CN1263208C - 用横向带隙构造模式控制的垂直空腔表面发射激光器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)，所述垂直空腔表面发射激光器具有光子带隙(PBG)区域，光子带隙区域形成于第一和/或第二反射镜中或邻近于第一和/或第二反射镜，或形成于布置于增益区域和至少一个反射镜之间的分隔层中。PBG区域具有预定周期性，所述周期性主要阻止所产生的光在所述区域中传播，PBG区域还限定了不具有预定周期性的光孔，以便于允许所产生的光通过所述光孔传播。PBG区域不穿过增益区域，可使用全增益区域。通过抑制或阻止没有损失的某些模式中的激光作用而控制激光作用的效率，更好的是，使得模式被禁止。来自于被禁止模式的能量最终反馈耦合到允许的模式。在没有引入能量损失下提供增益区域限制和模式控制分离。

Description

用横向带隙构造模式控制的垂直空腔表面发射激光器 及其制造方法

技术领域

本发明涉及垂直空腔表面发射激光器，更具体地说，本发明涉及使用具有光孔的光子带隙构造的横向激光模式的控制。

背景技术

从激光器中发射的光辐射可具有不同的空间分布。如果激光器发射只包含基本横向模式的光辐射，则辐射是具有高斯曲线分布横截面的窄激光束，中心最强边缘较弱。相反，具有较高横向模式的激光辐射在辐射的横截面上显示了亮点和暗点。横向电磁模式通常表示为TEM₀₀、TEM₀₁、TEM₁₀、TEM₁₁等。其中TEM₀₀为基本横向模式，而其他的为较高横向模式。

具有较高横向模式的辐射通常是不期望的，这是由于难以将所述辐射结合于光导纤维中以及难以使其聚焦以形成自由空间射束。另外，较高横向模式的辐射在光导纤维中以略慢于基本横向模式辐射的速度行进，从而产生波型弥散，即，当其在光导纤维中行进时光脉冲的扩展。

垂直空腔表面发射激光器(VCSELs)是具有由反射镜构成的光学谐振腔的半导体激光器，所述反射镜与其上形成有激光器的基片平行。因此，VCSEL的光学谐振腔垂直于基片；并且光辐射沿垂直于基片的方向从VCSEL中发射出来。VCSELs通常为层状结构，其中谐振腔反射镜形成为在激活的半导体层周围的分布布拉格反射器(DBR)堆。

VCSELs具有许多超越传统边缘发射半导体激光器的优点。例如，可将VCSELs制造得极小；可容易地将VCSELs制成包含大量VCSELs的阵列；可在制造期间在初始阶段测试VCSELs(晶片上的测试)，这在VCSELs的低廉生产方面是重要的参数；与相同价格幅度的激光器相比，VCSELs可经受非常快的调制。

DBR与该结构的其余部分一起外延生长或者在后期沉积。在第一种情况下，反射镜是用半导体材料制成的，而在后一种情况下，反射镜是用绝缘体制成的。通过向激活层提供电流来形成VCSEL的增益介质。通常小的微米级尺寸的电流孔形成于激活层附近，从而限定增益区域的横向范围。当反射镜是用半导体材料制成时，通过适当地掺杂半导体材料，可穿过反射镜将电流注入到激活层。绝缘体反射镜不能传导电流，并且通过电接触提供激活层的横向电荷注入。

电流孔既控制增益区域的横向范围又控制激光器的横向模式激光作用。关键的VCSEL设计要点与电流孔有关，所述电流孔使注入载体横向地集中以提供足够大的增益，从而避免谐振腔损失并实现激光作用。电流孔的横向尺寸还决定可与激光作用模式有效联系的功率值，从而最终确定激光器的可获得的输出功率。为了获得合理的输出功率，通常必须具有比横向模式的横向尺寸大的电流孔。因此，VCSEL以几个mW的中等功率发射若干横向模式的激光。具有直径大于10μm电流孔的常规圆形VCSEL只以低电流发射TEM₀₀模式的辐射。在电流更高的情况下，开始以更高横向模式发射激光。

US5,317,587涉及一种制造VCSELs的方法。该方法除使用透明的金属触点和台地形区域以外还使用介质电流限制，以便于独立地控制注入电流分布和光模式。

另外，VCSELs通常发射具有不受控制的偏振方向的辐射。在许多应用中(例如，磁光盘、光通信应用等)，非常期望具有预定偏振方向的激光器。此外，在VCSEL阵列中相邻的VCSELs具有以不受控制的方式相互结合的倾向。在一些情况中，这会导致不希望的束截面。

US 5,412,680提供一种用于通过使用具有优选导电方向的应变半导体层控制偏振和VCSELs激光发射模式的方法。

JP10284806和JP11186657提供了一种VCSEL，该VCSEL提供了在平行于谐振腔反射镜的平面中的二维光子带隙(PBG)结构。PBG结构限制从增益区域中自发发射，从而降低谐振腔损失。

Erchak等人的论文“Enhanced coupling to vertical radiationusing a two-dimensional photonic crystal in a semiconductorlight-emitting diode”(Applied Physics Letters，78，563，2001)披露了在发光二极管的表面中使用PBG结构以将光提取效率增强达六倍。

W.D.Zhou等人的Electronics Letters，Vol.36，no.28，1541(2000)披露了使用表面发射光学装置的实验工作。所述装置是用GaAs/AlGaAs系统制成的，并且包括：n-型底部分布布拉格反射镜、具有两个用于光学增益的嵌埋的InGaAs量子势阱的未掺杂的拉姆达谐振腔，以及顶部p-型层。该结构已被构成具有：穿透顶部p-型层的孔的规则阵列、具有嵌埋增益材料的拉姆达谐振腔以及底部布拉格反射镜的一部分。蚀刻深度总共为0.8微米。希望规则结构具有光子带隙效果并且具有由于略去一个孔所限定的的疵点。通过观察集中在包含该疵点的区域中的光发射，该结构在疵点所限定的模式上发射激光。来自于该装置的最大输出功率被报告为14.4μW。

在所描述的结构中，必须蚀刻顶部和增益区域以便于与场充分重叠。穿过增益材料的蚀刻要求限制了疵点区域中的增益材料的总面积并减少了产生的输出功率。该作者实现了14.4μW。在实践中需要使用至少高于两个数量级的功率。

发明内容

将电流限制和模式控制相分离将产生具有显著增强功率输出和更好射束特性的VCSEL，例如采用独立模式操作的形式。在现有技术中，已通过简单地为更高级的模式引入大损失(例如，通过为级数比基本模式更高的模式提供低的反射率)而执行了所述分离。然而，由于能量可在模式之间结合，这导致大的能量损失，从而导致低效率和低功率输出。本发明提供了增益区限制与模式控制的分离，没有现有技术的那些缺点。

第一方面，本发明提供了一种垂直空腔表面发射激光器，所述垂直空腔表面发射激光器包括：

半导体材料层，所述半导体材料层具有适合于产生光并发射所产生光的增益区域；

形成了激光谐振腔的至少基本平行的第一和第二反射镜，所述激光谐振腔包括增益区域和被布置于增益区域与第一和/或第二反射镜之间的至少一个分隔层，至少所述第一反射镜对于所产生的光是部分透明的，以允许增益区域中所产生的光可通过至少所述第一反射镜被发射，所述激光谐振腔和增益区域支持用于所产生的光的至少一个横向电磁模式；以及

一个具有散射中心的二维周期点阵的点阵区域，所述点阵区域形成于第一和/或第二反0射镜中或邻近于第一和/或第二反射镜，或形成于一个所述至少一个分隔层中，所述周期点阵被布置得平行于第一和第二反射镜，并具有周期性，所述周期性阻止所产生的光在所述点阵区域中传播，所述点阵区域限定了不具有所述周期性的光孔，所述点阵区域的散射中心的周期性和尺寸以及光孔的尺寸和形状适合于至少部分地控制在每个横向电磁模式中激光作用的效率，所述点阵区域在垂直于第一和第二反射镜的方向上的尺寸明显小于在所述方向上的垂直空腔表面发射激光器的总尺寸。

因此，依照本发明，通过在VCSEL谐振腔中或邻近于VCSEL谐振腔提供具有控制激光模式的光孔的PBG区域而将电流限制与模式控制相分离。本发明的一个优点在于，通过提供辐射的横向分量不能传播于其中的区域抑制或阻止激光作用来控制模式中的激光发射。因此在基本延伸到这些区域中的模式中将很少或没有激光作用。因此，该方法不是通过为那些模式引入大的损失而抑制激光发射，而是使得模式被禁止。从另一种观点看来，高级模式在尺寸上受限制，因此与基本模式相比它们获得了更低的模式增益——因此，与高级模式中的激光发射相比较，基本模式中的激光发射被促进。垂直于PBG区域，在PBG区域中或在光孔中的入射辐射将不会受到PBG区域的影响，因此不会如通常那样被反射镜反射，因此由于PBG区域而不会经受损失。

因此，由于使用了全增益区域，本发明提供了充分的功率以使得VCSEL成为具有实用性。这是本发明的一个主要优点。另一方面，在W.D.Zhou等人的Electronics Letters，Vol.36，no.28，1541(2000)中披露的结构中，只使用了一小部分增益区域，从而导致了如此程度减小功率，即，输出不能用于实际应用。

间隔层可被布置于增益区域与仅一个反射镜之间。或者，一个间隔层可被布置于增益区域与第一反射镜之间，而另一个间隔层被布置于增益区域与第二反射镜之间。或者，两个或多个间隔层(例如，用各种材料制成的)可被布置于增益区域与第一和/或第二反射镜之间，或者间隔层中的一个或多个可由例如各种材料的多个层构成。

通过将PBG区域布置于第一和/或第二反射镜中或邻近于第一和/或第二反射镜布置，或布置于一个间隔层中，这可确保PBG区域不会穿过整个增益区域。由于确保了全增益区域都用于提供来自于VCSEL的充分的输出功率，因此这是个主要优点。

最好以这种方式布置PBG区域，即使得PBG区域完全不与增益区域交叉。

除非另外指明，本申请中词语“横向模式”和“模式”是指通常表示为TEM₀₀、TEM₀₁、TEM₁₀、TEM₁₁等的横向电磁模式。

光子带隙效果在实验上和理论上都得到了良好的证明。光子带隙效果依赖光学恒量的周期调制，诸如通过在材料中形成一维、二维或三维周期微观结构而周期调制一维、二维或三维中的材料介电常数。微观结构可产生已调制的折射指数(气孔的蚀刻)以及通过例如圆形的或者不同形状的金属区沉积产生吸收系数的调制。

激光器谐振腔可支持多个用于所产生光的横向模式。在本申请中，横向电磁模式可被看作是描述电磁场传播的波矢量k的分配。任何波矢量k都可被投射到垂直于谐振腔延长部分的平面上，诸如平行于PBG区域的平面。k在所述平面上的投射可表示为波矢量k的横向分量k_T，词语“横向”是指谐振腔的范围而不是指k的范围。

光子带隙区域和光孔的尺寸最好通过控制光孔中的横向分量k_T与光子带隙区域中的横向分量k_T之间的比率，控制每个横向电磁模式的激光作用。因此，光孔中的横向分量k_T与PBG区域中的横向分量k_T之间的比率确定了横向电磁模式中激光作用的抑制或阻止，从而与高比率模式相比抑制或阻止低比率模式中的激光作用。与谐振腔的基本横向电磁模式(TEM₀₀)中的激光作用相比，光子带隙区域和光孔的尺寸最好适合于抑制或阻止高级横向电磁模式中的激光作用。

如果VCSEL是电驱动的话，还可包括用于向限定增益区域的半导体材料区域供应电流的供电装置。或者，如果VCSEL是光抽运的话，还可包括用于向限定增益区域的区域供应光抽运的装置。在两种情况中，增益区域可具有如下特征，在至少基本平行于第一和第二反射镜的第二平面中它具有与两个或多个横向电磁模式谐振腔的基本重叠。

因此，电流限制与模式控制的分离可提供更大的增益区域，同时具有模式控制，诸如同时具有独立模式操作。由于模式控制是由PBG区域和光孔控制的，因此增益区域可在不降低独立模式操作的情况下有力地与若干横向模式相结合。依照本发明，由于PBG区域不吸收辐射，与其他模式相联系的能量不会丧失，同样地，能量最终反馈耦合到基本发射激光模式。

通常，第一和第二反射镜是分布布拉格反射器(DBRs)，其中一个通过允许传输一部分碰撞辐射而形成了输出耦合器。本发明所涉及的模式控制没有将PBG限制为输出耦合反射镜。由于它组成了所述模式的波矢量的横向分量的允许区域，因此光孔仍然用作光的孔。

本发明所涉及的VCSEL中的光孔可具有三重或多重的对称。通常，可将光孔形成为正多边形。

光孔可为细长的并沿第一轴具有尺寸α以及沿垂直于第一轴的第二轴具有尺寸β＜α，在该情况中光子带隙区域和细长光孔的尺寸适合于至少部分地控制每个横向电磁模式中的激光作用的效率，并适合于抑制或阻止至少基本平行于第一轴没有极化的横向电磁模式中的激光作用。

细长光孔可具有二重对称。

此外，光子带隙区域可由具有主要阻止所产生光在所述区域中传播的周期性的散射中心的周期点阵构成，散射中心沿第一轴是细长的，并且在该情况中散射中心的细长部分可适合于抑制或阻止横向电模式中的激光作用，所述横向电模式至少平行于第一轴没有极化。

散射中心的细长部分打破了PBG区域的一个对称，从而平行于第一轴极化的电场与垂直于第一轴极化的电场相比较，具有从散射中心的更小的散射截面，通过具有从散射中心的更小的散射截面，平行于第一轴极化的模式中的激光发射与垂直于第一轴极化的模式中的激光发射相比更少被抑制。

在一个实施例中，垂直空腔表面发射激光器可包括两个或多个隔开的光孔，它们作为没有预定周期性并形成两个或多个耦合激光器谐振器的区域，在该实施例中所述光子带隙区域和所述两个或多个光孔的尺寸适合于至少部分地控制每个激光器谐振器中横向电磁模式中的激光作用的效率，从而形成垂直空腔表面发射激光器的相控阵列。

在第二方面中，本发明提供了一种制造具有横向电磁模式的控制的垂直空腔表面发射激光器的方法，所述方法包括以下步骤：

提供一个基片；

在基片上形成分布布拉格反射器的第一平行堆；

在第一平行堆上形成激活层和间隔层；

在激活层和间隔层上形成分布布拉格反射器的第二平行堆；

通过形成对第一和/或第二平行堆中或相邻处或分隔层中的一个或多个层的介电常数的周期性调制，而形成一个具有散射中心的二维周期点阵的点阵区域，从而所述点阵区域在垂直于第一和第二平行堆的方向上的尺寸明显小于在所述方向上的垂直空腔表面发射激光器的总尺寸，所述点阵区域还限定一个没有对所述介电常数进行所述周期性调制以控制横向电磁模式的光孔。

最好通过在第一和/或第二平行堆中形成孔的周期点阵而形成介电常数的周期性调制。或者，通过将周期点阵中的半导体材料或金属垫沉积在第二堆上而形成介电常数的周期性调制。

根据VCSEL的期望特性，可通过形成为诸如正多边形而使得光孔具有三重或多重对称。或者，为了控制辐射的极化，光孔可具有二重对称并且沿着限定模式极化轴的第一轴可为细长的。在该情况中，光孔通常具有长方形、不规则四边形、或椭圆形的总形状。

该方法最好包括以下步骤：

形成电流孔以便于在激活层中限定增益区域；以及

形成电荷注入装置以便于将电流提供到激活层。

或者，第一平行堆可由至少基本透明的材料制成，以用于波长λ_p的辐射，该情况中的激活层至少基本吸收波长λ_p的辐射以便于允许VCSEL的光抽运。

形成光子带隙区域的步骤可包括形成光子带隙区域以限制两个或多个光孔的步骤，以便于形成具有横向电磁模式的独立控制的耦合的垂直空腔表面发射激光器的阵列。

附图说明

图1A示出了本发明一个优选实施例所涉及的包含PBG区域和光孔的VCSEL的透视图；

图1B示出了图1A实施例的横截面图，其中描绘了基本光模式；

图1C示出了与其中描绘了基本光模式的图1A实施例相似的另一个

实施例的横截面图；

图2A-2E示出了本发明多个不同实施例的PBG区域和光孔；

图3A和图3B示出了本发明所涉及的VCSEL激光器中光孔和横向电磁模式之间的重叠；

图4示出了具有绝缘顶部反射镜和电流孔的VCSEL的横截面图；

图5示出了具有外延增长半导体顶部反射镜和VCSEL中的一层的氧化作用所限定的电流孔的VCSEL的横截面图；

图6是本发明一个优选实施例所涉及的VCSEL的半透明顶视图，其中可看到触点、PBG结构、光孔和电流孔；

图7是本发明一个优选实施例所涉及的VCSEL的相控阵列的半透明顶视图，其中可看到触点、PBG结构、光孔和电流孔；

图8A-8D示出了一个优选实施例所涉及的VCSEL激光器的横截面图，其中示出了形成PBG区域的不同方法；

图9和图10分别示出了蜂窝结构的和三角形的周期点阵；

图11-14详细地示出了图2A-2D实施例的PBG区域和光孔的详细图示；以及

图15是本发明另一个实施例所涉及的VCSEL的半透明顶视图，其中PBG结构具有球面对称性。

具体实施方式

在图1A中所示的本发明的一个优选实施例中，VCSEL激光器1包括基片101上的底部反射镜102、激活层104以及顶部反射镜105。在顶部反射镜105中，形成了由散射中心116的二维周期点阵构成的PBG区域115。PBG区域115限制了光孔118，所述光孔118是没有散射中心的周期点阵的区域，诸如周期点阵中的疵点或疵点区域。

图1B是图1A的VCSEL激光器1的侧视图，示出了激光器中的横向电磁模式121和横向模式与之相连的传播模式122。这是一个重要的特征，即，由于模式121存在于容纳PBG区域的平面中的光孔118中，因此只能横向模式121中具有激光发射。在具有基本进入到PBG区域115中的延长部分的横向模式中，由于模式的横向分量不能在PBG区域115中传播，因此激光作用将会被抑制或阻止。这允许优选实施例所涉及的VCSEL可控制不同横向模式中的激光作用。

通过观察激光器中不同模式的尺寸可示出PBG区域115的效果。在容纳PBG区域的平面中横向模式可被描述为位于平面中的电场矢量。如果该模式为具有与光孔118相同的尺寸和对称性或形状的基本TEM₀₀模式的话，该模式的电场矢量基本位于光孔118中。在图3A中示出了该情况。另一方面，如果该模式为更高级模式，例如TEM₁₀的话，该模式的电场矢量的大部分将至少部分地位于PBG区域115中，从而该模式的横向分量就不能在该平面中传播并且该模式将被抑制。在图3B中示出了该情况。

图1C示出了与图1A和1B实施例相似的另一个实施例。这里，PBG区域115和光孔118被布置得与不透明反射镜102有关，所述反射镜102不发射辐射。由于PBG区域115和光孔118抑制或阻止激光器谐振腔中横向模式中的激光发射，因此PBG区域115不必被布置于外连接反射镜105处。

图2A示出了图1A和1B优选实施例的顶视图。这里，可更详细地看到形成PBG区域115的周期点阵。周期点阵115是三角形点阵，但是也可使用其他的点阵。

图2B-2E示出了本发明多个其他优选实施例的顶视图。这里，VCSEL的基本结构基本与关于图1A和1B所描述的实施例相同，其中只是改变了PBG区域115和/或光孔118的特性。在所有示出的实施例中，周期点阵115是三角形的，但是也可使用其他的点阵。

在图2B中，光孔120是细长的，从而PBG区域115沿不同的方向不同地影响横向模式。位于容纳PBG区域115的平面中其宽度基本小于光孔120的细长部分的长度的横向模式可仍然从空间上被断开，这是由于它们延伸到细长光孔120侧部处的PBG区域115中。PBG结构形成了横向模式自然极化轴，所述自然轴或沿着细长部分或垂直于细长部分。两个模式具有带增益材料的不同的重叠并且受到不同量的模式增益。沿着细长部分极化的模式具有较大的模式增益并且该极化模式上的激光发射被增强而垂直极化的模式上的激光发射被抑制。

在图2C中，散射中心117沿公共轴是细长的，从而PBG区域115是不对称的。在平行于该细长部分的方向上，散射中心117具有比垂直于延长部分方向上更小的横截面。这意味着一个模式的横向分量的电场在平行于细长部分的方向上在点阵中经历的散射截面比垂直于延长部分的方向上在点阵中经历的散射截面小。从而，PBG效果变为不对称，并且与平行于细长部分极化的模式相比，垂直于细长部分极化的模式被抑制。因此图2C的不对称PBG区域115控制所发射的辐射的极化。此外，与结合图2A所描述的实施例相似，光孔122同样通过抑制高级模式中的激光作用而控制所述模式。

在图2D和2E中，PBG区域115限制了多个光孔118、124、125、126。从而VCSEL包含了多个明确的相对关系的耦合的激光器谐振器。在图2D中，光孔118与图2A中的那个相似，并且支持五个耦合的激光器谐振器。在图2E中，孔124、125、126被构成为三个同心环。由于阵列的耦合的激光器谐振器被紧密地间隔并分享相同的增益区域，因此谐振器被耦合并且从不同的谐振器发射的辐射将是连贯的或同相的。由于所发射的辐射是连贯的，因此来自于不同谐振器的辐射将在离阵列的一定距离处相干扰。谐振器的形状和相对关系将确定离阵列远的场。图2D中的圆盘形状和环状光孔124、125、126将在由孔直径确定的一定距离处提供一个聚焦场。用于在离阵列的距离为D的远端场中形成焦点的光孔直径的确定，可通过假设厚度为δ、径向距离为ε的同心壳的球形中心中的期望焦点而最简单地实现(这样，该球形与洋葱形状相似)。该球形在平面中被如此切开，即，使得沿垂直于平面的方向上从中心到所述平面的距离为D。切开的表面将形成一组同心环。最外面的环将具有接近于δ的厚度并且该厚度将朝向环的中心增加，从而将形成圆盘。通过提供直径和形状与切开的表面的环和圆盘相似的光孔，远端场将在离阵列距离为D处介入产生焦点。通常，光孔不能具有完美的圆形，并且所形成的焦点通常将不是完美的焦点。

如图4和图5中所示的，VCSEL包括基片101上的外延增长堆100，所述堆100包括底部反射镜102、第一间隔层103、激活层104、第二间隔层103、电流孔114以及顶部反射镜105或110。另外，VCSEL还包括顶部触点108和基片触点109。可使用半导体工业领域公知的标准方法执行堆100的增长以及各种层的沉积。

第一反射镜102是由具有不同折射率n_r的半导体材料的交互增长层构成的，所述层具有～λ/n_r4的厚度。所述层可由作为高折射率层的GaAs和作为低折射率层的GaAlAs或AlAs构成。激活层104被夹在第一DBR反射镜102的间隔层103之间。激活层104通常由形成量子阱结构的多个层(例如，由GaAs屏障层分隔的InGaAs量子阱层或由AlGaAs屏障层分隔的GaAs量子阱层)构成。

在图4中，电流孔114是由离子注入区域106限定的，在离子注入区域106中在靠近于激活层的薄片中半导体材料被制成为半绝缘的。一个小区域被屏蔽从而留下不受注入影响的导电孔114。

或者，如图5中所示的，可通过选择性地氧化VCSEL结构中的一层以形成限定电流孔114的氧化区域107而限定电流孔114。首先台式结构被蚀刻以露出侧壁然后执行所选择的氧化作用。

图5中的顶部反射镜105在与使用具有不同折射率的半导体材料的堆100的其余部分相同的加工步骤中外延地增长，所述层具有～λ/n_r4的厚度。通过适当地掺杂所述层以产生n-型或p-型半导体材料，可从触点108中通过反射镜105发生电流注入。

或者，如图4中所示的，在后期使用具有不同折射率的绝缘材料，顶部反射镜110可被沉积，所述层具有～λ/n_r4的厚度。绝缘反射镜不能传导电流，并且通过来自于形成于VCSEL上表面上的顶部反射镜110周围的电极108的横向注入提供到激活层中的电荷注入。

用于VCSEL的电触点108和109可通过半导体工业领域中公知的标准光刻的方法形成，诸如金属沉积和剥离技术。通过外延增长层向下蚀刻到共同的n-型基片可使得晶片上的各个激光器彼此电绝缘。

重要的VCSEL设计要点涉及到横向地集中注入载体以获得足够大的增益，从而表面谐振腔损失并实现激光发射。在下部电流注入处实现了载体的良好集中，从而减小了激光发射的极限值。通常，将电流孔114形成得靠近于激活层以实现注入载体的集中。

在现有技术VCSELs中，电流孔还控制VCSEL的主要模式操作。通过将电流孔形成得较小，可获得达到某个启动高级模式激光发射的功率极限值的单一的、基本的模式操作。然而，如果将电流孔形成得较小的话，只能向增益区域供给有限的功率。如果增大电流孔的话，在低的极限电流处或所有时间都会启动高级模式的激光发射。这样，VCSEL中电流孔的尺寸是在单一模式和高功率操作之间的一种精细平衡。VCSELs还可被光抽运。在这种情况下，激活层与抽运射束之间的空间重叠限定了增益区域，从而相当于电流孔。关于重叠的尺寸适用相同的考虑。

依照本发明，电流限制和模式控制是分开的。电流限制由诸如现有技术中的电流孔(或相当于由抽运射束的焦点提供)提供，而模式控制由PBG区域和光孔提供。图6和图7示出了半透明顶部视图，其中示出了电流孔114和光孔118的相对尺寸。

图6示出了光孔118、电流孔114、PBG区域115和VCSEL1的一般相对尺寸。图7示出了相似的尺寸以及光孔118阵列的尺寸。

本发明所涉及的VCSEL激光器的一般相对尺寸为：

光孔118的直径：0.2μm-100μm，诸如1μm-100μm、诸如5μm-50μm；

光孔阵列的直径：10μm-200μm，诸如10μm-100μm、诸如20μm-50μm；

电流孔的直径：a＝2μm-200μm，诸如3μm-200μm、诸如10μm-100μm；

PBG区域的直径：b＝2μm-200μm，诸如10μm-200μm、诸如30μm-100μm；

VCSEL的直径：c＝10μm-1000μm，诸如30μm-500μm、诸如50μm-150μm。

从图7中可以看出，阵列中的所有光孔118最好都如此布置，即，使得当垂直投射到激活层104上时它们位于电流孔/增益区域中。

如结合图8A-8D所描述的，可以多种方式并在多个不同的位置处形成PBG微观结构。微观结构是平面中材料介电常数的二维周期性变化，并且既可通过例如孔(充满空气或具有不同介电常数的另一种材料)的蚀刻或通过在材料表面上形成杆而从材料的已调制折射率中产生，以及可通过例如金属垫层在材料表面上的沉积而从材料的吸收系数的调制中产生。

图8A示出了VCSEL的侧视图，所述VCSEL具有形成于顶部反射镜上的半导体杆140形式的PBG微观结构。这些杆140通常如下构成：

I通过沉积或与现存堆的形成一起外延增长而提供半导体材料层；

II通过光刻步骤限定杆；以及

III通过反应离子蚀刻形成杆。

图8B和8C示出了VCSEL的侧视图，所述VCSEL具有蚀刻于顶部反射镜中或下部的孔142形式的PBG微观结构。根据孔142或杆的深度进行的蚀刻可通过反应离子蚀刻而执行。可通过电子束光刻技术或紫外光光刻术限定调制点阵。孔的深度最好为100nm多一点，但是也可改变，只要它们可实现其目的，即，控制光模式。所述孔可充满具有不同折射率的材料或可为空的(充有空气)。

图8D示出了具有金属垫144形式的PBG微观结构的VCSEL。可通过半导体工业领域中公知的标准光刻方法形成点阵中的金属垫144的沉积，诸如金属沉积和卸下技术。

通过在顶部反射镜中提供微观结构限定激光发射模式，PBG区域阻止(PBG平面之外的)具有非零横向分量的传播光透入PBG平面的PBG区域中，因此光孔限定所述模式。这样，反射镜中PBG平面的位置可变。为了获得最强的效果，PBG平面应被形成于反射镜中的这样一个平面处，在所述平面中，所被抑制或被阻止的模式具有其最高强度(磁场强度)或最大横向分量。

如前面所述的，可根据多个不同的周期点阵制成PBG微观结构。图9示出了散射中心之间具有距离Λ_hc的蜂窝状点阵。图10示出了散射中心之间具有距离Λ_tria的三角形点阵。也可使用诸如六边形的、正方形的、矩形的以及菱形的其他点阵。

图11示出了结合图1A、图1B、图2A和图4所描述的优选实施例的三角形PBG结构的细节。这里，通过移除位于“圆形”区域中的七个散射中心而在点阵中引入疵点区域来形成光孔118。光孔118适合于只以基本模式，即TEM₀₀提供激光发射。由于TEM₀₀(理论上)具有圆对称，因此光孔最好具有圆对称。然而，在周期点阵中永远也不会获得完美的圆对称，因此优选的是实现高度对称。图11中所示的光孔具有六边形对称，在0°、30°、60°、90°、120°和150°的角度处具有六条对称轴。通常称之为六重对称。如果只移除一个散射中心的话，如图4中所示的情况，光孔118将仍然具有六重对称。适合于只在基本模式下提供激光发射的光孔最好具有三重或多重对称。

图12示出了结合图2B所描述的优选实施例的三角形PBG结构的细节。这里，通过移除位于细长区域中的九个散射中心而在点阵中引入疵点区域来形成光孔120。光孔120适合于在沿细长光孔120的长度方向具有极化的模式中提供激光发射。光孔的轮廓最好是矩形的(如图2B中所示的)、不等边四边形(如图12中所示的)，或椭圆形的。然而，也不能获得完美的几何形状。最重要的，根据模式的极化，光孔不同地影响激光发射，它穿过细长部分抑制或阻止模式极化，并且沿细长部分促进模式极化。由于任何模式的极化都可被表示为两个垂直极化模式的重叠，一个穿过细长部分，一个沿着细长部分，细长光孔的二重对称是优选的。

图13示出了结合图2C所描述的优选实施例的三角形PBG结构的细节。这里，散射中心117沿共同方向是细长的并且通过移除一个散射中心而在点阵中引入疵点区域来形成光孔118。如前面所描述的，细长的散射中心117在PBG结构中带来了对称制动，从而在PBG结构的效果中带来了对称制动。细长的散射中心117的尺寸可为：沿短轴为1nm-500nm、沿长轴为50nm-1000nm。

图14示出了结合图2D和图7所描述的优选实施例的三角形PBG结构的细节。这里，通过移除分别独立位于一个图案中的七个散射中心而在点阵中引入七个疵点区域来形成七个光孔118。每个光孔118都适合于只以基本模式，即TEM₀₀提供激光发射，因此形成与结合1A、图1B、图2A和图6所述的那些相似的光孔的阵列。光孔的位置和尺寸可变以产生期望的远端场。

只要电流孔或抽运激光器焦点的尺寸大得足以在模式和激活层之间的重叠处中提供增益区域，它就是控制激光发射模式的光孔的尺寸。如果增益区域太小的话，将限制激光发射模式的尺寸。因此，应如此调节增益区域与光孔之间的相对尺寸，即，使得增益区域的尺寸不限制激光发射模式，这也是光孔的任务。通常，光孔具有2μm和5μm之间的直径。然而，根据VCSEL结构其余部分的设计，也可使用该范围之外的直径。

由于PBG影响模式的横向分量，因此从VCSEL(光孔)中发射的激光的期望角度是考虑PBG结构的点阵周期Λ设计的要点。沿垂直于反射镜的方向K_n所发射的光不具有任何横向分量，因此不受PBG的影响。沿相对于方向K_n形成角度θ的方向K_θ所发射的光具有K_nsinθ的横向分量。

可从以下公式中计算微观结构区域中的孔之间的适当距离Λ：

$\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}\·\frac{1}{f\left(A\right)},$

其中θ为所发射光的角度，λ为光在空气中的波长，f(A)为根据PBG微观结构以及根据高指数材料与低指数材料之间的填充分数A的波形因数。对于一维布拉格反射器来说f(A)为0.25，而对于二维PBG结构来说f(A)可更高。例如，在θ＝10°以及λ＝1μm的情况下，距离Λ可为波长的若干倍，并且由于这些设计参数PBG微观结构将抑制其外角大于10°的模式。

这些具有PBG结构的VCSEL的应用包括光通信，例如，用于期望单一模式操作的局域网的传送器。另外，在这些PBG的VCSEL中所获得的单一模式功率的延长范围也可用于光存储器区域中的应用。此外，在具有PBG的VCSEL改进的远端场特性的情况下，在例如掺杂有稀土的光导纤维或波导的光抽运区域中的应用应是可以的。

图15示出了与图6相比较的本发明的一个替换实施例。在该实施例中，在径向上实现了PBG微观结构115，因此形成了如图15中所示的同心圆。因此PBG结构主要为一维周期或伪周期结构。圆中心中的孔118限定了激光作用的光模式并且同心的指数调制阻止高级模式达到激光发射状态。图15以顶视图的方式示出了表示横向指数调制的同心圆115和中心中的光孔118。侧视图示出了横向应为指数调制的一个实施例，这里，通过蚀刻顶部反射镜105中的圆形沟道而进行。为了实现二维PBG阵列描述了其他实施例。

当PBG微观结构115具有如上所述的圆形对称形状时，圆形最好不是周期性布置的。相反，在相邻圆形之间的相互距离中引入间距。在优选实施例中可用贝塞尔函数描述间距。

Claims (24)

1.一种垂直空腔表面发射激光器，所述垂直空腔表面发射激光器包括：

半导体材料层，所述半导体材料层具有适合于产生光并发射所产生光的增益区域；

形成了激光谐振腔的至少基本平行的第一和第二反射镜，所述激光谐振腔包括增益区域和被布置于增益区域与第一和/或第二反射镜之间的至少一个分隔层，至少所述第一反射镜对于所产生的光是部分透明的，以允许增益区域中所产生的光可通过至少所述第一反射镜被发射，所述激光谐振腔和增益区域支持用于所产生的光的至少一个横向电磁模式；以及

一个具有散射中心的二维周期点阵的点阵区域，所述点阵区域形成于第一和/或第二反射镜中或邻近于第一和/或第二反射镜，或形成于一个所述至少一个分隔层中，所述周期点阵被布置得平行于第一和第二反射镜，并具有周期性，所述周期性阻止所产生的光在所述点阵区域中传播，所述点阵区域限定了不具有所述周期性的光孔，所述点阵区域的散射中心的周期性和尺寸以及光孔的尺寸和形状适合于至少部分地控制在每个横向电磁模式中激光作用的效率，所述点阵区域在垂直于第一和第二反射镜的方向上的尺寸明显小于在所述方向上的垂直空腔表面发射激光器的总尺寸。

2.依照权利要求1中所述的垂直空腔表面发射激光器，其特征在于，所述点阵区域不会与增益区域交叉。

3.依照权利要求1中所述的垂直空腔表面发射激光器，其特征在于，所述激光器谐振腔和增益区域为所产生的光支持多个横向模式，并且，每个横向电磁模式由点阵区域中具有横向分量k_T的波矢量k的分配来限定，并且，通过控制光孔中的横向分量k_T与点阵区域中的横向分量k_T之间的比率，点阵区域和光孔的尺寸控制每个横向电磁模式的激光作用。

4.依照权利要求3中所述的垂直空腔表面发射激光器，其特征在于，光孔中的横向分量k_T与点阵区域中的横向分量k_T之间的比率确定了横向电磁模式中激光作用的抑制或阻止，从而相对于高比率模式抑制或阻止低比率模式中的激光作用。

5.依照权利要求1所述的垂直空腔表面发射激光器，其特征在于，与谐振腔的基本横向电磁模式(TEM₀₀)中的激光作用相比，所述点阵区域的散射中心的周期性和尺寸以及光孔的尺寸和形状适合于降低高级横向电磁模式中的激光作用。

6.依照权利要求1所述的垂直空腔表面发射激光器，其特征在于，还包括用于向半导体材料的一个电流孔供应电流的供电装置，所述电流孔限定增益区域，所述电流孔具有如下特征，在平行于第一和第二反射镜的平面中，它具有带谐振腔的两个或多个横向电磁模式的基本重叠。

7.依照权利要求1所述的垂直空腔表面发射激光器，其特征在于，所述第一反射镜由传送波长λ_p的抽运辐射的材料形成，所述增益区域吸收所述第一反射镜所传送的抽运辐射。

8.依照权利要求1所述的垂直空腔表面发射激光器，其特征在于，第一和第二反射镜是分布布拉格反射器。

9.依照权利要求1所述的垂直空腔表面发射激光器，其特征在于，光孔可具有三重或多重的对称。

10.依照权利要求1所述的垂直空腔表面发射激光器，其特征在于，光孔可为细长的并沿第一轴具有尺寸α以及沿垂直于第一轴的第二轴具有尺寸β＜α，点阵区域和细长光孔的尺寸适合于至少部分地控制每个横向电磁模式中的激光作用的效率，并适合于抑制或阻止在没有被极化的、至少平行于第一轴的横向电模式中的激光作用。

11.依照权利要求10所述的垂直空腔表面发射激光器，其特征在于，细长光孔可具有二重对称。

12.依照权利要求1所述的垂直空腔表面发射激光器，其特征在于，点阵区域的散射中心沿第一轴是细长的，并且散射中心的细长部分适合于抑制或阻止至少平行于第一轴的横向电模式中的激光作用，所述横向电模式没有极化。

13.依照权利要求1所述的垂直空腔表面发射激光器，其特征在于，所述垂直空腔表面发射激光器包括两个或多个隔开的光孔作为没有预定周期性并形成两个或多个耦合激光器谐振器的区域，所述点阵区域的散射中心的周期性和尺寸和所述两个或多个光孔的尺寸适合于至少部分地控制每个激光器谐振器中横向电磁模式中的激光作用的效率，从而形成垂直空腔表面发射激光器的相控阵列。

14.依照权利要求13的垂直空腔表面发射激光器，其特征在于，光孔的有关部分的形状和尺寸适合于将发射光在距激光器一段距离处聚焦。

15.一种制造具有横向电磁模式的控制的垂直空腔表面发射激光器的方法，所述方法包括以下步骤：

提供一个基片；

在基片上形成分布布拉格反射器的第一平行堆；

在第一平行堆上形成激活层和间隔层；

在激活层和间隔层上形成分布布拉格反射器的第二平行堆；

通过形成对第一和/或第二平行堆中或相邻处或分隔层中的一个或多个层的介电常数的周期性调制，而形成一个具有散射中心的二维周期点阵的点阵区域，从而所述点阵区域在垂直于第一和第二平行堆的方向上的尺寸明显小于在所述方向上的垂直空腔表面发射激光器的总尺寸，所述点阵区域还限定一个没有对所述介电常数进行所述周期性调制以控制横向电磁模式的光孔。

16.依照权利要求15所述的方法，其特征在于，所述点阵区域形成和安排成不会与增益区域交叉。

17.依照权利要求15所述的方法，其特征在于，通过在第一和/或第二平行堆中形成孔的周期点阵而形成介电常数的周期性调制。

18.依照权利要求15所述的方法，其特征在于，通过将周期点阵的金属垫沉积在第二堆上而形成介电常数的周期性调制。

19.依照权利要求15所述的方法，其特征在于，所述光孔具有三重或更多重对称。

20.依照权利要求19所述的方法，其特征在于，所述光孔至少基本具有正多边形的形状。

21.依照权利要求15所述的方法，其特征在于，所述光孔可具有二重对称并且沿着限定了模式极化轴的第一轴可为细长的。

22.依照权利要求15所述的方法，还包括以下步骤：

形成电流孔以便于在激活层中限定增益区域；以及

形成电荷注入装置以便于将电流提供到激活层。

23.依照权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一平行堆由传送波长λ_p的抽运辐射的材料制成，激活层吸收波长λ_p的抽运辐射。

24.依照权利要求15所述的方法，其特征在于，所述形成点阵区域的步骤包括，形成点阵区域以限制两个或多个光孔的步骤，以便于形成具有横向电磁模式的独立控制的耦合的垂直空腔表面发射激光器的阵列。

Images