CN109428263A - 在垂直腔表面发射激光器中控制光束发散度 - Google Patents

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Abstract

在一些实施方式中，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)包括基体层和在基体层上的外延层。外延层可以包括活性层、第一反射镜、第二反射镜和一个或多个氧化层。活性层可以在第一反射镜和第二反射镜之间，且一个或多个氧化层可以靠近活性层。一个或多个氧化层可以配置为基于以下中的至少一个控制所发出激光束的光束发散度：一个或多个氧化层的量，一个或多个氧化层的形状，一个或多个氧化层的厚度，或一个或多个氧化层与活性层的接近程度。

Description

在垂直腔表面发射激光器中控制光束发散度
技术领域
本发明通常涉及激光器且更具体涉及在垂直腔表面发射激光器(VCSEL)中控制光束发散度。
背景技术
垂直发射装置(例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL))是一种激光器，其中激光束沿垂直于基体表面的方向发出(例如从半导体晶片的表面垂直地)。与边缘发射装置不同，垂直发射装置可以允许在晶片制造的中间步骤进行测试。
发明内容
根据一些可行的实施方式，VCSEL可以包括基体层和在基体层上的外延层。外延层可以包括活性层、第一反射镜、第二反射镜和一个或多个氧化层。活性层可以在第一反射镜和第二反射镜之间，且一个或多个氧化层可以靠近活性层。一个或多个氧化层可以配置为基于以下中的至少一个控制所发出激光束的光束发散度：一个或多个氧化层的量，一个或多个氧化层的形状，一个或多个氧化层的厚度，或一个或多个氧化层与活性层的接近程度。
根据一些可行的实施方式，控制VCSEL中光束发散度的方法可以包括，在VCSEL的基体层上形成活性层、第一反射镜、和第二反射镜。活性层可以形成在第一反射镜和第二反射镜之间。方法可以在活性层附近形成一个或多个氧化层。一个或多个氧化层可以配置为基于以下中的至少一个控制所发出激光束的光束发散度：一个或多个氧化层的量、一个或多个氧化层的一种或多种形状、一个或多个氧化层的一种或多种厚度、或一个或多个氧化层与活性层的一种或多种接近程度。
根据一些可行的实施方式，VCSEL晶圆可以包括基体层和在基体层上的外延层。外延层可以包括在第一反射镜和第二反射镜之间的活性层，且靠近活性层的一个或多个氧化层配置为通过基于以下中的至少一个控制活性区域附近的有效折射率阶跃而控制所发出激光束的光束发散度：包括在一个或多个氧化层中的氧化层的量，一个或多个氧化层中的至少一个氧化层的形状，一个或多个氧化层中的至少一个氧化层的厚度，一个或多个氧化层中的至少一个氧化层与活性层的活性区域的接近程度。
附图说明
图1A和1B是具有不同光束发散度的不同发射器的示意图；
图2A和2B是分别显示了示例性发射器的俯视图和示例性发射器的示例性截面示意图；
图3A-3H是配置为控制光束发散度的示例性发射器的示例性截面示意图；和
图4是用于控制VCSEL中光束发散度的示例性过程的流程图。
具体实施方式
示例性实施方式的以下详细描述参照了附随的附图。相同附图标记在不同附图中可以表示相同或相似的元件。下文所述的实施方式仅仅是例子且目的不是要将实施方式限制为确切的公开形式。替代地，实施方式被选择为用于描述，以使得本领域技术人员能实施该实施方式。
图1A和1B是具有不同光束发散度的不同发射器(例如VCSEL)100、105的示意图。第一发射器100可以发出具有较宽光束发散度、较高数值孔径(numerical aperture)和较宽光谱宽度的激光束110。第二发射器105可以发出具有较窄光束发散度、较低数值孔径和较窄光谱宽度的激光束115。
发射器(例如VCSEL)可以用于各种需要不同光学模式特点(例如光束发散度、数值孔径、和/或光谱宽度)的各种应用。例如，在消费应用中，例如三维感测，具有较高数值孔径、较宽光束发散度和较宽光谱宽度的发射器(例如发射器100)会期望通过降低可以进入人眼睛的光量而改善安全性。作为另一例子，在数据通信中，具有较低数值孔径、较窄光束发散度和较窄光谱宽度的发射器(例如发射器105)会期望增加光纤耦合效率和/或增加透射距离。本文所述的一些技术允许发射器100、105针对要求不同光束发散度、数值孔径和/或光谱宽度的各种种类应用进行灵活设计。
如图1A和1B所示，发射器100、105可以包括基体层120和形成在基体层120上的外延层。外延层可以包括活性层125、第一反射镜(mirror)130、第二反射镜135和一个或多个氧化层140。活性层125可以在第一反射镜130(例如顶部反射镜)和第二反射镜135(底部反射镜)之间。关于示例性发射器100、105的额外细节在本文其他位置描述。
通过发射器100、105发出的激光束的光束发散度、数值孔径和光谱宽度被发射器100、105发出的光的光学模式所控制。光学模式通过活性层125的活性区域145和与一个或多个氧化层140关联的氧化区域150之间的有效折射率阶跃控制。有效折射率阶跃可以代表氧化区域150的有效折射率相对于活性区域145的有效折射率之间的相对差。本文所述的一些技术改变氧化区域150的有效折射率，其改变了发射器100、105的光学模式，其改变了通过发射器100、105发出的激光束的光束发散度、数值孔径和光谱宽度。例如，增加氧化区域150的有效折射率在活性区域145附近造成较大的有效折射率阶跃，其增加了光局限(optical confinement)并产生具有较宽发散度、较高数值孔径、和较宽光谱宽度的激光束，如发射器100和激光束110所示。相反地，减少氧化区域150的有效折射率在活性区域145附近造成较小的有效折射率阶跃，其减少光局限并产生具有较窄发散度、较低数值孔径、和较窄光谱宽度的激光束，如发射器105和激光束115所示。
本文所述的技术涉及改变氧化层(一个或多个)140的特点，以改变氧化区域150的有效折射率，且控制发射器(例如VCSEL)的光学模式特点。例如，发射器100包括较大数量的氧化层140(例如两个氧化层140)，其增加氧化区域150的有效折射率，实现激光束110的较宽光束发散度。作为另一例子，发射器105包括较小数量的氧化层140(例如一个氧化层140)，其减小氧化区域150的有效折射率，实现激光束115的较窄光束发散度。氧化层140的量是氧化层特征的一个例子，其可被改变以改变氧化区域150的有效折射率。其他特点包括氧化层(一个或多个)140的形状、厚度和/或与活性层125的接近程度，且将在本文的其他位置详细描述。通过改变氧化层(一个或多个)140的特点，发射器可被设计为用于具有各种需求的各种应用。
在一些实施方式中，氧化层140和最终的氧化物孔(oxide aperture)的设计计入了通过与氧化物孔有关的热透镜效应(thermal lensing)形成的总体横向折射率轮廓(later index profile)，尤其是在有效折射率阶跃较小时。例如，VCSEL可以在氧化物孔的中心附近更热，且朝向氧化物孔边缘的温度下降形成了从氧化物孔的中心到氧化物孔的边缘的半导体折射率的相应下降。改变有效折射率阶跃的本文所述的技术不影响第一阶(first order)中的这种热透镜效应。
在一些情况下，多个氧化层140已经用于降低寄生电容，这种寄生电容在数据通信应用中会限制高速调制能力(例如20GHz和/或类似的)。本文所述的一些技术应用于高光功率VCSEL，其具有有限的调制能力(例如10MHz和/或类似的)，其中多个氧化层140不必用于降低寄生电容。
进而，VCSEL的设计不仅需要控制激光束的发散度，而且需要控制光强度的角分布均匀性(例如远场)，尤其是针对满足激光器安全标准的情况。在这些标准中，通过通常与光源相距100mm的孔(例如通常为7mm直径)输送的输出功率必须低于取决于波长和脉冲条件的特定值。进而，孔相对于光源的所有可能角位置必须经过考虑。由此，对于通过人眼睛可观察(例如直接或通过透镜)到VCSEL或VCSEL阵列的远场(far field)的应用，远场必须不仅具有最小的发散度，而且还不能具有光强度集中的尖峰或角圆锥(angular cone)。
对于较小的孔尺寸来说，各激光模式的发散度增加。然而，由于在制造中不能控制孔尺寸(或相当地氧化长度或深度)以及例如阵列中发射器数量这样的其他工程限制条件，所以不能简单地通过制造较小的孔直径(例如<5μm)来实现高发散度。因此，高发散度需要通过较大的VCSEL直径(例如7μm到大约15μm直径的孔)来实现。为了实现这一点，需要激光器部分地以具有较高发散度且在远场具有多个瓣区(lobe)的较高阶模式下发出激光。为了避免特定角度附近的光集中，需要较高阶和较低阶模式的混合来同时发出激光。用于数据通信的多模式VCSEL以较高阶和较低阶模式的混合发出激光，但是通常不具有足够宽的发散度以满足自由空间感测应用的需求，因为这些VCSEL通常被设计为具有较少的模式，以实现典型的多模式光纤数据通信标准所需的较窄的光谱宽度。
为了使得较高阶模式的激光发射增加，如与用于数据通信的VCSEL比较，需要较大的横向有效折射率阶跃，其可以通过多个氧化物孔、较厚的氧化物孔和/或本文所述的其他技术实现。有效折射率通过经电场强度加权的折射率的积分(沿垂直轴线)限定。可以通过沿装置中心(没有氧化物)的垂直轴线的有效折射率减去沿经过氧化层的最厚部分(在装置边缘附近)的垂直轴线的有效折射率而得到的差来计算有效折射率阶跃。另外或替换地，可以通过针对沿装置中心的垂直轴线行进的平面波和沿装置边缘处的垂直轴线行进并遭遇到氧化层的最厚部分的平面波将共振波长进行比较，从而计算有效折射率阶跃。
形成有效折射率阶跃的大的改变的一种方式是通过突然的跳跃或阶跃。然而，横向有效折射率的大的突然阶跃带来两个问题。第一，其需要钝氧化锋面(blunt oxidationfront)，其倾向于增加装置中的机械应力。第二，其需要有效折射率的突然阶跃，其会增加较高阶模式的散射损失，由此妨碍这些模式中的激光发射。因此，必须通过横向折射率轮廓的一些锥形部分实现较大的横向折射率阶跃。
但是，锥形部分太长或相当于横向折射率梯度太，低会导致两个问题。在极端情况下，锥形部分太长将在活性区域附近有效地出现小折射率阶跃的状况，且较高阶模式将在空间上太宽，以至于不能与装置的活性区域重叠(在该处电流流动进入量子阱)且将不会发出激光或将发出非常少的激光。但是在中间情况下，锥形部分太长(或相当于横向折射率梯度太低)对较高阶模式来说会使得散射损失降低太多，以至于它们几乎具有与最低阶模式相同的损失。这种低损失会在低温(例如-40℃到5℃)时造成问题。通常，在运行于低温的VCSEL中，活性区域的增益谱的峰部与激光发射模式相比波长更短。在较高温度下，增益谱的峰部和激光发射模式切换到更长波长，但是增益谱的峰部切换得更快且能更好适应所有激光发射模式。但是，较高阶模式以比该较低阶或最低阶(例如基本)模式更短的波长发出激光。因此，在散射损失较低时，阈值载流子密度(和因此阈值电流)在低温下对于较高阶模式来说较低。潜在地，这种差异会导致主要在单个或很少的较高阶模式下发出激光并导致光集中于特定的角圆锥中，这在试图实现感测应用通常所需的光强度的更均匀角分布时是不期望的。
因此，对于VCSEL的给定尺寸和波长，对横向折射率梯度和有效折射率阶跃设置上限和下限，以便实现足够的发散度和充分均匀的远场轮廓。虽然可以通过各种有限元软件确定波导的横向模式的形状，但是难以预测VCSEL中激光发射模式的相对光功率，因为模式的最终组合将取决于电流注入轮廓(current injection profile)、温度轮廓(temperature profile)、光学增益对载流子密度和载流子扩散。在一些情况下，孔可被如下设计：对于900到960nm波长范围且具有6到10微米的有效孔直径的激光器，所需的有效折射率阶跃至少为0.060，具有0.027μm-1到0.108μm-1的平均有效折射率梯度，或相当于0.5到2微米的锥形长度，以在7kA/cm2的注入电流密度下实现至少0.20NA的发散度，其中NA是一数值孔径，其被限定为涵盖86％光功率的圆锥形的半角的正弦，且使得远场在VCSEL在连续波(CW)或类似CW条件下被驱动时足够均匀。为了足够均匀，需要让经过具有2度的半角的圆锥形光的光功率(对于相对于激光束的主方向的任何取向来说)不大于总的光输出功率的3％。氧化物孔不需要是确切的圆形，因此上述的有效孔直径是等效面积的圆形的直径。
在窄发散度的情况下，对于900到960nm波长范围且有效孔直径为9到11微米的激光器，所需的有效折射率阶跃(在没有热梯度的情况下)最大为0.0019，以在至少大约14kA/cm2的注入电流密度下实现最大0.20NA的发散度。另外，孔必须被置于与活性区域垂直相距最大大约0.19微米的位置，以便确保光增益首先激励最低阶模式。本文所述的技术能满足如上所述的需求。
如上所述，图1A和1B是作为例子提供的。其他例子也是可以的，且可以与针对图1A和1B所述的有所不同。
图2A和2B是分别显示了发射器200的俯视图和发射器200的示例性截面图250的示意图。如图2A所示，发射器200可以包括以发射器架构构造的一组发射器层。为了清楚，在图2A中未示出发射器200的所有发射器层。在一些实施方式中，发射器200可以对应于图1A的发射器100，图1B的发射器105、图3A的发射器300、图3B的发射器302、图3C的发射器310、图3D的发射器312、图3E的发射器320、图3F的发射器322、图3G的发射器330、图3H的发射器332和/或类似发射器。
如图2A所示，发射器200包括植入保护层202，其在该例子中是圆形的。在一些实施方式中，植入保护层202可以具有其他形状，例如椭圆形、多边形等。植入保护层202基于包括在发射器200中的植入材料部分(未示出)之间的空间限定。进一步如图2A所示，发射器200包括P型欧姆金属层(P-Ohmic metal layer)204，其被构造为部分环形形状(例如具有内半径和外半径)如所示的，P型欧姆金属层204在植入保护层202上方同中心地定位(即P型欧姆金属层204的外半径小于或等于植入保护层202的半径)。这种构造例如可以在P型向上/顶部发射的发射器200的情况下使用。在底部发射的发射器200的情况下，该构造可以按照需要调整。
进一步如图2A所示，发射器200包括电介质通路口(dielectric viaopening)206，其形成(例如蚀刻)在覆盖P型欧姆金属层204的电介质钝化/反射镜层(未示出)上。如所示的，电介质通路口206形成为部分环形形状(例如类似于P型欧姆金属层204)且在P型欧姆金属层204上方同中心地形成，使得电介质钝化/反射镜层的金属化部接触P型欧姆金属层204。在一些实施方式中，电介质口206和/或P型欧姆金属层204可以形成为其他形状，例如完整环形状形或分裂环形形状。
如进一步所示的，发射器200包括在P型欧姆金属层204的部分环形形状的内半径中的且在发射器的一部分中的光孔208。发射器200经由光孔208发出激光束。如进一步所示的，发射器200还包括电流局限孔210(例如通过发射器200的氧化层220形成的氧化物孔)。电流局限孔210形成在光孔208下方。
进一步如图2A所示，发射器200包括一组氧化沟212，其围绕植入保护层202的周向间隔开(例如等距、不等距)。氧化沟212可相对于光孔208等位得多近取决于应用，且通常被植入保护层202、P型欧姆金属层204、电介质通路口206和制造公差所限制。
图2A所示的层的数量和布置方式作为例子提供。实践中，与图2A所示的相比，发射器200可以包括额外层、较少层、不同层、或不同布置的层。例如，尽管发射器200包括六个一组的氧化沟212，但是实践中，其他设计也是可以的，例如包括五个氧化沟212、七个氧化沟212和/或类似个数氧化沟的紧凑发射器。作为另一例子，尽管发射器200是圆形的发射器设计，但是在实践中，其他设计也是可以的，例如矩形发射器、六边形发射器、椭圆形发射器等。另外或替换地，发射器200的一组层(例如一层或多层)可以执行一个或多个功能，所述一个或多个功能被描述为分别被发射器200的另一组层执行。
应注意，尽管发射器200的设计被描述为包括VCSEL，但是其他实施方式也是可以的。例如，发射器200的设计可以应用于其他类型的光学装置的情况，例如发光二极管(LED)或其他类型的垂直发射(例如顶部发射或底部发射)光学装置。另外，发射器200的设计可以应用于具有任何波长、功率水平、发射模式(emission profile)等的发射器。换句话说，发射器200不是特别用于具有给定性能特征的发射器。
如图2B所示，示例性截面图可以代表经过一对氧化沟212的发射器200的截面(例如图2A中标记为“X-X”的线所示)。如所示的，发射器200可以包括背侧阴极层228、基体层226、底部反射镜224、活性层222、氧化层220、顶部反射镜218、植入绝缘材料216、电介质钝化/反射镜层214和P型欧姆金属层204。如所示的，发射器200可以具有大约10μm的总高度。
背侧阴极层228可以包括与基体层226电接触的层。例如，背侧阴极层228可以包括经退火的金属化层，例如AuGeNi层、PdGeAu层等。
基体层226可以包括基部基体层，外延层在其上生长。例如，基体层226可以包括半导体层，例如GaAs层、InP层和/或类似层。在一些实施方式中，基体层226可以是半导体晶圆的表面，且发射器200可以形成在半导体晶圆上(例如形成发射器晶圆)。在一些实施方式中，基体层226可以对应于基体层120，如上针对图1A和1B所述的。
底部反射镜224可以包括发射器200的底部反射层。例如，底部反射镜224可以包括分布式布拉格反射器(DBR)。在一些实施方式中，底部反射镜224可以对应于第二反射镜135，如上针对图1A和1B所述的。
活性层222可以包括对电子进行约束并限定发射器200的发射波长的层。例如，活性层222可以是量子阱。在一些实施方式中，活性层222可以对应于活性层125，如上针对图1A和1B所述的。
氧化层220可以包括氧化物层，其提供发射器200的光和电局限。在一些实施方式中，氧化层220可以因外延层的湿氧化而形成。例如，氧化层220可以是Al2O3层，其是由于AlAs或AlGaAs层的氧化形成的。氧化沟212可以包括开口，其允许氧气(例如干燥氧气、湿润氧气)达到外延层，氧化层220从该外延层形成。氧化层(一个或多个)220可以靠近活性层222。在一些实施方式中，氧化层220可以对应于氧化层140，如上针对图1A和1B所述的。如所示的，氧化层220与活性层222相比距基体层226较远(例如基体层226位于活性层222的一侧，且氧化层220位于活性层222的相反侧)。
如图2B所示，在发射器200为顶部发射激光器时，氧化层220定位在活性层222和光孔208之间，发射器200从该光孔发出激光束。在一些实施方式中，在发射器200为底部发射激光器时，活性层222定位在氧化层220和光孔208之间，发射器200从该光孔发出激光束。
电流局限孔210可以包括通过氧化层220限定的旋光孔。电流局限孔210的尺寸可以例如为大约6.0μm到大约14.0μm的范围。在一些实施方式中，电流局限孔210的尺寸可以取决于围绕发射器200的氧化沟212的距离。例如，氧化沟212可以被蚀刻以露出外延层，氧化层220从该外延层形成。这里，在电介质钝化/反射镜层214沉积之前，可以针对朝向发射器200的中心的特定距离发生外延层的氧化(例如图2B所示的)，由此形成氧化层220和电流局限孔210。在一些实施方式中，电流局限孔210可以包括氧化物孔。另外或替换地，电流局限孔210可以包括与其他类型的电流局限技术(例如蚀刻平台(etched mesa)、没有离子植入的区域、经平板印刷限定的内空腔平台和再生长(regrowth)等)关联的孔。
顶部反射镜218可以包括发射器200的顶部反射器层。例如，顶部反射镜218可以包括DBR。在一些实施方式中，顶部反射镜218可以对应于第一反射镜130，如上针对图1A和1B所述的。
植入绝缘材料216可以包括提供电绝缘的材料。例如，植入绝缘材料216可以包括植入离子的材料，例如植入H的材料或植入氢/质子的材料。在一些实施方式中，植入绝缘材料216可以限定植入保护层202。
电介质钝化/反射镜层214可以包括用作保护钝化层且用作额外DBR的层。例如，电介质钝化/反射镜层214可以包括沉积(例如经由化学气相沉积)在发射器200的一个或多个其他层上的一个或多个子层(例如SiO2层、Si3N4层)。
如所示的，电介质钝化/反射镜层214可以包括一个或多个电介质通路口206，其提供对P型欧姆金属层204的电气介入。光孔208可以包括在电流局限孔210上方的电介质钝化/反射镜层214的一部分，经由该部分可以发出光。
P型欧姆金属层204可以包括进行电接触的层，电流可以经由该层流动。例如，P型欧姆金属层204可以包括TiAu层、TiPtAu层等，电流可以经由该层流动(例如经由通过电介质通路口206与P型欧姆金属层204接触的接合盘(bondpad)(未示出))。
在一些实施方式中，可以使用一系列步骤制造发射器200。例如，底部反射镜224、活性层222、氧化层220、和顶部反射镜218可以在基体层226上外延生长，此后可以在顶部反射镜218上沉积P型欧姆金属层204。接下来，氧化沟212可以被蚀刻以露出氧化层220，以用于氧化。植入绝缘材料216可以经由离子植入形成，此后可以沉积电介质钝化/反射镜层214。电介质通路口206可以被蚀刻在电介质钝化/反射镜层214中(例如露出P型欧姆金属层以用于接触)。可以执行电镀、晶种和蚀刻，此后可以让基体层226变薄和/或重叠(lapped)到目标厚度。最后，背侧阴极层228可以被沉积在基体层226的底侧上。
图2B所示层的数量、布置方式、厚度、顺序、对称性等是作为例子提供的。实践中，与图2B所示的相比，发射器200可以包括额外层、较少层、不同层、不同构造的层、或不同布置的层。另外或替换地，发射器200的一组层(例如一层或多层)可以执行一个或多个功能，所述一个或多个功能被描述为被发射器200的另一组层执行。
图3A-3H是配置为控制光束发散度和/或其他光学模式特点的示例性发射器的示例性截面示意图。图3A-3H所示的发射器可以包括针对图1A、1B、2A和/或2B如上所述的一个或多个元件。例如，图3A-3H所示的发射器可以包括基体层226、活性层222、顶部反射镜218、底部反射镜224、氧化层(一个或多个)220、活性区域145、氧化区域150和/或类似部分。进而，尽管在图3A-3H每一个中显示了单个发射器，但是本文所述的技术可以应用于发射器阵列。更具体地，本文所述的技术可以应用于具有共用阳极和共用阴极的发射器阵列。
图3A和3B是具有不同光束发散度(由于不同量的氧化层220造成)的不同发射器(例如VCSEL)300、302的示意图。发射器300可以发射具有较宽光束发散度、较高数值孔径和较宽光谱宽度的激光束304，而发射器302可以发射具有较窄光束发散度、较低数值孔径和较窄光谱宽度的激光束306。如图3A和3B所示，发射器300、302可以生产激光束304、306(分别)，所述激光束具有受包括在发射器300、302中的氧化层220的量所控制的光学模式特点。
例如，发射器300包括较大数量的氧化层220(例如三个氧化层220)，其使得在活性层222的活性区域145和与氧化层220关联的氧化区域150之间的有效折射率阶跃增加。在活性区域145附近使得有效折射率阶跃增加能增加光局限，并产生具有较宽发散度、较高数值孔径、和较宽光谱宽度的激光束，如激光束304所示。
相反地，发射器302包括较小数量的氧化层220(例如一个氧化层220)，其使得活性层222的活性区域145和与氧化层220关联的氧化区域150之间的有效折射率阶跃减小。在活性区域145附近使得有效折射率阶跃减小能减小光局限，并产生具有较窄发散度、较低数值孔径、和较窄光谱宽度的激光束，如激光束306所示。最靠近活性层活性区域145的氧化层220可以对有效折射率阶跃具有最大影响，且氧化层220可以对有效折射率阶跃具有较小影响。
图3A和3B所示的氧化层220的量是作为例子提供的，且可以在发射器中包括不同量的氧化层220(例如两个氧化层220、四个氧化层220、五个氧化层220和/或类似数量)。通过改变包括在发射器中的氧化层220的量和/或通过改变一个或多个其他氧化层特点(例如在本文其他位置描述的)，发射器可以被灵活地设计为用于要求不同光束发散度、数值孔径、和/或光谱宽度的各种应用。
图3C和3D是具有不同光束发散度(由于一个或多个氧化层220的不同厚度造成)的不同发射器(例如VCSEL)310、312的示意图。发射器310可以发射具有较宽光束发散度、较高数值孔径和较宽光谱宽度的激光束314，而发射器312可以发射具有较窄光束发散度、较低数值孔径和较窄光谱宽度的激光束316。如图3C和3D所示，发射器310、312可以生产激光束314、316(分别)，所述激光束具有受包括在发射器310、312中的氧化层(一个或多个)220的厚度所控制的光学模式特点。
例如，发射器310包括较厚的氧化层220(例如50-60纳米)，其使得在活性层222的活性区域145和与氧化层220关联的氧化区域150之间的有效折射率阶跃增加。在活性区域145附近使得有效折射率阶跃增加能增加光局限，并产生具有较宽发散度、较高数值孔径、和较宽光谱宽度的激光束，如激光束314所示。
相反地，发射器312包括较薄氧化层220(例如10-20纳米)，其使得在活性层222的活性区域145和与氧化层220关联的氧化区域150之间的有效折射率阶跃减小。在活性区域145附近使得有效折射率阶跃减小能减小光局限，并产生具有较窄发散度、较低数值孔径、和较窄光谱宽度的激光束，如激光束316所示。
图3C和3D所示的氧化层220的厚度是作为例子提供的，且可以构造出不同厚度的氧化层220。另外或替换地，多个氧化层特点可以配置为控制光学模式特点(例如光束发散度、数值孔径、光谱宽度和/或类似特点)。例如，不同发射器可以包括不同量的氧化层220和不同厚度的一个或多个氧化层220，以实现期望光学模式特征。
在一些实施方式中，发射器可以包括具有不同厚度的多个氧化层220(较靠近活性层222的较厚氧化层220和较远离活性层222的较薄氧化层220，较靠近活性层222的较薄氧化层220和较远离活性层222的较厚氧化层220)。通过改变包括在发射器中的氧化层(一个或多个)220的厚度和/或通过改变一个或多个其他氧化层特点(例如在本文其他位置描述的)，发射器可以被灵活地设计为用于要求不同光束发散度、数值孔径、和/或光谱宽度的各种应用。
图3E和3F是具有不同光束发散度(由于一个或多个氧化层220与活性层222的不同接近程度造成)的不同发射器(例如VCSEL)320、322的示意图。发射器320可以发射具有较宽光束发散度、较高数值孔径和较宽光谱宽度的激光束324，而发射器322可以发射具有较窄光束发散度、较低数值孔径和较窄光谱宽度的激光束326。如图3E和3F所示，发射器320、322可以生产激光束324、326(分别)，该激光束具有受包括在发射器320、322中的一个或多个氧化层220与包括在发射器320、322中的活性层222的接近程度所控制的光学模式特点。
例如，发射器320包括定位为较靠近活性层222的氧化层220，其使得在活性层222的活性区域145和与氧化层220关联的氧化区域150之间的有效折射率阶跃增加。在活性区域145附近使得有效折射率阶跃增加能增加光局限，并产生具有较宽发散度、较高数值孔径、和较宽光谱宽度的激光束，如激光束324所示。
相反地，发射器322包括定位为较远离活性层222的氧化层220，其使得在活性层222的活性区域145和与氧化层220关联的氧化区域150之间的有效折射率阶跃减小。在活性区域145附近使得有效折射率阶跃减小能减小光局限，并产生具有较窄发散度、较低数值孔径、和较窄光谱宽度的激光束，如激光束326所示。
图3E和3F所示的氧化层220与活性层222的接近程度是作为例子提供的，且可以构造出不同的接近程度。另外或替换地，多个氧化层特点可以配置为控制光学模式特点(例如光束发散度、数值孔径、光谱宽度和/或类似特点)。例如，不同的发射器可以包括不同量的氧化层220、不同厚度的一个或多个氧化层220、和/或一个或多个氧化层220与活性层222的不同接近程度，以实现期望光学模式特征。
在一些实施方式中，发射器可以包括与活性层222具有不同接近程度的多个氧化层220。在这种情况下，单个氧化层220与活性层222的接近程度(例如最靠近活性层222的氧化层220)可以配置为改变光学模式特点。另外或替换地，多个氧化层220与活性层222的接近程度可以配置为改变光学模式特点。通过改变包括在发射器中的氧化层(一个或多个)220的相应接近程度和/或通过改变一个或多个其他氧化层特点(例如在本文其他位置描述的)，发射器可以被灵活地设计为用于要求不同光束发散度、数值孔径、和/或光谱宽度的各种应用。
图3G和3H是具有不同形状的一个或多个氧化层220的不同发射器(例如VCSEL)330、332的示意图。发射器330、332可以发出具有较宽光束发散度、较高数值孔径和较宽光谱宽度的激光束334、336(分别)。如图3G和3H所示，发射器330、332可以生产激光束334、336(分别)，其具有受到包括在发射器330、332中的一个或多个氧化层220的形状控制的光学模式特点。
例如，发射器330包括具有锥形端部的氧化层220(例如定位为较靠近镜218中心的锥形中央端部)。让氧化层220的端部成锥形使得活性层222的活性区域145和与氧化层220关联的氧化区域150之间的有效折射率阶跃减小(例如与不是锥形的端部相比)。然而，这种锥形设计会增加发射器330的机械可靠性，以消除由于另一光学模式特征的配置(例如较厚的氧化层220、增加数量的氧化层220、定位为较靠近活性层222的氧化层220和/或类似情况)而造成的机械可靠性的降低。
例如，如图3G所示，发射器330包括厚氧化层220，使得在活性层222的活性区域145和与氧化层220关联的氧化区域150之间的有效折射率阶跃增加。在活性区域145附近使得有效折射率阶跃增加能增加光局限，并产生具有较宽发散度、较高数值孔径、和较宽光谱宽度的激光束，如激光束334所示。进而，因为氧化层220包括锥形端部，所以与具有相似厚度的不是锥形的氧化层220的相似发射器(例如图3C的发射器310)相比，发射器330可以具有改善的机械稳定性和可靠性。
类似地，如图3H所示，发射器332包括定位为较靠近活性层222的氧化层220，其使得在活性层222的活性区域145和与氧化层220关联的氧化区域150之间的有效折射率阶跃增加。在活性区域145附近使得有效折射率阶跃增加能增加光局限，并产生具有较宽发散度、较高数值孔径、和较宽光谱宽度的激光束，如激光束336所示。进而，因为氧化层220包括锥形端部，所以与具有活性层222和不是锥形的氧化层220之间的相似接近程度的相似发射器(例如图3E的发射器320)相比，发射器332可以具有改善的机械稳定性和可靠性。然而，在一些实施方式中，一个或多个氧化层220可以不是锥形的(或可以具有小于临界值的锥度)以改善VCSEL的设计容易性。在一些实施方式中，最靠近活性层222的氧化层220不是锥形的或具有小于临界值的锥度。
如图3G所示，发射器330的氧化层220显示为在定位为较靠近活性层222的氧化层220的第一部分上具有较深的氧化深度，和在定位为较远离活性层222的氧化层220的第二部分上具有较浅的氧化深度。如图3H所示，发射器332的氧化层220显示为在定位为较靠近活性层222的氧化层220的第一部分上具有较深的氧化深度，和在定位为较远离活性层222的氧化层220的第二部分上具有较浅的氧化深度。氧化层的这些形状是作为例子提供的，且其他例子也是可以的。例如，定位为较靠近活性层222的氧化层220的第一部分可以具有相对浅的氧化深度，定位为较远离活性层222的氧化层220的第二部分可以具有相对浅的氧化深度，且定位在第一部分和第二部分之间的氧化层220的第三部分可以具有相对深的氧化深度。
另外或替换地，多个氧化层特点可以配置为控制光学模式特点(例如光束发散度、数值孔径、光谱宽度和/或类似特点)。例如，不同的发射器可以包括不同量的氧化层220、不同厚度的一个或多个氧化层220、一个或多个氧化层220与活性层222的不同接近程度、和/或不同形状的氧化层220，以实现期望光学模式特征。
在一些实施方式中，发射器可以包括具有不同形状的多个氧化层220。在这种情况下，单个氧化层220(例如最靠近活性层222的氧化层220)的形状可以配置为改变光学模式特点。另外或替换地，多个氧化层220对活性层222的形状可以配置为改变光学模式特点。通过改变包括在发射器中的氧化层(一个或多个)220的相应形状和/或通过改变一个或多个其他氧化层特点(例如在本文其他位置描述的)，发射器可以被灵活地设计为用于要求不同光束发散度、数值孔径、和/或光谱宽度的各种应用。
如上所述，图3A-3H是作为例子提供的。其他例子也是可以的且可以与针对3A-3H所述的有所不同。
图4是用于控制VCSEL中光束发散度的示例性过程400的流程图。
如图4所示，过程400可以包括在VCSEL的基体层上形成活性层、第一反射镜、和第二反射镜，其中活性层形成在第一反射镜和第二反射镜之间(图块410)。在一些实施方式中，VCSEL是顶部发射VCSEL。在一些实施方式中，VCSEL是底部发射VCSEL。
进一步如图4所示，过程400可以包括在活性层附近形成一个或多个氧化层，其中一个或多个氧化层配置为基于一个或多个氧化层特点控制通过VCSEL发出的激光束的光束发散度(图块420)。在一些实施方式中，一个或多个氧化层配置为在活性层的活性区域附近形成相对大的有效折射率阶跃，以形成激光束的相对宽的光束发散度。在一些实施方式中，一个或多个氧化层配置为在活性层的活性区域附近形成相对小的有效折射率阶跃，以形成激光束的相对窄的光束发散度。
在一些实施方式中，基于以下中的至少一个控制光束发散度：一个或多个氧化层的量、一个或多个氧化层的一种或多种形状、一个或多个氧化层的一种或多种厚度、或一个或多个氧化层与活性层的一种或多种接近程度。例如，一个或多个氧化层可以包括多个氧化层，以控制光束发散度。另外或替换地，一个或多个氧化层的形状可以配置为控制光束发散度。另外或替换地，一个或多个氧化层的厚度可以配置为控制光束发散度。另外或替换地，一个或多个氧化层与活性层的接近程度可以配置为控制光束发散度。
在一些实施方式中，一个或多个氧化层中最靠近活性层的氧化层具有小于临界值的锥度。例如，一个或多个氧化层中的最靠近活性层的氧化层可以不是锥形的。
虽然图4显示了过程400的示例性图块，但是在一些实施方式中，与图4所示的图块相比，过程400可以包括额外的图块、较少的图块、不同的图块或不同布置的图块。另外或替换地，过程400中的两个或更多图块可以并行执行。
本文所述的一些技术允许针对要求不同光学模式特点(例如光束发散度、数值孔径和/或光谱宽度)的各种应用灵活设计发射器(例如VCSEL)。
前文内容提供了展示和描述，但是目的不是要将实施方式穷尽或限制为所公开的确切形式。可以在上述内容的启发下或从具体实施方式的实施过程中做出改变和修改。
即使特征的具体组合记载于权利要求中和/或公开在说明书中，这些组合目的也不是限制本发明的可能实施方式。事实上，许多这些特征可以以权利要求中未具体记载和/或说明书中未具体公开的各种方式组合。虽然每一个从属权利要求可以直接从属于一个权利要求，但是可行实施方式的公开包括与权利要求书中每个其他权利要求组合的每个从属权利要求。
本文使用的元件、动作或指令都不应被理解为是关键或必不可少的，除非另有描述。还有，如本文使用的，冠词“一”目的是包括一个或多个项目，且可以与“一个或多个”替换使用。进而，如本文使用的，术语“组”应是包括一个或多个项目(例如关联项目，非关联项目，关联项目和非关联项目的组合等)，且可以与“一个或多个”替换使用。在指仅一个项目的情况下，使用术语“一个”或相似用语。还有，如本文使用的，术语“具有”、“包括”、“包含”等应是开放性的术语。进一步地，短语“基于”应是“至少部分地基于”，除非另有说明。

Claims (20)

1.一种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，包括：
基体层；和
在基体层上的外延层，
外延层包括活性层、第一反射镜、第二反射镜和一个或多个氧化层，其中活性层在第一反射镜和第二反射镜之间，
其中一个或多个氧化层靠近活性层，且
其中一个或多个氧化层配置为基于以下中的至少一个控制通过VCSEL发出的激光束的光束发散度：
一个或多个氧化层的量，
一个或多个氧化层的形状，
一个或多个氧化层的厚度，或
一个或多个氧化层与活性层的接近程度。
2.如权利要求1所述的VCSEL，其中一个或多个氧化层配置为在活性层的活性区域和与一个或多个氧化层关联的氧化区域之间形成有效折射率阶跃，以形成激光束的宽光束发散度。
3.如权利要求1所述的VCSEL，其中一个或多个氧化层包括多个氧化层，以控制光束发散度。
4.如权利要求1所述的VCSEL，其中一个或多个氧化层的形状配置为控制光束发散度。
5.如权利要求1所述的VCSEL，其中一个或多个氧化层的厚度配置为控制光束发散度。
6.如权利要求1所述的VCSEL，其中一个或多个氧化层与活性层的接近程度配置为控制光束发散度。
7.如权利要求1所述的VCSEL，其中一个或多个氧化层中的最靠近活性层的氧化层具有小于临界值的锥度。
8.如权利要求1所述的VCSEL，其中VCSEL是顶部发射VCSEL。
9.如权利要求1所述的VCSEL，其中VCSEL是底部发射VCSEL。
10.一种控制垂直腔表面发射激光器(VCSEL)中光束发散度的方法，包括：
在VCSEL的基体层上形成活性层、第一反射镜和第二反射镜，
其中活性层形成在第一反射镜和第二反射镜之间；和
在活性层附近形成一个或多个氧化层，
其中一个或多个氧化层配置为基于以下中的至少一个控制通过VCSEL发出的激光束的光束发散度：
一个或多个氧化层的量，
一个或多个氧化层的一种或多种形状，
一个或多个氧化层的一种或多种厚度，或
一个或多个氧化层与活性层的一种或多种接近程度。
11.如权利要求10所述的方法，其中一个或多个氧化层配置为在活性层的活性区域附近形成相对大的有效折射率阶跃，以形成激光束的相对宽的光束发散度。
12.如权利要求10所述的方法，其中一个或多个氧化层配置为在活性层的活性区域附近形成相对小的有效折射率阶跃，以形成激光束的相对窄的光束发散度。
13.如权利要求10所述的方法，其中VCSEL是顶部发射VCSEL。
14.如权利要求10所述的方法，其中一个或多个氧化层中的最靠近活性层的氧化层不是锥形的。
15.一种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)晶圆，包括：
基体层；和
在基体层上的外延层，
其中外延层包括：
在第一反射镜和第二反射镜之间的活性层，和
在活性层附近的一个或多个氧化层，其配置为通过基于以下中的至少一个控制活性层的活性区域附近的有效折射率阶跃而控制所发出的激光束的光束发散度：
包括在一个或多个氧化层中的氧化层的量，
一个或多个氧化层中的至少一个氧化层的形状，
一个或多个氧化层中的至少一个氧化层的厚度，或
一个或多个氧化层中的至少一个氧化层与活性层的活性区域的接近程度。
16.如权利要求15所述的VCSEL晶圆，其中相对大的有效折射率阶跃造成所发出激光束的相对宽的光束发散度，且其中相对小的有效折射率阶跃造成所发出激光束的相对窄的光束发散度。
17.如权利要求15所述的VCSEL晶圆，其中基于包括在一个或多个氧化层中的氧化层的量控制光束发散度。
18.如权利要求15所述的VCSEL晶圆，其中基于一个或多个氧化层中的至少一个氧化层的形状控制光束发散度。
19.如权利要求15所述的VCSEL晶圆，其中基于一个或多个氧化层中的至少一个氧化层的厚度控制光束发散度。
20.如权利要求15所述的VCSEL晶圆，其中基于一个或多个氧化层中的至少一个氧化层与活性层的活性区域的接近程度控制光束发散度。
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