CN1643752A - 倾斜空腔半导体激光器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种新颖的半导体激光器类型，或叫“倾斜空腔激光器”，包括至少一个具有有源区的有源单元，该有源区通过注入电流及反射镜，产生光增益。该有源单元放在空腔内。该空腔的设计，能使谐振光学模的光路，既对垂直方向倾斜，也对横向平面倾斜。因此，为该谐振光学模提供了垂直方向及横向方向两个方向上的反馈。与具体的实施例有关，该激光器既可作为表面发射激光器工作，也可作为边缘发射激光器工作。采用倾斜光学模，能在底部和顶部干涉反射器中，比常规激光器使用显著少得多的层。这样可以维持必需的高的反射系数。还实现一种边缘发射的波长稳定激光器。该波长稳定性，是由于色散定律对不同折射率各层中的倾斜光学模的差别。

Description

倾斜空腔半导体激光器及其制造方法
技术领域
本发明属于半导体装置领域。更具体说，本发明属于表面发射激光器和波长稳定边缘发射激光器领域。
背景技术
半导体激光器在光纤传输及信号放大系统、波分复用传输系统、波分交换系统、和波长交叉连接系统中，以及在光测量领域中，都起着重要作用。
半导体激光器的一个主要问题，是能带隙随温度变化，导致不希望的发射光波长对温度的依赖性，特别是对高输出功率的运行。解决波长稳定性的一种途径，包括使用分布反馈激光器。该种途径的一些例子，包括U.S.Patent No.3,760,292，标题为“INTEGRATEDFEEDBACK LASER”，1973年9月18日颁布，和U.S.Patent No.4,740,987，标题为“DISTRIBUTED-FEEDBACK LASER HAVINGENHANCED MODE SELECTIVITY”，1988年4月26日颁布。对边缘发射半导体激光器，分布反馈一般通过半导体内折射率的横向调制实现，或通过光纤的形状调制实现。分布反馈增强激光器辐射光学模的选择性。发射光波长的固定是通过装置的设计，于是，装置的温度依赖性归结为折射率的温度变化，它比那些由于能带隙的变化显著地小。但是，该种途径与常规激光器的外延生长相比，要求非常复杂的技术步骤。
另一种途径，包括使用垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)。它通常利用成对的交替高、低折射率层，形成n型和p型的多层Bragg堆反射镜。反射镜的高反射率导致锐谐振，而选择的波长由空腔厚度确定。波长的温度依赖性，是由于折射率的温度变化。VCSEL设计的关键，在于不同折射率的层必须与基底晶格匹配。这一要求大大地降低可用于Bragg反射镜的材料数量。对GaAs基激光器，典型的Bragg反射镜包括交替的不同成分的GaAlAs层，或交替的GaAlAs层与GaAs层。在InP基激光器中，使用交替的GaInAs、AlInAs、GaInAs或不同组分的GaInAsP层。调整各层，对晶体中的光波长提供λ/2的周期性。因为交替层之间的折射率差非常小，为了达到激光器运行需要的高反射率，通常对制作Bragg反射器的不同材料，典型的反射镜无论如何要求在20到100层之间。常规的Bragg堆反射镜结构的主要缺点，是制作完整的VCSEL要求40到200层以上的高质量层。
因此，有必要在本领域降低制作反射镜必须的层数。在该领域的现有技术，包括引用导模谐振效应的激光器，如在U.S.Patent No.6,154,480所公开的，标题为“VERTICAL CAVITY LASER ANDLASER ARRAY INCORPORATING GUIDE-MODE RESONANCEEFFECTS AND METHOD FOR MAKING THE SAME”，2000年11月28日颁布。在该专利中，一个(或多个)Bragg反射镜被光栅取代，该光栅构成横向方向的一种光学模波导。由于光栅的衍射，以某一波长发射的光与波导模耦合，因而由光栅层提供产生激光要求的高的反射。该设计的一个严重缺点，是制作一种或多种有横向周期光栅时不可避免的光刻步骤，它不允许在单一的外延生长过程中制作激光器。此外，实际的更可接受的情况是，只有一个顶部光栅被使用，底部Bragg反射器仍然有表征常规VCSEL的所有限制及缺点。
因此，在本领域，需要一种免除多层Bragg反射镜的表面发射激光器，或更一般地说，需要一种方法，能在单次外延生长过程中，制作波长稳定激光器的完整结构。
发明内容
一种新颖的半导体激光器类型，或叫“倾斜空腔激光器”，包括至少一个具有有源区的有源单元，该有源区通过电流的注入及反射镜，产生光增益。该有源单元放在空腔内。该空腔的设计，能使谐振光学模的光路，既对垂直方向倾斜，也对横向平面倾斜。因此，为该谐振光学模提供了垂直方向及横向方向两个方向上的反馈。与具体的实施例有关，该激光器既可作为表面发射激光器工作，也可作为边缘发射激光器工作。采用倾斜光学模，能在底部和顶部干涉反射器中，比常规激光器使用显著少得多的层。这样可以维持必需的高的反射系数。还实现一种边缘发射的波长稳定激光器。波长的稳定性，是由于色散定律对不同折射率各层中的倾斜光学模的差别。
附图说明
图1画出垂直空腔表面发射激光器现有技术的示意图。
图2画出被两个多层干涉反射器包围的空腔的倾斜模示意图。
图3画出空腔倾斜模的示意图，图中的光呈现出从反射器的全内反射，且每一反射器都使用单层反射器。
图4画出本发明的一个实施例的示意图，其中通过有选择地部分移去多层反射器作成的光学孔径，提供垂直方向的光输出。
图5画出本发明的一个实施例的示意图，其中通过在多层干涉反射器顶部，增加一层淀积层，提供垂直方向的光输出。
图6画出本发明一种特殊结构的示意图，该结构包括空腔、三周期底部干涉反射器、和三周期顶部干涉反射器。
图7对图6结构的倾斜角θ，画出计算的倾斜光学模的辐射损耗。
图8对图6的结构，画出相同的计算的倾斜光学模辐射损耗示意图，表示为发射的辐射波长的函数。
图9画出包括两层不同折射率的空腔的示意图，图中，有源层放在空腔该两层之一内。
图10画出包括两层不同折射率的空腔的示意图，图中，有源层放在该两层之间的边界上。
图11对图10空腔的倾斜光学模，画出计算的作为波长函数的辐射损耗。
图12对图10空腔不同的光学模，画出计算的辐射损耗。
图13对图3结构的倾斜角θ，画出计算的倾斜光学模的辐射损耗。
图14对图3的结构，画出计算的倾斜光学模辐射损耗相同的示意图，表示为发射的辐射波长的函数。
图15画出本发明另一个实施例的示意图，其中包括吸收区的吸收单元，放在顶部反射器的顶部。
图16画出本发明另一个实施例的示意图，其中部分地蚀刻顶部多层干涉反射器，为倾斜光学模提供横向方向反馈。
图17画出本发明另一个实施例的示意图，其中在顶部多层干涉反射器的顶部，制作光栅，为倾斜光学模提供横向方向反馈。
图18画出本发明另一个实施例的示意图，其中的空腔包括有源单元及含有Stark调制器的相位控制单元。
图19画出本发明另一个实施例的示意图，其中的空腔包括有源单元及含有Stark调制器的相位控制单元，以及在顶部多层干涉反射器顶部的光学孔径，提供光输出。
图20画出本发明另一个实施例的示意图，该实施例包括位于顶部反射器顶部的吸收单元。
图21画出本发明另一个实施例的示意图，其中的空腔包括有源单元及相位控制单元。
图22画出本发明另一个实施例的示意图，其中的空腔包括有源单元及功率调制单元。
图23画出本发明另一个实施例的示意图，其中的空腔包括有源单元、相位控制单元、和功率调制单元。
图24画出本发明另一个实施例的示意图，其中的空腔包括有源单元及提供增强发射光波长温度稳定性的调制器。
图25画出使用调制器对抗温度变化的波长稳定化原理。
图26画出本发明另一个实施例的示意图，其中的倾斜空腔装置的作用，是用作波长选择光检测器，以检测沿垂直方向的入射光。
图27画出本发明另一个实施例的示意图，其中的倾斜空腔装置的作用，是用作波长选择光检测器，以检测沿横向方向的入射光。
图28画出本发明另一个实施例的示意图，其中的倾斜空腔装置的作用，是用作波长选择放大器。
具体实施方式
图1画出现有技术的表面发射激光器，或更准确地说，是垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)。在表面发射激光器中，有源区一般都置于空腔内。非掺杂或弱掺杂的有源区，被n型和p型触点层包围，这些触点层一般又被反射镜包围。该结构在基底(10)上外延生长。用作底部反射器(102)的是Bragg反射器。VCSEL的其余部分是有源单元。
电流孔径(13)把有第一金属触点(15)的n型掺杂电流扩展层(14)，与包围有源区(17)的弱掺杂约束层(16)分开。第二电流孔径(13)把弱掺杂约束层(16)，与有第二金属触点(19)的p型掺杂电流扩展层(18)分开。n型掺杂电流扩展层(14)直接放在底部反射镜(102)的顶部。有源单元在正向偏置(11)下工作。有源区(17)产生光。约束层(16)用于对陷入有源区的载流子提供电约束。光通过顶部反射镜(110)出射(112)。
基底(10)可以由任何III-V族半导体材料，或III-V族半导体合金，如GaAs、InP、GaSb形成。一般使用GaAs或InP，要看需要的激光辐射的发射波长。形成n型掺杂层(14)的材料，必须与基底(10)晶格匹配或近似晶格匹配，对产生的光透明，并由施主杂质掺杂。n型掺杂层(14)的材料，最好与基底(10)相同，如GaAs。可能的施主杂质包括，但不限于，S、Se、Te、和像Si、Ge、Sn的两性杂质，其中，后者是在如下技术条件下引入的，即它们主要被结合进阳离子子晶格并作为施主杂质。
形成p型掺杂层(18)的材料，必须与基底(10)晶格匹配或近似晶格匹配，对产生的光透明，并由受主杂质掺杂。p型掺杂层(18)的材料，最好与基底(10)相同，如GaAs。可能的受主杂质包括，但不限于，Be、Mg、Zn、Cd、Pb、Mn、和像Si、Ge、Sn的两性杂质，其中，后者是在如下技术条件下引入的，即它们主要被结合进阴离子子晶格并作为受主杂质。
金属触点(15)和(19)，最好由多层金属结构形成。金属触点(15)最好由包括，但不限于，结构Ni-Au-Ge的结构形成。金属触点(19)最好由包括，但不限于，结构Ti-Pt-Au的结构形成。
形成约束层(16)的材料，必须与基底(10)晶格匹配或近似晶格匹配，对产生的光透明，和非掺杂或弱掺杂。形成这些约束层的材料，最好与基底(10)相同。
放在约束层(16)内的有源区(17)，最好由任一种能带隙比基底(10)更窄的嵌入物形成。可能的有源区(17)包括，但不限于，量子阱、量子线、量子点、或它们的任何组合的单层或多层系统。对GaAs基底上的装置的情形，有源区(17)的例子包括，但不限于，InAs、In1-xGaxAs、InxGa1-x-yAlyAs、InxGa1-xAs1-yNy或类似材料的嵌入物系统。
每一层通过电流孔径(13)与相邻层分开，该电流孔径的作用是电流阻挡层，并由包括，但不限于，Al(Ga)O层或质子轰击层的材料形成。
对底部反射镜(102)及对顶部反射镜(110)的不同设计，都可以使用，如在下面的书所说明：D.G.Deppe，Optoelectronic Propertiesof Semiconductors and Superlattices(Vol.10，Vertical-CavitySurface-Emitting Lasers：Technology and Applications，edited by J.Cheng and N.K.Dutta，Gordon and Breach Science Publishers，2000，pp.1-61)。典型的设计包括，但不限于，对GaAs基底上的装置，是多层半导体反射镜GaAs/Ga1-xAlxAs，或对InP基底上的装置，是带有交替组分的四元合金InxGa1-x-yAlyAs的多层结构。
使用该设计的一个缺点，是必须制作有极其大数量层的Bragg反射镜，因为适合建立Bragg反射镜层的材料的选择非常严格。所有这些层必须与基底晶格匹配，或近似晶格匹配。对GaAs基的VCSEL，这些层是AlAs和Ga1-xAlxAs合金。对发射波长λ＝0.98μm，GaAs与AlAs之间折射率的差别很小(Δn＝0.57)，要使Bragg反射镜达到99.5％的反射率，必需约30个周期(60层)(如见U.S.Patent No.6,154,480)。对InP基的VCSEL，适合的晶格匹配材料是合金Ga0.47In0.53As及对应的四元合金InxGa1-xAs1-yPy，其中的组分(x，y)服从关系x＝1-0.47(1-y)，或具有组分x＝0.53，及任意y的四元合金InxGa1-x-yAlyAs。各层间的折射率差别，在此情形下甚至更小(Δn＝0.3)，Bragg反射镜需要约100周期(200层)。
本发明通过使用一种设计的有源单元，使谐振光学模倾斜于反射镜，解决了要求大数量层的问题。因为当光从两层间单一边界反射时，入射光的反射系数随倾斜角增加，所以必要的高反射系数，例如99.5％，可以从层数比常规VCSEL少得多的谐振多层反射镜获得。具体说，如果入射角超过两层间边界上的全内反射角，则反射器可以包括折射率低于空腔折射率的单一层。所以，本发明的激光器在本文被称为“倾斜空腔激光器”。使用该设计的半导体装置的具体例子，包括光检测器和放大器。
如果空腔至少包括有不同折射率的两层，那么两层材料的谐振条件，能使发射光的波长及光学模的倾斜角两者都稳定化。另外，如果空腔正好是被多层干涉反射镜包围的单一层，则可以实现波长的稳定化。在空腔及有不同于空腔折射率的多层反射镜层中，其谐振条件能使发射光的波长及光学模的倾斜角稳定化。在另一个实施例中，用光学模表现两层半导体层之间边界上的全内反射。一方面是通过底部及顶部反射镜，另一方面是通过侧表面，两种辐射损耗之间的相互作用，能使发射光的波长稳定化。
在一个实施例中，激光器添加了包含调制器的相位控制单元，该调制器在激光器产生的波长的短波长侧，表现出强的窄的光吸收峰。波长控制是通过使用电光效应实现的。如果施加反向偏置，由于Stark效应，吸收峰将移至较长的波长。如果施加正向偏置，则电流注入并导致漂白和降低峰吸收。在上述两种情况中，在相位控制单元内出现折射率强的调制。该效应调谐空腔模的波长。
在另一个实施例中，激光器添加了包含吸收器的功率调制单元，该吸收器在激光器产生的波长的短波长侧，表现出有限的或弱的吸收峰。功率调制是通过使用电光效应实现的。如果施加反向偏置，由于Stark效应，吸收的极大将移至较长的波长。如果施加正向偏置，则电流注入并导致漂白和降低峰吸收，从而降低光学模的内部损耗，并增加输出功率。
图2示意画出使用倾斜光学模的激光器原理。装置(200)包括被底部反射器(202)和顶部反射器(210)包围的空腔(220)。空腔(220)包括被弱掺杂或非掺杂约束层(106)包围的有源区(107)。为简单起见，基底、电流扩展层、金属触点、和偏置，图中都没有画出。底部反射器(202)和顶部反射器(210)是谐振多层结构，在某一角度和波长范围表现出高的反射率。在每一反射器(202)和(210)内，层数是可变的。虽然在该图中，每一反射器(202)和(210)是多层的，但这些反射器之一或两者，也可以只包含单层(见图3)。插图定义了层间边界上入射光的倾斜角θ。
反射器(202)和(210)如同常规反射镜(102)和(110)，包括相同材料的层状结构，但包含较少的层。同样，一方面是高折射率的层，另一方面是低折射率的层，可以在厚度上显著不同。倾斜模(213)的光路，以闭合的线表示。垂直方向的反馈，由底部(202)和顶部(210)反射器提供。对本特定实施例，沿横向方向的反馈，由空腔(220)的侧面反射器(221)提供。
图3示意画出使用倾斜光学模，及在底部和顶部反射器的全内反射条件下，激光器的工作原理。装置(300)包括被反射器(302)和(310)包围的空腔(320)。空腔(320)包括被非掺杂或弱掺杂约束层(106)包围的有源区(107)。为简单起见，基底、电流扩展层、金属触点、和偏置，图中都没有画出。倾斜模(313)的光路，以闭合的线表示。底部反射器(302)和顶部反射器(310)是单层的，提供光学模显著的衰减。
(302)和(310)的每一层，最好与基底晶格匹配或近似晶格匹配，对发射光透明，并有低于空腔(320)折射率n1的折射率n2。激光器产生的倾斜光学模，既能沿垂直方向发射，作为表面发射激光器工作，也能沿横向方向发射，作为边缘发射激光器工作。
在有源区的横向尺寸(L)大于它的垂直厚度(D)的实际情况下，可以作更细致的考虑，即，
        L＞＞D                                (1)
如在图2和在图3中所示。
在较为简单的图3中，该结构可以作为三维条形波导处理。于是，TE光学模中的电场能够描述如下(H.C.Casey，Jr.And M.B.Panish，Heterostructure Laser，Part A.Academic Press，New York，1978，pp.34-57)
Ey＝C1cos(kxx)exp[-κ|z)    如果z＜0；    (2a)
Ey＝cos(kxx)[Acos(kzz)+Bsin(kzz)]  如果0＜z＜D；  (2b)
Ey＝C2cos(kxx)exp[-κ(z-D)]    如果z＞D；    (2c)
波矢分量kx和kz，由有源区中的色散关系相联系：
kx 2+kz 2＝n1 2(2π/λ)2    (3)
而衰减系数κ由反射器的色散关系确定：
kx 2-κ2＝n2 2(2π/λ)2    (4)
这里λ是发射光在真空中的波长。当在z＝0和z＝D上加上边界条件后，能用标准的过程算出波矢kx。
为分析空腔中不同类型的光学模，通常用波长λ及角度θ，如图2中的定义来表征它们。于是，kx＝(2π/λ)n1sinθ。在有源区与相邻层(302)及(310)之间边界上，如果
   sinθ＞n2/n1                                     (5)则满足全内反射条件。对波长λ＝0.98μm，我们把折射率n1＝3.52(如对GaAs)和n1＝2.95(如对AlAs)代入，可得θ＞57°。如果光学模满足方程式(5)，那么图3的结构能使光学模约束在空腔中，并有高的来自反射器的反射系数。
对较小的倾斜角
  sinθ＜n2/n1                                      (6)光在层中以折射率n2传播。于是，图2有多层干涉反射器的结构，能实现光学模的约束。对倾斜光学模，与正入射的模比较，反射器需要的层数较少。
如果倾斜角θ在“半导体-真空”边界，超过全内反射角，即
       (1/n1)＜sinθ                            (7)那么通过反射器出射的谐振光学模仍旧不能出射至真空。对GaAs，这些角度是θ＞17°。对较小的入射角，与常规的VCSEL相比，没有什么优点。因此，需要找到一种途径，以便把倾斜光学模的光沿垂直方向输出。
本发明的另一个实施例是可能的途径，其中的空腔被一侧为多层干涉反射器，另一侧为单层反射器包围。该多层干涉反射器包括一系列折射率n1和n2交替的层，并且选择倾斜光学模的入射角θ，使sinθ＜(n2/n1)，因此，在包括多层反射器的层间边界，不发生全内反射。单层反射器则是有折射率n3的层，使sinθ＞(n33/n1)，于是，在折射率为n1的空腔与折射率为n3之间的边界，发生全内反射。可能的实施例包括，但不限于，一种如下的结构，其中的空腔是一层GaAs，而多层反射器是GaAs及Ga1-x2Alx2As层系列，单层反射器是一层Ga1-x3Alx3As，且x3＞x2。在这样的装置中，底部反射器可以是多层干涉反射器，而顶部反射器可以是单层反射器。或者，底部反射器可以是单层干涉反射器，而顶部反射器可以是多层反射器。
图4画出本发明的一个实施例的示意图，其中通过有选择地部分移去多层反射器(410)而建立光学孔径(414)。为形成有源区，电流孔径(103)把有第一金属触点(105)的n型掺杂电流扩展层(104)，与包围有源区(107)的弱掺杂或非掺杂约束层(106)分开。第二电流孔径(103)把弱掺杂或非掺杂约束层(106)，与有第二金属触点(109)的p型掺杂电流扩展层(108)分开。有源单元在正向偏置(111)下工作。有源区(107)产生光。约束层(106)用于对陷入有源区(107)的载流子提供电约束。
基底(101)可以由任何III-V族半导体材料，或III-V族半导体合金，如GaAs、InP、GaSb形成。一般使用GaAs或InP，要看需要的激光辐射的发射波长。形成n型掺杂层(104)的材料，最好与基底(101)晶格匹配或近似晶格匹配，对产生的光透明，并由施主杂质掺杂。n型掺杂层(104)的材料，最好与基底(101)相同，如GaAs。可能的施主杂质，包括，但不限于，S、Se、Te、和像Si、Ge、Sn的两性杂质，其中，后者是在如下技术条件下引入的，即它们主要被结合进阳离子子晶格并作为施主杂质。
形成p型掺杂层(108)的材料，最好与基底(101)晶格匹配或近似晶格匹配，对产生的光透明，并由受主杂质掺杂。p型掺杂层(108)的材料，最好与基底(101)相同，如GaAs。可能的受主杂质包括，但不限于，Be、Mg、Zn、Cd、Pb、Mn、和像Si、Ge、Sn的两性杂质，其中，后者是在如下技术条件下引入的，即它们主要被结合进阴离子子晶格并作为受主杂质。
金属触点(105)和(109)，最好由多层金属结构形成。金属触点(105)最好由包括，但不限于，结构Ni-Au-Ge的结构形成。金属触点(109)最好由包括，但不限于，结构Ti-Pt-Au的结构形成。
形成约束层(106)的材料，最好与基底(101)晶格匹配或近似晶格匹配，对产生的光透明，和非掺杂或弱掺杂。形成这些约束层(106)的材料，最好与基底(101)相同。
放在约束层(106)内的有源区(107)，最好由任一种能带隙比基底(101)更窄的嵌入物形成。可能的有源区(107)包括，但不限于，量子阱、量子线、量子点、或它们的任何组合的单层或多层系统。对GaAs基底上的装置的情形，有源区(107)的例子包括，但不限于，InAs、In1-xGaxAs、InxGa1-x-yAlyAs、InxGa1-xAs1-yNy或类似材料的嵌入物系统。
每一层被电流孔径(103)与相邻层分开，该电流孔径的作用是电流阻挡层，并由包括，但不限于，Al(Ga)O层或质子轰击层的材料形成。
倾斜空腔(420)包括层(103)、(104)、(105)、(106)、(107)、和(108)。倾斜空腔(420)在垂直方向受限于底部反射器(202)和顶部反射器(410)。倾斜空腔(420)在横向平面受限于电流孔径(103)。谐振光学模(413)的光穿过顶部反射器(410)出射。没有光学孔径(414)，由于与真空边界的全内反射，光不能从该结构中出射。光学孔径(414)导致光的衍射，从而使光的一些衍射分量出射(412)。具体的几何实施例，是用例如R.D.Meade et al.在Accuratetheoretical analysis of photonic band-gap materials(Phys.Rev.B 48：11，1993，pp.8434～8437)中发展的方法，通过求解光在非均匀介质中传播的三维问题计算的。具体说，典型的实施例包括，但不限于，把有源区(107)放在倾斜光学模(413)极大上的结构。
图5画出本发明的一个实施例的示意图，其中在多层干涉反射器(210)顶部，引进一光学孔径(514)。空腔(520)包括层(103)、(104)、(105)、(106)、(107)、和(108)。谐振光学模(513)的光穿过顶部反射器(210)出射。光的一些衍射分量提供沿垂直方向的光输出(512)。
为计算任一给定实施例选择的谐振光学模，可以考虑该倾斜光学模(213)的辐射损耗，
αrad＝αbottom+αtop+αside，    (8)
这里，经图2结构的底部、顶部、和侧面的损耗，等于：
α bottom = cos θ D ln 1 r bottom , - - - ( 9 a )
α top = cos θ D ln 1 r top , - - - ( 9 b )
α side = sin θ D ln 1 r side , - - - ( 9 c )
底部和顶部Bragg反射镜的振幅反射系数rbottom和rtop，可用M.Bornand E.Wolf的Principles of Optics(第6版，Pergamon Press，(1980)pp.1～70)中详细说明的方法计算。
侧面的振幅反射系数，在厚空腔的情况下容易写出，此时的光学模可用给定kz的平面波近似。于是
r side = k x - k 0 2 - k z 2 k x + k 0 2 - k z 2 - - - ( 10 )
这里k0＝2π/λ，是光在真空中的波矢。方程式(10)可以应用H.C.Casey，Jr和M.B.Panish，Heterostructure Laser，Part A(Academic Press，New York，1978，pp.71-79)书中的方法，推广到光学模沿z方向的实际分布。该方法是根据半导体层之间折射率差，小于半导体与真空之差的这一近似，即
|n1-n2|＜＜n1-1                              (11)于是，振幅反射系数的方程式(10)，能够一般地写成
r side = k x - < k ~ x > k x + < k ~ x > - - - ( 12 )
这里量
Figure A0380603200242
是平均
< k ~ x > = &Integral; dk z 2 &pi; k 0 2 - k z 2 | E ~ y ( k z ) | 2 &Integral; d k z 2 &pi; | E ~ y ( k z ) | 2 - - - ( 13 )
而
Figure A0380603200244
是光学模中电场强度的Fourier变换，
E ~ y ( k z ) = &Integral; dz E y ( z ) exp ( - i k z z ) - - - ( 14 )
图6画出空腔的一个特定例子，已经对该例算出辐射损耗。底部和顶部Bragg反射器(202)和(210)包括，交替的GaAs(折射率n1＝3.52)和Ga0.75Al0.25As(折射率n2＝3.38)层。多层反射器(202)和(210)是作为0.25λ/1.75λ的三层结构构成的。有源区厚度D＝964nm，反射器中GaAs层的厚度等于H1＝241nm，而Ga0.75Al0.25As层的厚度是H2＝2691nm。空腔的横向尺寸是L＝50μm。
图7对给定空腔，借助方程式(8)、(9)、和(12)计算作为倾斜角θ函数的倾斜光学模辐射损耗。在小的和中等的倾斜角上，损耗主要由于光通过底部和顶部多层反射器的透射。在大的倾斜角上，损耗主要由于光通过空腔侧面的透射。图7表明，在角度＝72°上辐射损耗有一锐极小。该极小给出光学模的有效选择，它是由给定激光器结构产生的。
图8表明作为波长函数的接近αrad极小的辐射损耗。竖条与空腔不同横模对应。该图表明的光谱范围是
&alpha; rad min &le; &alpha; &le; 2 &alpha; rad min - - - ( 15 )
颇窄的光谱范围＝14nm，表明发射光波长有效的稳定性的可能性。
图9画出一种激光器(900)，其中的空腔(920)包括两层：其内放置有源区(907)的层(906)，和层(916)。这两层分别有不同的折射率n1和n2。例如，一层(906)可以有高的折射率，而层(916)有中等的折射率。或者，一层(906)可以有低的折射率，而层(916)有中等的折射率。虽然有源区(907)在图中是在层(906)内，但它也可以位于层(906)或(916)之一内。在这些例子中，底部反射器(202)的最顶层和顶部反射器(210)的最底层，最好有高的折射率。
倾斜光学模的路径，包括层(906)中的路径(913)，和层(916)中的路径(915)，这里，在两层间的边界，既出现光的反射也出现光的透射。倾斜光学模与两层(906)和(916)谐振。两层(906)和(916)的每一层，最好由晶格匹配或近似晶格匹配的，对产生的光透明的，和非掺杂或弱掺杂的材料形成。
图10画出一种激光器(1000)，其中的空腔(1020)包括两层：层(1006)和层(1016)，分别有不同的折射率n1和n2。倾斜光学模的路径，包括层(1006)内的路径(1013)和层(1016)内的路径(1015)。有源区(1007)位于层(1006)与(1016)之间的边界。倾斜光学模与两层(1006)和(1016)谐振。
为计算图10空腔的辐射损耗，我们使用M.Born and E.Wolf的Principles of Optics(第6版，Pergamon Press，(1980)pp.1～70)中详细说明的方法计算，并得到
&alpha; rad &Proportional; | [ 1 - r 1 exp ( 2 i k z ( 1 ) D 1 ) ] [ 1 + r 2 exp ( 2 i k z ( 2 ) D 2 ) + k z ( 2 ) k z ( 1 ) [ 1 + r 1 exp ( 2 i k z ( 1 ) D 1 ) ] [ 1 - r 2 exp ( 2 i k z ( 2 ) D 2 ) ] | 2 - - - ( 16 )
这里r1和r2分别是顶部和底部反射镜的振幅反射系数。如果
r1＞0，r2＞0，(1-r1)＜＜1，(1-r2)＜＜1，2kz (1)D1＝2m1π，2kz(2)D2＝2m2π，
                                                              (17a)或
r1＜0，r2＜0，(1+r1)＜＜1，(1+r2)＜＜1，2kz (1)D1＝(2m1+1)π，2kz (2)D2＝(2m2+1)π，(17b)这里m1和m2是整数。如果层(1006)的折射率高于底部多层反射器的最顶层的折射率，且层(1016)的折射率高于顶部多层反射器的最底层的折射率，则满足方程式(17a)的条件。令层(1006)的折射率为n1，层(1016)的折射率为n2，和多层反射器为包括折射率n1和n3层的交替系列。那么如果n1＞n3和n2＞n3，能够满足方程式(17a)。如果层(1006)的折射率低于底部多层反射器的最顶层的折射率，且层(1016)的折射率低于顶部多层反射器的最底层的折射率，即，n1＜n3和n2＜n3，则满足方程式(17b)的条件。通过使用适当成分的半导体合金，例如对GaAs基的装置，使用晶格匹配的合金Ga1-xAlxAs，它在波长λ＝980nm的折射率n(x)＝3.52-0.57x，能够实现这些折射率的每一种组合。因此，通过调整合金组分x，能够获得必要的折射率分布。
在该两层中波矢的z分量，遵从如下关系：
kx 2+(kx (1))2＝n1 2(2π/λ)2    (18a)
kx 2+(kz (2))2＝n2 2(2π/λ)2    (18b)这里kx是波矢的x分量，它对给定的光学模，在两层中是相同的。该分量对不同的横模则不同。方程式(17a)或(17b)的谐振条件，对未知波长λ和波矢分量kx，产生两个方程式。因此唯一地定义该光学模。
本发明的其他实施例，包括由不同折射率的三层或更多层组成的微空腔，其中的有源层既可置于这些层之一中，也可置于两层不同层间的边界上。
图11按照方程式(16)，对倾斜光学模，画出通过底部和顶部多层反射器辐射损耗模型的计算结果。在本例中，0.5λ-0.5λ的空腔包括，一层折射率为n1＝3.52的GaAs层和一层折射率为n2＝3.38的Ga0.75Al0.25As层。选择的倾斜模是具有倾斜角θ＝72°的一个，该倾斜角接近两种半导体边界上的全内反射角(后者等于73.7°)。层的厚度是D1＝451nm，和D2＝1051nm。底部和顶部多层反射器两者的振幅反射系数都是0.995。该结构对波长λ＝0.98μm的光学模谐振。图11画出辐射损耗中极其锐的的谐振，带宽Δλ＝1.4nm。
图12画出图10空腔的倾斜光学模的辐射损耗，该图各模与层(1006)准确谐振，即，kz (1)D1＝π，而不同波长对应于空腔不同的横模。空腔的横向尺寸是300μm。该空腔典型地用于边缘发射激光器。图12的结果表明，单个横模接近辐射损耗的极小。这一点表明，能够构造只产生单一横模的激光器。
图13表明图3空腔的倾斜光学模的辐射损耗，该图的光学模倾斜角超过空腔(320)与底部反射器(302)之间边界的全内反射角，也超过空腔(320)与顶部反射器(310)之间边界的全内反射角。计算是对被包复层Ga0.7Al0.3As(折射率n＝3.35)包围的GaAs空腔(折射率n＝3.52)进行的。在本例中，空腔的厚度是245nm，每一包复层的厚度是1400nm，和空腔的长度等于L＝50μm。在小的和中等的倾斜角上，损耗主要由于光通过底部(302)和顶部(310)反射器的透射。在大的倾斜角上，损耗主要由于光通过空腔侧面的透射。图13表明，在角度＝72°上辐射损耗有一锐极小。该极小提供光学模的有效选择，它是由给定的激光器结构产生的。
图14表明作为波长函数的接近αrad极小的辐射损耗。竖条与空腔不同横模对应。宽度＝17nm的光谱范围对应的光学模，其损耗不超过最小损耗的两倍。对所有已考虑的空腔的设计，从倾斜光学模的光输出，可以通过顶部(和底部)反射器提供，也可以通过侧面提供。
图15画出本发明的另一个实施例，其中，在顶部多层反射器(210)的顶部，放置吸收单元(1517)，并在吸收单元(1517)内放置吸收区(1518)。因此，多层反射器(210)提供损耗最小的波长选择。通过顶部反射器(210)透射的光，被吸收区(1518)吸收。吸收区(1518)吸收通过反射器(210)透射的光，沿横向方向提供光输出。激光器通过空腔侧面发出光(1519)，从而该激光器可以作为波长稳定的边缘发射激光器工作。
该实施例的一种变化是，吸收单元(1517)夹在基底(101)和底部反射器(202)之间，从而使吸收层(1518)吸收通过底部反射器(202)透射的光。在另一种变化中，通过底部(202)或顶部反射器(210)透射的光，被触点层吸收。
倾斜光学模(1513)横向方向的反馈，一般能够由折射率中任何一个阶跃或多个阶跃提供。例如，该阶跃可以是空腔表面、空腔与电介质涂层之间的界面、与蚀刻的反射器之间的界面、或与制作在顶部反射器顶部的光栅之间的界面。
图16画出本发明的另一个实施例，其中的顶部多层反射器(1610)被有选择地蚀刻(1621)，因而对倾斜光学模(1613)改进了沿横向方向附加的反馈。光(1619)通过空腔(420)侧面从激光器出射，从而可以作为波长稳定的边缘发射激光器工作。本实施例与图4实施例的差别，有如下方面。选择性的蚀刻(1621)可以建立顶部多层反射器(1610)的厚度周期性调制，因而改进了沿横向方向附加的反馈，并增强发射光波长的选择性。与之相反，图4实施例的顶部孔径(414)的设计，仅为改进垂直方向的光输出。垂直方向的输出能够通过单个孔径实现，不需要顶部反射器的周期性蚀刻。
图17画出本发明的另一个实施例，其中在顶部多层反射器(1710)的顶部，制作一光栅(1722)。光栅(1722)改进了倾斜光学模(1713)沿横向方向附加的反馈。光(1719)通过空腔(420)侧面从激光器出射。
图18画出本发明的另一个实施例，其中的空腔(1820)除有源单元外，还包括相位控制单元。该相位控制单元是两侧被非掺杂或弱掺杂层包围的调制器，非掺杂或弱掺杂层又被n型和p型触点层包围。用电场调谐调制器的折射率。调制器折射率的变化，改变谐振光学模(1813)的波长。从而实现一种波长可调谐的倾斜空腔半导体激光器。
为形成相位控制单元，包围调制器(1827)的两层弱掺杂层(1826)被第三电流孔径(103)与p型掺杂电流电流扩展层(108)分开。第四电流孔径(103)把层弱掺杂层(1826)与第二n型掺杂电流扩展层(1828)分开，该第二n型掺杂电流扩展层(1828)带有第三金属触点(1829)。相位控制单元在反向偏置(1831)下工作。
弱掺杂层(1826)与n型掺杂层(1828)的材料，最好与基底晶格匹配或近似晶格匹配，并对发射光透明。该弱掺杂层最好与层(106)从同一种材料生长，而n型掺杂层(1828)最好与n型掺杂层(104)从同一种材料生长。金属触点(1829)最好由金属触点(105)同一结构形成。
调制器(1827)可以由任何能带隙比基底(101)窄的嵌入物形成。可能的材料及结构与用于有源区的相同，但特殊的设计应能使调制器对激光器辐射波长的高能端(短波长端)呈现强的吸收峰。
通过对相位控制单元施加反向偏置(1831)，由于Stark效应，吸收峰的光谱位置被移动。结果导致调制器折射率在吸收峰光谱邻域的相应改变。这一改变影响谐振光学模(1813)，并导致发射光波长的移动。
图18倾斜空腔激光器的典型实施例包括，但不限于，采用把有源区(107)和调制器(1827)两者置于倾斜空腔模(1827)强度局部最大上的结构。更准确地说，必须计及调制器(1827)吸收系数及折射率的谐振变化，来计算优选的位置，即，通过精确求解光在多层结构中传播的Maxwell方程组(如M.Born and E.Wolf在Princtples ofOptics(第6版，Pergamon Press，(1980)pp.1～70)中的说明)。
波长可调谐倾斜空腔激光器的另一个实施例画在图19。通过有选择地部分移去顶部多层反射器若干层，形成光学孔径(414)，添加到该激光器上。光学孔径(414)从谐振倾斜光学模(1913)提供光，沿垂直方向输出(1912)。
波长可调谐倾斜空腔激光器的另一个实施例画在图20。包括吸收区(1518)的吸收单元(1517)，置于顶部反射器(210)的顶部。吸收层(1518)吸收通过反射器(210)透射的光，提供横向方向的光输出。
波长可调谐倾斜空腔激光器的再一个实施例画在图21。该实施例包括有源单元和有调制器的相位控制单元。对相位控制单元施加正向偏置。正向偏置(2132)使载流子注入相位控制区，注入的电子从金属触点(2129)通过n型掺杂层(2128)到弱掺杂掺杂层(2126)和调制器(2127)，注入的空穴从金属触点(109)通过p型掺杂层(108)到弱掺杂掺杂层(2126)和调制器(2127)。调制器(2127)折射率的变化，改变谐振光学模(2113)的波长。调制器(2127)中载流子的复合建立漂白，降低激子吸收峰，直至峰消失并甚至在系统中建立第二增益区。
弱掺杂层(2126)材料最好与基底(101)晶格匹配或近似晶格匹配，并对发射的光透明。弱掺杂层(2126)材料最好与层(106)是相同的材料。n型掺杂层(2128)材料最好与基底(101)晶格匹配或近似晶格匹配，并对发射的光透明。该n型掺杂层最好与n型掺杂层(104)是相同的材料并有相同的施主杂质。金属触点(2129)最好与金属触点(105)有相同的结构。
调制器(2127)可以由任何能带隙比基底(101)窄的嵌入物形成。可能的材料及结构与用于有源区的相同，但特殊的设计应能使调制器对激光器辐射波长的高能端(短波长端)呈现强的吸收峰。
该实施例的一种变化，是包括一光学孔径，该光学孔径位于顶部反射器顶部并沿垂直方向提供光输出。另一种变化，是包括吸收单元，其吸收层置于顶部反射器顶部并沿横向方向提供光输出。
波长可调谐倾斜空腔激光器的其他实施例，包括那些空腔内折射率沿垂直方向非均匀分布的实施例，其中包括有不同折射率的层，从而提供发射波长高的选择性，与图9和图10的实施例类似。在一个实施例中，有源单元的层有一种折射率，而相位控制单元的层有不同的折射率。在其他实施例中，或者是有源单元、相位控制单元二者之一，或者二者，包括多于一层有不同的折射率的层。
波长可调谐倾斜空腔激光器的其他实施例，包括那些把相位控制单元置于夹在底部反射器与有源单元之间的空腔内的实施例。波长可调谐倾斜空腔激光器另外的其他实施例，包括那些把相位控制单元置于底部或顶部反射器之内的实施例。
另一个实施例画在图22，其中的微空腔(2220)包括有源单元和功率调制单元。功率调制单元是两侧被非掺杂或弱掺杂层包围的吸收体，非掺杂或弱掺杂层又被n型和p型触点层包围。该吸收层是呈现出有限峰吸收的窄吸收光谱的层，使它对折射率的影响小得可以忽略。用电场调谐吸收峰的光谱位置，从而把它移至更接近或更远离发射光的光谱线。因此，可以调制谐振光学模的内部光损耗，产生输出功率调制。
为形成功率调制单元，第三电流孔径(103)把包围调制器(2227)的两层弱掺杂层(2226)，与p型掺杂电流扩展层(108)分开。第四电流孔径把层弱掺杂层(2226)与第二n型掺杂电流扩展层(2228)分开，该第二n型掺杂电流扩展层(2228)带有第三金属触点(2229)。功率调制单元在反向偏置(2231)下工作。
弱掺杂层(2226)与n型掺杂层(2228)的材料，最好与基底晶格匹配或近似晶格匹配，并对发射光透明。该弱掺杂层最好与层(106)由同一种材料生长，而n型掺杂层(2228)最好与n型掺杂层(104)由同一种材料生长。金属触点(2229)最好与金属触点(105)用同一结构形成。
调制器(2227)可以由任何能带隙比基底窄的嵌入物形成。可能的材料及结构与用于有源区的相同，但特殊的设计应能使调制器对激光器辐射波长的高能端(短波长端)呈现出有限的或弱的吸收峰。
通过对功率调制单元施加反向偏置(2231)，由于Stark效应，使吸收峰光谱位置移动。因为吸收峰比较弱，它对折射率和对发射光波长的影响可以忽略。吸收峰移至更接近或更远离发射光的光谱位置，分别导致谐振光学模(2213)内部损耗的增加或减小。据此调制输出功率，从而实现功率可调谐的倾斜空腔激光器。
该实施例的一种变化，包括在顶部反射器顶部设置一光学孔径，据此提供沿垂直方向的光输出。另一种变化是包括第二吸收单元，其吸收层置于顶部反射器的顶部，以便提供沿横向方向的光输出。
在功率可调谐倾斜空腔激光器的另一个实施例中，功率调制单元在正向偏置下工作。它导致漂白，因而降低激子吸收峰，并增加激光器的输出功率。在又一个实施例中，功率调制单元放在底部或顶部多层反射器内。
图23画出倾斜空腔激光器的另一个实施例。它与图18实施例的差别，在于其空腔(2320)包括，除有源单元与相位控制单元外，还有夹在相位控制单元与顶部反射器之间的功率调制单元。在本实施例中，该功率调制单元在正向偏置(2331)下工作。本实施例实现发射光波长与输出功率两者独立的调制。
该功率调制单元包括弱掺杂层(2226)、调制器(2227)、和p型掺杂电流扩展层(2328)。形成p型掺杂电流扩展层(2328)的材料，最好与基底晶格匹配或近似晶格匹配，并对发射光透明。形成层(2328)的材料，最好与p型掺杂层(108)相同。形成金属触点(2329)的结构，最好与金属触点(109)相同。
通过向相位控制单元施加偏置(1831)，和向功率调制单元施加偏置(2331)，实现发射光波长与输出功率的独立调谐。
图24画出倾斜空腔激光器的另一个实施例。空腔(2420)包括n型掺杂电流扩展层(104)、包含有源区(107)的弱掺杂或非掺杂约束层(106)、p型掺杂电流扩展层(108)、弱掺杂或非掺杂层(2432)与(2434)、及调制器(2433)。倾斜光学模(2413)中的光，通过有源区(107)和调制层(2433)两者。与图18-23的实施例不同，不需要对调制器施加偏置。图25画出图24实施例所示激光器的工作原理。调制器(2433)是对光(2536)中能量比发射光(2535)更大的光子，呈现出谐振吸收(图25(a))的层。该吸收峰导致吸收峰邻域折射率的强色散(图25(b))。激光器的运转通常会导致激光器结构温度的增加，并导致所有半导体层折射率的相应变化。主要原因是能带隙随温度降低。因此，调制器吸收峰的位置在T2＞T1时，移向较低的光子能量(2537)(图25(c))。激光器的设计，要使发射光(2535)的光谱位置，落在调制器的折射率随光子能量而降低的光谱区。调制器(2433)在发射光能量上的折射率，随温度增加而降低(图25(d))。所有其他组成空腔(2420)的层则远离与发射光的谐振，且它们的折射率随温度的增加而增加。因此，薄的调制层(2433)折射率的谐振降低，可以补偿空腔(2420)所有其他层折射率的增加。这样会增强发射光波长的稳定性。
形成层(2432)和(2434)的材料，最好与基底晶格匹配，并对发射的光透明。具体的实施例包括，但不限于，形成这些层的材料与基底(101)相同。调制器层(2433)最好由任何能带隙比基底(101)窄的嵌入物形成。可能的调制器包括，但不限于，量子阱、量子线、量子点、或它们的任何组合的单层或多层系统。对GaAs基底上的装置的情形，调制器(2433)的例子包括，但不限于，InAs、In1-xGaxAs、InxGa1-x-yAlyAs、InxGa1-xAs1-yNy或类似材料的嵌入物系统。
本发明的另一个实施例，示于图26。倾斜空腔装置的概念，被应用于光检测器。与图4所示的倾斜空腔激光器不同，图26的光检测器在反向偏置(2611)下工作。外部的光(2638)在孔径(2614)上衍射。底部(202)和顶部(2610)多层谐振反射器，定义空腔(2620)的倾斜光学模(2613)。该设计给出一种光检测器，它有选择地吸收与倾斜光学模(2613)谐振的外部光。被吸收区(2607)吸收的光，产生光电流，该电流被微安计(2639)测量。
可能实现的吸收区(2607)包括，但不限于，量子阱、量子线、量子点、或它们的任何组合的单层或多层系统。对GaAs基底上的装置的情形，吸收区(2607)的例子包括，但不限于，InAs、In1-xGaxAs、InxGa1-x-yAlyAs、InxGa1-xAs1-yNy或类似材料的嵌入物系统。
图27画出本发明另一个实施例，其中的外部光(2740)通过侧面进入，激发空腔(2720)的倾斜光学模(2713)，被吸收区(2607)吸收并产生光电流，该电流被微安计(2639)测量。
图28画出本发明另一个实施例。该实施例是使用倾斜空腔光学模概念的放大器。光学空腔(2820)置于底部多层谐振反射器(2802)和顶部多层谐振反射器(2810)之间。该结构包括一系列n型触点(2805)、n型掺杂基底(2801)、n型掺杂底部多层谐振反射器(2802)、n型掺杂层(2804)、其中设有有源区(2807)的非掺杂或弱掺杂约束层(2806)、p型掺杂层(2808)、p型掺杂顶部多层谐振反射器(2810)、和p型触点(2809)。与本发明其他实施例不同，基底(2801)和底部反射器(2802)是n型掺杂，顶部反射器(2810)是p型掺杂，而触点(2805)和(2809)分别放在基底(2801)的下面和在反射器(2810)的上面。经触点(2805)和(2809)向有源区(2807)施加正向偏置(2811)。空腔(2820)、底部多层反射器(2802)、和顶部反射器(2810)的设计，要使倾斜光学模(2813)是该结构的谐振模。顶部触点(2809)在横向平面内相对于谐振光学模中光传播的横向方向旋转，以便没有反馈沿横向方向出现。因此，该装置不能作为激光器工作。在向有源区(2807)施加正向偏置(2811)时，该装置能作为放大器工作。输入光(2841)变换为谐振倾斜光学模(2813)，并以增加的强度的光输出(2842)。入射光向倾斜光学模(2813)的变换，和后者向输出光(2842)的变换，建立了一种具有光波长高度选择性的放大器。
形成基底(2801)的材料，最好与本发明其他实施例的基底(101)相同，并对入射光透明，但最好是n型掺杂的。形成底部多层反射器(2802)的材料，最好是折射率高、低交替的层，对入射光透明，与基底晶格匹配或近似晶格匹配，并n型掺杂。对GaAs基底上的装置，典型的设计包括，但不限于，多层半导体反射镜GaAs/Ga1-xAlxAs，或对InP基底上的装置，是带有交替组分的四元合金InxGa1-x-yAlyAs的多层结构，所有各层都是n型掺杂。形成层(2804)的材料，最好与基底晶格匹配，或近似晶格匹配，对入射光透明，并n型掺杂。
形成约束层(2806)的任何材料，最好与基底晶格匹配或近似晶格匹配，对入射光透明，和非掺杂或弱掺杂。在优选的实施例中，形成约束层(2806)的材料，与基底(2801)相同，但非掺杂或弱掺杂。形成层(2808)的材料，最好与基底晶格匹配或近似晶格匹配，对入射光透明，并p型掺杂。
形成顶部多层反射器(2810)的材料，最好是折射率高、低交替的层，对入射光透明，并p型掺杂。典型的设计包括，与底部反射器相同的那些材料形成的层，但p型掺杂。
有源区(2807)，最好由任一种能带隙比基底(2801)更窄的嵌入物形成。可能的有源区(2807)包括，但不限于，量子阱、量子线、量子点、或它们的任何组合的单层或多层系统。对GaAs基底上的装置，有源区(2807)的例子包括，但不限于，InAs、In1-xGaxAs、InxGa1-x-yAlyAs、InxGa1-xAs1-yNy或类似材料的嵌入物系统。
制作n型触点(2805)的材料，最好与本发明其他实施例的n型触点(105)相同。制作p型触点(2809)的材料，最好与本发明其他实施例的p型触点(109)相同。
发射光波长与输出功率独立调谐的倾斜空腔激光器，可能有各种变化，其中的相位控制单元与功率调制单元两者，在反向及正向偏置两种偏置下工作。在另一个实施例中，光学孔径置于顶部反射器的顶部，以便提供沿垂直方向的光输出。另一个实施例有第二吸收单元，该第二吸收单元包括置于顶部反射器顶部的吸收层，以便提供沿横向方向的输出光。在其他的变化中，空腔包括多于一层不同折射率的层。
在本发明另外的实施例中，只有激光器结构的一部分由倾斜空腔形成。此外的实施例，其中有源区与倾斜空腔在空间上是分开的，并放在激光器结构的不同部分，也包含在本发明之中。本发明另一个实施例，包括有多层涂层的光纤。该多层涂层的设计，能使只有某一区间波长的光可以传播，从而提供一种波长稳定系统。
本发明另外的实施例涉及全内反射的物理性质。光在两种介质之间边界的全内反射，表明光从第一介质到达边界，被反射回同一第一介质，且不能在第二介质内传播。但是，这一点只涉及第二介质中的远场，光在远场消失。在接近边界的近场区，光以渐逝电磁波的形式存在，它表现为指数衰减式或振荡衰减式离开边界。在该近场区，光能够耦合至另一种介质并被引导离开边界。
例如，可以用单层或多层涂层覆盖倾斜空腔的至少一侧表面。这样的覆盖物改变光通过该侧面的传输。通过改变涂层的层数、它们的厚度、和折射率，可以控制光沿横向方向的输出。
另一种可能性涉及通过顶部或小面反射器的光输出。把一根或少数几根光纤粘附在顶部反射器的顶部表面或靠近侧面的小面，或者直接放在顶部反射器的顶部表面或靠近侧面的小面，则来自倾斜空腔的谐振倾斜光学模的光，在光纤孔径上受到衍射，并沿光纤传播。
已说明的倾斜空腔半导体激光器、光检测器、或放大器的每一实施例，各单元优选的顺序、每一层的厚度、空腔、反射器及调制器的设计，均作为优化的结果获得，这些优化的结果，对发射波长最强的稳定性、最大的输出功率、和必要时对波长及发射光功率的最大可调谐性诸因素之间，给出优选的相互关系。
虽然本发明已经对示范性实施例作了图示与说明，但本领域熟练人员应当清楚，在不偏离本发明的精神和范围下，可以作出前述的及各种不同的变化、省略、和添加。因此，不应当认为本发明仅限于上述具体的实施例，而应认为包括所有可能的实施例，所有可能的实施例，体现在附于后的权利要求书阐明的特征所涵盖的范围中，以及与所有可能实施例等价的例子中。

Claims (90)

1.一种半导体激光器，包括：
a)底部反射器；
b)顶部反射器；和
c)位于底部反射器及顶部反射器之间的空腔，该空腔包括位于空腔内的有源区，其中该空腔及有源区的设计，能使空腔内光的传播方向，既倾斜于横向平面法线，也相对于该横向平面本身倾斜。
2.按照权利要求1的半导体激光器，还包括底部反射器下面的基底。
3.按照权利要求2的半导体激光器，其中：
a)当对有源区施加正向偏置，使电流注入有源区时，有源区发射光；和
b)该空腔还包括：
i)有源区下面的第一约束区；
ii)有源区上面的第二约束区；
iii)在基底上面和第一约束区下面的第一n型掺杂电流扩展区；
iv)在第二约束区上面和顶部反射器下面的第一p型掺杂电流扩展区；
v)位于每一相邻区之间的电流孔径；和
vi)第一n型掺杂电流扩展区与第一p型掺杂电流扩展区之间的偏置控制装置，以便能使电流注入有源区而产生光。
4.按照权利要求1的半导体激光器，其中的有源区选自如下一组：
a)至少一个量子阱；
b)至少一层量子线；
c)至少一层量子点；和
d)任何a)到c)的组合。
5.按照权利要求4的半导体激光器，还包括反馈机构。
6.按照权利要求1的半导体激光器，其中的底部反射器和顶部反射器是多层的。
7.按照权利要求6的半导体激光器，其中：
a)该空腔还包括至少一层有低折射率，和至少一层有中等折射率；
b)底部反射器包括有高折射率的最顶层；和
c)顶部反射器包括有高折射率的最底层。
8.按照权利要求7的半导体激光器，其中的有源区位于有高折射率的层内。
9.按照权利要求7的半导体激光器，其中的有源区位于有中等折射率的层内。
10.按照权利要求6的半导体激光器，其中：
a)该空腔还包括至少一层有高折射率，和至少一层有中等折射率；
b)底部反射器包括有高折射率的最顶层；和
c)顶部反射器包括有高折射率的最底层。
11.按照权利要求10的半导体激光器，其中的有源区位于有低折射率的层内。
12.按照权利要求10的半导体激光器，其中的有源区位于有中等折射率的层内。
13.按照权利要求10的半导体激光器，其中的有源区位于有低折射率的层与有中等折射率的层之间。
14.按照权利要求1的半导体激光器，其中的激光器沿垂直方向发射光，使该激光器起表面发射激光器的作用。
15.按照权利要求14的半导体激光器，还包括光学孔径，该光学孔径能让产生的光从该结构中出射。
16.按照权利要求15的半导体激光器，其中的光学孔径，是通过部分有选择地移去顶部反射器的若干层作成的。
17.按照权利要求15的半导体激光器，其中的光学孔径，是通过在顶部反射器的顶部增加一层作成的。
18.按照权利要求1的半导体激光器，其中的激光器沿横向方向发射光，使该激光器起边缘发射激光器的作用。
19.按照权利要求1的半导体激光器，其中沿垂直方向的反馈，是由多层的底部和顶部反射器提供的。
20.按照权利要求1的半导体激光器，其中的顶部反射器由单层构成，而底部反射器由多层构成，以便这些反射器提供垂直方向的反馈。
21.按照权利要求1的半导体激光器，其中的顶部反射器由多层构成，而底部反射器由单层构成，以便这些反射器提供垂直方向的反馈。
22.按照权利要求1的半导体激光器，其中的顶部反射器和底部反射器各由单层构成，从而提供垂直方向的反馈。
23.按照权利要求22的半导体激光器，其中的倾斜光学模，既在空腔与顶部反射器之间的边界，也在空腔与底部反射器之间的边界，以大于全内反射角的角度，倾斜于层的法线。
24.按照权利要求1的半导体激光器，其中的空腔还包括在空腔的每一侧至少一个反射镜，该反射镜提供沿横向方向的反馈。
25.按照权利要求1的半导体激光器，其中的顶部反射器部分地被蚀刻，以便提供沿横向方向的分布反馈。
26.按照权利要求1的半导体激光器，还包括在顶部反射器上面制作的光栅，其中，该光栅提供沿横向方向的分布反馈。
27.按照权利要求3的半导体激光器，还包括：
d)置于顶部反射器顶部的吸收单元，其中，该吸收单元包括吸收区，该吸收区吸收通过顶部反射器透射的光。
28.按照权利要求3的半导体激光器，还包括：
d)夹在基底与底部反射器之间的吸收单元，其中，该吸收单元包括吸收区，该吸收区吸收通过底部反射器发射的光。
29.按照权利要求3的半导体激光器，还包括：
d)相位控制单元，包含：
i)位于第一p型掺杂电流扩展区上面的调制区，其中，该调制区使用电光效应调制光的波长；
ii)在该调制区上面的第二n型掺杂电流扩展区；
iii)置于相位控制单元每一相邻区之间的电流孔径；和
iv)在第二n型掺杂电流扩展区与第一p型掺杂电流扩展区之间的相位控制单元偏置控制装置，以便能为调制区对光波长的调制建立电场。
30.按照权利要求29的半导体激光器，其中，当对调制区施加反向偏置，使调制区暴露在电场中时，调制区可以调制光的波长。
31.按照权利要求30的半导体激光器，还包括光学孔径，该光学孔径能使产生的光从该结构出射。
32.按照权利要求31的半导体激光器，其中的光学孔径，是通过部分有选择地移去顶部反射器的若干层作成的。
33.按照权利要求31的半导体激光器，其中的光学孔径，是通过在顶部反射器的顶部增加一层作成的。
34.按照权利要求30的半导体激光器，还包括吸收单元，该吸收单元包括置于顶部反射器顶部的吸收区，用于提供沿横向方向的光输出。
35.按照权利要求29的半导体激光器，其中，当对调制区施加正向偏置，使电流注入调制区时，调制区可以调制光的波长。
36.按照权利要求35的半导体激光器，还包括光学孔径，该光学孔径能让产生的光从该结构出射。
37.按照权利要求36的半导体激光器，其中的光学孔径，是通过部分有选择地移去顶部反射器的若干层作成的。
38.按照权利要求36的半导体激光器，其中的光学孔径，是通过在顶部反射器的顶部增加一层作成的。
39.按照权利要求36的半导体激光器，还包括吸收单元，该吸收单元包括置于顶部反射器顶部的吸收区，用于提供沿横向方向的光输出。
40.按照权利要求29的半导体激光器，还包括：
e)功率调制单元，包含：
i)位于第二n型掺杂电流扩展区上面的第一吸收区，其中该第一吸收区使用电光效应，调制吸收的功率；
ii)第一吸收区上面的第二p型掺杂电流扩展区；
iii)位于功率调制单元每一相邻区之间的电流孔径；和
iv)第二n型掺杂电流扩展区与第二p型掺杂电流扩展区之间的功率调制单元偏置控制装置，以便能够建立使第一吸收区移至吸收峰光谱位置的电场，从而在发射光给定波长上调制吸收。
41.按照权利要求40的半导体激光器，其中，当对第一吸收区施加反向偏置时，第一吸收区被暴露在电场中。
42.按照权利要求41的半导体激光器，还包括光学孔径，该光学孔径能让产生的光从该结构中出射。
43.按照权利要求41的半导体激光器，还包括吸收单元，该吸收单元包括位于顶部反射器顶部的第二吸收区，用于提供沿横向方向的光输出。
44.按照权利要求40的半导体激光器，其中，当对第一吸收区施加正向偏置时，电流注入第一吸收区。
45.按照权利要求44的半导体激光器，还包括光学孔径，该光学孔径能让产生的光从该结构中出射。
46.按照权利要求44的半导体激光器，还包括吸收单元，该吸收单元包括位于顶部反射器顶部的第二吸收区，用于提供沿横向方向的光输出。
47.按照权利要求3的半导体激光器，还包括：
d)功率调制单元，包含：
i)位于第一p型掺杂电流扩展区上面的第一吸收区，其中，该吸收区使用电光效应，调制吸收的功率；
ii)在该吸收区上面的第二n型掺杂电流扩展区；
iii)置于每一相邻区之间的电流孔径；和
iv)在第二n型掺杂电流扩展区与第一p型掺杂电流扩展区之间的功率调制单元偏置控制装置，以便能够建立使该吸收区移至吸收峰光谱位置的电场，从而在给定光波长上调制吸收。
48.按照权利要求47的半导体激光器，其中，当对第一吸收区施加反向偏置，使第一吸收区暴露在电场中时，第一吸收区可以调制吸收功率。
49.按照权利要求48的半导体激光器，还包括光学孔径，该光学孔径能让产生的光从该结构中出射。
50.按照权利要求49的半导体激光器，其中的光学孔径，是通过部分有选择地移去顶部反射器的若干层作成的。
51.按照权利要求50的半导体激光器，其中的光学孔径，是通过在顶部反射器的顶部增加一层作成的。
52.按照权利要求48的半导体激光器，还包括吸收单元，该吸收单元包括位于顶部反射器顶部的第二吸收区，用于提供沿横向方向的光输出。
53.按照权利要求47的半导体激光器，其中，当对吸收区施加正向偏置时，电流注入吸收区。
54.按照权利要求53的半导体激光器，还包括光学孔径，该光学孔径能让产生的光从该结构中出射。
55.按照权利要求54的半导体激光器，其中的光学孔径，是通过部分有选择地移去顶部反射器的若干层作成的。
56.按照权利要求54的半导体激光器，其中的光学孔径，是通过在顶部反射器的顶部增加一层作成的。
57.按照权利要求53的半导体激光器，还包括吸收单元，该吸收单元包括位于顶部反射器顶部的第二吸收区，用于提供沿横向方向的光输出。
58.按照权利要求1的半导体激光器，其中一个反射器是多层反射器，而另一个反射器是单层反射器。
59.按照权利要求58的半导体激光器，其中的底部反射器是单层反射器，而顶部反射器是多层反射器。
60.按照权利要求59的半导体激光器，其中的倾斜光学模，在空腔与底部反射器之间的边界上，以大于全内反射角的角度，倾斜于层的法线。
61.按照权利要求58的半导体激光器，其中的底部反射器是多层反射器，而顶部反射器是单层反射器。
62.按照权利要求61的半导体激光器，其中的倾斜光学模，在空腔与顶部反射器之间的边界上，以大于全内反射角的角度，倾斜于层的法线。
63.按照权利要求3的半导体激光器，其中的有源区，位于谐振倾斜光学模强度局部最大的位置。
64.按照权利要求29的半导体激光器，其中的调制区，位于谐振倾斜光学模强度局部最大的位置。
65.按照权利要求29的半导体激光器，其中的有源区和调制区两者，都位于谐振倾斜光学模强度局部最大的位置。
66.按照权利要求47的半导体激光器，其中的吸收区，位于谐振倾斜光学模强度局部最大的位置。
67.按照权利要求47的半导体激光器，其中的有源区和吸收区两者，都位于谐振倾斜光学模强度局部最大的位置。
68.按照权利要求40的半导体激光器，其中的有源区、调制区、和吸收区，都位于谐振倾斜光学模强度局部最大的位置。
69.按照权利要求3的半导体激光器，其中的空腔还包括：
vii)位于第一p型掺杂电流扩展区上面的调制区；和
viii)位于第一p型掺杂电流扩展区与调制区之间的电流孔径。
70.按照权利要求69的半导体激光器，其中的调制区，包括调制层，该调制层在靠近产生的光的光谱线的光谱区中，有吸收峰。
71.按照权利要求70的半导体激光器，其中调制层的设计，要能使调制层折射率随温度增加而谐振降低，该谐振降低能对空腔有效折射率平均非谐振的增加进行补偿，因而为发射光的线宽提供对抗温度变化的附加的稳定性。
72.按照权利要求71的半导体激光器，其中的调制层位于谐振倾斜光学模局部最大的位置。
73.按照权利要求71的半导体激光器，其中的有源区和调制层两者，都位于谐振倾斜光学模局部最大的位置。
74.一种光检测器，包括：
a)底部反射器；
b)顶部反射器；和
c)位于底部反射器及顶部反射器之间的空腔，该空腔包括位于空腔内的光吸收区，其中该空腔的设计，能使空腔的谐振光学模中光的传播方向，既倾斜于横向平面法线，也相对于该横向平面本身倾斜。
75.按照权利要求74的光检测器，还包括底部反射器下面的基底。
76.按照权利要求75的光检测器，其中：
a)当光吸收区吸收光时，产生电子空穴对；和
b)该空腔还包括：
i)光吸收区下面的第一约束区；
ii)光吸收区上面的第二约束区；
iii)在基底上面和第一约束区下面的第一n型掺杂电流扩展区；
iv)在第二约束区上面和顶部反射器下面的第一p型掺杂电流扩展区；
v)位于每一相邻区之间的电流孔径；和
vi)第一n型掺杂电流扩展区与第一p型掺杂电流扩展区之间的偏置控制装置，使光吸收层吸收光而建立的电子空穴对，在外部电路产生光电流。
77.按照权利要求76的光检测器，其中的光检测器检测来自垂直方向的光。
78.按照权利要求76的光检测器，其中的光检测器检测来自横向方向的光。
79.一种放大器，包括：
a)底部反射器；
b)顶部反射器；和
c)位于底部反射器及顶部反射器之间的空腔，包括位于空腔内的有源区，其中该空腔的设计，能使空腔的谐振光学模中光的传播方向，既倾斜于横向平面的法线，也相对于该横向平面本身倾斜。
80.按照权利要求79的放大器，还包括底部反射器下面的基底。
81.按照权利要求80的放大器，其中：
a)当对有源区施加正向偏置，使电流注入有源区时，有源区把光放大；和
b)该空腔还包括：
i)有源区下面的第一约束区；
ii)有源区上面的第二约束区；
iii)在基底上面和第一约束区下面的第一n型掺杂区；
iv)在第二约束区上面和顶部反射器下面的第一p型掺杂区；和
v)第一n型掺杂电流扩展区与第一p型掺杂电流扩展区之间的偏置控制装置，能使电流注入光产生层，使光放大。
82.按照权利要求80的放大器，其中，基底是n型掺杂、底部反射器是n型掺杂、和顶部反射器是p型掺杂。
83.按照权利要求82的放大器，还包括：
d)位于基底下面的n型触点；和
e)位于顶部反射器上面的p型触点；
84.按照权利要求83的放大器，其中的p型触点在横向平面内相对于倾斜光学模传播的横向方向旋转，以便使该放大器不作为激光器运转。
85.按照权利要求1的半导体激光器，其中只有激光器结构的一部分，是由倾斜空腔形成。
86.按照权利要求1的半导体激光器，其中倾斜空腔的至少一个侧面，被选自单层涂层及多层涂层的一种涂层覆盖；
其中的涂层控制横向方向的光输出。
87.按照权利要求1的半导体激光器，其中至少有一根光纤附着在空腔侧面邻域中电磁场的近场区，从而把空腔的谐振光学模耦合至光纤。
88.按照权利要求1的半导体激光器，其中至少有一根光纤附着在顶部反射器的顶部表面邻域中电磁场的近场区，从而把空腔的谐振光学模耦合至光纤。
89.按照权利要求1的半导体激光器，其中至少有一根光纤附着在顶部反射器顶部表面上部邻域中的电磁场近场区，从而把空腔的谐振光学模耦合至光纤。
90.一种光纤，包括：
a)纤芯；和
b)设计的多层涂层，以便只让某一区间波长的光能够传播，从而提供一种波长稳定系统。
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