CN1497808A - 可调谐型有机垂直共振腔面射激光器系统 - Google Patents

可调谐型有机垂直共振腔面射激光器系统 Download PDF

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Abstract

机械调谐从有机激光共振腔器件发射出来的光学波长的系统，它包括：多层膜结构，其中该多层膜结构是由非相干光子源抽运的；以及紧邻多层膜结构的微机电反射镜组件，其中该微机电反射镜组件可改变有机激光共振腔器件的共振腔长度。

Description

可调谐型有机垂直共振腔面射激光器系统
技术领域
本发明总体上涉及垂直共振腔面射激光器(VCSEL)或微共振腔激光器，具体涉及有机微共振腔激光器或有机VCSEL。更具体而言，本发明涉及有机激光共振腔的波长调谐方法。
背景技术
自从80年代中期(Kinoshita等人，IEEE Journal of QuantumElectronics，第QE-23卷，第6号，1987年6月)开始，人们一直都在研究基于无机半导体的垂直共振腔面射激光器(VCSEL)。目前业界所达到的水平是，许多公司都制造出了于850nm发射的AlGaAs基VCSEL，其寿命可达100年以上(Choquette等人，Proceedings of the IEEE，第85卷，第11号，1997年11月)。随着这些近红外激光器的成功，近几年来人们已把注意力转向了其他无机材料体系，以制造可在可见波长范围内发射的VCSEL(Wilmsen等人，Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers，CambridgeUniversity Press，Cambridge，2001)。可见光激光器可用于许多领域，比如显示器、光学存储读/写、激光印刷以及采用塑料光纤的短距离电信(Ishigure等人，Electronics Letters，第31卷，第6号，1995年3月16日)。尽管全世界范围内有许多工业和大专院校的实验室都在致力于这方面的研究，但是大部分工作仅限于制造出可供使用的激光二极管(边缘发射极或VCSEL)，这些二极管所产生的光输出跨及可见光谱。
为了制造出可见波长的VCSEL，最好摈弃无机基体系，将重点放在有机基激光器系统上，因为有机基增益材料在可见光谱中相比于无机基增益材料而言有很多优势。比如，典型的有机基增益材料的特性是未抽运散射/吸收损耗很低且量子效率很高。与无机激光器系统相比，有机激光器在制造时相对较为便宜、可制成能够在整个可见光谱范围内进行发射、可缩放成任何尺寸，而且尤其重要的是，能够从一个芯片发射多个波长(比如红、绿和蓝)。最后，有机激光器的增益带宽很大，特别是与无机激光器相比时。在过去的几年中，人们对制造有机基固态激光器越来越感兴趣。已有的激光器增益材料是高分子或小分子材料，而且还采用了许多不同的共振腔结构，比如微共振腔(Kozlov等人于2000年12月12日提交的美国专利6,160,828，题目为“有机垂直共振腔面射激光器”)、波导、环形微型激光器和分布反馈(也参见比如Kranzelbinder等人的Rep.Prog.Phys.6 3，729-762，2000和1999年3月9日提交的美国专利5,881,083，题目为“共轭聚合物作为固态激光器用材料”)。所有这些结构都存在一个问题，就是为了产生激光，必须采用其它激光源通过光泵激法来激发共振腔。更为优选的是按电子方式来抽运激光共振腔，因为一般这将会产生更为紧凑且更易于调制的结构。
实现电泵激有机激光器时的一个主要障碍是，有机材料的载流子迁移率很小，一般处于10-5cm2/(V-s)的数量级。低载流子迁移率会产生许多问题。为了避免发生大的电压降和欧姆加热现象，载流子迁移率较低的器件一般局限于使用很薄的层。这些薄层会使激光发射模式穿透有耗阴极和阳极，这会大大降低激光发射阈(Kozlov等人，Journal of Applied Physics，第84卷，第8号，1998年10月15日)。因为有机材料中的电子-空穴复合受Langevin复合(该复合速率与载流子迁移率成比例)掌控，低载流子迁移率会产生比单态激子多几个数量级的电荷载流子；由此产生一个后果是，电荷感应(极化子)吸收将成为主要的损耗机理(Tessler等人，Applied PhysicsLetters，第74卷，第19号，1999年5月10日)。假设激光器件的内量子效率为5％，采用迄今为止所报道的最低激光发射阈值～100W/cm2(Berggren等人，Letters to Nature，第389卷，1997年10月2日)，并且暂不考虑前述的损耗机理，电泵激激光发射阈此时所得到的下限为1000A/cm2。如果包括这些损耗机理的话，激光发射阈将会远远高于1000A/cm2，这是迄今为止报道的最高电流密度，有机器件是能够承受该值的(Tessler等人，Advanced Materials，1998，10，第1号)。
克服这些困难的一个办法是使用晶体有机材料而不是非晶态有机材料作为激光发射介质。近期有人采用了该方法(Schon等人，Science，第289卷，2000年7月28日)，他们以单晶并四苯作为增益材料来构造Fabry-Perot共振腔。采用晶体并四苯可获得更大的电流密度、可采用更厚的层(因为载流子迁移率约为2cm2/(V-s))，而且极化子吸收要低得多。以晶体并四苯作为增益材料将会产生约1500A/cm2的室温激光器阈电流密度。
作为有机激光器电泵激法的替代方法，可采用非相干光源光泵激法，比如发光二极管(LED)，无机(McGehee等人，Applied PhysicsLetters，第72卷，第13号，1998年3月30日)或有机(Berggren等人于1999年3月9日提交的美国专利5,881,089，题目为“包含有机激光器的制品”)均可。该可能性得益于未抽运有机激光器系统，该系统在激光发射波长位置处散射和吸收的总损耗(～0.5cm-1)大为降低，尤其是在以基质-掺杂剂的组合作为活性介质时。即使是利用这么小的损耗，根据波导激光器的设计(等人，Letters toNature，第389卷，1997年10月2日)，有机激光器迄今为止所报道的最小光泵激阈只能达到100W/cm2。因为已有的无机LED的功率密度最高只能达到～20W/cm2，所以为了通过非相干光源实现光泵激过程，必须采取不同的办法。另外，为了降低激光发射阈，必须选择能够最大限度降低增益容积的激光器结构；VCSEL基微共振腔激光器满足该标准要求。采用VCSEL基有机激光共振腔，会使得光泵激功率密度阈值低于5W/cm2。由此，通过以多种容易获得的非相干光源如LCD进行光泵激，即可驱动实际的有机激光器件。
有机基增益介质也有一些缺点，但是通过仔细设计激光器系统就可克服之。有机材料的光学和热损坏阈很低。为了能够预知器件的不可逆损坏，这些器件有着抽运功率密度限值。另外，有机材料对许多环境因素很敏感，比如氧和水蒸汽。如果能有办法降低对这些变量的敏感性，一般将会提高器件的使用寿命。
有机基激光器的一个优点是，因为增益材料一般是非晶态的，所以这些器件与含有对高结晶度有要求的增益材料(无机或有机材料均可)的激光器相比，制造起来更为便宜。另外，有机非晶态增益材料基激光器可以进行大面积制造，而无须制造大区域的单晶材料；因此，可以将其缩放成任何尺寸以获得更高的功率输出。因为它们是非晶态性质的，所以有机基激光器可以在不同的基底上产生出来；因此，玻璃、柔性塑料和Si等材料都可作为这些器件的支撑体。因此，在确定可用的非晶态有机基激光器支撑体材料时，其成本优势更大而且选择也更多。
可调谐型无机VCSEL在本领域中已经很完善了。已提出过许多调谐机理，每种机理都有其特性。Chang-Hasnain(IEEE Journal onSelected Topics in Quantum Electronics，第6卷，第6号，11月/12月2000年)近期回顾了波长可调谐型VCSEL的种种优点。该文将重点放在微机械可调谐型无机VCSEL上。波长连续调谐是调谐固态激光源波长输出的微机械或微机电(MEM)装置的一大特征，尤其是无机VCSEL。据Larson等人，Appl.Phys.Lett.68(7)，1996年2月12日的报道，对于带有经微机加工过的、可变形薄膜反射镜的无机VCSEL而言，其调谐范围为15nm。随着可动式反射镜设计的进步，已报道过19.1nm的调谐范围(Sugihwo等人，Appl.Phys.Lett.70，1997年2月3日)。这类MEM调谐装置的物理学基础是改变激光共振腔的光程长度。改变激光共振腔光程长度最为直接的办法是使激光器反射镜发生运动。在薄膜激光器上使用该调谐机理的早期工作可参见Smiley于1971年4月6日提交的美国专利3,573,654，题目为“窄频带可调谐型激光振荡器放大器”。在MEM可调谐型VCSEL上使用可动式弯曲反射镜元件也有过报道。这些结构可在宽的调谐范围内在单模工作式激光发射模式的品质控制方面提供改善效果。美国专利申请公开号2002/0048301(Wang等人于2000年4月5日提交)；2002/0031155(Tayebati等人于1998年6月26日提交)；和2002/0061042(Wang等人于2001年9月28日提交)尤其对可动式反射镜调谐结构的设计进行了详细说明。
当MEM器件与光栅输出耦合器件组合使用时，可利用它们来调谐无机激光共振腔。John H.Jerman等人在美国专利申请公开号2001/0036206(2001年3月12日提交)公开了微型传动装置在改变微型反射镜角度方面的用途，该微型反射镜的作用是调谐具有Littman-Metcalf构造的激光器。该特定构造的优点是，光输出方向不随波长调谐而发生变化。该特定的共振腔构造是MEM波长控制装置在外共振腔激光器中应用的一个例子。这些器件被称作MEM-ECL器件。Littman-Metcalf构造只是该专利申请中所描述的多种MEM-ECL器件激光器构造中的一个例子。
改变薄膜无机激光器激光共振腔光程长度的替代性方法也有过报道。这些替代性方法一般都是非机械性的。这些替代性方法一般涉及通过改变该器件中一个或多个区段的折光指数的方式来改变激光共振腔的光程长度。许多方法借助的是热或热-电机理，通过它们来调谐无机VCSEL。这两种机理均基于折光指数的温度依赖性，从而改变激光共振腔内的光程长度。Fan等人，Electronics Letters，第30卷，第17号，1994年8月18日报道到，在无机VCSEL器件中引入集成式薄膜加热器可获得约10nm的调谐范围。该调谐过程完全是按热机理进行的。Chang-Hasnain等人在Electronics Letters，第27卷，第11号，1991年5月23日中描述了热-电机理。此时，向无机VCSEL中引入了用以控制温度的其它结构。如果器件中的电流适当的话，激光器可通过Peltier效应冷却，使激光器发射向蓝波长方向偏移。在其它条件下，电流会令器件受热，继而使激光器发射向红波长方向偏移。按热机理调谐的低阈值器件参见Wipiejewski等人的IEEE Photonics Technology Letters，第5卷，第8期，1993年8月。另外，还有因激光共振腔中自由电子载流子积聚而致的调谐机理，即所谓的等离子体效应(比如参见Gmachi等人的Appl.Phys.Lett.，62(3)，1993年1月)。载流子密度使折光指数下降并降低了激光输出波长。这些器件的调谐范围非常有限。该方法还存在着调制时频率响应有限的缺陷；调谐率也非常小。
也报道过许多控制无机VCSEL波长的其它方法，这些方法都仰赖折光指数变化来实现调谐。E.A.Avrutin等人在Appl.Phys.Lett.63(18)，第2460页(1993)描述了在器件的分布Bragg发射器(DBR)区段中引入一个或多个折光指数变化层。激光共振腔是由端反射镜组构的，而DBR一般用作其中的一个端反射镜。
与改变激光共振腔光程长度或者用光栅输出耦合器改变角度的方式来调谐激光共振腔的方法相反，可采用MEM器件来选择不同激光振荡器的输出。宽可调谐型激光器模块参见B.Pezeshki等人的Optical Fiber Communication Conference(OFC)ProceedingsTechnical Digest Postconference Edition，第70卷，2002年3月，美国光学会。多波长激光器阵列在波长调谐范围内产生离散波长的光输出。单激光共振腔器件的输出经过光学镜片和MEM倾斜反射镜的选择之后，那些适当的、经过选择的波长输出就被导入输出光纤中。波长选择是通过控制系统中MEM倾斜反射镜的角度而实现的。
Kozlov等人在美国专利6,160,828(2000年12月12日)中公开了能够调谐波长的有机VCSEL器件。与前述的无机材料基体系类似，通过改变激光共振腔的光程长度来实现波长调谐。该文公开了两种不同的实施方案。在第一个实施方案中，提供光学增益的激光有机层是光楔或锥形层的形式。器件中有机层的厚度沿横向发生变化。光泵激光楔器件的不同区段可产生不同波长的输出。这类有机器件的平滑调谐范围比无机器件大得多；据报道，调谐范围为50nm或更大。在另一个实施方案中，第二(上)反射镜元件可相对于器件结构的其它部分发生平移，从而使光程长度产生变化。向共振腔中引入透镜，以便将光线导向第二反射镜元件中。即使采用这两类器件，也很难控制激光发射的横向模式结构，因为共振腔中的有效容积仅取决于泵激光束的光点尺寸。在光楔器件中，激光输出的谱宽也与该器件结构中的泵激光束光点尺寸有关。另外，如果向共振腔中引入透镜的话，这么长的共振腔将会有多个纵模。若要在这类结构中进行平滑的共振腔调谐，将会是很难的。附加透镜会增加系统的成本和复杂度，而且还会使光学对准变得更为复杂。
所需要的是更好地控制有机可调谐型VCSEL的激光器光学模式和调谐波长，同时保持有机可调谐型VCSEL与无机VCSEL相比调谐范围较大这一优势。
发明内容
本发明可满足前述的一个或多个要求。简而言之，根据本发明的一个实施方案，提供了用以机械调谐从有机激光共振腔器件发射出来的光学波长的系统，它包括：多层膜结构，其中该多层膜结构是由非相干光子源抽运的；以及紧邻多层膜结构的微机电反射镜组件，其中该微机电反射镜组件可改变有机激光共振腔器件的共振腔长度。
根据本发明另一个实施方案，它满足了前述的一个或多个要求，提供的是用以调谐从有机激光共振腔器件发射出来的光学波长的系统，它包括：通过激发法抽运的有机激光共振腔结构，其中有机激光共振腔结构包括：支撑体；第一介电叠片，用以接收和传输泵激光束并且在规定的波长范围内反射激光；一个或多个折光指数可控的介电控制层；有机活性区域，用以接收从第一介电叠片传输过来的泵激光束并发射激光；第二介电叠片，它的作用是将从有机活性区域传输过来的泵激光束和激光反射回有机活性区域中，其中第一和第二介电叠片与有机活性区域共同产生激光；以及控制介电控制层折光指数用的装置。
参照以下的说明和附图将会更清楚地了解本发明的其它特征和优点，以下附图中所用的同一数字编号无论在什么情况下均指的是各图所共有的同一特征。
附图简述
图1是光泵激有机激光共振腔器件的横截面侧视图；
图2是含有周期性结构化有机增益区域的光泵激有机基垂直共振腔激光器的横截面侧视图；
图3是光泵激二维锁相有机垂直共振腔激光器阵列器件的横截面侧视图；
图4a是含有MEM器件的光泵激可调谐型有机VCSEL系统的横截面侧视图，该MEM器件的作用是改变激光共振腔的光程长度；
图4b是光泵激可调谐型有机VCSEL系统的顶视图，该系统采用了双支撑梁结构；
图4c是光泵激可调谐型有机VCSEL系统的另一个实施方案的顶视图，它采用的是悬臂梁结构；
图4d是光泵激可调谐型有机VCSEL系统的另一个实施方案的顶视图，它采用的是多臂梁(两个以上)结构；
图4e是光泵激可调谐型有机VCSEL系统的另一个实施方案的顶视图，它采用的是膜结构；
图5是光泵激可调谐型有机VCSEL系统的另一种实施方案的横截面侧视图，它采用的是含有周期性结构化有机增益区域的多层膜结构，该结构还含有MEM器件，该MEM器件的作用是改变激光共振腔的光程长度；
图6是含有楔形有机活性区域的现有技术的有机激光共振腔器件的横截面侧视图；
图7是现有技术的电泵激有机垂直共振腔激光器的横截面侧视图；
图8是现有技术的电泵激有机垂直共振腔激光器的另一种实施方案的横截面侧视图；
图9是说明可调谐型有机VCSEL系统的还一个实施方案的操作的框图；
图10是含有MEM器件的可调谐型有机VCSEL系统的示意图，其功能是利用电泵激有机垂直共振腔激光器来选择有机激光共振腔器件的输出波长；
图11是含有MEM器件的可调谐型有机VCSEL系统的示意图，其功能是利用光泵激有机垂直共振腔激光器来选择有机激光共振腔器件的输出波长；
图12是光泵激可调谐型有机VCSEL系统的另一种实施方案的横截面侧视图，采用的是含有周期性结构化有机增益区域并经过二维锁相的光泵激多层膜结构，另外还有MEM器件，该器件的作用是与激光共振腔调谐用光栅联用来改变反射镜的角度；
图13是光泵激可调谐型有机VCSEL系统的另一种实施方案的横截面侧视图，采用的是电泵激多层膜结构，另外还有MEM器件，该器件的作用是与激光共振腔调谐用光栅联用来改变反射镜的角度；
图14是可调谐型有机VCSEL系统的横截面侧视图，其中给出了用以改变光程长度的另一种装置；
图15是可调谐型有机VCSEL系统的另一种实施方案的横截面侧视图；
图16a表示的是现有技术中包含压电传动装置的静电可调谐型MEM光栅或模拟可调谐型光栅；
图16b表示的是现有技术中包含压电传动装置的另一种静电可调谐型MEM光栅或模拟可调谐型光栅；
图17表示的是电可调谐型衍射光栅的替代性实施方案；以及
图18是可调谐型有机VCSEL系统的另一种实施方案的横截面侧视图。
为了便于理解，无论在什么情况下使用的同一数字编号均指的是各图所共有的同一特征。
具体实施方式
在本发明中，表示垂直共振腔有机激光器件(VCSEL)的术语可以与其简写形式“有机激光共振腔器件”互换使用。可将有机激光共振腔结构制造成含有多个有机激光共振腔器件的大面积结构，而且可以利用发光二极管(LED)进行光泵激。
垂直共振腔有机激光器件10的横截面侧视图见图1。基底20可以是透光的或不透光的，取决于光泵激或激光发射的目标方向。透光性基底20可以是透明玻璃、塑料或其它透明材料比如蓝宝石。或者，不透光基底包括但不限于以下，如果光泵激和激光发射都是通过同一表面进行的，那么可采用半导体材料(比如硅)或陶瓷材料。在基底20上沉积底介电叠片30，然后沉积有机活性区域40。基底20、底介电叠片30和有机活性区域40构成了多层膜结构45。然后将顶介电叠片50沉积在多层膜结构45上。泵激光束60按光学方式抽运垂直共振腔有机激光器件10。泵激光束60来自于光子源65。泵激光束60的光子源65可以是非相干源，比如发光二极管(LED)发射。或者，泵激光束可来自于相干激光源。图1表示的是来自顶介电叠片50的激光发射70。或者，通过适当设计介电叠片的反射性，该激光器件可以通过顶介电叠片50进行光泵激，并且穿过基底20实现激光发射。如果基底是不透明的，比如硅，光泵激和激光发射都是通过顶介电叠片50进行的。
有机活性区域40优选的材料是小分子有机基质-掺杂剂复合体，一般是通过高真空热蒸发法沉积的。基质-掺杂剂复合体之所以是适宜的，是因为它们使增益介质产生非常小的未抽运散射/吸收损耗。优选小分子的有机分子，因为真空沉积材料比旋转涂布聚合物材料沉积得更为均匀。还优选对本发明中所用的基质材料进行选择，要求它们对泵激光束60有足够的吸收并且能够通过Frster能量传递原理将高百分比的激发能量传递至掺杂剂材料。本领域熟练人员都很熟悉Frster能量传递原理，该原理涉及能量在基质和掺杂剂分子之间的无辐射传递。对发红光激光器有用的基质-掺杂剂复合体的实例是以三(8-羟基喹啉)铝(Alq)为基质而以[4-(二氰基亚甲基)-2-叔丁基-6-(1，1，7，7-四甲基久洛尼定基(julolidyl)-9-烯基)-4H-吡喃](DCJTB)为掺杂剂(体积百分数为1％)。其它发射波长可采用其它的基质-掺杂剂复合体。比如，对于绿波长，有用的组合是以Alq为基质而以[10-(2-苯并噻唑基)-2，3，6，7-四氢-1，1，7，7-四甲基-1H，5H，11H-[1]苯并吡喃并[6，7，8-ij]喹嗪-11-酮](C545T)为掺杂剂(体积百分数为0.5％)。其它有机增益区域材料可以是聚合物，比如聚亚苯基亚乙烯基衍生物、二烷氧基聚亚苯基亚乙烯基、聚-对亚苯基衍生物和聚芴衍生物，参见于2001年2月27日授权的Wolk等人的共同转让美国专利6,194,119，题目为“热传递元件和有机电致发光器件的成型方法”及其参考文献。有机活性区域40的作用是接收传输过来的泵激光束60并发射激光。如果底介电叠片30或顶介电叠片50不存在的话，有机活性区域会产生自发发射。
底介电叠片和顶介电叠片30和50均优选通过常规电子束沉积法进行沉积，并且均包含交替的高指数和低指数介电材料，比如TiO2和SiO2。也可以采用其它材料，比如以Ta2O5作为高指数层。底介电叠片30是在温度约240℃下沉积的。在顶介电叠片50沉积过程中，温度保持在约70℃，以避免有机活性材料发生熔融。在本发明的替代性实施方案中，通过沉积反射性金属反射镜层来替代顶介电叠片。典型的金属是银或铝，它们的反射率在90％以上。在该替代性实施方案中，泵激光束60和激光发射70均可通过基底20进行。根据垂直共振腔有机激光器件10的所需发射波长，底介电叠片30和顶介电叠片50均可在规定的波长范围内反射激光。
采用精密度非常高的垂直微共振腔，可在非常低的阈值(小于0.1W/cm2功率密度)下实现激光发射转换。该低阈值使得非相干光源能够用于抽运，以替代经过聚焦的激光二极管输出，这在其它激光器系统中是很常用的。泵激源的实例是UV LED，或者UV LED阵列，比如来自Cree(具体而言，XBRIGHT900 UltraViolet Power ChipLED)。这些源所发射的光处于405nm波长左右，而且是芯片的形式，已知它们可产生20W/cm2左右的功率密度。因此，即使把因器件包装和LED广延角发射分布而导致的利用效率下降也考虑在内，LED的亮度也足以抽运激光共振腔，其量级比激光发射阈值高出好几倍。
如果垂直共振腔有机激光器件80进一步采用图2所示的活性区域设计，就可改善激光器的效率。有机活性区域40包括一个或多个周期性增益区域100和沉积在周期性增益区域100两侧的有机间隔层110，这些间隔层110在排列时要使得周期性增益区域100对准器件驻波电磁场的波腹103。如图2所示，在其中示意性地画出了有机活性区域40中激光器驻波电磁场的图案120。因为电磁场波腹103处的受激发射最强，而波点105处的则可忽略，因此形成图2所示的活性区域40自然就很适宜了。有机间隔层110不会发生受激或自发发射，而且基本上也不吸收激光发射70或泵激光束60的波长。间隔层110的实例是有机材料1，1-双-(4-双(4-甲基苯基)-氨基-苯基)-环己烷(TAPC)。TAPC用作间隔材料时很有效，因为它几乎不吸收激光发射70或泵激光束60的能量，而且除此之外，它的折光指数比大多数有机基质材料的折光指数稍低。存在折光指数差异是很有用的，因为这可有助于最大限度地增加电磁场波腹与周期性增益区域100之间的交叠。如本发明以下所述，采用周期性增益区域100而不采用块状增益区域，将会获得更高的功率转换效率并且显著降低有害的自发发射现象。采用标准光学矩阵法来确定周期性增益区域100的位置(Corzine等人，IEEE Journal of Quantum Electronics，第25卷，第6号，1989年6月)。为了获得好的结果，周期性增益区域100的厚度应该不大于50nm，以避免有害的自发发射现象。
如图3所示，通过采用锁相有机激光器阵列器件190，可增加激光器的面积，同时保持其空间相干度。为了形成二维锁相有机激光器阵列器件190，必须将被象素间区域210分隔的有机激光共振腔器件200限定在VCSEL的表面上。为了获得锁相效果，优选在有机激光共振腔器件200之中交换亮度和相信息。实现该目的时最好通过少量内置指引(build-in index)或增益导引，比如调制其中一个反射镜的反射率，使激光发射稍稍限定于器件区域。在一个实施方案中，采用标准光刻和蚀刻技术通过在底介电叠片30中形成区域220的图案并使之成型，借此在底介电叠片30表面上形成二维圆柱阵列211，即可达到反射率调制效果。将有机激光器微共振腔器件结构的其余部分沉积在经之前所述图案化过的底介电叠片30上。在一个实施方案中，激光器象素的形状是圆形的；但是，也可以是其它形状，比如长方形。象素之间的间隔为0.25～4μm。对于较大的象素间隔，也可以进行锁相阵列操作；但是，这样会降低光泵激能量的利用效率。蚀刻深度优选200～1000nm深，以形成蚀刻区域220。如果刚好蚀穿奇数个层而到达底介电叠片30，就有可能使蚀刻区域中的纵模波长与增益介质的峰值产生明显偏移。这样可防止象素间区域210中产生激光发射并显著降低其中的自发发射现象。形成蚀刻区域220的最终目的是，使激光发射稍稍限定于有机激光共振腔器件200、使象素间区域220不产生激光发射现象以及利用锁相有机激光器阵列器件190来发射锁相相干激光。
图4a是光泵激可调谐型有机VCSEL系统230的横截面侧视图，它含有用以改变激光共振腔光程长度的MEM器件。将系统230想象成两个独立的子系统就很容易理解了：多层膜结构300和微机电反射镜组件310。多层膜结构300由基底20、底介电叠片30、有机活性区域40和一个或多个指数匹配层240和250构成。此时，基底20可透过泵激光束60的光。泵激光束60的光被多层膜结构300所接收，然后产生自发发射。顶介电叠片290和底介电叠片30构成了有机激光共振腔的端反射镜。微机电反射镜组件310由底电极260、支撑结构270、顶电极275、支撑臂272、气隙280、反射镜座(tether)285和顶介电叠片290构成。激光发射70是通过顶介电叠片290进行的。于底电极260和顶电极275之间施加的电压源(未示出)通过静电相互作用使气隙280厚度t发生变化，由此改变有机激光共振腔器件的共振腔长度。有机激光共振腔长度改变的结果是改变了光泵激可调谐型有机VCSEL系统230的波长。虽然所绘制的顶介电叠片290有一定的曲率，但是本领域熟练人员都知道，也可以采用基本上平坦的顶介电叠片290，这可视为本发明的另一个实施方案。如果不如图3所示对某一反射镜的反射率进行调制，从而使激光发射稍稍限定于器件区域的话，那么就很难在VCSEL中实现基本的单模工作方式了。因此，曲线形顶介电叠片290很适合应用在着重于横向模式控制或者不采用前述的横向限定结构的用途中。图4a所示的共振腔是按半对称结构进行说明的，并且它还是某一类Fabry-Perot共振腔结构中的一种。该共振腔的输出波长由以下数学关系式决定
                     nλ/2＝Lopt
其中n是整数，λ是波长，Lopt是共振腔中的单程光程长度。改变气隙280厚度t就可改变光程长度。顶介电叠片290可包括一个或多个指数匹配层；图4a中没有表示出来。这些指数匹配层(包括指数匹配层240和250)最大限度地降低了气隙280与邻层界面处的光学反射，也提高了器件效率。底电极260和顶电极275是由导电材料制成的，导电材料一般是金属，而且这些电极是环形的。也可以采用透明导电性电极比如铟-锡-氧化物(ITO)或高分子材料。如果后一类材料的光学损耗很低，则不一定非得需要环形构造。支撑结构270一般是铝、钛-钨(Ti-W)或氮化硅(SiNx)，支撑结构的厚度要足以提供机械支撑作用。支撑结构270的厚度一般为2000nm，而反射镜座285的厚度一般为100-200nm。反射镜座285由类似的材料制成，只是更薄一些，目的是令其在调谐电压源所提供的静电场的作用下有一定的柔性。有必要在底电极260和反射镜座285之间设置另外的电绝缘层(未示出)。该层是由绝缘材料制成的。支撑结构270表现为至少一个支撑臂272，该支撑臂将顶介电叠片290以机械方式稳定在所需的距离t处。为了实现该目的，支撑结构270优选有着适当大的固有拉伸应力。
支撑结构的几何结构见图4b～4e。图4b是光泵激可调谐型有机VCSEL系统230的顶视图，采用的是双支撑梁结构。通过该结构的中央可以看到顶介电叠片290，而且该叠片是由安置在顶反射镜叠片290相对的两个侧面上的两个支撑臂272所机械支撑的。沿图示区域蚀穿支撑结构270，然后除去牺牲(sacrificial)材料而形成图4a所示的气隙280，这样就可形成两个支撑臂272。在支撑结构270被蚀刻的区域中可以看到底电极260。
图4c是光泵激可调谐型有机VCSEL系统232的替代性实施方案的顶视图，它采用的是悬臂梁结构。光泵激可调谐型有机VCSEL系统232的横截面与图4a相同。通过该结构的中央可以看到顶介电叠片290，而且该叠片是由安置在顶介电叠片290一个侧面上的单支撑臂272所机械支撑的。沿图示区域蚀穿支撑结构270，然后除去牺牲材料而形成图4a所示的气隙280，这样就可形成支撑臂272。在支撑结构270被蚀刻的区域中可以看到底电极260。
图4d是光泵激可调谐型有机VCSEL系统234的另一个实施方案的顶视图，它采用的是多臂梁(两个以上)结构。光泵激可调谐型有机VCSEL系统234的横截面与图4a相同。通过该结构的中央可以看到顶介电叠片290，而且该叠片是由近似对称安置在顶介电叠片290几个侧面上的多个支撑臂272所机械支撑的。沿图示区域蚀穿支撑结构270，然后除去牺牲材料而形成图4a所示的气隙280，这样就可形成支撑臂272。在支撑结构270被蚀刻的区域中可以看到底电极260。需要注意的是，虽然图4d实施方案给出的是4个支撑臂272，但是还可以采用3个或4个以上的支撑臂272，这些都被视为属于本发明范围之内的。
图4e是光泵激可调谐型有机VCSEL系统236的另一个实施方案的顶视图，它采用的是膜结构。光泵激可调谐型有机VCSEL系统236的横截面与图4a相同。通过该结构的中央可以看到顶介电叠片290，而且该叠片是由膜形式的连续支撑臂272所机械支撑的。通过在支撑结构270中蚀穿出多个释放孔273，就可形成连续支撑臂272。为了形成图4a所示的气隙280，可使蚀刻剂深入并穿过释放孔273，然后除去牺牲材料。
图5是光泵激可调谐型有机VCSEL系统320的另一种实施方案的横截面侧视图，它采用的是含有周期性结构化有机增益区域的多层膜结构330，该结构还含有MEM器件，该MEM器件的作用是改变激光共振腔的光程长度。在该实施方案中，微机电反射镜组件310与图4a相同，只是改变了多层膜结构330。多层膜结构330基于图2所示的垂直共振腔有机激光器件80。多层膜结构330由基底20、底介电叠片30、有机活性区域40和一个或多个指数匹配层240和250构成。此时，基底20可透过泵激光束60的光。泵激光束60的光被多层膜结构330所接收，然后产生自发发射。顶介电叠片290和底介电叠片30构成了有机激光共振腔的端反射镜。微机电反射镜组件310由底电极260、支撑结构270、支撑臂272、顶电极275、气隙280、反射镜座285和顶介电叠片290构成。激光发射70是通过顶介电叠片290进行的。于底电极260和顶电极275之间施加的电压源(未示出)通过静电相互作用使气隙280厚度t发生变化，由此改变有机激光共振腔器件的共振腔长度。有机激光共振腔长度改变的结果是改变了光泵激可调谐型有机VCSEL系统230的波长。虽然所绘制的顶介电叠片290有一定的曲率，但是本领域熟练人员都知道，也可以采用基本上平坦的顶介电叠片290，这可视为本发明的另一个实施方案。有机活性区域40包括一个或多个周期性增益区域100和沉积在周期性增益区域100两侧的有机间隔层110，这些间隔层110在排列时要使得周期性增益区域100对准器件驻波电磁场的波腹103(见图2)。如图2所示，在其中示意性地画出了有机活性区域40中的激光器驻波电磁场的图案120。因为电磁场波腹103处的受激发射最强，而波点105处的则可忽略，因此形成图2所示的活性区域40自然就很适宜了。有机间隔层110不会发生受激或自发发射，而且基本上也不吸收激光发射70或泵激光束60的波长。在需要单模特性但调谐范围又受限的应用当中，采用图2所示含有周期性增益区域100的结构是很适宜的。如果不如图3所示对某一反射镜的反射率进行调制，从而使激光发射稍稍限定于器件区域的话，那么就很难在VCSEL中实现基本的横向单模工作方式了。因此，曲线形顶介电叠片290很适合应用在着重于横向模式控制或者不采用前述的横向限定结构的用途中。图5所示的共振腔是按半对称结构进行说明的，并且它还是某一类Fabry-Perot共振腔结构中的一种。该共振腔的输出波长由以下数学关系式决定
                      nλ/2＝Lopt
其中n是整数，λ是波长，Lopt是共振腔中的单程光程长度。改变气隙280厚度t就可改变光程长度。顶介电叠片290可包括一个或多个指数匹配层；图5中没有表示出来。这些指数匹配层(包括指数匹配层240和250)最大限度地降低了气隙280与邻层界面处的光学反射，也提高了器件效率。底电极260和顶电极275是由导电材料制成的，导电材料一般是金属，而且这些电极是环形的。也可以采用透明导电性电极比如铟-锡-氧化物(ITO)或高分子材料。如果后一类材料的光学损耗很低，则不一定非得需要环形构造。支撑结构270一般是铝、钛-钨(Ti-W)或氮化硅(SiNx)，支撑结构的厚度要足以提供机械支撑作用。支撑结构270的厚度一般为2000nm，而反射镜座285的厚度一般为100-200nm。反射镜座285由类似的材料制成，只是更薄一些，目的是令其在调谐电压源所提供的静电场的作用下有一定的柔性。有必要在底电极260和反射镜座285之间设置另外的电绝缘层(未示出)。该层是由绝缘材料制成的。支撑结构270表现为至少一个支撑臂272，该支撑臂将顶介电叠片290以机械方式稳定在所需的距离t处。为了实现该目的，支撑结构270优选有着适当大的固有拉伸应力。如同就光泵激可调谐型有机VCSEL系统230、232、234、236所作的说明那样，光泵激可调谐型有机VCSEL系统320可采用双支撑梁结构、悬臂梁结构、多臂梁结构或膜结构，以便将顶介电叠片以机械方式稳定在所需的位置处。
图6是现有技术的锥形(tapered)微共振腔器件的横截面侧视图，它含有楔形有机活性区域350。楔形有机活性区域350的厚度t从左边缘360起至右边缘370连续变化。由于楔形有机活性区域350中发射材料的增益带宽很宽，所以通过改变激光共振腔的厚度，锥形微共振腔器件340就能在很宽的光谱区域内进行调谐。锥形微共振腔340受泵激光束60激发并且产生激光发射70。泵激光束60在距右边缘370距离为d的X0点处激发锥形微共振腔器件340。底反射镜380和顶反射镜390连同楔形有机活性区域350构成了激光共振腔。反射镜380和390可以是金属膜或介电叠片的形式。激光发射70的波长与厚度t以及楔形有机活性区域350中材料的折光指数有关。通过改变X0点的位置，使锥形微共振腔器件340的不同区段为泵激光束60所激发，就会产生不同的激光发射70波长。使锥形微共振腔器件340与泵激光束60作相对运动，即可达到通过改变d来改变X0位置的目的。
图7是现有技术的电泵激有机垂直共振腔激光器400的横截面侧视图。在透明基底20上沉积了底反射镜380、顶反射镜390和有机活性区域410。在该实施方案中，有机活性区域410由底层构成并且能够电致发光，当有电流流经有机活性区域410时，就会产生激光。本领域已知的是，有机活性区域410底层由空穴传输层420、发射层430和电子传输层440构成。如果底和顶反射镜380和390均由非电子导电性材料制成的话，那么有必要在电泵激有机垂直共振腔激光器400中包括电极450和460。此时，电极450和电极460对于发射430所发射的光而言基本上是透明的，并且优选包含铟-锡-氧化物(ITO)或其它电子导电性材料。如果顶反射镜390和底反射镜380是电子导电性层，那么可对这些层施加电流源470，或者对电极450和460施加该电流源。需要知道的是，反射镜类型和电极排列方式的任意组合都视为本发明的实施方案。通过适当设计顶反射镜390，激光发射70可经由顶反射镜390离开电泵激有机垂直共振腔激光器400。制造顶反射镜390时，使其反射率比底反射镜380稍低，就可达到该目的。
图8是现有技术的电泵激有机垂直共振腔激光器480另一种实施方案的横截面侧视图。在透明基底20上沉积了底反射镜380、顶反射镜390和有机活性区域410。在该实施方案中，有机活性区域410包含底层并且能够电致发光，当有电流流经有机活性区域410时，就会产生激光。该器件的这种电激发机理被称为电注入。本领域已知的是，有机活性区域410底层由空穴传输层420、发射层430和电子传输层440构成。如果底和顶反射镜380和390均由非电子导电性材料制成的话，那么有必要在电泵激有机垂直共振腔激光器400中包括电极450和460。此时，电极450和电极460对于发射430所发射的光而言基本上是透明的，并且优选包含铟-锡-氧化物(ITO)或其它电子导电性材料。如果顶反射镜390和底反射镜380是电子导电性层，那么可对这些层施加电流源470，或者对电极450和460施加该电流源。需要知道的是，反射镜类型和电极排列方式的任意组合都视为本发明的实施方案。通过适当设计顶反射镜390，激光发射70可经由底反射镜380离开电泵激有机垂直共振腔激光器400。制造顶反射镜390时，使其反射率比底反射镜380稍高，就可达到该目的。
图9是表示可调谐型有机VCSEL系统另一个实施方案的工作情况的框图500。该图表示的是用以机械调谐由有机激光共振腔器件发射出来的光学波长的另一个系统。方框510中所示的泵激源激发了方框520中所示的多个有机垂直共振腔激光器件。方框520表示的是多种类型的有机共振腔激光器件，这些器件的具体情况参见图1-8和图12-18(作为单个器件或器件组，在本文中的标号为10、80、190、230、320、340、400、480、702、1000和1050)。设计有机垂直共振腔激光器件结构时，要使得各个有机垂直共振腔激光器件产生基本上不同光学波长的激光。方框510中的泵激源可以是激发用光子源或电源。方框530表示的是将有机垂直共振腔激光器件结构的光学激光输出导引至微机电反射镜组件时所用的光束导向光学镜片，该微机电反射镜组件在方框540中表示。该光学镜片包括常用的透镜或反射镜，这是本领域熟练人员已知的。通过调整方框540中的微机电反射镜组件，将光学激光导引至方框550中所示的其它光束导引光学镜片。该光学镜片包括本领域熟练人员已知的常用的透镜或反射镜。方框560描述了激光输出的选择过程。在该方框中，选出从多个有机垂直共振腔激光器中某一激光器而来的一束光学波长，然后在系统输出处使其离开该器件。
图10是含有MEM器件的可调谐型有机VCSEL系统565的示意图，其功能是利用电泵激有机垂直共振腔激光器来选择有机激光共振腔器件的输出波长。电流源570为有机垂直共振腔激光器件结构580提供了激发装置，并且产生多个光学波长。有机垂直共振腔激光器件结构580是固定式波长有机激光共振腔器件阵列。在该实施方案中，有机垂直共振腔激光器件结构580由电泵激有机垂直共振腔激光器480构成，其中每个电泵激有机垂直共振腔激光器480经过制造都产生基本上不同波长的激光。选择每个器件所发射的激光，就有办法按逐步方式调谐可调谐型有机VCSEL系统565的输出了。步长(或波长区间)取决于任意两个电泵激有机垂直共振腔激光器480之间的波长差。通过操作反射镜组件620来选择由特定电泵激有机垂直共振腔激光器480所发射的光。在一个实施方案中，反射镜组件620使用的是微机电反射镜。在图10所示的实施方案中，通过改变反射镜组件620的倾斜角来选择由特定电泵激有机垂直共振腔激光器480所发射的激光。使经过选择的光束590穿过系统到达输出选择光纤640。未被选中的光束600则穿过可调谐型有机VCSEL系统565到达未选择输出650。快门670或其它光束阻挡器件可防止未被选中的光束600离开可调谐型有机VCSEL系统565。光束导向光学镜片610将发射出来的激光引导至反射镜组件620。另一个光束导向光学镜片630则将来自反射镜组件620的光引导至输出选择光纤640。光束导向光学镜片610和630使用的都是常用的光学元件，比如反射镜和透镜。在某些情况下，人们希望利用微型光学镜片来制造小而轻的系统。输出选择光纤640将激光传输至系统输出660。虽然在该实施方案中以光学纤维作为输出选择器件，但要知道的是，其它选择或滤过光学波长的常用装置比如反射镜、快门、滤光片等也可以按此方式使用。
图11是含有MEM器件的可调谐型有机VCSEL系统565的替代性实施方案的示意图，其功能是利用光泵激有机垂直共振腔激光器来选择有机激光共振腔器件的输出波长。光子源680产生泵激光束690，并且为有机垂直共振腔激光器件结构700提供了激发装置，并且产生多个光学波长。光子源680可以是发光二极管(LED)、激光器或其它任何非相干光源。有机垂直共振腔激光器件结构700是固定式波长有机激光共振腔器件阵列。在该实施方案中，有机垂直共振腔激光器件结构700由光泵激有机垂直共振腔激光器件10构成，其中每个光泵激有机垂直共振腔激光器件10经过制造都产生基本上不同波长的激光。或者，该实施方案中可以采用其它的光泵激激光器件，比如可采用锥形微共振腔器件340(见图6)来产生多个光学波长。此时，适宜的是利用激光器作为光子源680进行激发。通过改变前述泵激光束690的位置和角度，可令得基本上相同的锥形微共振腔器件340产生出基本上不同波长的激光。选择每个器件所发射的激光，就有办法按逐步方式调谐可调谐型有机VCSEL系统565的输出了。步长(或波长区间)取决于任意两个垂直共振腔有机激光器件10之间的波长差。通过操作反射镜组件620来选择由特定垂直共振腔有机激光器件10所发射的光。在一个实施方案中，反射镜组件620使用的是微机电反射镜。在图11所示的实施方案中，通过改变反射镜组件620的倾斜角来选择由特定垂直共振腔有机激光器件10所发射的激光。使经过选择的光束590穿过可调谐型有机VCSEL系统565到达输出选择光纤640。未被选中的光束600则穿过可调谐型有机VCSEL系统565到达未选择输出650。快门670或其它光束阻挡器件可防止未被选中的光束600离开可调谐型有机VCSEL系统565。光束导向光学镜片610将发射出来的激光引导至反射镜组件620。另一个光束导向光学镜片630则将来自反射镜组件620的光引导至输出选择光纤640。光束导向光学镜片610和630使用的都是常用的光学元件，比如反射镜和透镜。在某些情况下，人们希望利用微型光学镜片来制造小而轻的系统。输出选择光纤640将激光传输至系统输出660。虽然在该实施方案中以光学纤维作为输出选择器件，但要知道的是，其它选择或滤过光学波长的常用装置比如反射镜、快门、滤光片等也可以按此方式使用。
图12是光泵激可调谐型有机VCSEL系统702的另一种实施方案的横截面侧视图，采用了与光栅组件联用的光泵激多层膜结构，后者含有周期性结构化有机增益区域并经过二维锁相。在一个实施方案中，为了改变反射镜的角度，在光栅组件704中使用了与激光共振腔调谐用光栅联用的MEM器件。在该实施方案中，光栅组件由元件730、740、750、760、770、780和790构成。在图12中，泵激光束60激发光泵激多层膜结构705。该光泵激多层膜结构705与多层膜结构45类似(见图1)，并且包含支撑体20、底介电叠片30、有机活性区域40，还有一个或多个指数匹配层710。在图12所示的实施方案中，有机活性区域是含有蚀刻区域220和象素间区域210并形成锁相有机激光器阵列190(见图3)的那一类区域，但要知道的是，也可以采用与之前所述类似的其它排列方式的有机活性区域40。沉积的指数匹配层710构成了光泵激多层膜结构705的一部分。指数匹配层710的作用是包封有机活性区域并且使其不受空气和湿气曝露之害，同时通过降低空气界面处的反射而改善器件的光学效率。通过光学镜片720将来自光泵激多层薄膜结构705的光输出715导引至衍射光栅790表面。在一个实施方案中，光学镜片720由微型透镜构成。衍射光栅790是反射型光栅。该结构由悬臂梁750、旋转梳状驱动电动机760、旋转电动机座770和可动式反射镜780构成，它可为本实施方案的可调谐型有机VCSEL系统提供调谐机构。元件750、760和770组成了MEM静电旋转传动装置，并且可改变可动式反射镜780的角度。悬臂梁750在基底连接点740处与支撑体(未示出)连接。通过整个MEM静电旋转传动装置的运动，使可动式反射镜780围绕支点730作旋转运动。向旋转梳状驱动电动机760元件施加电势时，电压源(未示出)使其产生旋转运动。该实施方案表示的是被称作Littman-Metcalf激光共振腔的光学部件的排列方式。MEM旋转传动装置在设计上要使得可动式反射镜780能够围绕支点730旋转，该支点在共振腔中处于使所有波长的光学半波长保持数目相等的位置处。衍射光束810经可动式反射镜780反射，并且为激光共振腔提供光学反馈。该设计是符合需要的，因为激光输出光束800以固定的角度输出，与所选的波长无关。该设计还为可调谐型有机VCSEL系统提供了无模跳跃(平滑)的波长调谐效果。
图13是可调谐型有机VCSEL系统702的另一种实施方案的横截面侧视图，采用了与光栅组件704联用的电泵激多层膜结构，后者含有周期性结构化有机增益区域并经过二维锁相。在优选的实施方案中，为了改变反射镜的角度，在光栅组件704中使用了与激光共振腔调谐用光栅联用的MEM器件。在该实施方案中，光栅组件由元件730、740、750、760、770、780和790构成。在图13中，电流源570激发电泵激多层膜结构820。该电泵激多层膜结构820包含支撑体20、底介电叠片380、有机活性区域410、电极450和460，还有一个或多个指数匹配层710。电泵激多层膜结构820与电泵激有机垂直共振腔激光器400(见图7)类似，只是不含顶反射镜390作为该结构的一部分。沉积的指数匹配层710构成了电泵激多层膜结构820的一部分。指数匹配层710的作用是包封有机活性区域并且使其不受空气和湿气曝露之害，同时通过降低空气界面处的反射而改善器件的光学效率。通过光学镜片720将来自电泵激多层薄膜结构820的光输出715导引至衍射光栅790表面。在优选的实施方案中，光学镜片720由微型透镜构成。衍射光栅790是反射型光栅。该结构由悬臂梁750、旋转梳状驱动电动机760、旋转电动机座770和可动式反射镜780构成，它可为本实施方案的可调谐型有机VCSEL系统提供调谐机构。悬臂梁750、旋转梳状驱动电动机760和旋转电动机座770组成了MEM静电旋转传动装置，并且可改变可动式反射镜780的角度。悬臂梁750在基底连接点740处与支撑体(未示出)连接。通过整个MEM静电旋转传动装置的运动，使可动式反射镜780围绕支点730作旋转运动。向旋转梳状驱动电动机760元件施加电势时，电压源(未示出)使其产生旋转运动。该实施方案表示的是被称作Littman-Metcalf激光共振腔的光学部件的排列方式。MEM旋转传动装置在设计上要使得可动式反射镜780能够围绕支点730旋转，该支点在共振腔中处于使所有波长的光学半波长保持数目相等的位置处。衍射光束810经可动式反射镜780反射，并且为激光共振腔提供光学反馈。该设计是符合需要的，因为激光输出光束800以固定的角度输出，与所选的波长无关。该设计还为可调谐型有机VCSEL系统提供了无模跳跃(平滑)的波长调谐效果。
图14是可调谐型有机VCSEL系统1000另一个实施方案的横截面侧视图，它采用折光指数可控的材料来调谐激光波长。该可调谐型有机VCSEL系统1000包含基底20。泵激光束60处于基底20之下并穿过基底20。底电极1010处于基底20之上，而且优选对泵激光束60透明。底电极1010比如可以是ITO。或者，在泵激光束60在上的结构中，可以使用不透明的底电极。
底介电叠片30和有机活性区域40均处于底电极1010之上。顶介电叠片50处于有机活性区域40之上，由此构成了激光共振腔。在底介电叠片30和顶介电叠片50之间提供了介电控制层1020，其作用是控制激光共振腔的光学共振腔长度。因为激光波长与光学共振腔长度成正比，由此可对激光波长进行调谐。顶电极1030处于顶电极叠片50之上。控制器1040的作用是控制介电控制层1020的折光指数。
在一个实施方案中，介电控制层1020包含折光指数可变的材料，其折光指数是受所施加的电场控制的。候选材料是电-光材料，比如铌酸锂，或液晶层。介电控制层1020的折光指数与所施加的电场的关系如下
n ( E ) = n o + 1 2 n o 3 rE
其中E是所施加的电场，n0是电场不存在时的折光指数，而r是电-光系数。本实施方案的控制器1040是顶电极1030和底电极1010之间施加的电压源。
在第二个实施方案中，介电控制层1020包含光折变材料。候选材料是经Fe+3掺杂的铌酸锂。此时，控制器1040是光源，比如UV灯，而折光指数随亮度发生变化。第三个实施方案是，介电控制层1020包含热敏材料，而控制器1040就是热源，比如电阻加热元件。那么介电控制层就可以通过热膨胀和/或通过热诱导折光指数变化来改变激光波长，即
L opt ( ΔT ) = L opt , 0 + n dc , o ∂ L dc ∂ T + L dc , o ∂ n dc ∂ T ,
其中ΔT是基于稳态温度的温度变化，Lopt，o是稳态温度下的光学共振腔长度，ndc是介电控制层的折光指数，而Ldc则是介电控制层的实际厚度。
图15是可调谐型有机VCSEL系统的另一种实施方案的横截面侧视图，它采用的是另一种光栅组件704，就是说Littrow结构的电可调谐型光栅792。Littrow结构在本领域中是已知的，其特点在于利用光栅使光通过衍射而返回它所来的方向。因此，从电泵激多层膜结构820射出的一部分光输出715以衍射光束810的形式返回原处。通过改变电泵激光栅792的周期，可改变Littrow波长，由此就可以调谐激光发射波长了。电压源(未示出)可改变电可调谐型光栅792的周期。借助来自于电可调谐型光栅792的零阶(zeroethorder)光束，可再次实现输出耦合。在图15中，电流源570激发电泵激多层膜结构820。该电泵激多层膜结构820包含支撑体20、底反射镜380、有机活性区域410、电极450和460，还有一个或多个指数匹配层710。电泵激多层膜结构820与电泵激有机垂直共振腔激光器400(见图7)类似，只是不含顶反射镜390作为该结构的一部分。沉积的指数匹配层710构成了电泵激多层膜结构820的一部分。指数匹配层710的作用是包封有机活性区域并且使其不受空气和湿气曝露之害，同时通过降低空气界面处的反射而改善器件的光学效率。通过光学镜片720将来自电泵激多层薄膜结构820的光输出715导引至衍射光栅792表面。在一个实施方案中，光学镜片720由微型透镜构成。衍射光栅792是具有可调谐型光栅周期的反射型光栅。这类结构在本领域中是已知的，比如包含压电传动装置的静电可调谐型MEM光栅或模拟可调谐型光栅(比如参见DARPA Quarterly ReportF30602-97-2-0106)。
图16a和16b分别表示的是现有技术中包含压电传动装置的静电可调谐型MEM光栅或模拟可调谐型光栅。在图16a中，柔性光栅结构791由悬臂梁构成，该悬臂梁支撑在簧片(flexure)上并且由相对两侧的静电梳状驱动直线电动机797驱动。驱动梳状驱动电动机797就可轻易地改变电泵激光栅792的周期。在图16b中，膜光栅793包含形成光栅的周期性结构，该结构处于可变形膜794上。压电传动装置799使膜变形，由此改变光栅的周期。
反过来参照图15，衍射光束810经电可调谐型光栅792衍射，为激光共振腔提供了光学反馈。该设计是符合要求的，因为激光输出光束800以固定的角度输出，与所选的波长无关。该设计还为可调谐型有机VCSEL系统提供了无模跳跃(平滑)的波长调谐效果。通过适当选择电可调谐型光栅792的输入角度并使用闪耀刻面(blazedfacet)，所设计的光栅792就会有理想的输出耦合效率。在Littrow结构和光泵激多层膜结构中使用电可调谐型光栅，也可以获得可调谐型有机VCSEL。
在图17中，表示的是电可调谐型光栅792的替代性实施方案。电-光光栅900由具有周期性表面结构的固定式光栅910构成。电-光层920与该固定式光栅910接触，该层优选液晶层。电-光层920的上下两面分别被导电层930和932所包封，这两个层也分别支撑在基底934和936上。当电-光层920是液晶层时，采用了适当的装置来保持导电层930和932之间的距离，这都是已知的。导电体932是透明的导电体，比如铟-锡-氧化物(ITO)。导电体930可以是反射性金属或透明导电体。优选的反射性金属包括铝、银和金。沿电-光层施加电压会使电-光层920的折光指数发生变化，从而改变电-光光栅900的衍射特性。如果导电层932是透明导电体，那么来自图15电泵激多层膜结构820的光线就会通过基底934入射在固定式光栅910上。该电可调谐型光栅实施方案可应用于Littrow结构中，以形成可调谐型有机VCSEL。
图18是可调谐型有机VCSEL系统1050的另一种实施方案的横截面侧视图，它采用折射指数可控的材料来调谐激光波长。本领域熟练人员都知道，该实施方案是两种调谐机理的组合；一种机理涉及调谐时采用了折射指数可控的材料来调谐激光波长；而第二个机理则涉及利用MEM器件来改变激光共振腔的光程长度。另外，本领域熟练人员都知道，其它调谐机理组合也是可能的，而且这些也都是视为本发明范围之内的。可调谐型有机VCSEL系统1050包含基底20。泵激光束60处于基底20之下并穿过基底20。底电极1010处于基底20之上，而且优选对泵激光束60透明。底电极1010比如可以是ITO。或者，在泵激光束60在上的结构中，可以使用不透明的底电极。
底介电叠片30和有机活性区域40均处于底电极1010之上。顶介电叠片50处于有机活性区域40之上，由此构成了激光共振腔。在底介电叠片30和顶介电叠片50之间提供了介电控制层1020，其作用是控制激光共振腔的光学共振腔长度。因为激光波长与光学共振腔长度成正比，由此可对激光波长进行调谐。顶电极1030处于顶电极叠片50之上。控制器1040的作用是控制介电控制层1020的折光指数。
在一个实施方案中，介电控制层1020包含折光指数可变的材料，其折光指数是受所施加的电场控制的。候选材料是电-光材料，比如铌酸锂，或液晶层。介电控制层1020的折光指数与所施加的电场的关系如下
n ( E ) = n o + 1 2 n o 3 rE
其中E是所施加的电场，n0是电场不存在时的折光指数，而r是电-光系数。本实施方案的控制器1040是顶电极1030和底电极1010之间施加的电压源。
在第二个实施方案中，介电控制层1020包含光折变材料。候选材料是经Fe+3掺杂的铌酸锂。此时，控制器1040是光源，比如UV灯，而折光指数随亮度发生变化。
第三个实施方案是，介电控制层1020包含热敏材料，而控制器1040就是热源，比如电阻加热元件。那么介电控制层就可以通过热膨胀和/或通过热诱导折光指数变化来改变激光波长，即
L opt ( ΔT ) = L opt , 0 + n dc , o ∂ L dc ∂ T + L dc , o ∂ n dc ∂ T ,
其中ΔT是基于稳态温度的温度变化，Lopt，o是稳态温度下的光学共振腔长度，ndc是介电控制层的折光指数，而Ldc则是介电控制层的实际厚度。
在图18中，包括了用以改变激光共振腔光程长度的MEM器件。MEM器件处于指数匹配层240和250之上。微机电反射镜组件310由底电极260、支撑结构270、顶电极275、支撑臂272、气隙280、反射镜座285和顶介电叠片290构成。激光发射70是通过顶介电叠片290进行的。于底电极260和顶电极275之间施加的电压源(未示出)通过静电相互作用使气隙280厚度t发生变化，由此改变有机激光共振腔器件的共振腔长度。虽然所绘制的顶介电叠片290有一定的曲率，但是本领域熟练人员都知道，也可以采用基本上平坦的顶介电叠片290，这可视为本发明的另一个实施方案。改变气隙280厚度t就可改变光程长度。顶介电叠片290可包括一个或多个指数匹配层；图18中没有表示出来。这些指数匹配层(包括指数匹配层240和250)最大限度地降低了气隙280与邻层界面处的光学反射，也提高了器件效率。底电极260和顶电极275是由导电材料制成的，导电材料一般是金属，而且这些电极是环形的。也可以采用透明导电性电极比如铟-锡-氧化物(ITO)或高分子材料。如果后一类材料的光学损耗很低，则不一定非得需要环形构造。支撑结构270一般是铝、钛-钨(Ti-W)或氮化硅(SiNx)，支撑结构的厚度要足以提供机械支撑作用。支撑结构270的厚度一般为2000nm，而反射镜座285的厚度一般为100-200nm。反射镜座285由类似的材料制成，只是更薄一些，目的是令其在调谐电压源所提供的静电场的作用下有一定的柔性。有必要在底电极260和反射镜座285之间设置另外的电绝缘层(未示出)。该层是由绝缘材料制成的。支撑结构270表现为至少一个支撑臂272，该支撑臂将顶介电叠片290以机械方式稳定在所需的距离t处。为了实现该目的，支撑结构270优选有着适当大的固有拉伸应力。
系统，其中非相干光子源是灯。
系统，其中非相干光子源是发光二极管以外的光源。
机械调谐从有机激光共振腔器件发射出来的光学波长的系统，包含：a)有机垂直共振腔激光器件结构，它包括经由激发装置抽运的多个有机垂直共振腔激光器件，使得多个有机垂直共振腔激光器件产生多个光学波长；和b)反射镜组件，它接收从有机垂直共振腔激光器件结构发射出来的多个光学波长并且将选定的一束光学波长导引至系统输出。
系统，其中有机垂直共振腔激光器件结构是固定式波长有机激光共振腔器件阵列。
系统，其中有机垂直共振腔激光器件结构是可调谐型波长有机激光共振腔器件阵列。
系统，其中激发装置包括光泵激装置。
系统，其中激发装置包括激光源。
系统，其中激发装置包括发光二极管。
系统，其中激发装置包括发光二极管以外的非相干光源。
系统，其中激发装置包括电子注入。
调谐从有机激光共振腔器件发射出来的光学波长的系统，包含：a)经由激发装置抽运的有机激光共振腔结构，其中有机激光共振腔结构包括：a1)支撑体；a2)第一介电叠片，用以接收和传输泵激光束并且在规定的波长范围内反射激光；a3)一个或多个折光指数可控的介电控制层；a4)有机活性区域，用以接收从第一介电叠片传输过来的泵激光束并发射激光；和a5)第二介电叠片，它的作用是将从有机活性区域传输过来的泵激光束和激光反射回有机活性区域中，其中第一和第二介电叠片与有机活性区域共同产生激光；以及b)控制介电控制层折光指数用的装置。
系统，其中介电控制层是电-光层，而折光指数控制装置是施加的电场。
系统，其中介电控制层是光折变层，而折光指数控制装置是光子源。
系统，其中介电控制层包括温度依赖性折光指数，而折光指数控制装置是热源。
调谐从有机激光共振腔器件发射出来的光学波长的系统，它包含：a)多层膜结构，其中该多层膜结构是由光子源抽运的，并且包括：a1)支撑体；a2)第一介电叠片，用以接收和传输泵激光束并且在规定的波长范围内反射激光；a3)一个或多个折光指数可控的介电控制层；a4)有机活性区域，用以接收从第一介电叠片传输过来的泵激光束并发射激光；和a5)第二介电叠片，它的作用是将从有机活性区域传输过来的泵激光束和激光反射回有机活性区域中，其中第一和第二介电叠片与有机活性区域共同产生激光；b)紧邻多层膜结构的微机电反射镜组件，其中该微机电反射镜组件可改变有机激光共振腔器件的共振腔长度；和c)控制介电控制层折光指数用的装置。
系统，进一步包含：c)多个微机电反射镜组件支撑体，在多个支撑体之间存在着气隙；d)与微机电反射镜组件接触的顶电极层；和e)底电极层。
系统，其中微机电反射镜组件是悬臂式组件。
系统，其中微机电反射镜组件是膜组件。
系统，其中微机电反射镜组件包括至少一个双支撑梁。
系统，其中光学波长取决于有机激光共振腔器件可变的共振腔长度[按照数学关系式n(λ/2)＝Lopt]。
系统，进一步包含：处于多层膜结构之上的一个或多个指数匹配层。
系统，进一步包含：集成在微机电反射镜组件内部的一个或多个指数匹配层。
系统，其中一个或多个指数匹配层最接近多层膜结构。
系统，其中光子源是发光二极管。
系统，其中光子源是激光器。
系统，其中光子源是发光二极管以外的非相干光源。
系统，其中介电控制层是电-光层，而折光指数控制装置是施加的电场。
系统，其中介电控制层是光折变层，而折光指数控制装置是光子源。
系统，其中介电控制层包括折光指数温度特性层，而折光指数控制装置是热源。
调谐从有机激光共振腔器件发射出来的光学波长的系统，它包含：a)多层膜结构，其中该多层膜结构是由非相干光子源抽运的，并且包括：a1)支撑体；a2)第一介电叠片，用以接收和传输泵激光束并且在规定的波长范围内反射激光；a3)有机活性区域，用以接收从第一介电叠片传输过来的泵激光束并发射激光；和a4)至少一个指数匹配层；b)紧邻多层膜结构的光栅组件，其中该光栅组件可改变有机激光共振腔器件的共振腔长度；和c)调谐从有机激光共振腔器件发射出来的光学波长的控制器。
光学波长调谐系统，其中光栅组件选自：Littman-Metcalf结构、Littrow结构和电子可调谐型光栅。
光学波长调谐系统，其中非相干光子源是发光二极管。
光学波长调谐系统，其中非相干光子源是灯。
光学波长调谐系统，其中非相干光子源是发光二极管以外的光源。
系统，其中控制器使可动式光学波长调谐反射镜产生旋转运动。
系统，其中控制器可改变电可调谐型光栅的周期。
系统，其中控制器可改变电-光层的折光指数。
调谐从有机激光共振腔器件发射出来的光学波长的系统，它包含：a)多层膜结构，其中该多层膜结构是通过电激发的，并且包括：a1)支撑体；a2)第一介电叠片，用以接收和传输泵激光束并且在规定的波长范围内反射激光；a3)有机活性区域，用以接收从第一介电叠片传输过来的泵激光束并发射激光；和a4)至少一个指数匹配层；b)紧邻多层膜结构的光栅组件，其中该光栅组件可改变有机激光共振腔器件的共振腔长度；和c)调谐从有机激光共振腔器件发射出来的光学波长的控制器。
光学波长调谐系统，其中光栅组件选自：Littman-Metcalf结构、Littrow结构和电子可调谐型光栅。
系统，其中控制器使可动式光学波长调谐反射镜产生旋转运动。
系统，其中控制器可改变电可调谐型光栅的周期。
系统，其中控制器可改变电-光层的折光指数。

Claims (10)

1.机械调谐从有机激光共振腔器件发射出来的光学波长的系统，它包含：
a)多层膜结构，其中该多层膜结构是由非相干光子源抽运的；以及
b)紧邻多层膜结构的微机电反射镜组件，其中该微机电反射镜组件可改变有机激光共振腔器件的共振腔长度。
2.权利要求1的系统，进一步包含：
c)多个微机电反射镜组件的支撑体，在多个支撑体之间存在着气隙；
d)与微机电反射镜组件接触的顶电极层；和
e)底电极层。
3.权利要求1的系统，其中其中微机电反射镜组件是悬臂式组件。
4.权利要求1的系统，其中微机电反射镜组件是膜组件。
5.权利要求1的系统，其中微机电反射镜组件包括至少一个双支撑梁。
6.权利要求1的系统，其中光学波长按照数学关系式n(λ/2)＝Lopt决定于有机激光共振腔器件的可变共振腔长度。
7.权利要求1的系统，进一步包含：处于多层膜结构之上的一个或多个指数匹配层。
8.权利要求1的系统，进一步包含：集成在微机电反射镜组件内部的一个或多个指数匹配层。
9.权利要求8的系统，其中一个或多个指数匹配层最接近多层膜结构。
10.权利要求1的系统，其中非相干光子源是发光二极管。
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