CN102246367B - 具有改进的空间模式的高功率vcsel - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种VCSEL装置，其包括布置于第一DBR(9)与第二DBR(7)之间的光学增益介质(8)。第一DBR和第二DBR形成激光腔且被设计成允许所述激光腔中的自容式激光发射，所述第二DBR(7)对于在激光腔中谐振的激光辐射是部分透明的。光学元件布置于激光腔的光轴上激光腔外的第二5DBR(7)的侧部上。光学元件具有朝向第二DBR(7)的凹表面(5)且凹表面(5)被设计成将透过第二DBR(7)发射的激光辐射的一部分反射回到激光腔内。凹表面(5)的曲率半径R与凹表面(5)和增益介质(8)之间的距离d的比值R/d在1与2之间的范围10内。利用所提出的VCSEL装置，实现了具有改进的模式分配和模式稳定性的高功率输出。

Description

具有改进的空间模式的高功率VCSEL
技术领域
本发明涉及竖直腔表面发射激光器(VCSEL)，其包括：光学增益介质，该光学增益介质布置于第一分布式布拉格反射器(DBR)与第二分布式布拉格反射器之间，所述第一DBR和所述第二DBR形成激光腔且被设计成允许所述激光腔中的自容式（self-contained）激光发射，且所述第二DBR对于在所述激光腔中谐振的激光辐射是部分透明的；以及光学元件，其布置于所述激光腔的光轴上所述激光腔外的所述第二DBR的侧部上，所述光学元件具有朝向所述第二DBR的凹表面且凹表面被设计成将穿过第二DBR的激光辐射的一部分反射回到激光腔内。
在红外波长范围内发射的VCSEL装置在光学通信应用中相当普遍。这种VCSEL装置的激光腔包括分布式布拉格反射器的两个堆叠，它们在适合的基板上外延（epitaxially）生长且其封闭由若干量子阱组成的增益区。DBR层还接管将电流馈送到增益区内的任务。因此，DBR之一通常是n掺杂的且另一个为p掺杂的。一个DBR被设计成对于在激光腔中谐振的激光辐射而言是高度反射的，通常p-DBR具有>99.9%的反射率，而另一个对于激光辐射是部分透明的，允许有效地向外耦合并因此也允许反馈到激光腔内。
VCSEL的较大优势归因于其表面发射性质。这允许VCSEL大量的晶片级生产和测试，这使低成本生产过程成为可能。而且，VCSEL的输出功率可经由发射表面区域以特定程度进行缩放。通过形成VCSEL阵列而实现更大输出功率。
背景技术
为了利用VCSEL实现更高输出功率，必须提供大的有效面积。但这些大型VCSEL遭受处于更高阶空间模式的发射，此外遭受空间模式分配对于装置中馈电电流的强依赖性。
更高阶空间模式可为环形且因此在对称轴上并不具有任何强度。类似这样的性能对于这样的应用是十分关键的：即，其中激光二极管的光必须聚焦到特定小的焦点从而以受控方式递送热或光功率至物体上小的点。此外，激光模式对于电流的强依赖性仅允许特别选定的运行点来维持稳定发射模式且因此不是非常实用的。
克服这些困难的标准方法是减小向外耦合的DBR的反射率且添加外镜以形成激光腔。这种具有外镜的修改的VCSEL然后被称作竖直延伸的腔表面发射激光器(VECSEL)。其受益于高输出功率和明确限定的激光发射的模式分布。这种激光器可甚至实现单个横向模式的激光发射。中间DBR的反射率减小使得将不发生无外部反馈的激光发射。随着将中间DBR的反射率减小到在无外部光学反馈情况下激光器不会运行的值，系统的复杂性显著地增加，因为额外的外镜必须以很高精确度对准。该装置与外境的组合也必须小心地安装且在系统对准之后，其必须被固定以用于任何随后应用。由于这些原因，在晶片级上确定该系统的特征是不可能的。
因此使用VECSEL来代替VCSEL给生产过程添加了复杂性。外镜相对于半导体装置对准的很小公差需要单个VECSEL二极管的复杂的对准和生产过程，并因此在形成VECSEL二极管阵列时需要甚至更复杂且因此更昂贵的对准过程。因此，通过添加外腔而省略了VECSEL的独特性质的大部分，如晶片规模生产和测试。
US6,661,829B2描述了一种VCSEL，其包括反馈构件，该反馈构件将在外部发射自激光腔的光的一部分反射回到该腔内。反馈构件充当用于激光谐振器的凹面镜。通过适当地设计和布置该反馈构件，VCSEL主要以单个基本横向模式运行。反馈构件可为凸透镜结构的内透镜表面且附连到VCSEL装置上。以VCSEL结构的典型尺寸计算，反馈构件的反射表面的曲率半径R与反馈构件与增益介质之间的距离d的比值R/d在本文中在20与50之间的范围内。反馈构件将在外部发射自激光腔的激光辐射的一部分馈送回到谐振器内且因此影响激光发射性能，特别地影响原始模式。这种激光设计适合于允许主要处于基本横向模式的激光振荡。为了实现高功率运行，此文提出增加振荡孔径和反馈构件的有效直径和曲率半径中的至少一个。
发明内容
本发明的目的是提供一种高功率VCSEL装置，其以令人满意的模式分配和以甚至更高的功率水平的稳定性来发射激光辐射。
这个目的由权利要求1的VCSEL装置来实现。这个VCSEL装置的有利实施例是从属权利要求的主题或者在说明书的随后部分中描述。
所提出的VCSEL装置包括布置于第一DBR与第二DBR之间的光学增益介质，所述第一DBR和第二DBR形成激光腔且被设计成允许所述激光腔中的自容式激光发射。第二DBR对于激光腔中谐振的激光辐射是部分透明的。因此第二DBR形成激光腔的向外耦合镜且对于激光辐射仍具有足够高的反射系数以允许自容式的激光发射，即，在由两个DBR限定的激光腔内无任何外部光学反馈的情况下发射激光。DBR和增益介质可以以已知方式由适当的层堆叠来形成。光学元件布置于激光腔的光轴上激光腔外的所述第二DBR的侧部上。光学元件具有朝向所述第二DBR的凹表面且被设计成将发射透过第二DBR的激光辐射的一部分反射回到激光腔内。为了实现高功率输出，凹表面的曲率半径R与所述凹表面和增益介质之间的距离d的比值R/d在1与2之间的范围内。
所提出的VCSEL装置基于常用的VCSEL，其具有形成激光腔的两个DBR的典型反射率以允许这个VCSEL的已呈自容式的激光发射而无需任何另外的光学反馈。优选弱外部光学反馈被添加到这种VCSEL设计，以减小该装置的有效面积中基本模式的点大小且也减小激光器的发射的横向模式的数量。通过添加外部光学装置实现外部反馈，外部光学装置具有小反射率的凹表面，反射率优选地≤40%，以足以引起某些弱外部反馈到达VCSEL的激光腔内。作为设计具有高反射外镜和中间DBR的减小的反射率的VECSEL的替代，具有大约20%至30%反射率的低反射表面足以将光耦合回到激光腔内并足以引入某种反馈，造成空间模式阶的减小。通过选择反射表面到增益介质的距离d(该距离在光轴上测量)和反射表面的曲率半径R使得比值R/d在1与2之间，提供大增益面积装置，其在实现激光发射的高功率输出的同时实现所需空间模式的减小和稳定。已经发现，作为上述现有技术文献中所提出的增加比值R/d的替代，减小此比值对于实现本发明的上述目的是至关重要的。所提出的VCSEL结构的另一优点是，发现可以以大公差对准光学元件以便改进模式分布以及VCSEL装置的效率。这完全不同于VECSEL的外镜对准所必需的高精确度且因此仍允许这种VCSEL装置在晶片级上的制造和测试。
在所提出的VCSEL装置的一个实施例中，朝向第二DBR的凹表面是光学透镜的内表面。这种透镜可用于聚焦、准直或发散由VCSEL装置发射的激光束。为了实现激光辐射的一部分适当地反射回到激光腔内，此透镜的外表面优选地被适当地涂覆。
在另一实施例中，例如在上部DBR顶部上向前发射的VCSEL的情况下，光学元件直接附连到VCSEL上。为此，光学元件由对激光辐射的波长透明的光学透明材料设计而成，且在顶部形成作为该元件内表面的反射表面，即，凸出地成形以形成凹反射内表面。
为了实现激光腔内足够大的反馈区域以用于高功率输出，反射表面与增益介质之间的距离应足够高以允许反射表面足够大的曲率半径。优选地，反射表面与增益介质之间的距离≥1mm，通常在1mm与4mm之间且优选地在1.5mm与3.0mm之间。
对于许多应用，提出的若干VCSEL装置在共同基板上并排地排列以形成VCSEL阵列。这些VCSEL阵列可用于例如加热或干燥应用，用于快速热处理或食品处理。另一重要应用是在印刷技术领域。在此领域，VCSEL阵列优选地用于利用激光辐射来生成图像(用于仅印刷一次或者以优选方式印刷多次)，特别地用于成像、记录或写入印刷结构（printing form），印刷结构诸如印刷板或滚筒的印刷表面。VCSEL阵列可集成在印刷基板处理设备（特别是印刷机）中，或者集成在印刷结构处理设备（特别是板设置机）中。这种机器或设备的实例可见于Kipphan，Handbook of Print Media，Springer-Verlag, Berlin,2001, 4.3章(Computer to Plate/to Cylinder/to Screen)和4.4章(Computer to Press/Direct Imaging)。在一优选实施例中，该机器是处理片的平版胶印机且VCSEL阵列用于印刷机中以使安装于机器的印刷结构滚筒上的平版印刷板成像。在另一优选实施例中，该机器是与印刷机分离的成像设备且VCSEL阵列用于该成像设备中以使安装于该设备的成像滚筒上的平版印刷板成像。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将会清楚明白并得以阐明。
附图说明
下文的示范性实施例参考附图示出所提出的VCSEL装置的实例，而不限制由权利要求所限定的保护范围。附图示出：
图1 根据本发明的装置的第一实施例的示意图；
图2 根据本发明的装置的第二实施例的示意图；
图3 根据本发明的装置的示范性阵列的示意图。
具体实施方式
图1示出所提出的VCSEL装置的第一实例的示意图。在此实施例中，由与VCSEL1间隔开放置的曲面镜来实现弱反馈，VCSEL1仅在图1中示意性地示出。在VCSEL1的上部DBR上的限制层2形成用于所发射的激光辐射的孔径，激光束6在附图中被标示出。在此实例中形成用于反馈的反射表面的光学元件是被涂覆的微透镜4。该涂层可为如Ta2O5和SiO2或类似材料的适当介电层的堆叠。此微透镜4附连到厚度为200μm的玻璃块3上。在VCSEL1与此玻璃块3之间的空气间隙是3mm。微透镜被涂覆成使得内表面5对激光辐射具有30%的反射率，使得由VCSEL1发射的激光辐射的30%反馈到激光腔内。这改进且稳定了VCSEL内的空间模式分布。内反射表面5的曲率半径是3.3mm。
利用这种装置，例如对于80μm的有效面积的直径，在激光发射远场中VCSEL的空间模式从在对称轴上无强度的环形较高阶模式变成最大强度集中于对称轴上的模式。空间模式分配并非单个模式，而是足以用于必须将光递送到小焦点的大多数应用中。令人惊奇的是，外部光学元件(即，玻璃块3)与微透镜4的对准并非十分关键，这不同于竖直延伸的腔表面发射激光器(VECSEL)的领域中的文献和常识所预期的那样，在竖直延伸的腔表面发射激光器(VECSEL)中输出功率和空间模式分布十分关键地取决于外镜的对准，从而对准的公差很小。与此相反，为了对准所提出的低反射反馈，可使用低成本的标准工具和摄像机，这显著地简化了对准过程。对于具有80μm的有效面积的直径的VCSEL装置而言，在该装置前方的涂覆的微透镜的±50μm位移(在竖直和水平方向)的对准公差内实现最佳空间模式减小。
这种VCSEL装置的另一优点在于使用VCSEL结构的标准设计而无需重新设计该结构来采用所提出的VCSEL概念。于是可以仅通过添加小的外部反射率，即适当的光学元件来改变完成的VCSEL的模式分布。引入到激光束内的额外反射率将激光束的部分反射回到VCSEL结构内，即，反射到激光腔内，该额外反射率不会显著地影响激光输出的强度。其甚至部分地改进了性能，因为其减小了阈值电流并将热拐点(thermal roll-over)移动至更高的电流。激光发射的空间模式在整个VCSEL装置的运行区域上稳定直到热拐点。
通过使用射线矩阵方法来计算激光器的谐振器并与实验结果相比较，可提取反馈的设计指导。此过程可帮助设计反馈的实际参数，因为尽管外部反馈很弱，仍采用稳定谐振器的理论。将利用射线矩阵方法计算的激光束的模式腰部(mode waist)与利用弱反馈的空间模式测量的实验结果进行比较得到以下结论：特定模式腰部(取决于该装置的实际参数)与低阶且所有强度集中于对称轴上的经优化的且稳定的模式相关。此模型因此可用于预测用于外部反馈的谐振器设计，诸如最佳距离和光学反射器的曲率半径，其比值R/d必须被选在1与2之间。
从上文所述，显然VCSEL本身(即，无外部光学元件)的设计可以以本领域中已知的相同方式选择。因此，这种设计的实例并未在本专利申请中描述，因为它们是本领域技术人员的常识。
在允许高输出功率输出的同时，源自模式改进和稳定的问题的解决方案的另一益处是：设计低反射光学元件使得此元件可直接安装(例如，胶合或结合)到VCSEL或甚至VCSEL阵列的发射表面上以形成混合包装的可能性。为此，用于安装在激光器顶部的微透镜优选地为平凸型，具有抵靠VCSEL结构定位的平侧以用于很简单的安装。这种装置的实例在图2中示意性地描绘。此图示出基于下部DBR 9、增益介质8和上部DBR7以及电接触件10和层结构11的典型VCSEL设计，该层结构11包括基板，VCSEL结构在基板上生长。此为所谓的背侧或底部发射VCSEL，其将激光辐射发射透过对于该波长透明的基板。在此层结构11顶部上附连平凹微透镜4。此微透镜4的上内表面5形成用于弱反馈的凹反射表面。虚线指示激光发射的光锥。在图2的实施例中，凹反射表面5与增益介质8之间的距离被选为大约2mm，而微透镜(即，凹反射表面5)的曲率半径被选为2.3mm。
这种装置可以以晶片级形成从而实现VCSEL装置的阵列，其中涂覆的微透镜结构在顶部。这种VCSEL装置的阵列在图3中示范性地示出。
在权利要求中，词语“包括”并不排除其它元件或步骤，且不定冠词“一”并不排除多个。在互不相同的从属权利要求中陈述特定措施这一起码事实并不表示不能使用这些措施的组合来取得益处。举例而言，外部元件并不限于使用透镜，而是也可包括例如与VCSEL的一部分间隔开的凹面镜的实例。权利要求中的附图标记不应被理解为限制这些权利要求的范围。
元件列表
1 VCSEL
2限制层
3玻璃块
4微透镜
5内反射表面
6激光束
7上部DBR
8增益介质
9下部DBR
10电接触件
11层结构

Claims (15)

1.一种VCSEL装置，其包括：
光学增益介质(8)，其布置于第一DBR(9)与第二DBR(7)之间，
所述第一、第二DBR(7,9)形成激光腔且被设计成允许所述激光腔中的自容式激光发射，且
所述第二DBR(7)对于在所述激光腔中谐振的激光辐射是部分透明的；以及，
光学元件，其布置于所述激光腔的光轴上所述激光腔外的所述第二DBR(7)的侧部上，
所述光学元件具有朝向所述第二DBR(7)的凹表面(5)且凹表面(5)被设计成将透过所述第二DBR(7)发射的激光辐射的一部分反射回到所述激光腔内，
    其中所述凹表面(5)的曲率半径R与所述凹表面(5)和所述增益介质(8)之间的距离d的比值R/d在1与2之间的范围内，
    -具有小于40%的反射率的所述光学元件向所述激光腔增加充分的光学反馈，使得所述VCSEL装置的激光腔中的基本模式的点的大小以及所述VCSEL装置的横向模式的数量均减少。
2.根据权利要求1所述的VCSEL装置，
其中，朝向所述第二DBR(7)的所述凹表面(5)对于所述激光辐射具有20%与30%之间的反射率。
3.根据权利要求1或2所述的VCSEL装置，
其中，朝向所述第二DBR(7)的所述凹表面(5)是微透镜(4)的内表面。
4.根据权利要求3所述的VCSEL装置，
其中，所述微透镜(4)是平凸透镜。
5.根据权利要求1或2所述的VCSEL装置，
其中，朝向所述第二DBR(7)的所述凹表面(5)是安装在所述第二DBR(7)上的光学元件的内表面。
6.根据权利要求1所述的VCSEL装置，
其中，所述凹表面(5)与所述增益介质(8)之间的所述距离≥1mm。
7.一种VCSEL阵列，其包括在共同基板(11)上的若干根据权利要求1至6中任一项所述的VCSEL装置。
8.一种利用激光辐射来生成图像的装置，该装置包括至少一个根据权利要求7所述的VCSEL阵列。
9.一种利用激光辐射来使印刷结构成像的装置，该装置包括至少一个根据权利要求7所述的VCSEL阵列。
10.利用根据权利要求7所述的VCSEL阵列来发射激光辐射以生成图像的用途。
11.利用根据权利要求7所述的VCSEL阵列来发射激光辐射以使印刷结构成像的用途。
12.印刷基板处理设备，其包括至少一个根据权利要求8所述的装置。
13.印刷机，其包括至少一个根据权利要求8所述的装置。
14.印刷结构处理设备，其包括至少一个根据权利要求8所述的装置。
15.板设置机，其包括至少一个根据权利要求8所述的装置。
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