CN103907251A - 垂直腔面发射激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了垂直腔面发射激光器(“VCSEL”)和VCSEL阵列。一方面，面发射激光器包含光栅层和孔隙层，所述光栅层与反射层形成用于从光发射层发射的光的波长的共振腔，所述孔隙层设置于所述共振腔内。VCSEL包含设置于所述光栅层和所述光发射层之间的电荷载流子传输层。所述传输层具有与亚波长光栅相邻的间隙以及所述间隙和所述光发射层之间的间隔区域。所述间隔区域和间隙被制作成具有对所述波长基本透明的尺度。所述孔隙层引导电荷载流子进入所述光发射层的与所述孔隙层中的孔隙相邻的区域，并且所述孔隙限制从所述光发射层发射的光模。

Description

垂直腔面发射激光器

背景技术

半导体激光器表示现今使用的激光器的最重要的种类之一，因为其能够用在包含显示器、固态照明、传感器、打印机、以及电信(仅举几例)的多种多样的系统中。主要使用的半导体激光器的两种类型是边发射激光器和面发射激光器。边发射激光器生成以基本平行于光发射层的方向行进的光。另一方面，面发射激光器生成正交于光发射层行进的光。面发射层比典型的边发射激光器具有若干优点：其更有效率地发射光并且能够以二维光发射阵列布置。

典型的面发射激光器的光发射层夹置在两个反射器之间，并且该激光器被称为垂直腔面发射激光器(“VCSEL”)。反射器典型地是分布式布拉格反射器(“DBR”)，其理想地形成具有大于99％的用于光反馈的反射率的共振腔。DBR由具有周期性的折射率变化的多个交替的电介质层或半导体层构成。DBR内的两个相邻的层具有不同的折射率并且被称为“DBR对”。DBR反射率和带宽取决于每一层的组成材料的折射率对比和每一层的厚度。用于形成DBR对的材料典型地具有相似的组分，并且因此具有相对小的折射率差异。从而，为了实现大于99％的腔反射率并且提供窄的镜带宽，DBR在任何地方具有从大约15至大约40或更多的DBR对。然而，制造具有大于99％的反射率的DBR被证明是困难的，尤其是对于设计为发射具有电磁谱的蓝绿和远红外(long-infrared)部分中的波长的光的VCSEL。

物理学家和工程师继续寻求VCSEL设计、操作以及效率上的提高。

附图说明

图1A-1B分别示出了范例VCSEL的等距视图和分解等距视图。

图2示出了沿着图1A中示出的VCSEL的线I-I的横截面视图。

图3示出了图1中示出的VCSEL的光栅层的分解等距视图。

图4示出了对于一维亚波长光栅的波长范围上的反射比和相移的绘图。

图5示出了被连接至电压源的图1中示出的VCSEL的横截面视图。

图6示出了图1中示出的VCSEL的共振腔中的电磁驻波的表示。

图7示出了具有输出束的表示的图1中示出的VCSEL的横截面视图。

图8A示出了图1中示出的VCSEL的共振腔中的三个横模的范例强度分布。

图8B-8C示出了VCSEL的共振波长和品质因子与孔隙层的孔隙直径的关系的绘图。

图9示出了图1中示出的VCSEL的光发射层的范例强度分布与波长的关系的绘图。

图10A示出了范例VCSEL的横截面视图。

图10B示出了范例VCSEL的横截面视图。

图11A-11B分别示出了范例VCSEL阵列的等距视图和横截面视图。

图12示出了从图11中示出的VCSEL阵列的光发射层发射的光的范例强度分布与波长的关系的绘图。

具体实施方式

公开了垂直腔面发射激光器(“VCSEL”)和VCSEL阵列。每一个VCSEL，不论是单独的VCSEL还是VCSEL阵列中的VCSEL，包含介电孔隙层和亚波长光栅(“SWG”)。SWG是VCSEL共振腔的反射面之一。选定SWG图形，使得从VCSEL输出具有期望的波长的光的束。每一个VCSEL的孔隙层中的孔隙限制光模和横向中的电流。通常，每一个VCSEL具有小的模体积、大致单个空间输出模，在窄的波长范围上发射光，以及能够发射具有单个偏振的光。

在下面的描述中，术语“光”指的是具有电磁谱的可见和非可见部分中的波长的电磁辐射，包含电磁谱的红外和紫外部分。

具有亚波长光栅的VCSEL

图1A-1B分别示出了范例VCSEL100的等距视图和分解等距视图。VCSEL100包含设置于分布式布拉格反射器(“DBR”)104上的光发射层102，分布式布拉格反射器(“DBR”)104反过来设置于n类型接触部106上。VCSEL100也包含设置于光发射层102上的孔隙层108、设置于孔隙层108上的电荷载流子传输层110、设置于传输层110上的光栅层112、以及设置于光栅层112上的环形的p类型接触部114。如图1A的范例中示出的，p类型接触部114包含暴露光栅层112的SWG118的圆形的开口116。开口116容许由VCSEL100生成的光基本垂直于层的xy平面发射，如由方向箭头120指示的(即，光从VCSEL100穿过开口116在z方向上发射)。图1B的分解等距视图显示，传输层110包含盘形的凹进区域，盘形的凹进区域在凹进区域和SWG118之间形成以下描述的间隙或空气间隙120。传输层110也包含填充孔隙层108中的开口或孔隙124的盘形的凸起122。应当指出，实施例不限于圆形的开口116和124。在其它实施例中，开口116和124能够是正方形、椭圆形或任何其它适合的形状。

层102、108、110、和112、DBR104以及接触部106和114由化合物半导体材料的各种组合构成。化合物半导体包含III-V族化合物半导体和II-VI族化合物半导体。III-V族化合物半导体由从硼(“B”)、铝(“Al”)、镓(“Ga”)、以及铟(“In”)选定的IIIa列元素与从氮(“N”)、磷(“P”)、砷(“As”)以及锑(“Sb”)选定的Va列元素的组合构成。根据III和V族元素的相对数量对III-V族化合物半导体进行分类，诸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。例如，二元半导体化合物包含但不限于：GaAs、GaAl、InP、InAs以及GaP；三元化合物半导体，包含但不限于In_yGa_y-1As或GaAs_yP_1-y，其中y的范围在0和1之间；以及四元化合物半导体，包含但不限于In_xGa_1-xAs_yP_1-y，其中x和y的范围独立地均在0和1之间。II-VI族化合物半导体由从锌(“Zn”)、镉(“Cd”)、汞(“Hg”)选定的IIb列元素与从氧(“O”)、硫(“Ｓ”)以及硒(“Se”)选定的VIa元素的组合构成。例如，适合的II-VI族化合物半导体包含但不限于为二元II-VI族化合物半导体的范例的CdSe、ZnSe、ZnS以及ZnO。

能够使用化学气相沉积、物理气相沉积或晶圆键合来形成VCSEL100的层。能够使用反应离子刻蚀、聚焦束研磨(focusing beam milling)或纳米压印光刻在光栅层112中形成SWG118，并且将光栅层112晶圆键合至传输层110。

在于此描述的范例中，DBR104和接触部106掺杂有n类型杂质，而接触部114掺杂有p类型杂质。替代地，DBR104和接触部106能够掺杂有p类型杂质，而接触部114掺杂有n类型杂质。p类型杂质是被并入至半导体晶格中的在电子能级中引入叫做“空穴”的空位的原子。这些掺杂剂也叫做“电子受主”，并且空穴自由移动。另一方面，n类型杂质是被并入至半导体晶格中的将电子引入至价电子能级的原子。这些掺杂剂叫做“电子施主”。在III-V族化合物半导体中，VI列元素替代III-V族晶格中的V列原子并且用作n类型掺杂剂，而II列元素替代III-V族晶格中的III列原子以用作p类型掺杂剂。自由电子和空穴被称为电荷载流子，其中按照惯例，电子具有负电荷而空穴具有正电荷。

孔隙层108能够由介电材料构成，介电材料诸如是SiO₂或Al₂O₃或比VCSEL100中的其它层具有相对更大的电子带隙的另一种材料。

图2示出了VCSEL100的沿着图1A中示出的线I-I的横截面视图。横截面视图显示了独立的层的结构。DBR104由平行于光发射层102取向的DBR对202的叠层构成。实际上，DBR104能够由大约15至大约40或更多DBR对构成。放大图(enlargement)204示出了DBR104的样品部分，并且显示DBR104的层均具有大约λ4n和λ4n′的厚度，其中λ是从光发射层102发射的光的真空波长，以及n是DBR层206的折射率且n’是DBR层208的折射率。深色阴影层208表示由第一半导体材料构成的DBR层，而且浅色阴影层206表示由第二半导体材料构成的DBR层，其中层206和208具有不同的相关联的折射率。例如，层204能够由具有大致为3.6的折射率的GaAs构成，而层206能够由具有大致为2.9的折射率的AlAs构成。

图2包含光发射层102的放大图210，光发射层102由被阻挡层214分开的三个分开的量子阱层(“QW”)212构成。QW212设置于限制层216之间。包括QW212的半导体材料比阻挡层214和限制层216具有更小的电子带隙。层212、214以及216由不同的本征半导体材料构成。例如，QW212能够由InGaAs(例如，In_0.2Ga_0.8As)构成，阻挡层214能够由GaAs构成，以及限制层216能够由GaAlAs构成。实施例不旨在限于具有三个QW的光发射层102。在其它实施例中，光发射层102能够具有一个、两个或三个以上的QW。

图2还包含VCSEL100的中心部分的放大图218。如以上参照图1B示出和描述的，传输层110包含在SWG118之下形成间隙120的盘形的凹进。以上参照图1B也示出和描述的传输层110的盘形的凸起122基本填充了孔隙层108的孔隙124。传输层110的定位于间隙120和光发射层102之间并且在xy平面中由孔隙124限界(如由虚线222和224划界)的部分定义了间隔区域220。在图2的范例中，间隙120、间隔区域220以及光发射层102的厚度记为t_gap、t_spacer以及t_LE。能够如以下更详细地描述地那样选定厚度t_gap、t_spacer以及t_LE，使得间隙120、间隔区域220以及光发射层102对于VCSEL100的纵模是透明的。

亚波长光栅

图3示出了VCSEL100的分解等距视图，将光栅层112示出为与p类型接触层114和透明层110分开。SWG118就像用于光的选定的波长的平面镜一样工作(operate)。SWG118能够是由层112的被沟槽(groove)分开的叫做“线”的规律地间隔的丝状部分构成的一维光栅。一维SWG118反射具有特定偏振的光。图3包含SWG118的区域的放大图302，放大图302示出了在y方向上延伸并且在x方向上周期性地间隔的线。图3也包含厚度为t、宽度为w并且被沟槽308以周期p周期性地分开的线306的放大图302的横截面视图304。线宽w的范围能够从大致为10nm至大致为300nm，并且周期p的范围能够取决于入射光的波长从大致为20nm至大致为1μm。从SWG118反射的光的波长由线厚度和占空比(duty cycle)η确定，η定义为：

$\mathrm{DC}=\frac{w}{p}$

从SWG118反射的光也取得了由线厚度和占空比确定的相移。

取决于SWG118的线厚度和占空比，一维SWG118反射TM或TE偏振光。TE偏振对应于入射电磁波的平行于SWG118的线引导的电场分量，而TM偏振对应于入射电磁波的垂直于SWG118的线引导的电场分量。特定的线厚度和占空比可以适合于反射TE偏振光但不适合于反射TM偏振光，而不同的线厚度和占空比可以适合于反射TM偏振光而非TE偏振光。

SWG118不旨在限于一维光栅。SWG118能够实现为像用于选定的波长的偏振不敏感的平面镜一样工作的二维光栅。图3包含表示具有二维亚波长光栅图形的SWG118的部分的放大图310。在放大图310中，SWG118由由在x和y方向上具有相同的占空比和周期的沟槽分开的柱子(post)312构成，而不是由线构成。替代地，占空比能够在x和y方向上变化。二维SWG118的柱子能够是正方形、矩形、圆形、椭圆形或任何其它xy平面横截面形状。替代地，二维SWG118能够由孔构成，而非由柱子构成。孔能够是正方形、圆形、椭圆形或用于反射特定波长的光的任何其它适合的尺寸和形状。

当光在SWG118和围绕SWG118的空气之间移动时，SWG118和空气的折射率之间的差别(contrast)改变了光的行为。反射系数特征化(characterize)在SWG118和空气之间移动的光的行为，并且反射系数由下式给出：

$r\left(\mathrm{\λ}\right)=\sqrt{R\left(\mathrm{\λ}\right)}{e}^{\mathrm{i\φ}\left(\mathrm{\λ}\right)}$

其中，R(λ)是SWG的反射比，以及φ(λ)是从SWG反射的光的相移。图4示出了对于范例一维SWG的在入射光波长的范围上的反射比和相移的绘图。实曲线402对应于反射比R(λ)，以及虚曲线404对应于由SWG产生的对于大致为1.2μm至大致为2.0μm的波长范围上的入射光的相移φ(λ)。其反射比和相移在图4中得到表示的SWG反射波长范围上的TM偏振光。使用MEEP、用于对电磁系统进行建模(model)的时域有限差分(“FDTD”)仿真软件包(见http://ab-initio.mit.edu/meep/meep-1.1.1.tar.gz)来确定反射比402和相位404曲线。由于SWG和空气之间强烈的折射率差别，所以SWG具有虚线408和410之间的高反射率406的宽的光谱区域。然而，曲线404显示反射光的相位跨整个高反射率光谱区域406变化。

当周期、线厚度以及线宽的空间尺度以因子α一致地改变时，反射系数分布保持基本不变，但是波长轴以因子α缩放。话句话说，当已经设计在自由空间波长λ₀具有特定反射系数R₀的光栅时，能够通过将诸如周期、线厚度、以及线宽的所有光栅参数乘以因子α＝λλ₀(考虑到r(λ)＝r₀(λα)＝r₀(λ₀))来设计在不同波长λ具有相同反射系数的不同光栅。特别地，以高反射率反射波长λ₀的光的第一SWG的光栅参数能够用于创建也以几乎相同的高反射率，但是针对基于缩放因子α＝λλ₀的不同波长λ，反射光的第二SWG。例如，考虑反射具有波长λ₀≈1.67μm410的光并且具有分别由t、w、以及p表示的线厚度、线宽、以及周期的第一一维SWG。曲线402和404显示第一SWG具有大致为1的反射比并且在反射光中引入大致为3πrad的相移。现在假定期望第二一维SWG具有大致为1的反射率，但是针对波长λ≈1.54μm412。对于分别为αt、αw以及αp的线厚度、线宽以及周期，第二SWG具有大致为1的高反射率，其中，α＝λλ₀≈0.945。根据曲线404，第二SWG在反射光中引入大致为2.5πrad的较小的相移。

VCSEL工作

图5示出了被连接至电压源502的VCSEL100的横截面视图。电压源502施加正向偏压以电子地泵浦光发射层102。当没有偏压被施加至VCSEL100时，光发射层102的QW在对应的导带中具有相对低的电子浓度并且在对应的价带中具有相对低的空电子状态浓度或空穴浓度。结果，基本上没有光从光发射层102发射。为了施加跨VCSEL阵列100的层的正向偏压，将p类型接触部114附加至电压源502的正极端子，并且将n类型接触部106附加至电压源502的负极端子。如图5中示出的，正向偏压在p类型接触部114中引起记为h+的空穴，并且在n类型接触部106中引起记为e-的电子，空穴和电子向光发射层102漂移。方向箭头504表示空穴到达光发射层102采用的路径。因为p类型接触部114是环形的，所以空穴漂移至光栅层112和传输层110的周边区域中。孔隙层108限制空穴在z方向上的路径，其迫使空穴在传输层110的xy平面中漂移至间隔区域220并且漂移至光发射层102的中心区域506中。由漂移至间隔区域220和中心区域506中的空穴创建的正电荷引起被注入至n类型接触部106和DBR104中的电子朝向中心区域506漂移，如方向箭头508指示的。总之，孔隙层108通过迫使电荷载流子漂移至光发射层102的中心区域506中来限制电流。在中心区域506内，电子被注入至光发射层102QW的导带中，而空穴被注入至QW的价带中，在叫做“粒子数反转”的过程中创建了过剩导电电子和过剩价带空穴。在叫做“电子空穴复合”或“复合”的辐射过程中，导带中的电子自发地与价带中的空穴发生复合。当电子和空穴进行复合时，最初从中心区域506在所有方向上在宽的波长范围上发射光。只要在正向偏置方向上施加合适的工作电压，则电子和空穴粒子数反转在中心区域506内保持，并且电子自发地与空穴发生复合，在几乎所有方向上发射光。

光栅层112的SWG118和DBR104形成用于如由方向箭头510和512指示的大致正交于光发射层102发射光的共振腔。反射回到光发射层102中的光链式反应地从光发射层102激发更多的光的发射。尽管光发射层102最初经由自发发射在所有方向上在宽的波长范围上发射光，但是SWG118将以共振波长λ_res为中心的窄的波长范围上的光反射回到光发射层102中，在z方向上引起具有波长λ_res的光的受激发射。在z方向上在共振腔中来回反射的具有共振波长λ_res的光也被称为纵模、轴模或z轴模。纵模使得光发射层102中的增益随着时间变得饱和，并且纵模开始主导来自光发射层102的光发射而其它模衰减。换句话说，具有在围绕共振波长λ_res的窄的波长范围以外的波长的电磁波没有在SWG118和DBR104之间被来回反射，并且当由共振腔支持的共振波长或纵模开始主导时最终衰减地泄漏出VCSEL阵列100。

图6示出了由SWG118和DBR104创建的共振腔内形成的电磁驻波的表示。当电磁波跨光发射层102来回扫描(sweep)，产生终止于SWG118内并且延伸至DBG104中的具有波长λ_res的电磁驻波602时，放大了在SWG118和DBG104之间反射的占主导的纵模。最后，从SWG118产生具有共振波长λ_res的基本相干的光604的束。从光发射层102发射的光穿透DBR104和SWG118，并且对共振腔中的光的往返相位添加贡献。

图6也包含如以上参照图2描述的VCSEL100的中心部分的放大图606。间隙120的厚度t_gap和间隔区域220的厚度t_spacer选定为使得层120和220对于共振波长λ_res是透明的，并且光发射层102的厚度t_LE选定为对共振波长λ_res建立共振。为了确保层120和220对于共振波长λ_res是透明的并且层102对于波长λ_res具有共振，能够基于下面条件选定层120、220以及102的厚度：

$t_{\mathrm{gap}}\≈\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{res}}}{4}+\frac{{\mathrm{\α\λ}}_{\mathrm{res}}}{2},$

$t_{\mathrm{spacer}}\≈\frac{{\mathrm{\β\λ}}_{\mathrm{res}}}{{2n}_s},$ 以及

$t_{\mathrm{LE}}\≈\frac{{\mathrm{k\λ}}_{\mathrm{res}}}{{2n}_L}$

其中，α和β是大于或等于1的实数，n_s是传输层110的折射率，n_L是光发射层102的折射率，以及k是正整数。

在z方向上限制于SWG118和DBR104之间的光也由孔隙层108中的孔隙124限制在xy平面中。换句话说，孔隙124基本阻止纵模离开SWB118的中心区域506传播。结果，孔隙124限制了从VCSEL100发射的光的束。图7示出了具有输出束702的VCSEL100的横截面视图。通过SWG118输出束702，对束702的限制由孔隙124的直径D确定。束702以稍微大于直径D的束直径通过SWG118并且随束702行进离开VCSEL100，束702扩展。由于在孔隙124边缘处的衍射引起的束702的劣化和束702离开VCSEL100时保持被限制的程度由直径D来确定。

如以上参照图4描述的，如果SWG118是一维光栅，则SWG118将TE或TM偏振光反射回至共振腔中，并且从VCSEL100发射的束702要么是TE偏振的要么是TM偏振的。随增益变得饱和，仅仅放大具有由SWG118选定的偏振的模。从光发射层102发射的不具有由SWG118选定的偏振的电磁波以不可察觉的放大从VCSEL100泄漏出。换句话说，具有由SWG118选定的那些偏振以外的偏振的纵模衰减并且不存在于发射的束702中。最后，束702中仅仅发射在由SWG118选定的方向上偏振的纵模。

孔隙层108中的孔隙124也起着调整共振波长和选定束702中的横模的作用。每一个横模对应于位于与束702的轴或共振腔垂直的平面内的特定的电磁场图形。横模记为TEM_nm，其中，n和m下标分别是x和y方向上的横向节点线的整数。图8A示出了与在SWG118和DBR104之间的共振腔中形成的三个横模相关联的三个xz平面强度分布的范例。在图8A中，由曲线802表示的TEM₀₀模不具有节点并且几乎整个位于孔隙124内，其指示与TEM₀₀模相关联的许多电磁辐射集中于共振腔的中心区域中。由曲线804表示的TEM₁₀模在x方向具有分开两个强度峰808和810的一个节点806，其指示电磁辐射强度在x方向上被划分为两段。由曲线812表示的TEM₂₀模具有两个节点814和816，其指示电磁辐射强度在x方向上被划分为三段。图8B-8C示出了表示孔隙直径124如何能够影响与共振腔相关联的共振波长和品质因子的绘图。使用MEEP获得了图8B-8C中呈现的结果。在图8B中，曲线801-803分别表示作为孔隙124的直径的函数的与TEM₀₀、TEM₁₀、以及TEM₂₀模相关联的共振波长。曲线801-803指示由共振腔支持的共振波长对于TEM₀₀、TEM₁₀、以及TEM₂₀模是不同的，并且与TEM₀₀、TEM₁₀、以及TEM₂₀模相关联的共振波长随着孔隙124的直径增加，其中模TEM₀₀具有最少的增加量。在图8C中，曲线805-807表示作为孔隙124的直径的函数的与TEM₀₀、TEM₁₀、以及TEM₂₀模相关联的共振波长。曲线805-807指示共振腔的品质因子Q对于TEM₀₀、TEM₁₀、以及TEM₂₀模是不同的，其中，共振腔对于TEM₀₀模比对于TEM₁₀以及TEM₂₀模具有相当大程度地更大的品质因子。TEM₀₀模和TEM₁₀以及TEM₂₀模之间的品质因子的明显差异可能是TEM₁₀和TEM₂₀模传播到孔隙124之外的结果。回到图8A，注意到TEM₀₀模基本位于孔隙124内，而TEM₁₀和TEM₂₀模的部分在x方向传播到孔隙124的直径之外。结果，在增益饱和期间，因为TEM₀₀模位于孔隙124内，所以TEM₀₀模更强烈地由共振腔支持，导致更大的品质因子。对比之下，TEM₁₀和TEM₂₀模的部分位于孔隙124的外面，导致低的品质因子以及增益饱和的减小。

如以上描述的，能够组合使用共振腔和孔隙124的直径来选定从VCSEL100发射的纵模。图9示出了与光发射层102和从VCSEL100发射的光相关联的范例强度分布绘图。在范例绘图902中，强度或增益分布904表示最初从光发射层102发射的光的宽的波长范围。强度分布904以波长λ'为中心。范例绘图906表示由由SWG118和DBR104形成的共振腔和孔隙124的直径支持的纵向的共振腔模λ_res。光发射层102使得可得到(makeavailable)由强度分布904表示的波长范围，共振腔和孔隙124从该波长范围选定具有共振波长λ_res的纵模，。范例绘图908示出了表示以共振波长λ_res为中心的窄的波长范围的强度峰910。此窄范围内的光在共振腔内被放大，并且最后通过SWG118从VCSEL100发射。

应当指出，VCSEL100的高度和腔长度相当大程度地短于具有两个DBR的常规VCSEL的高度和腔长度。例如，典型的VCSEL具有两个DBR，其中每一个DBR具有大约15至大约40个DBR对，其对应于具有大约5μm至大约6μm的厚度的每一个DBR。对比之下，SWG具有范围从大约0.2μm至大约0.3μm的厚度，并且具有等同的或更高的反射率。

回到图1和2，孔隙层108设置于传输层110和光发射层102之间。然而，VCSEL实施例不旨在是如此限制的。孔隙层108能够设置于光发射层102和DBR104之间。除了孔隙层108设置于光发射层102和DBR104之间外，图10A示出了与VCSEL100类似的范例VCSEL1000的横截面视图。在其它实施例中，VCSEL能够具有两个或多个孔隙层。例如，VCSEL能够具有设置于传输层和光发射层之间的第一孔隙层，如同VCSEL100的情况，并且VCSEL能够具有设置于光发射层和DBR之间的第二孔隙层，如同VCSEL1000的情况。替代地，VCSEL能够在传输层和光发射层之间具有两个或多个孔隙层或者在光发射层和DBR之间具有两个或多个孔隙层。在其它实施例中，DBR104能够由第二SWG和电荷载流子传输层取代。图10B示出了范例VCSEL1020的横截面视图，除了VCSEL100的DBR104已经由第二电荷载流子传输层1022和光栅层1024取代外，范例VCSEL1020与VCSEL100具有相同的p类型接触部114、光栅层112、传输层110、孔隙层108、光发射层102、以及p类型接触部106。传输层1004可以包含间隙1026，并且光栅层1024包含SWG1028，SWG1028具有与光栅层112的SWG118基本相同的光栅图形。

VCSEL阵列

图11A示出了范例VCSEL阵列1100的等距视图。VCSEL阵列1100包含四个分开的VCSEL1101-1104。如以上描述地那样配置每一个VCSEL，但是四个VCSEL1101-1104共用DBR1105和n类型接触部1106。图11B示出了VCSEL阵列1100的VCSEL1102和1104的沿着图11A中示出的线III-III的横截面视图。图11B显示VCSEL阵列1100中的VCSEL中的每一个VCSEL与以上描述的VCSEL100类似。例如，VCSEL1102包含设置于光栅层1109上的环形的接触部1108，光栅层1109设置于电荷载流子传输层1110上。像VCSEL100的传输层108一样，传输层1110包含形成间隙1111的盘形的凹进区域和形成孔隙层1113的孔隙中的间隔区域的盘形的凸起1112。孔隙层1113设置于光发射层1114上，光发射层1114设置于DBR1105的部分上。

每一个VCSEL的光栅层包含SWG，以以高的反射比反射特定波长，如以上参照图4描述的。例如，回到图11A，VCSEL1101-1104包含光栅层，该光栅层具有SWG1121-1124以分别反射不同的波长λ₁、λ₂、λ₃、以及λ₄。SWG1121-1124与DBR1105形成四个分开的共振腔。例如，如图2B中示出的，SWG1122和DBR1105形成VCSEL1102的共振腔，以及SWG1124和DBR1105形成VCSEl1104的分开的共振腔。VCSEL1101-1104中的每一个VCSEL与以上描述的VCSEL100以相同的方式工作，分别发射具有共振波长λ₁、λ₂、λ₃、以及λ₄的光。

VCSEL1101-1104的光发射层能够由相同的材料构成以发射在相同的波长范围上的光，但是VCSEL1101-1104中的每一个SWG选定从光发射层发射的光的不同的纵模。图12示出了从VCSEL1101-1104的光发射层发射的光的强度或增益分布1204的范例绘图1202。图12包含四个不同的共振腔模的范例绘图1206，每一个共振腔模与VCSEL阵列1100的不同VCSEL相关联。例如，绘图1206中的峰表示分别与四个VCSEL1101-1104相关联的单个纵向腔模λ₁、λ₂、λ₃、以及λ₄。每一个VCSEL的共振腔选定绘图1206中表示的对应的纵模。如以上对VCSEL100描述的那样，每一个纵模在关联的VCSEL的腔内被放大并且发射。例如，绘图1208示出了从VCSEL阵列1100的四个VCSEL发射的共振波长的强度分布。如绘图1208中示出的，能够以基本上相同的强度发射每一个纵模。

VCSEL阵列中的VCSEL的布置和数目能够取决于期望的分开光束的数目和光束的布置而变化，并且不旨在限于图11中示出的四个VCSEL的布置。应当指出，尽管VCSEL阵列描述为每一个VCSEL发射不同的波长，然而实施例不旨在如此限制的。在其它实施例中，包含VCSEL阵列的所有VCSEL的VCSEL的任何组合能够发射相同的波长。SWG1121-1124也能够是一维光栅和二维光栅的任何组合，使得VCSEL1101-1104能够发射偏振和/或非偏振的光束的组合。

前面的描述，为了解释的目的，使用了特定的术语以提供对本公开的彻底理解。然而，对本领域技术人员将显而易见的是，不要求特定的细节来实施于此描述的系统和方法。为了示例和描述的目的，介绍了特定范例的前面的描述。其不旨在是穷尽性的或将此公开限制为描述的精确的形式。明显地，鉴于以上教导，许多修改和变化是可能的。示出和描述了范例，以便最好地解释此公开的原理和实际应用，由此使得本领域其他技术人员能够最好地利用此公开和具有适合于预期的特定使用的各种修改的各个范例。旨在此公开的范围由下面的权利要求和其等同物来定义。

Claims (15)

1.一种面发射激光器，包含：

光栅层，所述光栅层具有亚波长光栅，以与反射层形成用于从光发射层发射的光的波长的共振腔；

孔隙层，所述孔隙层具有孔隙，所述孔隙层设置于所述共振腔内；以及

电荷载流子传输层，所述电荷载流子传输层设置于所述光栅层和所述光发射层之间，所述传输层具有与所述亚波长光栅相邻的间隙以及所述间隙和所述光发射层之间的间隔区域，所述间隔区域和所述间隙被制作成具有对所述波长基本透明的尺度，所述孔隙层引导电荷载流子进入所述光发射层的与所述孔隙相邻的区域，并且所述孔隙限制从所述光发射层发射的光模。

2.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述孔隙层设置于所述传输层和所述光发射层之间，使得所述传输层的部分穿过所述孔隙与所述光发射层接触。

3.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述孔隙层设置于所述光发射层和所述反射层之间，使得所述反射层的部分穿过所述孔隙与所述光发射层接触。

4.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述反射层是分布式布拉格反射器。

5.根据权利要求1所述的激光器，包含：第一环形接触部，所述第一环形接触部设置于所述光栅层上，所述环形接触部包含开口，所述亚波长光栅通过所述开口暴露；以及第二接触部，所述第二接触部设置于所述反射层上；其中，所述第一接触部由p类型(n类型)材料构成并且所述第二接触部由n类型(p类型)材料构成。

6.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述传输层包含形成与所述亚波长光栅相邻的所述间隙的凹进区域。

7.一种激光器阵列，包含：

反射层；以及

若干面发射激光器，每一个激光器包含：

光发射层；

光栅层，所述光栅层具有亚波长光栅，以与所述反射层形成用于从所述光发射层发射的光的波长的共振腔；

孔隙层，所述孔隙层具有设置于所述共振腔内的孔隙；以及

电荷载流子传输层，所述电荷载流子传输层设置于所述光栅层和所述光发射层之间，其中，如权利要求1中描述的那样配置所述孔隙层和传输层。

8.一种面发射激光器，包含：

共振腔，所述共振腔与从设置于所述共振腔内的光发射层发射的光的波长发生共振；

电荷载流子传输层，所述电荷载流子传输层设置于所述共振腔内并且与所述光发射层接触；以及

孔隙层，所述孔隙层包含孔隙，所述孔隙层设置为与所述光发射层相邻，所述传输层具有与所述共振腔的第一反射层相邻的间隙以及在所述间隙和所述光发射层之间的间隔区域，所述间隔区域和所述间隙被制作成具有对所述波长基本透明的尺度，所述孔隙层引导电荷载流子进入所述光发射层的与所述孔隙相邻的区域，并且所述孔隙限制从所述光发射层发射的光模。

9.根据权利要求8所述的激光器，其中，所述孔隙层设置于所述传输层和所述光发射层之间，使得所述传输层的部分穿过所述孔隙与所述光发射层接触。

10.根据权利要求8所述的激光器，其中，所述孔隙层设置于所述光发射层和所述共振腔的反射层之间，使得所述反射层的部分穿过所述孔隙与所述光发射层接触。

11.根据权利要求8所述的激光器，其中，所述第一反射层是具有与所述间隙相邻的亚波长光栅的光栅层。

12.根据权利要求8所述的激光器，其中，所述共振腔包含作为第二反射层的分布式布拉格反射器。

13.根据权利要求8所述的激光器，包含：第一环形接触部，所述第一环形接触部设置于所述光栅层上，所述环形接触部包含开口，所述亚波长光栅通过所述开口暴露；以及第二接触部，所述第二接触部设置于所述反射层上；其中，所述第一接触部由p类型(n类型)材料构成并且所述第二接触部由n类型(p类型)材料构成。

14.根据权利要求8所述的激光器，其中，所述传输层包含形成与所述亚波长光栅相邻的所述间隙的凹进区域。

15.一种激光器阵列，包含：

反射层；以及

若干面发射激光器，每一个激光器包含：

共振腔，所述共振腔与从设置于所述共振腔内的光发射层发射的光的波长发生共振；

电荷载流子传输层，所述电荷载流子传输层设置于所述共振腔内并且与所述光发射层接触；以及

孔隙层，所述孔隙层包含孔隙，所述孔隙层设置为与所述光发射层相邻，其中，如权利要求1中描述的那样配置所述孔隙层和传输层。

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