CN105164871A - 模式控制激光系统 - Google Patents

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Abstract

一种模式控制激光系统包括响应于电信号生成光能量的有源区。该系统还包括使光能量在光腔中发生共振的反光镜。该系统还包括被布置在光腔中的HCG模式控制反射器，以将共振的光能量控制为基本上非高斯强度分布。共振的光能量可作为具有基本上非高斯强度分布的光信号发出。

Description

模式控制激光系统
背景技术
随着对于高速通信和处理的需求已经增加，光通信已经变得更流行。数据通信链路可包括经由激光器将光信号耦合到光纤或波导的光耦合，以将光信号提供到目的地设备以进行处理。可将用于10吉比特每秒(Gbps)的通信速度的数据通信链路实施为由于眼睛安全需求而具有大致较低(例如，近似6dB)的耦合效率。可针对更高的速度(例如，25Gbps)实施数据通信链路，但是数据通信链路可能要求较大的耦合效率，以基本上减轻接收机噪声和调制消光比，并且可能局限于用于底板应用中以基于较高的耦合效率去除眼睛安全需求。
附图说明
图1图示出模式控制激光系统的示例。
图2图示出模式控制的示例图。
图3图示出进行模式控制的VCSEL的示例。
图4图示出HCG模式控制元件的示例。
图5图示出HCG模式控制元件的另一个示例。
图6图示出模式转换的示例图。
图7图示出光耦合系统的示例。
图8图示出光耦合系统的另一个示例。
图9图示出用于将光信号从VCSEL耦合到光传播器件的示例性方法。
具体实施方式
图1图示出模式控制激光系统10的示例。可在各种光通信系统中的任何一种中实施模式控制激光系统10，以生成调制光信号OPTSIG。可例如将模式控制激光系统10实施为诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)的空间单模或多模激光器。例如，可在光学器件封装件中将模式控制激光系统10实施为可被安装在底板或印刷电路板(PCB)上的光发射机系统，以在计算机系统中提供高速光通信。举例来说，可在高速(例如，25Gbps或更高)光通信系统中实施模式控制激光系统10。
模式控制激光系统10包括有源区12，有源区12被配置为响应于诸如可被实施为调制光信号OPTSIG的电信号ESIG来生成光能量。模式控制激光系统10还包括至少一个反光镜14和高对比度光栅(HCG)模式控制元件16。反光镜14被配置为使光能量在被限定于模式控制激光系统10的容积内的光腔中发生共振。例如，反光镜14可被配置为分布式布拉格反射器(DBR)，诸如包括多个(例如，二十五个或更多)具有单独折射率的交替材料层。因而，反光镜14可近似反射99％或更多。
HCG模式控制反射器16可被配置为包括多个由具有高折射率的材料组成的共振结构的平面HCG反射器。举例来说，具有高折射率的材料可使共振结构的折射率与周边材料的折射率之间的差大于或等于一。作为另一个示例，多个共振结构可具有是在其中发生共振的光能量的亚波长的尺度(例如，宽度)。因此，光腔可包括反光镜14和HCG模式控制反射器16，使得可通过在反光镜14和HCG模式控制反射器16之间的尺度(例如，距离)来限定光腔，以使光能量在反光镜14和HCG模式控制反射器16之间发生共振。
HCG模式控制反射器16的多个共振元件可被配置为对入射在其上的光能量的各部分进行有选择性的相位延迟并且提供振幅控制，以提供光能量的强度分布的光模式控制。举例来说，可将模式控制的强度分布布置为基本上非高斯强度分布。如在本文所描述的，基本上非高斯强度分布是关于光信号OPTSIG的中心轴不是高斯强度分布，使得光信号OPTSIG的最大强度不是居中于光信号OPTSIG的中心轴上。举例来说，非高斯强度分布可以是基本上离轴强度分布，使得光信号OPTSIG的光能量在光信号OPTSIG的中心轴处基本上最小(例如，近似的环状)。作为另一个示例，非高斯强度分布可以是诸如在有源区12中生成的单模强度分布。可例如从具有基本上非高斯强度分布的HCG模式控制反射器16发出光信号OPTSIG(例如参见图2)。
图2图示出模式控制的示例图50。在平面图中示范出图50，并且图50包括被配置为生成从HCG模式控制反射器56(例如，基本上类似于HCG模式控制反射器16)发出的光信号54的VCSEL52。基于以58示范的笛卡儿坐标系统在XY平面视图中在图2的示例中示范出VCSEL52和光信号54。将光信号54示为展现基本上非高斯强度分布，使得光信号54的光能量关于中心轴60基本上减轻(例如，对应于近似的环状强度分布)。在基于以64示范的笛卡儿坐标系统的YZ平面视图中，在诸如沿信号54的线A-A所取的剖视图62中示范出在笛卡儿坐标系统58中的光信号54。在图2的示例中，将基本上非高斯强度分布示为近似的环状。然而，但应当理解，可以以任何各种其他类型的形状来展现基本上离轴强度分布。例如，基本上非高斯强度分布可具有除基本上圆形之外的诸如方形、矩形、六角形或各种其他形状的外径和/或内径截面形状。作为另一个示例，反射模式控制的强度分布可以是诸如叶型图案或其他图案之类的基本上围绕近似的中心点的中断图案，以基本上维持模式控制。
返回参考图1的示例，基于在模式控制激光系统10内部的光能量的模式控制，可将模式控制激光系统10实施为与典型的单模VCSEL系统相比以基本上更大的光功率生成光信号OPTSIG。在图1和图2的示例中，可利用有源区12的相当大的模容积，来生成在模式控制激光系统10的光腔中发生共振的光能量，因而允许在基本上非高斯强度分布的控制模式中(例如，从HCG模式控制反射器16)发出基本上所有的光能量。因而，关于光功率，光信号OPTSIG的发射可因此基本上类似于多模光发射。另外地，如在本文更详细地描述的，可将基本上非高斯强度分布集中到不同的强度分布(例如，单模强度分布)，该不同的强度分布与由典型的单模VCSEL系统基于典型的VCSEL(例如，典型的高斯单模VCSEL)的受限有源区容积和/或孔尺度所生成的光信号(例如，单模高斯光信号)相比，可具有显著大的光功率。因此，与典型的VCSEL系统相比，模式控制激光系统10可展现显著大的功率效率，诸如可被实施为提供高速的(例如，25Gbps或更高的)光通信。
图3图示出进行模式控制的VCSEL100的示例。VCSEL100可对应于图1的示例中的模式控制激光系统10。因此，在以下图3的示例描述中对图1和图2的示例进行参考。例如，可将VCSEL100作为在阵列中被制造在一起的多个VCSEL之一制造在晶圆上。举例来说，包括VCSEL100的阵列中的VCSEL可都具有近似相等的直径(例如，8μm)，并且可彼此分开基本上更大的距离(例如，250μm)。VCSEL100包括有源区层102，其被配置为响应于电信号(例如，图1的示例中的电信号ESIG)生成光能量，该电信号诸如可被实施为对光输出信号(例如，光信号OPTSIG)进行调制。VCSEL100还包括反光镜层104，其可被配置为诸如可实现近似99％或更多的反射率的、高度反射的DBR反光镜。
VCSEL100还包括HCG模式控制层106，其可被图案化在基板108上。例如，HCG模式控制层106可被配置为包括多个由具有高折射率的材料组成的共振结构的反射器。多个共振结构可由诸如非晶硅、砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)之类的各种高折射率材料形成。举例来说，基板108可以是半导体材料(例如，GaAs或InP)。例如，多个共振结构可被空气围绕，或可被具有比共振结构的折射率小至少一的折射率的另一个材料围绕。也就是说，共振结构的材料的折射率与周边材料的折射率之间的差可大于或等于一。举例来说，共振结构可基于梯度图案被布置在HCG模式控制层106的表面上。照此，HCG模式控制层106可对于入射在梯度图案的单独部分上的光能量不同地展现相位延迟以及振幅控制，以实施模式控制。
在诸如图3中示出的一些示例中，VCSEL100可包括附加反光镜层110。附加反光镜层110可被配置为与反光镜层104相比具有较小层数的DBR反射器(例如，五层或更少层)，诸如足以实现关于HCG模式控制层106的较高总反射率(例如，近似99％或更大)。附加反光镜层110可被布置在HCG模式控制层106上方，如在图3的示例中示范的，可被布置在基板108和HCG模式控制层106之间，或可基于HCG模式控制层106的反射率被消除。另外，应当理解，在有或没有附加反光镜层110的情况下将HCG模式控制层106实施为反射器，可得到与具有基本上可比较的反射率的典型DBR反射器相比具有显著更小厚度的反射器。结果，与典型的VCSEL相比，将HCG模式控制层106实施为反射器的VCSEL100可以具有更快的调制响应时间。
反光镜层104和附加反光镜层110和/或HCG模式控制层106可因而形成VCSEL100中的共振光腔。因而，在有源区层102中生成的光能量可因而在光腔中发生共振，并且从VCSEL100(例如，经由HCG模式控制层106)发出。在图3的示例中，VCSEL100可被配置为从HCG模式控制层106发出光能量。但应当理解，在反向VCSEL布置中，VCSEL100可通过基板发出光能量。基于HCG模式控制层106的共振结构的模式控制特征，可将光能量作为诸如在本文公开的具有基本上非高斯强度分布的光信号(例如，光信号OPTSIG)来发出。
如在先前所描述的，在光腔中发生共振的光能量的各部分的相应反射相位延迟以及振幅控制可由制造HCG模式控制层106的方式所引起。图4图示出HCG模式控制反射器150的示例。HCG模式控制反射器150可对应于图1示例中的HCG模式控制反射器16和/或图3示例中的HCG模式控制层106。因此，在图4示例的以下描述中将对图1至图3的示例进行参考。在图4的示例中，在HCG模式控制反射器150的基本上平面表面的俯视图中示范出HCG模式控制反射器150。在图4示例的俯视图中将HCG模式控制反射器150示为圆形。然而，HCG模式控制反射器150可具有各种不同的几何形状。举例来说，HCG模式控制反射器150可具有足以提供共振的光能量中几乎所有或大部分的选择性相位延迟以及反射振幅控制的直径。
HCG模式控制反射器150包括高折射率材料(例如，非晶硅)的层，该层被提供为基本上通过多个梯度图案被限定、以提供入射光能量的模式控制的多个共振结构。在图4的示例中，将HCG模式控制反射器150示为具有被布置为螺旋图案的共振结构，该螺旋图案被限定为沿着HCG模式控制反射器150的半径具有多个梯度图案(例如，环)。在本文所描述的，螺旋图案的环是从给定角度绕过螺旋图案的中心横贯360°的螺旋图案的给定部分，并且因此相对于环的开始，环结束于沿着HCG模式控制反射器150的半径的较大距离处。在图4的示例中，可将多个共振结构作为被布置为具有基本上均匀的厚度(即，晶圆层厚度)的多个立柱152来提供。例如，构成图4示例中的近似螺旋图案的多个立柱152的厚度可具有取决于构成发生共振的光能量的光的波长的厚度。举例来说，高折射率立柱152可被空气围绕，或可被具有比立柱152的折射率小至少一的折射率的另一个材料围绕。因此，立柱152协作以基于在立柱152中发生共振的光的各部分来控制发生共振的光能量的光模式，以提供发生共振的光能量的选择性相位延迟以及振幅控制。
在图4的示例中，在分解图154中将立柱152示为近似圆柱形的(即，在图4示例的俯视图中的圆)。例如，可通过蚀刻高折射率材料的层来形成立柱152。螺旋图案的每个梯度图案(例如，环)中的立柱152可具有作为从HCG模式控制反射器150的中心到HCG模式控制反射器150的外围不断减小的尺寸的近似梯度的函数的宽度(例如，截面直径)。立柱152的宽度可以是关于发生共振的光能量的光的亚波长，并且可被选择为提供发生共振的光能量的选择性相位延迟，以便提供生成近似环状强度分布的角动量。例如，立柱152的宽度的范围例如可以是从近似100nm到近似400nm。分解图154示范出其上图案蚀刻有立柱152的内环156和相邻的外环158。内环156和外环158各自均包括立柱152，立柱152均具有从左到右(例如，从HCG模式控制反射器150的中心到HCG模式控制反射器150的外围)减小的宽度。因此，发生共振的光能量可在立柱152内发生共振，以提供发生共振的光能量的选择性相位延迟，以便提供近似环状强度分布。
图5图示出HCG模式控制反射器200的另一个示例。HCG模式控制反射器200可对应于图1示例中的HCG模式控制反射器16和/或图3示例中的HCG模式控制层106。因此，在图5示例的以下描述中将对图1至图3的示例进行参考。在图5的示例的俯视图中将HCG模式控制反射器200示为圆形。然而，HCG模式控制反射器200可具有各种不同的几何形状。举例来说，HCG模式控制反射器200可具有足以提供发生共振的光能量中几乎所有或大部分的选择性相位延迟的直径。
类似于如在先前关于图4的示例所描述的，HCG模式控制反射器200包括高折射率材料(例如，非晶硅)的层，该层被提供为基本上被布置为提供入射光能量的模式控制的多个共振结构，诸如被限定为沿着HCG模式控制反射器200的半径具有多个梯度图案(例如，环)的螺旋图案。在图5的示例中，可将多个共振结构作为被布置为具有在介电材料(例如，玻璃)的基板层上基本上均匀的厚度(即，晶圆厚度)的多个立柱202来提供。举例来说，高折射率立柱202可被空气围绕，或可被具有比立柱202的折射率小至少一的折射率的另一个材料围绕。因此，立柱202协作以基于在立柱202中发生共振的光的各部分来控制发生共振的光能量的光模式，以提供发生共振的光能量的选择性相位延迟。
在图5的示例中，在分解图204中将立柱202示为近似圆柱形的(即，在图4的示例的俯视图中的圆)。例如，可通过蚀刻高折射率材料的层来形成立柱202。螺旋图案的每个梯度图案(例如，环)中的立柱202可具有基本上均匀的宽度(例如，直径)，并且以一密度填充基板，该密度是基于从HCG模式控制反射器200的中心到HCG模式控制反射器200的外围不断减小的密度的近似梯度的函数。立柱202的基本均匀的宽度可以是关于发生共振的光能量的光的亚波长(例如，近似200nm)，并且立柱152填充的密度可被选择为提供发生共振的光能量的选择性相位延迟，以便提供生成近似环状强度分布的角动量。分解图204示范出其上图案蚀刻有立柱202的内环206和相邻的外环208。内环206和外环208每个均包括立柱202，立柱202以从左到右(例如，从HCG模式控制反射器200的中心到HCG模式控制反射器200的外围)减小的密度来填充基板。因此，发生共振的光能量的光能量可基于立柱202的变化的填充密度、以变化的方式在立柱202内发生共振，以提供发生共振的光能量的选择性相位延迟，以便提供近似环状强度分布。
应当理解，HCG模式控制反射器150和200并不意图受限于图4和图5的示例。举例来说，HCG模式控制反射器150和200不局限于包括共振结构的螺旋图案布置，而是可包括各种其他类型的布置。例如，可以以相应HCG模式控制反射器150和200的一个或多个梯度图案的不同布置——诸如同心圆、椭圆或其他形状，来提供共振结构。作为另一个示例，梯度图案不局限于具有相同的尺度(诸如在图4和图5的示例中利用环所示范的)，而是可具有可变的尺度(例如，靠近HCG模式控制反射器150和200的边缘的不断减小的环宽度)。作为又一个示例，可以任何各种其他方式来布置共振结构，该共振结构提供入射在其上的光能量的基本上非均匀共振，以提供充分的模式控制(例如，提供基本上非高斯强度分布)。另外，在本文所描述的给定透镜可包含具有诸如在图4的示例中所描述的变化的宽度以及诸如在图5的示例中所描述的基板上的变化的填充密度两者的立柱。此外，立柱152和202并不被限制为基本上圆柱形，而是可具有各种棱柱形状。因此，可以任何各种方式制造HCG模式控制反射器150和200。
如在先前所描述的，可将光信号OPTSIG的基本上非高斯强度分布转换为不同的强度分布(例如，单模高斯强度分布)，诸如用于将光信号OPTSIG发射到诸如光纤或波导之类的光传播器件中。图6图示出模式转换的示例图250。图250在模式转换HCG透镜两侧上以截面方式示范出光信号OPTSIG的强度分布。
在图6的示例中，诸如基于由图2示例中的VCSEL52的HCG模式控制反射器56所提供的模式控制，将光信号OPTSIG以254示为具有基本上非高斯强度分布。因而将光信号OPTSIG提供到模式转换HCG透镜252，该模式转换HCG透镜252被配置为将光信号OPTSIG转换为不同的强度分布(在图6的示例中其以256被示为单模高斯强度分布)，该光信号OPTSIG诸如可被聚焦到光传播器件的芯(在图6的示例中未示出)上。举例来说，可已经在VCSEL(例如，VCSEL52)的有源区中生成具有单模的光信号OPTSIG。在图6的示例中，模式转换HCG透镜252被配置为基本上平面的HCG透镜，该基本上平面的HCG透镜包括在介电层260上包括多个共振结构的高折射率材料层258。可基本上类似于关于图1的示例中的HCG模式控制反射器16所描述的来形成多个共振结构，多个共振结构诸如被具有比高折射率材料层258的折射率小至少一的折射率的另一个材料围绕，并且具有足以透射光信号OPTSIG的厚度。因此，类似于在本文所描述的，模式转换HCG透镜252操作为基于在共振结构中发生共振的光的各部分来转换光信号的光模式的透镜。
图7图示出光耦合系统300的示例。在平面图中示范出光耦合系统300，并且可将光耦合系统300安装在PCB或底板上，以在计算机系统中提供高速(例如，25Gbps或更高)光通信。
光耦合系统300包括VCSEL302、模式转换HCG透镜304以及在图7示例中被示为光纤(例如，光纤306)的光传播器件306。应当理解，光传播器件可被实施为光波导。可基本上类似于图2示例中的VCSEL100来配置VCSEL302，并且因而可将VCSEL302配置为生成具有基本上非高斯强度分布的光信号308。在图7的示例中，将VCSEL302示为以反向方式被布置，使得从基板309发出光信号308。模式转换HCG透镜被示为(例如，通过低折射率薄膜材料)直接地耦合到VCSEL302的基板309，诸如被直接地制造到VCSEL302的基板309上。因此，光信号308可在穿过基板309以待被发射到芯312中时通过模式转换HCG透镜304被聚焦。
举例来说，可将VCSEL302实施为提供高速(例如，25Gbps或更高)光通信，并且VCSEL302可因而具有充足的光功率以便实现这样的通信速度。举例来说，可经由耦合机构来提供光纤306，诸如将光纤306提供到包括VCSEL302和模式转换HCG透镜304的封装件。由VCSEL302生成的光信号308具有经由HCG模式控制反射器310模式控制的强度分布，并且通过基板311被提供到模式转换HCG透镜304(通过线310示范出)。可基本上类似于图6示例中的模式转换HCG透镜252来配置模式转换HCG透镜304。因此，模式转换HCG透镜304被配置为将光信号308转换为不同的强度分布(例如，单模强度分布256)。因此，经由模式转换HCG透镜304对光信号308进行聚焦并且将其发射到光纤306的芯312中，在图7的示例中将光信号308示为在光纤306的芯312中传播。尽管在图7的示例中将不同的强度分布示为单模强度分布，但应当理解，由模式转换HCG透镜304提供的强度分布可以是任何各种不同类型的强度分布，诸如高斯型、非高斯或各种其他同轴或离轴形状。
光耦合系统300并不意图受限于图7的示例。举例来说，VCSEL302不局限于被实施为从基板发出光信号308的反向VCSEL，而是可从HCG模式控制反射器311发出光信号308。此外，模式转换HGC透镜304不局限于将光信号308提供到传播器件，而是可转换光信号308的模式以用于各种其它应用，诸如光盘存贮器、光鼠标、成像、激光打印设备和各种其他类型的应用。
图8图示出光耦合系统350的另一个示例。光耦合系统350可被配置为类似于在图7示例中所描述的光学传输系统。光耦合系统350包括光学器件封装件352，其包括透镜354、VCSEL356和耦合机构358。例如，透镜354可被配置为与在图6和图7中的相应示例中所描述的透镜252或304类似的HCG透镜。耦合机构358被配置为接收诸如多模或单模的光传播器件360(例如，光纤或光波导)。因此，VCSEL356可被配置为生成诸如光信号308的光信号，并且透镜354可被配置为对光信号进行聚焦以便被耦合到光传播器件360中。
光学器件封装件352并不意图受限于在其中包括单个光耦合系统，以便仅仅包括透镜354、VCSEL356和耦合机构358中的每个单个之一。例如，光学器件封装件352可包括光耦合系统阵列，以便包括多个透镜354、相应多个VCSEL356以及相应多个耦合机构358。因此，多个光纤310可被耦合到相应多个耦合机构358。
考虑到如上所述的以上结构和功能的特征，将参考图9更好地理解根据本发明的各个方面的方法。尽管为了解释的简单起见，将图9的方法示出和描述为连续地执行，但应当理解和了解，本发明不受限于所图示的顺序，因为根据本发明的一些方面可相对于在本文示出和描述的其他方面以不同的顺序和/或并行地出现。而且，对于实施根据本发明的方面的方法，可能并不是所有所图示的特征都是必需的。
图9图示出用于将光信号(例如，光信号OPTSIG)从VCSEL(例如，VCSEL52)耦合到光传播器件(例如，光纤306)的方法400。在402，响应于电信号(例如，电信号ESIG)来生成光能量。在404，使光能量在光腔中发生共振。在406，经由HCG模式控制反射器(例如，HCG模式控制反射器16)来控制光能量的模式，以提供具有基本上非高斯强度分布(例如，基本上非高斯强度分布62)的光信号。在408，从VCSEL发出光信号。在410，经由HCG透镜(例如，模式转换HCG透镜252)将光信号的基本上非高斯强度分布转换为不同的强度分布(例如，单模强度分布256)。在412，经由HCG透镜将具有不同的强度分布的光信号发射到光传播器件中。
以上已经描述的是示例。当然，不可能描述组件或方法的每个想得到的组合，但是本领域普通技术人员将认识到，许多另外的组合和置换是可能的。因此，本发明意图包含落入包括所附权利要求的本申请的范围内的所有这样的变化、修改和变体。另外地，在本公开或权利要求引用“一”、“第一”或“另一个”要素或其等同物的情况下，应当解释为包括一个或多于一个这样的要素，而不要求也不排除两个或更多这样的要素。如在本文使用的，术语“包括”意指包括但不限于，并且术语“包括有”意指包括有但不限于。术语“基于”意指至少部分地基于。

Claims (15)

1.一种模式控制激光系统，包括：
有源区，用于响应于电信号生成光能量；
反光镜，用于使所述光能量在光腔中发生共振；和
被布置在所述光腔中的高对比度光栅(HCG)模式控制反射器，所述高对比度光栅(HCG)模式控制反射器用于将共振的光能量控制为基本上非高斯强度分布，使得所述共振的光能量作为具有所述基本上非高斯强度分布的光信号发出。
2.根据权利要求1所述的系统，其中基本上平面的HCG模式控制反射器包括由跨所述HCG模式控制反射器的表面的梯度图案限定的多个共振结构。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述多个共振结构在尺度上为亚波长或由第一材料制造并且基本上被第二材料围绕，其中所述第一材料的折射率与所述第二材料的折射率之间的差大于或等于一。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述梯度图案被定义为具有由梯度限定的可变尺度的所述多个共振结构，或所述梯度图案被定义为具有近似相等的尺度并且以由所述梯度限定的密度填充基本上平面的HCG透镜的所述多个共振结构。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述梯度图案包括沿所述HCG模式控制反射器的半径延伸的多个梯度图案。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述HCG模式控制反射器被布置为反射元件，所述反射元件与所述反光镜协作以使所述光能量在所述光腔中发生共振。
7.根据权利要求1所述的系统，进一步包括另一反光镜，所述另一反光镜互连所述HCG模式控制反射器和所述有源区，并且与所述反光镜协作，以使所述光能量在所述光腔中发生共振。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述模式控制激光系统被布置为垂直腔面发射激光器(VCSEL)，并且其中所述有源区被布置为所述VCSEL的有源区层，其中所述反光镜被布置为所述VCSEL的反射层，并且其中所述HCG模式控制反射器被布置为所述VCSEL的模式控制层。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述非高斯强度分布被生成为关于所述有源区的单模的单模非高斯强度分布。
10.一种光耦合系统，包括根据权利要求1所述的模式控制激光系统，所述光耦合系统进一步包括用于将所述光信号的基本上非高斯强度分布转换为不同的强度分布的模式转换HCG透镜。
11.一种方法，包括：
向垂直腔面发射激光器(VCSEL)的有源区提供电信号以生成光能量；
使所述光能量在光腔中发生共振；
经由高对比度光栅(HCG)模式控制元件控制所述光能量的模式，以提供具有基本上非高斯强度分布的光信号；
从所述VCSEL发出所述光信号；
经由HCG透镜将所述光信号的基本上非高斯强度分布转换为不同的强度分布；以及
经由所述HCG透镜将具有所述不同的强度分布的光信号发射到光传播器件中。
12.根据权利要求11所述的方法，其中使所述光能量发生共振包括使所述光能量在由反光镜和所述HCG模式控制反射器限定的光腔中发生共振，所述反光镜和所述HCG模式控制反射器各自协作，以在所述光腔中反射所述光能量。
13.根据权利要求11所述的方法，其中基本上平面的HCG透镜包括由跨所述HCG模式控制反射器的表面的梯度图案限定的多个共振结构，其中所述梯度图案被定义为具有由梯度限定的可变尺度的所述多个共振结构，或所述梯度图案被定义为具有近似相等的尺度并且以由所述梯度限定的密度填充所述基本上平面的HCG透镜的所述多个共振结构。
14.一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)，包括：
有源区层，用于响应于电信号生成光能量；
反光镜层，用于使所述光能量在光腔中发生共振；和
模式控制层，包括被布置在所述光腔中用于将共振的光能量控制为基本上非高斯强度分布的高对比度光栅(HCG)元件，所述HCG元件包括由跨所述HCG模式控制反射器的表面的梯度图案限定的多个共振结构，使得所述共振的光能量作为具有所述非高斯强度分布的光信号发出。
15.一种光学器件封装件，包括根据权利要求14所述的VCSEL，该封装件进一步包括：
耦合机构，用于容纳用于接收所述光信号的光传播器件；和
用于互连所述VCSEL和所述耦合机构的高对比度光栅(HCG)透镜，所述HCG透镜用于将所述基本上非高斯强度分布转换为不同的强度分布，并且将具有所述不同的强度分布的光信号发射到所述光传播器件中。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106654858A (zh) * 2017-03-08 2017-05-10 长春理工大学 具有双层亚波长光栅反射镜的垂直腔面发射半导体激光器
CN111799654A (zh) * 2020-09-09 2020-10-20 常州纵慧芯光半导体科技有限公司 一种激光器及其制造方法与应用
CN111837301A (zh) * 2018-03-08 2020-10-27 原子能和替代能源委员会 包括至少一个vcsel和扩散透镜的发光器件

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2999980B1 (en) 2013-05-22 2021-09-29 Hewlett Packard Enterprise Development LP Optical devices including a high contrast grating lens
WO2015065344A1 (en) * 2013-10-29 2015-05-07 Hewlett-Packard Development Company, L.P. High contrast grating optoelectronics
WO2015112166A1 (en) 2014-01-24 2015-07-30 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Optical modulation employing high contrast grating lens
US10924638B2 (en) * 2016-06-27 2021-02-16 Intel Corporation Compact, low cost VCSEL projector for high performance stereodepth camera
US10033156B2 (en) 2016-07-13 2018-07-24 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Low resistance vertical cavity light source with PNPN blocking

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1166067A (zh) * 1996-03-15 1997-11-26 摩托罗拉公司 具有可见光分布布拉格反射器的垂直谐振腔表面发射激光器
CN102714395A (zh) * 2010-01-29 2012-10-03 惠普发展公司，有限责任合伙企业 具有非周期性光栅的垂直腔表面发射激光器
US20130058370A1 (en) * 2010-02-24 2013-03-07 The Regents Of The University Of California Planar, high na, low loss transmitting or reflecting lenses using sub-wavelength high contrast grating

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7418016B2 (en) * 2003-02-13 2008-08-26 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. Method and apparatus for modifying the spread of a laser beam
US7376169B2 (en) 2005-03-07 2008-05-20 Joseph Reid Henrichs Optical phase conjugation laser diode
WO2007071794A2 (en) 2005-12-22 2007-06-28 Universite Jean-Monnet Mirror structure and laser device comprising such a mirror structure
GB2434914A (en) 2006-02-03 2007-08-08 Univ College Cork Nat Univ Ie Vertical cavity surface emitting laser device
JP2008283028A (ja) 2007-05-11 2008-11-20 Fuji Xerox Co Ltd 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザの製造方法、モジュール、光源装置、情報処理装置、光送信装置、光空間伝送装置および光空間伝送システム。
US8457170B2 (en) * 2009-08-10 2013-06-04 Koninklijke Philips Electronics N.V. Vertical cavity surface emitting laser with active carrier confinement
EP2467910B1 (en) * 2009-08-20 2019-02-06 Koninklijke Philips N.V. A vertical cavity surface emitting laser device with angular-selective feedback
US8576890B2 (en) * 2010-04-26 2013-11-05 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Vertical-cavity surface-emitting laser
WO2011142760A1 (en) 2010-05-13 2011-11-17 The Regents Of The University Of California High contrast grating integrated vcsel using ion implantation
US8654812B2 (en) * 2011-01-25 2014-02-18 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Q-switched grating vertical-cavity surface-emitting laser system and method for fabricating the same
EP2699955A4 (en) * 2011-04-20 2014-12-17 Hewlett Packard Development Co OPTICAL ELEMENTS BASED ON A SUB-WAVELENGTH DIFFRACTION NETWORK
KR20130048628A (ko) * 2011-11-02 2013-05-10 삼성전자주식회사 광 직접 회로의 멀티 포트 광원
TW201504599A (zh) * 2013-05-30 2015-02-01 Univ California 具有高對比光柵及可作爲雙重用途之高對比光柵垂直腔表面發射雷射檢測器之二維週期結構的極化無關光檢測器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1166067A (zh) * 1996-03-15 1997-11-26 摩托罗拉公司 具有可见光分布布拉格反射器的垂直谐振腔表面发射激光器
CN102714395A (zh) * 2010-01-29 2012-10-03 惠普发展公司，有限责任合伙企业 具有非周期性光栅的垂直腔表面发射激光器
US20130058370A1 (en) * 2010-02-24 2013-03-07 The Regents Of The University Of California Planar, high na, low loss transmitting or reflecting lenses using sub-wavelength high contrast grating

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106654858A (zh) * 2017-03-08 2017-05-10 长春理工大学 具有双层亚波长光栅反射镜的垂直腔面发射半导体激光器
CN111837301A (zh) * 2018-03-08 2020-10-27 原子能和替代能源委员会 包括至少一个vcsel和扩散透镜的发光器件
CN111837301B (zh) * 2018-03-08 2024-03-01 原子能和替代能源委员会 包括至少一个vcsel和扩散透镜的发光器件
CN111799654A (zh) * 2020-09-09 2020-10-20 常州纵慧芯光半导体科技有限公司 一种激光器及其制造方法与应用
CN111799654B (zh) * 2020-09-09 2021-01-22 常州纵慧芯光半导体科技有限公司 一种激光器及其制造方法与应用

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