CN102714395A - 具有非周期性光栅的垂直腔表面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明的各种实施例是针对具有腔的表面发射激光器的，所述腔包括至少一个单层、非周期性亚波长光栅，在一个实施例中，一种表面发射激光器包括：光栅层（112），其被配置成具有非周期性亚波长光栅（122）；反射层；以及发光层（102），其被布置在光栅层与反射器之间。所述非周期性亚波长光栅被配置成具有光栅图案，所述光栅图案控制一个或多个内部腔模式的形状，并且控制从所述表面发射激光器发射的一个或多个外部横模的形状。

Description

具有非周期性光栅的垂直腔表面发射激光器
技术领域
本发明的各种实施例涉及激光器，并且特别涉及半导体激光器。
背景技术
半导体激光器代表现今在使用的最重要类别的激光器中的一种，这是因为它们可以被用在各种各样的应用中，包括显示器、固态照明、感测、印刷、以及电信，这里仅举几个例子。主要在使用的两种类型的半导体激光器是边缘发射激光器和表面发射激光器。边缘发射激光器生成在基本上平行于发光层的方向上行进的光。另一方面，表面发射激光器生成在发光层的法向上行进的光。表面发射层与典型的边缘发射层相比具有许多优点：它们更高效地发光，并且可以被布置形成二维发光阵列。
被配置成具有夹在两个反射器之间的发光层的表面发射激光器被称作垂直腔表面发射激光器（“VCSEL”）。所述反射器通常是分布式布拉格反射器（“DBR”），其在理想情况下形成具有大于99%反射率的反射腔以用于光学反馈。DBR由多个交替层构成，每层由具有周期性折射率变化的电介质或半导体材料构成。DBR内的两个相邻层具有不同的折射率，并且被称作“DBR对”。DBR反射率和带宽取决于每层的构成材料的折射率对比度以及每层的厚度。用来形成DBR对的材料通常具有类似的成分，并且因此具有相对较小的折射率差。因此，为了获得大于99%的腔反射率并且提供窄镜带宽，DBR被配置成具有从大约15个到大约40个或者更多个DBR对。然而，制造具有大于99%反射率的DBR已证明是困难的，尤其是对于被设计成发射具有处于电磁谱的蓝色-绿色和长红外部分中的波长的光的VCSEL。
物理学家和工程师们继续寻求对VCSEL的设计、操作和效率的改进。
附图说明
图1A示出根据本发明的一个或多个实施例配置的示例VCSEL的等距视图。
图1B示出根据本发明的一个或多个实施例配置的图1A中所示的VCSEL的分解等距视图。
图2示出根据本发明的一个或多个实施例的沿着图1A中所示的线A-A的VCSEL的剖面图。
图3A-3C示出根据本发明的一个或多个实施例的被配置成具有一维和二维光栅图案的亚波长光栅的俯视图。
图4示出根据本发明的一个或多个实施例的来自两个单独的光栅子图案的线条的剖面图，其揭示出由反射的光获得的相位。
图5示出根据本发明的一个或多个实施例的来自两个单独的光栅子图案的线条的剖面图，其揭示出反射的波前如何改变。
图6示出由根据本发明的一个或多个实施例配置的光栅图案产生的示例性相位改变轮廓图的等距视图。
图7示出根据本发明的一个或多个实施例的被配置成将入射光聚焦到焦点的亚波长光栅的侧视图。
图8示出针对根据本发明的一个或多个实施例配置的亚波长光栅的一定入射光波长范围内的反射率和相移的曲线图。
图9示出根据本发明的一个或多个实施例获得的作为周期和占空比的函数的相位变化的相位轮廓曲线图。
图10A示出根据本发明的一个或多个实施例的被配置成作为聚焦柱面镜操作的一维亚波长光栅的俯视图。
图10B示出根据本发明的一个或多个实施例的被配置成作为聚焦球面镜操作的一维亚波长光栅的俯视图。
图11A-11B示出根据本发明的一个或多个实施例配置并操作的VCSEL的剖面图。
图12示出从根据本发明的一个或多个实施例配置的VCSEL的发光层发射的光的假设腔模式和强度或增益分布图（profile）的示例曲线图。
图13示出示意性地代表根据本发明的一个或多个实施例配置的VCSEL的谐振腔的平凹谐振器。
图14示出从根据本发明的一个或多个实施例配置的VCSEL发射的偏振光。
图15A示出在根据本发明的一个或多个实施例配置的VCSEL的腔中产生的两种横模的实例。
图15B示出从根据本发明的一个或多个实施例配置的VCSEL发射的最低阶横模的强度分布图分布的示例轮廓曲线图。
图16示出从根据本发明的一个或多个实施例的VCSEL发射的光束的示例剖面图。
图17A-17B示出根据本发明的一个或多个实施例配置的示例VCSEL的等距视图以及沿着线B-B的剖面图。
图18A-18B示出根据本发明的一个或多个实施例配置的示例VCSEL 1800的等距视图以及沿着线C-C的剖面图。
图19示出根据本发明的一个或多个实施例的用于生成光的方法的控制流程图。
具体实施方式
本发明的各种实施例是针对VCSEL阵列的，其中每个VCSEL在不同波长发射激光。VCSEL阵列内的每个VCSEL包括非周期性亚波长光栅（“SWG”）和形成光学腔的DBR。每个VCSEL的SWG具有不同的光栅配置，其使每个VCSEL能够在不同波长发射激光。每个VCSEL的SWG可以被配置成控制从VCSEL发射的内部腔模式的形状和外部模式的形状。每个VCSEL具有小模式容积、近似单一空间输出模式，在窄波长范围内发光，并且可以被配置成发射具有单偏振的光。
在下面的描述中，术语“光”指代具有处于电磁谱的可见和不可见部分中的波长的电磁辐射，包括电磁谱的红外和紫外部分。
具有非周期性亚波长光栅的垂直腔表面发射激光器
图1A示出根据本发明的一个或多个实施例配置的示例VCSEL 100的等距视图。VCSEL 100包括布置在分布式布拉格反射器（“DBR”）104上的发光层102。DBR 104又被布置在基板106上，基板106被布置在第一电极108上。VCSEL 100还包括布置在发光层102上的绝缘层110、布置在层110上的光栅层112、以及布置在光栅层112上的第二电极114。如图1A的实例中所示，第二电极114被配置成具有矩形开口116，其暴露出光栅层112的一部分。开口116允许从发光层102发射的光基本上垂直于各层的xy平面离开VCSEL，如定向箭头118所示（即光通过z方向上的开口从VCSEL 100发射）。图1B示出根据本发明的一个或多个实施例配置的VCSEL 100的分解等距视图。所述等距视图揭示出绝缘层110中的开口120和光栅层112中的SWG 122。开口120允许从发光层102发射的光到达SWG 122。注意，本发明的实施例不限于开口116和120是矩形的。在其他实施例中，第二电极和绝缘层中的开口可以是正方形、圆形、椭圆形或者任何其他合适的形状。
层104、106和112由合适的化合物半导体材料的各种组合构成。化合物半导体包括III-V化合物半导体和II-VI化合物半导体。III-V化合物半导体由选自硼（“B”）、铝（“Al”）、镓（“Ga”）和铟（“In”）的IIIa列元素与选自氮（“N”）、磷（“P”）、砷（“As”）和锑（“Sb”）的Va列元素组合构成。III-V化合物半导体是根据III和V元素的相对数量来分类的，比如二元化合物半导体、三元化合物半导体、以及四元化合物半导体。举例来说，二元半导体化合物包括但不限于GaAs、GaAl、InP、InAs和GaP；三元化合物半导体包括但不限于In y Ga y-1As或GaAs y P1-y ，其中y处于0与1之间的范围；以及四元化合物半导体包括但不限于In x Ga1-x As y P1-y ，其中x和y都独立地处于0与1之间的范围。II-VI化合物半导体由选自锌（“Zn”）、镉（“Cd”）、汞（“Hg”）的IIb列元素与选自氧（“O”）、硫（“S”）和硒（“Se”）的VIa元素组合构成。举例来说，合适的II-VI化合物半导体包括但不限于CdSe、ZnSe、ZnS和ZnO，这些是二元II-VI化合物半导体的实例。
VCSEL 100的层可以利用化学汽相沉积、物理汽相沉积、或者晶片接合来形成。SWG 122可以利用活性离子蚀刻、聚焦束铣、或者纳米印刻形成在光栅层112中，并且光栅层112被接合到绝缘层110。
在某些实施例中，利用p型杂质掺杂层104和106，同时利用n型杂质掺杂层112。在其他实施例中，利用n型杂质掺杂层104和106，同时利用p型杂质掺杂层112。P型杂质是被结合到半导体晶格中的原子，其把被称作“空穴”的空电子能级引入到层的电子带隙。这些掺杂剂也被称作“电子受体”。另一方面，n型杂质是被结合到半导体晶格中的原子，其把满电子能级引入到层的电子带隙。这些掺杂剂被称作“电子施主”。在III-V化合物半导体中，VI列元素替代III-V晶格中的V列原子并且充当n型掺杂剂，以及II列元素替代III-V晶格中的III列原子以充当p型掺杂剂。
绝缘层110可以由绝缘材料构成，比如SiO2或Al2O3或者具有大电子带隙的另一合适材料。电极108和114可以由合适的导体构成，比如金（“Au”）、银（“Ag”）、铜（“Cu”）、或铂（“Pt”）。
图2示出根据本发明的一个或多个实施例的沿着图1A中所示的线A-A的VCSEL 100的剖面图。所述剖面图揭示出各个层的结构。DBR 104由平行于发光层102定向的DBR对的堆叠构成。在实践中，DBR 104可以由大约15个到大约40个或者更多个DBR对构成。DBR 104的样本部分的放大图202揭示出，DBR 104的层分别具有大约λ/4n和λ/4n’的厚度，其中λ是从发光层102发射的光的所期望的真空波长，以及n是DBR层206的折射率，并且n’是DBR层204的折射率。深阴影层204代表由第一半导体材料构成的DBR层，以及浅阴影层206代表由第二半导体材料构成的DBR层，其中层204和206具有不同的关联的折射率。举例来说，层204可以由GaAs构成，其具有3.6的近似折射率，层206可以由AlAs构成，其具有2.9的近似折射率，并且基板可以由GaAs或AlAs构成。
图2还包括发光层102的放大图208，其揭示出包括发光层102在内的多层的一种或许多种可能配置。放大图208揭示出，发光层102由通过势垒层212分开的三个单独的量子阱层（“QW”）210构成。QW 210被布置在约束层214之间。与势垒层212和约束层214相比，包括QW 210的材料具有较小的电子带隙。约束层214的厚度可以被选择成使得，发光层102的总厚度近似是从发光层102发射的光的波长。层210、212和214由不同的本征半导体材料构成。举例来说，QW层210可以由InGaAs（例如In0.2Ga0.8As）构成，势垒层212可以由GaAs构成，以及约束层可以由GaAlAs构成。本发明的实施例不限于具有三个QW的发光层102。在其他实施例中，所述发光层可以具有一个、两个或多于三个QW。
图2还揭示出光栅层112的配置。SWG 122薄于光栅层112的其余部分，并且被悬置在发光层112之上，以便在SWG 122与发光层112之间产生气隙216。如图2中以及图1B中所示，SWG 122可以沿着一个边缘被附着到光栅层112上，其中气隙218将SWG 122的三个剩余边缘与光栅层112分开。光栅层112和绝缘层110也被配置成使得，光栅层112的部分220通过绝缘层110中的开口120与发光层102接触。绝缘层110把经过光栅层112的部分218的电流流动限制到发光层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发射激光期间的光学反馈。
非周期性亚波长光栅
如上所述，光栅层112的SWG 122被实施为发光层102上方的悬置膜。根据本发明的一个或多个实施例配置的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状以及控制发射通过第二电极114中的开口116的光的波前的形状，如图1A中所示。这可以通过将SWG 122配置成具有非周期性光栅图案来实现，其控制从SWG 122反射的光的相位而不显著影响SWG 122的高反射率。在某些实施例中，如下所述，SWG 122可以被配置成具有使SWG 122能够被操作为柱面镜或球面镜的光栅图案。
图3A示出根据本发明的一个或多个实施例的被配置成具有形成在光栅层302中的一维光栅图案的SWG 300的俯视图。所述一维光栅图案由许多一维光栅子图案构成。在图3A的实例中，放大了三个光栅子图案301-303。在图3A中代表的实施例中，每个光栅子图案包括光栅层102材料的许多规则间隔的线状部分，其被称作形成在光栅层301中的“线条”。所述线条在y方向上延伸，并且在x方向上周期性地间隔开。在其他实施例中，线条间距可以连续地变化。图3A还包括光栅子图案302的放大端视图304。线条306通过凹槽308分开。每个子图案由线条的特定周期性间距以及由x方向上的线条宽度来表征。举例来说，子图案301包括以周期p 1分开的宽度为w 1的线条，子图案302包括以周期p 2分开的宽度为w 2的线条，以及子图案303包括以周期p 3分开的宽度为w 3的线条。
光栅子图案301-303形成优先反射在一个方向（即x方向）上偏振的入射光的亚波长光栅，条件是周期p 1、p 2和p 3小于入射光的波长。举例来说，线条宽度的范围可以是从近似10nm到近似300nm，并且所述周期的范围可以是从近似20nm到近似1μm，这取决于入射光的波长。从一个区域反射的光获得由线条厚度t确定的相位φ，并且占空比η被定义为：
Figure 2010800626443100002DEST_PATH_IMAGE001
其中，w是线条宽度，以及p是线条的周期性间距。
SWG 300可以被配置成对反射光施加特定相位改变，同时保持非常高的反射率。一维SWG 300可以被配置成反射入射光的x偏振分量或y偏振分量，这是通过调节线条的周期、线条宽度和线条厚度来实现的。举例来说，特定的周期、线条宽度和线条厚度可能适于反射x偏振分量但不适于反射y偏振分量；以及不同的周期、线条宽度和线条厚度可能适于反射y偏振分量但不适于反射x偏振分量。
本发明的实施例不限于一维光栅。SWG可以被配置成具有二维非周期性光栅图案以反射偏振不敏感的光。图3B-3C示出根据本发明的一个或多个实施例的具有二维亚波长光栅图案的两个示例平面SWG的俯视图。在图3B的实例中，该SWG由通过凹槽分开的柱而不是线条构成。占空比和周期可以在x和y方向上改变。放大图310和312示出两个不同的柱尺寸。图3B包括包括放大图310的柱的等距视图314。本发明的实施例不限于矩形的柱，在其他实施例中，所述柱可以是正方形、圆形、椭圆形或者任何其他合适的形状。在图3C的实例中，该SWG由孔而不是柱构成。放大图316和318示出两个不同的矩形的孔尺寸。占空比可以在x和y方向上改变。图3C包括包括放大图316的等距视图320。虽然图3C中示出的孔是矩形的，但是在其他实施例中，所述孔可以是正方形、圆形、椭圆形、任何其他合适的形状。
在其他实施例中，线条间距、厚度和周期在一维和二维光栅图案中都可以连续地变化。
光栅子图案301-303中的每种还由于与每种子图案相关联的不同占空比和周期而不同地反射在一个方向（比方说x方向）上偏振的入射光。图4示出根据本发明的一个或多个实施例的来自两个单独的光栅子图案的线条的剖面图，其揭示出由反射的光获得的相位。举例来说，线条402和403可以是位于SWG 400中的第一光栅子图案中的线条，以及线条404和405可以是位于SWG 400中的其他地方的第二光栅子图案中的线条。线条402和403的厚度t 1大于线条404和405的厚度t 2，以及与线条402和403相关联的占空比η 1也大于与线条404和405相关联的占空比η 2。在x方向上偏振并且入射在线条402-405上的光变得被线条402和403俘获的时间周期相对长于所述入射光被线条404和405俘获的部分。结果，与从线条404和405反射的光部分相比，从线条402和403反射的光部分获得较大的相移。如图4的实例中所示，入射波408和410以近似相同的相位射到线条402-405上，但是从线条402和403反射的波412获得相对大于由从线条404和405反射的波414所获得的相位φ'的相移φ（即φ>φ'）。
图5示出根据本发明的一个或多个实施例的线条402-405的剖面图，其揭示出反射波前如何改变。如图5的实例中所示，具有基本上均匀的波前502的入射光射到线条402-405上，从而产生具有弯曲反射波前504的反射光。和相同的入射波前502的与具有相对较小的占空比η 2和厚度t 2的线条404和405相互作用的部分相比，入射波前502的与具有相对较大的占空比η 1和厚度t 1的线条402和403相互作用的部分产生弯曲反射波前504。反射波前504的形状与相对于由射到线条404和405上的光所获得的较小相位的、由射到线条402和403上的光所获得的较大相位一致。
图6示出由根据本发明的一个或多个实施例的SWG 602的特定光栅图案产生的示例性相位改变轮廓图600的等距视图。轮廓图600代表由从SWG 602反射的光所获得的相位改变的量值。在图6所示的实例中，SWG 602的光栅图案产生轮廓图602，所述轮廓图602在由在SWG 602的中心附近反射的光所获得的相位中具有最大量值，并且由反射光所获得的相位的量值随着远离SWG 602的中心而减小。举例来说，从子图案604反射的光获得相位φ 1，以及从子图案606反射的光获得相位φ 2。由于φ 1比φ 2大得多，因此与从子图案608反射的光相比，从子图案606反射的光获得大得多的相位。
相位改变又对从SWG反射的光的波前进行整形。举例来说，如上面参照图4和5所述，与具有相对较小占空比的线条相比，具有相对较大占空比的线条在反射光中产生较大的相移。结果，从具有第一占空比的线条反射的波前的第一部分落后于相同波前的从被配置成具有相对较小的第二占空比的不同线条集合反射的第二部分。本发明的实施例包括模制（pattern）SWG以控制相位改变并且最终控制反射波前的形状，使得可以将SWG操作为具有特定光学性质的反射镜，比如聚焦反射镜或甚至发散反射镜。
图7示出根据本发明的一个或多个实施例的被配置成操作为聚焦反射镜的SWG 702的侧视图。在图7的实例中，SWG 702被配置成具有光栅图案，使得以对应于将反射光聚焦在焦点704处的波前反射在x方向上偏振的入射光。
配置非周期性亚波长光栅
本发明的实施例包括可以将SWG配置成操作为将所期望的形状引入到从SWG反射的光的波前中的许多方式。将SWG配置成以所期望的波前进行反射的第一种方法包括对于SWG的光栅层确定反射系数分布图。所述反射系数是由下式表示的复值函数：
其中，R(λ)是SWG的反射率，以及φ(λ)是由SWG产生的相移或相位改变。图8示出针对根据本发明的一个或多个实施例的示例SWG的一定入射光波长范围内的反射率和相移的曲线图。在该实例中，光栅层被配置成具有一维光栅，并且被操作在具有垂直于光栅层的线条偏振的电场分量的法向入射下。在图8的实例中，对于近似1.2μm到近似2.0μm的波长范围内的入射光，曲线802对应于反射率R(λ)，以及曲线804对应于由SWG产生的相移φ(λ)。可以利用公知的有限元方法或者严格耦合波分析来确定反射率和相位曲线802和804。由于SWG与空气的强折射率对比度，SWG具有宽的高反射率谱区806。然而，曲线804揭示出，反射光的相位在虚线808与810之间的整个高反射率谱区内都有变化。
当线条的周期和宽度的空间尺寸以因子α均匀地改变时，反射系数分布图保持基本上不变，但是波长轴以因子α进行缩放。换句话说，当光栅已被设计成在自由空间波长λ 0具有特定反射系数R 0时，可以通过把所有光栅几何参数（比如周期、线条厚度和线条宽度）乘以因子α=λ/λ 0来设计在不同波长λ具有相同反射系数的新的光栅，从而给出
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。
另外，可以将光栅设计成具有|R(λ)|→1，但是具有空间上变化的相位，这是通过在高反射率谱窗806内不均匀地缩放原始周期性光栅的参数来实现的。假设期望在从SWG上具有横向坐标(x,y)的点反射的光部分上引入相位φ(x,y)。在点(x,y)附近，具有缓慢改变的光栅缩放因子α(x,y)的非均匀光栅在局部表现为似乎该光栅是具有反射系数R 0(λ/α)的周期性光栅。因此，给定在某一波长λ 0具有相位φ 0的周期性光栅设计，选择局部缩放因子α(x,y)=λ/λ 0来在操作波长λ给出φ(x,y)=φ 0。举例来说，假设期望在从SWG设计上的点(x,y)反射的光部分上引入近似3π的相位，但是对于点(x,y)所选择的线条宽度和周期引入近似π的相位。再次参照图8中的曲线图，所期望的相位φ 0=3π对应于曲线804上的点812和波长λ 0≈1.67μm 814，并且与点(x,y)相关联的相位π对应于曲线804上的点816和波长λ≈1.34μm。因此，缩放因子是α(x,y)=λ/λ 0=1.34/1.67=0.802，并且可以通过乘以因子α来调节在点(x,y)处的线条宽度和周期，以便在操作波长λ=1.34μm获得所期望的相位φ 0=3π。
图8中所示的反射率和相移与波长范围的关系曲线图代表可以确定SWG的参数（比如线条宽度、线条厚度和周期）以便将特定相位引入从SWG的特定点反射的光的一种方式。在其他实施例中，可以使用作为周期和占空比的函数的相位变化来构造SWG。图9示出根据本发明的一个或多个实施例的可以被用来配置SWG的作为周期和占空比的函数的相位变化的相位轮廓曲线图。图9中所示的轮廓曲线图可以利用公知的有限元方法或者严格耦合波分析来产生。诸如轮廓线901-903之类的轮廓线分别对应于由从具有位于沿着所述轮廓的任何地方的周期和占空比的光栅图案反射的光所获得的特定相位。相位轮廓被分开0.25π弧度。举例来说，轮廓901对应于对反射光施加-0.25π弧度的相位的周期和占空比，以及轮廓902对应于对反射光施加-0.5π弧度的相位的周期和占空比。在-0.25π弧度与-0.5π弧度之间的相位被施加到从具有处于轮廓901与902之间的周期和占空比的SWG反射的光。对应于700nm光栅周期和54%占空比的第一点(p,η)904以及对应于660nm光栅周期和60%占空比的第二点(p,η)906都处于轮廓901上，并且产生相同的-0.25π相移但是具有不同的占空比和线条周期间距。
图9还包括覆盖在相位轮廓表面上的对应于95%和98%反射率的两条反射率轮廓。虚线轮廓908和910对应于95%反射率，以及实线轮廓912和914对应于98%反射率。位于轮廓908与910之间的任何地方的点(p,η,φ)具有95%的最小反射率，并且位于轮廓912与914之间的任何地方的点(p,η,φ)具有98%的最小反射率。
由所述相位轮廓曲线图所代表的点(p,η,φ)可以被用来为能够被操作为具有最小反射率的特定类型的反射镜的光栅选择周期和占空比，正如下面在下一小节中所描述的那样。换句话说，在图9的相位轮廓曲线图中所代表的数据可以被用来设计SWG光学器件。在某些实施例中，所述周期或占空比可以是固定的，同时改变其他参数以设计并制造SWG。在其他实施例中，可以改变周期和占空比这二者以设计并制造SWG。
在某些实施例中，SWG可以被配置成操作为具有恒定周期和可变占空比的柱面镜。图10A示出根据本发明的一个或多个实施例的形成在光栅层1002中并且被配置成操作为用于平行于x方向偏振的入射光的聚焦柱面镜的一维SWG 1000的俯视图。图10A包括阴影区域，比如阴影区域1004-1007，每个阴影区域代表不同的占空比，其中与较浅阴影区域（比如区域1007）相比，较深阴影区域（比如区域1004）代表具有相对较大占空比的区域。图10A还包括子区域的放大图1010-1012，其揭示出线条在y方向上平行，并且线条周期间距p在x方向上是恒定的或固定的。放大图1010-1012还揭示出，占空比η随着远离中心而减小。SWG 1000被配置成把在x方向上偏振的反射光聚焦到焦点，正如上面参照图7A所描述的那样。图10A还包括在焦点处的反射束分布图的示例等距视图和俯视图轮廓曲线图1008和1010。V轴1012平行于y方向并且代表反射束的垂直分量，以及H轴1014平行于x方向并且代表反射束的水平分量。反射束分布图1008和1010指示，对于在x方向上偏振的入射光来说，SWG 1000反射高斯形状的束，其在垂直于线条的方向（x方向的“H”）上窄，并且在平行于线条的方向（“V”或y方向）上宽。
在某些实施例中，具有恒定周期的SWG可以被配置成操作为用于入射偏振光的球面镜，这是通过随着远离SWG的中心锥化光栅层的线条来实现的。图10B示出根据本发明的一个或多个实施例的形成在光栅层1022中并且被配置成操作为用于在x方向上偏振的入射光的聚焦球面镜的一维SWG 1020的俯视图。SWG 1020定义圆反射镜孔径。SWG 1020的光栅图案由环形阴影区域1024-1027代表。每个环形阴影区域代表线条的不同光栅子图案。放大图1030-1033揭示出，线条在y方向上被锥化，并且在x方向上具有恒定线条周期间距p。特别地，放大图1030-1032是在y方向上平行于虚线参考线1036延伸的相同线条的放大图。放大图1030-1032示出周期p是固定的。每个环形区域具有相同的占空比η。举例来说，放大图1031-1033包括环形区域1026内的具有基本上相同的占空比的不同线条部分。结果，环形区域的每个部分在从该环形区域反射的光中赋予相同的近似相移。举例来说，从环形区域1026内的任何地方反射的光获得基本上相同的相移φ。图10B还包括在焦点处的反射束分布图的示例等距视图和俯视图轮廓曲线图1038和1039。束分布图1038和1039揭示出，球面SWG 1020产生具有对称高斯形状的反射束，并且在V或x方向上窄于SWG 1000的反射束。
SWG 1000和1020代表可以根据本发明的一个或多个实施例配置的仅仅两种或许多不同种类的SWG。
激光器操作和腔配置
图11A-11B示出根据本发明的一个或多个实施例操作的VCSEL 100的谐振腔的剖面图。如图11A中所示，电极114和108被耦合到电压源1102，其被用来对发光层102进行电子泵浦。图11A包括SWG 122的一部分、气隙216、发光层102的一部分、以及DBR 104的一部分的放大图1104。当没有偏置被施加到VCSEL 100时，QW 210在对应的导带内具有相对较低的电子浓度并在对应的价带内具有相对较低的空电子态（或空穴）浓度，并且基本上没有光从发光层102发射。另一方面，当在VCSEL阵列100的层上施加正向偏置时，电子被注入到QW 210的导带中并且同时空穴被注入到QW 210的价带中，从而在被称作粒子数反转的过程中产生过多的导带电子和过多的价带空穴。在被称作“电子-空穴重组”或“重组”的辐射过程中，导带中的电子与价带中的空穴自发地重组。当电子与空穴重组时，最初在一定波长范围内在所有方向上发光。只要在正向偏置方向上施加适当的操作电压，就在QW 210处保持电子和空穴粒子数反转，并且电子可以自发地与空穴重组，从而在几乎所有方向上发光。
如上所述，SWG 122和DBR 104可以被配置成形成腔，其把基本上在发光层102的法向上发射并且处于窄波长范围内的光反射回到发光层102中，如由定向箭头1108所示。反射回到QW 210中的光通过连锁反应刺激从QW 210发射更多的光。注意，虽然发光层102最初通过自发发射在一定波长范围内发光，但是SWG 122被配置成选择波长λ来反射回到发光层102中，从而导致受激发射。该波长被称作纵向、轴向或z轴模式。随着时间过去，发光层102中的增益通过所述纵模变为饱和，以及该纵模开始主导来自发光层102的发光，并且其他纵模衰减。换句话说，没有在SWG 122与DBR 104之间来回反射的光在没有可观放大的情况下泄漏出VCSEL阵列100，并且随着由腔所支持的纵模开始主导而最终衰减。在SWG 122与DBR 104之间反射的主导纵模在其来回扫过发光层102时被放大，从而产生在SWG 122内终止并且延伸到DBR 104中的驻波1108，如图11B中所示。最后，波长为λ的基本上相干的光束1110从SWG 122出现。从发光层102发射的光穿透DBR 104和SWG 122，并且向光在腔中的往返相位添加贡献。DBR 104和SWG 122可以被视为完美的反射镜，其在空间上偏移以提供有效的额外相移。
由DBR 104和SWG 122产生的腔可以被配置成支持具有特定波长λ’的单一纵向或z轴腔模式。举例来说，回到图8，反射率曲线802的高反射率部分806代表可以由SWG 122反射的窄带波长。图12示出根据本发明的一个或多个实施例的以波长λ为中心的从发光层102发射的光的强度或增益分布图1204的示例曲线图1202、以及单一假设腔模式的示例曲线图1206。曲线图1206中的峰1208与由SWG 122和DBR 104形成的腔所支持的单一纵向腔模式λ’相关联。发光层102使得由强度分布图1204所代表的一定波长范围可用，所述腔从中选择由峰1210代表的具有波长λ’的纵模，其在腔内被放大并且从VCSEL 100发射。
如上面在前一小节“配置非周期性亚波长光栅”中所描述的那样，SWG 122可以被配置成对内部纵向或z轴腔模式进行整形并且操作为凹面镜。图13示出根据本发明的一个或多个实施例的示意性地代表VCSEL 100的谐振腔的配置的平凹谐振器1302。平凹谐振器1302包括平面镜1304和凹面镜1306。VCSEL 100的DBR 104对应于平面镜1304，以及SWG 122可以如上所述地被配置成操作为凹面镜，其反射光以使得光被集中在发光层102的SWG 122与DBR 104之间的区域内。举例来说，SWG 122可以被配置成以图10A和10B中代表的强度分布图来反射光。
VCSEL 100可以被配置成发射偏振腔模式。如上面在前一小节“配置非周期性亚波长光栅”中所描述的那样，SWG 122可以被配置成反射基本上垂直于线条偏振的光。换句话说，谐振腔的SWG 122也选择从发光层102发射的光的、垂直于或者平行于SWG 122的线条偏振的分量。从发光层102发射的光的偏振分量被SWG 122选择并且反射回到腔中。随着增益变为饱和，只有具有由SWG 122所选择的偏振的模式被放大。从发光层发射的光的、不垂直于SWG 122的线条偏振的分量在没有可观放大的情况下泄漏出VCSEL 100。换句话说，其偏振不同于SWG 122所选择的偏振的模式发生衰减，并且不存在于发射束中。最后，只有在SWG 122所选的方向上偏振的模式被从VCSEL 100发射。
图14示出从根据本发明的一个或多个实施例的VCSEL 100发射的偏振光的实例。从发光层102发射的光没有偏振。然而，随着时间过去，当增益饱和时，由SWG 122选择偏振态。从VCSEL 100内部入射在SWG 122上的双头箭头1402代表由SWG 122光选择偏振态。SWG 122可以如上所述地被配置成具有平行于y方向延伸的线条和凹槽。在图14的实例中，SWG 122只选择从发光层102发射的光的、在x方向上偏振的分量。所述偏振光在由SWG 122和DBR 104形成的腔内被放大，正如上面参照图12所描述的那样。如图14的实例中所示，从VCSEL 100发射的光在x方向上偏振，正如双头箭头1404所代表的那样。
除了支持对应于由所述腔沿着z轴所支持的驻波的特定的纵向或轴向振荡模式之外，还可以支持横模。横模处于腔或z轴的法向，并且被称作TEM nm 模式，其中下标m和n是横跨所出现的束的x和y方向上的横向节线的整数。换句话说，形成在腔内的束可以在其剖面内被分割成一个或多个区域。SWG可以被配置成仅仅支持一个或某些横模。
图15A示出根据本发明的一个或多个实施例的在由SWG 122和DBR 104形成的腔1502中产生的两个横模的实例。如上所述，SWG 122可以被配置成限定腔的尺寸。如图15A中所示，TEM00模式由虚曲线1502代表，以及TEM10模式由实曲线1504代表。TEM00模式没有节点，并且完全处于腔1500内。另一方面，TEM10模式沿着x方向具有一个节点，并且部分1506和1508处于腔1500之外。结果，在增益饱和期间，由于TEM00模式完全位于腔1500内，因此TEM00模式被放大。然而，由于TEM10模式的一些部分位于腔1500之外，因此TEM10模式在增益饱和期间减小并且最终衰减，同时TEM00模式继续放大。无法被腔1500支持的或者无法完全位于腔1500内的其他TEM mn 模式也衰减。
图15B示出从根据本发明的一个或多个实施例的VCSEL 100发射的TEM00的强度分布图分布的轮廓曲线图1510。在图15B所代表的实施例中，TEM00以接近平面的相干波前从SWG 122出现，并且具有由轮廓曲线图1510所代表的高斯横向辐照度分布图。所述强度分布图关于z轴对称。外部TEM00模式对应于由上面参照图10B描述的被配置成操作为球面镜的SWG 122产生的内部TEM00模式。在其他实施例中，SWG 122可以被配置成操作为柱面镜，其产生在垂直于SWG 122的线条的方向（x方向）上窄并且在平行于SWG 122的线条的方向（y方向）上宽的最低阶横模TEM00，正如上面参照图10A所描述的那样。TEM00模式可以被耦合到光纤的芯中，这是通过将光纤放置成使得光纤的芯紧邻SWG 122来实现的。SWG 122还可以被配置成发射适于耦合到中空波导中的横模，比如EH11模式。
SWG 122可以被配置成生成具有特定强度分布图图案的光束。图16示出从根据本发明的一个或多个实施例的VCSEL发射的光束的示例剖面图1602。剖面图1602揭示出沿着光束的长度具有圆环形状的强度分布图的光束。图16还包括所发射的束的强度分布图1604。换句话说，从VCSEL发射的光束具有接近圆柱形的形状。SWG 122可以被配置成生成其他种类的剖面束图案，比如艾里束或贝塞耳束分布图。
注意，根据本发明的实施例配置的VCSEL的高度和腔长度显著短于被配置成具有两个DBR的常规VCSEL的高度和腔长度。举例来说，典型的VCSEL DBR具有对应于大约5μm到大约6μm的大约15个到大约40个DBR对，而SWG可以具有从大约0.2μm到大约0.3μm的范围的厚度并且具有等同的或更高的反射率。
回到图1和2，绝缘层110被配置成提供电流和光学约束。然而，本发明的VCSEL实施例不限于具有绝缘层110，这是因为SWG可以被配置成将反射光约束到发光层的位于SWG与DBR之间的区域，正如上面参照图13A所描述的那样。图17A-17B示出根据本发明的一个或多个实施例配置的示例VCSEL 1700的等距视图以及沿着线B-B的剖面图。VCSEL 1700具有与VCSEL 100几乎完全相同的配置，除了VCSEL 100的绝缘层110不存在于VCSEL 1700中。代之以，光栅层112的SWG 122被配置成将反射光引导到发光层的位于SWG 122与DBR 104之间的区域中。
在本发明的另外其他实施例中，典型的VCSEL的两个DBR层都可以被SWG取代。图18A-18B示出根据本发明的一个或多个实施例配置的示例VCSEL 1800的等距视图以及沿着线C-C的剖面图。VCSEL 1800具有与VCSEL 100几乎完全相同的配置，除了DBR 104被具有SWG 1804的第二光栅层1804所取代。如图18B中所示，SWG 1804是悬置膜，在所述膜与发光层102之间具有气隙。SWG 1804可以被配置成具有一维或二维光栅图案，以按照与上面描述的SWG 122相同的方式操作。SWG 122和1804可以被配置成将反射光引导到发光层102的区域中，从而潜在地消除对于绝缘层110的需要。
图19示出根据本发明的一个或多个实施例的用于生成光的方法的控制流程图。在步骤1901中，对布置在由SWG/DBR或SWG/SWG腔形成的谐振腔内的发光层进行电子泵浦，正如上面参照图11A所描述的那样。在步骤1902中，光在所有方向上从发光层自发地发射。在步骤1903中，由腔支持的自发地发射的光被耦合到腔中。在步骤1904中，由腔支持的自发地发射的光刺激腔内的发光。结果，腔内的光开始放大。在步骤1905中，耦合到最低损耗的轴向、横向和偏振模式中的受激光被SWG层优先放大。在步骤1906中，只要还没有实现增益饱和，具有最低损耗的轴向、横向和偏振模式就在腔内被放大；否则，在步骤1907中，具有优选的轴向、横向和偏振模式的光被从腔发射。
出于解释的目的，前述的描述使用了特定命名法来提供对于本发明的透彻理解。然而，下述对于本领域技术人员而言将是显而易见的，即不需要特定细节以便实践本发明。前述对于本发明的特定实施例的描述是出于说明和描述的目的而给出的。它们不意图穷举本发明或者将本发明限制到所公开的精确形式。显然，鉴于上面的教导，许多修改和变化是可能的。实施例被示出和描述以便最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域技术人员能够最佳地利用本发明以及具有适合于所设想的特定用途的各种修改的各种实施例。本发明的范围意图由后面的权利要求书及其等同物来限定。

Claims (15)

1. 一种表面发射激光器，包括：
光栅层（112），其被配置成具有非周期性亚波长光栅（122）；
反射层；以及
发光层（102），其被布置在所述光栅层与反射器之间，其中所述亚波长光栅和所述反射器形成谐振腔，以及所述光栅被配置成具有光栅图案，所述光栅图案对一个或多个内部腔模式进行整形并且对从所述表面发射激光器发射的一个或多个外部横模进行整形。
2. 权利要求1所述的表面发射激光器，还包括：
布置在所述反射层上的基板（106）；
布置在所述基板上的第一电极（108）；以及
布置在所述光栅层上的第二电极（114），所述第二电极被配置成具有暴露出所述亚波长光栅的开口。
3. 权利要求1所述的表面发射激光器，其中，所述反射层还包括分布式布拉格反射器（104）。
4. 权利要求1所述的表面发射激光器，其中，所述反射层还包括第二光栅层（1702），其被配置成具有第二非周期性亚波长光栅（1704）。
5. 权利要求1或4所述的表面发射激光器，其中，所述光栅图案还包括通过凹槽分开的线条的一维图案（300）。
6. 权利要求5所述的表面发射激光器，其中，线条的所述一维图案还包括一个或多个线条子区域（301-303），每个子区域内的线条具有选择的周期和占空比。
7. 权利要求1或4所述的表面发射激光器，其中，所述光栅图案包括二维光栅图案。
8. 权利要求1或4所述的表面发射激光器，其中，所述亚波长光栅还包括悬置膜（122），其形成所述亚波长光栅与所述发光层之间的气隙（216）。
9. 权利要求1所述的表面发射激光器，还包括布置在所述发光层与所述光栅层之间的绝缘层（110），所述绝缘层包括用于电流和光学约束的开口（120）。
10. 权利要求1所述的表面发射激光器，其中，在所述谐振腔内放大并且从所述谐振腔发射的光基于所述亚波长光栅的光栅图案而被偏振（1404）。
11. 权利要求1所述的表面发射激光器，其中，所述亚波长光栅和所述反射器被配置成形成用于发射单一光模式的单模谐振腔。
12. 一种用于生成光的方法，所述方法包括：
对发光层进行电子泵浦（1901）以在谐振腔内发光，所述谐振腔被形成在包括一个或多个非周期性亚波长光栅的谐振腔内；
将光耦合到所述腔所支持的轴向模式横向中（1903）；
基于一个或多个光栅层的配置，优先放大耦合到所述腔所支持的最低损耗轴向和横向模式中的光（1905）；以及
发射与所述腔所支持的轴向和横向模式相匹配的相干光束模式（1907）。
13. 权利要求12所述的方法，发射相干光束模式还包括发射所述腔所支持的单一光模式。
14. 权利要求12所述的方法，还包括优先放大所述腔所支持的具有特定偏振的光模式。
15. 权利要求14所述的方法，还包括：所述一个或多个光栅被配置成反射具有特定偏振的光。
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