CN106415954A - Vcsel结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于新的栅格反射器的VCSEL结构。该栅格反射器(1)包括栅格层(20)，所述栅格层具有包括栅格结构的连续的核心栅格区，其中栅格结构的高系数区(21)的折射系数至少为2.5，并且其中栅格结构的低系数区的折射系数低于2。核心栅格区限定了在正交于栅格层的方向上凸起。栅格反射器还包括抵靠栅格层(20)的帽盖层(30)，并且在核心栅格区的在帽盖层上的凸起范围内的帽盖层的折射系数至少为2.5，并且在核心栅格区的凸起范围内，帽盖层被第一固态介电低系数层抵靠，该第一低系数层或空气的折射系数低于2；并且在核心栅格区的凸起范围内，栅格层还被第二低系数层和/或空气抵靠，该第二低系数层或空气的折射系数低于2。VCSEL结构还包括用于提供腔和放大的第一反射器和有源区。帽盖层(30)可包括在包覆层(31,33)和金属触点(35,36)之间的有源层(32)，以提供穿过该有源层的电流。可通过低系数氧化物区(60)来实现电流限制。

Description

VCSEL结构
技术领域
本发明涉及到栅格反射器(grating reflector)以及采用栅格反射器的实施例的VCSEL结构。
背景技术
亚波长高系数对比度栅格(HCG)由于诸如宽频带高反射波谱和超高Q谐振效应的特定性质受到大量关注。作为反射器，其较传统的分布式布拉格反射器(DBR)薄了接近50倍，但是仍然能够提供在明显较宽的波谱宽度下的高反射率，这些特性使其在包括激光器、光电检测器、滤光器、分束器、耦合器等的宽应用范围内有用。已经将其应用在垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和谐振腔增强光电检测器(RCEPD)中，代替常规DBR。此外，已经显示出HCG在VCSEL结构中的几项独特特性，诸如强单横模式操作、宽波长可协调性和向面内硅光子芯片中的光发射。
使用HCG作为高Q谐振器，已经示例出非常紧凑(小模态体积(modal volume))的超高质量因数的激光器件。存在用于栅格的公知为RCWA的完全精确的电磁解决方案，但是其需要繁重的数学形式。不同的团体研究HCG特性背后的物理学原理。在HCG镜的所有文献中，栅格被低系数材料包围。即使器件基板是高系数材料的，但是宣称需要具有低系数材料的层以获得HCG特性。
US专利7,304,781B2是描述HCG镜的专利现有技术的实例。再次地，高系数区由具有相对低折射系数的材料包围。
国际专利申请公开文本WO 2013/110004A1公开了一种“0-间隙”HCG。该0-间隙HCG仅由三个几何参数定义，即栅格周期、栅格厚度和栅格占空比。入射介质是高折射系数材料114。根据图8，0-间隙HCG不提供高于99.5％的反射率，且由于0-间隙HCG的相关特性，反射率足够高的带宽相对较窄。
因此，WO 2013/110004A1中的结构具有一些不希望的特性。
本发明解决了这些不希望特性中的一些，且提供允许一些设计灵活性的替换的VCSEL结构。
发明内容
尽管事实上在文献中，HCG由被低系数材料包围的具有高系数材料的栅格部分构成，但是本发明的发明人已经意识到即使高系数材料，“帽盖层”，抵靠栅格结构也能获得相似特性。获得的结构将称作栅格反射器。即使通过高系数材料的相对厚的层(栅格厚度的几倍)，该结构也能具有特殊的且有利的特性。栅格反射器的工作机制相比常规HCG镜可更复杂，而且更重要地的是更灵活。为了实际目的，在1.5微米波长下，帽盖层在某处介于300nm至1微米之间，但是其也可更薄或更厚。
增加帽盖层提供了超越传统HCG的几点优势。其能改善一些反射特性，例如加宽带宽。从制造的观点看，尤其是对于具有有源材料的器件来说，由于将有源材料集成在栅格反射器内部的可能性，导致其能使得制造工艺简单。而且，由于RCEPD中较小的有效腔长度，导致本发明能改善器件性能，诸如谐调率。
能用在本发明中的大部分材料具有色散(chromatic dispersion)，这是在材料中传输的光的相位速度随着光的波长改变的现象。在本说明书中，特别是在权利要求中，除非另外指出，材料的“折射系数”或者“折射的系数”指的是在1.5μm的自由空间波长下该材料的折射系数的一般可接受的值。表1示出了在本发明上下文中可应用的通常的高系数材料的值。在高频率下，这些材料的折射系数随着波长降低而迅速变化，典型地是，一开始增加，之后降低至低于2.5的值。表1还示出了在250nm的自由空间波长下的折射系数，以对此进行说明。
本文使用的折射系数的定义不应认为是限制本发明的范围。使用该定义是因为在本发明的多个方面的实施例中有利的数种材料的折射系数在不同波长下是在一定间隔内的。使用在一定波长下的折射系数作为参考，折射系数或者折射的系数的概念变得毫无疑义，这些实体属于所要求保护的发明。
表1：高系数材料的折射的系数
表2：低系数材料的折射的系数
材料 n(在1.5μm下) n(在0.25μm下)
Si3N4 1.99038[3] 2.28189[4]
SiO2 1.52837[5] 1.60035[5]
Al2O3 1.74687[6] 1.8337[6]
空气 1.0002733[7] 1.00030148[7]
参考文献：
[1]Handbook of Optics，3rd edition，Vol.4，McGraw-Hill 2009
[2]D.E.Aspnes and A.A.Studna.Dielectric functions and opticalparameters of Si、Ge、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、and InSb from 1.5to 6.0eV，Phys.Rev，B 27,985-1009(1983)
[3]http://www.filmetrics.com/refractive-index-database/Si3N4/Silicon-Nitride-SiN
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[5]Gorachand Ghosh，Dispersion-equation coefficients for therefractive index and birefringence of calcite and quartz crystals，Opt.Commun.163,95-102(1999)
[6]SOPRA N&K Database
[7]Philip E.Ciddor.Refractive index of air：new equations for thevisible and near infrared，appl.Optics 35,1566-1573(1996)
本发明的第一方面提供了一种新型的VCSEL。该VCSEL包括：
本发明的第一方面提供了一种新型的栅格反射器。该栅格反射器包括：
-第一反射器，
-栅格反射器，该栅格反射器形成具有第一反射器的光学腔，和
-第一有源区，位于栅格反射器的帽盖层中用于产生或者吸收光子。帽盖层是栅格反射器的重要部分。一般，栅格反射器包括：
-栅格层，具有第一侧面且具有与第一侧面相反的第二侧面，且包括具有栅格结构的连续的核心栅格区，其中栅格结构的高系数部分的折射系数至少为2.5，且其中栅格结构的低系数部分的折射系数低于2，核心栅格区限定了在正交于栅格层的方向上的凸起，
-帽盖层，具有第一侧面并具有与第一侧面相反的第二侧面，帽盖层的第一侧面抵靠栅格层的第二侧面，且在核心栅格区的到帽盖层上的凸起范围内的帽盖层的折射系数为至少2.5，
和
-在核心栅格区的凸起范围内，帽盖层的第二侧面被第一固体介电低系数层抵靠，第一低系数层的折射系数低于2，和
-在核心栅格区的凸起范围内，栅格层的第一侧面被第二介电低系数层和/或空气抵靠，第二低系数层或空气的折射系数低于2。
层的“侧面”指的是该层的面内取向的面，该面与另一层的另一个面内取向的面相接、或者与栅格或者空气相接。从图中，很清楚，在本发明中所指的“栅格层”中，高系数部分和低系数部分在面内方向上交替。
例如与WO 2013/110004A1相比，第一反射器和栅格反射器形成光学腔，该光学腔可明显短于D1中的腔60。
为了获得栅格的更强的效果，有利的是，在核心栅格区范围内的栅格层包括至少3个高系数部分。
栅格区的高系数区可例如由Si制成或者是InP基或者GaAs基的。
第二低系数层可包括SiNx、SiO2或者AlOx，或者由SiNx、SiO2或者AlOx构成，或者是完全满足第二低系数层的条件的等效材料。
帽盖层包括第一有源区且可包括至少两个触点，所述至少两个触点被定位成允许跨过第一有源区施加电压，用于产生光子或者改变第一有源区的吸收。
帽盖层可包括第一包覆层和第二包覆层，第一有源区插入在其间。
在某些优选实施例中，帽盖层的厚度是至多3微米，诸如至多1.5微米，诸如至多0.6微米。优选地，帽盖层的厚度处于300nm至1.5微米的间隔内。
在一些实施例中，VCSEL结构进一步包括第二有源区，所述第二有源区被设置成使得第一低系数层位于第一有源区和第二有源区之间。
在一些实施例中，第一反射器是分布式的布拉格反射器。可替换地，其是栅格反射器，所述栅格反射器被设计成具有高反射率，诸如至少99％，诸如至少99.5％，诸如至少99.8％，或者甚至更高。可替换地，其可以是高对比度栅格(HCG)、金属反射器、或者具有上述高反射率的任何其他反射器。
通过增加至少两个第二有源区触点，使得能够跨过第二有源区进行正向偏置电压或反向偏置电压。之后，当跨过第二有源区施加充分且时变的反向或正向偏置电压时，能调制来自光学腔的光学输出。优选地，第一有源区触点位于第一低系数层的一个侧面上，第二有源区触点位于第一低系数层的与有第一有源区触点的侧面相反的侧面上。触点典型地不直接接触第一低系数层，图中将清楚示出这点。第一低系数层典型地不导电或者至少具有高电阻，从而跨过第一有源区施加电压不会受到跨过第二有源区施加电压的影响。
在一些实施例中，VCSEL结构包括在栅格层中的输出波导，该输出波导包括外部波导，该外部波导起始于并延伸超过在栅格层上的光学腔的第一边缘的凸起。该输出波导使得能够在侧向方向而非垂直方向上(诸如通过第一反射器)耦合从光学腔输出的光(诸如通过第一反射器)。优选地，这与具有至少99.8％的组合正交入射反射率的栅格反射器和第一反射器组合。优选地，第一反射器的正交入射反射率超过栅格反射器的正交入射反射率。结果是，大部分的光学功率经由输出波导耦合输出，而不是在正交于第一反射器的方向上。
优选地，外部波导至少10微米长。
在一些实施例中，VCSEL结构包括核心部分，在该核心部分中组合的帽盖层和栅格层的正交入射反射率是至少99％，诸如至少99.8％。
在一些实施例中，核心部分延伸到外部波导的起点。
在一些实施例中，VCSEL结构包括核心部分，该核心部分具有导致组合的帽盖层和栅格层的正交入射反射率为至少99％，诸如99.8％的栅格参数。VCSEL结构进一步包括在核心部分和外部波导之间的耦合部分，且该耦合部分具有与核心部分的栅格参数不同的栅格参数。
在一些实施例中，在耦合部分中的栅格层包括窄的低系数部分，该窄的低系数部分具有在核心部分范围内的低系数部分的最小宽度的35至65％区间内的宽度，且窄的低系数部分抵靠外部波导。在一些实施例中，在耦合部分范围内的栅格层仅由窄的低系数层构成。
在一些实施例中，外部波导与耦合部分中的宽的高系数部分一体形成，宽的高系数区具有超过核心部分范围内的高系数部分的最大宽度的宽度。
在一些实施例中，VCSEL结构进一步包括限制部分(confinement section)，该限制部分具有与核心部分的栅格参数不同的栅格参数。在一些实施例中，限制部分中的垂直谐振波长不同于核心部分中的垂直谐振波长。这样，在限制部分中没有与核心部分中的垂直谐振波长模式匹配的模式，且由此来自核心部分的光不能传播到限制部分中。
在一些实施例中，在限制部分中的栅格层是布拉格反射器或者是在核心部分的垂直腔谐振波长附近具有抑制频带(stop band)的等效结构。在一些实施例中，其包括交替的高系数部分和低系数部分，所述高系数部分和低系数部分的每一个都具有核心部分的垂直谐振波长的四分之一的光学宽度。通常，该宽度也落入核心部分的垂直谐振波长的四分之一的+/-25％范围内。
在一些实施例中，外部波导从外部波导的起点处的第一宽度逐渐减小到更窄的宽度。
在一些实施例中，第一反射器的正交入射反射率等于或者超过核心部分中组合的帽盖层和栅格层的正交入射反射率。这确保了来自光学腔的光学功率更高地耦合到外部波导中。
在一些实施例中，VCSEL结构包括：
-至少两个有源区触点，被定位成允许跨过第一有源区施加电压，用于产生光子或者改变第一有源区的吸收，
其中所述至少两个第一有源区触点之间的最短距离为外部波导起点处的外部波导宽度的至少80％。
在一些实施例中，当从与第一反射器正交的方向上看时，第一有源区触点相对于核心部分位于北面位置和南面位置，且外部波导相对于核心部分位于东面位置。
附图说明
图1A、1B、1C和1D是根据本发明一个方面的栅格反射器的实施例的横截面图。
图2A和2B是用于栅格反射器的示意性的一维栅格结构的俯视图。
图2C是用于栅格反射器的两维栅格结构的实例的俯视图。
图2D是用于栅格反射器的环形栅格结构的实例的俯视图。
图3A是用于现有技术的高系数对比度栅格的反射波谱的实例。
图3B是根据本发明的一个方面的栅格反射器的反射波谱的实例。
图4A是具有能作为反射器或者集成的强度调制器使用的栅格反射器的VCSEL结构的示意图。
图4B是采用来自图4A的VCSEL结构的VCSEL的实施例。该栅格反射器可作为集成强度调制器使用。
图5A是具有产生光的混合栅格反射器的VCSEL或者具有吸收光的混合栅格反射器的谐振腔增强型光检测器(RCEPD)的示意图。
图5B是图5A中示出的VCSEL或RCEPD结构的实施例。
图5C是图5A中示出的VCSEL或RCEPD结构的实施例。
图6A：将光发射到面内波导中的VCSEL结构的实施例。
图6B：根据本发明的一实施例的VCSEL结构的俯视图。
图6C：将光发射到面内波导中的VCSEL结构的实施例。
图6D：将光发射到面内波导中的VCSEL结构的实施例。
图6E：将光发射到面内波导中的VCSEL结构的实施例。
图6F：将光发射到面内波导中的VCSEL结构的实施例。
具体实施方式
现在将参考附图解释本发明。本说明书、包括权利要求书中的参考标记不是要解释成限制本发明的范围。附图不必按比例画出。
在栅格反射器的栅格层中使用的一维栅格例如可由第一材料的平行杆制成，所述平行杆均匀间隔开且由诸如SiO2的第二材料、或者是由空气或其他气态物质分开。第一材料例如可以是Si或InP或者GaAs或者其他高系数材料。在一些实施例中，栅格是非周期性的，诸如是变迹的(apodized)、或者活泼的(chirped)、或者近乎周期性的、或者准周期性的、或者由具有不同栅格周期和/或栅格宽度的几个部分构成。这种选择是本领域技术人员非常公知的且在本发明的实施例中可用作栅格。根据所需的特性来选择栅格。图2A和2B是栅格的实例。图2A示出了周期性的栅格，而图2B示出了非周期性的栅格。
图2B示出了具有四方形孔的二维栅格。孔也可是圆形或其他形状，且晶格结构可以是三角形的或者石墨状晶格，具有圆形的孔或材料；可使用其他形状是孔。可采用与在一维例子中讨论的相同的高系数材料和低系数材料。栅格结构的这种设计选择对于本领域技术人员是非常公知的。图2C示出了圆形设计，这也是非常公知的栅格图案。尽管图2A-2C中的图案经常使用在表面正交结构中，例如具有在层的平面内的栅格，但是也可以关于层平面成角度地对准栅格层中的栅格。与一维情况相同，栅格例如可以是非周期性的，具有改变的间隔、占空比等。
图1A、1B、1C和1D示出了根据本发明的各种栅格反射器。混合栅格反射器40由栅格层20和“帽盖层”30构成。栅格层20和帽盖层30通常由来自两个材料系统的材料制成，例如，III-V族和IV族，且在该情况下，该栅格反射器可被称作“混合栅格反射器”。例如，栅格层20可由Si制成并与由InP基材料制成的帽盖层30组合。本说明书中，通常使用术语“栅格反射器”。
图1A示出了栅格反射器的部件：帽盖层30、栅格层20以及抵靠层10和50。高系数部分21例如可以由Si制成，其在1.5μm(自由空间)波长下具有约3.48(见表1)的折射系数。低系数部分22可以是空气(或者其他气体或者气体混合物)。可替换地，根据应用，可使用材料诸如SiNx(氮化硅化合物)、SiO2或者AlOx(氧化铝化合物)，如之前讨论的那样。在帽盖层、部分10和50周围可使用相同的材料。部分10和50通过虚线框表示，因为空气是另一种可替换材料，但不是固体，这些部分的范围取决于栅格反射器的周围环境。部分10和50不需要由相同材料制成。在一些情况下他们是这样，但是使用不同材料提供了很大的设计灵活性。帽盖层典型地是III-V族基，例如InP基，但是如上文讨论的那样其他选择也是可以的。
很重要的是，注意，根据本发明的帽盖层仅需要在限定的区域中由高系数材料构成，即在由前文描述的核心栅格区限定的核心栅格区凸起范围内。图1D示出了与图1C中相似的结构，但是具有用于提供电流限制的氧化物区60。虚线框70清楚示出了图1D中的结构具有核心栅格区，即使帽盖层也具有低系数区即氧化区60也是如此。换句话说，部分70是构成根据本发明的栅格反射器的部分。该实例中，栅格反射器也具有栅格部分(其在虚线框外部)，在栅格部分下方具有氧化物60，但是由于存在核心栅格区70，因此该结构整体上是根据本发明的。
在图1A中，帽盖层30由单种材料制成。该材料可被掺杂或不被掺杂。如果帽盖层30是无源的，则栅格反射器40仅作为反射器使用。
但是，在很多实施例中，帽盖层30可以是有源的，且典型地是如图1B中示出的复合层，具有诸如有源材料层32和两个包覆层31和33的子层。包覆层也可以是具有子层的复合层。有源材料32可以是散装材料(bulk material)或者包含一个或多个量子阱、一个或多个量子点层(quantum dot layer)、一个或多个量子线层(quantum wire layer)、一个或多个量子划线层(quantum dash layer)、埋入的异质结构(BH)等，或者是这些材料和材料结构的组合。这种有源帽盖层可用于光产生或光吸收或光强度调制，这依赖于帽盖层的组成、入射光的波长、电触点的使用等。触点在图1A和1B中未示出。如果需要层32的有源操作，则可根据需要提供这些触点。触点在图1C中示出。根据偏置方向，反向或正向，有源区可提供增加的吸收或者产生光子。
在很多实施例中，栅格层的高系数部分21是IV族基，典型地由Si制成。此时，帽盖层典型地是III-V族基。这种情况下，栅格反射器被称作混合栅格反射器，表示该混合特性。
栅格21和帽盖层30两者的折射系数在一些实施例中可在2.9至3.7的范围之间。如所讨论的，周围介质10和50以及栅格间隙22的折射系数较低，例如在1.0和1.8或2之间。栅格层20的厚度可以是但不限于是感兴趣的波长的1-1.2倍左右除以栅格部分21的折射系数。例如，当感兴趣的波长是1550nm时，对于Si栅格这可能是500nm；此处，感兴趣的波长可以是波长范围的中心波长，其中栅格反射器40具有高反射值。帽盖层30的厚度可以是在感兴趣的波长的0.02到2.2倍除以帽盖层30的折射系数的范围内，但是这是设计的问题，且不应被认为是限制。例如，如果帽盖层由InP制成且感兴趣的波长是1550nm，则这可以是10nm至1μm。上文给出的折射系数和厚度是实例值；依赖于设计可使用其他值，如也已讨论过的。
如图3A中所示，常规的高系数对比度栅格可提供在宽波长范围内的高反射率。
本发明部分地基于这样的事实构成：栅格反射器可被设计成较常规的HCG具有明显较高的带宽。在栅格反射器的一些实施例中，正交入射反射率为至少99％，诸如至少99.8％。在这些实施例中，由于现有技术没有公开HCG和帽盖层的令人惊讶的有效组合使得具有跨越宽范围的高反射率成为可能，因此栅格反射器是新颖的且具有创造性的。在现有技术中，高系数层没有被设计成用于获取跨越宽范围的高反射率。在帽盖层第二侧面上存在低系数层给出了令人惊讶的效果。优选地，帽盖层的厚度是至多3微米。甚至可以在具有小于1.5微米的帽盖层的情况下实现在1550nm左右的宽的带宽。这可有利地与具有介于200nm和700nm之间的厚度的栅格层相组合。
图3B示出了根据本发明的栅格反射器的计算出的反射波谱和传输波谱。栅格层20由Si部分21和空气部分22制成，用于高系数部分21的折射系数是3.48，用于低系数部分22的折射系数为1，栅格层的厚度是497nm，栅格周期是735nm，占空比是0.45(即，Si(高系数)部分21是331nm宽而空气(低系数)部分31是404nm宽)，帽盖层30是InP且具有310nm的厚度和3.166的折射系数。计算基于从栅格反射器的帽盖层侧在表面正交方向上自空气入射的TM偏振光。
对比图3A和3B的波谱，很清楚，与现有技术的高系数对比度栅格(HCG)(包括常规HCG以及0-间隙HCG)相比，本发明能提供在更宽波长范围上的高反射率。
关键方面在于，栅格反射器包括上文描述的“帽盖层”。混合反射器由四个几何参数限定，即，栅格周期、栅格厚度、栅格占空比和帽盖层厚度。在之前讨论的WO2013/110004A1中，仅有三个参数。在WO2013/110004A1中位于与栅格反射器中的帽盖层相似位置的高系数层不能起到同样的作用。其重要原因在于，本发明中的入射介质是低折射系数材料50。现有技术中，腔60由高系数材料制成，而在本发明中，腔由低系数材料制成，这导至了根本上不同的光学模式。
具有作为集成调制器使用的混合栅格反射器的VCSEL
图4A示出了根据本发明一方面的VCSEL的层结构。其具有混合栅格反射器40和另一反射器210。这两个反射器形成光学腔。有两个有源区。第一有源区32是混合栅格反射器40的一部分且具有包覆层31和33。第二有源区102是光学腔的一部分且具有包覆层101和103。光学腔还包含低系数层50，该低系数层50抵靠混合栅格反射器的帽盖层。栅格层20具有高系数部分21，在该实例中该高系数部分21由Si制成(因为在本实例中是混和栅格反射器)。在本实例中，栅格的低系数部分22由空气制成。
有源区102可用之前关于栅格反射器的层32描述过的材料和结构制成，也就是：其可以是散装材料或者含有一个或多个量子阱、一个或多个量子点层、一个或多个量子线层、一个或多个量子划线层、埋入的异质结构(BH)等，或者是这些材料和材料结构的组合。层101和/或103可包括光限制结构和/或电限制结构。这是设计的问题且会影响器件效率以及光学和电学特性。示出的设计是简单且有效的。
图4B示出了使用图4A中示出的VCSEL结构的VCSEL。栅格反射器作为集成强度调制器使用。
电流通过包覆层101和103提供至用于光产生的有源材料102。金属触点105和106用于提供电流。用作电流的侧向限制的结构(诸如氧化物孔隙和隧道连结)可包括在包覆层101或103中，或者包括在两者中。低系数层50例如是SiO2或者AlO或者BCB。
反射器210例如可以是分布式布拉格反射器、常规高系数对比度栅格、或者另一种栅格反射器或混合栅格反射器、或者其他类型的合适的镜子。
通过将反向偏置或正向偏置提供至有源材料32，有源材料32的折射系数和吸收系数可改变。金属触点35和36或者金属触点35和105用于该提供。在图4B中，金属触点35和36被用来向用于强度调制的有源材料32供电，而金属触点105和106被用来向用于光产生的有源材料102提供电流。
具有来自混和栅格反射器的光产生的VCSEL
图5A示出了根据本发明一方面的VCSEL结构的另一实施例，图5B和5C是包括合适的金属触点的实施例。
图5A示出了根据本发明一方面的VCSEL的层结构。其具有混和栅格反射器40和另一个反射器210。如与图4A中示出的VCSEL结构相反的是，由两个反射器40和210形成的光学腔50不包括有源区(图4A中的102)。第一且仅有的有源区32被包括作为混和栅格反射器40的一部分。这点在其自身与常规VCSEL结构完全不同，在常规VCSEL结构中有源区以这种方式定位使得其利用光学腔中的强的光强度以增强受激的发射。在本发明的VCSEL结构中，包括在混合栅格反射器40中的有源材料32产生用于发射激光的光子。因此栅格反射器同时用作为反射器和光子产生器。
在图5A中，混合栅格反射器40的帽盖层30由有源材料32和包覆层31和33构成。电流可通过包覆层31和33被提供至用于光产生有源材料32。用作电流的侧向限制的结构诸如氧化物孔隙和隧道连结可被包括在核心栅格区的凸起的外部。在栅格反射器部分的核心栅格区及其到帽盖层上的凸起范围内，根据本发明，帽盖层的折射系数必须较高。
在图5B和5C中，金属触点35和36用于提供电流至用于光产生的有源材料32。
为了侧向限制电流，例如可以在包覆层31和33中包括诸如氧化物孔隙或隧道连结的结构。可替换地，有源材料32可被包括在埋入的异质结构范围内。
当光入射到混合栅格反射器40上时，其在栅格层20和帽盖层30中激发几种模式。这些激发出的模式共同形成了混合栅格反射器内的驻波强度图案。帽盖层30内的驻波图案的反节点位置(anti-node position)中的一个位置处的光强度与在光学腔内的反节点位置中的一个位置处的光强度的相当，或者甚至更高。由此，可获得与常规VCSEL结构中同等效果的受激发射。这基本与现有技术的原理在根本上不同。
与常规VCSEL结构的明显的结构差别在于，用于光产生的有源材料本身不位于光学腔中而是位于反射器中。结果是，在图5A中示出的VCSEL结构中的由光学腔形成的光学模式的体积V比常规VCSEL结构中的小很多。这种结果部分是由于光学腔中的低系数层50可以非常薄，例如在250和600nm之间。这引起VCSEL的固有调制速度(intrinsic modulationspeed)增加很多，一定程度上正比于V-1/2。
另一结果是，等效串联电阻R和电容C小很多，易于RC时间常数限制，非固有调制速度(extrinsic modulation speed)在一定程度上缩放为(RC)-1/2。
图5B中的结构不需要牺牲蚀刻以形成较低折射系数层10。层10应由较低折射系数材料制成。
在于栅格层20中形成了栅格图案之后，帽盖层30被晶片键合到栅格层20上。
低系数层50可由SiNx、SiO2或者AlOx制成。SiNx和SiO2应被沉积，AlOx可外延生长并氧化，且空气可通过牺牲蚀刻形成。
反射器210可以是沉积的介电DBR、外延生长的DBR、高系数对比度栅格、或者另一栅格反射器或混合栅格反射器。
图5C中实施例的制造需要牺牲蚀刻以形成较低折射系数部件10。最初，可以由高折射系数材料制成要成为较低折射系数部件10的区域，并且之后通过牺牲蚀刻去除该区域。在于栅格层20中形成了栅格图案之后，通过牺牲蚀刻形成低系数部件10。之后，将帽盖层30晶片键合到栅格20上。结果是空气部分12和为半导体材料的元件11。
具有在混和栅格反射器中的光吸收的RCEPD
图5A至5C中的结构可用于光检测。将反向偏置施加至两个包覆层之间，以利于抽出作为光吸收的结果在有源层32中产生的电子。
如果光吸收材料被定位在光学腔中的驻波图案的光强度反节点中的一个反节点处，则可增强光吸收量。在图5A至5C中的结构中，可以使用帽盖层30中的反节点。可以获得接近100％的非常高的光吸收效率值。光吸收效率计算被吸收的光相对于入射的、被耦合的光的量。
侧向发射到面内波导中
图6A-6F示出了VCSEL结构的实施例，其包括输出波导，用于耦合在侧向方向上向外的光学功率611。为了避免垂直发射，第一反射器210和栅格反射器40具有高反射率，优选是至少99％。至少99.8％的反射率在一些情况下是有利的。这增加了在侧向方向上向外耦合。
图6A示出了具有三个分离的部分的实施例。部分625是核心部分，在该部分中，栅格层中的栅格具有一特定结构，该特定结构包括具有一定节距和占空比的多个高系数和低系数部分。栅格层的特征也在于其厚度。限制部分626提供了在或者非常靠近激光发射波长处的面内限制，以防止光功率通过部分626耦合。部分627是耦合部分，其提高了在核心部分625外面和进入到外部波导中的耦合效率。在图6A中，部分627中的栅格参数区别于核心部分625中的那些，并且本发明人已经发现这能明显提高光功率进入外部波导中的耦合效率。
图6B示出了从俯视视角看的与图6A相似的实施例。两个触点35和36相结合以允许在有源区32中光学放大。在图6B的实施例中，两个触点被分开的宽度至少是在外部波导的起点处的外部波导的宽度。这有助于抑制载流子拥挤现象，这种情况会发生在腔内触点方案中(在该方案中，一个金属触点形成在上部镜子下方且另一金属触点形成在下部镜子上方，这两个镜子形成光学腔；该方案未在图6A中示出)。
图6C示出了耦合部分是窄的低系数部分的实施例。优选地，该部分的宽度介于核心部分中的低系数部分的宽度的35和65％之间。如果核心部分中的低系数部分的宽度在核心部分范围内彼此不同，则窄的低系数部分的宽度介于核心部分中最窄的低系数部分的宽度的35和65％之间。
图6D示出了外部波导抵靠高系数部分的实施例，其中所述高系数部分具有的宽度超过核心部分中的高系数部分的最大宽度。这也可提高耦合效率。
图6E与图6C相似。但是，抵靠外部波导的低系数部分具有的宽度等于或者至少基本等于核心部分中的最窄的低系数部分的宽度。
图6F示出了限制部分在其上方不具有层50和210的实施例。这提供了横向限制。
在一些实施例中，限制部分626可具有与核心部分625不同的栅格参数，导至了限制部分626中的不同谐振波长。这提供了横向限制。
在一些实施例中，可选择限制部分626的栅格层的栅格参数，以形成布拉格反射器。这提供了横向限制。
在一些实施例中，限制部分626的帽盖层具有布拉格反射器图案。这提供了横向限制。
外部波导可相对于栅格层中的栅格结构在另一方向上交替延伸，诸如在栅格是诸如图2A或2B中的栅格的情况下与杆平行。任何角度都是可以的。图6A至6F中示出的结构充分利用了限制部分626、核心部分625和耦合部分627中的栅格参数之间的差别。

Claims (25)

1.一种VCSEL结构，包括：
第一反射器(210)，
栅格反射器(40)，所述栅格反射器与所述第一反射器形成光学腔，
其中所述栅格反射器(40)包括：
栅格层(20)，具有第一侧面并具有与所述第一侧面相反的第二侧面，并且包括具有栅格结构(21，22)的连续的核心栅格区(70)，其中所述栅格结构的高系数部分(21)的折射系数为至少2.5，并且其中所述栅格结构的低系数部分(22)的折射系数低于2，所述核心栅格区限定了在正交于所述栅格层的方向上凸起，
帽盖层(30)，具有第一侧面并具有与所述第一侧面相反的第二侧面，所述帽盖层的第一侧面抵靠所述栅格层的第二侧面，且在所述核心栅格区的到所述帽盖层上的所述凸起范围内的所述帽盖层的折射系数是至少2.5；并且在所述核心栅格区的所述凸起范围内，所述帽盖层的第二侧被第一固态介电低系数层(50)抵靠，所述第一低系数的折射系数低于2；和在所述核心栅格区的所述凸起范围内，所述栅格层的所述第一侧面被所述第二介电低系数层(10)和/或被空气抵靠，所述第二低系数层或空气的折射系数低于2，
所述VCSEL结构还包括第一有源区(32)，所述第一有源区(32)位于所述栅格反射器(40)的所述帽盖层(30)中，用于产生或吸收光子。
2.根据权利要求1的VCSEL结构，其中所述核心栅格区包括至少3个高系数部分(21)。
3.根据权利要求1或2的VCSEL结构，其中所述帽盖层的厚度在300nm和1.5微米之间。
4.根据前述权利要求中任一项的VCSEL结构，其中所述栅格区(20)的一个或多个高系数部分(21)由Si制成，或者是InP基或者GaAs基的。
5.根据前述权利要求中任一项的VCSEL结构，其中所述第一低系数层包括SiNx、SiO2或者AlOx。
6.根据前述权利要求中任一项的VCSEL结构，还包括至少两个第一有源区触点(35，36)，所述至少两个第一有源区触点被定位成允许跨越所述第一有源区施加电压，用于产生光子或者改变所述第一有源区的吸收。
7.根据权利要求6的VCSEL结构，其中当跨过所述第一有源区施加充分的正向偏置电压时，所述第一有源区产生光子，用于支持VCSEL中的发射激光状态，所述VCSEL包括权利要求6的所述VCSEL结构。
8.根据前述权利要求中任一项的VCSEL结构，其中所述VCSEL结构还包括第二有源区(102)，所述第二有源区被设置成使得所述第一低系数层位于所述第一有源区和所述第二有源区之间，且当跨过所述第二有源区施加充分且时变的反向或正向的偏置电压时，所述第二有源区能够调制来自所述光学腔的光学输出。
9.根据权利要求8的VCSEL结构，还包括：
至少两个第二有源区触点(105,106)，用于使得能够跨过所述第二有源区(102)施加正向偏置电压或反向偏置电压。
10.根据前述权利要求中一项的VCSEL结构，其中所述第一反射器是分布式布拉格反射器、或者高对比度栅格、或者栅格反射器、或者与所述VCSEL结构相兼容的其他反射器。
11.根据前述权利要求中一项的VCSEL结构，还包括在所述栅格层中的输出波导，所述输出波导包括外部波导(610)，所述外部波导起始于并延伸超过在所述栅格层上的所述光学腔的第一边缘的凸起。
12.根据权利要求11的VCSEL结构，其中所述外部波导为至少10微米长。
13.根据权利要求11或12的VCSEL结构，包括核心部分(625)，在所述核心部分中，组合的帽盖层和栅格层的正交入射反射率为至少99％，诸如至少99.8％。
14.根据权利要求13的VCSEL结构，其中所述核心部分延伸到所述外部波导的起点。
15.根据权利要求11或12的VCSEL结构，包括：
具有栅格参数的核心部分(625)，其中所述组合的帽盖层和栅格层的正交入射反射率为至少99％诸如至少99.8％，和
在所述核心部分和所述外部波导之间的耦合部分(627)，所述耦合部分具有与所述核心部分的栅格参数不同的栅格参数。
16.根据权利要求15的VCSEL结构，其中所述耦合部分中的所述栅格层包括窄的低系数部分(622)，所述窄的低系数部分具有的宽度介于所述核心部分范围内的低系数部分(22)的最小宽度的35至65％间隔中，并且所述窄的低系数部分抵靠所述外部波导。
17.根据权利要求15的VCSEL结构，其中在所述耦合部分范围内的栅格层仅由所述窄的低系数层构成。
18.根据权利要求15的VCSEL结构，其中所述外部波导与所述耦合部分中的宽的高系数部分一体形成，所述宽的高系数区具有的宽度超过所述核心部分范围内的所述高系数部分(21)的最大宽度。
19.根据权利要求11-18中一项的VCSEL结构，还包括限制部分(626)，所述限制部分具有与所述核心部分的栅格参数不同的栅格参数。
20.根据权利要求19的VCSEL结构，其中所述限制部分中的垂直谐振波长不同于所述核心部分中的垂直谐振波长。
21.根据权利要求19的VCSEL结构，其中所述限制部分是布拉格反射器或者是在所述核心部分的垂直腔谐振波长附近具有抑制频带的等效结构，优选地，包括交替的高系数部分和低系数部分，所述高系数部分和低系数部分的每一个都具有与所述核心部分的垂直谐振波长的四分之一相等或者基本相等的光学宽度。
22.根据权利要求11-21中一项的VCSEL结构，其中所述外部波导从在所述外部波导的起点处的第一宽度逐渐减小至更窄的宽度。
23.根据前述权利要求中任一项的VCSEL结构，其中所述第一反射器的正交入射反射率等于或者超过所述核心栅格区范围内的所述组合的帽盖层和栅格层的正交入射反射率。
24.根据权利要求11-23中一项的VCSEL结构，还包括：
至少两个第一有源区触点，被定位成允许跨过所述第一有源区施加电压，用于产生光子或者改变所述第一有源区的吸收，
其中在所述至少两个第一有源区触点之间的最短距离是在所述外部波导的起点处的所述外部波导的宽度的至少80％。
25.根据权利要求11-23中任一项的VCSEL结构，还包括：
至少两个第一有源区触点，被定位成允许跨过所述第一有源区施加电压，用于产生光子或者改变所述第一有源区的吸收，其中当从与所述第一反射器正交的方向上看时，所述第一有源区触点相对于所述核心部分位于北面位置和南面位置且所述外部波导相对于所述核心部分位于东面位置。
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