CN1701476A - 基于激光辐射较高模的光子带隙晶体调解过滤效应的半导体激光器及其制造方法 - Google Patents

基于激光辐射较高模的光子带隙晶体调解过滤效应的半导体激光器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种具有低光束发散的半导体激光器。该激光器包括：至少一个波导，该波导包括由电流注入产生光增益的激活层；光子带隙晶体，其在垂直于发射的光传播的方向上具有折射系数调制；和至少一个缺陷。优选在缺陷内放置激活层。使光子带隙晶体和缺陷最优化，以使激光辐射的基模被局限在缺陷处并从缺陷衰减掉，同时其它光模在光子带隙晶体上延伸。在缺陷处基模的局限导致该模幅度相对于其它模相对提高。因此，与其它模的限制因子相比具有较大的基模限制因子。这产生了来自具有延伸波导的激光器的有效单模激光作用。

Description

基于激光辐射较高模的光子带隙晶体调解过滤效应的 半导体激光器及其制造方法
技术领域
发明属于半导体器件领域。确切地说，发明属于具有低光束发散的半导体激光器。
背景技术
大功率半导体激光器在电信系统(作为泵)、光纤放大器和其它应用中起到了重要的作用。
对于边缘发射激光器为了获得每小面低功率密度和低光束发散，一般使用延伸的波导。但是，远场图形的显著变窄受限于多模激光辐射。
具有低光束发散的边缘发射激光器领域现有技术包括在理论上获得低光束发散的漏波二极管激光器概念。现有技术的例子为1982年5月4日签发的US专利No.4328469，名称“HIGH OUTPUT POWERINJECTION LASERS”。该专利公开了具有夹在一对中间系数层之间的激活层的异质结构注入型激光器。具有非常薄的低折射系数和高带隙的层位于激活层和中间层之间。可以以不同组合应用薄层以产生基模导向效应。
这种器件的主要缺陷是基模的限制因子非常小。人们不能制造基于该效应的大功率激光器。因此，本领域需要一种实现低光束发散和大功率输出的激光器。
发明内容
公开了一种具有低光束发散的半导体激光器。该激光器包括至少一个波导，该波导包括由电流注入产生光增益的激活层；光子带隙晶体，其在垂直于发射光传播的方向上具有折射系数调制；和至少一个缺陷。优选在缺陷内放置激活层。使光子带隙晶体和缺陷最优化，以使激光辐射的基模被局限在缺陷处并从缺陷衰减掉，同时其它光模在光子带隙晶体上延伸。在缺陷处基模的局限导致该模幅度相对于其它模相对提高。因此，与其它模的限制因子相比存在较大的基模限制因子。这产生了自具有扩展的波导激光器的有效单模激光。
附图说明
图1示出本发明激光器一个实施例的示意图，其中激光器结构中的波导包括由周期顺序交替的低和高折射系数层实现的光子带隙晶体和局限光子的缺陷。还示出了对于给定实施例的折射系数分布图。对于特定实施例示出了合金组分分布图，其中通过调制Ga1-xAlxAs合金中合金组分x实现折射系数的调制。
图2示出本发明激光器一个实施例的示意图，其中缺陷中包括具有高折射系数的单层，该层的厚度超过具有高折射系数光子带隙晶体中层的厚度。
图3示出本发明另一个实施例的示意图，其中具有比光子带隙晶体层高的折射系数的单层是局部化缺陷的一部分。
图4示出本发明另一个实施例的示意图，其中具有低折射系数的单层将具有高折射系数的两个邻近层分开，分开的层比具有低折射系数的光子带隙晶体的其它层薄。
图5示出本发明另一实施例的示意图，其中具有中间系数的单层将具有高折射系数的两个邻近层分开。
图6示出在基横电(TE)模和一阶TE模中的相对电场强度和图2所示激光器的折射系数。
图7示出本发明另一实施例的示意图，其中在光子带隙晶体的各层中的一层中放置吸收层。
图8示出本发明另一实施例的示意图，其中由递变系数层间隔开高折射系数层和低折射系数层。
图9示出本发明另一实施例的示意图，其中在光子带隙晶体的各层中的一层中放置吸收层，递变系数层间隔开高折射系数层和低折射系数层。
图10示出基TE模和一阶TE的折射系数分布图和电场强度，其中与图9所示实施例的实例中的一阶模电场相比，在吸收层的基模电场受到显著抑制。
图11示出折射系数分布图和在图9所示实施例的实例中基模电场强度和一阶、二阶、三阶和四阶TE模电场强度的对比。
图12示出在图9所示实施例的实例中激光器的远场图形。
图13示出本发明另一实施例的示意图，其中由薄势垒层围绕激活区。
图14示出本发明另一实施例的示意图，其中在光子带隙晶体的各层中的一层中放置吸收层，并由薄势垒层围绕激活区。
图15示出本发明另一实施例的示意图，其中递变系数层间隔开高折射系数层和低折射系数层，并由薄势垒层围绕激活区。
图16示出本发明另一实施例的示意图，其包括在光子带隙晶体的各层中的一层中放置的吸收层，间隔开高折射系数层和低折射系数层的递变系数层，和围绕激活区的薄势垒层。
图17示出本发明另一实施例的示意图，其中在光子带隙晶体的各层中的一层中放置激活区，局限光子的缺陷仅具有无源元件。
图18示出本发明另一实施例的示意图，其中把侧向平面中具有折射系数调制的光子带隙晶体引入到垂直腔面发射激光器。
具体实施方式
本发明的边缘发射半导体激光器的目的是获得辐射的窄远场图形。通过使用延伸的波导来解决该任务。目前波导的主要缺陷是导致复远场图形和宽光束发散的激光辐射多模性。为了抑制较高模，同时提供适度的基模限制因子，需要一种特别的波导设计。
本发明教导了在产生的光垂直于折射系数调制方向传播的几何结构中使用光子带隙晶体。特别是对于本发明的边缘发射半导体激光器，光子带隙晶体是一维周期层结构，其中在垂直方向z上调制折射系数n，n＝n(z)。接着，在TE模中所说的电场强度可以写为以下形式：
 Ex(x，z，t)＝Ey(z)exp[i(βx-ωt)]，               (1)
其中exp[iβx]代表沿x方向波导的传播，幅度Ey(z)描绘了横穿波导的电场强度的变化。后者符合波等式(例如参见H.C.Casey，Jr.和M.B.Panish，的Semiconductor Lasers，Part A，AcademicPress，N.Y.1978，32-43页和70-79页)：
- ∂ 2 E y ∂ z 2 + [ β 2 - ω 2 c 2 n ( z ) ] E y = 0 . - - - ( 2 )
在无限大物体，优选周期光子带隙晶体中，光谱包括对于频率ω和常数β的带，其电磁波是穿过晶体传播的周期波，以及对于可能没有电磁波传播的禁带。在任意实际的系统中，理想的周期性被一序列层的端部或违反折射系数周期分布图的任意类型缺陷所破坏。这种缺陷可以在z方向上局限或不局限电磁波。在局限缺陷的情况中，可能有两种类型的电磁波。存在a)在z方向由缺陷局限且在x方向沿波导传播的波，和b)在z方向在光子带隙晶体上延伸且在x方向沿波导传播的波。
因此，本发明的边缘发射激光器包括两个主要元件：1)具有在垂直方向折射系数调制的光子带隙晶体，和2)其中优选放置激光器激活区的缺陷。以如下方式设计该光子带隙晶体和其缺陷：激光辐射的一个且仅一个模由缺陷局限，并在z方向从缺陷衰减掉，同时其它模在光子带隙晶体上沿z方向延伸。
由两个参数控制局限激光辐射模的缺陷的能力。第一个参数是缺陷和光子带隙晶体参考层的折射系数差，Δn。第二个参数是缺陷体积。对于本发明的激光器，其中仅在一个方向调制折射系数，n＝n(z)，第二个参数是缺陷的厚度。一般，在固定缺陷厚度随着Δn值的增加，由缺陷局限的模数也增加。在固定的Δn随着缺陷厚度的增加，由缺陷局限的模数也增加。本发明激光器的设计选择两个参数，Δn和缺陷厚度，以使一个且仅一个激光辐射模由缺陷局限。其它模是在光子带隙晶体上沿z方向的延伸模。
发明的优选实施例提供了一种激光器，该激光器具有放置在波导的缺陷区中的激活区，该波导中局限激光辐射的基模。由两种趋势的相互作用决定基模的所需局限长度。一方面，局限长度需要足够大以提供低远场光束发散。另一方面，局限长度应充分小于光子带隙晶体的长度。这提供了在光子带隙晶体总厚度尺度上基模的有效局限，和因此与其它模相比基模的电场强度显著增加。本发明的激光器特定实施例实现了4°光束发散，同时在具有0.8μm GaAs腔和Ga1-xAlxAs覆盖层(其中x＝0.3)的标准双异质结构激光器中限制因子为0.11。
特别地参照图1，示出了新颖边缘发射半导体激光器(100)的第一实例，其使用按照本发明制造的激光辐射较高模基于光子带隙晶体的过滤。在衬底(102)上外延生长该结构，继之以n掺杂缓冲层(103)。
衬底(102)优选由任意III-V半导体材料或III-V半导体合金，例如GaAs、InP、GaSb等构成。GaAs是本发明的优选衬底(102)。n发射极(103)优选由与衬底晶格匹配或接近晶格匹配、对产生的光透明并由施主杂质掺杂的材料构成。在优选实施例中，n发射极(103)由与衬底相同的材料构成，例如GaAs。对于该层(103)可能的施主杂质包括但不限于S、Se、Te或像Si、Ge和Sn的两性杂质。在这样的技术条件下引入后组杂质：它们主要被插入阳离子子格中并用作施主杂质。例如，n掺杂层是通过分子束外延生长和用2×1017cm-3浓度Si杂质掺杂的GaAs或GaAlAs层，n+掺杂层(103)是通过分子束外延生长和用3×1018cm-3浓度Si杂质掺杂的GaAlAs层。在优选实施例中，n掺杂层(103)包括多于一层，例如层叠的n+-n结构等。
这些层继之以光子带隙晶体(120)，其包括n个周期。每个周期包括具有低折射系数的n掺杂层(104)和具有高折射系数的n掺杂层(105)。由此，光子带隙晶体(120)包括n个周期，每个周期包括层(104)和层(105)。优选由与衬底(102)晶格匹配的或接近晶格匹配并对发射的光透明的材料构成光子带隙晶体(120)。在GaAs衬底上器件的实例中，优选实施例是具有调制铝组分x的合金Ga1-xAlxAs。光子带隙晶体(120)的所有层(104)和(105)必须是n掺杂的。选择周期的数量、每层的厚度和每层中合金的组分以在z方向上提供局限一个且仅一个激光辐射的模。
由具有低折射系数的层(104)在一侧上围绕光子带隙晶体(120)，由缺陷(121)从另一侧围绕光子带隙晶体(120)。光子带隙晶体(120)层的周期顺序继之以特别设计的缺陷(121)，其包括厚n掺杂层(106)、较薄弱n掺杂或未掺杂层(107)、激活层(108)、弱p掺杂或未掺杂层(109)和厚p掺杂层(110)。缺陷(121)局限光子。优选在缺陷(121)内放置激活区(108)或发光层。但是，如图17所示，激活区还可以位于缺陷(121)外面。层(106)和(110)优选由与衬底(102)晶格匹配或接近晶格匹配并对发射光透明的材料构成。在GaAs衬底(102)上器件的实例中，对于层(106)和(110)优选的材料是GaAs或Ga1-xAlxAs。对于弱掺杂或未掺杂层(107)和(109)的优选材料包括GaAs或Ga1-xAlxAs。
优选通过任意插入形成激活区(108)，激活区的能带隙比衬底(102)的能带隙窄。可能的激活区(108)包括但不限于量子阱、量子线、量子点或其任意组合的单层或多层系统。在GaAs衬底上器件的实例中，对于有源元件的优选实施例包括但不限于InAs、In1-xGaxAs、InxGa1-x-yAlyAs、InxGa1-xAs1-yNy或类似材料的插入系统。从激光器(100)的边缘发射光(122)。光(122)垂直于图1的平面传播。
缺陷(121)后面为具有低折射系数的p掺杂层(111)、具有中间系数的p掺杂层(112)、具有低折射系数的厚p掺杂层(113)和厚p掺杂缓冲层(114)。层(111)、(112)和(113)为p掺杂的且优选由与衬底(102)晶格匹配或接近晶格匹配且对发射光透明的材料构成。在GaAs衬底上器件的实例中，这些层的优选材料为具有调制铝组分x的合金Ga1-xAlxAs。层(111)优选具有低折射系数，层(112)优选具有中间或高折射系数，层(113)优选具有低折射系数。
优选由与衬底(102)晶格匹配或接近晶格匹配、对产生的光透明且由受主杂质掺杂的材料构成p掺杂接触层(114)。在优选实施例中，该层(114)为与衬底相同的材料，例如GaAs。可能的受主杂质包括但不限于Be、Mg、Zn、Cd、Pb、Mn或像Si、Ge和Sn的两性杂质。在这样的技术条件下引入后组杂质：它们主要被结合在阴离子子格中并用作受主杂质。例如，p掺杂层是通过分子束外延生长和用2×1017cm-3浓度Be杂质掺杂的GaAs或GaAlAs层，p+掺杂层是是通过分子束外延生长和用2×1019cm-3浓度Be杂质掺杂的GaAlAs层。在优选实施例中，p掺杂层(114)包括多于一层，例如层叠的p-p+结构等。在图6的讨论中，以下给出了对各层折射系数的优选数值。
整个结构放置在n接触(101)和p接触(115)之间。优选由多层金属结构构成接触层(101)和(115)。n接触(101)优选由包括但不限于三层结构Ni-Au-Ge的材料构成。p接触(115)可以由包括但不限于三层结构Ti-Pt-Au的材料构成。
激光器(100)的波导优选包括光子带隙晶体(120)、缺陷(121)、具有低折射系数的层(111)和具有中间折射系数的层(112)。位于n发射极(103)顶部的层(104)和层(113)用作激光器(100)的覆盖层。光子带隙晶体(120)、周期数、周期、在光子带隙晶体(120)周期内每层的厚度和折射系数以及缺陷(121)的结构所有都设计成在缺陷(121)处局限激光辐射的一个且仅一个TE模，同时所有其它模在光子带隙晶体(120)上延伸。激光器(100)的不对称设计选择成减小p掺杂区(111)、(112)、(113)和(114)的总宽度，从而减小结构的总电阻。这就是为什么缺陷漂向p接触(115)的原因，优选在缺陷(121)中设置激活区(108)。使用厚p掺杂层(113)防止基模延伸到在p接触(115)附近的吸收p掺杂接触层(114)或延伸到p接触(115)自身。使用具有中间系数的附加层(112)来减小层(113)对在缺陷区(121)中激光模的影响，并由此在激活区(108)中在基模中保持很大的电场强度。一般，层(111)和(112)不是本发明激光器的必要部分。
以下计算遍布整个结构的所需折射系数分布图。引入了模型结构。从等式(2)本征矢量问题的解获得基TE模和高阶TE模。由于计算出了基模，通过使用例如H.C.Casey，Jr.和M.B.Panish，在Semiconductor Lasers，Part A，Academic Press，N.Y.1978，第2章中给出的方法计算远场图形。作为在最低光束发散，激活媒质中基模的最大幅度，和在激活媒质较高模的幅度与基模的幅度最低比率之间提供优选相互作用的最优化结果获得了所需的结构。
图2示出本发明的特定实施例，其中缺陷(121)包括层(106)、(107)、(108)、(109)和(110)。缺陷(121)的层(106)、(107)、(109)和(110)结合到一起优选具有与每层(105)一样的高折射系数并比层(105)厚。在图2的实施例中示出的所有层(105)具有相同的厚度。在图2以及图3-5中示出一层(105)以示范本发明激光器各个可能的实施例。由于由缺陷(121)局限基模，在激活区中基模中的电场强度基本上比其它模高。在图6中示出了与一阶TE模的比较。在激活区中一个且仅一个模的增强获得了模的有效过滤并实现了单模激光作用。
图3示出本发明的另一实施例，其中缺陷(121)包括层(106)、(107)、(108)、(109)和(110)。层(106)、(107)、(109)和(110)结合到一起具有与每层(105)一样的厚度，且折射系数高于每层(105)的折射系数。因为缺陷区(121)具有如此高的折射系数，它被设计成局限激光辐射的基模。
图4示出本发明的另一实施例(激光器(400))，其中缺陷(421)包括具有低折射系数的层(401)。层(401)比光子带隙晶体(420)的层(104)薄。与图1-3所示的实施例相反，与其它层(104)相比具有不同厚度的层(401)不再是光子带隙晶体(420)的一部分，而是缺陷(421)的一部分。层(401)的折射系数与层(104)的相同。由于层(401)的厚度减小，增强了围绕层(401)的邻近层之间的电磁波的隧穿。因此，邻近层(401)的层(105)，和缺陷(421)趋于局限电磁波。层(401)优选由与衬底(102)晶格匹配或接近晶格匹配的材料构成且对发射光是透明的。在优选实施例中，层(401)由与层(104)相同的材料构成。
图5示出本发明的另一实施例(激光器(500))，其中层(501)分开了具有高折射系数的两个层(105)和(106)。层(501)具有在光子带隙晶体(520)的层(104)和(105)折射系数之间的中间折射系数。由于层(501)的中间折射系数，增强了围绕层(501)的邻近层之间的电磁波隧穿。因此，邻近层(501)的层(105)和缺陷(521)趋于局限电磁波。层(501)优选由与衬底(102)晶格匹配或接近晶格匹配的材料构成且对发射光是透明的。在优选实施例中，层(501)由Ga1-xAlxAs构成，其中铝含量x在层(104)和层(105)的铝含量中间。
图6描绘了对于本发明激光器的特定实现在z方向上基TE模和一阶TE模的分布图。特别是，该图呈现了图2实施例的激光器(100)。光子带隙晶体(120)包括28个周期，每个周期包括具有低折射系数的单层(104)和具有高折射系数的单层(105)。通过具有高折射系数的层和超出层(105)厚度的厚度来实现缺陷(121)。在该实施例中，层(104)和层(111)每层具有90nm的优选厚度并由Ga1-xAlxAs构成，其中x＝0.55。层(105)具有900nm的优选厚度并由GaAs构成。缺陷(121)具有1.0μm的优选厚度。层(112)具有400nm的厚度并由Ga1-xAlxAs构成，其中x＝0.05。对于该特定实施例中的激光器，层(105)、(106)和(110)的折射系数优选等于3.590，层(104)和(111)的折射系数优选等于3.227，层(103)和(112)的折射系数优选等于3.555，层(113)的折射系数优选等于3.080。图6示出激活区中基TE模的电场强度大约是一阶TE模的两倍大。其对所有更高模都是有效。这样的实施例产生了具有1.7°远场光束发散的单模激光。
本发明的其它实施例包括其中通过组合图2至图5中示出的一些或所有变型来实现局限缺陷的结构。在另外的实施例中，局部化的缺陷被分布在光子带隙晶体的多于一个的周期上。另外的一些实施例通过对折射系数的一些非周期性的调制来局限基TE模。本发明的其他实施例包括其中光子带隙晶体延伸在局部化缺陷的两侧上的结构。
图7示出本发明的另一实施例(激光器(700))，其教导了使用吸收层(701)来抑制激光辐射的更高模。吸收层(701)是对发射的光具有高吸收系数的层。优选在光子带隙晶体(720)的层(105)中放置吸收层(701)，其具有高折射系数并位于光子带隙晶体(720)的相对侧作为包含激活区(108)的缺陷(721)。使用吸收层(701)提供了以下优点。在基模中的电场强度从缺陷(721)衰减掉。一般该衰减遵循由振荡因子调制的某些减小指数。换句话说，在光子带隙晶体(720)的给定周期内电场强度的最大值从缺陷(721)呈指数地衰减掉。另一方面，没有高阶模表现出任何衰减。由于该现象，远离缺陷(721)的基模电场比其它模的电场显著弱，例如弱一个量级或更多。在该位置在光子带隙晶体(720)中放置对发射光具有高吸收系数的吸收层(701)提供了高阶模的有效抑制，同时不影响基模。该效应能够抑制激光辐射的高模并实现单模激光作用。注意到激活区(108)和吸收层(701)具有大约10nm的典型厚度，其不会显著影响激光辐射的模分布图。因此，认为其中放置吸收层(701)的层(105)为光子带隙晶体(720)的一部分。
在本发明的替换实施例中，吸收层(701)不放置在光子带隙晶体(720)第一层(105)内部，而是放置在下一层(105)内部。其它实施例包括放置在光子带隙晶体(720)的几个周期中的多于一个的吸收层(701)。
图8示出本发明的另一实施例(激光器(800))。该实施例与图1所示的激光器相似，在具有低折射系数的每层和具有高折射系数的邻近层之间引入附加的递变折射系数层(801)。使用递变折射系数层(801)是基于GaAs/Ga1-xAlxAs异质结构半导体激光器的标准激光器。递变折射系数层(801)提供了折射系数的连续变化。递变折射系数通过层(801)中的递变铝含量x实现并用于减小异质结构的电阻。递变折射系数层(801)的厚度优选超出电子德拜半径，其在半导体激光器中一般掺杂水平为大约100。
图9示出本发明的另一实施例(激光器(900))，其与图7所示的实施例相似。除了吸收层(701)之外，在具有低折射系数的每层和具有高折射系数的邻近层之间引入递变折射系数层(801)。吸收层(701)抑制延伸的模，同时递变折射系数层(801)提供折射系数的连续变化。例如在基于GaAs/Ga1-xAlxAs异质结构的半导体激光器中，折射系数层(801)包含递变的铝含量x。
为了说明本发明实际边缘发射激光器的性能，基于递变GaAs/Ga1-xAlxAs异质结构并包含吸收层(701)的图9所示的特定实施例用作实例。计算用于具有在图10底部示出的折射系数分布图的特定结构的模。图9的光子带隙晶体(920)包含n＝13的周期。具有高折射系数的层(105)优选由GaAs构成并具有大约0.8μm的厚度。包括层(106)、(107)、(108)、(109)和(110)的缺陷(921)具有大约0.9μm的厚度。在缺陷(921)的中间放置激活区(108)。具有低折射系数的层(104)由Ga1-xAlxAs构成，其中x＝0.55，并优选具有大约600的厚度。递变折射系数层(801)优选具有大约400的厚度。用于在p接触层(114)之前提供基模衰减的层(112)为大约0.3μm厚并优选由Ga1-xAlxAs构成，其中x＝0.05。层(113)具有0.8的铝含量和大约0.3μm的厚度。自衬底(102)侧在光子带隙晶体(920)的第一周期处放置吸收层(701)。在不对称地接近自衬底(102)侧层边界的层(105)中放置吸收层(701)。自层边界的距离优选为0.1μm。为0.98μm的发射波长计算波导的特定设计。图9实施例的激光器波导包括递变折射系数层(801)、光子带隙晶体(920)的n个周期、缺陷(921)、递变折射系数层(801)、具有低折射系数的层(111)、递变折射系数层(801)、具有中间折射系数的层(112)和递变折射系数层(801)。除了激活层和吸收层的厚度之外，形成波导所有层的厚度与发射波长成比例。对于图9实施例中的激光器，层(105)、(106)和(110)的折射系数优选等于3.590，层(104)和(111)的折射系数优选等于3.227，层(103)和(112)的折射系数优选等于3.555，和层(113)的折射系数优选等于3.080。每个递变系数层(801)的折射系数在邻近层的折射系数值之间逐渐改变。
图10示出在图9的实施例中激光器(900)的基TE模和一阶TE模。对于基模的计算限制因子超出了一阶模限制因子1.5倍。但是，由于局限的基模快速衰减到光子带隙晶体(920)的深度，在吸收层它的吸收比一阶TE模的吸收低约20倍。
图11把图9实施例中激光器(900)的基TE模与一阶、二阶、三阶和四阶TE模比较。图11示范了在吸收层所有高阶TE模的大的幅度。“高阶”模是除基模外的所有模。这示范了与其它模相比在吸收层(701)处基模的显著抑制。每个高阶模的吸收系数超出基模吸收系数20倍(对于一阶模)，对于其它模超出100倍或更多。这证实了把基模与高阶模的有效分离。
n掺杂区的总厚度大约为12μm，包括层(103)、(801)、(104)和(801)、光子带隙晶体(920)的n个周期和激光器(900)中层(106)。p掺杂区的厚度大约为1μm，包括层(110)、(801)、(111)、(801)、(112)、(801)、(113)、(801)和(114)。在激光器(900)中，覆盖层是具有低折射系数的最左边的层(104)和具有低折射系数的层(113)，波导的宽度优选等于13.16μm。当讨论图9所示激光器的基模限制因子时，把其与参考激光器的限制因子比较是方便的。对于参考激光器，我们采用具有GaAa0.8μm宽波导和Ga0.7Al0.3As覆盖层的双异质结构激光器。由此图9所示激光器的基模的限制因子大约是参考激光器限制因子的0.1。通过使用双量子阱作为激活区(108)，可以使本发明激光器的限制因子加倍，而不影响模的分布图。这使得可能实现具有适度低阈值电流密度的激光作用。
图12示出该实施例的基TE模的远场图像。远场图像的最大半波宽等于4°。由此，对于示例激光器结构进行的计算能够制造有效的单模激光器的激光器，该激光器具有窄(4°)光束发散和适度的基TE模限制因子。
图13示出本发明的另一实施例，其中激光器(1300)与图1所示的激光器相似，附加两层(1301)。这些薄层(1301)围绕激活区(108)。这些层(1301)由对载流子产生电势势垒的材料构成。这些层(1301)防止载流子从激活区蒸发，并由此提供激光器(1300)的高温稳定性。一方面，这些层(1301)必须足够薄以促进电子从n掺杂层(106)到激活区(108)的隧穿和空穴自p掺杂层(110)到激活区(108)的隧穿。另一方面，这些层(1301)必须足够以阻碍载流子在升高温度从激活区(108)蒸发，并由此提高激光器(1300)的热稳定性。在实例中，这些层(1301)优选由具有高铝含量x的Ga1-xAlxAs构成。使层(1301)的厚度和铝含量最优化以使载流子有效地隧穿到激活区(108)而不太多增加激光器结构的电阻，同时阻碍载流子从激活区(108)蒸发。层(1301)的典型厚度为小于5nm，典型铝含量超过0.4。
图14示出本发明的另一实施例，其中激光器(1400)与图7所示的激光器(700)相似，附加两层(1301)阻碍载流子从激活区(108)蒸发。激光器(1400)中还包括光子带隙晶体(1420)和缺陷(1421)。吸收层(701)有效地抑制延伸模。用薄势垒层(1301)围绕激活区(108)防止载流子从激活区蒸发，由此提供了激光器(1400)的高温稳定性。
图15示出本发明的另一实施例，其中激光器(1500)与图8所示的激光器(800)相似，附加两层(1301)阻碍载流子从激活区(108)蒸发。激光器(1500)中还包括光子带隙晶体(1520)和缺陷(1521)。递变折射系数层(801)提供折射系数的连续变化。围绕激活区(108)的薄势垒层(1301)防止载流子从激活区(108)蒸发，由此提供了激光器的高温稳定性。
图16示出本发明的另一实施例，其中激光器(1600)与图9所示的激光器(900)相似，附加两层(1301)阻碍载流子从激活区(108)蒸发。激光器(1600)中还包括光子带隙晶体(1620)和缺陷(1621)。吸收层(701)有效地抑制延伸模。递变折射系数层(801)提供折射系数的连续变化。围绕激活区(108)的薄势垒层(1301)防止载流子从激活区(108)蒸发，由此提供了激光器的高温稳定性。
图17示出本发明的另一实施例(激光器(1700))，其中激活区位于光子带隙晶体(1720)的各层中的一层中，并且缺陷(1721)仅有一个无源元件。在图17的特定实施例中，n掺杂层(1706)、弱n掺杂或未掺杂层(1707)、激活区(1708)、弱p掺杂或未掺杂层(1709)和p掺杂层(1710)位于光子带隙晶体(1720)的最右边周期中。优选由与本发明其它实施例中的层(106)、(107)、(108)、(109)和(110)相同的材料构成层(1706)、(1707)、(1708)、(1709)和(1710)。层(1704)是具有低折射系数的p掺杂层。其应由与衬底(102)晶格匹配或接近晶格匹配的材料构成，应对发射光透明并且是p掺杂的。在优选实施例中，层(1704)由与层(104)相同的材料构成，但是p掺杂的。图17所示的缺陷(1721)包括具有高折射系数的p掺杂层(1722)。对激光辐射的基模的局限作用以与图2实施例中所述相同的方式实现。缺陷(1721)具有与具有高折射系数的其它层(105)相同的折射系数，但比层(105)厚。
本发明的替换实施例与上面讨论的附图的相似，但激活层位于缺陷之外。例如，与图3的实施例相似，由具有高于光子带隙晶体的各层(105)折射系数的单层实现缺陷。作为替换，与图4的实施例相似，缺陷可以包括具有高折射系数的两层，层夹具有低折射系数的层，其中该具有低折射系数的层比光子带隙晶体的层(104)薄。与图5的实施例相似，又一个实施例通过具有高折射系数的两层层夹折射系数在光子带隙晶体层(104)和(105)折射系数之间的层来限定缺陷。
本发明的其它实施例包括激活层位于局限缺陷之外的结构，通过组合图2至5所示的一些或所有修改例实现局限缺陷自身。在附加实施例中，在多于光子带隙晶体的一个周期上分布局限缺陷。还有更多的实施例通过折射系数的某些非周期调制来局限基TE模。本发明的其它实施例包括光子带隙晶体在局限缺陷两侧延伸的结构。
另一个实施例包括与图7实施例相似引入吸收层的结构，但激活层位于局限缺陷之外。与图8实施例相似附加实施例包括激活层位于局限缺陷之外并在具有低折射系数的每层和具有高折射系数的邻近层之间引入递变折系数层的结构。与图13的实施例相似，其中激活层位于局限缺陷之外的另一个实施例包括用于围绕激活层载流子的薄隧穿势垒层。还可能有本发明的其它实施例，其中激活层位于局限缺陷之外，并包括像吸收层、递变系数层和用于围绕激活层的载流子的薄隧穿势垒层的一些或所有元件。本发明的其它实施例包括其中缺陷位于有源元件的n侧或位于有源元件p侧上的结构。
在本发明的替换实施例中，仅激光器结构的一部分由光子带隙晶体构成，光子带隙晶体提供了激光辐射较高模的优效过滤。本发明还包括附加实施例，其中激活媒质和光子带隙晶体被空间上分离并放置在激光器结构的不同部分中。在本发明的其它实施例中，在边缘发射激光器的小面上安装光子带隙晶体，由此促进了激光辐射较高模的有效过滤并提供了有效的单模激光作用。
本发明的附加实施例是波导，例如光纤，其中在垂直于光传播的方向上调制折射系数以使一个且仅一个传播光模位于具有高折射系数的缺陷区并从缺陷区在截面中衰减掉，同时所有其它模在波导的整个截面上延伸。这使得可以应用阻碍除一个模之外所有模传播的吸收层或散射层而并不会改变单模光的传播。该实施例实现了有效单模波导，例如即使在厚光纤情况中的单模光纤。
本发明的附加实施例包括具有垂直于光传播折射系数调制的光子带隙晶体，如在本发明的所有实施例中那样，但光垂直于p-n结平面传播。该实施例优选为垂直腔表面面发射激光器(VCSEL)。
特别是参照图18，示出了使用按照本发明的光子带隙晶体(1820)的VCSEL(1800)的实例。图18示出具有垂直于光传播方向折射系数调制的光子带隙晶体的特别实现。在衬底(102)上外延生长该结构。如在本发明其它实施例中那样，衬底(102)优选由任意III-V半导体材料或III-V半导体合金，例如GaAs、InP、GaSb等构成。在优选实施例中使用GaAs。优选使用布拉格反射器用作底反射镜(1801)。VCSEL(1800)其余部分包括两个主要元件：1)在底反射镜(1801)上的有源元件，和2)包括光子带隙晶体(1820)和缺陷(1821)的激活区上的区域。光子带隙晶体(1820)包括其中插入具有不同折射系数垂直列(1810)的层(1811)。
为了形成有源元件(1806)，电流孔径(1804)和第一金属接触(1803)把n掺杂电流扩散层(1802)与围绕有源元件(1806)的弱掺杂层(1805)和(1807)分离开。第二电流孔径(1804)和第二金属接触(1809)把弱掺杂层(1807)与p掺杂电流扩散层(1808)分离开。通过用作电流阻挡层的电流孔径(1804)把每层与邻近层分离开，优选由Al(Ga)O层或质子轰击层构成该电流孔径(1804)。
优选通过任意插入形成有源元件(1806)，其能带隙比衬底的要窄。可能的有源元件包括但不限于量子阱、量子线、量子点或其组合的一层或多层系统。在GaAs衬底上器件的情况中，对于有源元件的优选材料包括但不限于InAs、In1-xGaxAs、InxGa1-x-yAlyAs、InxGa1-xAs1-yNy或类似材料的插入系统。
优选由与衬底(102)晶格匹配或接近晶格匹配、对产生光透明且由施主杂质掺杂的材料构成n掺杂层(1802)。优选其由与其它实施例中n发射极(103)相同的材料构成。优选由与衬底晶格匹配或接近晶格匹配、对产生的光透明且由受主杂质掺杂的材料构成p掺杂层(1808)。优选其由与其它实施例中的p发射极(114)相同的材料构成。优选由与其它实施例中的n接触(101)相同的材料构成n接触(1803)。优选由与其它实施例中的p接触(115)相同的材料构成p接触(1809)。
n掺杂电流扩展层(1802)直接位于底反射镜(1801)的顶部上。层(1811)受到选择性蚀刻，继之以随后的异质外延增生形成另一材料的垂直列(1810)。区(1821)是局限激光辐射横向基模的缺陷。
分布的布拉格反射器还可以用作在包括光子带隙晶体(1820)和缺陷(1821)的区域顶部上的顶反射镜(1813)。有源元件(1806)在正向偏压(1814)下工作对VCSEL是典型的。光从顶反射镜(1813)发出(1815)。
可以使用对底反射镜(1801)和顶反射镜(1813)的不同设计，例如在D.G.Deppe的Optoelectronic Properties ofSemiconductor and Superlattices(第10卷，Vertical-CavitySurface-Emitting Laser：Technology and Applications，J.Cheng和N.K.Dutta编辑，Gordon and Breach Science出版社，2000，第1-61页)中介绍的那样。优选实施例是多层介质GaAs/AlGaO反射镜。
光子带隙晶体的特别设计包括交替列(1810)和(1811)和缺陷(1821)以及电流孔径(1804)。应以如下方式使这种设计最优化：仅由缺陷(1821)局限的激光辐射横向基模具有比所有在整个侧向平面上延伸的较高模显著大的与激活区的重叠。这种设计促进了有效单模激光作用。通过使用在R.D.Meade等的Accurate theoreticalanalysis of photonic band-gap materials，Phys.Rev.B48：11第8434-8437页(1993)中开发的方法，在不均匀媒质中解决光传播的三维问题来计算特定实施例。
在VCSEL的其它实施例中，通过选择性蚀刻而非过度生长、通过表面介质或金属涂覆或其它构图技术形成光子带隙晶体。在这些实施例中使用的任何构图类型必须促进在缺陷处局限激光辐射的横向基模，由此获得与一个且仅一个模的激活媒质的显著覆盖整体。所有这些方法能够产生有效的单模激光作用。
尽管参照其示例实施例说明并介绍了发明，但本领域技术人员应理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在这里或那里做出前述和各种其它变型、省略和增加。因此，本发明不应理解为限于上述的特定实施例，而应包括在所包括范围和与所附权利要求中阐述特征相关的其等同内能够实施的所有可能实施例。

Claims (115)

1.一种半导体边缘发射激光器，包括：
a)n掺杂区，其至少一部分包括包含具有周期性调制的折射系数的层叠结构的光子带隙晶体；
b)邻接所述光子带隙晶体的缺陷，包括：
i)当施加正向偏压受到注入电流作用时而发光的发光层；
c)具有可变折射系数的阻碍基模延伸到至少一个掺杂层和p接触的p掺杂层叠结构；
其中由缺陷局限激光辐射的基模，同时所有其它模在光子带隙晶体上延伸；
其中所述光子带隙晶体和所述缺陷的总厚度提供低光束发散。
2.权利要求1的半导体边缘发射激光器，还包括：
d)邻接所述光子带隙晶体远离所述缺陷的n发射极；
e)邻接所述n发射极远离所述缺陷的衬底；和
f)邻接所述衬底远离所述缺陷的n接触。
3.权利要求2的半导体边缘发射激光器，还包括：
g)邻接所述p掺杂层叠结构远离所述缺陷的p发射极；
h)邻接所述p发射极远离所述缺陷的p接触。
4.权利要求1的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括：
ii)位于发光层的n侧上的第一有源元件层；
iii)位于发光层的p侧上的第二有源元件层；
iv)邻接所述第一有源元件层远离所述发光层的厚n掺杂层；和
v)邻接所述第二有源元件层远离所述发光层的厚p掺杂层。
5.权利要求4的半导体边缘发射激光器，其中选自由弱掺杂n层和未掺杂层构成的组的材料构成所述第一有源元件层。
6.权利要求4的半导体边缘发射激光器，其中选自由弱掺杂p层和未掺杂层构成的组的材料构成所述第二有源元件层。
7.权利要求1的半导体边缘发射激光器，其中光子带隙晶体的层叠结构包括具有高折射系数的第一层和具有低折射系数的第二层的周期交替。
8.权利要求7的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括在两侧上邻接所述发光层的区，其中所述区具有与光子带隙晶体的第一层的折射系数相同的折射系数，并且所述区比光子带隙晶体的所述第一层的每层厚。
9.权利要求7的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括在两侧上邻接所述发光层的区，其中所述区具有与光子带隙晶体的第一层相同的厚度和比光子带隙晶体的所述第一层和光子带隙晶体的所述第二层高的折射系数。
10.权利要求7的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括邻接所述缺陷的所述光子带隙晶体的第一层、邻接所述第一层远离所述光子带隙晶体的具有低折射系数的第三层、和邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第四层，其中所述第四层比光子带隙晶体的第二层薄。
11.权利要求7的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括邻接所述缺陷的所述光子带隙晶体的第一层、邻接所述第一层远离所述光子带隙晶体的具有在光子带隙晶体第一层和第二层的折射系数之间中间的折射系数的第三层、和邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第四层。
12.权利要求1的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷在光子带隙晶体的几个周期上延伸。
13.权利要求1的半导体边缘发射激光器，其中光子带隙晶体包括折射系数的非周期调制。
14.权利要求1的半导体边缘发射激光器，还包括吸收光且位于光子带隙晶体第一层之一内的至少一层吸收层。
15.权利要求14的半导体边缘发射激光器，其中存在多个吸收层，以使每层吸收层位于光子带隙晶体的不同周期内。
16.权利要求14的半导体边缘发射激光器，其中光子带隙晶体的层叠结构包括具有高折射系数的第一层和具有低折射系数的第二层的周期交替。
17.权利要求16的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括在两侧上邻接所述发光层的区，其中所述区具有与光子带隙晶体的第一层相同的折射系数，并且所述区比光子带隙晶体所述第一层的每层厚。
18.权利要求16的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括在两侧上邻接所述发光层的区，其中所述区具有与光子带隙晶体的第一层相同的厚度和比光子带隙晶体所述第一层和光子带隙晶体所述第二层高的折射系数。
19.权利要求17的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括邻接所述缺陷的所述光子带隙晶体的第一层、邻接所述第一层远离所述光子带隙晶体的具有低折射系数的第三层、和邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第四层，其中所述第四层比光子带隙晶体的第二层薄。
20.权利要求17的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括邻接所述缺陷的所述光子带隙晶体的第一层、邻接所述第一层远离所述光子带隙晶体的具有在光子带隙晶体第一层和第二层折射系数之间中间的折射系数的第三层、和邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第四层。
21.权利要求14的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷在光子带隙晶体的几个周期上延伸。
22.权利要求14的半导体边缘发射激光器，其中通过折射系数的非周期调制实现光子带隙晶体。
23.权利要求14的半导体边缘发射激光器，其中光子带隙晶体的层叠结构包括具有高折射系数的第一层、递变系数层、具有低折射系数的第二层和另一递变系数层的周期交替。
24.权利要求23的半导体边缘发射激光器，其中通过递变层实现在掺杂区中的所有异质结。
25.权利要求24的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括在两侧上邻接所述发光层的区，其中所述区具有与光子带隙晶体第一层相同的折射系数，并且所述区比光子带隙晶体所述第一层的每层厚。
26.权利要求24的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括在两侧上邻接所述发光层的区，其中所述区具有与光子带隙晶体第一层相同的厚度和比光子带隙晶体所述第一层和光子带隙晶体所述第二层高的折射系数。
27.权利要求24的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括邻接所述缺陷的所述光子带隙晶体的第一层、邻接所述第一层远离所述光子带隙晶体的具有低折射系数的第三层、和邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第四层，其中所述第四层比光子带隙晶体的第二层薄。
28.权利要求24的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括邻接所述缺陷的所述光子带隙晶体的第一层、邻接所述第一层远离所述光子带隙晶体的具有在光子带隙晶体第一层和第二层折射系数之间中间的折射系数的第三层、和邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第四层。
29.权利要求24的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷在光子带隙晶体的几个周期上延伸。
30.权利要求24的半导体边缘发射激光器，其中通过折射系数的非周期调制实现光子带隙晶体。
31.权利要求1的半导体边缘发射激光器，其中光子带隙晶体的层叠结构包括具有高折射系数的第一层、递变系数层、具有低折射系数的第二层和另一递变系数层的周期交替。
32.权利要求31的半导体边缘发射激光器，其中通过递变层实现在掺杂区中的所有异质结。
33.权利要求32的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括在两侧上邻接所述发光层的区，其中所述区具有与光子带隙晶体第一层相同的折射系数，并且所述区比光子带隙晶体所述第一层的每层厚。
34.权利要求32的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括在两侧上邻接所述发光层的区，其中所述区具有与光子带隙晶体第一层相同的厚度和比光子带隙晶体所述第一层和光子带隙晶体所述第二层高的折射系数。
35.权利要求32的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括邻接所述缺陷的所述光子带隙晶体的第一层、邻接所述第一层远离所述光子带隙晶体的具有低折射系数的第三层、和邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第四层，其中所述第四层比光子带隙晶体的第二层薄。
36.权利要求32的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括邻接所述缺陷的所述光子带隙晶体的第一层、邻接所述第一层远离所述光子带隙晶体的具有在光子带隙晶体第一层和第二层折射系数之间中间的折射系数的第三层、和邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第四层。
37.权利要求32的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷在光子带隙晶体的几个周期上延伸。
38.权利要求32的半导体边缘发射激光器，其中通过折射系数的非周期调制实现光子带隙晶体。
39.一种半导体边缘发射激光器，包括：
a)n掺杂区，其至少一部分包括包含具有周期调制的折射系数层叠结构的光子带隙晶体；
b)邻接所述光子带隙晶体的缺陷，包括：
i)当施加正向偏压受到注入电流作用时而发光的发光层；
ii)用于电子的第一薄隧穿势垒层，其位于发光层的n侧上，其中选自由弱掺杂n层和未掺杂层构成的组的材料构成所述第一薄隧穿势垒层；
iii)用于空穴的第二薄隧穿势垒层，其位于发光层的p侧上，其中选自由弱掺杂p层和未掺杂层构成的组的材料构成所述第二薄隧穿势垒层；
iv)层夹第一薄隧穿势垒层的两层；和
v)层夹第二薄隧穿势垒层的两层；和
c)具有可变折射系数的阻碍基模延伸到至少一个掺杂层和p接触的p掺杂层叠结构；
其中由缺陷局限激光辐射的基模，同时所有其它模在光子带隙晶体上延伸；
其中所述光子带隙晶体和所述缺陷的总厚度提供低光束发散。
40.权利要求39的半导体边缘发射激光器，还包括：
d)邻接所述光子带隙晶体远离所述缺陷的n发射极；
e)邻接所述n发射极远离所述缺陷的衬底；和
f)邻接所述衬底远离所述缺陷的n接触。
41.权利要求40的半导体边缘发射激光器，还包括：
g)邻接所述p掺杂层叠结构远离所述缺陷的p发射极；
h)邻接所述p发射极远离所述缺陷的p接触。
42.权利要求39的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括：
vi)邻接层夹第一薄隧穿势垒层的层远离所述发光层的厚n掺杂层；和
vii)邻接层夹第二薄隧穿势垒层的层远离所述发光层的厚p掺杂层。
43.权利要求39的半导体边缘发射激光器，其中选自由弱掺杂n层和未掺杂层构成的组的材料构成层夹第一薄隧穿势垒层的两层。
44.权利要求39的半导体边缘发射激光器，其中选自由弱掺杂n层和未掺杂层构成的组的材料构成层夹第一薄隧穿势垒层的层中的至少一层。
45.权利要求39的半导体边缘发射激光器，其中选自由弱掺杂p层和未掺杂层构成的组的材料构成层夹第二薄隧穿势垒层的两层。
46.权利要求39的半导体边缘发射激光器，其中选自由弱掺杂p层和未掺杂层构成的组的材料构成层夹第二薄隧穿势垒层的层中的至少一层。
47.权利要求39的半导体边缘发射激光器，其中光子带隙晶体的层叠结构包括具有高折射系数的第一层和具有低折射系数的第二层的周期交替。
48.权利要求47的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括在两侧上邻接所述发光层的区，其中所述区具有与光子带隙晶体第一层相同的折射系数，并且所述区比光子带隙晶体所述第一层的每层厚。
49.权利要求47的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括在两侧上邻接所述发光层的区，其中所述区具有与光子带隙晶体第一层相同的厚度和比光子带隙晶体所述第一层和光子带隙晶体所述第二层高的折射系数。
50.权利要求47的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括邻接所述缺陷的所述光子带隙晶体的第一层、邻接所述第一层远离所述光子带隙晶体的具有低折射系数的第三层、和邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第四层，其中所述第四层比光子带隙晶体的第二层薄。
51.权利要求47的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括邻接所述缺陷的所述光子带隙晶体的第一层、邻接所述第一层远离所述光子带隙晶体的具有在光子带隙晶体第一层和第二层折射系数之间中间的折射系数的第三层、和邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第四层。
52.权利要求47的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷在光子带隙晶体的几个周期上延伸。
53.权利要求39的半导体边缘发射激光器，其中通过折射系数的非周期调制实现光子带隙晶体。
54.权利要求39的半导体边缘发射激光器，还包括吸收光且位于光子带隙晶体第一层中的一层内的至少一层吸收层。
55.权利要求54的半导体边缘发射激光器，其中存在多个吸收层，以使每层吸收层位于光子带隙晶体的不同周期内。
56.权利要求54的半导体边缘发射激光器，其中光子带隙晶体的层叠结构包括具有高折射系数的第一层和具有低折射系数的第二层的周期交替。
57.权利要求54的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括在两侧上邻接所述发光层的区，其中所述区具有与光子带隙晶体第一层相同的折射系数，并且所述区比光子带隙晶体所述第一层的每层厚。
58.权利要求54的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括在两侧上邻接所述发光层的区，其中所述区具有与光子带隙晶体第一层相同的厚度和比光子带隙晶体所述第一层和光子带隙晶体所述第二层高的折射系数。
59.权利要求54的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括邻接所述缺陷的所述光子带隙晶体的第一层、邻接所述第一层远离所述光子带隙晶体的具有低折射系数的第三层、和邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第四层，其中所述第四层比光子带隙晶体的第二层薄。
60.权利要求54的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括邻接所述缺陷的所述光子带隙晶体的第一层、邻接所述第一层远离所述光子带隙晶体的具有在光子带隙晶体第一层和第二层折射系数之间中间的折射系数的第三层、和邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第四层。
61.权利要求54的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷在光子带隙晶体的几个周期上延伸。
62.权利要求54的半导体边缘发射激光器，其中通过折射系数的非周期调制实现光子带隙晶体。
63.权利要求39的半导体边缘发射激光器，其中光子带隙晶体的层叠结构包括具有高折射系数的第一层、递变系数层、具有低折射系数的第二层和另一递变系数层的周期交替。
64.权利要求63的半导体边缘发射激光器，其中通过递变层实现在掺杂区中的所有异质结。
65.权利要求64的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括在两侧上邻接所述发光层的区，其中所述区具有与光子带隙晶体第一层的折射系数相同的折射系数，并且所述区比光子带隙晶体所述第一层的每层厚。
66.权利要求64的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括在两侧上邻接所述发光层的区，其中所述区具有与光子带隙晶体第一层相同的厚度和比光子带隙晶体所述第一层和光子带隙晶体所述第二层高的折射系数。
67.权利要求64的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括邻接所述缺陷的所述光子带隙晶体的第一层、邻接所述第一层远离所述光子带隙晶体的具有低折射系数的第三层、和邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第四层，其中所述第四层比光子带隙晶体的第二层薄。
68.权利要求64的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括邻接所述缺陷的所述光子带隙晶体的第一层、邻接所述第一层远离所述光子带隙晶体的具有在光子带隙晶体第一层和第二层折射系数之间中间的折射系数的第三层、和邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第四层。
69.权利要求64的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷在光子带隙晶体的几个周期上延伸。
70.权利要求64的半导体边缘发射激光器，其中通过折射系数的非周期调制实现光子带隙晶体。
71.权利要求54的半导体边缘发射激光器，其中光子带隙晶体的层叠结构包括具有高折射系数的第一层、递变系数层、具有低折射系数的第二层和另一递变系数层的周期交替。
72.权利要求71的半导体边缘发射激光器，其中通过递变层实现在掺杂区中的所有异质结。
73.权利要求72的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括在两侧上邻接所述发光层的区，其中所述区具有与光子带隙晶体第一层相同的折射系数，并且所述区比光子带隙晶体所述第一层的每层厚。
74.权利要求72的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括在两侧上邻接所述发光层的区，其中所述区具有与光子带隙晶体第一层相同的厚度和比光子带隙晶体所述第一层和光子带隙晶体所述第二层高的折射系数。
75.权利要求72的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括邻接所述缺陷的所述光子带隙晶体的第一层、邻接所述第一层远离所述光子带隙晶体的具有低折射系数的第三层、和邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第四层，其中所述第四层比光子带隙晶体的第二层薄。
76.权利要求72的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷还包括邻接所述缺陷的所述光子带隙晶体的第一层、邻接所述第一层远离所述光子带隙晶体的具有在光子带隙晶体第一层和第二层折射系数之间中间的折射系数的第三层、和邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第四层。
77.权利要求72的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷在光子带隙晶体的几个周期上延伸。
78.权利要求72的半导体边缘发射激光器，其中通过折射系数的非周期调制实现光子带隙晶体。
79.一种半导体边缘发射激光器，包括：
a)n掺杂区，其至少一部分包括光子带隙晶体，其中所述光子带隙晶体包括具有周期调制折射系数的层叠结构和有源元件，该有源元件包括当施加正向偏压受到注入电流作用时而发光的发光层；
b)邻接所述光子带隙晶体的缺陷；
c)具有可变折射系数阻碍基模延伸到至少一个掺杂层和p接触的p掺杂层叠结构；
其中由缺陷局限激光辐射的基模，同时所有其它模在光子带隙晶体上延伸；
其中所述光子带隙晶体和所述缺陷的总厚度提供低光束发散。
80.权利要求79的半导体边缘发射激光器，还包括：
d)邻接所述光子带隙晶体远离所述缺陷的n发射极；
e)邻接所述n发射极远离所述缺陷的衬底；和
f)邻接所述衬底远离所述缺陷的n接触。
81.权利要求80的半导体边缘发射激光器，还包括：
g)邻接所述p掺杂层叠结构远离所述缺陷的p发射极；
h)邻接所述p发射极远离所述缺陷的p接触。
82.权利要求79的半导体边缘发射激光器，其中所述有源元件还包括：
ii)位于发光层的n侧上的第一有源元件层；
iii)位于发光层p侧上的第二有源元件层；
iv)邻接所述第一有源元件层远离所述发光层的厚n掺杂层；和
v)邻接所述第二有源元件层远离所述发光层的厚p掺杂层。
83.权利要求79的半导体边缘发射激光器，其中光子带隙晶体的层叠结构包括具有高折射系数的第一层和具有低折射系数的第二层的周期交替。
84.权利要求83的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷包括远离衬底邻接所述光子带隙晶体的层，其中所述缺陷层具有与光子带隙晶体第一层折射系数相同的折射系数，并且所述层比所述光子带隙晶体所述第一层的每层厚。
85.权利要求83的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷包括远离衬底邻接所述光子带隙晶体的层，其中所述层具有与光子带隙晶体第一层相同的厚度和比光子带隙晶体所述第一层和光子带隙晶体所述第二层高的折射系数。
86.权利要求83的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷包括邻接所述光子带隙晶体远离衬底的具有高折射系数的第三层、邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有低折射系数的第四层、和邻接所述第四层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第五层，其中所述第四层比光子带隙晶体的第二层薄。
87.权利要求83的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷包括邻接所述光子带隙晶体远离衬底的具有高折射系数的第三层、邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有在光子带隙晶体第一层和第二层折射系数之间的中间折射系数的第四层、和邻接所述第四层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第五层。
88.权利要求79的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷在光子带隙晶体的几个周期上延伸。
89.权利要求79的半导体边缘发射激光器，其中通过折射系数的非周期调制实现光子带隙晶体。
90.权利要求83的半导体边缘发射激光器，还包括吸收光且位于光子带隙晶体第一层中的一层内的至少一层吸收层。
91.权利要求90的半导体边缘发射激光器，其中存在多个吸收层，以使每层吸收层位于光子带隙晶体的不同周期内。
92.权利要求90的半导体边缘发射激光器，其中光子带隙晶体的层叠结构包括具有高折射系数的第一层和具有低折射系数的第二层的周期交替。
93.权利要求92的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷包括远离衬底邻接所述光子带隙晶体的层，其中所述缺陷层具有与光子带隙晶体第一层折射系数相同的折射系数，并且所述层比所述光子带隙晶体所述第一层的每层厚。
94.权利要求92的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷包括远离衬底邻接所述光子带隙晶体的层，其中所述层具有与光子带隙晶体第一层相同的厚度和比光子带隙晶体所述第一层和光子带隙晶体所述第二层高的折射系数。
95.权利要求92的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷包括邻接所述光子带隙晶体远离衬底的具有高折射系数的第三层、邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有低折射系数的第四层、和邻接所述第四层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第五层，其中所述第四层比光子带隙晶体的第二层薄。
96.权利要求92的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷包括邻接所述光子带隙晶体远离衬底的具有高折射系数的第三层、邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有在光子带隙晶体第一层和第二层折射系数之间的中间折射系数的第四层、和邻接所述第四层远离距所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第五层。
97.权利要求90的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷在光子带隙晶体的几个周期上延伸。
98.权利要求90的半导体边缘发射激光器，其中通过折射系数的非周期调制实现光子带隙晶体。
99.权利要求79的半导体边缘发射激光器，其中光子带隙晶体的层叠结构包括具有高折射系数的第一层、递变系数层、具有低折射系数的第二层和另一递变系数层的周期交替。
100.权利要求99的半导体边缘发射激光器，其中通过递变层实现在掺杂区中的所有异质结。
101.权利要求100的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷包括远离衬底邻接所述光子带隙晶体的层，其中所述缺陷层具有与光子带隙晶体第一层折射系数相同的折射系数，并且所述层比所述光子带隙晶体所述第一层的每层厚。
102.权利要求100的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷包括远离衬底邻接所述光子带隙晶体的层，其中所述层具有与光子带隙晶体第一层相同的厚度和比光子带隙晶体所述第一层和光子带隙晶体所述第二层高的折射系数。
103.权利要求100的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷包括邻接所述光子带隙晶体远离衬底具有高折射系数的第三层、邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有低折射系数的第四层、和邻接所述第四层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第五层，其中所述第四层比光子带隙晶体的第二层薄。
104.权利要求100的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷包括邻接所述光子带隙晶体远离衬底的具有高折射系数的第三层、邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有在光子带隙晶体第一层和第二层折射系数之间的中间折射系数的第四层、和邻所述第四层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第五层。
105.权利要求100的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷在光子带隙晶体的几个周期上延伸。
106.权利要求90的半导体边缘发射激光器，其中通过折射系数的非周期调制实现光子带隙晶体。
107.权利要求90的半导体边缘发射激光器，其中光子带隙晶体的层叠结构包括具有高折射系数的第一层、递变系数层、具有低折射系数的第二层和另一递变系数层的周期交替。
108.权利要求107的半导体边缘发射激光器，其中通过递变层实现在掺杂区中的所有异质结。
109.权利要求108的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷包括远离衬底邻接所述光子带隙晶体的层，其中所述缺陷层具有与光子带隙晶体第一层折射系数相同的折射系数，并且所述层比所述光子带隙晶体所述第一层的每层厚。
110.权利要求108的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷包括远离衬底邻接所述光子带隙晶体的层，其中所述层具有与光子带隙晶体第一层相同的厚度和比光子带隙晶体所述第一层和光子带隙晶体所述第二层高的折射系数。
111.权利要求108的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷包括邻接所述光子带隙晶体远离衬底具有高折射系数的第三层、邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有低折射系数的第四层、和邻接所述第四层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第五层，其中所述第四层比光子带隙晶体的第二层薄。
112.权利要求108的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷包括邻接所述光子带隙晶体远离衬底的具有高折射系数的第三层、邻接所述第三层远离所述光子带隙晶体的具有在光子带隙晶体第一层和第二层折射系数之间的中间折射系数的第四层、和邻接所述第四层远离所述光子带隙晶体的具有高折射系数的第五层。
113.权利要求108的半导体边缘发射激光器，其中所述缺陷在光子带隙晶体的几个周期上延伸。
114.权利要求108的半导体边缘发射激光器，其中通过折射系数的非周期调制实现光子带隙晶体。
115.一种半导体激光器，其能够使光在垂直于p-n结的方向上传播，包括：
a)衬底；
b)在所述衬底上由布拉格反射器区形成的底反射镜；
c)在所述底反射镜上的有源元件，包括：
i)当施加正向偏压受到注入电流作用时而发光的发光层；
ii)在所述衬底上和所述发光层下的n掺杂电流扩展区；
iii)在所述发光层上的p掺杂电流扩展区；
iv)放置在每个邻近区之间的电流孔径；和
v)在所述n掺杂电流扩展区和所述p掺杂电流扩展区之间的有源元件偏压控制装置，使得电流可被注入到所述发光层中来产生光；
d)在所述有源元件上代表光子带隙晶体的元件，包括：
i)在垂直于光传播方向的方向上调制折射系数的区；和
ii)在所述区中心的缺陷，其中所述缺陷局限激光辐射的横向基模；和
e)在所述光子带隙晶体上由布拉格反射器区形成的顶反射镜。
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