得它们不能用作其它类型半导体激光器的实用备选。
实施锯齿形半导体激光器的一种方法公开于Klimek的美国专利公布2003/0012246，″Semiconductor ZigZag Laser and Optical Amplfier″。然而，Klimek中的许多缺陷使得该设计无法用于获得具有稳定的大面积光学模式的高效电学泵浦激光器。美国专利公布2003/0012246中公开的外延层设计方法在设计上与常规固态板条激光器极为接近。与常规边发射半导体激光器相似，该半导体结构包含夹置于两个覆盖层之间的有源区。有源区包含p掺杂和n掺杂区域。Klimek描述了光学泵浦和电学泵浦这二者，但是没有公开提供高效电学泵浦的实用手段。电学泵浦的实施例将理解为需要在一个覆盖层中p掺杂以及在另一个覆盖层中n掺杂，从而在顶部和底部电学接触之间形成p-n激光二极管。因而，在Klimek的电学泵浦实施例中，光学模式穿越锯齿形路径经过n和p掺杂有源区以及n和p掺杂覆盖区域，导致显著的光学损耗。再者，锯齿形路径具有沿着有源区的一连串节点和波腹(antinode)。结果，增益没有被有效地利用。
附加地，Klimek中公开的电学泵浦实施例还存在若干其它实际问题。Klimek公开了光学覆盖层是外延生长的。然而，可以生长的具有高光学和材料质量且具有与高效设计一致的合理地低的电学电阻的掺杂覆盖层的厚度，存在实际限制。在相当的边发射激光器结构中，覆盖区域典型地厚度仅为几微米以减小电学电阻以及最小化掺杂层中不期望的光学损耗。然而，如果在Klimek中使用这种高效激光器结构，则将垂直模式限制在几微米的维度，即，限制在与在具有厚度仅为几微米的覆盖层的激光器结构中弹射模式一致的维度。因而，由于覆盖厚度方面的限制，Klimek的高效电学泵浦实施方式在至少一个维度上将具有小的光斑尺寸。Klimek也没有公开将光耦入和耦出半导体芯片的实际手段。尽管Klimek公开了具有成角度的面的一个实施例，这种成角度的面在大多数半导体中难以制作成具有受控角度。特别地，大多数半导体的自然解理和蚀刻平面不出现在与板条激光器所需的相同的角度。Klimek中的另一实施例利用微棱镜元件将光耦合到半导体芯片。然而，这种微棱镜将难以在这样小的物理尺度上实施并且将需要并不期望的附加对齐和封装步骤。附加地，Klimek教导了板条具有大的横向尺寸。然而，这将趋于导致在激光器中产生多个横向模式，类似于在大面积边发射激光器中所观察到的情形，或者作为一种极端情形，将导致寄生横向激射。Klimek中没有提供关于如何抑制寄生激射的教导。Klimek也没有提供其所提出的结构的实际维度的指南并且没有给出用于从激光器散逸和移除热量和用于解决外延结构中的应力的解决方案。Klimek还具有其它缺陷，包括不工作的实例，其中所指定的材料将不具有准确的折射率以提供全内反射。
实施具有类似锯齿形路径的半导体激光器的另一种方法描述于Aram Mooradian的题为″Optically-pumped external cavity laser″的美国专利5,131,002(下文中称为″Mooradian专利″)。Mooradian专利公开了使用光学泵浦源阵列来光学泵浦半导体晶片的一系列有源区中的半导体材料。每个有源区包含有源半导体激光器材料，例如GaAs，其夹置于AlGaAs的覆盖层之间。外延结构被描述为具有几微米或者几十微米的厚度。然而Mooradian专利没有利用全内反射。相反，锯齿形路径是通过利用两个附加反射镜来产生的。底部反射镜形成于衬底的底部上。因而，Mooradian中的光学模式必须穿越所有的半导体层和衬底从而反射离开底部反射镜。第二(顶部)反射镜定位在晶片之上。Mooradian专利中没有给出有源区如何被电学泵浦的描述。再者，Mooradian专利也没有公开形成具有稳定光学束的高效激光器所需的各种其它细节。Mooradian专利的一些缺陷描述于Mefferd等人的美国专利公布No.2006/0251141，其在第[0008]-[0009]段中描述了Mooradian专利遭受诸如下述问题的缺陷：冷却扩展泵浦区域、由于芯片上平整度变化引起的潜在未对齐、以及需要将有源区的面积改变多达4倍以实现高效谐振器。美国专利公布No.2006/0251141实际上提出使用具有多个分离芯片和外部折叠反射镜的复杂结构来解决这些问题。
Wasserbauer的美国专利公布No.2006/0176544公开了一种光学放大器结构，其中光在锯齿形路径中沿着光学放大器的长度行进。光学放大器被描述为被均匀地泵浦并且设有横向波导，例如脊形波导。有源区夹置在顶部和底部分布布拉格反射器反射镜之间。光学束进入放大器并撞击底部反射器，穿过增益区域，弹射离开顶部反射镜，且随后被向下引导至底部反射镜，诸如此类，直到光学模式已经行进经过放大器的整个长度。然而，此放大器设计具有各种缺点。首先，使用光学增益是潜在低效的，因为整个放大器被泵浦，而由于锯齿形路径的原因，锯齿形路径将导致沿着增益区域的一连串节点和波腹。第二，光斑尺寸将限制在比较小的光斑尺寸。在横向维度上，光斑尺寸将由横向侧向引导限制在大约几微米左右的维度。第二，在垂直维度上，光斑尺寸也将限制在几微米左右，与外延反射镜的厚度一致。鉴于到这些各种考虑，该放大器不能用作具有大光斑尺寸的高效高功率激光器的基础。
因而，尽管现有技术暗示了对于具有期望束特性的锯齿形类型半导体激光器的长期未能满足的需求，这一目标尚未被满足。现有技术中提出的解决方案与实现这样的电学泵浦半导体激光器不是一致的，该电学泵浦半导体激光器是高效的，能够高功率输出，其具有大的光斑尺寸且其可以在增益切换或模式锁定配置中有效地使用。
发明内容
依据一个实施例，一组分布且可扩展(scalable)组的半导体增益元件形成于公共衬底上且被电学泵浦，其中每个增益元件提供放大。每个增益元件可以是再生类型的。光束以非垂直入射角(即，锯齿形光学路径)进入和离开增益元件。不使用反射镜或者仅使用一个反射元件，该结构可以用于实现高功率放大超发光(superluminescent)发射。
当反射镜或反射表面定位在光学束路径的两个端部时，它们形成电学泵浦锯齿形半导体激光器的激光谐振器。在电学上，激光器可以制成具有单面或者双面接触。激光器可以是单机激光器、主振荡器功率放大器(MOPA)且可以通过在腔体内添加光栅元件或标准具而变为在单一纵向模式中工作。
通过使增益元件的一个或多个上的电学极性颠倒以及在激光器腔体中引入损耗，单面激光器可以被增益切换或模式锁定。该结构在本质上是普通的且可以在许多半导体材料配置中实施，因而覆盖宽的波段。
该激光器可以使用腔内或者外部腔体非线性转换而频率倍增增。
附图说明
参考结合附图进行的下述详细描述而更全面地理解本发明，在附图中：
图1说明依据现有技术的常规Nd:YAG板条固态锯齿形激光器；
图2为依据本发明一个实施例的具有结朝下几何形状的半导体锯齿形外部腔表面发射激光器的示意性侧视图图示以及一个电学泵浦增益元件的横截面；
图3为依据本发明一个实施例的具有结朝上几何形状的半导体锯齿形外部腔表面发射激光器的示意性侧视图图示以及一个电学泵浦增益元件的横截面；
图4为经过放大器芯片的横截面的示意性图示，说明当模式进入增益元件且从分布布拉格反射器反射回到腔体内时该芯片之内的空间高斯模式轮廓；
图5为超发光LED实施例的示意性侧视图图示；
图6为结朝下实施例的示意性侧视图图示，该实施例允许正向偏置一个或多个增益元件并且独立地反向偏置一个或多个增益元件以在腔体内产生损耗以及允许增益切换或者模式锁定；
图7为结朝上实施例的示意性侧视图图示，该实施例允许正向偏置一个或多个增益元件并且独立地反向偏置一个或多个增益元件以在腔体内产生损耗以及允许增益切换或者模式锁定；
图8为依据本发明一个实施例的ZECSEL的腔内频率倍增的示意性侧视图图示；以及
图9为本发明的腔外频率倍增实施例的示意性侧视图图示并且示出此发明的实施例，该实施例中ZECSEL激光器作为单一频率激光器在增益切换或模式锁定配置中工作；以及
图10为ZECSEL与现有技术半导体激光器的亮度的比较。
在附图的若干个视图中相同参考数字始终指相应部件。
具体实施方式
本发明的实施例涉及新型的使用单一芯片光学放大器的高亮度表面发射半导体激光器和超发光LED，该光学放大器具有通过低光学损耗衬底中的锯齿形光学路径而相互光学耦合的多个电学泵浦半导体增益元件。光学放大器芯片允许比与使用单独增益元件所可能得到的累积光学增益更高的累积光学增益，其支持高功率放大器或激光器工作以及在包括蓝色和紫外的不同波长处使用各种不同半导体材料。附加地，单独增益元件可以被分离地调制成反向偏置p-n结调制器以调节光学损耗用于增益切换或者模式锁定。光学放大器芯片具有这样的应用，该应用包括将其用作表面发射激光器、超发光LED(SLED)、腔内频率倍增激光器、或者腔外频率倍增激光器。
图2为本发明的实施例的图示，说明示例性光学放大器芯片200、示例性再生半导体增益放大器元件1、以及在光学放大器芯片200内部的光学腔体部分中的锯齿形光学路径205。光学放大器芯片可以与一个或多个外部折回反射器210或者其它外部元件组合使用以形成扩展腔激光器，例如其中外部折回反射器210用于形成谐振器腔体的扩展腔激光器。因而在激光器配置中，光学束路径11包含光学放大器芯片200之内的锯齿形光学路径205且还包含谐振器腔体的外部部分中的一部分光学束路径11。在具有附加折回反射器210的激光器配置中，这种配置在下文中被描述为锯齿形扩展腔表面发射激光器(ZECSEL)。
光学芯片200包含一连串大体上平行的层以及位于具有不同材料特性(例如不同的折射率)的层之间的关联边界。光学芯片200包含在衬底层25的第一边界32上的表面区域31以将光耦入和耦出光学放大器芯片200。这些表面区域31优选地包含抗反射涂层(AR)涂层30以高效地将光耦入/出光学增益放大器。AR涂层30在光学芯片提供光学增益的波长范围附近具有低反射率。然而将理解，AR涂层30也可以是二向色的以及在其它波段是高反射性的(HR)。例如，如果光学芯片与外部腔体之内的光学频率倍增器元件一起使用，则会期望AR涂层30在频率倍增波长处是高反射性的。
反射表面41设于第一边界32上以将光重定向到锯齿形路径中。反射表面可包含具有减小的折射率n1(以通过全内反射产生反射)的层、电介质层高反射率涂层、分布布拉格反射器、或者金属涂层。
偏振判别可以借助在反射边界32、33以及DBR 3和4反射离开的不同偏振的反射系数中的差异来实现。在许多应用中期望具有线性偏振的输出光。反射表面41材料的选择、离开反射表面41的反射数目、以及在反射表面41上的入射角也可以被选择以提供部分偏振判别。在一个实施例中，这些参数被选择为利于单一线性偏振并因此消除对分离的偏振部件的需求。
衬底层25具有第二(内部)边界33。一连串外延生长半导体层27附连到第二边界33。在一些实施例中，衬底层25为半导体衬底且外延生长半导体层27生长在衬底层25上。然而，更一般而言衬底层25可以利用沉积技术或者通过衬底附连技术来形成。例如，在一些实施例中，衬底层25是由玻璃、旋涂玻璃、或者光学透明聚合物形成。
衬底层25在光学放大器芯片200的期望工作波长处是基本上光学透明的。作为一个实例，与光学增益对比，在经过衬底层25的光学路径的期望工作波长部分处的总光学损耗可以是低的。作为另一个实例，绝对光学损耗可以选择为低的。可替换地，衬底层25可具有可饱和的光学损耗，使得在正常工作期间该光学损耗与其它光学损耗相比是低的。
一组至少两个单独半导体再生增益元件1形成于外延生长半导体层27之内。尽管图2说明两个再生增益元件1，将应理解，考虑更通常可以包含其它数目的增益元件1，例如至少等于2的任何数目N，比如2、3、4等等，其中再生增益元件的数目N针对具体应用根据需要扩大。每个再生增益元件1具有直径d。相邻增益元件分隔了中心到中心距离S。填充因子d/S优选地不大于0.5。选择大约0.5或更小的填充因子则通过减小单独再生增益元件1之间的热串扰而改善光学放大器芯片的热特性，并且允许高效热提取(即，提供了对芯片的充分热管理)。附加地，这种布置具有其它益处。如稍后将描述，单独再生增益元件分隔开充分的距离以维持占主导的高斯空间模式，光学波腹(高强度光学强度)位于每个再生增益元件1的增益区域。
图2的底部部分更详细说明示例性单独再生增益元件1。单独再生增益元件1提供充分的增益以用作放大器，但是不具有充分的增益以用作单独激光器。示例性再生增益元件包含有源增益区域10和至少一个分布布拉格反射器(DBR)3以将光反射回到锯齿形光学路径205中。再生增益元件可利用台面结构以提供电流限制以及提供空间模式判别。圆台面结构可以被蚀刻形成以形成大的光学孔径，其直径可以为5μm至250μm。直径d的选择涉及许多折衷。如果台面直径太小，功率输出会减小。然而，对于大于约200微米的直径，要实现空间模式控制则存在更多的困难。因此，考虑到这些折衷，对于高功率工作，更典型的范围是在约20μm至100μm的范围内。台面应设计成防止有源区中的寄生横向激射。一种方法是在台面上蚀刻形成成角度的壁。电学电流是通过使用质子注入、横向氧化或其它等效手段来限制，并且允许在台面中间的电学泵浦区域。台面用钝化电介质层12覆盖。通过在电介质层中图案化形成开口以及沉积p和n金属接触5和6，形成到芯片的电学接触。
在本发明中，至少两个再生增益元件被使用，并且锯齿形光学路径导致光以非垂直入射角进入/离开每个DBR。
本发明可以使用晶片级制作技术来实施，其充分利用先前针对单独表面发射激光器发展的晶片级加工技术。具有增益区域和至少一个DBR的台面型半导体增益结构在具有单一增益区域的垂直扩展腔表面发射激光器(VECSEL)的情形中是已知的，光以垂直入射角射到每个DBR，其在下述美国专利中予以描述：No.7,189,589、6,404,797、6,778,582、7,322,704和6,898,225，每个这些专利的内容通过引用下述方面而被结合于此：台面结构、增益结构、使用台面结构和外部光学元件组合的空间模式控制、以及扩展腔设计。特别地，在VECSEL领域中已知可以形成直径介于大约5微米至250微米的台面结构，其支持占主导的高斯空间模式，5微米至200微米为优选范围。然而，现有技术中的VECSEL结构缺乏充分的总光学增益以在许多波长范围中激射，并且甚至在所支持的波长范围中对于某些应用也不够亮。
示例性的具有再生放大结构的单独激光器增益元件1具有底部分布布拉格反射器(DBR)3、有源区10以及(可选的)顶部DBR反射器4。在再生放大中，两个DBR反射器3和4不为单独激光器增益元件提供足够的反馈从而无附加外部反馈地独自激射。对顶部DBR反射器4的反射比的选择控制再生放大特性和光学损耗。
底部DBR反射器3优选地具有非常高反射率，并且可以例如通过具有足够数目的高/低指数λ/4对以产生＞99％的反射率来实施。材料可以是半导体、电介质或者混合半导体/金属或电介质/金属。由于在电介质材料中可以实现更大反差比的原因，电介质DBR将具有更少的对数。该选择还涉及针对热导率的优化，该优化为其中半导体选择是优选的。
在本发明中，高反射率DBR反射镜设计成将半导体材料内部的入射束的角度考虑在内。如下文更详细描述，根据斯涅尔定律并且通过考虑相对于每个界面处表面法向的入射角，可以确定锯齿形路径。作为实例，对于GaInAlN/GaAlN材料体系的情形，θ3将在13度至25度的范围内。θ3对于AlGaAs体系约为13度至16度，对于GaP衬底为8.5度至16度以及对于GaAs为10度至16度。在所有情形中可以针对最大反射率来优化高反射率DBR反射镜。
如果被使用，顶部DBR反射器4可以通过具有足够数目的高/低指数λ/4对以产生0至60％的反射率来实施。DBR反射器4的DBR可能是由半导体材料形成。顶部DBR反射镜4是可选的且在某些材料体系中会难以实施。锯齿形激光器具有足够的增益而不使用它来工作。例如，在一个实施例中，考虑在基于GaAs的材料体系中使用它，而不是在GaInAlN/GaAlN材料体系中使用它。
在一个实施例中，有源层10是由量子阱或量子点材料构成。在此实施例中假设量子阱是未掺杂的。阱的数目以及它们的厚度类似于在当前的边发射器设计(1至4个量子阱)中所使用的数目和厚度。这表示比VECSEL器件(典型地10个或更多)中显著更少的量子阱，在VECSEL器件中往返增益受限制。
有源区分别被n和p掺杂半导体层8和9围绕。在此实施例中假设外延结构生长在n型衬底上。相反在使用p型衬底的情形中，n和p层可以颠倒。p+/n+隧道结也可以用来替代p层欧姆接触，使得激光器将具有两个n型电极，作为标准p-n结配置的替换方案。例如，通过利用夹置在n和p GaN层之间的p+/n+隧道结，可以在GaN材料中制作第二接触。这种情况下，形成到n GaN层的电学接触。
由于材料中折射率的热依赖性与增益区域的比较高的电流密度以及比较大的直径相结合的原因，热透镜7将典型地在半导体材料中形成。热透镜7具有比较慢的开始(onset)，即，依赖于热时间常数的开始，该热时间常数可以约为几十毫秒或更长。在常规VECSEL中热透镜7是不期望的，因为它使得难以快速调制常规VECSEL。也就是说，在具有单个增益元件并且发射与DBR平面垂直的光的VECSEL中，在器件接通和加热时热透镜形成，使得难以维持功率和束质量同时在MHz范围中的频率处直接调制常规VECSEL的电流。
相反，本发明的锯齿形几何形状减小了热透镜7对输出束的影响，因为锯齿形路径平均了跨过一组两个或更多个单独热透镜7的聚焦效应。也就是说，每个单独透镜7对于沿一个方向进入的光是会聚的并且对于沿另一个方向进入的光是发散的。附加地，锯齿形路径包含两个或更多个具有略微不同的透镜特性的增益元件。结果，净(平均)聚焦可以选择为平均化，即，按照与Nd:YAG板条激光器相似的方式基本上消除。参考例如Kane等人的文章″Reduced Thermal Focusing and Birefringence in Zig-Zag Slab Geometry Crystalline Lasers，″IEEE Journal of Quantum Electronics，pp.1351-1354，Vol.QE-19，No.9，1983，其内容引用结合于此。在本发明中，这意味着热透镜的缓慢开始对ZECSEL器件的直接调制有着最小的影响。
图2的顶部部分还说明构成示例性结构的不同层之间的光学束的锯齿形路径205。该结构可以使用斯涅尔定律作为三个基础层的叠层来分析，这些层具有折射率n1、n2和n3，标记为层20、25和27。作为说明性实例，层25可以是具有高度h1的低光学损耗层，例如低损耗衬底或旋涂层，层27可以对应于具有高度h2的外延半导体层，单独增益元件形成在该外延半导体层中，且层20可以是空气或者一个或多个附加制作的层。在优选实施例中，n3＞n2＞n1。束在顶部反射器界面41处反射。顶部反射器界面41可以是电介质涂层、金属涂层或者组合。对于高指数材料的情形，有可能利用全内反射。该结构优选地具有抗反射(AR)涂层30以允许层20和25之间的低损耗传输。因而，该示例性结构具有平面的进入和离开窗口区域。取决于设计，层20可以是空气或者可以是另一种衬底材料。
在具有不同折射率的层之间的每个边界处使用斯涅尔定律计算折射光学束的角度，可以分析该锯齿形束路径。斯涅尔定律为：
n1 sin(θ1)＝n2 sin(θ2)
并且可以应用在具有不同折射率的材料之间的每个边界。
示例性增益元件直径d范围为20μm至100μm。两个增益元件之间的最佳分隔距离S由热考虑决定且也进一步维持稳定的单一空间模式。特别地，如果S太小，增益元件会受到热串扰和增大的热阻。附加地，S可被选择以提供空间模式判别从而利于基本的高斯空间模式。对于高功率激光器和SLED，中心到中心间距优选地＞200μm。中心到中心间距S可以通过选择低光学损耗层25的厚度来控制。特别地，分隔距离S可以相对于每个增益元件的直径d来选择，从而减小热串扰和/或减小热阻。附加地，S被选择为支持单一空间模式。作为一个实例，在具体应用中，由于热串扰和热阻原因而会期望选择d/S比率为某一最大的数。作为说明性实例，如果S为200微米且d为100微米，则比率d/S＝0.5。在此实例中，增益元件之间的边缘到边缘分隔距离将为100微米。依据本发明的实施例，束进入增益区块的进入角度以及层的厚度被选择为允许S和S/d受控制。
在图2说明的实例中，h1＞h2并且大多数锯齿形路径是经过包含低损耗衬底层25的低光学损耗衬底区域。束因而经过AR窗口30进入，在每个增益元件1接收光学增益并且沿着经过低损耗衬底25的锯齿形路径的每个肢部被略微衰减。然而，依据本发明，衬底25的材料组成和厚度的选择优选地选择为实现与增益元件1的累积增益相比是低的光学损耗。
本领域技术人员将理解，该构思可以在许多材料体系中实施且可以针对加工容易度和低成本制造来优化。在第一实例中，考虑在GaInAlN/GaAlN材料体系。这种情况下，对于基于GaN的材料，n3～2.3，对于蓝宝石(Al2O3)，n2＝1.77，以及对于空气，n1＝1。这种情况下对于340μm至154μm的蓝宝石厚度h1我们得到增益元件分隔距离＞200μm，分别对应于30度至75度的入射角θ1。对于这种材料体系，这是大的工作空间。因此利用合理选择蓝宝石厚度，填充因子可以被选择以展开热负荷。在另一实施例中，对于空气，n1＝1，对于旋涂玻璃或PMMA，n2＝1.5，以及对于基于GaAs的材料体系，n3＝3.6。这种情况下对于40度至75度的入射角θ1，h1从211μm变化到119μm。在第二实例中考虑衬底材料是基于GaAlAs或GaP，我们具有对于空气，n1＝1，对于AlGaAs，n2＝3.4和对于GaP，n2＝3.2，以及对于GaAs，n3＝3.6。对于n2＝3.4的情形，衬底厚度h1的可用范围是在604μm至506μm的范围。这对应于55度至75度的入射角θ1。这是可获得的衬底的实用范围且其考虑到单独芯片的锯切。对于n2＝3.2的情形，衬底厚度h1的范围是在596μm至315μm的范围。这分别对应于32度至75度的入射角。
光学放大器芯片200安装在热传导热沉2上。在一个实施例中，热沉材料是电学绝缘的(Be0、AlN、金刚石等)且被图案化以匹配半导体芯片上的电学接触。这种情况下，n和p接触均是在芯片的底部上。增益元件可以串联或者并联地电学连接。我们称此为″单面″配置。安装配置为″结朝下″配置，因为增益元件的p-n结安装为紧邻热沉。
在另一实施例中，芯片的顶部和底部均用金属覆盖。这是″双面″电学接触。顶部金属层中的开口允许光学束穿过。这种情况下，热沉可以是电学传导的并且增益元件将并联地电学连接。
光学放大器芯片200与晶片级加工相兼容，这意味着低的制作成本。增益区块可以在晶片级被筛选，这对制造成本也具有显著影响。管芯附连和组装可以使用在大批量激光二极管制造中典型地使用的自动化设备来完成。这使得该方法是尤为可制造的以用于低成本商业应用。
光学放大器芯片200也可以用作超发光LED的基础。用于显示和照明的LED近来已经实现更高的功率和效率，特别是在光谱的蓝色和绿色区域。热和增益考虑成为扩大功率的主要限制因素。此外该器件为具有随机偏振输出束的大的集光率朗伯源。这里处提出的锯齿形光学增益区块1可以导致具有更窄发射和偏振光谱的大增益，使得能够获得亮得多(在更小的立体角中更高的功率)、偏振良好的超发光LED源。我们称此锯齿形超发光LED构思为ZSLED。
锯齿形光学路径205耦合沿着锯齿形光学路径的所有单独增益元件1。设计参数选择为使得在激射模式中在每个单独增益元件的增益区域中存在波腹(高光学强度)。因而，光进入一个再生增益元件1，被放大，并且(从DBR反射器)被往回反射朝向反射表面41且随后被重定向朝向另一再生增益元件1，诸如此类。由于锯齿形耦合沿着锯齿形光学路径205经过光学放大器芯片200长度的所有单独增益元件，使得总增益通过增加增益元件而是可调节的。
图3说明光学芯片的实施例，其设计成在结侧朝上几何形状中工作，其中单独增益元件1置于光学芯片的表面上且衬底层附连到热沉。附加地，这种配置对于超发光LED而言是期望的。在图3中可以看出，许多层与图2的层相同。然而，锯齿形路径略微更长。比较图2和图3，可以看出结朝上配置需要两次附加反射离开反射表面。也就是说，在结朝上配置中，光经由AR窗口30进入并且在到达增益元件之前必须先被反射离开反射表面41。
本发明的一个方面为，在结朝上配置中，通过例如与图2所述设计相似地选择衬底层25的厚度h1和入射角θ1，可以改变分隔距离S和填充因子d/S。这允许将增益元件间隔开以通过热沉2高效地提取热。这种配置可以有效地在GaN材料体系中实施，其中衬底材料25可以是蓝宝石、GaN或者GaAlN，它们都具有良好的热导率。在结朝上配置中，n和p接触均置于芯片的顶部。这种配置允许晶片级测试，因为电极可以在晶片级被探测且发射是在一角度。再者不需要解理，在一些材料体系中，例如生长在蓝宝石衬底上的GaN器件，解离是困难的。
图4说明激光器空间模式的多个方面。如前所述，每个增益元件提供增益并且还用作反射器。设计选择为使得光学束在一个增益元件接收光学增益，被反射朝向反射表面41且随后该束被偏转到下一个增益元件1，诸如此类，直到该束完成其经过光学放大器芯片的长度的锯齿形路径。在本发明中，光学设计优选地选择为利于高斯TEM00模式以及高效利用可获得的光学增益。在本发明中，衬底层25的厚度h1、直径d以及分隔距离S的选择被选择为允许占主导的高斯横向空间模式的传播，该模式在光学芯片之内传播且沿着锯齿形路径被重定向到每个再生增益元件1。如前所述，层25和27在激射波长处具有低光学损耗。空间模式将在很大程度上由单独再生增益元件的直径和增益/损耗特性确定，不过附加外部光学元件210也优选地选择为利于高斯TEM00模式。
在光学芯片之内，空间光学模式优选地被选择为高效地利用单独增益元件1的有源增益区域10中的增益以及反射离开底部DBR 3回到锯齿形路径中。在此实例中，光学模式具有这样的直径，其高效地利用单独增益元件1之内可用的增益，且其进一步具有在有源增益区域10处的波腹(高强度)。因而，例如，设计可以选择为与热透镜7协同工作以将空间模式聚焦在增益区域10的提供增益的部分内，波腹在增益区域10处。
在图4中可以看出，光学路径可以选择为使得热透镜效应在输入和输出路径上被平均化。特别地，在此说明性实例中，空间模式在其经由热透镜7进入增益元件1时会聚并且随后在其离开增益元件1时均等地发散。
这种设计的重要优点为支持大的模式直径，得到显著的功率。激光器支持的模式尺寸很大程度上依赖于台面直径d。高斯束由束光斑尺寸W表征，束光斑尺寸对传播距离z具有函数依赖性。高斯束的属性被充分理解，如在J.T.Verdeyen，Laser Electronics，Prentice Hall ed.，1981，p.61中所述。在我们的情形中，直径～2W的高斯束可以进入电学泵浦孔径d在维度上与束尺寸(2W)类似的增益元件并且继续以锯齿形方式传播经过激光器腔体其余部分。如果d为100μm，这种激光器可以支持直径接近100μm的大的高斯束。束质量完好地保留，使得接下来的激光束为接近衍射极限(TEM00)和非常高的功率，形成非常高亮度的激光，在性能上与大且复杂得多的固态激光器相当。
图5说明一实例，其中单个反射镜64被添加到超发光LED配置中的结朝上光学芯片。在超发光LED配置中，通过例如减小外部光学反馈的数量，例如通过除去一个外部反射镜，激射被抑制。
图6说明结朝下实施例，其中至少一个增益元件与其它增益元件电学隔离以提供对光学腔体的净光学增益的控制。图7说明相当的结朝上配置。光束以非垂直入射角进入/离开单独增益元件。反射器62和72连同束形成光学元件61和71被提供以形成外部激光器腔体。激光束80从腔体的一个端部被提取。如前所述，在ZECSEL几何形状中，单独增益元件相互分隔一分隔距离S。单独增益元件也可以设计成为能够或者并行地驱动或者用不同偏置驱动的电学分离元件。图6和7说明一实施例，其中ZECSEL包含在反向偏置模式中工作以提供调制光学损耗的至少一个再生增益元件，该调制光学损耗是通过改变增益元件的p-n结上的反向偏置来控制的。正向偏置区域90包含至少一个再生增益元件，其具有正向偏置p-n结以产生光学增益。区域91具有分离的电学接触并且与区域90电学隔离，使得其可以通过应用反向电压到电极5和6而被独立地反向偏置。光学芯片中的光学损耗可以通过改变区域91中的反向偏置而被快速地调制。这允许在亚皮秒时帧将增益接通或切断(即，增益切换或者模式锁定)。高峰值功率将在这样的工作条件下产生。
执行等价功能、可用于形成外部腔体的光学组件的许多变型是可能的。例如，反射器62和光学元件61可以使用弯曲反射表面替代。在备用实施例中，有斜面的表面可被蚀刻形成于透明衬底材料25中并且被HR涂敷以形成腔体的一个端部。附加地，一个或多个外部光栅元件可用于提供光学反馈和/或提供纵向模式判别。
图8说明具有腔内频率倍增的ZECSEL。在此实例中，光学芯片与图6的实施例相似以支持增益切换或者模式锁定。然而，该外部光学组件布置成提供腔内频率倍增。产生快速调制的能力提供了在基本功率实现高峰值功率的显著优点，这进而改善了频率倍增的光的输出。频率倍增过程的效率对泵浦光的强度具有强依赖性。特别地，频率倍增过程的效率强烈地依赖于泵浦光的强度且一般与泵浦光的强度的平方成比例。当这些激光器用于产生二次谐波光发射时，这特别是有用的，因为高峰值强度可被产生而没有面损伤以及蓝-绿非线性转换过程是按红外(IR)强度的平方进行的。腔内方法允许更长波长强度的积累且因而可以通常产生更高的倍增功率，因为非线性转换与强度的平方成比例。非线性光学(NLO)材料95提供频率倍增。NLO可以是常规非线性光学材料，例如PPLN、KTP、PPLT。PPLT在较短波长(UV)应用中将是有利的。反射镜93封闭腔体。它将较长波长处的所有发射反射回到增益芯片中，且它提供倍增束的耦出。还包含了陷波滤波器94，其使增益芯片发射波长变窄用于高效倍增。交替地，标准具可被使用来替代滤波器，或者体积布拉格光栅(VBG)可以用于替代一个激光器反射镜。二向色分束器/偏振器96确保适当的偏振用于VECSEL中的倍增，但是偏振功能在ZECSEL中可能是不需要的。正向束97和反向束98倍增束均从腔体被提取。后者从反射镜92向外反射。通过在可见束路径中添加λ/4片并除去第二(反向)束反射器92，可以实现单一正交偏振束。
图9说明具有腔外频率倍增的ZECSEL。大量的光学组件与先前所述的光学组件相似。然而，在图9的实例中，NLO放置在激光器腔体外部。激光器本身为独立的单一频率激光器。单一频率可以通过在腔体内使用光栅元件(63)来实现。交替地，腔内标准具可被使用，或者激光器可以在使用单一频率外部主振荡器(MO)的MOPA配置中工作。在此优选实施例中，激光器在增益切换或模式锁定工作中工作从而产生高的峰值功率。
因为新ZECSEL激光器为半导体激光器提供了全新的设计空间，它使得能够在宽范围的发射波长实现高功率、高亮度和衍射极限束。特别地，ZECSEL可以在用于制造半导体激光器和LED的宽范围的材料体系中制作。通过调节量子阱(QW)或者量子点有源区材料以及相邻的透明区域，ZECSEL可以在宽的波长范围(UV到远红外)上使用。这包含：包括GaInAlN/GaAlN的基于GaN的材料(0.3-0.5μm发射波长)、ZnSSe/ZnMgSSe(0.45-0.55μm发射波长)、GaAlInP/GaAs(0.63-0.67μm发射波长)、GaAlAs/GaAs(0.78-0.88μm发射波长)、GaInAs/GaAs(0.98-1.2μm发射波长)、GaInNAs/GaAs(1.2-1.3μm发射波长)、GaInAsP/InP和AlGaInAs/InP(1.3-1.6μm发射波长)。通过使用相同的几何形状利用其它材料体系(例如Pb盐材料)，波长范围也可以扩展在2μm至10μm范围。在GaInAlN/GaAlN材料体系中，这允许在光谱的UV、蓝色和绿色区域中的直接发射。
本发明的一个优点为，其可以用于在GaN材料体系中实现表面发射激光器。对于实现可见和UV波长激光器，GaN材料体系是受关注的。传统上这些材料提供不够充分的光学增益以实现高功率表面发射激光器。然而，在本发明中，可以增加单独再生增益元件的数目直到ZECSEL支持在GaN材料体系中在期望波长处激射。
表1说明基于GaN的ZECSEL所特有的示例性设计考虑。
Figure BPA00001238026000161
Figure BPA00001238026000171
表1
表1：对于短波长基于GaN的ZECSEL的示例性设计考虑。
本发明的ZECSEL实施例与现有技术相比提供许多优点。首先，再生增益元件的数目可以被选择以增加总光学增益。这允许例如使用在具有单一增益元件的常规VECSEL激光器结构中是不实用的低增益半导体材料，例如基于GaN的材料。因而，本发明允许比常规VECSEL结构更大范围的半导体材料(以及因此更大范围的发射波长)。第二，本发明的实施例支持增益切换和模式锁定，这已经证明按照实用方式在VECSEL型激光器中难以实施。特别地，ZECSEL结构可包含可在反向偏置模式中工作的一个或多个再生增益元件，以控制腔体中的光学损耗从而支持增益切换或者模式锁定用于更高峰值功率。
如前所述，本发明的实施例在比常规VECSEL所可能实现的波长范围大的波长范围上支持表面发射激光器结构。再者，增加增益元件的数目以改善高功率工作以及进一步支持增益切换或者模式锁定用于高峰值功率的能力使得ZECSEL能够在非常宽的波长范围上高效频率倍增。
ZECSEL配置也是高度可扩展的。沿着锯齿形路径的增益元件的数目可以增加超过2以增大潜在光学功率。多个ZECSEL可以布置在光学芯片上的一维激光器阵列中，如图10所说明，且可以扩大到非常大的功率。
图10说明ZECSEL与其它类型半导体激光器(例如边发射激光器、VECSEL和垂直腔表面发射激光器(VCSEL))的亮度比较。图10说明仅仅潜在亮度的比较。然而，ZECSEL中其它品质因素也潜在地是优异的。
常规边发射半导体激光器(EESL)在较低功率具有高亮度，但是也具有像散椭圆束并且在高强度遭受面损伤。EESL在激光器面由于入射在该面上的高光学强度而易受灾难性光学损伤。这限制高峰值功率工作并且其影响器件在连续波(CW)工作下的可靠性。EESL的另一个缺点是束质量。高功率EESL典型地使用大面积发射孔径，其支持大量的横向模式，即，多模式输出束具有大的束参数M2，该束参数比衍射极限束的为1的理想M2大至少一个数量级。光学限制波导典型地为矩形的，导致沿快轴具有宽发射角度的高度非对称椭圆输出束。典型EESL束还经常是像散的。主要由于这些原因，边发射激光器在峰值功率和亮度方面受限制并且不能够与二极管泵浦固态激光器竞争，该二极管泵浦固态激光器在衍射极限束中可以产生高出几个数量级的功率。
在现有技术中存在两种主要类型的表面发射激光器，即，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和VECSEL。VCSEL和VECSEL均具有单一增益区域并且发射与内部DBR反射器的表面垂直的光。这些类型的激光器的设计约束由电学载流子限制、热管理、增益和腔体损耗引起。这样的器件经常采用分布布拉格反射器(DBR)，该DBR是通过具有足够数目的高/低指数四分之一波长对以产生非常高的反射镜反射率来实施。一般而言，半导体DBR反射镜具有比电介质反射镜低的反差(两种折射率之间的差异)，且因此需要大量的对(即，这在外延生长期间需要非常精确的控制且占用大量的反应器时间)。经常，与该结构的其余部分相兼容的DBR半导体层和层组成的选择是非常有限的，特别是在光谱的红色(～630nm)、蓝色和UV区域。
VCSEL仅仅依靠VCSEL之内的反馈。结果，VCSEL典型地具有小孔径和低功率。
VECSEL具有单个表面发射增益元件和外部反射镜以提供附加反馈。外部反射镜(由上元件所说明)还提供对空间模式的附加控制以利于更大的束直径。然而，VECSEL中的总增益受限制。例如VECSEL器件具有约为1％至2％的往返增益。通过比较的方式，边发射半导体激光器可具有比VECSEL大100至500倍的往返增益。VECSEL中低的总增益限制可使用的材料的选择(并因此限制发射波长)并且还对甚至在支持波长范围实现高功率输出施加各种障碍。实际VECSEL器件仅仅在GaInAs/GaAs材料体系中已经被成功制作并且在～0.98μm至～1.2μm范围中工作。
常规表面发射激光器例如VECSEL的限制是激光器增益区域的非常短的长度(即，腔体中小的往返增益)。为了克服腔体损耗，它们需要高反射率谐振器反射镜。这些激光器具有圆形束以及比边发射激光器好得多的束质量。然而，可获得的受限的往返增益对最大输出功率施加限制。VECSEL使用大孔径(典型地～100μm或更大)并且产生接近衍射极限束，但是输出功率受可获得的往返增益限制。
ZECSEL允许比VECSEL高的光学增益而还维持VECSEL的许多期望特性，例如高质量衍射极限束。附加地，与VECSEL相比，ZECSEL进一步提供优点，例如偏振控制以及减小或消除热透镜效应。ZECSEL具有在光学芯片之内的锯齿形路径，其允许多个增益元件的增益组合使得亮度潜在大于EESL和VECSEL二者。然而，ZECSEL也仍然是表面发射激光器结构，其具有比较大的束直径和占主导的TEM00高斯模式以及接近衍射极限束。再者，如果期望，ZECSEL可以设计成阵列以进一步增加输出功率。附加地，ZECSEL可以被增益切换或模式锁定。结果，ZECSEL具有比先前已知类型的半导体激光器大的潜在亮度。ZECSEL可以被扩展以实现与边发射激光器相当的往返增益，同时产生M2接近1(衍射极限)的圆形束。因此预期在IR中每个激光器大于20W的功率以及在可见区域中每个激光器＞10W的功率应是可能的。同样的结构还使得能够增益切换和模式锁定工作以实现高的峰脉冲强度。此外，这些激光器可以扩展在1-D阵列中以获得甚至更大的功率。
ZECSEL激光器因而为实现许多新的可见以及紫外激光波长的高功率和亮度提供了宽广的设计空间。这既可以通过直接激光发射来实现，也可以通过使用常规非线性光学(NLO)材料(例如KTP、LBO、BBO、PPLN、PPLT、PPKTP等)倍增来实现。由于激光的高强度以及其出色的束质量，这种非线性倍增可以在腔内以及在腔外配置中高效地完成。这导致具有从单一衍射极限束产生大于10W的平均功率的潜能的高亮度激光器。
与VECSEL激光器相比的一个显著改进在于，ZLASER激光器具有高得多的往返增益且可以产生高得多的IR强度。因此在倍增应用中可以使用短得多和小得多的NLO晶体。这不仅使得激光器更廉价，而且还开启了可见带宽，其使得NLO晶体的对齐和热控制更容易并且降低了对腔体的光谱宽度要求。
不同于其它半导体激光器，ZECSEL是第一种可以在光谱的UV和蓝色区域工作且可被倍增到深UV区域的半导体激光器。短脉冲工作和高峰值功率在实施这种几何形状中起重要作用。此材料体系中的发射波长从光谱的UV扩展到绿色区域。光谱的红色和近IR区域中的其它波长可以使用基于GaAs和GaP的材料体系来实现。
ZECSEL也是高度可制造的。光学放大器芯片200可以使用晶片级工艺制造。光学放大器芯片200可以被实施以最小化用于形成封装ZECSEL的附加部件和关键对齐步骤的数目。再者，各种实施例与晶片级测试兼容。
ZECSEL的一种潜在应用是替代其它类型的固态激光器，例如二极管泵浦固态激光器(DPSS)。目标市场包括显示、照明、医学、材料加工和图形领域。在这些市场中的高亮度应用已经被二极管泵浦固态(DPSS)激光器主导。然而，与DPSS解决方案相比，尺寸、成本、效率、多波长选择和调制要求则利于直接半导体或者波长倍增半导体激光器。本发明的ZECSEL实施例解决了这些市场的关键要求。它们紧凑、高效且低成本。附加地它们能够在接近衍射极限束中产生几瓦特的波长可选择发射，并且它们可以直接被调制、增益切换和模式锁定用于高峰值功率应用。
前述说明书出于解释目的而使用特定术语来提供对本发明的深入理解。然而，对于本领域技术人员清楚的是，不需要特定细节从而实践本发明。因而，对本发明特定实施例的前述描述是出于说明和描述目的而给出的。它们不打算是穷举性的或者将本发明限制在确切的所公开的形式；明显地，鉴于上述教导，许多调整和变动是可能的。实施例被选择和描述从而最好地解释本发明的原理及其实际应用，它们由此使得本领域其它技术人员能够最好地利用本发明以及具有适合所考虑的具体用途的各种调整的各种实施例。打算由下述权利要求及其等价物限定本发明的范围。

Claims (21)

1.一种半导体锯齿形外部腔表面发射光学设备，包含：
具有一连串的材料的层的芯片；
该芯片包含邻近该芯片的平面层边界布置的至少两个再生半导体增益元件；每个单独再生半导体增益元件包含提供增益到该设备的光学模式的电学泵浦增益区域和至少一个分布布拉格反射器，每个再生增益元件具有直径d，每个相邻再生增益元件之间的分隔距离S选择为使得由d除以S限定的填充因子小于1；
该芯片包含包括至少一个层的衬底层区域，该衬底层区域在该光学模式的波长处是基本上透明的，该衬底区域包含与和该至少两个再生增益元件关联的平面层边界平行且分隔开的反射表面；
该芯片的至少一个光学进入/离开表面区域，经由该衬底区域的反射表面和每个再生增益元件的分布布拉格反射器之间的一连串反射，在锯齿形路径中将光耦入该芯片中，该锯齿形路径进一步具有在每个再生增益元件的增益区域处的波腹；
至少一个外部光学元件，形成提供回到该芯片中的光学反馈的外部腔体，并且控制该光学模式的横向光学模式特性以形成具有基本高斯空间模式的输出束。
2.权利要求1的光学设备，其中该填充因子d/S小于0.5。
3.权利要求1的光学设备，其中每个再生放大器的直径d是在5微米至200微米的范围内。
4.权利要求3的光学设备，其中每个再生放大器包含圆台面以提供电流限制和空间模式判别。
5.权利要求1的光学设备，其中该衬底区域的反射表面选自由下述组成的群组：金属涂层、电介质涂层、高反射率涂层、产生全内反射的折射率台阶、以及分布布拉格反射器。
6.权利要求1的光学设备，其中该至少一个分布布拉格反射器包含布置在邻近该衬底区域的该增益区域的一个侧面上的第一分布布拉格反射器以及布置在该增益区域的另一个侧面上的第二分布布拉格反射器，该第二分布布拉格反射器具有比该第一分布布拉格反射器大的反射率。
7.权利要求1的光学设备，其中该光学束在该反射表面经历全内反射。
8.权利要求1的光学设备，其中s和p偏振从该反射表面以不同角度反射，分隔距离S和高度H选择为有利于具有线性偏振的光学模式。
9.权利要求1的光学设备，其中由于该增益区域的折射率的热依赖性的原因，每个再生增益元件形成热透镜，该锯齿形路径选择为至少部分消除激射模式中每个热透镜的影响。
10.权利要求1的光学设备，其中该衬底区域包含在发射波长基本上光学透明的半导体区域。
11.权利要求1的光学设备，其中该衬底区域选自由下述组成的群组：半导体、蓝宝石、玻璃、旋涂玻璃、或者光学透明聚合物材料。
12.权利要求1的光学设备，其中每个再生增益元件缺乏来自其各自至少一个分布布拉格反射器的足够反馈从而无附加反馈地独自激射。
13.权利要求1的激光器，进一步包含腔内频率倍增器。
14.一种半导体锯齿形外部腔表面发射激光器，包含：
具有一连串的材料的层的芯片；
该芯片包含邻近该芯片的平面层边界布置的至少两个再生半导体增益元件；具有p-n结的每个单独再生半导体增益元件包含电学泵浦增益区域和至少一个分布布拉格反射器，每个再生增益元件具有直径d，每个相邻再生增益元件之间的分隔距离S选择为使得由d除以S限定的填充因子小于1；
该芯片包含包括至少一个层的衬底层区域，该衬底层区域在该光学模式的波长处是基本上透明的，该衬底区域包含与和该至少两个再生增益元件关联的平面层边界平行且分隔开的反射表面；
该芯片的至少一个光学进入/离开表面，经由该衬底区域的反射表面和每个再生增益元件的分布布拉格反射器之间的一连串反射，在锯齿形路径中将光耦入该芯片中，该锯齿形路径进一步具有在每个再生增益元件的增益区域处的波腹；
至少一个外部光学元件，形成提供回到该芯片中的光学反馈的外部腔体，并且控制该光学模式的横向光学模式特性以形成具有占主导的高斯空间模式的输出束；
至少一个该再生增益元件可作为正向偏置p-n结工作以提供光学增益，以及至少一个该再生增益元件可作为反向偏置p-n结工作以调制激光器的损耗。
15.权利要求14的激光器，其中至少一个该再生增益元件作为反向偏置的p-n结工作以提供激光器的增益切换或者模式锁定其中之一。
16.权利要求14的激光器，进一步包含腔内频率倍增器。
17.一种半导体锯齿形外部腔表面发射激光器，包含：
具有一连串的材料的层的芯片；
该芯片包含邻近该芯片的平面层边界布置的至少两个电学泵浦再生半导体增益元件；每个单独再生半导体增益元件具有提供电流限制和空间模式控制的p-n结台面、增益区域以及至少一个分布布拉格反射器，每个再生增益元件具有台面直径d，每个相邻再生增益元件之间的分隔距离S选择为使得由d除以S限定的填充因子小于0.5，且d为至少5微米；
该芯片包含包括至少一个层的衬底层区域，该衬底层区域在该光学模式的波长处是基本上透明的，该衬底区域包含与和该至少两个再生增益元件关联的平面层边界平行且分隔开的反射表面；
该芯片的至少一个光学进入/离开表面，经由该衬底区域的反射表面和每个再生增益元件的分布布拉格反射器之间的一连串反射，在锯齿形路径中将光耦入该芯片中，该锯齿形路径进一步具有在每个再生增益元件的增益区域处的波腹；
至少一个外部光学元件，形成提供回到该芯片中的光学反馈的外部腔体，并且控制该光学模式的横向光学模式特性以形成具有基本高斯空间模式的输出束；
在该反射表面上的一连串反射提供偏振判别以产生线性偏振；
经过该再生增益元件的该锯齿形路径基本上消除单独再生增益元件之内热透镜效应的影响；
每个单独再生增益元件缺乏足够的增益和反馈以作为单独激光器来工作，激射模式是根据该再生增益元件的累积增益来工作。
18.权利要求17的激光器，进一步包含腔内频率倍增器。
19.一种短波长半导体锯齿形外部腔表面发射激光器，包含：
具有一连串的材料的层的芯片；
该芯片包含邻近平面层边界布置的至少两个电学泵浦再生半导体增益元件；每个单独再生半导体增益元件具有提供电流限制和空间模式控制的p-n结台面、由基于GaN的材料形成以在0.3μm至0.5μm发射波长范围内的预选择波长处提供增益的有源增益区域、以及至少一个分布布拉格反射器，每个再生增益元件具有台面直径d，每个相邻再生增益元件之间的分隔距离S选择为使得由d除以S限定的填充因子小于0.5，且d为至少5微米；
该芯片包含具有至少一个层的衬底层区域，该至少一个层选自由蓝宝石或基于GaN的化合物组成的群组，该衬底层区域在该光学模式的波长处是基本上透明的，并且包含与和该至少两个再生增益元件的平面边界平行且分隔开的反射表面；
该芯片的至少一个光学进入/离开表面，经由该衬底区域的反射表面和每个再生增益元件的分布布拉格反射器之间的一连串反射，在锯齿形路径中将光耦入该芯片中，该锯齿形路径进一步具有在每个再生增益元件的增益区域处的波腹；
至少一个外部光学元件，形成提供回到该芯片中的光学反馈的外部腔体，并且控制该光学模式的横向光学模式特性以形成具有基本高斯空间模式的输出束；
在该反射表面上的一连串反射提供偏振判别以产生线性偏振；
经过该再生增益元件的该锯齿形路径基本上消除单独再生增益元件之内热透镜效应的影响；
每个单独再生增益元件缺乏足够的增益和反馈以作为单独激光器来工作，激射模式是根据该再生增益元件的累积增益来工作。
20.权利要求19的激光器，其中至少一个该再生增益元件可作为正向偏置p-n结工作以提供光学增益，以及至少一个该再生增益元件可作为反向偏置p-n结工作以调制激光器的损耗成为增益切换或模式锁定激光器。
21.权利要求20的激光器，进一步与频率倍增器组合。
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