CN1531769A - 波长可调垂直腔体面发射激光器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其包括至少一个有源元件，该元件包含通过电流的注入产生光增益的激活层，以及至少一个相位控制元件及反射镜。相位控制元件包含一个调节器，对来自激光产生的的波长的短波长侧呈现强的狭窄光吸收峰。波长控制通过使用位置相关电光效应实现。如果施加反向偏压，则由于斯塔克效应吸收最大值向较长波长移动。如果施加正向偏压，则电流被注入，结果是峰值吸收的增白和减少。在两种情形下都出现相位控制元件中折射率强烈的调节。该效应调节腔体模式的波长，且波长位移的符号和值由调节器的位置定义。两个相位控制的级联能够对激光执行，其一个移动发射的光的波长到较大值，另一个移动发射的光的波长到较小值。在这种激光器中可使用功率平衡元件，允许或者在不同发射波长保持固定的输出功率，或者实现独立的频率和振幅调节。可在激光器中实现光检测元件，允许对所有操作激光器的定标。

Description

波长可调垂直腔体面发射激光器及其制造方法

本发明的背景

本发明的领域

本发明涉及半导体装置领域。更具体来说，本发明涉及波长可调半导体垂直腔体面发射激光器(VCSEL)。

相关技术的描述

波长可调半导体激光器在波长分割多路复用传输系统，波长分割交换系统，波长交叉连接系统以及光学测量领域起到重要作用。

这一领域中先有技术包括，使用装置的相同波导结构不同部分的远波长可调边缘发射激光器(M，Yamaguchi et al.，U.S.Patent No.5,541,945)。对于边缘和面发射激光器两者达到波长可调性的另一途径，是通过对装置的有效腔体长度的机械调节来实现(P.Tayebati，U.S.Patent 5,949,801)。在垂直腔体面发射激光器中，腔体长度的调节可使用不同微机电系统实现。这些装置的缺陷是，与所使用的实现的机械性质相关，调节时间长。使用这种方法，调频信号传输系统不可行。

因而，本技术中需要较好的波长控制和调节。

本发明的概述

一种波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其包括至少一个有源元件，该元件包含通过电流的注入产生光增益的激活层，以及至少一个相位控制元件，以及例如可通过分布式布拉格反射器实现的反射镜。相位控制元件包含一个调节器，对来自激光产生的的波长的短波长侧呈现强的狭窄光吸收峰。波长控制通过使用位置相关电光效应实现。如果施加反向偏压，则由于斯塔克效应吸收最大值向较长波长移动。如果施加正向偏压，则电流被注入，结果是峰值吸收的增白和减少。在两种情形下都出现相位控制元件中折射率强调节。该效应调节腔体模式的波长，且波长位移的符号和值由调节器的位置定义。两个相位控制的级联能够对激光执行，其一个移动发射的光的波长到较大值，另一个移动发射的光的波长到较小值。在这种激光器中可使用功率平衡元件，允许或者在不同发射波长保持固定的输出功率，或者实现独立的频率和振幅调节。可在激光器中实现光检测元件，允许对所有操作激光器的定标。

附图的简要说明

图1示出本发明垂直腔体面发射激光器的一实施例的示意图，其中有源元件如通常工作在正向偏压，而相位控制元件工作在反向偏压。

图2示出本发明垂直腔体面发射激光器的一实施例的示意图，在两个简单的腔体例子中，示出提供发射光波长最大移动的单层调节器的优选尺寸和位置。

图3示出表示在反向偏压和正向偏压，调节器吸收系数和零偏压处吸收谐振附近折射率行为的示意图。

图4示出表示本发明另一实施例的示意图，其中调节器工作在正向偏压。

图5示出本发明的另一实施例的示意图，其中垂直腔体面发射激光器包括三个元件，即有源元件，和两个相位控制级联，其中两个相位控制级联都工作在反向偏压，但其一设置为移动波长到较大值，而另一个设置为移动发射光波长到较小值。

图6示出本发明的一实施例的示意图，其中一个相位控制级联工作在反向偏压，而另一相位控制级联工作在正向偏压。

图7示出本发明的一实施例的示意图，其中两个相位控制级联都工作在正向偏压。

图8示出本发明的另一实施例的示意图，其中有三个元件，有源元件，相位控制元件，并添加了功率平衡元件。

图9示出不同实施例的调节器吸收光谱及功率平衡元件的示意图。

图10示出本发明的一实施例的示意图，其中与图8的实施例不同，相位控制元件工作在正向偏压。

图11示出本发明的一实施例的示意图，包括有源元件，相位控制元件，功率平衡元件，及四个光检测元件。

图12示出本发明的另一实施例的示意图，其中相位控制元件工作在正向偏压。

图13示出本发明的另一实施例的示意图，包括有源元件，两个相位控制级联，分别移动波长向较大和较小值，功率平衡元件，及光检测元件。

图14示出本发明的另一实施例的示意图，包括五个元件，其中一个相位控制级联工作在反向偏压，而其它相位控制级联工作在正向偏压。

图15示出本发明的另一实施例的示意图，包括五个元件，其中两个相位控制级联都工作在正向偏压。

本发明的详细说明

在垂直腔体面发射激光器(VCSEL)中，激活区域一般置于一微腔体中。不掺杂或微掺杂激活区由反射镜跟随的n-和p-接触层围绕。

本发明主张添加一相位控制元件。相位控制元件是一调节器，由不掺杂或微掺杂层围绕在两侧，它们又由n-和p-接触层围绕。一电场用来调节调节器的折射率。

因而，本发明可调节的垂直腔体面发射激光器包括两个主要元件：1)激活区和2)激活区之上的相位控制元件。这些主要元件夹在两个反射镜之间。有源元件和调节器由以n-和p-接触层围绕的不掺杂，或围掺杂层围绕。或者是电场或者注入电流用来控制和调节该激光器。

本发明的优选实施例提供了一种可调节的激光器，带有置于不同介质中的激活区和相位控制区。该可调节激光器通过施加电场调节谐振吸收光谱使用折射率效应。另外，可调节激光器能够使用通过电流的注入调节折射率的效应。

发射光的波长和输出功率能够被独立调节。波长的调节率由电场在相位控制层的分布速度决定，并可在微微秒范围内。本发明提供了实现工作在频率高达接近50GHz的波长可调垂直腔体面发射激光器的可能性。使用在光频率中可选的弱吸收使输出功率均衡，这通过调节器补偿了光的频率相关吸收。

具体参见图1，其中示出根据本发明形成的新的可调节垂直腔体面发射激光器的第一例。该结构是在基片(101)上外延生长的。布拉格反射器用作为底部反射镜(102)。VCSEL的其余部分包括两个主要元件：1)底部反射镜(102)之上的有源元件，以及2)激活区之上的相位控制元件。

为了形成有源元件，电流孔(103)从围绕有源元件(107)的弱掺杂层(106)分开带有第一金属触点(105)的n-掺杂电流扩散层(104)。第二电流孔(103)从带有第二金属触点(109)的p-掺杂电流扩散层(108)分开弱掺杂层(106)。n-掺杂电流扩散层(104)直接座落在底部反射镜(102)的顶部。

为了形成相位控制元件，两个围绕调节器(111)的弱掺杂层(110)由第三电流孔(103)从p-掺杂电流扩散层(108)分开。一个第四电流孔把弱掺杂层(110)从带有第三金属触点(113)的第二n-掺杂电流扩散层(112)分开。对于在相位控制元件顶部的顶部反射镜(114)也使用分布的布拉格反射镜。

如对于典型的VCSEL那样，有源元件工作在正向偏压(115)。VCSEL的新型的部件是图1中所示工作在反向偏压(116)的一附加的控制元件。光通过顶部反射镜(114)出来(117)。

基片(101)能够由任何III-V半导体材料或III-V半导体合金，例如GaAs，InP，GaSb等等形成。本发明中使用的优选实施例是GaAs。

n-掺杂电流扩散层(104)和(112)必须由对基片晶格匹配或近似晶格匹配，对产生的光透明，并通过施主杂质掺杂的材料形成。该优选实施例与基片的材料是相同的材料，例如GaAs。可能的施主杂质包括，但不限于S，Se，Te，及两性的掺杂如Si，Ge，Sn，其中后者是在这样的技术状态下引入的，即它们占支配地结合到阳离子亚晶格，并用作为施主杂质。

p-掺杂层(108)必须由与基片晶格匹配或近似晶格匹配，对产生的光透明，且由受主杂质掺杂的材料形成。优选实施例是与基片相同的材料，例如GaAs。可能的受主杂质包括但不限于Be，Mg，Zn，Cd，Pb，Mn及两性的掺杂如Si，Ge，Sn，其中后者是在这样的技术状态下引入的，即它们占支配地结合到阴离子亚晶格，并用作为受主杂质。

金属触点(105)，(109)和(113)可由多层金属结构形成。与n-掺杂层的触点，即触点(105)和(113)可由但不限于结构Ni-Ay-Ge形成。与p-掺杂层的触点，即触点(109)可由但不限于结构Ti-Pt-Au形成。

有源元件(107)可由任何插入物形成，其能带间隙比基片的能带宽带窄。可能的实施例包括但不限于单层次或多层量子势阱，量子线，量子点系统及其组合。在GaAs基片上的装置的情形下，有源元件优选实施例包括但不限于插入物系统InAs，In_1-xGa_xAs，In_xGa_1-x-yAl_yAs，In_xGa_1-xAs_1-yN_y等。

调节器(111)可由任何插入物形成，其能带间隙比基片的能带宽带窄。可能的材料及结构与有源元件相同，但是具体的设计应当使得调节器(111)表现出在高能侧(较短补偿侧)上对激光辐射波长强的吸收峰值。

每一层通过作为电流阻挡层工作的电流孔(103)与邻近层分开，并能够由但不限于Al(Ga)O层或质子轰击层形成。

例如在Vertical-Cvity Surface-Emitting Lasers：Design，Fabrication，Characterization，and Application by C.W.Wilmsen，H.Temkin，L.A.Codren(editors)，Cmbradge University Press，1999所述，可对于底部反射镜(102)及对于顶部反射镜(114)使用不同设计。优选实施例是多层电介质反射镜GaAs/AlGaO。

作为另一方式，可使用不同的触点顺序。相位控制元件可包括n-触点层，不掺杂或弱掺杂层，其内插入调节器(111)，以及p-触点层。然后，有源元件的p-触点层和相位控制元件的n-触点层可通过p⁺n⁺Esaki隧道结分开。

图1实施例的激光器工作如下。由反向偏压(116)生成的电场主要施加到不掺杂或弱掺杂区(110)。选择调节器(111)以具有强的光电效应。在由偏压(116)控制的外部电场之下，调节器(111)的折射率被调节。从光谱增益选择发射波长通过振动状态确定(H.C.Casey，Jr.，and M.B.Panish，Hererostructure Lasers，Part A，Academic Press，N.Y.1978)。发射的电磁波的光路包括层(104)，孔，包含调节器(111)，孔，层(112)的层(106)，所有双倍通路还包括从底部和顶部反射镜的反射。调节器(111)折射率的变化首先影响通过调节器(111)的光的光路，且其次影响从介质(110)到调节器(111)及从调节器(111)向介质(110)返回的光的传输系数。

为了展示折射率调节对发射光的效应，详细考虑了带有单板折射率调节器(111)的以理想反射的反射镜为边界的1λ_m-和0.5λ_m-微腔体的简单情形。

图2示出在以理想反射的反射镜为边界的1λ_m-和0.5λ_m-微腔体的调节器(111)可能的位置，在该位置它们提供了发射光波长调节的最大效应。图2(a)-2(e)涉及1λ_m-微腔体，而图2(f)-2(j)涉及0.5λ_m-微腔体。激活层(201)置于在微腔体模式中电场的最大值。在这模型中，反射镜(203)和(204)是促成微腔体模式中电场轮廓(205)的理想反射的反射镜。对于1λ_m-微腔体的图2(a)-2(e)及对于0.5λ_m-微腔体的图2(f)-2(j)涉及调节器(202)不同的位置。

已研究了调节器(202)厚度和位置两者对发射光波长的的效应。对背景折射率n＝3.59(如在GaAs中)进行了计算，调节器(202)内折射率的变化等于Δn＝+0.1。这时对于具有厚度0.07λ_m的调节器(202)达到最大效应，且调节器(202)的这种厚度涉及所有图2(a)-2(j)。图2(a)-2(c)示出调节器(202)的位置，对于这些位置发射光波长的移动达到其极端的正值Δλ/λ₀＝+0.85％(这里λ₀是真空中发射光的波长)。图2(d)，2(e)描绘了其波长移动达到其极端负值Δλ/λ₀＝-0.85％的调节器(202)的位置。图中阴影方向的改变对应于发射光波长移动的改变。对于调节器(202)任何其它位置，波长的移动有介于这两个极端之间的中间值，这值随调节器(202)的位置逐渐改变。

对于0.5λ_m腔体效应加倍。对于图2(f)，2(g)，和2(h)中的调节器(202)的位置，发射光波长移动达到极端正值Δλ/λ₀＝+1.7％，且对于图2(i)和2(j)的位置达到极端负值Δλ/λ₀＝-1.7％。对于任何其它位置，移动有介于这两个极端值之间的中间值，且移动作为调节器(202)位置的函数逐渐变化。

对于如图1任何特定装置的设计，腔体模式和调节器(111)对发射波长的效应可使用由Yariv和Yeh(Optical Waves in Crvstals，Wiley，N.Y.，1984，Chapter 6)的方法计算。一般来说，在较宽的微腔体中，单腔体(111)效应较弱。然而，能够使用几个调节器(111)，其数目可以是但不限于从5到10。对于激光器的任何设计，应当从调节器(111)的数目，它们的每一个的厚度和位置进行优化。

在本发明中，对于折射率的调节使用腔体位置相关的电光效应。调节器(111)作为显示光吸收尖峰的插入而实现的。根据Kramer-Kronig关系，折射率显示近似吸收峰值的强烈调节。对于电介质函数ε(ω)＝ε’(ω)+iε”(ω)的实部和虚部所写的这一关系如下：

${\mathrm{\ϵ}}^{\′}\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\ϵ}}_0+\frac{1}{\mathrm{\π}}P\∫\frac{{\mathrm{\ϵ}}^n\left(\mathrm{\Ω}\right)}{\mathrm{\Ω}-\mathrm{\ω}}\mathrm{d\Ω},---\left(1\right)$

其中ε₀是背景电介质常数，而P意思是积分的主值。为了方便，这一关系可借助于折射率 $n\left(\mathrm{\ω}\right)=n^{\′}\left(\mathrm{\ω}\right)+i{n}^{\′\′}\left(\mathrm{\ω}\right)=\sqrt{({\mathrm{\ϵ}}^{\′}\left(\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{i\ϵ}}^{\′\′}\left(\mathrm{\ω}\right))}$ 的实和虚部写出，并可借助于吸收系数α(ω)写出n(ω)的虚部。这产生如下折射率实际部的调节

$\mathrm{\Δn}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{{4\mathrm{\π}}^2}P\∫\frac{\mathrm{\α}\left(\mathrm{\Ω}\right)}{\mathrm{\Ω}-\mathrm{\ω}}\mathrm{d\Ω}.---\left(2\right)$

对于吸收系数在吸收线长的波长侧通常指数性快速降低的狭窄吸收峰值，可以简单的形式写出半宽度之外的折射率的调节：

$\mathrm{\Δn}\left(\mathrm{\ω}\right)\≈\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2\mathrm{\θ}}\×\frac{{\mathrm{\α}}_{\max }\mathrm{\Γ}}{{\mathrm{\Ω}}_0-\mathrm{\ω}},---\left(3\right)$

其中α_max是峰值吸收系数，Ω₀是峰值位置，Γ是半最大值处吸收线的半宽度。对于波长λ₀＝1μm，及峰值吸收系数α_max＝10⁵cm^-1，在比吸收峰值低2-5Γ光子能量处，折射率的调节数量级为0.2-0.1。对于激光器工作的优选情形是吸收峰值狭窄的情形。这允许该装置工作在附加的吸收由于调节器(111)所至而相当微弱的光谱区中，而折射率的调节在离开吸收峰值缓慢降低时变强。

在图1的实施例中，反向偏压施加到包含带有调节器(111)的相位控制区(110)的第二元件。调节器(111)的功能在图3中示出。尖锐的垂直线描绘发射光的频线。在没有电流时电场施加到调节器(111)。由于Stark效应，能级向较低能量移动。吸收的最大值的位置(图3(a))折射率调节的谱区域(图3(b))向低光子能量移动(分别是图3(c)和3(d))。调节器(111)可通过但不限于单个量子势阱，非耦合量子势阱阵列，或电子耦合量子势阱阵列实现。对于非耦合InGaAs/GaAs量子势阱阵列在反向偏压下，激发子吸收峰值的线宽度和峰值位置的典型实验值(在室温的50meV量级激发吸收峰值半最大值处的半宽度，以及在大约250meV反向偏压12V峰值位置的移动，L.Chen et al.，Appl.Phys.Lett.57，2478-2480(1990))表明实现折射率的有效调节器(111)的可能性。

在图1的优选实施例中，可以有两个互补的实施例。根据图2所示的效应，发射光的波长移动强烈依赖于调节器(111)的特定位置。对于在调节器(111)内增加折射率，发射光波长既可向较大又可向较小值移动。这是调节器(111)唯一的性质，该性质使其基本上不同于其它方法。一个实施例意思是，调节器(111)以向较大值提供波长最大移动的方式被优化。另一实施例意思是，调节器(111)以向较小值提供波长最大移动的方式被优化。

图4中示出另一实施例，其中正向偏压(401)施加到相位控制元件。正向偏压结果是载流子在相位控制区的注入，即电子从金属触点(113)通过n-掺杂层(112)向弱掺杂层(110)及调节器(111)注入，而空穴从金属触点(109)通过p-掺杂层(108)向弱掺杂层(110)及调节器(111)注入。在调节器(111)中载流子的重新组合结果是增白，这样降低了激发子吸收峰值，直到其消失并最终在系统中生成第二增益区。图3(g)和图3(h)分别示出吸收峰值的降低及折射率调节的降低。

在图5中示出另一实施例。这实施例包含两个相位控制级联。在一个级联中，例如在层(110)中，调节器(111)以向较大波长提供发射光波长最大移动的方式被优化。在另一相位控制级联(502)中，调节器(503)被优化，以便向较短波长提供发射光波长最大移动。这两个相位控制级联的每一个分别工作在反向偏压(116)及(505)之下。两个相位控制级联的独立工作允许既可向较大又可向较小值移动发射光波长。

弱掺杂层(502)和p-掺杂层(504)的材料必须是对基片晶格匹配的或近似晶格匹配，并对发射光是透明的。一个实施例是这样的结构，其中弱掺杂层是与(110)相同材料生长的，而p-掺杂层(504)是与p-掺杂层(108)相同材料生长的。与p-掺杂层的金属触点(501)可从与金属触点(109)相同结构形成。

调节器(503)能够通过任何插入物形成，其能带间隙比基片的狭窄。可能的材料和结构与用于调节器(111)的相同，但调节器(503)必须这样设计和定位，使得调节器(503)提供发射光波长对较短波长的移动。

图6中示出另一实施例。与图5类似，这一实施例包含两个相位控制级联。一个级联工作在反向偏压(116)，并使用Stark效应，而另一工作在正向偏压(601)，并使用增白效应。这给出图5实施例的另一替代方式。，并允许发射光波长向较大和较小两个值移动。

图7示出另一实施例。这一实施例包含两个相位控制级联，两个都分别工作在正向偏压(401)和(601)。这提供了图5和图6实施例的替代方式，并允许发射光的波长向较大和较小两个值移动。图5，图6和图7中所示的实施例都是有用的，使用哪一个的选择取决于业内专业人员所知道的应用和标准优化实验及选择。

图6和7的实施例的第二相位控制元件能够由与图5实施例的那些相同的材料制成。

基于Stark效应的调节器(111)中折射率的调节由通过调节器(111)的光吸收强化伴随。如果反射镜设计为提供明显的外部损失，即大于相位控制元件吸收损失，则这一效应不很重要。另外，图8中所示的另一实施例包含一平衡元件，该元件包含固有的或弱掺杂层(802)，其内插入一平衡器(803)并且是p-掺杂层。这一元件工作在反向偏压(805)。

图9中示出另一实施例。所有图9(a)-9(i)中的细的垂直实线描绘了在零偏压发射光的谱线。所有图中细的垂直虚线对应于在非零偏压发射光的谱线。

考虑图8实施例的操作，其中调节器(111)这样配置，使得调节器(111)折射率的增加导致发射光波长向较大值的移动(红色移动)。当对由掺杂层(108)和(112)及围绕调节器(111)的不掺杂层(110)形成的相位控制元件不加偏压时，调节器(111)的吸收光谱为图9的光谱。在反向偏压(116)下，调节器(111)的吸收光谱向较低光子能移动(图9(b))，这样增加了发射光的内部损失。吸收器层(803)用来平衡在发射光不同波长的内部损失。图9中描绘了层(803)的吸收系数。平衡器(803)在其最大值处的吸收系数比调节器(111)小得多，这在图9(c)，9(f)和9(i)由与其它图9(a)，9(b)，9(d)，9(e)，9(g)，和9(h)比较的吸收谱的相对标度示出。由于平衡器(803)在其最大值处的吸收相当小，其对折射率的影响可忽略，并能够不计。平衡器(803)设计为这样的方式，使得其吸收系数的最大值(图9(c)的系数)对于在零偏压(116)的发射光的光子能向较大光子能移动。当在反向偏压(116)下发射光的光谱向较低光子能移动时，平衡器(803)的光吸收降低。由于发射光的光谱线靠近平衡器(803)的吸收光谱最大值，并同时从调节器(803)的吸收光谱的最大值更明显的移动，故由调节器(111)和平衡器(803)实际的吸收数量级相同。这意味着，确实能够通过平衡器(803)特别的设计，通过降低平衡器(803)降低的吸收而补偿由调节器(111)增加的吸收。

如果调节器(111)以这样的方式设计，使得折射率的增加导致发射光的补偿降低，即向发射光的蓝色移动，平衡器(803)能够被设计为具有图9(f)的吸收光谱。当向调节器(111)施加反向偏压(116)时，调节器(111)的吸收峰值向较低光子能移动(图9(e))，调节器(111)的折射率增加，且发射光的光谱向较大光子能移动。由调节器(111)吸收的光增加，同时由平衡器(803)吸收的光减少，这样平衡了激光器的功率输出。

一般来说，平衡器(803)能够设计为在较高光子能零偏压具有吸收最大值，且吸收最大值的位置能够通过施加反向偏压(805)向较低的能移动。

图10示出的另一实施例，使用工作在正向偏压(401)的调节器(111)及平衡器(803)。调节器(111)中的增白和吸收的降低(参见图9(h))伴随着调节器(111)的折射率的降低。调节器(111)设计为，使得发射光的谱线向较高光子能移动(当Δn＜0时)。这时由平衡器(803)光的吸收增加(图9(i))，这补偿了由于增白所至调节器(111)光吸收的减少。

类似于图8所示的实施例，平衡器(803)在零偏压(805)的吸收最大值能够被置于较高光子能，并通过施加反向偏压(805)向较低能移动。

类似于图8和图10的另一实施例，可使用平衡器(803)作为振幅调节器(111)。该设计相同，但施加到功率平衡器(803)元件的偏压的操作结果是得到输出功率所希望的调节。这样，图8和图10的实施例可用于分开的频率和振幅调节。

对于如图8和图10那样包含平衡元件的所有的实施例，弱掺杂层(802)和p-掺杂层(804)都必须是对基片晶格匹配或近似晶格匹配的，并对于发射光是透明的。优选实施例是这样的结构，其中弱掺杂层(802)是与(110)相同材料生长的，而p-掺杂层(804)是与p-掺杂层(108)相同材料生长的。与p-掺杂层的金属触点(801)可从与金属触点(109)相同结构形成。

平衡器(803)能够通过任何插入物形成，其能带比基片的能带狭窄。可能的材料和结构与调节器(111)相同，但平衡器(803)必须这样设计，使得吸收器提供所需的吸收频谱，如图9(c)，9(f)或9(i)中所示意的。

图11中示出另一实施例，并类似于图8和图10中所示的实施例，但是包括第四个元件，该元件用作为光检测器以测量输出功率，这样对所有的操作将激光器进行校正。这一元件作为标准光检测器工作。它吸收发射光并在电路中生成电流，这由微安计(1105)测量。

弱掺杂层(1102)和n-掺杂层(1104)必须是对基片晶格匹配或近似晶格匹配的，并对于发射光是透明的。一优选实施例是这样的结构，其中弱掺杂层(1102)是与(110)相同材料生长的，而n-掺杂层(1104)是与n-掺杂层(104)相同材料生长的。与n-掺杂层的金属触点(1101)可从但不限于与n-掺杂层(105)的金属触点(109)相同结构形成。吸收器(1103)可由任何吸收发射光的插入物形成。

图12中示出另一实施例，并包括图11的四个元件，但调节器(111)工作在正向偏压(401)，且调节效应基于增白。

图13中示出另一实施例并包括五个元件，即有源元件，两个希望控制级联，其中工作在施加的反向偏压的一个向较大值移动发射光波长，而工作在施加的反向偏压的另一个，向较小的值移动发射光的波长，功率平衡元件，及一个光检测元件。图14中示出另一实施例并包括图13所示的五个元件，然而一个相位控制级联工作在反向偏压，而另一个相位控制级联工作在正向偏压。图15中示出另一实施例并包括图13所示的五个元件，然而两个相位控制级联都工作在正向偏压。

对于所述的每一实施例，元件的优选顺序，每一层的厚度，调节器(111)，功率平衡器(803)，光检测器，及反射镜的设计，应当作为提供发射光波长的最大可调性与最大输出功率之间优选的相互影响的优化结果而获得。

进一步的实施例可能包含一个以上的有源元件，或一个以上的相位控制元件，向较大值移动发射光波长，或一个以上的相位控制元件，向较小值移动发射光波长，或一个以上的功率平衡元件，或一个以上的光检测元件，其中元件的顺序也可以是任意的。此外，进一步的实施例可能是由一个元件实现一个以上的功能。在进一步的实施例中，n-掺杂层和p-掺杂层对于以上所述的实施例可互换。对于触点层，电路孔，可使用不同于以上所述设计的反射镜和触点。在一个进一步的实施例中，一方面，激光器辐射的光谱位置，调节器(多调节器)吸收光谱的谱位置可以相互交换，使得调节器在从激光器辐射频谱线的长波侧呈现强的狭窄吸收频谱。除此之外，光检测元件可工作连接到一个以上激光器元件的偏压控制装置。

虽然对本发明已就其示例性实施例进行了展示和说明，但业内专业人员应当理解，在不背离本发明的精神和范围之下，可在其中或向其作出上述和各种其它变化，省略和添加。因而，本发明不应当理解为限于以上所述特定实施例，而是对于所附权利要求中提出的特征，包括所有可能在函盖的范围内可实施的实施例及其等价物。

Claims (54)

1.一种波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，包括：

a)一个基片；

b)一个底部反射镜，由基片上的布拉格反射器区域形成；

c)有源元件，该元件包括：

i)光产生层，当被施加正向偏压暴露于注入电流时发射光，

ii)基片之上及光产生层之下的第一n-掺杂电流扩散区，

iii)光产生层之上的第一p-掺杂电流扩散区，

iv)置于每一邻近区域之间的电流孔，以及

v)n-掺杂电流扩散区与p-掺杂电流扩散区之间的有源元件偏压控制装置，使得电流能够被注入到光产生层以产生光；

d)相位控制元件，该元件包括：

i)位于第一p-掺杂电流扩散区之上的一个调节层，当施加反向偏压暴露于电场时，或当施加正向偏压暴露于注入电流时，由于位置相关电光效应，来调节光的波长，

ii)调节层之上的第二n-掺杂电流扩散区，

iii)位于每一邻近区域之间的电流孔，以及

iv)第二n-掺杂电流扩散区与第一p-掺杂电流扩散区之间的一个相位控制元件偏压控制装置，使得能够生成一电场引起调节层调节光波长；以及

e)一顶部反射镜，在第二n-掺杂电流扩散区域之上由布拉格反射器区域形成。

2.权利要求1的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，还包括一光检测元件，能够测量来自激光器的光输出。

3.权利要求2的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件操作地连接到有源元件偏压控制装置，使得有源元件的输出响应来自激光器的光输出的测量。

4.权利要求2的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件操作地连接到相位控制元件偏压控制装置，使得相位控制元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

5.权利要求3的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件操作地连接到相位控制元件偏压控制装置，使得相位控制元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

6.权利要求1的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中有源元件偏压控制装置施加正向偏压。

7.权利要求1的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中相位控制元件偏压控制装置施加反向偏压。

8.权利要求1的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中相位控制元件偏压控制装置施加正向偏压。

9.权利要求7的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中相位控制元件设置为向较长波长移动发射光波长。

10.权利要求7的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中相位控制元件设置为向较短波长移动发射光波长。

11.权利要求8的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中相位控制元件设置为向较长波长移动发射光波长。

12.权利要求8的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中相位控制元件设置为向较短波长移动发射光波长。

13.权利要求1的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，还包括：

f)一个平衡器元件，该元件包括：

i)一个吸收层，吸收光并位于第二n-掺杂电流扩散区之上，

ii)一个第二p-掺杂电流扩散区，在吸收层之上，

iii)电流孔，位于每一邻近区域之间，以及

iv)在第二n-掺杂电流扩散区与第二p-掺杂电流扩散区之间的平衡器元件偏压控制装置，使得当施加到反向偏压时能够生成一电场，或当施加正向偏压时能够注入电流，引起吸收层响应该电场或电流而产生吸收系数的改变。

14.权利要求13的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中平衡器元件偏压控制装置施加反向偏压。

15.权利要求13的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中平衡器元件偏压控制装置施加正向偏压。

16.权利要求13的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，还包括光检测元件，能够测量来自激光器的光输出。

17.权利要求16的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件可操作地连接到有源元件偏压控制装置，使得有源元件的输出响应来自激光器的光输出的测量。

18.权利要求16的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件可操作地连接到相位控制元件偏压控制装置，使得相位控制元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

19.权利要求17的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件可操作地连接到相位控制元件偏压控制装置，使得相位控制元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

20.权利要求16的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件可操作地连接到平衡元件偏压控制装置，使得平衡元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

21.权利要求17的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件可操作地连接到平衡元件偏压控制装置，使得平衡元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

22.权利要求18的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件可操作地连接到平衡元件偏压控制装置，使得平衡元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

23.权利要求19的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件可操作地连接到平衡元件偏压控制装置，使得平衡元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

24.一种波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，包括：

a)一个基片；

b)一个底部反射镜，由基片上的布拉格反射器区域形成；

c)有源元件，该元件包括：

i)光产生层，当注入电流时发射光，

ii)基片之上及光产生层之下的第一n-掺杂电流扩散区，

iii)光产生层之上的第一p-掺杂电流扩散区，

iv)置于每一邻近区域之间的电流孔，以及

v)n-掺杂电流扩散区与p-掺杂电流扩散区之间的有源元件偏压控制装置，使得电流能够被注入到光产生层以产生光；

d)一个第一相位控制元件，该元件包括：

i)位于第一p-掺杂电流扩散区之上的一个第一调节层，当施加反向偏压暴露于电场时，或当施加正向偏压暴露于注入电流时，由于位置相关电光效应，调节光的波长，

ii)调节层之上的一个第二n-掺杂电流扩散区，

iii)位于每一邻近区域之间的电流孔，以及

iv)第二n-掺杂电流扩散区与第一p-掺杂电流扩散区之间的一个第一相位控制元件偏压控制装置，使得能够生成一电场引起第一调节层调节光波长；以及

e)一个第二相位控制元件，该元件包括：

i)位于第二n-掺杂电流扩散区之上的一个第二调节层，当施加反向偏压暴露于电场时，或当施加正向偏压暴露于注入电流时，由于位置相关电光效应，调节光的波长，其中第二调节层设置为相对于第一调节层产生发射光波长向光谱相反方向的移动，

ii)调节层之上的一个第二p-掺杂电流扩散区，

iii)位于每一邻近区域之间的电流孔，以及

iv)第二n-掺杂电流扩散区与第二p-掺杂电流扩散区之间的一个第二相位控制元件偏压控制装置，使得能够生成一电场引起第二调节层调节光波长；以及

f)一顶部反射镜，在第二p-掺杂电流扩散区域之上由布拉格反射器区域形成。

25.权利要求24的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，还包括一光检测元件，能够测量来自激光器的光输出。

26.权利要求25的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件操作地连接到有源元件偏压控制装置，使得有源元件的输出响应来自激光器的光输出的测量。

27.权利要求25的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件操作地连接到第一相位控制元件偏压控制装置，使得第一相位控制元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

28.权利要求26的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件操作地连接到第一相位控制元件偏压控制装置，使得第一相位控制元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

29.权利要求25的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件操作地连接到第二相位控制元件偏压控制装置，使得第二相位控制元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

30.权利要求26的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件操作地连接到第二相位控制元件偏压控制装置，使得第二相位控制元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

31.权利要求24的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中有源元件偏压控制装置施加一正向偏压。

32.权利要求24的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中第一相位控制元件偏压控制装置施加一反向偏压。

33.权利要求24的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中第一相位控制元件偏压控制装置施加一正向偏压。

34.权利要求24的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中第二相位控制元件偏压控制装置施加一反向偏压。

35.权利要求24的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中第二相位控制元件偏压控制装置施加一正向偏压。

36.权利要求24的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，还包括：

g)一个平衡器元件，该元件包括：

i)一个吸收层，当暴露于一电场时吸收光，并位于第二p-掺杂电流扩散区之上，

ii)一个第三n-掺杂电流扩散区，在吸收层之上，

iii)电流孔，位于每一邻近区域之间，以及

iv)在第二p-掺杂电流扩散区与第二n-掺杂电流扩散区之间的平衡器元件偏压控制装置，使得能够生成一电场，引起吸收层响应该电场而吸收光。

37.权利要求36的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中平衡器元件偏压控制装置施加反向偏压。

38.权利要求36的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中平衡器元件偏压控制装置施加正向偏压。

39.权利要求36的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，还包括光检测元件，能够测量来自激光器的光输出。

40.权利要求39的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件可操作地连接到有源元件偏压控制装置，使得有源元件的输出响应来自激光器的光输出的测量。

41.权利要求39的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件可操作地连接到第一相位控制元件偏压控制装置，使得第一相位控制元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

42.权利要求40的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件可操作地连接到第一相位控制元件偏压控制装置，使得第一相位控制元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

43.权利要求39的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件可操作地连接到第二相位控制元件偏压控制装置，使得第二相位控制元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

44.权利要求40的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件可操作地连接到第二相位控制元件偏压控制装置，使得第二相位控制元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

45.权利要求39的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件可操作地连接到平衡元件偏压控制装置，使得平衡元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

46.权利要求40的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件可操作地连接到平衡元件偏压控制装置，使得平衡元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

47.权利要求41的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件可操作地连接到平衡元件偏压控制装置，使得平衡元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

48.权利要求42的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件可操作地连接到平衡元件偏压控制装置，使得平衡元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

49.权利要求43的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件可操作地连接到平衡元件偏压控制装置，使得平衡元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

50.权利要求44的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中光检测元件可操作地连接到平衡元件偏压控制装置，使得平衡元件的调节响应来自激光器的光输出的测量。

51.权利要求14的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中相位控制元件偏压设置为向较长波长移动发射光波长。

52.权利要求14的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中相位控制元件偏压设置为向较短波长移动发射光波长。

53.权利要求15的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中相位控制元件偏压设置为向较长波长移动发射光波长。

54.权利要求15的波长可调半导体垂直腔体面发射激光器，其中相位控制元件偏压设置为向较短波长移动发射光波长。

Images