CN1448000A - 用于半导体激光器泵浦的固体激光器系统中的具有集成微透镜的vcsel及vcsel阵列 - Google Patents

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Abstract

一种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)设备，具有改进的功率及光束性能。VCSEL设备包括一个VCSEL或一个VCSELs阵列。每个VCSEL具有一个相应的集成微透镜，及一个在VCSEL设备旁边的热沉。该热沉可以改善散热性，并且因此能提供VCSEL设备输出激光束的改进的功率性能。该微透镜或微透镜阵列允许VCSEL设备输出激光束的更容易和更小型的聚焦。该VCSEL设备能被用于多种光学系统中，并且它的改进的功率及聚焦性能可以提供一个小型、低功率、低成本的激光器系统。

Description

用于半导体激光器泵浦的固体激光器系统中 的具有集成微透镜的VCSEL及VCSEL阵列
技术领域
本发明涉及一个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，该激光器具有一个设备旁边的热沉及集成微透镜。这样一个VCSEL能被方便地用于多种通信系统中，包括一个半导体激光器泵浦的固体激光器系统，并且尤其用于远程通信及数据通信应用的一个光产生和发射系统，其中固体激光器被VCSEL泵浦。
背景技术
小型、低成本及低噪声的激光器是开发高性能模拟光子系统的关键，比如光纤光学传输系统。然而，仍然没有开发出令人满意的这种激光器。
例如，使用外部泵浦的固体激光器来产生用于光纤光学传输系统的激光束是众所周知的。这种激光器系统可能包括铒镱掺杂的玻璃微片激光器，其特别适用产生具有用于光通信系统的合适波长的光束(即，1530-1560nm)。然而，这种激光器系统典型地要求使用昂贵的或低效的泵浦机构，如闪光灯。
已知二极管激光器是相对便宜和高效的泵浦机构；然而，这种激光器典型的低功率及低光束质量使得其不能在宽的应用范围内使用。尤其已知低功率垂直腔表面发射激光器(VCSELs)是便宜和易于制造的，其大约有2-5mW的功率输出。此外，由于从VCSEL的圆形发射小平面发射的光和光纤光缆的近似形状的核之间的易于匹配性，VCSELs特别适用于某些光纤光学应用，例如多模光纤上的低功率传输。
然而，常规的VCSELs，如边缘发射二极管激光器，由于功率太低而不能有效地作为用于掺杂的玻璃激光器如上面提到的铒镱激光器的泵浦机构。此外，由于这种VCSEL的散热性差，通过增加发射小平面的表面积不能有效地增加单个VCSEL的输出功率。通过排列多个VCSELs到一个阵列并且在VCSELs的设备旁边(与基底相对的一边)包括一个热沉，可以克服这一缺陷。然而，这种高功率VCSELs阵列仅仅在光学点火机构的情况下予以考虑。最后，为了有效地利用VCSEL的输出光束，包括VCSEL设备的常规的激光器系统典型地要求广泛地使用外部的及离散的透镜系统。包括及排列这种透镜系统造成了系统尺寸及成本的增加。
发明内容
根据本发明的一个实施例的一个VCSEL，是一个底发射的VCSEL，其通过在该设备的旁边，非基底的一边，包括一个热沉，来提高散热性，以获得高功率的输出。将较多的这种VCSELs排列成一个阵列以进一步增加总的功率输出。另外，将折射微透镜和VCSEL或VCSELs的基底集成在一起，用于减少输出光束的发散，也有助于用于多种电信应用中的聚焦和/或准直该光束。这样，降低了成本并减小了外部透镜的占用空间。
这样得到的VCSEL设备小型并廉价，并且仍旧可以产生能有效地耦合到外部光学元件的高功率、高质量输出光束。
根据本发明的VCSEL设备，尤其是根据本发明的VCSEL设备阵列，能被方便地作为用于掺杂的玻璃激光器如铒镱掺杂的玻璃激光器的泵浦机构，以提供一个小型，低成本、低噪声和高功率的激光器系统。
该铒镱玻璃激光器也能被用作可调谐激光器的增益介质，并且根据本发明的该激光器系统，无论是单频的或可调谐的，都能被用于多种电信应用中。
附图说明
图1是一个单一VCSEL设备的剖视图，该设备用于本发明并且具有一个集成折射微透镜；
图2A是一个单一VCSEL设备的剖视图，该设备用于本发明并且具有一个用于聚焦被该VCSEL设备发射的光束的集成折射微透镜；
图2B是一个图2A中显示的VCSEL设备的底视图；
图3是一个典型VCSEL阵列的剖视图，该阵列能被用于本发明的设备中并且包含用于平行光束输出的集成折射微透镜；
图4是一个图3中显示的VCSEL设备阵列的剖视图，并且包含用于会聚光束输出的集成折射微透镜；
图5是一个本发明的光学设备拆去机箱盖后的顶视图；
图6是一个沿着图5中的线6-6的剖视图；
图7是一个根据本发明的一个可调谐激光器系统的示意图。
具体实施方式
图1说明一个根据本发明的VCSEL 100的示范实施例。VCSEL100包括一个合适的半导体材料的基底101，VCSEL 100的其它材料能够在其上生长，如GaAs、Si、InP等等。基底101有相对着的内表面102和外表面103，其最好是N型传导率。N欧姆接触层104被沉积在表面103上，并且定义一个区域105，如下面所描述，通过该区域光被发射。区域105被一个抗反射介电层(图中没有显示)所覆盖。在基底101的内表面102上是第一反射镜堆106。反射镜堆106是一个分布式布喇格反射器，由具有不同折射率的半导体材料的交替层107和108组成。例如，通过使用不同成分的材料，如AlGaAs，其中在层107的材料中铝的数量不同于层108的材料中铝的数量。众所周知，层107和108的厚度及种组配决定VCSEL发射光的波长。第一反射镜堆106的层107和108的材料是例如N型传导率的材料。
在第一反射镜堆106上是绝缘体109，其伸展到激活层111、VCSEL的第二反射镜堆113(下面详细描述)、以及覆层110、第二覆层112及夹在中间的激活区域111的上面及周围。激活区域111是不掺杂的。激活区域111可以是著名的量子阱结构，或多量子阱结构。激活区域的厚度可以是例如半个发射波长或一个发射波长。
第二反射镜堆113在激活层111的上面。第二反射镜堆113也是一个分布式布喇格反射器，包括具有不同折射率的材料的交替层114和115。第二反射镜堆113的层114和115可以是与第一反射镜堆106的层107和108相同的材料。然而，第二反射镜堆113的层114和115的传导率与第一反射镜堆106的层107和108的传导率相反；例如，这里层114和115是P型传导率。导电材料例如金属的接触层116覆盖在第二反射镜堆113上。
热传导材料如钻石或金属材料圆盘的热沉体118通过合适的连接材料117如焊锡被安装在接触层116上。常规的VCSEL设备典型地包括热沉；然而，这些热沉被安装在VCSEL的基底一边。因为基底的厚度(典型地超过100微米)，VCSEL的热量不能很好地散去。相反，本发明的热沉体118更直接地从VCSEL的半导体材料散热，因此能够更有效地防止VCSEL过热。这允许VCSEL在较高的功率下工作，范围至少在50-100mW。
另外，基底101的外表面103可以形成一个曲面，例如通过化学蚀刻。曲面103形成一个微透镜，用于VCSEL通过光发射窗105发射的光束。对于图1所示的单一VCSEL设备，该微透镜能够减小从VCSEL发射的激光束的束发散角。如果没有该微透镜，VCSEL设备的束发散角大约为10-15度。然而，本发明的微透镜大约减小束发散角到0-1度，因此允许更小的光斑尺寸，更容易耦合到传输用的光纤光缆，等等。对于某种应用，如用于多模光纤传输的耦合，以上描述的包括一个微透镜的装置能够满足要求，而不需要外部的透镜。
或者，如图2A和2B所示(其中相同的参考数字指图1所示的相同的部分；并且注意连接材料117和热沉118在图2-4中没有表示)，基底101的外表面能够被蚀刻形成同心圆的阶梯表面201，因此形成一个衍射微透镜。这一微透镜允许直接聚焦VCSEL的输出光束。
图3所示，使用图1中描述的VCSEL可以形成VCSEL阵列300(其中相同的参考数字指图1所示的相同的部分)。这样，VCSEL设备301、302和303能被形成为一个VCSEL阵列，其中每个设备分别输出光束304、305和306，因此累积地得到一个VCSEL阵列输出光束。通过P型层的蚀刻，介电钝化，最后沉积用于电接触的互连金属层，而形成单个元件。这样形成一个光发射元件阵列，其在平行基底上的N型欧姆接触层104和第二反射镜堆116上的P型欧姆接触层的方向上被电偏置。如图1所示，热沉体能被安装和固定在接触层116上。
基底101的外表面103形成多个单微透镜307、308、309以形成一个微透镜阵列。一个介电抗反射覆盖层(图中没有显示)被沉积到用于有效光发射的微透镜上。从阵列300的每个VCSEL设备发射的光将通过对应的分离微透镜307、308、309之一。
从底部看时，以上描述的该阵列能以各种形状和尺寸排列；例如，圆形、矩形或六边形。以上描述的VCSEL设备的尺寸可以是例如150-200微米，并且该阵列的尺寸可以是100或更大。6×6的阵列尺寸可以容易地提供大约总共1W的功率输出。
如图3所示，可以排列折射微透镜阵列以提供平行光束输出，形成一个组合光束。这样，由于束发散角小于1度，使用一个分离透镜可以容易地获得平行光束(即组合光束)的聚焦，例如，对于特别高功率的应用该阵列尺寸相对较大，并且可能需要另外的用于耦合到一个具有相对较小的数值孔径的光纤光缆的聚焦。对于较小功率和较小阵列尺寸，可能不需要另外的聚焦，并且光束可以被直接耦合到例如一个大孔径多模光纤光缆。
如图4所示，具有VCSEL设备401、402、403的折射微透镜阵列400被设计成通过微透镜407、408、409产生会聚光束404、405、406的一个输出。这种装置有效地减小了VCSEL阵列作为一个整体输出的光束的束发散角，并且，因此可以通过外部透镜允许更容易及更有效地聚焦。特别是，外部透镜可以向着阵列中心的方向，从VCSEL阵列内的相应的VCSEL的输出光轴偏移，因此(逐渐地)作为一个整体更有效地聚焦该阵列的输出光束。这种装置对于远程通信应用中的耦合VCSEL的输出光束到一根单模光纤非常有用。注意在图3和图4中，VCSEL设备301-303及401-403间的垂线仅仅想说明VCSEL设备间概念上的分离点，而不想暗示本发明的任何文字的或物理的特性。
根据利用以上描述的VCSEL和/或VCSEL阵列的本发明的一个激光器系统的构成，其在图5和图6中通常被标明为500。激光器系统500包括一个由良好的热传导材料如铜或科伐合金构成的近似于矩形的机箱501。机箱501包括一个平的机座502，及从机座502的边延伸出来的一对侧板503。机箱501在机座502的两端有后端板504和前端板505。盖506从侧板503、端板504和505延伸出来并固定在它们之上。在机箱501内，安装在后端板504内表面上的是VCSEL 507(其可能包括例如图1-4中所示的结构)。注意连接到如上所述的VCSEL(阵列)507的热沉体118的尺寸(虽然在图5中没有显示)应当与机箱501外板的内部尺寸完全相同，使得热沉体118与机箱501内部紧配合。
在机箱501内部及VCSEL 507前是一个固体微片激光器部件508。该固体微片激光器部件508包括一个由良好的热传导材料构成的安装块509，其安装在机箱501内。在安装块509的前表面有一个凹处509a，以及一个开口509b，该开口从凹处509a的底部延伸到安装块509的背面。微片激光器510位于安装块509的凹处509a内。微片激光器510可以由例如铒镱掺杂的玻璃构成，安装在由良好的光学透明及热传导材料构成的安装板511上。安装块509也可以由良好的热传导材料如铜或科伐合金构成，并且具有一个开口，光能通过该开口从微片激光器510射出。安装板511从安装块509的前部延伸出来并固定在该处。光学滤波器512安装在该安装板511的前部。透镜513安装在安装块509的开口509b内。
在光学设备500的操作中，在激活层111内，电流加到VCSEL(阵列)上产生光。光在第一反射镜堆106和第二反射镜堆113间的激活层111内来回地反射。然而，第一反射镜堆106将部分地允许光通过，使得产生的光通过基底101从VCSEL向回发射。发射的光束经过透镜513直接射向掺杂的玻璃激光器圆盘510。这样VCSEL发射的光束被聚焦到玻璃激光器圆盘510，因此泵浦该玻璃激光器圆盘510并且使得它产生并发射一束光。
在机箱501内部及固体微片激光器部件508前是一个光学部件514。光学部件514包括一个管状支架515，其中在靠近部件508的一端有一个光频隔离器516。在靠近管状支架515的另一端，安装了一个光学准直透镜517。在该支架515的内壁上，在光频隔离器516和准直透镜517之间是一个光电二极管518。在该支架515的靠近准直透镜517的一端有一个插头519。穿过该插头延伸并且安装在其中的是一根单模光纤520。该光纤520的内端521与准直透镜517对准，使得它接收从准直透镜517来的光并且作为设备500的输出。光纤520延伸并且固定在机箱501的前端板505上的一个开口中。
固体激光器圆盘510产生的输出光束与VCSEL 507发射的光存在一个波长差，该输出光束直接照射到滤波器512。虽然大部分来自VCSEL 507的光泵浦了该激光器玻璃圆盘510，但是还有一些来自VCSEL 507的光穿过了该玻璃圆盘510并且直接射向了滤波器512。滤波器512被设计成允许固体激光器510发射的光束通过，但阻挡任何来自VCSEL 507的光。这样，仅仅来自固体激光器510的光束通过滤波器512。
然后来自固体激光器510的光束进入光频隔离器516。光频隔离器516可以是任何众所周知的结构，其允许来自固体激光器510的光束通过，但防止可能被在光学设备500中的其它元件反射回的光的任何反馈。通过光频隔离器516的光然后进入准直透镜517。准直透镜517直接将光束射到光纤520的内端521。光通过光纤520传输到光学设备500的外面，来实现预期的目的，如用于数据通信或远程通信。安装在支架515内的光电二极管518监控从固体微片激光器510发射的输出光束。
重要的是，当与类似的常规激光器系统比较时，以上描述的VCSEL当与刚刚描述的激光器系统联合使用时，允许作为一个整体的激光器系统的尺寸和成本的大幅减小。特别是，VCSEL阵列的输出光束的增大的功率(由于热沉118)允许VCSEL设备作为激光器的泵浦使用。正如以上提到的，VCSEL设备明显地比常规泵浦机构廉价、小型并且易于制造。此外，集成微透镜的使用在减小激光器系统的尺寸和成本方面也起到了作用。实际上，如果不包括以上讨论的集成微透镜，在实现与图5及图6所示的设备类似的设备时，VCSEL阵列的物理尺寸将表现出极大的困难。也就是，如果具有极短焦距的外部透镜(或透镜系统)被用作透镜513时，很难准直被聚焦的光。如果使用长焦距的透镜，准直的难度将降低；然而，由于发射光束的发散，在玻璃激光器圆盘510上获得极小的光斑尺寸就变得很难。这样，虽然使用不包括集成微透镜的VCSEL阵列，在一个与图5及图6所说明的类似配置中，可能有理论上的可能性，但是就尺寸和难度而言这一实现方法将是非常不切实际的。
通过使用具有上述集成微透镜的VCSEL阵列这些实际的障碍是容易克服的。也就是使用该公开的阵列，可以减小或消除在泵浦玻璃激光器圆盘510中对排列及使用外部透镜的需要，并且因此显著地改善作为一个整体的该设备的成本、尺寸及质量。特别是，上面提到的装置，其中折射微透镜阵列用作会聚VCSEL阵列的输出光束，并且透镜系统513中的每个透镜从相应的单个VCSEL设备的输出光轴偏移，这些是有效泵浦玻璃激光器圆盘510的特别要求。
最后，参考图7，显示了本发明的光学设备的另一实施例，其被标明为700，并被设计成提供可调谐的输出光束。光学设备700与图5和图6所示的光学设备500类似，包括一个与VCSEL 100或VCSEL阵列300/400相同的VCSEL 701。设备700也包括一个聚焦透镜702，用于聚焦来自VCSEL 701的光到固体激光器圆盘703。固体激光器圆盘703与固体激光器圆盘510类似，但是在它的两个表面有不同的光学覆盖特性，并且被连接到一个散热良好的被安装在热导子支架705上的基底704上。安装在安装块706内的是一个电或压电驱动的薄标准具707或一个电驱动的光学可调谐的滤波器。激光输出耦合器708也被安装在安装块706上。这样，宽波长可调谐激光器由激光器玻璃增益介质圆盘703如在两个表面有合适的光学覆盖的铒镱掺杂的玻璃，波长选择设备707如薄标准具或可调谐的滤波器，以及光学耦合器708组成。该压电驱动的薄标准具707或电驱动的可调谐的滤波器适合提供该激光器在例如1530-1575nm波长范围内的宽波长调谐。与图5中所示的相同，来自激光器的光直接射入一根光纤，这里的图中没有显示。与图5中所示的相同，光学设备700也被安装在一个机箱中，这里的图中没有显示。
这样，本发明提供了一个光学设备，用于产生一束通过一根光纤的用于远程通信或数据通信目的的光，在该光学设备中VCSEL或VCSEL阵列被用来泵浦一个固体激光器。该固体激光器产生并且发射一束直接射入光纤的光。VCSEL或VCSEL阵列包括安装在一个基底上的半导体材料的主体，产生在半导体主体中的光通过基底被发射出来。该基底具有沿着一个表面形成的透镜或透镜阵列，以聚焦/准直VCSEL发射的光。一个最好由钻石或其它良好的热导材料构成的热沉，被安装在远离基底的半导体主体的一边，以从半导体主体传导出热量。该热沉被安装在靠近产生光的半导体主体的部分，以便提供改善的半导体主体的冷却。这允许VCSEL工作在较高的偏压，以从该VCSEL获得较大的功率。
虽然本发明已经在上面相关联的实施例中被描述，但是应该注意这些被设计的实施例仅仅为了说明而不是限制本发明。

Claims (29)

1.一种在垂直腔表面发射激光器(VCSEL)设备内的结构，该结构包括：
一个基底，具有一个形成在其中的微透镜；
一个第一镜区，形成在所述的基底上；
一个激活层，形成在所述的第一镜区；
一个第二镜区，形成在所述的激活层；以及
一个热沉，形成在所述的第二镜区。
2.根据权利要求1的结构，进一步包括：
一个接触层，在第二镜区上，
一个层，在面对第二镜区的热沉的一个表面上；以及
一种连接材料，它将金属层和接触层连接起来。
3.根据权利要求1的结构，其中所述热沉包括钻石。
4.根据权利要求1的结构，其中微透镜是一个折射或衍射微透镜，可以减小输出激光束的发散。
5.根据权利要求1的结构，其中微透镜是一个折射或衍射微透镜，可以聚焦输出激光束。
6.根据权利要求5的结构，其中微透镜是一个衍射微透镜，其包括形成在基底上的多个同心阶梯结构。
7.在一个具有多个排列在一个基底上的VCSEL设备的VCSEL设备阵列中，每个VCSEL设备输出一个单独的输出激光束，使得该VCSEL设备阵列输出一个组合了各个单独的输出激光束的组合的输出激光束，在多个VCSEL设备的子集的每个元件内，一种结构包括：
一个微透镜，形成在所述基底内；
一个第一镜区，形成在所述的基底上；
一个激活层，形成在所述的第一镜区；
一个第二镜区，形成在所述的激活层；以及
一个热沉，形成在所述的第二镜区。
8.根据权利要求7的在VCSEL设备阵列中的结构，进一步包括：
一个接触层，在第二镜区上，
一个金属层，在面对第二镜区的热沉的一个表面上；以及
一种连接材料，它将金属层和接触层连接起来。
9.根据权利要求7的在VCSEL设备阵列中的结构，其中所述热沉包括钻石。
10.根据权利要求7的在VCSEL设备阵列中的结构，其中微透镜是一个折射或衍射微透镜，可以减小单独的输出激光束的发散，因此减小组合的输出激光束的发散。
11.根据权利要求7的在VCSEL设备阵列中的结构，其中微透镜阵列会聚VCSEL设备的单独的输出光束，因此聚焦VCSEL设备阵列的组合的输出激光束。
12.根据权利要求7的VCSEL设备阵列，其中微透镜阵列减小VCSEL设备阵列的组合的输出光束的发散角到小于1度，因此准直VCSEL阵列的组合的输出光束。
13.一种激光器系统，包括：
至少一个激光二极管，包含一个形成在其中并且与至少一个激光二极管集成的透镜系统；以及
一个掺杂的玻璃激光器微片，与所述的至少一个激光二极管光学耦合以接收从其中输出的光。
14.根据权利要求13的激光器系统，其中所述掺杂的玻璃激光器微片是铒镱掺杂的玻璃激光器微片。
15.根据权利要求13的激光器系统，进一步包括：
一个选择装置，用于选择所述输出激光束的一个所需的波长；以及
一个光学耦合器，部分地反射及透射所述输出激光束。
16.根据权利要求15的激光器系统，其中所述选择装置包括一个电或压电驱动的薄标准具。
17.根据权利要求15的激光器系统，其中所述选择装置包括一个电驱动的光学可调谐的滤波器。
18.根据权利要求13的激光器系统，其中所述至少一个激光二极管包括一个VCSEL设备。
19.根据权利要求18的激光器系统，其中所述VCSEL设备包括：
一个基底，具有一个形成在其中的微透镜；
一个第一镜区，形成在所述的基底上；
一个激活层，形成在所述的第一镜区；
一个第二镜区，形成在所述的激活层；以及
一个热沉，形成在所述的第二镜区。
20.根据权利要求19的激光器系统，其中所述VCSEL设备进一步包括：
一个接触层，在第二镜区上，
一个金属层，在面对第二镜区的热沉的一个表面上；以及
一种连接材料，它将金属层和接触层连接起来。
21.根据权利要求19的激光器系统，其中所述热沉包括钻石。
22.根据权利要求19的激光器系统，其中微透镜是一个折射或衍射微透镜，可以减小二极管激光束的发散。
23.根据权利要求19的激光器系统，其中微透镜是一个折射或衍射微透镜，可以聚焦二极管激光束。
24.根据权利要求13的激光器系统，其中至少一个二极管由一个包括在基底上对称排列的多个VCSEL设备的VCSEL设备阵列组成，每个VCSEL设备输出一个单独的输出激光束，使得VCSEL设备阵列输出由单独的输出激光束组合的二极管激光束，并且其中每个所述VCSEL设备进一步包括：
一个基底，具有一个形成在其中的微透镜；
一个第一镜区，形成在所述的基底上；
一个激活层，形成在所述的第一镜区；
一个第二镜区，形成在所述的激活层；以及
一个热沉，形成在所述的第二镜区。
25.根据权利要求24的激光器系统，其中每个微透镜是一个在单独的输出激光束的主光轴上排列的折射微透镜，并且其中每个微透镜进一步减小每个单独的输出激光束的发散，因此减小该二极管激光束的发散。
26.根据权利要求24的激光器系统，其中每个微透镜是一个在单独的输出激光束的主光轴上排列的折射微透镜，并且其中每个微透镜进一步会聚该单独的输出光束到一个中心点，因此聚焦该二极管激光束。
27.根据权利要求26的激光器系统，其中所述透镜系统包括外部透镜，该外部透镜向着VCSEL设备阵列中心的方向从该单独的输出激光束的主光轴偏移，因此逐渐地聚焦该二极管激光束。
28.根据权利要求24的激光器系统，每个微透镜是一个在单独的输出激光束的主光轴上排列的折射微透镜，并且其中该微透镜进一步减小VCSEL设备阵列的组合的输出光束的发散角到小于1度，并且因此准直该二极管激光束。
29.一种产生及发射激光束的方法，包括：
在激光二极管中产生二极管激光束；
通过一个微透镜从激光二极管发射二极管激光束，该微透镜被集成在激光二极管的基底内；
聚焦二极管激光束到带有一个由微透镜组成的透镜系统的掺杂的玻璃激光器微片；
用所述二极管激光束泵浦所述掺杂的玻璃激光器微片；
在所述掺杂的玻璃微片激光器内产生一个输出激光束；以及
发射所述输出激光束。
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