CN112636172B - 用于光束整形的分布式氧化物透镜 - Google Patents

用于光束整形的分布式氧化物透镜 Download PDF

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Abstract

垂直腔面发射激光器(VCSEL)可以包括衬底和衬底上的一组外延层。该组外延层可以包括第一反射镜和第二反射镜、第一反射镜和第二反射镜之间的有源区以及用于在VCSEL中提供光学和电约束的氧化层。氧化层可在第一反射镜附近。该组外延层可包括氧化物透镜，以控制由VCSEL发射的输出光束的特性。氧化物透镜可以与氧化层分离，并且可以是与第一反射镜和第二反射镜分离的透镜。

Description

用于光束整形的分布式氧化物透镜
相关申请
本申请根据35 U.S.C.§119要求于2019年10月8日提交的美国临时专利申请第62/912473号的优先权，其内容通过引用全部并入本文中。
本申请是于2017年8月28日提交的美国专利申请第15/688218号的部分延续(CIP)，其标题为“控制垂直腔面发射激光器中的光束发散”，其内容通过引用全部并入本文中。
技术领域
本公开涉及一种垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emittinglaser,VCSEL)，更具体地说，涉及一种包括与定制VCSEL输出光束相关的氧化物透镜的VCSEL。
背景技术
VCSEL可用于需要不同光学模式特性的各种应用中。例如，对于光纤通信，VCSEL的输出光束的光学模式可能需要有效地耦合到光纤的纤芯中，以最大化发射光功率。这需要低数值孔径(NA)或相关光谱宽度来优化光纤耦合效率。然而，消费者应用可能需要更大的NA或更宽的光谱宽度以减少可耦合到人眼中的光功率量(例如，为了眼睛安全)。
发明内容
根据一些可能的实施方式，VCSEL可以包括：衬底和衬底上的一组外延层，该组外延层包括：第一反射镜和第二反射镜；第一反射镜和第二反射镜之间的有源区；氧化层，用于在VCSEL中提供光学约束和电约束，其中氧化层在第一反射镜附近；以及氧化物透镜，用于控制VCSEL发射的输出光束的特性，其中氧化物透镜与氧化层分离，并且其中氧化物透镜是与第一反射镜和第二反射镜分离的透镜。
根据一些可能的实施方式，一种方法可以包括：形成第一反射镜、第二反射镜、有源区和氧化层，其中有源区形成在第一反射镜和第二反射镜之间，其中氧化层形成于第一反射镜附近，其中氧化层提供VCSEL的光学约束和电约束；以及形成氧化物透镜，其中氧化物透镜与氧化层分离，其中氧化物透镜是与第一反射镜和第二反射镜分离的透镜，其中氧化物透镜用于控制由VCSEL发射的输出光束的特性。
根据一些可能的实施方式，发射极晶片可包括：衬底和衬底上的一组外延层，该组外延层包括：第一反射镜和第二反射镜之间的有源区；在第一反射镜附近的氧化层；以及氧化物透镜，其中氧化物透镜通过第一反射镜的至少一部分或第二反射镜的至少一部分与氧化层分离，其中氧化物透镜是与第一反射镜和第二反射镜分离的透镜，以及其中氧化物透镜用于与控制输出光束的特性相关地控制发射极晶片中发射器的输出光束遇到的有效折射率。
附图说明
图1是示出如本文所述在外延结构内包括氧化物透镜的VCSEL的示例性横截面的图。
图2是示出如本文所述在外延结构内包括氧化物透镜的底部发射VCSEL的示例性横截面的图。
图3是如本文所述在外延结构内包括氧化物透镜的顶部发射VCSEL的示例性横截面的图。
图4是如本文所述在外延结构内包括不对称氧化物透镜的VCSEL的示例性横截面的图。
图5A和5B是如本文所述在外延结构内包括氧化物透镜和间隔件层的VCSEL的示例性横截面的图。
图6是如本文所述用于形成在外延结构内包括氧化物透镜的VCSEL的示例过程的流程图。
图7A-7F是示出用于形成包括倾斜轮廓的氧化物透镜的示例过程的步骤的图。
具体实施方式
以下示例实施方式的详细说明参见附图。不同图中的相同参考标号可标识相同或相似的元件。
如上所述，VCSEL可用于需要不同NA和相关光谱宽度的各种应用中。例如，在数据通信应用中可能需要较低的NA和较窄的光谱宽度(例如，为了提高光纤耦合效率和/或增加传输距离)，而在消费者应用中可能需要更高的NA和更宽的光谱宽度(例如，减少进入人眼的光量，以提高眼睛安全性或减少散斑)。因此，定制VCSEL的NA和光谱宽度的能力将为设计者提供灵活性，以适应给定应用的要求。
提供定制输出光束光学特性的能力的一种技术是设计VCSEL的外延结构的反射镜(例如，分布式布拉格反射器(distributed Bragg reflector,DBR))，通过改变反射镜各层的化学计量比，使其具有更高或更低的折射率(例如，通过提高砷化镓铝(AlGaAs)中铝的含量，从Al0.5Ga0.5As提高到Al0.7Ga0.3As)。另一种技术包括使用掺杂剂(例如，锌(Zn))在光学模式周围的选择区域中混合P型DBR以改变有效折射率和改变光学模式约束。又一种技术包括在光学模式周围的选择区域中使用离子注入来改变有效折射率以及改变光学模式和电约束。另一种技术包括选择台面或沟槽蚀刻图案的形状和尺寸，以改变有效折射率和改变光学模式约束。然而，上述技术通常不提供使输出光束转向以偏离表面法线一角度的方法。
其他技术包括在衬底中蚀刻衍射或折射透镜，以及沉积特定聚合物(在VCSEL的输出表面上)，该聚合物设计成具有折射率分布，以期望的方式整形输出光束。然而，这些技术需要额外的处理步骤(例如，除了传统VCSEL处理步骤之外的步骤)和/或导致相对较低的产率。此外，聚合物透镜确实提供了一种使输出光束转向的方法，但聚合物的使用可能并不理想，因为与半导体的粘附性可能存在问题，特别是在诸如热循环或热冲击或高湿度和温度的环境测试下。类似地，在衬底背面蚀刻透镜可以提供一种使输出光束转向的方法，但只有当衬底是透明的时才起作用(例如，对于波长大于930nm，对于GaAs通常是这样)，但是对于较短的波长，GaAs衬底吸收太多的光，需要在晶片的上表面(即，晶片的外延侧)上形成透镜。
本文所述的一些实施方式提供了一种VCSEL，其包括包含氧化物透镜的外延结构，该氧化物透镜能够灵活地设计VCSEL的输出光束的光学特性。在一些实施方式中，氧化物透镜通过允许控制VCSEL输出光束遇到的有效折射率，从而实现设计灵活性。在一些实施方式中，氧化物透镜的长度、厚度、锥度量、各层氧化物透镜的放置和/或氧化物透镜的一个或多个其他特性可提供透镜效应，其使得输出光束具有期望的光学特性。例如，对于较窄的光谱宽度，发散的输出光束可以被氧化物透镜准直或聚焦，该氧化物透镜形成为具有带有凸透镜特性的折射率分布。作为另一个示例，对于更宽的光谱宽度，输出光束的发散可以通过氧化物透镜来增加，该氧化物透镜形成为具有带有凹透镜特性的折射率分布。在一些实施方式中，如下文所述，氧化物透镜可位于VCSEL的反射镜结构(例如，DBR)的上方或下方。
图1是示出在外延结构内包括氧化物透镜的VCSEL 100的示例性横截面的图。如图1所示，VCSEL 100可以包括衬底102、外延结构104(例如，包括氧化物透镜106、底部反射镜108、有源区112、氧化层114和顶部反射镜110)、顶部接触层116和底部接触层118。在一些实施方式中，VCSEL 100可以使用一系列过程制造。例如，可以使用一个或多个生长程序、一个或多个沉积程序、一个或多个蚀刻程序、一个或多个氧化程序、一个或多个植入程序、一个或多个金属化程序和/或类似程序来创建VCSEL 100的一个或多个层。
衬底102包括在其上生长外延结构104的衬底。在一些实施方式中，衬底层可由半导体材料形成，例如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)和/或另一种类型的半导体材料。
外延结构104包括在衬底层204上生长的一组层。例如，外延结构104可以包括：包括一对反射器(例如，一对DBR、一对介质反射镜等和/或类似物)的光学谐振器，与控制VCSEL的输出光束150遇到的有效折射率相关的氧化物透镜，有源增益介质(这里称为有源区)，用于形成一个或多个孔的一个或多个层(例如，用于光学和/或电约束)和/或类似物，如下所述。在一些实施方式中，外延结构104可包括在衬底102(例如，GaAs衬底)上生长的一组AlGaAs层。在一些实施方式中，可使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术、分子束外延(MBE)技术等在衬底102上生长外延结构104。如图所示，VCSEL 100的外延结构104可以包括氧化物透镜106、底部反射镜108、顶部反射镜110、有源区112和氧化层114。
氧化物透镜106包括与控制由VCSEL100发射的输出光束150的一个或多个特性相关的一组层。例如，氧化物透镜106可以包括与控制输出光束150的一个或多个特性相关的、设计用于控制输出光束150遇到的有效折射率的外延结构104的层。一般来说，如果氧化物区和非氧化物区之间的有效折射率阶跃相对较高和/或氧化物区相对接近有源区，则光学模式的光学约束更高，这将导致输出光束发散。类似地，如果氧化物区和非氧化物区之间的有效折射率阶跃相对较低和/或氧化物区离有源区相对较远，则光学模式的光学约束较低，这将导致输出光束会聚。因此，氧化物透镜106的氧化层和非氧化层可用于形成有效透镜，或在一侧氧化层的情况下(例如，形成不对称氧化轮廓)，可形成为扰动输出光束的光学模式(例如，以期望的方式影响模式图案)。
在一些实施方式中，氧化物透镜106可通过独特的沟槽设计(例如，不对称或对称)来制造，以便对输出光束150的空间光学模式产生干扰，并过滤模式的数量或改变光学模式图案的形状。该对称或不对称氧化物透镜106可用于发出转向输出光束150。在一些实施方式中，为了产生这种效果，可以将沟槽放置在与其他沟槽不同的距离或径向角度，以便创建根据所需模式图案或输出光束150转向角定制的有意不对称氧化物孔径形状。
在一些实施方式中，氧化物透镜106可包括一个或多个外延层对，其中每个外延层对包括氧化层和非氧化层。在图1中，氧化层在氧化物透镜106中被表示为部分白色层，而在氧化物透镜106中非氧化层被表示为完全灰色层。在一些实施方式中，给定外延层对的氧化层可以是例如由于具有高铝含量(例如，包含约Al0.8或更多)的AlGaAs层的氧化而形成的氧化铝(Al2O3)层，而给定外延层对的对应的非氧化层可以是不经历显著氧化的层(例如，GaAs层、具有低铝含量的AlGaAs层，例如大约Al0.1或更低)。在一些实施方式中，氧化物透镜106的氧化层之间的氧化长度可能不同。
在一些实施方式中，如图1所示，氧化物透镜106与氧化层114分离。也就是说，在一些实施方式中，氧化物透镜106可以不与氧化层114集成，这意味着氧化层114的功能和设计以及氧化物透镜106的功能和设计彼此独立。在一些实施方式中，氧化物透镜106可通过一个或多个反射镜(例如，底部反射镜108和/或顶部反射镜110)的至少一部分与氧化层114物理分离。
在一些实施方式中，氧化物透镜106是与顶部反射镜110和底部反射镜108分离的透镜。也就是说，在一些实施方式中，由氧化物透镜106提供的透镜效应独立于由顶部反射镜110和/或底部反射镜108提供的透镜效应和/或与其分离。在一些实施方式中，氧化物透镜106布置反射镜表面上，输出光束150将经由该反射镜表面发射。例如，如图1所示，氧化物透镜106可以设置在底部反射镜108的底表面上。作为另一示例，氧化物透镜106可以布置在顶部反射镜110的顶表面上，下面描述其示例。在一些实施方式中，氧化物透镜106的功能可以与其上布置有氧化物透镜106的反射镜的功能分开。例如，在一些实施方式中，氧化物透镜106的功能即使其布置在VCSEL 100的给定反射镜(例如，如图1所示的底部反射镜108)的反射镜上时，也可以与VCSEL 100的给定反射镜的功能分开。
或者，在一些实施方式中，氧化物透镜106可以不与VCSEL 100的特定反射镜分离。也就是说，在一些实施方式中，氧化物透镜106可与VCSEL 100的特定反射镜(例如，底部反射镜108或顶部反射镜110)集成，这意味着特定反射镜的功能和设计以及氧化物透镜106的功能和设计可以相互依赖。
在一些实施方式中，可以由氧化物透镜106控制的输出光束150的一个或多个特性可以包括：例如，输出光束150遇到的有效折射率、输出光束150的光束发散度、输出光束150的光束转向角、输出光束150的多种光学模式、输出光束150的光学模式图案的形状、和/或另一光学特性。
在一些实施方式中，可以基于一层或多层氧化物透镜106的一个或多个性质来控制输出光束150的一个或多个特性。在一些实施方式中，可以选择这些一个或多个性质，以便控制输出光束150遇到的有效折射率阶跃，以便将期望的特性赋予输出光束150。
在一些实施方式中，可用于定义有效折射率的氧化物透镜106的一个或多个性质可以包括：例如，包括在氧化物透镜106中的多个氧化层、氧化物透镜106中的多个非氧化层和/或氧化物透镜106中的多个氧化/非氧化层对。
作为另一示例，氧化物透镜106的一个或多个性质可包括氧化物透镜106中包含的一个或多个层(例如，一个或多个氧化层和/或一个或多个非氧化层)的厚度。
作为另一示例，氧化物透镜106的一个或多个性质可以包括氧化物透镜106中包括的一对氧化层之间的距离，或者包括在氧化物透镜106中的一对非氧化层106之间的距离。
作为另一示例，氧化物透镜106的一个或多个性质可以包括在氧化物透镜106中包括的一个或多个层的构成(例如，包含在氧化物透镜106中的给定层的铝含量)。
作为另一示例，氧化物透镜106的一个或多个性质可包括氧化物透镜106中包括的一个或多个氧化层的氧化长度。这里，在图1中示出氧化物透镜的给定氧化层的氧化长度作为给定氧化层的白色部分的水平长度。
作为另一示例，氧化物透镜106的一个或多个性质可以包括氧化物透镜106的氧化轮廓。氧化物透镜106的氧化轮廓是由氧化物透镜106中氧化层的氧化长度定义的氧化物透镜106中氧化层的轮廓。在一些实施方式中，氧化物透镜106可具有关于氧化层114定义的光学孔径的中心基本对称的氧化轮廓，其示例如下所述。在一些实施方式中，氧化物透镜106可具有关于由氧化层114定义的光学孔径的中心基本不对称的氧化轮廓，其示例如下所述。
作为另一示例，氧化物透镜106的一个或多个性质可以包括氧化物透镜106和有源区112之间的距离。
底部反射镜108包括VCSEL 100的光学谐振器的底部反射器。例如，底部反射镜108可包括DBR、介质反射镜等。在一些实施方式中，底部反射镜108的厚度可在约3.5μm到约9μm的范围内，例如为5μm。
有源区112包括一个或多个层，其中电子和空穴重组以发射光并限定VCSEL 100的发射波长范围。例如，有源区112可以包括一个或多个量子阱。在一些实施方式中，有源区112可以包括顶部反射镜110和底部反射镜108之间的一个或多个腔间隔件层。有源区112(包括腔间隔件层)的光学厚度和顶部反射镜110和底部反射镜108的光学厚度定义了VCSEL100的谐振腔波长，该谐振腔波长可设计在有源区的发射波长范围内以实现激光发射。在一些实施方式中，有源区112的厚度可在约0.06μm至约0.5μm范围内，例如为0.15μm或0.30μm。
氧化层114包括提供光学和电约束的氧化物层。在一些实施方式中，氧化层114可作为外延结构104的一个或多个外延层氧化的结果而形成。例如，氧化层114可以是由于外延层(例如，AlGaAs层、砷化铝(AlAs)层等)的氧化而形成的氧化铝(Al2O3)层。在一些实施方式中，如图1所示，氧化层114可靠近(例如，邻近顶部反射镜110，但低于顶部反射镜110)。在一些实施方式中，氧化层114的厚度可在约0.007μm至约0.04μm之间，例如为0.02μm。在一些实施方式中，蚀刻在VCSEL 100周围的氧化沟槽(未示出)可允许蒸汽进入形成氧化层114的外延层。氧化层114可限定氧化孔径(例如，光学活性孔径)。在一些实施方式中，氧化物孔径可以是非圆形形状，而是具有大致相同面积的圆的直径可以在大约1μm到大约300μm的范围内，例如为5μm或8μm。
顶部反射镜110包括VCSEL 100的顶反射层。例如，顶部反射镜110可以包括DBR、介质反射镜等。在一些实施方式中，顶部反射镜110的厚度可在约2μm到约6μm的范围内，例如为4μm。
顶部接触层116包括与电流可能流过的外延结构104(例如，顶部反射镜110)电接触的层。在一些实施方式中，顶部接触层116可包括退火金属化层。例如，顶部接触层116可包括电流可流过的铬金(Cr-Au)层、金锌(Au-Zn)、钛铂金(TiPtAu)层等。在一些实施方式中，顶部接触层116的厚度可在约0.03μm到约0.3μm的范围内，例如为0.2μm。在一些实施方式中，顶部接触层116可以具有环形、开槽环形、齿轮形状或其他类型的圆形或非圆形形状(例如，取决于VCSEL 100的设计)。在一些实施方式中，顶部接触层116可以是阴极层，也可以是阳极层。
底部接触层118包括位于发射器背面的层。例如，底部接触层118可以包括与衬底102电接触的电极层(例如，衬底102的背面，如图1中衬底102的底侧所示)。作为具体示例，底部接触层118可包括退火金属化层，例如金锗镍(AuGeNi)层、钯锗金(PdGeAu)层等。在一些实施方式中，底部接触层118可以是阴极层，也可以是阳极层。
值得注意的是，图1示出了VCSEL 100的底部发射配置。还设想了VCSEL的顶部发射配置，其示例在下面更详细地描述。
图1所示的层数和布置作为示例提供。在实践中，VCSEL 100可以包括与图1所示的那些不同的附加层、更少的层、不同的层或不同布置的层。另外，或者替代地，VCSEL 100的一组层(例如，一个或多个层)可以执行被描述为由VCSEL 100的另一组层执行的一个或多个功能。
图2、3、4、5A和5B提供VCSEL 100的各种示例性横截面，VCSEL 100包括在外延结构104内的氧化物透镜106。
图2是包括在外延结构104内的氧化物透镜106的底部发射VCSEL 100的示例性横截面图。在图2中，氧化物透镜106具有关于由氧化层114限定的光学孔径的中心基本对称的氧化轮廓。在这种情况下，如图2所示，氧化轮廓(例如，由氧化物透镜106的氧化层定义)可以基本上关于光学孔径的中心对称。值得注意的是，在图2所示的示例中，氧化物透镜106布置在底部反射镜108和有源区112的下方。
图3是包括在外延结构104内的氧化物透镜106的顶部发射VCSEL 100的示例性横截面图。在图3中，氧化物透镜106具有关于由氧化层114限定的光学孔径的中心基本对称的氧化轮廓。在这种情况下，如图3所示，氧化轮廓(例如，由氧化物透镜106的氧化层定义)可以基本上关于光学孔径的中心对称。值得注意的是，在图3所示的示例中，氧化物透镜106布置在顶部反射镜110和有源区112上方。
图4是包括在外延结构104内的非对称氧化物透镜106的VCSEL 100的示例性横截面图。在图4中，氧化物透镜106具有关于由氧化层114限定的光学孔径的中心基本不对称的氧化轮廓。在这种情况下，如图4所示，氧化轮廓(例如，由氧化物透镜106的氧化层定义)可基本上关于光学孔径的中心不对称(例如，使得氧化物透镜106的氧化层仅位于光学孔径中心的一侧)。值得注意的是，在图4所示的示例中，氧化物透镜106布置在底部反射镜108和有源区112的下方。
在一些实施方式中，外延结构104可以包括有源区112和氧化物透镜106之间的间隔件层。5A和5B是VCSEL 100的示例性横截面图，其包括在外延结构104内的氧化物透镜106和间隔件层120。在一些实施方式中，间隔件层120可在有源区112和氧化物透镜106之间提供(进一步)分离。在一些实施方式中，间隔件层120可用于增加氧化物透镜106和有源区112之间的距离，以便在输出光束150上赋予期望的光学特性(例如，通过允许输出光束150在遇到氧化物透镜106之前进一步发散)。
图2、3、4、5A和5B中所示的层的数量和布置提供作为示例。在实践中，VCSEL 100可以包括与图2、3、4、5A和5B所示的那些不同的附加层、更少的层、不同的层或不同布置的层。另外，或者替代地，VCSEL 100的一组层(例如，一个或多个层)可以执行一个或多个被描述为由VCSEL 100的另一组层执行的功能。
如本文所述，图6是在用于形成在外延结构104内包括氧化物透镜106的VCSEL(例如，VCSEL 100)的示例过程600的流程图。
如图6所示，过程600可包括形成第一反射镜、第二反射镜、有源区和氧化层，其中所述有源区形成于第一反射镜和第二反射镜之间，其中所述氧化层形成于第一反射镜附近，以及其中所述氧化层提供VCSEL的光学和电约束(块610)。例如，如上所述，可以形成顶部反射镜110、底部反射镜108、有源区112和氧化层114。在一些实施方式中，氧化层114可形成在顶部反射镜110附近。在一些实施方式中，氧化层114可提供VCSEL的光学和电约束。
如图6进一步所示，过程600可包括形成氧化物透镜，其中氧化物透镜与氧化层分离，其中氧化物透镜是与第一反射镜和第二反射镜分离的透镜，以及其中氧化物透镜控制由VCSEL发射的输出光束的特性(块620)。在一些实施方式中，氧化物透镜106可与氧化层114分离。在一些实施方式中，氧化物透镜106是与顶部反射镜110和底部反射镜108分离的透镜。在一些实施方式中，氧化物透镜106可以控制由VCSEL发射的输出光束150的特性。在一些实施方式中，氧化物透镜106可形成在反射镜表面上，输出光束150将经由该反射镜表面由VCSEL发射，其中反射镜表面是顶部反射镜110的表面(例如，当VCSEL是顶部发射VCSEL时)或底部反射镜108的表面(例如，当VCSEL是底部发射VCSEL时)。
在一些实施方式中，可以使用与用于形成氧化层114的沟槽相同的沟槽来形成氧化物透镜106。在这种情况下，可以使用单个氧化步骤来形成氧化层114和氧化物透镜106。这里，可以选择用于形成氧化层114和氧化物透镜106的外延层的成分的变化，以控制氧化层114和氧化物透镜106的层的氧化长度。
或者，在一些实施方式中，可以使用与用于形成氧化层114的沟槽相比的单独沟槽来形成氧化物透镜106(例如，与用于形成氧化层114的沟槽相比，在距VCSEL 100中心的距离相对较大处蚀刻的沟槽)。这里，用于形成氧化层114的沟槽的深度可减小(与上述单一沟槽方法相比)，这可降低VCSEL 100的一个或多个其他层上的应力(例如，底部反射镜108的层，顶部反射镜110的层)和/或可防止VCSEL 100的一个或多个其他层的不必要氧化(例如，以避免产生所谓的翅片)。
过程600可以包括附加的实现，例如下面描述的任何单个实现或任何实现的组合，和/或与本文别处描述的一个或多个其他过程相关。
在第一实施方式中，当VCSEL是底部发射VCSEL时，第一反射镜是顶部反射镜110，第二反射镜是底部反射镜108，并且反射镜表面是底部反射镜108的表面。这里，氧化物透镜106可以位于衬底102和底部反射镜108之间。
在第二实施方式中，当VCSEL是顶部发射VCSEL时，第一反射镜是顶部反射镜110，第二反射镜是底部反射镜108，反射镜表面是顶部反射镜110的表面。
在第三个实施方式中，过程600还包括形成与提供有源区112和氧化物透镜106之间的分离相关的间隔件层120。这里，间隔件层120可以在反射镜表面和氧化物透镜106之间。
在第四实施方式中，输出光束150的特性可基于氧化物透镜106中包括的层的数量、氧化物透镜106中包括的一个或多个层的厚度、包括在氧化物透镜106中的特定层对之间的距离、包括在氧化物透镜106中的层的构成、包括在氧化物透镜106中的氧化层的氧化长度、氧化物透镜106的氧化轮廓和/或氧化物透镜106与有源区112之间的距离来控制。
在第五实施方式中，由氧化物透镜106控制的特性是输出光束150的光束发散度、输出光束150的光束转向角、多种光学模式或光学模式图案的形状。
在第六实施方式中，氧化物透镜106包括一组外延层对，每个外延层对包括氧化层和非氧化层。
在第七实施方式中，包括在该组外延层对的第一外延层对中的第一氧化层的氧化长度与包括在该组外延层对的第二外延层对中的第二氧化层的氧化长度不同。
在第八实施方式中，氧化物透镜106具有关于由氧化层114限定的光学孔径的中心基本上对称的氧化轮廓。
在第九实施方式中，氧化物透镜106具有关于由氧化层114限定的光学孔径的中心基本上不对称的氧化轮廓。
在第十实施方式中，氧化物透镜106具有与提供远离VCSEL 100的光束转向相关的倾斜轮廓。
尽管图6示出了过程600的示例块，但在一些实施方式中，过程600可以包括与图6中所示的那些不同布置的块、更少的块、不同的块或附加块。另外，或者替代地，过程600的两个或多个块可以并行执行。
使用氧化层(例如，氧化铝层)引导输出光束的潜在问题是，在没有防反射(AR)涂层的情况下，氧化层可能会将光反射回VCSEL的激光腔或以不希望的方向反射。在某些情况下，如果反射回到VCSEL，这些反射可能有助于调整输出光束的模式形状。然而，在某些情况下，可能需要在不干扰激光腔的情况下将输出光束瞄准不同的方向。
因此，在一些实施方式中，氧化物透镜106可以形成有倾斜轮廓，其提供远离VCSEL100的光束转向。例如，可以在VCSEL 100的顶侧形成氧化物透镜106(例如，当VCSEL 100是顶部发射VCSEL时)，并且可以基于氧化仅从一侧被氧化的一组氧化层(另一侧被保护以免受氧化)来形成。图7A-7F是示出形成包括倾斜轮廓的氧化物透镜106的示例过程的步骤的图。
图7A示出了用于形成包括倾斜轮廓的氧化物透镜106的第一示例步骤。如图7A所示，可以在顶部反射镜110上形成第一超低铝含量层(例如，铝含量接近零的GaAs层或AlGaAs层)。第一超低铝含量层在图7A中示出为氧化物透镜106的底部中灰色区域。接下来，可以在第一超低铝含量层上形成低铝含量层(例如，大约Al0.1或更低的AlGaAs层)。低铝含量层在图7A中示出为氧化物透镜106的浅灰色区域。接下来，可以在低铝含量层上形成高铝含量层(例如，具有大约Al0.8或更多的AlGaAs层)。高铝含量层在图7A中示出为氧化物透镜106的深灰色区域。接下来，可以在高铝含量层上形成第二超低铝含量层。第二超低铝含量层在图7A中示出为氧化物透镜106的顶部中灰色区域。
图7B示出第二步骤，其中低含量铝层和高铝含量层在一侧被氧化以在氧化物透镜106内创建倾斜轮廓。这里，由于高铝含量层氧化，而超低铝含量层不经历显著氧化，低铝含量层在靠近高铝含量层时比靠近第一超低铝含量层更快发生氧化。因此，高铝含量层和低铝含量层的氧化可以以图7B所示的倾斜方式进行。图7B中示出了由高铝含量层和低铝含量层的氧化引起的氧化物透镜106的氧化区域，其为黑色三角形区域。
图7C示出第三步骤，其中在第二步骤中形成的氧化区域被蚀刻掉。如图所示，在蚀刻之后，在第二超低铝含量层和高铝含量层和低铝含量层的剩余部分的表面之间，在氧化物透镜106中存在腔。如图所示，高铝和低铝含量层的剩余部分的表面具有倾斜的轮廓。作为上述氧化和蚀刻的替代，如图7A所示的高铝和低铝含量层可以用选择性蚀刻进行横向湿法蚀刻(例如，HCl：H20),这将比低铝含量层更快地蚀刻高铝含量层，并还形成具有倾斜轮廓的腔，如图7C所示。
值得注意的是，虽然上面显示和描述了包含低铝含量层和高铝含量层的双层，但在一些实施方式中，可以形成氧化物透镜106的成分，以便连续分级以获得类似的倾斜轮廓。也就是说，在一些实施方式中，可以形成一组具有不同铝含量的层，其中该组层中的铝含量在从下到上的方向上增加(例如，使得在该组层中较低层的铝含量比较高的层少)。例如，该组层可以包括一组AlGaAs层，其铝含量从最底层或附近的0或大约Al0.1或更低增加到最顶层的大约Al0.8或更高。这里，由于铝含量从下到上增加，氧化将以类似于图7B所示的倾斜方式进行(例如，由于在相同的氧化期间，铝含量较低的层比铝含量较高的层经历较少的氧化)。
图7D示出第四步骤，其中在氧化物透镜106的腔内形成AR涂层(例如，氮化硅)。在一些实施方式中，AR涂层可使用共形涂覆方法形成，例如像是等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。在图7D中，AR涂层被示为在氧化物透镜106内的腔的表面上形成的黑线。在形成AR涂层后，所产生的结构以相对于法线的角度发射输出光束150，对激光腔的反馈最小，并且在不需要的方向上传输的光损失最小。
图7B-7D中所示的替代方法是在VCSEL 100的整个表面上蚀刻倾斜的腔，以便上层(如图7A所示的第二超低铝含量层)漂离。该方法如图7E所示。随后，如图7F所示，AR涂层可应用于氧化物透镜106的顶表面(无需涂覆任何悬垂结构)。与上文所述的第一种方法一样，产生的结构将以相对于法线的角度发射输出光束150，且对激光腔的反馈最小，在不需要的方向上传输的光的损耗最小。如图所示，当使用上述任一方法时，VCSEL 100的最终器件结构可移除氧化物透镜106的一层或多层的部分(例如，氧化物透镜106的氧化区域)，并且可在一个或多个暴露表面上形成AR涂层。
值得注意的是，在结合图7A-7F所描述的示例性方法中，由于AlGaAs的高折射率，显著的光束倾斜(例如，大约20度的光束倾斜)需要相对适中的斜率(例如，10％)，因此，在典型(例如，10μm)发射孔径上只需要少量的额外外延(例如，大约1到2μm)。
此外，尽管结合图7A-7F显示了恒定斜率，但非恒定斜率(例如，弯曲的斜率)可替代地通过例如氧化物透镜106的层的铝成分的不同级别来形成。
本文所述的一些实施方式提供了一种包括外延结构104的VCSEL 100，外延结构104包含控制VCSEL的输出光束150遇到的有效折射率的氧化物透镜106。在一些实施方式中，氧化物透镜106的长度、厚度、锥度量、层的放置和/或氧化物透镜106的一个或多个其他特性可以提供透镜效应，使得输出光束150具有期望的光学特性。在一些实施方式中，如本文所述，氧化物透镜106可位于VCSEL的反射镜结构(例如，底部反射镜108、顶部反射镜110)的上方或下方，并且可与外延结构104的氧化层114分离。
上述公开提供了说明和描述，但并不意在穷举或将实施方式限制为所公开的精确形式。可以根据上述公开进行修改和变化，或者可以从实现的实践中获得修改和变化。
即使在权利要求中陈述和/或在说明书中公开了特征的特定组合，这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开。事实上，这些特征中的许多可以以权利要求中未具体叙述和/或说明书中未公开的方式组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可以直接从属于仅一个权利要求，但是各种实施方式的公开包括每个从属权利要求与权利要求集中的所有其他权利要求相结合。
除非明确说明，否则此处使用的任何元件、行为或指示均不应被解释为关键或必要的。此外，如本文所用，冠词“一”和“一个”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所用，冠词“所述”旨在包括与冠词“所述”相关的一个或多个引用项，并且可以与“所述一个或多个”互换使用。此外，如本文所用，术语“组”意欲包括一个或多个项(例如，相关项、无关项、相关和不相关项的组合，等)，并可与“一个或多个”互换使用。如果只打算使用一个项目，则使用短语“仅一个”或类似语言。此外，如本文所使用的，术语“具有”等意在成为开放式术语。此外，短语“基于”意指“至少部分基于”，除非另有明确说明。此外，如本文所使用，术语“或”在一系列中使用时是包含且可与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，与“或者”或“仅之一”组合使用时)。

Claims (20)

1.一种垂直腔面发射激光器VCSEL，包括：
衬底；以及
所述衬底上的一组外延层，该组外延层包括：
第一反射镜和第二反射镜；
所述第一反射镜和所述第二反射镜之间的有源区；
在所述VCSEL中提供光学和电约束的氧化层，
其中，所述氧化层在所述第一反射镜附近；以及
用于控制所述VCSEL发射的输出光束的特性的氧化物透镜，
其中，所述氧化物透镜与所述氧化层分离，
其中，所述氧化物透镜具有关于在VCSEL的纵向方向上延伸穿过所述氧化层的光学孔径的中心的轴线基本上不对称的氧化轮廓，使得所述氧化物透镜的氧化层相对于所述轴线仅在所述中心的一个横向侧上，并且
其中，所述氧化物透镜是与所述第一反射镜和所述第二反射镜分离的透镜。
2.根据权利要求1所述的VCSEL，其中所述氧化物透镜位于反射镜表面上，输出光束将经由该反射镜表面发射，所述反射镜表面是所述第一反射镜的表面，或是所述第二反射镜的表面。
3.根据权利要求2所述的VCSEL，其中，所述VCSEL是底部发射VCSEL，所述第一反射镜是顶部反射镜，所述第二反射镜是底部反射镜，所述反射镜表面是底部反射镜的表面，
其中，所述氧化物透镜位于所述衬底和所述底部反射镜之间。
4.根据权利要求2所述的VCSEL，其中，所述VCSEL是顶部发射VCSEL，所述第一反射镜是顶部反射镜，所述第二反射镜是底部反射镜，并且所述反射镜表面是顶部反射镜的表面。
5.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，该组外延层还包括所述有源区和所述氧化物透镜之间的间隔件层，
其中，所述间隔件层在所述有源区和所述氧化物透镜之间提供分离。
6.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，所述输出光束的特性将基于以下中的至少一个来控制：
包括在所述氧化物透镜中的层的数量，
包括在所述氧化物透镜中的一个或多个层的厚度，
包括在所述氧化物透镜中的特定层对之间的距离，
包括在所述氧化物透镜中的层的构成，
包括在所述氧化物透镜中的氧化层的氧化长度，
所述氧化物透镜的氧化轮廓，或
所述氧化物透镜和有源区之间的距离。
7.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，所述氧化物透镜用于控制所述输出光束遇到的有效折射率。
8.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，由所述氧化物透镜控制的特性是所述输出光束的光束发散度。
9.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，由所述氧化物透镜控制的特性是所述输出光束的光束转向角。
10.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，由所述氧化物透镜控制的特性是光学模式的数量或光学模式图案的形状。
11.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，所述氧化物透镜包括一组外延层对，每个外延层对包括氧化层和非氧化层。
12.根据权利要求11所述的VCSEL，其中，包括在该组外延层对中的第一外延层对中的第一氧化层的氧化长度不同于包括在该组外延层对中的第二外延层对中的第二氧化层的氧化长度。
13.根据权利要求1所述的VCSEL，其中，所述氧化轮廓与提供远离所述VCSEL的光束转向相关。
14.一种垂直腔面发射激光器VCSEL的制造方法，包括：
形成第一反射镜、第二反射镜、有源区和氧化层，
其中，所述有源区形成于所述第一反射镜和所述第二反射镜之间，
其中，所述氧化层形成于所述第一反射镜附近，以及
其中，所述氧化层提供垂直腔面发射激光器VCSEL的光学和电约束；以及
形成氧化物透镜，
其中所述氧化物透镜与所述氧化层分离，
其中，所述氧化物透镜是与所述第一反射镜和所述第二反射镜分离的透镜，
其中，所述氧化物透镜具有关于在VCSEL的纵向方向上延伸穿过所述氧化层的光学孔径的中心的轴线基本上不对称的氧化轮廓，使得所述氧化物透镜的氧化层相对于所述轴线仅在所述中心的一个横向侧上，并且
其中，所述氧化物透镜用于控制由所述VCSEL发射的输出光束的特性。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述氧化物透镜形成在反射镜表面上，输出光束将经由该反射镜表面由所述VCSEL发射，所述反射镜表面是所述第一反射镜的表面，或是所述第二反射镜的表面。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括：
形成间隔件层，所述间隔件层与在所述有源区和所述氧化物透镜之间提供分离相关间隔件层，
其中，所述间隔件层位于所述有源区和所述氧化物透镜之间。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述输出光束的特性将基于以下中的至少一个来控制：
包括在所述氧化物透镜中的层的数量，
包括在所述氧化物透镜中的一个或多个层的厚度，
包括在所述氧化物透镜中的特定层对之间的距离，
包括在所述氧化物透镜中的层的构成，
包括在所述氧化物透镜中的氧化层的氧化长度，
所述氧化物透镜的氧化轮廓，或
所述氧化物透镜和有源区之间的距离。
18.一种发射器晶片，包括：
衬底；以及
所述衬底上的一组外延层，该组外延层包括：
第一反射镜和第二反射镜之间的有源区；
所述第一反射镜附近的氧化层；以及
氧化物透镜，
其中，所述氧化物透镜通过所述第一反射镜的至少一部分或所述第二反射镜的至少一部分与所述氧化层分离，
其中，所述氧化物透镜是与所述第一反射镜和所述第二反射镜分离的透镜，
其中，所述氧化物透镜具有关于在所述发射器晶片中发射器的纵向方向上延伸穿过所述氧化层的光学孔径的中心的轴线基本上不对称的氧化轮廓，使得所述氧化物透镜的氧化层相对于所述轴线仅在所述中心的一个横向侧上，并且
其中，所述氧化物透镜用于与控制输出光束的特性相关地控制所述发射器的输出光束遇到的有效折射率。
19.根据权利要求18所述的发射器晶片，其中，所述输出光束的特性将基于以下中的至少一个来控制：
包括在所述氧化物透镜中的层的数量，
包括在所述氧化物透镜中的一个或多个层的厚度，
包括在所述氧化物透镜中的特定层对之间的距离，
包括在所述氧化物透镜中的层的构成，
包括在所述氧化物透镜中的氧化层的氧化长度，
所述氧化物透镜的氧化轮廓，或
所述氧化物透镜和有源区之间的距离。
20.根据权利要求18所述的发射器晶片，其中，所述氧化轮廓与提供远离所述发射器的光束转向相关。
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