CN102820615B - 高速激光设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用在光学模块中的激光设备。该激光设备包括：第一反射器和第二反射器；适用于将电流限制在电流限制孔内的限制层；和在第一和第二反射器之间的激活层。所述激活层包括：与所述电流限制孔对齐的主激活区域和围绕该主激活区域的辅助激活区域。所述第二反射器包括：配置在所述电流限制孔上的第一反射器区域和围绕所述第一反射器区域的第二反射器区域。所述第二反射器区域和第一反射器构造成引起所述辅助激活区域中的受激复合。

Description

高速激光设备
技术领域
本发明涉及一种用于高速光纤通信系统的激光设备（lasing device），更具体地，涉及一种具有高调制带宽的垂直腔面发射激光器（VCSEL）。而且本发明涉及包括具有高调制带宽的激光设备的光互连。最后，本发明涉及用于制造高速激光设备的方法。
背景技术
在高速通信系统中通常使用的激光设备特别是垂直腔面发射激光器，包括夹置在两个高反射镜或反射器之间以便形成谐振器的腔。所述镜包括若干个交替的、具有高折射率和低折射率并且掺杂有p型和n型掺杂物或杂质以便分别形成p-n或p-i-n二极管结的半导体层。在半导体激光器中，产生激光的增益机构借由空穴和电子的复合（recombination）所产生的光而提供。复合的空穴和电子分别从二极管结的p侧和n侧注入。在电信应用中，载流子的复合通过电泵浦即通过前向偏置二极管结而产生。通常，通过将离子植入到除激光设备上的孔以外的激光设备结构各处以增大该孔周围的材料的电阻率，从而将激光设备中的电流限制到激光器的孔（aperture）。或者，可通过将激光设备的孔周围的材料氧化，从而禁止激光设备的孔周围的电流。
在电信应用中采用半导体激光器以建立用于电子设备中的光互连。这种光互连由于它们比传统缆线互连支持高得多的带宽的能力，因而近年来在电子设备中使用变得广泛。在此上下文中，用于将光信号转换成电信号以及相反转换的光学模块的开发在广泛的应用中起着至关重要的作用，例如采用光互连的中间板（mid-board）应用。
半导体激光器例如VCSEL，通常根据两种方案传送信息。在第一种方案中，激光器维持在恒定光发射状态，并且输出强度借助于由外部施加的电压所驱动的外部调制器而得到调制。因为此第一方案要求昂贵的外部装备，所以包括VCSEL的光互连是大体直接调制的。直接调制涉及改变激光器的电流输入，或者，换句话说，在偏置电流附近调制电流以便在光强中产生时间相关的输出。通常，所述电流在大于该设备的阈电流的两个值之间切换。
图7示出根据现有技术的一种激光设备4000。该激光设备包括半导体材料制成的衬底4030、第一镜4300和第二镜4100。该第一和第二镜4300和4100分别包括交替的半导体镜层4310，4320的叠层。所述层4310具有高折射率，而层4320具有低折射率。所述第一镜4300掺杂有n型掺杂物，而第二镜4100掺杂有p型掺杂物。该激光设备4000还包括在第一和第二镜4300，4100之间的腔分隔器4200。该腔分隔器4200包括第一覆层4230和第二覆层4210以及激活层4220。最后，该激光设备4000包括限定电流限制孔4021的电流限制区域4020。该电流限制区域形成在第二覆层4210中紧接第二镜4100下方。
图8是示出图7的激光设备4000的工作原理的示意图。具体地，图8示出直接调制对激光设备4000的激活层中的载流子密度的影响。该电流在大于该设备的阈电流的两个值之间切换。在激光设备4000中，载流子密度不是被完全地箝制（clamp），而是由于光场强度方面的增益饱和度以及内部发热引起的增益减小而随注射电流摆动。
图8示出沿激活层4220的光场的强度的分布。如由虚线绘图可见，光场的强度在对应于电流限制孔4021的激活层的区间中最大。该光场强度大体在周边较低，并且在激活区域的中央处较高。而且，在该激活层的周边区域中，光损失也比在该激活层的中央处较高。这导致在该激活层的周边较低的受激复合速率。当从高电流水平切换到较低电流水平时，激活层4220中的载流子密度也将从高水平切换到较低水平。如由图8可见，在阈以上的特定偏置电流时，激活层4220中的载流子密度分布由点曲线（3）示出。激活层4220的区间A指示光增益达到阈值的区域。在区间A之外，载流子密度不足以使产生的增益达到阈值。另外，在区间A内，载流子密度不是恒定的，而是在局部温度和/或局部光子密度较高之处较大。
图8示出一种特定情况，其中载流子密度向孔的中心增大。
在较高的偏置电流时，激活层4220中的温度和光子密度都增大。结果，区间A中的载流子密度也将增大以将增益维持在阈值。在较高的偏置电流时，围绕区间A的区域中的载流子密度也将增大并且将变得足够高以在围绕区间A的区间B中产生达到阈值的增益。这种表现由虚线曲线（1）示出。结果，载流子和光子经由受激复合而强烈结合的激光器的激活区域将从处于较低偏置时的区间A扩展到处于较高偏置电流时的区间A和B。
当从高偏置切换到低偏置时，因为光场强度越高的区域中受激复合越强，所以激活层的区间A中的载流子密度比激活层4220的区间B中的密度以快得多的速率减小。因此，载流子密度将在激活层4220的周边具有两个峰值，如实线（2）所示。激活层4220的区间B中的这些过剩载流子将作为贮存器，来自该贮存器的载流子将从周边流向激活层4220的中央，由此用作与激光器的激活层平行连接的电容。这延长了激光设备4000的下降时间并且对它对于调制信号的响应有负面影响。因而，普通激光设备的设计限制运用该激光设备的光互连的高速性能和调制带宽。
更确切地，因为在所述高到低转变期间，激光器4000向更低载流子密度和减小的受激复合速率演变，所以激光器4000在适应新的更低的电流水平方面减慢，由此增强了所述激活层的周边的过剩载流子密度对延长下降时间的影响。即使在施加电流波形之后光场强度恢复到它的名义值，该载流子密度将不会恢复，由此导致从过去到将来的一种动态耦合而造成例如码间干涉（inter-symbol interference）。
另外，在通过使用绝缘氧化层4020而获得电流限制的设备中，与限定该电流限制孔的绝缘氧化物相关联的有效寄生电容由横跨氧化层4020并与该氧化层底下的二极管结的电容串联的电容限定。如果该二极管是未偏置的，则该有效电容由与所述二极管的耗竭电容串联的氧化层电容给定，所述耗竭电容是所述两者中的最低者。在前向偏置下，所述二极管的电容将增大，而它的串联电阻将减小，从而导致所述结构的有效电容的总体增大。最大电容仅由氧化物电容限制，所述氧化物电容是相对较大的。
从形成在氧化层4020中的孔散播出的侧向载流子可能是显著的并且处于稳态，这将导致漏电流。该侧向载流子散播也将对绝缘氧化物4020底下的二极管结构的外部区域提供一定程度的前向偏置，由此导致该设备的有效寄生电容随偏置增大。
上述效应还限制所述激光设备的调制速度以及调制带宽。
为了克服与普通激光设备的直接调制相关联的问题，人们已提出多种解决方案以减小向激活层的周边散播出的载流子的影响。具体地，对激活区域内部载流子密度的箝制可经由减小的增益饱和度以及内部发热而得到改善。或者，可采用质子植入或图案化（patterned）隧道结技术来附加地限制所述载流子以减小在激活层周边的载流子密度。
然而，已知的技术具有的缺点是，所述附加的限制仅在该载流子限制特征的侧向几何形状与光场的横向分布相匹配的情况下是有效的。开发具有以上所提及设计的设备要求大量的设计工作并且实现起来非常复杂和昂贵。
发明内容
因此，本发明的基本问题是提供一种用于直接调制式高速光纤通信系统的激光设备，该激光设备可在高调制速度下被驱动，该激光设备具有减小的有效寄生电容，并且该激光设备可以特别简单且成本有效的方式制造并且同时允许实现一种更快的且更可靠的光纤通信系统。
此问题通过提供一种激光器结构而得以解决，该激光器结构包括在主激光器的激活层的周边具有护卫激光器（guard laser）的功能的辅助激光器。所述护卫激光器将在它与主激光器的激活区域的周边重叠的激活区域内箝制载流子密度，并且进一步引起在主激光器的激活区域的周边的附加的受激复合。
该附加的受激复合将在输入电流被切换降低时使过剩载流子密度在所述激活区域周边减小的速率增大。另外，该护卫激光器引起所述二极管结构的外部区域中的载流子注入的减小，由此限制与氧化层相关的有效寄生电容的增大。最后，本发明中所提出的解决方案不要求使用精细的和昂贵的技术例如离子植入或图案化隧道结。
根据优选实施例，本发明提供一种使用在光互连中的激光设备。该激光设备包括：第一反射器和第二反射器；适用于将电流限制在电流限制孔内的限制层；和在第一和第二反射器之间的激活层。所述激活层包括：与所述电流限制孔对齐的主激活区域和围绕该主激活区域的辅助激活区域。所述第二反射器包括：配置在所述电流限制孔上的第一反射器区域和围绕所述第一反射器区域的第二反射器区域。所述第二反射器区域和第一反射器构造成引起在所述辅助激活区域中的受激复合。
以此方式，虽然所述激活层的周边经由所述限制层而电隔离，并且载流子密度在所述激活层各处不受箝制，但是在主激活区域的周边积累的载流子的过剩可借助于由第二反射器区域所引起的受激复合而得以消耗。因为在主激活区域的周边的过剩载流子通过附加的受激复合而得以消耗，所以抑制了因载流子从周边流动到主激活区域的中央而引起的电容效应。
根据另一有利发展，所述第二反射器区域的反射系数可高于第一反射器区域的反射系数。所述第二反射器区域的更高的反射系数增大了主激活区域的周边的光场强度以及载流子的复合速率。而且，所述第二反射器区域的更高的反射系数减小辅助激活区域中的激光阈。较高的复合速率消耗过剩载流子，由此防止在主激活区域的周边载流子贮存器的形成。
根据另一发展，所述第一反射器区域与所述电流限制孔对齐，并且所述第一反射器区域的面积大于所述电流限制孔的面积。具体地，如果所述电流限制孔具有圆形形状，则所述第一反射器区域也选定成圆形，并且所述第一反射器区域的直径D1大于所述电流限制孔的直径D0。在此情况下，所述第二反射器区域选定成具有内径D2的环状，该内径D2可等于或大于所述第一反射器区域的直径D1。
在另一发展中，所述第一反射器区域的面积与所述电流限制孔的面积之间的比率S1/S0可在1.0至3.3的范围内。所述第一反射器区域和所述电流限制孔的尺寸之间的关系能够控制所述主激光器与所述护卫激光器之间的耦合，由此控制所述护卫激光器在减小主激光器的周边的过剩载流子的电容效应方面的有效性。
在根据本发明有利实施方式的一种激光设备中，所述第一反射器和第二反射器分别至少包括具有高折射率的一层和具有低折射率的一层。所述层可通过标准技术而容易地形成，并且如此获得的反射器具有在99.5%以上的最佳反射系数。
第二反射器层可制成在第二反射器区域中比在第一镜区域中更厚。第二反射器的最顶部反射器层的厚度可选定成在第二反射器区域中为四分之一波长的奇数倍，在第一反射器区域中为零或四分之一波长的偶数倍。以此方式，所述第一反射器区域和第二反射器区域可通过在传统激光设备的制造处理中简单地执行进一步的步骤而容易地限定。
在本发明的一种替代的有利实施方式中，所述第二反射器可包括配置在第二反射器区域上且适用于增大第二反射器区域的反射系数的反射器元件。因此，第二反射器的反射率可以选择性地调节，以便通过在第二反射器的顶部上生长或安装附加层从而形成所述第一和第二反射器区域，而不涉及任何蚀刻和掩模处理。
在本发明实施例中，所述第一反射器区域、主激活区域和第一反射器限定主激光器，并且所述第二反射器区域、辅助激活区域和第一反射器限定辅助激光器。
本发明激光设备还可包括第一覆层和第二覆层。所述第一和第二覆层将所述激活层夹置在两者之间以形成腔分隔器。所述腔分隔器的长度可选定成对应于发射波长的半波的整数倍。所述腔分隔器的厚度限定谐振和发射波长。
根据本发明另一发展，所述激活层包括多个交替的量子阱和势垒的叠层以及位于其任一侧的垂直限制层。
所述侧向限制层可配置在所述第一反射器与第二反射器之间，并且可包括围绕所述电流限制孔的离子植入区域或半导体氧化层。
根据本发明另一有利发展，所述第一反射器区域是盘状的，并且所述第二反射器区域是环状的。
本发明实施例涉及一种包括上述激光设备的光学模块。上述激光设备在激活区域的周边具有减小的载流子密度，并且在从高到低切换驱动电流时不会受到从周边向主激活区域的中央流回的载流子的影响。因此，该光学模块可以高调制速度驱动。安装有所述激光设备的光互连可因此用于具有增大的调制带宽的高速光纤通信系统。
本发明另一实施例提供一种形成使用在光互连中的激光设备的方法。该方法包括在半导体衬底和限制层上形成第一反射器叠层。所述限制层适用于将电流限制在电流限制孔内。激活层形成在所述第一反射器叠层上，并且包括与所述电流限制孔对齐的主激活区域和围绕该主激活区域的辅助激活区域。第二反射器叠层形成在所述激活层上，并且在该第二反射器叠层中第一反射器区域配置在所述电流限制孔上。此外，形成围绕所述第一反射器区域的第二反射器区域，其中，所述第二反射器区域和第一反射器构造成引起所述辅助激活区域中的受激复合。
附图说明
附图结合在本说明中并且形成本说明书的一部分以示意本发明的多个实施例。这些附图连同描述一起用以说明本发明的原理。所述附图仅用于示出本发明如何可制造和使用方面的优选示例和替代示例的目的，并且不应解释成将本发明限制为仅图示的和描述的实施例。此外，本发明的特征和优点将由以下和附图中所示的本发明各种实施例的更多特定描述而变得明显，其中相似的附图标记指示相似的元件，并且在附图中：
图1示出根据本发明第一实施例的激光设备的截面图；
图2示出根据本发明另一实施例的激光设备的截面图；
图3示出根据本发明另一实施例的激光设备的截面图；
图4示出根据本发明优选实施例的、使用在图1至图3的激光设备中的一种特定的激光腔；
图5示意地示出根据本发明优选实施例的激光设备的工作原理；
图6示出安装有根据本发明的激光设备的光互连的截面图；
图7示出根据现有技术的传统激光设备的截面图；
图8示出根据现有技术的普通激光设备的工作原理。
具体实施方式
在以下描述中，为了说明的目的，详尽给出具体的细节以提供对本发明的通彻理解。然而，显然本发明可在无这些具体细节的情况下得以实施。此外，熟知的结构和设备仅以更通用的形式进行描述以有助于其描述。
在以下描述中，表述“镜（mirror）”和“反射器”用于指示限定所述激光器的谐振腔的电介质层或半导体的叠层。相似地，表述“第一镜区域”和“第一反射器区域”在下文的使用中具有相同的意义；并且表述“第二镜区域”和“第二反射器区域”在下文的使用中具有相同的意义。表述“增益区域”和“腔分隔器”指示夹置在所述激光设备的反射器之间的半导体层。
本发明的基本问题是基于了下述观察，所述观察即当在直接调制式激光设备中驱动电流被切换降低时，载流子密度在中央处将比在激活层的周边以快得多的速率减小。这是因下述事实而引起，该事实即在具有较高光场强度的区域中即激活层的中央处受激复合较强。因此，过剩载流子积累在激活层的周边，起着载流子贮存器的作用，因而可能发生从该周边向激活层的中央的载流子的侧向重新分布。在高到低的转变期间，所述激光器向一种较低光子密度和减小的复合速率演变。这将增强激活层周边的所述过剩载流子密度的影响，由此延长所述激光设备的下降时间。而且，使用氧化半导体层用于限制设备中的电流的激光设备可能受到侧向载流子散播的影响，从而导致漏电流和该设备的有效寄生电容随偏置而增大。
根据本发明，对激活层的周边的载流子分布的调制通过在主激光器的周边实施辅助激光器或护卫激光器而得以减小。所述护卫激光器将在在它的激活层内箝制载流子密度，并且经由受激复合而消耗主激光器的激活层的周边的过剩载流子。另外，所述护卫激光器将减小在形成所述激光设备的二极管结构的外部区域中的载流子注入，由此限制与所述氧化层有关的有效寄生电容的增大。
图1示出根据本发明原理设计的一种激光设备的截面图。激光设备1000包括半导体材料制成的衬底1030，在衬底1030的顶部上形成第一反射器或镜1300。第一反射器1300可以是具有高反射率的任何半导体材料。在第一镜1300的顶部上还设置腔分隔器1200。腔分隔器1200包括经掺杂而具有相反导电类型的第一覆层1230和第二覆层1210。激活层1220夹置在第一和第二覆层1230和1210之间。激活层1220由本征半导体制成，并且是当所述激光器受电泵浦或光泵浦驱动时发生载流子复合的层。增益区域1200的更近距离的描述参考图4而给出。
激光设备1000还包括限定电流限制孔1021的限制层1020。限制层1020是氧化半导体材料层或氧化层。氧化层1020大体通过在激光设备1000内生长高浓度铝半导体层和进一步氧化该层而获得。被氧化部分是非导电的并且也具有较低的折射率，它也提供对于在激活层1220中产生的光场的一定程度的限制。电流限制孔1021是氧化层1020的非氧化部分。通过前向偏置激光设备1000而产生的光场和电流大部分被限制在电流限制孔1021内。
第二反射器1100形成在电流限制层1020的顶部上。第一和第二镜或反射器1300和1100掺杂有杂质，以具有相反导电类型和形成二极管结。第二镜1100和第二覆层1210是p型，而第一镜1300以及第一覆层1230是n型。激活层1220包括一层或多层本征半导体。
根据图1的结构，激光设备1000是p-i-n二极管结。然而，可根据激光设备1000的特定应用而采用与所描述的构造不同于的其它构造。此外，在替代实施方式中，第一和第二镜1300，1100可以是本征半导体或电介质，并且p型和n型半导体层可埋置在第一和第二镜1300，1200之间，以提供与激活层1220的电连接。
第二镜1100包括第一镜区域1140和围绕该第一镜区域1140的第二镜区域1130。第二镜区域1130的反射系数R2选择成高于第一镜区域1140的反射系数R1。第一镜区域1140形成在第二反射器1100中在电流限制孔1021上方。第一镜区域1140的面积大于电流限制孔1021的面积，并且还部分地重叠于紧邻地围绕电流限制孔1021的氧化层1020的一部分。然而，在本发明其它优选实施方式中，第一镜区域1140可选定成具有与电流限制孔1021相同的尺寸或较小的尺寸。
第一和第二反射器区域1140，1130可通过在第二镜1100的顶表面上增添顶部反射器1110而获得。该顶部反射器1110可以是由交替的高折射率和低折射率的电介质层制成的分布式布拉格（Bragg）反射器、金属反射器、或其组合。
在前向偏置激光设备1000时，空穴和电子将分别从p掺杂层1210和n掺杂层1230运动到激活层1220。从所述p-i-n结的p侧和n侧注入到激活层1200中的空穴和电子的复合产生光的发射。其间夹置激活层1220的第一和第二镜1300和1100与腔分隔器1200一起形成谐振腔，光在被激光设备1000发注入之前在该谐振腔中被反射。
第一镜区域1140、对应于该第一镜区域1140的区域且配置在其下方的腔分隔器1200的一部分、和第一电介质镜1300限定主激光器1400，该主激光器1400发射具有与用于制造激光设备1000的半导体材料的能级间距和与所述腔分隔器的厚度相关波长的光。相似地，围绕第一镜区域1140的第二镜区域1130、它下方的腔分隔器1200的一部分、和第一电介质镜1300限定辅助激光器1500或护卫激光器。该护卫激光器1500围绕激光设备1000的限定主激光器1400的部分。配置在第二镜区域1130下方且围绕电流限制孔1021的激活层1220的部分经由氧化层1020而被隔离。因此，空穴不能从p型镜直接注入到激活层的所述部分中。而是，载流子从激活区域1220的中央泄漏到激活区域1220的周边，所述激活区域1220的中央对应于主激光器1400的激活区域，所述激活区域1220的周边对应于辅助激光器1500的激活区域。换句话说，辅助激光器1500的复合载流子从激活层1220的中央注入。所述激活层的细节和关于所述激活层的不同区域的细节将参考图5给出。
处于或高于阈电流时，在与第一镜区域1140对应的激活层1220的中央的载流子密度大体取决于激活层中的阈增益和因此取决于电介质镜1100和1300的反射系数。总体上，在阈处的载流子密度与该激光设备的电介质镜1100和1300的反射系数成反比例。在本发明激光设备中，第二镜区域1130的反射系数R2高于第一镜区域1140的反射系数R1。此构造为辅助激光器1500提供较低阈载流子密度。主激光器和辅助激光器1400，1500和对应的激活层的设计的更详细描述将参考图5给出。
在垂直腔面发射激光器中，镜1300的反射率在大约99.5%至99.9%的范围内。此值在边缘发射激光器的情况下可更低。
关于激光设备1000的工作原理的细节也适用于如图2至图5所示的本发明所有其它实施例。
图1的激光设备1000还包括配置在第二镜1100的顶表面上的第一端子触头10和配置在衬底（未示出）的底表面上的第二端子触头。
图2示出根据本发明的激光设备2000的另一实施例。激光设备2000包括：衬底2030；第一镜2300；腔分隔器2200，所述腔分隔器2200包括经掺杂而具有相反导电类型的第一覆层2230和第二覆层2210；第二镜2100；和夹置在第二覆层2210和第二镜2100之间的电流限制层2020。第一镜2300和第二镜2100是经掺杂的，以便实现相反的导电类型。具体地，第一反射器2300和第一覆层2230掺杂有n型掺杂物，并且第二反射器2100和第二覆层2210掺杂有p型掺杂物。电流限制层2020包括电流限制孔2021。
第二镜2100包括与电流限制孔2021对应的第一镜区域2140。第一镜区域2140的面积大于电流限制孔2021的面积，并且可部分延伸在紧邻地围绕电流限制孔2021的电流限制区域2020的一部分的上方。
在一有利示例中，第一镜区域2140的面积S1与电流限制孔2021的面积S0之间的比率可为大约1.4。以上值不是万用的，其可根据所述激光设备的特定设计而改变。更确切地，最优比率S1/S0可基于特定实施方式的细节而选定，例如基于量子阱的数量、量子阱和势垒层的构成、以及第一和第二反射器的实际反射系数。该最优比率可通过直接实验而方便地获知。作为示例，具有不同面积S1的第一镜区域的多个设备可在一个衬底例如半导体晶片上处理得到。该最优设计可通过参数的直接测量而获知，所述参数例如为阈电流、差分效率（differential efficiency）和调制带宽、和/或当经调制的电流施加到所述设备时所产生的光信号的上升和下降时间。对于在电信应用中普遍使用的多种可行构造而言，比率S1/S0选定在1.0至3.3的范围中会是有利的。
在一种具体构造中，电流限制孔2021以及第一镜区域2140可具有圆形形状。在此情况下，电流限制孔和第一镜区域两者的直径D0和D1可用作参数。因此，第一镜区域2140的外径D1与电流限制孔2021的直径D0之间的比率可为1.2。同样在此情况下，最优比率D1/D2取决于特定实施方式的细节，例如取决于量子阱的数量、量子阱和势垒层的构成、和第一和第二反射器的实际反射系数。该最优比率可通过直接实验而方便地获知。作为示例，具有多个不同D1值的设备可在一个衬底上处理得到。该最优设计可通过参数的直接测量而获知，所述参数例如阈电流、差分效率和调制带宽、和/或当经调制的电流施加到所述设备时所产生的光信号的上升和下降时间。对于多种可行的构造而言，就比率D1/D0考察1.0至1.8的范围可能是有利的。
电流限制区域2020可以是如参考图1所述的氧化层，或者可通过在覆层2210中植入离子例如质子而获得。作为示例，如果该电流限制区域是通过植入而获得，则离子例如氢离子等可植入在该激光设备的结构中除电流限制孔2021以外的各处，例如在覆层2210中。离子植入破坏了所述孔周围的晶格结构，由此抑制了电流经由此区域的流动。
在另一替代实施例中，电流限制可通过图案化隧道结而获得。最后，第一端子触头2010配置在镜2100的顶表面上，并且第二端子触头（未示出）配置在衬底2030的底表面上。
激光设备2000的工作原理与激光设备1000的工作原理相同，并且将不再说明。
第一和第二镜2300和2100是分布式布拉格反射器（DBR）结构。第一镜2300包括具有交替的高折射率和低折射率的第一层2320和第二层2310的叠层。第一和第二层2320和2310的每一个具有该材料中激光波长的四分之一的厚度。根据以上设计的第一镜2300的层构成产生99%至99.9%范围内的强反射率。相似地，第二镜2100也包括具有交替的高折射率和低折射率的第一层2320和第二层2310的叠层。在本发明优选实施方式中，第一和第二镜2300，2100分别包括30对和21对的层2310，2320。然而，此构造不是限制性的，并且第一和第二镜2300，2100可包括任何数量的层，例如22层用于第二DBR 2100，34层用于第一DBR2300。
虽然在图2的具体实施例中，该镜由分布式布拉格反射器制成，但是激光设备2000的第一和第二镜也可由其它方式获得，例如使用配置在掺杂的半导体层中的薄金属膜等。
第二反射器2100包括第一镜区域2140和第二镜区域2130。第二镜区域2130比第一镜区域2140具有较高反射系数。这可通过在第二镜2100的顶表面上增添顶部反射器2110而获得。反射器2110可以是附加的由具有交替的高折射率和低折射率的电介质层或半导体制成的分布式布拉格反射器、金属反射器、或其组合。
或者，第二镜区域2130可通过改造形成第二镜2100的一个或多个第二层2310而获得，所述第二层2310通过生长该结构的仅一部分、图案化该结构和生长更多层或增添电介质层而形成第二镜2100。
仍在另一实施例中，第二镜区域2130可通过改造形成第二镜2100的一个或多个第二电介质层2310而获得，所述第二电介质层2310通过以相似于氧化孔的方式转换所述半导体层而形成第二镜2100。
附加的反射器2110的形状取决于第一镜区域2140的形状和电流限制孔2021的设计。更确切地，附加的反射器2110设计成围绕第一镜区域2140。在图2的实施例中，电流限制孔2021具有圆形形状，在此情况下第二镜2130和附加的反射器2110具有环状部分。然而，所提出的解决方案以及对它的讨论也适于具有任何形状的电流限制孔、第一镜区域和第二镜区域的设备。
第一镜区域2140、配置在它下方且与第一镜区域2140的区域对应的增益区域或腔分隔器2200的部分、和第一镜2300限定主激光器2400，该主激光器2400发射具有与制造激光设备2000所用的半导体材料的能级间距和与腔分隔器2200的厚度相关的一种或多种波长的光。相似地，围绕第一镜区域2140的第二镜区域2130，在它下方的腔分隔器2200的一部分、和第一镜2300限定辅助激光器2500或护卫激光器。该护卫激光器2500围绕激光设备2000的限定主激光器2400的部分。
在图2中，激光设备2000中的主激光器和辅助激光器的配置由垂直虚线示意地指示。具体地，该两条虚线之间的区域标明主激光器2400，而在所述虚线的外部延伸的激光设备的区域标明辅助激光器2500。相同的示意性分界用于图1和图3的实施例。
图3示出根据本发明另一实施例的激光设备3000的截面图。图3的激光设备3000包括参考图2已描述的所有部件。具体地，该激光设备包括第一和第二镜3300，3100、第一和第二覆层3230，3210、电流限制层3020和激活层3220。第一镜区域3140、配置在它下方且与第一镜区域3140的区域对应的腔分隔器3200的一部分、和第一镜3300限定主激光器3400，该主激光器3400发射具有与制造激光设备3000所用的半导体材料的能级间距和与腔分隔器3200的厚度相关的一种或几种波长的光。相似地，围绕第一镜区域3140的第二镜区域3130、在它下方的腔分隔器3200的一部分、和第一镜3300限定辅助激光器3500或护卫激光器。该护卫激光器3500围绕激光设备3000的限定主激光器3400的部分。
替代图2的实施例，镜3100的顶层3110在与第一镜区域3140对应的区域中具有经改造的厚度。更确切地，第二镜3100是包括交替的高折射率层3110和低折射率层3120的叠层的DBR反射器。这些层的厚度是该半导体材料中激光波长的四分之一的奇数倍，所述厚度为所述DBR叠层提供最高反射系数。DBR 3100终止于有高折射率层3110。此最顶部电介质层3110的厚度被改造成该半导体材料中激光波长的四分之一的偶数倍。四分之一波长的偶数倍引起DBR反射器的反相位（anti-phase）情况，由此使所述层叠的反射系数最小化。在此实施例中，第一镜区域3140因此通过沿与主激光器3500对应的区域减小第二DBR反射器的最顶部层3110的厚度而得以实现。
根据本发明的激光设备1000，2000和3000是基于砷化镓铝和砷化镓（GaAlAs/GaAs）制成的叠层而设计的，并且可发射具有在近似650nm至1,300nm范围内的波长的光。具体地，本发明中所描述的实施例发射具有850nm左右的波长的光。然而，这些设备也可设计成发射其它波长例如980纳米或1,060纳米的光。
图2和图3的激光设备可以是垂直腔面发射激光器（VCSEL）。这些VCSEL的设计是基于由Ga（1-x）AlxAs层制成的叠层。第一和第二镜2300，2100和3100，3300是分布式布拉格反射器（DBR），所述分布式布拉格反射器采用具有交替成分的成对的层来提供期望的反射系数。腔分隔器2200，3200也是Ga（1-x）AlxAs，其中x被改变来提供期望的电传输和限制特性。激活层2220，3220包括具有Ga（1-x）AlxAs势垒（未示出）的多个GaAs量子阱（未示出）。腔分隔器2200，3200的更详细描述将参考图4给出。在替代实施例中，激活层2220，3220可包括具有Ga（1-x）AlxAs势垒的张紧的Ga(1-x）InxAs量子阱。此解决方案在高性能VCSEL中是特别有利的，因为Ga(1-x）InxAs半导体材料确保更好的性能和更高的可靠性。
作为具体示例，第二DBR2100，3100可以是p掺杂的，并且第一DBR2300，3300可以是n掺杂的。衬底2030，3030可以是n掺杂的GaAs。腔分隔器2200，3200被设计为一种单独的限制结构，并且可以是具有渐变的（graded）x的Ga(1-x）AlxAs层。作为示例，x可以在0.3至0.9的范围内。激活层2220，3220可由具有Ga(1-x）AlxAs势垒（其中x在大约30%至大约40%的范围中）的3个Ga（1-x）InxAs量子阱（其中x可以在5%至10%的范围内）组成。在第二DBR镜2100，3100与腔分隔器2200，3200之间的激光设备2000，3000的p侧，设置了氧化层2020，3020。该氧化层2020，3020是薄的Ga(1-x）AlxAs层且具有在0.96至0.98的范围内的较高x值，并且从外周边向内被部分氧化以形成电流限制孔2021，3021。氧化层2020，3020的被氧化部分是非导电的并且它也具有较低折射率，该较低折射率也可提供对光场的一定程度的限制。
在替代实施例中，氧化层2020，3020也可配置在第二DBR反射器2100，3100中或在腔分隔器2200，3200中在激活层2220，3220上方的位置。在又一实施例中，除氧化层2020，3020外，还可在第一DBR镜2300，3300与腔分隔器2200，3200之间、或在第一DBR镜2300，3300内、或在腔分隔器2200，3200中在激活层2220，3220下方的位置设置第二氧化层（未示出）。
通常，氧化层2020，3020和所得的电流限制孔2021，3021布置在激光设备1000，2000，3000的p掺杂侧。相比于在n侧只布置一个孔，此构造总体上给予更好的电流限制。具体地，所述层在p型DBR 2100，3100与腔分隔器2200，3200之间或在第一对p型DBR 2100，3100之中的最接近于分隔器2200，3200的一个中。然而，也可采用多种其它构造，例如具有在p侧或在p侧和n侧的多个孔。各种构造旨在改善电流限制、减小寄生电容和优化光场的横向限制。
在图1至图3所描绘的激光设备1000，2000，3000中，电流限制孔1021，2021，3021的面积小于限定主激光器1400，2400，3400的第一镜区域1140，2140，3140的面积，并且因此它小于限定第二镜区域1130，2130，3130的环的内尺寸。电流限制孔1021，2021，3021的直径与护卫环1130，2130，3130的内径之间的关系决定主激光器1400，2400，3400与该护卫环或辅助激光器1500，2500，3500之间的耦合互作用。为了实现期望的效应，与主激光器1400，2400，3400和辅助激光器1500，2500，3500对应的激活层1220，2220，3220的部分与主激光器1400，2400，3400的光场和辅助激光器1500，2500，3500的光场应具有一定程度的重叠。
而且，在所给出的构造中，护卫环式激光器1500，2500，3500运行从而利用从主激光器的激活区域泄漏出的载流子。
如果护卫环1130，2130，3130的内径制得较大，则所述耦合减小并且在主激光器的周边的载流子密度可能随所施加的调制而更多地摆动，虽然同时仍被相对地箝制在护卫激光器1500，2500，3500的激活区域内。因此，所述护卫的效用较小。此外，因为该环的内径制得较大，所以在所述护卫激光器的激活层1220，2220，3220的一部分中的载流子密度将是实际上较低的。如果该载流子密度小于阈值，则该护卫激光器将不会发射激光并且该护卫效应将丧失。
在另一方面，如果该内径制得太小，则该护卫环将消耗注入在所述设备中的显著一部分的载流子。这实际上是将使主激光器的效率减小的一种损失机构，从而总体上导致性能降级。在极限的情况下，所述护卫激光器可通过例如消耗注入在所述设备中的载流子的过大部分而接管从而关闭主激光器。如在此说明的，第一反射器区域的直径与电流限制孔的直径之间的最优比率取决于本发明的特定实施方式。此外，如在此已说明的，该最优比率可通过直接实验而方便地获知。对于多种可行的实施方式而言，第一镜区域3140的外径D1与电流限制孔3021的直径D0之间的最优比率将在1.0至1.8的范围内。
所述电流限制孔、第一反射器区域和第二反射器区域的尺寸之间的关系，控制所述主激光器和护卫激光器之间的耦合、以及护卫激光器在减小主激光器的周边的过剩载流子的电容效应方面的有效性。具体地，对于圆形的电流限制孔，主激光器与护卫激光器之间的耦合由直径D0、D1和D2之间的关系来控制。在优选构造中，第二反射器区域的内径D2等于第一反射器区域的直径D1。在此特定构造中，主激光器与护卫激光器之间的耦合由D1和D0之间的比率来控制。
对于具有特定直径D0的限制孔，减小第一反射器区域的直径D1将提供护卫激光器与主激光器之间的较强的耦合，并更有效地减小过剩载流子的电容效应。同时，减小D1将导致注入在所述设备中的载流子的较大部分被护卫激光器消耗，由此增大来自主激光器的载流子损失，进而导致主激光器的较低效率和较高的阈电流。如可理解的，在减小来自主激光器的载流子损失和通过护卫激光器减小过剩载流子的影响之间存在折衷。电流限制孔和第一反射器区域的直径之间的最优比率取决于特定材料和所述设备的总体设计。对于普通的实践情形而言，最优比率D1/D0在1.0-1.8的范围内。
然而，因为本发明可应用于以广泛多样的材料组合和利用覆盖相对宽范围的其它具体设计参数而实现的设备，所以对于一些特定的实施方式而言，该最优比率可在此范围之外。例如，电流限制孔和第一镜区域可不是圆形的，而是具有不同的形状。在此情况下，第一镜区域3140的面积S1和电流限制孔3021的面积S0可选定为参数。如参考图2已说明的，该比率S1/S0的值可在1.0至3.3的范围内选定。有利地，该比率S1/S0可为1.4。图4示意地示出用于激光设备1000，2000和3000中的腔分隔器200的一段。该腔分隔器200包括第一覆层230和第二覆层210。该覆层230，210由半导体材料制成，并且被掺杂例如以实现相反的导电类型。在图3的具体实施例中，第一覆层230掺杂有供体（n型），而第二覆层210掺杂有受体（p型）。腔分隔器200还包括夹置在第一和第二覆层230，210之间的激活层220。
激活层220包括多层本征半导体材料。更确切地，激活层220包括交替的量子阱221和势垒222的叠层。如上述，量子阱221由Ga(1-x）InxAs层构成，其中x在5%至10%的范围内，而势垒222包括Ga(1-x）AlxAs层，其中x在30%至40%的范围内。
虽然图4示出包括3个量子阱221和2个量子阱势垒222的激活层，但是此构造不应被认为是限制性的。更确切地，根据激光设备1000，2000，3000的特定应用，激活层200可包括任何数量的量子阱221和量子阱势垒222。
激活层200还包括将量子阱和势垒221至222的叠层夹置于其间的两个本征限制层223。限制层223配置在量子阱221与覆层210，230之间并且可以是渐变的。
图5是示出根据本发明的激光设备的工作原理的示意图。虽然图5参考图3中的实施例，但是参考图5所描述和引入的原理对于图1和图2中所描述的实施例而言也是适用的。
图5特别地示出根据施加到激光设备3000的前向偏置在激活层3220中的载流子密度。曲线（1）示出在与激光设备3000的高状态相对应的高电流水平时的载流子密度。曲线（3）示出在较低电流水平时的载流子密度，而曲线（2）示出在电流从该较高水平切换到该较低水平之后不久的载流子密度。
在偏置于阈以上的理想激光器中，激活层中的载流子密度被箝制在阈载流子密度。载流子密度的箝制是在激活层中载流子密度和光场（光子密度）经由载流子的受激复合和光子的受激发射而耦合的直接效应。所述载流子密度产生所述光场的足够放大以补偿谐振器的总的光学损失。在阈值以上的载流子密度的任何增大导致超过所述总损失的增益并且导致光子密度和受激复合速率的快速增大。此过程通过消耗过剩载流子从而恢复阈水平。
在图5的激光设备3000中，因为电流增大到阈值以上，所以激活层3220中的载流子密度未被完全箝制，而是继续增大以补偿由于内部发热引起的温度增加所导致的增益减小。导致载流子密度增大的另一因素是激光设备3000中所产生的光场的强度或光子密度的增大。可能导致增益超过光损失的任何过剩载流子密度主要经由受激复合而被有效地消耗。
图5示出包括在激活层3220中的不同区间。更确切地，当激光设备3000被前向偏置时，空穴经由电流限制孔3021而从p型覆层3210注入到区间3221中。区间3221指示主激光器3400的激活区域或主激活区域。该光场强度在区间3221的中央处最大。因此，由于较高光场强度引起的较强受激复合，从而主激活区域3221中的载流子密度更快响应于偏置电流中的变化。
区间3222围绕区间3221并且被电流限制层3020遮蔽。区间3222指示辅助激活区域。因为层3020，所以抑制了载流子从覆层3210直接注入到辅助激活区域3222。因此，辅助激活区域3222主要包括从主激活区域3221泄漏的载流子。因为第二镜3100的第二镜区域3130比限定主激光器3400的第一镜区域3140具有较高的反射率，所以在辅助激活区域3222中的受激复合的速率相比于传统设计的设备而增大。这具有限制辅助激活区域3222中的载流子密度增大的效应，所述辅助激活区域3222对应于辅助激光器3500的激活区域。
以此方式，当从高电压值切换到低电压值时，在主激光器3400的激活区域的周边将没有过剩载流子，由此抑制载流子从激活层3220的周边向中央的侧向重新分布，所述侧向重新分布会引起所述激光器中的电容效应。
护卫激光器或辅助激光器1500，2500，3500的发射波长取决于激光设备1000，2000，3000的半导体材料、激活层1220，2220，3220中的半导体的能级间距、和腔分隔器1200，2200，3200的厚度。护卫激光器1500，2500，3500发射波长非常接近于主激光器1400，2400，3400的波长。因为相同的半导体材料可用于所述主激光器和辅助激光器，所以此解决方案易于实施并且更加成本有效。然而，护卫激光器并不必须发射与主激光器相同波长的光，并且本发明的思想和原理也适用于其中护卫激光器与主激光器发射不同波长的激光设备。
此外，主激光器和护卫激光器1400，1500，2400，2500，3400和3500两者可具有包括紧密间隔的若干波长的多模式发射。所述两个激光器的不同的谐振器几何形状以及载流子和光子密度分布可导致不同的模式分布以及稍不同的发射波长集合。
图6示出根据本发明的光学模块6000的截面图。光学模块6000可以是光学收发器，并且可连接到电路载体例如印刷电路板（PCB）、连接插座等，然后使用在用于中间板应用的光纤互连中或作为板内（intra-board）或板间（inter-board）模块。光学模块6000包括光学透明载体6100，在该载体6100上可固定一个或多个集成电路（未示出）或任何种类的表面安装部件。光学透明载体6100还可包括一个或多个激光设备1000，2000，3000。
光学透明载体6100可由对于限定波长是光学透明的派热克斯玻璃（pyrex glass）制成，在中间板应用中所使用的标准通信波长是850nm。然而，所述透明载体可根据该光学模块的具体应用而选定成对其它波长是透明的。而且，替代耐火玻璃，也可使用具有其它光学特性的其它类型的光学透明材料。
透明载体6100还包括在透明载体6100的第一表面6120上的第一电连接垫6030和金属配线。该第一表面6120在下文中也指示为透明载体6100的顶表面。激光设备1000，2000，3000安装在该第一表面6120上并且电连接到透明载体6100。激光设备1000，2000，3000可通过能导电的任何类型的已知手段，例如通过焊料块（solder bump）6010而附接到透明载体6100。包括在透明载体610中的金属迹线将激光设备1000，2000，3000经由所述焊料块连接到第一电连接垫或端子6030。电连接端子6030可配置在透明载体6100的周边。透明载体6100机械附接及电连接到载体衬底6400。
虽然在上述具体实施例中，激光设备1000，2000，3000安装在透明载体6100的第一表面6120上，它们也可安装在透明载体6100的任何其它表面上。
在光学模块6000的操作期间，经由所述载体衬底和所述光学透明载体而被馈送以电信号的激光设备1000，2000，3000，经由光学透明载体6100向载体衬底6400的底表面发射光。被发射的光然后可被光学耦合元件（未示出）接收并且耦合到光引导元件例如波导等中。
载体衬底6400能够操纵高频信号发送，使得光学模块6000可用于高比特速率的光纤应用。而且，透明载体6100和载体衬底6400根据倒装芯片设计而连接。
本发明另一实施例提供一种形成用于光互连的激光设备（1000，2000，3000）的方法。该方法参考图1至图3的激光设备并且包括在半导体衬底上形成第一反射器叠层（1300，2300，3300）。随后，在第一反射器叠层（1300，2300，3300）上形成腔分隔器（1200，2200，3200）。该腔分隔器包括第一和第二覆层和夹置在两者之间的激活层（1220，2220，3220）。在所述第二覆层上还形成用于将电流限制在电流限制孔（1021，2021，3021）内的限制层（1020，2020，3020）。第二反射器叠层（1100，2100，3100）形成在所述激活层上。
第二反射器叠层（1100，2100，3100）被改造来限定配置在所述电流限制孔上的第一反射器区域（1140，2140，3140）和围绕第一镜区域（1130，2130，3130）的第二镜区域（1130，2130，3130）。具体地，所述第一和第二镜区域可通过将第二反射器（1100，2100，3100）的最顶部表面覆以掩模并且随后在第二反射器（1100，2100，3100）中蚀刻浅表面凹凸图案（relief）而实现。第一镜区域（1130，2130，3130）可具有与电流限制孔相同的形状，但它的面积选定成大于电流限制孔的面积。
在激活层（1220，2220，3220）中，限定与所述电流限制孔对齐的主激活区域（3221）和围绕该主激活区域的辅助激活区域（3222）。该主激活区域大于所述电流限制孔，并且包括在所述电流限制孔底下的、载流子从p掺杂侧和n掺杂侧直接注入到其中的激活层的区间，以及紧邻地围绕所述区间的激活层的区域。
在本发明的特定实施方式中，所述电流限制孔可具有8微米的直径。所述第一反射器区域的直径可为11微米。在另一实施方式中，所述电流限制孔可为10微米，并且所述第一反射器区域的直径可为13微米。上述构造仅是特定示例，并且不应以任何方式认为是限制性的。实际上，所述电流限制孔和所述第一反射器区域的尺度可选定成不同于以上所列出的。所述电流限制孔和所述第一反射器区域的尺寸和形状可取决于所述激光设备的设计和特定应用。更确切地，这些值可取决于所述设计的其它参数和所用材料的特性，例如所述腔分隔器特别是所述覆层中所用的外延（epitaxial）材料的实际本底掺杂（backgrounddoping）。这些特性进而对用于产生不同层的生长配方和特定装置是非常具体的。因此，电流限制孔的尺寸和第一反射器区域的尺寸可偏离于给定值。
以上方法描述一种用于改造第二反射器（1100，2100，3100）的蚀刻技术。然而，也可根据本发明另一实施方式采用替代方法。更确切地，第二镜区域（1130，2130，3130）可通过在第二反射器（1100，2100，3100）的一部分上生长另一反射器叠层以便限定与第一反射器区域对应的具有期望形状的凹凸图案而得以形成。或者，高度反射材料层，例如金属层等，可安装在第二反射器1100，2100，3100上。
如上所述形成的第二反射器区域和第一反射器引起所述辅助激活区域中的受激复合。
本发明提供一种用于高比特速率的直接调制式光互连的、对偏置电压的高到低转变具有改善的响应的激光设备。
根据本发明，辅助激光器或护卫激光器围绕主激光器，这消耗了围绕主激光器的激活区域的过剩载流子，并且因此减小了在主激光器的激活区域中过剩载流子的电容效应。这通过提供一种围绕主激光器、包括比主激光器的反射器具有较高反射率的反射器的谐振腔而获得。以此方式，在围绕主激光器的激活层的区域中的光场强度可增大，以增加在主激光器的周边的受激复合的速率，由此消耗所述过剩载流子。以上参考图1至图6描述的解决方案，容许以低成本和简单的设计生产一种能够支持用于25Gb/s和更高比特速率应用的高调制带宽的激光设备和光学模块。

Claims (13)

1.一种使用在光互连中的激光设备(1000，2000，3000)，该激光设备包括：
第一反射器(1300，2300，3300)和第二反射器(1100，2100，3100)；
限制层(1020，2020，3020)，所述限制层(1020，2020，3020)适用于将电流限制在电流限制孔(1021，2021，3021)内；
所述第一和第二反射器之间的激活层(1220，2220，3220)，所述激活层包括与所述电流限制孔(1021，2021，3021)对齐的主激活区域(3221)和围绕该主激活区域(3221)的辅助激活区域(3222)；
其中，所述限制层位于所述激活层和所述第二反射器之间，所述第二反射器(1100，2100，3100)包括：配置在所述电流限制孔(1021，2021，3021)上的第一反射器区域(1140，2140，3140)和围绕所述第一反射器区域(1140，2140，3140)的第二反射器区域(1130，2130，3130)；
其中，所述第一反射器区域(1140，2140，3140)、主激活区域(3221)和第一反射器(1300，2300，3300)限定主激光器(1400，2400，3400)，所述第二反射器区域(1130，2130，3130)、辅助激活区域(3222)和第一反射器(1300，2300，3300)限定辅助激光器(1500，1500，3500)；
其中，所述第二反射器区域(1130，2130，3130)和第一反射器(1300，2300，3300)，构造成引起所述辅助激活区域(3222)中的受激复合；并且
其中，所述第二反射器区域(1130，2130，3130)的反射系数高于第一反射器区域(1140，2140，3140)的反射系数。
2.如权利要求1所述的激光设备(1000，2000，3000)，其中，所述第一反射器区域(1130，2130，3130)与所述电流限制孔(1021，2021，3021)对齐，并且所述第一反射器区域(1130，2130，3130)的面积大于所述电流限制孔(1021，2021，3021)的面积。
3.如权利要求1或2所述的激光设备(1000，2000，3000)，其中，第一反射器区域(1130，2130，3130)的面积与所述电流限制孔(1021，2021，3021)的面积之间的比率S1/S0在从1.0至3.3的范围中。
4.如权利要求1或2所述的激光设备(1000，2000，3000)，其中，所述第一反射器(1300，2300，3300)和第二反射器(1100，2100，3100)分别至少包括：具有高折射率的一个反射器层(1310，2310，3310)和具有低折射率的一个反射器层(1320，2320，3320)。
5.如权利要求3所述的激光设备(1000，2000，3000)，其中，所述第一反射器的层在所述第二反射器区域中较厚。
6.如权利要求5所述的激光设备(1000，2000，3000)，其中，所述第二反射器(3100)的最顶部反射器层(3110)的厚度在第二反射器区域(3130)中为四分之一波长的奇数倍，在第一反射器区域(3140)中为零或四分之一波长的偶数倍。
7.如权利要求1或2所述的激光设备(1000，2000，3000)，其中，所述第二反射器(1100，2100)包括配置在所述第二反射器区域(1130，2130)上的反射器元件(1110，2110)，所述反射器元件(1110，2110)适用于增大所述第二反射器区域(1130，2130)的反射系数。
8.如权利要求1或2所述的激光设备(1000，2000，3000)，还包括：第一覆层(1230，2230，3330)和第二覆层(1210，2210，3310)、夹置在所述第一和第二覆层之间以便形成腔分隔器(1200，2200，3200)的激活层(1220，2220，3220)，其中
所述腔分隔器(1200，2200，3200)的长度选定成对应于发射波长的半波的整数倍。
9.如权利要求1或2所述的激光设备(1000，2000，3000)，其中，所述激活层(1220，2220，3220，200)包括：多个交替的量子阱(221)和势垒(222)的叠层以及位于其任一侧的限制层(223)。
10.如权利要求1或2所述的激光设备(1000，2000，3000)，其中，所述限制层(1020，2020，3020)配置在所述第一反射器(1300，2300，3300)与第二反射器(1100，2100，3100)之间，并且包括围绕所述电流限制孔(1021，2021，3021)的离子植入区域或半导体氧化层。
11.如权利要求1或2所述的激光设备(1000，2000，3000)，其中，所述第一反射器区域(1140，2140，3140)是盘状的，并且所述第二反射器区域(1130，2130，3130)是环状的。
12.一种包括如权利要求1至11的任一项所述的激光设备(1000，2000，3000)的光学模块。
13.一种用于形成使用在光互连中的激光设备(1000，2000，3000)的方法，该方法包括：
在半导体衬底(1030，2030，3030)上形成第一反射器(1300，2300，3300)；
形成限制层(1020，2020，3020)，该限制层(1020，2020，3020)适用于将电流限制在电流限制孔(1021，2021，3021)内，
形成与所述电流限制孔(1021，2021，3021)对齐的激活层(1220，2220，3220，220)和围绕主激活区域(3221)的辅助激活区域(3222)；
在所述激活层(1220，2220，3220，220)上方、并且在所述限制层(1020，2020，3020)上方形成第二反射器(1100，2100，3100)；
其中，所述第二反射器(1100，2100，3100)包括：配置在所述电流限制孔(1021，2021，3021)上的第一反射器区域(1140，2140，3140)和围绕所述第一反射器区域(1140，2140，3140)的第二反射器区域(1130，2130，3130)，其中所述第二反射器区域(1130，2130，3130)的反射系数高于第一反射器区域(1140，2140，3140)的反射系数；
由所述第一反射器区域(1140，2140，3140)、主激活区域(3221)和第一反射器(1300，2300，3300)限定主激光器(1400，2400，3400)，
由所述第二反射器区域(1130，2130，3130)、辅助激活区域(3222)和第一反射器(1300，2300，3300)限定辅助激光器(1500，1500，3500)，和
其中，第二反射器区域(1130，2130，3130)和第一反射器(1300，2300，3300)构造成引起所述辅助激活区域(3222)中的受激复合。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160226591A1 (en) 2015-02-04 2016-08-04 International Business Machines Corporation Integrated parallel optical transceiver
JP7014179B2 (ja) * 2016-12-20 2022-02-01 ソニーグループ株式会社 発光素子
US10892601B2 (en) * 2018-05-24 2021-01-12 Stanley Electric Co., Ltd. Vertical cavity light-emitting element
US20190372309A1 (en) * 2018-05-30 2019-12-05 Nlight, Inc. Large optical cavity (loc) laser diode having quantum well offset and efficient single mode laser emission along fast axis
US11677040B2 (en) * 2019-11-21 2023-06-13 Raytheon Company Method and apparatus for enhanced photoconductivity of semiconductor
CN112398001B (zh) * 2020-10-10 2022-04-05 华芯半导体研究院(北京)有限公司 新型复合量子阱结构的vcsel芯片结构及制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1845407A (zh) * 2005-04-08 2006-10-11 富士施乐株式会社 表面发光半导体激光器阵列及使用其的光传输系统

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5867516A (en) * 1996-03-12 1999-02-02 Hewlett-Packard Company Vertical cavity surface emitting laser with reduced turn-on jitter and increased single-mode output
JPH09283836A (ja) * 1996-04-09 1997-10-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd 面発光型半導体レーザ装置
US5903590A (en) * 1996-05-20 1999-05-11 Sandia Corporation Vertical-cavity surface-emitting laser device
JP3449516B2 (ja) * 1996-08-30 2003-09-22 株式会社リコー 半導体多層膜反射鏡および半導体多層膜反射防止膜および面発光型半導体レーザおよび受光素子
WO1998019375A1 (fr) * 1996-10-30 1998-05-07 Hitachi, Ltd. Machine de traitement optique de l'information et dispositif a semi-conducteur emetteur de lumiere afferent
ATE200944T1 (de) * 1999-02-11 2001-05-15 Avalon Photonics Ltd Halbleiterlaser und herstellungsverfahren
JP3116088B2 (ja) * 1999-03-05 2000-12-11 東京工業大学長 面発光レーザ装置
US6411638B1 (en) * 1999-08-31 2002-06-25 Honeywell Inc. Coupled cavity anti-guided vertical-cavity surface-emitting laser
JP2001284722A (ja) * 2000-03-29 2001-10-12 Seiko Epson Corp 面発光型半導体レーザおよびその製造方法
US6931042B2 (en) * 2000-05-31 2005-08-16 Sandia Corporation Long wavelength vertical cavity surface emitting laser
US6727520B2 (en) * 2000-12-29 2004-04-27 Honeywell International Inc. Spatially modulated reflector for an optoelectronic device
US6628694B2 (en) * 2001-04-23 2003-09-30 Agilent Technologies, Inc. Reliability-enhancing layers for vertical cavity surface emitting lasers
JP2004063707A (ja) * 2002-07-29 2004-02-26 Fuji Xerox Co Ltd 表面発光型半導体レーザ
JP2004288674A (ja) * 2003-03-19 2004-10-14 Fuji Xerox Co Ltd 面発光型半導体レーザおよびそれを用いた光通信システム
JP3838218B2 (ja) * 2003-05-19 2006-10-25 ソニー株式会社 面発光型半導体レーザ素子及びその製造方法
JP3738849B2 (ja) * 2003-08-07 2006-01-25 セイコーエプソン株式会社 面発光型半導体レーザ、光モジュール、ならびに光伝達装置
JP4919639B2 (ja) * 2004-10-13 2012-04-18 株式会社リコー 面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよび面発光レーザ素子の製造方法および面発光レーザモジュールおよび電子写真システムおよび光通信システムおよび光インターコネクションシステム
JP2007129165A (ja) * 2005-11-07 2007-05-24 Toshiba Corp 面発光型半導体素子とその製造方法
US20070217472A1 (en) * 2006-03-14 2007-09-20 Doug Collins VCSEL semiconductor devices with mode control
KR100860696B1 (ko) * 2006-09-14 2008-09-26 삼성전자주식회사 수직 공진형 표면 방출 레이저
KR100842540B1 (ko) * 2006-12-20 2008-07-01 삼성전자주식회사 수직공진 표면발광 레이저장치 및 그 제조방법
JP2009182210A (ja) * 2008-01-31 2009-08-13 Rohm Co Ltd 面発光型半導体レーザ
JP5038371B2 (ja) * 2008-09-26 2012-10-03 キヤノン株式会社 面発光レーザの製造方法
JP4868004B2 (ja) * 2009-02-06 2012-02-01 ソニー株式会社 面発光型半導体レーザおよびその製造方法
JP5532321B2 (ja) * 2009-11-17 2014-06-25 株式会社リコー 面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ、光走査装置及び画像形成装置
JP5527714B2 (ja) * 2009-11-18 2014-06-25 株式会社リコー 面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ、光走査装置及び画像形成装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1845407A (zh) * 2005-04-08 2006-10-11 富士施乐株式会社 表面发光半导体激光器阵列及使用其的光传输系统

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012253351A (ja) 2012-12-20
US20120307855A1 (en) 2012-12-06
TWI544707B (zh) 2016-08-01
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US8798112B2 (en) 2014-08-05
CN102820615A (zh) 2012-12-12
EP2533380B8 (en) 2017-08-30
TW201306406A (zh) 2013-02-01
JP6226512B2 (ja) 2017-11-08
CA2778625C (en) 2018-10-30
CA2778625A1 (en) 2012-12-06
EP2533380A1 (en) 2012-12-12

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