CN103597676A - 反射率调制光栅反射镜 - Google Patents

反射率调制光栅反射镜 Download PDF

Info

Publication number
CN103597676A
CN103597676A CN201280021259.3A CN201280021259A CN103597676A CN 103597676 A CN103597676 A CN 103597676A CN 201280021259 A CN201280021259 A CN 201280021259A CN 103597676 A CN103597676 A CN 103597676A
Authority
CN
China
Prior art keywords
vertical cavity
reflectivity
grating
modulation
laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201280021259.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103597676B (zh
Inventor
艾尔·萨格·钟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Danmarks Tekniskie Universitet
Original Assignee
Danmarks Tekniskie Universitet
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Danmarks Tekniskie Universitet filed Critical Danmarks Tekniskie Universitet
Publication of CN103597676A publication Critical patent/CN103597676A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103597676B publication Critical patent/CN103597676B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18302—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] comprising an integrated optical modulator
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18361—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors
    • H01S5/18363—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors comprising air layers
    • H01S5/18366—Membrane DBR, i.e. a movable DBR on top of the VCSEL
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18386—Details of the emission surface for influencing the near- or far-field, e.g. a grating on the surface
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/065—Mode locking; Mode suppression; Mode selection ; Self pulsating
    • H01S5/0651—Mode control
    • H01S5/0653—Mode suppression, e.g. specific multimode
    • H01S5/0655—Single transverse or lateral mode emission
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/11—Comprising a photonic bandgap structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H01S5/18311—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement using selective oxidation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H01S5/18316—Airgap confined
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H01S5/18322—Position of the structure
    • H01S5/18325—Between active layer and substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H01S5/18322—Position of the structure
    • H01S5/18327—Structure being part of a DBR
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18341—Intra-cavity contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/305—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure
    • H01S5/3095—Tunnel junction

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

本发明涉及包括用于调制激光器输出的反射率调制光栅反射镜(1)的垂直腔激光器(VCL)。腔由底部反射镜(4)、有源区(3)、和外耦合顶部光栅反射镜(1)形成，外耦合顶部光栅反射镜由层结构中的周期性折射率光栅区形成，层结构包括p型和n型掺杂半导体层，具有设置于其间的电光材料层(12)。光栅区包括光栅结构，光栅结构由周期性孔形成，以周期性地在垂直于振动轴的方向上改变折射率。调制电压(91)为反向偏压，施加在n型和p型掺杂层之间，以调制电光材料层(12)的折射率，从而调制光栅反射镜(1)的反射率谱。光栅反射镜(1)的反射率可以调制到几乎没有或没有外耦合的反射率与具有正常外耦合的反射率之间，其中，垂直腔激光器中的激光在第一和第二反射率处都得到支持。由于外耦合反射镜调制输出，激光不必被调制，本发明提供高调制速度下较低功率消耗的优点。

Description

反射率调制光栅反射镜
技术领域
本发明涉及包含光栅反射镜的垂直腔激光器(VCL)，光栅反射镜的反射率可以调制，以调制激光器的输出功率。
背景技术
在短距离光互连应用中，随着数据传输带宽增长，积木式器件的低能量消耗和高传输速度正成为关键技术问题。于是，优值是每个传输位的能量消耗。根据最近提供的技术路线图，见D·A·B·米勒，“用于光互连至硅芯片的器件要求”，电气与电子工程师协会会报，卷97，页1166(2009)，在2015-2020年，需要一些10s毫微微焦/位用于芯片级光互连的光发射器。
作为光发射器，垂直腔面发射体激光器(VCSEL)是一种优选的现有方案。这是因为它们的制造技术是成熟的，并且它们的能量消耗因其微小的活性材料体积而比边缘发射激光器的小很多。为了发送一位信号，光发射器的输出光强度应当调制。有两种用于调制输出光强度的方案；直接调制和间接(或外部)调制。
在直接调制方案中，激光器的电流注入被调制。这导致输出光的强度调制。最先进的结果被报道了，见Y·-C·张和L·A·科尔顿，“有效、高数据率、锥形氧化物孔的垂直腔面发射激光器”，电气与电子工程师协会量子电子学选题杂志，卷15，页704，(2009)。传输速度是35千兆位/秒，排除射频驱动电路的能量消耗是12.5毫瓦，发射波长是980纳米。所演示的357毫微微焦/位的每位能量(=12.5毫瓦/35千兆位/秒)明显是小的，但不足以用于上述应用。本方法的缺点是难以进一步增加速度或减少能量消耗：激光二极管的速度由它的本征响应和电路响应决定。本征速度由本征频率响应-3分贝带宽限定，它正比于弛豫振荡频率，fr：
f r ∝ I - I th V p - - - ( 1 )
其中，I是注入电流，Ith是阈值电流，Vp是模态体积。为了获得较高的本征速度，注入电流需要较高，而模态体积优选较小。在所演示的垂直腔面发射体激光器中，模态体积不可能进一步减小，因为3微米的氧化物孔直径非常小。对于注入电流，如果为了较高的本征速度增加电流，它将导致较高的能量消耗。另一方面，如果为了较小的能量消耗减小电流，它将导致较慢的本征速度。于是，难以在传统垂直腔面发射体激光器结构中同时进一步增加速度并减少能量消耗。也应当考虑高注入电流不利于小体积激光器的长时间稳定性。与电路响应有关的速度主要由激光器结构的串联电阻和电容决定。在所演示的垂直腔面发射体激光器中，这些寄生项已经被紧紧抑制。于是，预计不到与寄生电路项有关的速度的重大改进。
在外部调制方案中，恒定强度光产生于激光器部分中，此光的强度调制发生于集成调制器部分中。由于没有调制发生于激光器部分中，激光器部分的电流注入可以是小的，导致激光器部分的小能量消耗。于是，如果调制器部分的能量消耗也是小的，包括激光器和调制器部分的整体结构的能量消耗可以是低的。
一些参考文献公开了这样的方法。例如，在US7,593,436中，出光分布布拉格反射镜(DBR)的部分包括电光材料。于是，通过调制横跨电光材料的反向偏压，可以调制此出光分布布拉格反射镜的反射率谱。此反射率谱的调制导致允许和关闭光发射，即光输出的强度调制。上述发明发明人取得的最先进的结果被报道了，见V·A·休金，等，“超高速电光调制垂直腔面发射体激光器：模拟和实验结果，”国际光学工程学会会报，卷6889,68890H，(2008)。用于激光器部分的每位能量在注入电流1-2毫安时为40-80毫微微焦/位，而用于调制器部分的约为100毫微微焦/位。在这里，调制速度是40千兆位/秒，激光波长约是960纳米。于是，总的每位能量是140-180毫微微焦/位，这比直接调制方法的低一点，但仍然需要进一步的降低，以满足要求规格。此外，需要注意的另一个限制是使用嵌有电光材料的分布布拉格反射镜的此方法不可用于长波长垂直腔面发射体激光器(波长≥1310纳米)：为了在关注的激光波长下获得足够的反射率差异，没有电光材料的无源分布布拉格反射镜和具有电光材料的有源分布布拉格反射镜的阻带宽度应当几乎相同。至于长波长垂直腔面发射体激光器，具有大阻带宽度的介电分布布拉格反射镜或砷化镓/铝镓砷分布布拉格反射镜可以用于无源分布布拉格反射镜。但是，对于显示电光效应的有源分布布拉格反射镜，需要使用基于磷化铟的材料，它具有的阻带宽度比介电或砷化镓/铝镓砷分布布拉格反射镜的小很多。
因此，改进的调制激光器输出的方法会是有益的，尤其，提供达到非常快调制率和低能量消耗的调制激光器输出的较有效方法会是有益的。此外，在短和长波长下都工作的方法是有益的。
发明内容
本发明目的在于提供一种垂直腔激光器(VCL)和用于调制垂直腔激光器输出的方法，以解决受限于调制速度和能量消耗的现有技术的上述问题。
于是，本发明的第一方面旨在实现上述目的和几个其它目的，提供了具有反射率调制光栅反射镜的垂直腔激光器，包括：腔和有源区，腔由形成于衬底上不同层中的第一和第二反射器形成，有源区形成于腔中，腔设置为支持沿着垂直于衬底的振动轴的光振动，其中，第一反射器是由层结构中折射率光栅区形成的外耦合光栅反射镜，层结构包括p型掺杂半导体层和n型掺杂半导体层，具有设置于其间的电光材料层，光栅区包括由多个孔形成的一维或二维光栅结构，以致折射率在光栅区中在垂直于振动轴方向上周期性地或非周期性地变化；并且电接触用于独立地向电光材料层和有源区施加电偏压，其中，光栅反射镜的p型掺杂半导体层和n型掺杂半导体层充当用于电光层的电接触。
在第二方面中，本发明提供用于通过调制垂直腔激光器外耦合光栅反射镜反射率谱调制来自垂直腔激光器光发射的方法，本方法包括：提供垂直腔激光器，垂直腔激光器包括由层结构中折射率光栅区形成的外耦合光栅反射镜，层结构包括p型掺杂半导体层和n型掺杂半导体层，具有设置于其间的电光材料层，光栅区包括由多个孔形成的一维或二维光栅结构，以致折射率在光栅区中在垂直于垂直腔激光器的振动轴的方向上周期性地或非周期性地变化；在预定波长下开始垂直腔激光器中的激光作用；以及在n型掺杂半导体层和p型掺杂半导体层之间施加调制反向偏压，调制电光材料层的折射率，调制至少第一和第二反射率谱之间光栅反射镜的反射率谱，分别在预定波长下提供不同的第一和第二反射率，其中，垂直腔激光器中的激光在第一和第二反射率处得到支持。
与使用反射率调制分布布拉格反射镜的垂直腔激光器相比，例如US2007/0291808和US5408486，本发明具有下面的优点：
-与反射率调制有关的能量消耗可以显著地减少。这是因为调制光栅反射镜反射率所需电压可以比分布布拉格反射镜的小很多，并且能量消耗正比于电压的平方。这允许具有超低能量消耗的垂直腔激光器的设计。本部分稍后讨论进一步的细节。
-如“背景技术”部分所论，反射率调制分布布拉格反射镜在1310和1550纳米的波长很难实现。本发明中使用的反射率调制光栅反射镜可以在所有波长下普遍实现。
下面，将描述一些进一步的方面、优选的和/或可选的特征、要素、例子和实施。与一个实施例或方面有关的描述的特征或要素可以在可用的地方结合或用于其它实施例或方面。例如，与垂直腔激光器有关的使用的结构和功能特征也可以通过适当的调整用作与用于调制垂直腔激光器发射方法有关的特征，反之亦然。同样，出于解释的目的，给出发明者实现发明的基本机制的解释，不应当在用于推断本发明的事后分析中使用。
孔是延伸通过层结构整体的洞，从而通过p型/n型掺杂半导体层和它们之间的电光层。孔优选地由空气或任何其它折射率与层结构的大不相同的电绝缘介质填充。孔形成，以致折射率在光栅区中在垂直于振动轴的方向上周期性地或非周期性地变化，以便在激光器中得到横模限制。一个理解是非周期性光栅也可以用于此目的。在本文中，非周期性的可以是周期性的调制或真正地非周期性的。
垂直腔激光器的基本结构是形成于衬底上的层中的两个反射器之间的腔，设置为支持沿着垂直于衬底的振动轴的光振动。其它类型的激光器可以形成于没有垂直腔的层结构中，例如边缘发射激光器。这样的激光器基于具有平面内振动轴的非常不同的设计，于是，代表与本发明不同的技术领域。在本发明的优选实施例中，激光器耦合出到空气中的辐射或通过顶部反射器的波导，使这些实施例中的激光器为垂直腔面发射激光器(VCSEL，一类特殊的垂直腔激光器)。其它类型的激光器可以是非垂直腔激光器的表面发射的，例如，如果外耦合基于来自腔的散射光的发射。不是垂直腔激光器的形成于层结构中的表面发射激光器的例子可以在US6826223中找到。
选择反射器的与波长有关的反射率谱和有源区的光增益，以支持垂直腔激光器中预定波长下的激光，预定波长也称为激光器波长，优选在650纳米-2000纳米之间，例如优选在850纳米、980纳米、1060纳米、1310纳米、或1550纳米附近。
同样，在优选实施例中，第二反射器具有至少99.9%的反射率，例如优选99.9%。第二反射器可以是另一个在绝缘体上硅晶片的硅层中制造的光栅反射镜、或分布布拉格反射镜，这取决于应用和波长。
现有技术中使用二维(2D)光栅反射镜的垂直腔面发射体激光器的例子例如可以在US2007/0201526中找到。此结构与本发明在几个方面不同；其中之一是光栅反射镜的反射率不可以被调制。但是，技术是相似的，在本文中，大量提及垂直腔面发射体激光器技术。由此，当本发明使用成熟的垂直腔面发射体激光器技术，普遍展现低的功率消耗、突出的单模性能和好的模控制，本发明也是有益的。进一步，垂直腔面发射体激光器技术的使用允许不复杂的封装。
根据本发明的反射率调制光栅反射镜起到了反射器的作用，以建立垂直腔激光器的腔。光栅反射镜的高反射率与垂直入射自由空间模和光栅的横向传播模之间的共振耦合有关。垂直入射光在到达光栅时发生衍射，并且由于光栅的亚波长尺寸，所有高于零级的衍射出现于光栅平面的方向上。这些与光栅模耦合。经过一些在光栅中的传播，光栅模辐射回自由空间模。此共振耦合导致高反射率。
如上所示，用在光栅区中的电光材料优选为量子阱或II型异质结材料。根据本发明的光栅反射镜反射率调制优选基于量子限制斯塔克效应(QCSE)。反向偏压导致沿着电光材料层(量子限制系统)量子限制方向(这里垂直于层)施加强的外电场。反向偏压的建立意味着实际上没有电流会流过电光材料。改变偏压因斯塔克效应导致光吸收峰的波长和强度的偏移，从而也导致折射率的偏移(因为介质介电函数实部和虚部之间的克拉茂-克朗尼希关系)。
光栅反射镜的折射率变化在反射过程中改变了共振条件。根据上述光栅反射镜反射机制，反射率谱从而也改变。
吸收和折射率中的相对偏移取决于波长。根据本发明的工作原理，优选地选择电光材料和预定波长，以致可以选择反向偏压调制，以特别地调制电光材料中预定波长下的折射率，同时吸收基本上保持为低的。
在优选实施例中，电光材料是量子阱半导体结构或II型异质结，而半导体结设计或选择为在激光器波长下提供期望的折射率调制和微小的吸收。
量子阱结构可以在层结构中，由具有较宽带隙(例如砷化铝)的两层中间夹一个薄的半导体材料层(例如砷化镓)形成。量子阱结构，例如，可以用分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备生长，并且可以非常薄，通常厚6-10纳米。电子和空穴限制在量子阱内。
形成于层结构中的II型异质结包括两种不同的半导体材料。异质结结构也可以用分子束外延或金属有机化学气相沉积设备生长。在零电场的情况中，电子和空穴分别被微弱地限制在异质结相对的两侧。
施加电场的层，即p型/n型掺杂接触层之间未掺杂电光材料层的厚度，可以制作得很薄，这是反射率调制光栅反射镜的优点。这意味着偏压V可以是小的，它需要产生用于折射率调制的必要电场强度。由于此具有电光材料的光栅反射镜结构是电容结构，用于调制反射率的能量消耗Pmod由下式给出；
P mod = 1 2 CV 2 - - - ( 2 )
在这里，C是光栅反射镜的电容。在本发明使用的薄光栅反射镜结构中，所需电压V，例如可以小到0.2伏，这大约比使用反射率调制分布布拉格反射镜的现有技术小五倍，例如US2007/0291808和US5408486。同样，对于直径为7微米的掺杂区，电容C，例如可以是7毫微微法，这大约比现有技术大二倍，例如，使用具有七个三量子阱对和直径为7微米的掺杂区的基于分布布拉格反射镜的调制器。于是，用于光调制的能量消耗可以比现有技术中的小十倍。这允许具有超低能量消耗的垂直腔激光器的设计。
横跨电光材料的电压的调制优选地至少在所选的第一和第二电压之间，对应期望的第一和第二反射率值。优选地选择第一电压，以致第一反射率谱中激光器波长下的反射率对于垂直腔激光器中外耦合反射镜是正常值，以提供用于预期应用的典型光发射强度，同时维持激光，例如优选在99到99.5%区间内的反射率。优选地选择第二电压，以致第二反射率谱中激光器波长下的反射率极大地终止或减少发射，从而在两个发射能级之间提供二元强度调制，例如优选高于99.7%的反射率。
在光栅反射镜反射率谱调制期间，垂直腔激光器中的激光作用维持，优选地保持不变。于是，第一和第二反射率值需要选得足够高，以致激光器腔中的光子密度保持得足够高，以保持激光，而不管反射率调制。否则，发射光强度的调制速度也将受激光器腔频率响应的影响。就是说，它会落入直接调制方式。如“背景技术”部分所论，垂直腔面发射体激光器激光器腔的直接调制速度难以超过40千兆位/秒。原则上，本发明所用电光光栅反射镜的速度响应可以超过100千兆赫兹。于是，150千兆位/秒潜在地会是可能的。
优选地，在光栅反射镜的电压调制期间，不调制垂直腔激光器有源区的电偏压。
在进一步的方面，本发明提供光互连，光互连包括根据本发明第一方面的一个或多个垂直腔激光器，用于基于接收电数据信号的光数据信号的产生。光互连可以在芯片上和芯片外的层次中实施。这样的光互连可以解决电流电互连的大多数限制，例如能量消耗问题、串扰、速度限制、信道密度限制、和高速时钟限制。与现有用于芯片级光互连的激光源相比，根据本发明的激光源包含较高可取得数据率和较低能量消耗的优点。
本发明的基本思想是制作反射率可以调制的光栅反射镜，并用此反射率调制光栅反射镜调制垂直腔激光器的发射。通过调制光栅反射镜中电光材料的电场，折射率和最终光栅反射镜的反射率可以在量子限制斯塔克效应的基础上非常快地调制。由于只有电场在几乎没有电流流动时被调制，并且由于它施加的层可以制作得非常薄，可以实现非常低的功率消耗和高调制速度。
参考下面提及描述实施例的描述，本发明的这些和其它方面将是显然的。
附图说明
对于随附的附图，现在要较详细地描述本发明的实施例。附图显示实施本发明的方式，理解为不限于落入随附权利要求书范围的其它可能实施例。
图1A是本发明示例器件的示意的横截面侧视图，横截面沿着图1B中标示的线AB；
图1B是图1A中器件的俯视图；
图2是无晶片键合时制造的示例器件的横截面侧视图；
图3是具有底部硅光栅反射镜的示例器件的横截面侧视图；
图4是具有氧化物孔的示例器件的横截面侧视图；
图5A是无施加电场时电光量子阱的能带结构图；
图5B是有施加反向偏压时图5A的量子阱的能带结构图；
图5C是有(虚线)和无(实线)反向偏压时图5A的量子阱的吸收光谱，λ0表示预定的激光波长；
图5D是有(虚线)和无(实线)反向偏压时图5A的量子阱的实折射率谱；
图6A是无施加电场时电光异质结结构的能带结构图；
图6B是有施加反向偏压时图6A的异质结结构的能带结构图；
图6C是有(虚线)和无(实线)反向偏压时图6A的异质结的吸收光谱，λ0表示预定的激光波长；
图6D是有(虚线)和无(实线)反向偏压时图6A的异质结的实折射率谱；
图7是根据发明实施例嵌有电光材料的外耦合光栅反射镜的横截面图；
图8显示根据发明实施例的光栅反射镜的二维光栅结构图；
具体实施方式
图1A和1B分别显示了发明实施例横截面的侧视和俯视图。在本实施例中，器件由具有嵌入式电光材料12和光栅结构10的光栅反射镜1、空气间隙21(或牺牲层2)、有源区3、和全由衬底5支撑的分布布拉格反射镜4。光在通常是量子阱的活性材料32中产生，在光栅反射镜1和分布布拉格反射镜4之间垂直放大，通过光栅反射镜1发射。用于光产生的正向偏压92施加在p型接触84和n型接触83之间。注入的电流流过n型掺杂层34、隧道结35、p型掺杂层33、活性材料32、和n型掺杂层31。调制光栅反射镜1的反射率，以调制光发射。反向偏压91施加在p型接触81和n型接触82之间。于是，在p型掺杂层11和n型掺杂层13之间的电光材料12中，感应产生了强电场。通过调制反向偏压91，调制电场强度，由于量子限制斯塔克效应，导致了电光材料12折射率的调制。该折射率调制导致了光栅反射镜1反射率的调制和光发射的调制。
用于光产生的注入电流受限于隧道结35，光模限制由隧道结35和低折射率沟36实现，优选空气沟。由于隧道结35的光模限制是几个效应的结合；隧道结35可以设计为具有比周围材料高的折射率。此外，隧道结35内较高的电流密度进一步增大了它的折射率，而且隧道结35周围较高的温度也增大了它周围的折射率。隧道结35周围整体较高的折射率在隧道结周围提供了光限制。低折射率沟36进一步增强了光限制。但是，单独的隧道结35可以提供光限制，以致低折射率沟36可以在一些器件的设计中省略。
根据这里的描述和说明，制备本器件的详细步骤将对于传统垂直腔面发射体激光器技术的技术人员是显然的。关于图1描述的示例器件假设无源分布布拉格反射镜部分和有源部分的晶片键合。无源分布布拉格反射镜部分包括分布布拉格反射镜4，优选未掺杂的砷化镓/铝镓砷分布布拉格反射镜，和衬底5，优选砷化镓衬底。有源部分包括用于光栅反射镜1的外延层、牺牲层2、和有源区3。有源部分优选地用与磷化铟有关的材料制作，用于1310和1550纳米的激光器波长。该有源部分用外延生长设备从上层生长至下层；层11最先生长，层34最后生长。低折射率沟36在晶片键合前形成。本工序与传统长波长垂直腔面发射体激光器制备的一样。在晶片键合后，用于有源部分生长的衬底，优选磷化铟衬底，清除，并且，凸台、光栅、和接触形成。
在本示例器件中，用于光产生的接触83和84是腔内接触。但是，如果相关或必要，p型接触84可以形成于衬底5的底部。在这种情况中，分布布拉格反射镜4和衬底5应当适当地掺杂。在光栅反射镜1中，p型掺杂层11和n型掺杂层13的位置可以交换。然后，反向偏压91的方向必须相应地改变。在本交换情况中，接触82是n型接触，层13是n型掺杂材料。于是，如果相关或必要，n型接触82可以与n型接触83合并。为此，牺牲层2应当是n型掺杂的。
在图2-4的后面，描述了一些其它的实施例，有底部反射镜4和有源区3的不同结构。光栅反射镜1和空气间隙21或牺牲层2的结构与上面关于图1描述的类似。图1中同一附图标记提及的特征与关于图1描述的类似。
在图2中，说明了另一个实施例。在本实施例中，底部分布布拉格反射镜104用生长或沉积，而不是晶片键合，形成。在用外延生长设备接连形成外延层31至34后，用于光限制的沟36可以或不可以形成。然后，底部分布布拉格反射镜104用同一外延生长设备形成，或用介质沉积设备沉积。然后，载体衬底105键合。包括光栅反射镜、牺牲层、和有源区103的有源部分可以是与磷化铟有关的材料或与砷化镓有关的材料，取决于激光器波长。分布布拉格反射镜104可以是与磷化铟有关的材料、与砷化镓有关的材料和绝缘材料。
在图3中，说明了另一个实施例。在本实施例中，底部反射镜是另一个在绝缘体上硅(SOI)衬底250的硅层251中形成的光栅反射镜。在形成包括用于光栅反射镜和有源区3的层的有源部分后，沟36可以或不可以形成，用于光模限制。然后，二氧化硅层241可以沉积在有源部分上，该有源部分与关于图1或2描述的有源部分类似。此后，具有沉积二氧化硅层241的有源部分可以是与具有形成硅光栅的绝缘体上硅晶片250键合的晶片。
在图1至3说明的实施例中，隧道结35优选地位于活性材料32之下。但是，它也可以位于有源区之上。在这种情况中，p型掺杂层33的位置必须相应地改变，这将对于传统垂直腔面发射体激光器技术的技术人员是直白的。
在图4中，说明了另一个实施例。本实施例与图1或2的类似，但是，所有外延层可以优选地用与砷化镓有关的材料生长，无需任何晶片键合或再生长。生长顺序是从下层到上层，即最先是底部分布布拉格反射镜304中的分布布拉格反射镜层，最后是光栅反射镜的层13、12、和11。在本实施例中，注入的电流流过p型掺杂层333、活性材料332、和n型掺杂层331。氧化物孔335提供载流子限制和光模限制，可以用湿氧氧化形成。如果必要，n型接触83可以置于不同的位置，例如，在衬底305的底部。在那种情况中，底部分布布拉格反射镜304和衬底305应当是n型掺杂的。如果必要，另一个氧化物孔可以添加在活性材料332之下。如果相关或必要，垂直腔面发射体激光器文献中的这种已知结构的其它变例可以应用。
■反射率的调制
嵌在顶部光栅反射镜1中的电光材料12的折射率，可以通过调制施加在电光材料上的电场的强度，即通过调制反向偏压91，调制。这里优选使用的电光效应依靠量子限制斯塔克效应。但是，依靠其它效应的其它电光材料也可以使用，只要它的折射率调制量与来自量子限制斯塔克效应的可比较。
这里，描述了两种优选的电光材料：量子阱和II型异质结。量子阱结构由一个具有较小能带隙的薄层和两个包围较小带隙层的大带隙材料组成。如图5A所示，当没有(或只有弱的)外电场施加经过量子阱(E～0)时，电子501和空穴502分别限制于导带和价带的势阱中。电子态和空穴态被能量差503分开。当施加了强的外电场时(E=Eext)，能量结构相应地如图5B所示倾斜。电子态511和空穴态512之间的能级差513变得比无偏压能量差503小；这导致峰值吸收波长向较长波长偏移，如图5C所示，其中，实线和虚线分别表示没有和有外电场时量子阱的吸收光谱。有外场时量子阱的峰值吸收值(虚线)小于无外场时的(实线)。这归因于，起因于外场的电子和空穴分布的增强空间分离514导致它们之间较弱的跃迁强度，这再次导致较弱的吸收。此吸收光谱的改变伴随折射率实部的改变，如图5D所示，这用克拉茂-克朗尼希关系解释。于是，激光器发射波长λ0处光栅反射镜的电光材料层12的折射率值可以调制为施加电场强度的函数
其它电光材料、II型异质结由具有不同能带能量的两种材料组成。如图6A所示，当无(或只有弱的)外场施加时(E～0)，电子分布601和空穴分布602具有带有能量差603的不同能级，在空间中被间距604分开。当施加外场时(E=Eext)，能带变得倾斜，如图6B所示。现在，空间分离614变得小于604，而能量差613变得大于603。在图6C中，显示了无外场时(实线)和有外场时(虚线)的吸收光谱。当没有外场时，吸收因为大的空间分离604是弱的。当施加外场时，吸收光谱峰因为增大的能量差613偏向较短波长，峰值因为较小的空间分离614变得较大。结果，发射波长λ0处光栅反射镜电光材料层12的折射率调制可以实现，如图6D所示。
如图5C-D和6C-D所示，吸收和折射率中的相对偏移取决于波长，电光材料和发射波长可以选择，以致施加外场强度的调制将产生，尤其导致折射率的调制，而吸收保持得很低。例如，这种情况在波长λ0处实现，如图5C-D和6C-D所示。
如上所述，光栅反射镜电光材料层的折射率变化在反射过程中改变了共振条件。于是，反射率谱也用施加的外场，从而也用(预设的)激光器发射波长下光栅反射镜1的反射率，调制。
反向偏压91调制到第一和第二电压之间，第一和第二电压选择为对应激光器发射波长下光栅反射镜1的第一和第二反射率值。图7是根据发明实施例嵌有电光材料12的外耦合光栅反射镜1的横截面图。箭头700和701分别显示了光在光栅反射镜1处的入射以及反射。箭头703显示光透射过光栅反射镜1，从而耦合出激光器的谐振腔，导致发射。
第一电压优选地选择，以致第一反射率谱中激光器波长下的反射率值在99–99.5%的区间内，导致发射703足以用于预期应用，同时提供足够大的反射701，以维持光产生部分中的激光作用。第二电压优选地选择，以致第二反射率谱中激光器波长下的反射率值终止或减少发射703，从而在两个发射能级之间提供二元调制，如高于99.7%的反射率值。可以根据数值模拟结果决定电压值，即光栅反射镜反射率谱作为电光材料折射率变化的函数，和电光材料折射率变化作为施加电压的函数。
在优选实施例中，垂直腔激光器用作光互连中的光源，它在其中用来将一个或多个接收的数字调制的电信号转换成数字调制光信号。为此目的，反向偏压信号将根据一个或多个接收的数字调制的电信号调制。
■光限制
一些已知技术可用于限定垂直腔激光器中光模的位置，也称为横模限制或光限制；结合图1至4说明其中的几个。由于根据发明实施例的垂直腔激光器具有与已知垂直腔激光器不同的外耦合光栅反射镜，它里面调制反射率。下面，提供最适合根据本发明实施例的垂直腔激光器的光限制技术概论。
通常，缘于电流限制的载流子和升高的温度将提供弱的光限制，也称为热透镜效应。但是，为实现期望的模限制，可以使用一个或多个以下技术。
传统光波导中的模限制，通过使具有高折射率的核被具有低折射率的包层包围，来实现。这导致了基于全内反射原理的波导。
在诸如垂直腔激光器的光学谐振腔中，由于材料介电函数取决于波长，腔谐振波长的偏移对应折射率中的有效梯度，Δλ/λ=Δn/n，也参见G·R·哈德利，“用于垂直腔面发射激光器的有效折射率模型，”光学快报，卷20，期13，页1483(1995)。结果，垂直腔激光器中的横模限制，可以通过使具有长腔谐振波长的中心区(核)被具有短腔谐振波长的外围区(包层)包围，来实现。
非周期性光栅也可以用于限定横模。非周期性光栅可以设计为提供对反射光束的聚焦，同时保持高反射率，参见J·李，等，“非周期性平面介质光栅之间的强光限制，”物理评论快报，卷106，页193901(2011)。非周期性光栅方案可以在嵌有电光材料的光栅反射镜中或在没有电光材料的底部光栅反射镜中用,例如,在图3的底部硅光栅反射镜中。
增益/电流限制
几个合适的光增益介质和一些用于限定增益介质中光增益区位置的已知技术(通常称为电流限制)可用于垂直腔激光器。有源区通常可以是多量子阱材料层(一个与第一光栅反射镜电光材料层不同的层)。电流限制可以由在量子阱层之上用质子注入形成的电流孔提供。注入区变成绝缘的，作为电流孔并限定增益区。此外，光增益区可以由介孔，优选在有源区层中或附近形成的氧化物孔，限定。光增益区也可以由隧道结限定。在隧道结中，n型重掺杂和p型掺杂薄层放在一起，电流只流过该结。各种提供有源区和电流限制的形式对于设计垂直腔激光器技术领域的技术人员视为已知的。
■光栅区和光栅反射镜
光栅反射镜1包括形成于电光材料层12中以及p型和n型掺杂层11和13中的一维(1D)或2D周期性折射率光栅结构10。1D光栅结构10如图1B所示，2D光栅结构10如图8所示。光栅结构10可以通过清除层11、12和13中的材料形成，例如，通过用成熟的加工技术形成孔。孔可以留空(即空气填充)或可以潜在地用低折射率材料填充。在另一种方法中，光栅结构10用其它上述层的改进形成。
周期性折射率光栅结构10的不同1D和2D图案如图1B和8所示。在两种情况中，图案是周期性的，从而具有光子带隙(PBG)模。对于横模限制，光栅可以是非周期性的。从设计的观点看，重要的事情是哪一种型样提供期望的光子带隙模式色散和由此产生的反射镜特性。从制造的观点看，薄光栅层结构的机械稳定性、制造可行性、和制造成本需要考虑，以选择型样。
光栅结构的周期性、厚度、折射率、空气填充率、和晶格结构(例如，三角形的或正方形的晶格)决定它的光子带隙模式色散。下面，列举上述光栅结构设计参数优选的可能范围。其它范围和数值可以使用，只要它们导致期望的光子带隙模式色散。
1D或2D光栅图案的周期性范围从0.4λ到0.8λ，其中λ是关注的激光波长。光栅层的光学厚度范围通常可以是从0.5λ到1.6λ。一层的光学厚度定义为该层的物理厚度乘该层的折射率。空气填充率范围通常从20%到85%。空气填充率定义为一个光栅周期区域中空气(或其它低折射率材料)区域的分数。
光栅反射镜高反射率的根源从有关模的方面解释。有关模是垂直腔激光器腔支持的垂直谐振模和光栅反射镜的横向传播光子带隙模。这些光子带隙模是周期性折射率光栅结构10的本征模。垂直腔模中的光在入射到光栅时衍射；衍射光部分与水平光栅光子带隙模耦合；光栅模中的光与腔模反馈耦合。此耦合过程可以导致谐振，这再次导致高反射率。与耦合有关的光栅模的数量可以是一个或多个，取决于设计。预计无耦合损失，只要整个光栅结构完全是周期性的，且没有吸收。
■应用
包括根据本发明的反射率调制外耦合光栅反射镜的激光器，在要求高速调制和/或低能量消耗的应用中，是有希望的。在短距离光互连应用中，例如用于计算机的芯片级和芯片外光互连，每发送一位信号，就极其要求超低能量消耗。还没有报道具有超级每位能量消耗值以及可行制造和毫瓦级输出功率的光源。于是，本发明有潜力成为突破性的方案。在传统光通信应用中，本发明可以比分布式反馈激光器和传统长波垂直腔面发射体激光器有竞争力。与传统分布式反馈激光器相比，根据本发明的激光器将消耗较少的能量。与传统长波垂直腔面发射体激光器相比，根据本发明的激光器将具有较高的调制速度、较低的能量消耗、和较低的材料成本。最先进的垂直腔面发射体激光器在短波长下表现为350毫微微焦/位。根据本发明的激光器可以在短和长波长下都实现低于100毫微微焦/位。如果绝缘体上硅晶片上的底部分布布拉格反射镜或底部硅光栅的变质生长被使用了，晶片成本可以小到传统长波长垂直腔面发射体激光器技术的一半。
虽然已经结合具体的实施例描述了本发明，应当理解无论如何不限于显示的实施例。本发明的范围根据随附的权利要求书理解。在权利要求的正文中，词语“包括”不排除其它可能的要素或步骤。同样，提及数量，例如“一个”等，不应当理解为排除复数。权利要求中关于附图中显示要素的附图标记的使用也不应当理解为限制本发明的范围。此外，不同权利要求中提及的单独特征也许可以有益地组合，并且在不同权利要求中提及这些特征不排除特征组合是不可能的和无益的。
■参考文献
D·A·B·米勒，“用于光互连至硅芯片的器件要求”，电气与电子工程师协会会报，卷97，页1166(2009)。
张和科尔顿，“有效、高数据率、锥形氧化物孔的垂直腔面发射激光器”，电气与电子工程师协会量子电子学选题杂志，卷15，期3，页704(2009)。
US7593436
V·A·休金，等，“超高速电光调制垂直腔面发射体激光器：模拟和实验结果，”国际光学工程学会会报，卷6889,68890H，(2008)。
US6826223
US2007/0291808
US5408486
US2007/0201526
G·R·哈德利，“用于垂直腔面发射激光器的有效折射率模型，”光学快报，卷20，期13，页1483(1995)。
J·李，等，“非周期性平面介质光栅之间的强光限制，”物理评论快报，卷106，页193901(2011)。

Claims (14)

1.一种具有反射率调制光栅反射镜的垂直腔激光器(VCL)，包括：
腔，所述腔由形成于衬底上不同层中的第一和第二反射器和有源区形成，所述有源区形成于所述腔中，所述腔设置为支持沿着垂直于所述衬底的振动轴的光振动，其中所述第一反射器是由层结构中折射率光栅区形成的外耦合光栅反射镜，所述层结构包括p型掺杂半导体层和n型掺杂半导体层，具有设置于其间的电光材料层，所述光栅区包括由多个孔形成的一维或二维光栅结构，以致折射率在所述光栅区中在垂直于所述振动轴方向上周期性地或非周期性地变化；及
电接触，所述电接触用于独立地向所述电光材料层和所述有源区施加电偏压，其中所述光栅反射镜的所述p型掺杂半导体层和所述n型掺杂半导体层充当用于所述电光层的电接触。
2.根据权利要求1所述的垂直腔激光器，其中所述腔和所述有源区选择为支持所述垂直腔激光器中预定波长下的激光。
3.根据权利要求2所述的垂直腔激光器，其中所述电光材料层配置为在所述光栅反射镜的所述p型掺杂半导体层和所述n型掺杂半导体层之间施加第一和第二反向偏压时在预定波长下分别提供具有不同第一和第二反射率的第一和第二反射率谱。
4.根据权利要求2所述的垂直腔激光器，其中所述第二反射器是用绝缘体上硅晶片的硅层制造的光栅反射镜，在预定波长下具有至少99.9%的反射率。
5.根据上述任一权利要求所述的垂直腔激光器，其中所述电光材料是量子阱半导体结构。
6.根据上述任一权利要求所述的垂直腔激光器，其中所述电光材料包括II型异质结。
7.一种包括根据上述任一权利要求所述的垂直腔激光器的光互连，所述垂直腔激光器作为光源。
8.一种用于通过调制垂直腔激光器(VCL)外耦合光栅反射镜反射率谱调制来自所述垂直腔激光器的光发射的方法，所述方法包括：
提供垂直腔激光器，所述垂直腔激光器包括由层结构中折射率光栅区形成的外耦合光栅反射镜，所述层结构包括p型掺杂半导体层和n型掺杂半导体层，具有设置于其间的电光材料层，所述光栅区包括由多个孔形成的一维或二维光栅结构，以致折射率在所述光栅区中在垂直于所述垂直腔激光器的振动轴的方向上周期性地或非周期性地变化；
在预定波长下开始所述垂直腔激光器中的激光作用；及
在所述n型掺杂半导体层和所述p型掺杂半导体层之间施加调制反向偏压，调制所述电光材料层的折射率，调制至少第一和第二反射率谱之间所述光栅反射镜的反射率谱，分别在所述预定波长下提供不同的第一和第二反射率，其中所述垂直腔激光器中的激光在所述第一和所述第二反射率处得到支持。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括在所述光栅反射镜反射率谱的调制期间不断地维持所述垂直腔激光器中的所述激光作用。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中在所述光栅反射镜电压调制期间所述垂直腔激光器有源区电偏压没调制。
11.根据权利要求8至10中任一权利要求所述的方法，进一步包括，接收一个或多个数字调制电信号，根据所述电信号的所述数字调制，在所述p型掺杂半导体层和所述n型掺杂半导体层之间进行所述反向偏压的调制，以致将相同的调制加到所述光栅反射镜的反射率上，从而到所述垂直腔激光器的光输出信号。
12.根据权利要求8至11中任一权利要求所述的方法，其中所述第一反射率在99-99.5%的区间内，所述第二反射率至少为99.7%。
13.根据权利要求8至12中任一权利要求所述的方法，其中选择了所述电光材料层、所述调制电压、和所述预定波长以便所述电压调制显著地调制所述电光材料层中的折射率，而同时吸收基本上是小的。
14.根据权利要求8至12中任一权利要求所述的方法，其中所述电光材料包括量子阱半导体结构、II型异质结、或其它结构，其中所述电光材料层中的折射率调制是量子限制斯塔克效应(QCSE)或其它效应的结果，从而取决于波长；其中选择了所述电光材料层、所述调制电压、和所述预定波长，以致所述电压调制通过量子限制斯塔克效应或其它效应显著地调制所述电光材料层中的折射率，而同时吸收至少基本上是小的。
CN201280021259.3A 2011-05-17 2012-05-09 反射率调制光栅反射镜 Expired - Fee Related CN103597676B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201161486930P 2011-05-17 2011-05-17
US61/486,930 2011-05-17
EP11166358.9 2011-05-17
EP11166358.9A EP2525450B1 (en) 2011-05-17 2011-05-17 Reflectivity-modulated grating-mirror
PCT/DK2012/050157 WO2012155911A1 (en) 2011-05-17 2012-05-09 Reflectivity-modulated grating mirror

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103597676A true CN103597676A (zh) 2014-02-19
CN103597676B CN103597676B (zh) 2017-08-11

Family

ID=44533543

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201280021259.3A Expired - Fee Related CN103597676B (zh) 2011-05-17 2012-05-09 反射率调制光栅反射镜

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8917752B2 (zh)
EP (1) EP2525450B1 (zh)
KR (1) KR20140059762A (zh)
CN (1) CN103597676B (zh)
WO (1) WO2012155911A1 (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110797747A (zh) * 2019-11-06 2020-02-14 安徽大学 一种基于全介质超表面的激光发射器及参数确定方法
CN112180489A (zh) * 2019-07-03 2021-01-05 罗伯特·博世有限公司 用于光学装置的反射镜
CN113054531A (zh) * 2021-03-08 2021-06-29 苏州长光华芯光电技术股份有限公司 一种可调谐垂直腔面发射激光器及其制备方法

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130085763A (ko) * 2012-01-20 2013-07-30 삼성전자주식회사 광 집적 회로용 혼성 레이저 광원
US9077149B2 (en) 2012-12-27 2015-07-07 Empire Technology Development Llc Modulation of vertical cavity laser (VCSEL) for enhanced range of multi-modal fiber communication
EP2999980B1 (en) 2013-05-22 2021-09-29 Hewlett Packard Enterprise Development LP Optical devices including a high contrast grating lens
EP3063845A4 (en) 2013-10-29 2017-06-14 Hewlett-Packard Enterprise Development LP High contrast grating optoelectronics
JP6512666B2 (ja) * 2013-11-13 2019-05-15 ダンマークス テクニスク ユニバーシテットＤａｎｍａｒｋｓ Ｔｅｋｎｉｓｋｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｅｔ 圧縮光パルスの発生方法
US10082684B2 (en) 2014-01-24 2018-09-25 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Optical modulation employing high contrast grating lens
CN106415954A (zh) * 2014-04-07 2017-02-15 丹麦技术大学 Vcsel结构
JP6581022B2 (ja) * 2015-03-20 2019-09-25 株式会社東芝 半導体発光デバイスおよび光半導体デバイス
CN104917050B (zh) * 2015-05-25 2018-10-02 中国科学院半导体研究所 二维光栅双波长dfb激光器的制作方法
US20170047708A1 (en) * 2015-08-12 2017-02-16 Finisar Corporation Wavefunction deconfinement electro-absorption modulator
CN105841725B (zh) * 2016-03-26 2018-06-01 南京邮电大学 基于光栅耦合的可见光单片集成传感器及其制作方法
US10693275B2 (en) 2017-08-08 2020-06-23 Nokia Solutions And Networks Oy Directly modulated laser having a variable light reflector
KR102368946B1 (ko) 2017-12-15 2022-03-04 한국전자통신연구원 파장 가변 레이저 장치 및 이를 제조하는 방법
CN108233181B (zh) * 2017-12-28 2019-12-24 南京邮电大学 集成谐振光栅微腔的悬空GaN薄膜激光器及其制备方法
US11549799B2 (en) * 2019-07-01 2023-01-10 Apple Inc. Self-mixing interference device for sensing applications
EP4315532A1 (en) * 2021-03-29 2024-02-07 Excelitas Technologies Corp. Tunable vcsel polarization control with intracavity subwavelength grating
CN114879289B (zh) * 2022-05-11 2023-10-31 中国人民解放军国防科技大学 免转移石墨烯多功能器件

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080259981A1 (en) * 2007-04-19 2008-10-23 Shih-Yuan Wang Photonic device including semiconductor structure having doped region with array of subwavelength recesses
US20080298418A1 (en) * 2007-05-07 2008-12-04 Canon Kabushiki Kaisha Vertical cavity surface emitting laser
US20090196319A1 (en) * 2008-02-06 2009-08-06 Canon Kabushiki Kaisha Vertical cavity surface emitting laser

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2758472B2 (ja) 1990-01-11 1998-05-28 三菱電機株式会社 光変調器
US5056098A (en) 1990-07-05 1991-10-08 At&T Bell Laboratories Vertical cavity laser with mirror having controllable reflectivity
US5222071A (en) 1991-02-21 1993-06-22 Board Of Trustees Leland Stanford, Jr. University Dynamic optical grating device
JPH06291406A (ja) 1993-03-31 1994-10-18 Fujitsu Ltd 面発光半導体レーザ
KR960012638B1 (en) * 1993-04-09 1996-09-23 Korea Electronics Telecomm Mounting method of semiconducter wafer
US6826223B1 (en) 2003-05-28 2004-11-30 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Surface-emitting photonic crystal distributed feedback laser systems and methods
JP5037835B2 (ja) 2006-02-28 2012-10-03 キヤノン株式会社 垂直共振器型面発光レーザ
US7593436B2 (en) 2006-06-16 2009-09-22 Vi Systems Gmbh Electrooptically Bragg-reflector stopband-tunable optoelectronic device for high-speed data transfer
WO2010138524A2 (en) * 2009-05-27 2010-12-02 The Regents Of The University Of California Monolithically integrated multi-wavelength high-contrast grating vcsel array

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080259981A1 (en) * 2007-04-19 2008-10-23 Shih-Yuan Wang Photonic device including semiconductor structure having doped region with array of subwavelength recesses
US20080298418A1 (en) * 2007-05-07 2008-12-04 Canon Kabushiki Kaisha Vertical cavity surface emitting laser
CN100593889C (zh) * 2007-05-07 2010-03-10 佳能株式会社 垂直腔表面发射激光器
US20090196319A1 (en) * 2008-02-06 2009-08-06 Canon Kabushiki Kaisha Vertical cavity surface emitting laser

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DAVID A. B. MILLER: "DeviceRequirementsforOptical Interconnects to Silicon Chips", 《PROCEEDINGS OF THE IEEE》 *
N.N.LEDENTSOV: "Long-Wavelength Quantum-Dot Lasers on GaAs Substrates: From Media to Device Concepts", 《IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112180489A (zh) * 2019-07-03 2021-01-05 罗伯特·博世有限公司 用于光学装置的反射镜
CN110797747A (zh) * 2019-11-06 2020-02-14 安徽大学 一种基于全介质超表面的激光发射器及参数确定方法
CN110797747B (zh) * 2019-11-06 2020-09-01 安徽大学 一种基于全介质超表面的激光发射器及参数确定方法
CN113054531A (zh) * 2021-03-08 2021-06-29 苏州长光华芯光电技术股份有限公司 一种可调谐垂直腔面发射激光器及其制备方法
CN113054531B (zh) * 2021-03-08 2022-04-29 苏州长光华芯光电技术股份有限公司 一种可调谐垂直腔面发射激光器及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012155911A1 (en) 2012-11-22
US8917752B2 (en) 2014-12-23
CN103597676B (zh) 2017-08-11
EP2525450B1 (en) 2017-10-04
KR20140059762A (ko) 2014-05-16
EP2525450A1 (en) 2012-11-21
US20140219301A1 (en) 2014-08-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103597676A (zh) 反射率调制光栅反射镜
Larsson Advances in VCSELs for communication and sensing
KR101869414B1 (ko) 손실 변조 실리콘 소멸파 레이저
CN103636084B (zh) 激光器
CN104885003A (zh) 光波导元件以及光调制器
US7508858B2 (en) Detuned duo-cavity laser-modulator device and method with detuning selected to minimize change in reflectivity
Lv et al. Optimization of direct modulation rate for circular microlasers by adjusting mode Q factor
Ma et al. Mode and lasing characteristics for hybrid square-rectangular lasers
US20060227823A1 (en) Electroabsorption vertical cavity surface emitting laser modulator and/or detector
JP2016526799A (ja) 高コヒーレンス半導体光源
Huang et al. Ultra-broadband flat-top quantum dot comb lasers
US8687665B1 (en) Mutually injection locked lasers for enhanced frequency response
Morthier et al. InP microdisk lasers integrated on Si for optical interconnects
Duan et al. Integrated hybrid III–V/Si laser and transmitter
CN104868359A (zh) 基于耦合腔的单模高速调制法布里-珀罗半导体激光器
Kobayashi et al. Design and fabrication of wide wavelength range 25.8-Gb/s, 1.3-μm, push-pull-driven DMLs
Ledentsov et al. High-speed quantum-dot vertical-cavity surface-emitting lasers
CN1972043A (zh) 光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出方法及输出器
Stevens Modulation properties of vertical cavity light emitters
Ferrotti Design, fabrication and characterization of a hybrid III-V on silicon transmitter for high-speed communications.
Fitsios et al. Photonic crystal lasers and nanolasers on silicon
Ma et al. Design of a single-mode directly modulated orbital angular momentum laser
Keiser et al. Light Sources for Fiber Links
Alexander et al. Butterfly packaged low‐linewidth optical comb source
Ashok et al. Numerical Simulation and Analysis of Optically Pumped Micro Disk Lasers for Photonic Integrated Circuits

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20170811

Termination date: 20190509

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee