CN1778022A - 频率转换装置及方法 - Google Patents

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Abstract

光频率转换装置(如图，标记10)，该装置包括：发光器件(如图，标记201)，用于发射具有第一频率的光，该发光器件(如图，标记201)是具有延伸的波导(如图，标记204)的边缘发射半导体发光二极管，选择该延伸的波导(如图，标记204)使得该波导的基横模的特征在于低射束发散度。该装置(如图，标记10)还包括光反射器(如图，标记214)，被构造和设计成使得光多次通过外部腔(如图，标记212)，并提供用于产生具有第一频率的激光的反馈，所述外部腔限定在发光器件和光反射器之间。该装置(如图，标记10)还包括位于外部腔(如图，标记212)内的非线性光学晶体(如图，标记213)，其被选择成使得当具有第一频率的光多次通过该非线性光学晶体(如图，标记213)时，第一频率被转换成不同于第一频率的第二频率。

Description

频率转换装置及方法
技术领域
本发明涉及非线性光学器件，更具体地，涉及用于基于二极管激光器结构转换光频率的装置。
背景技术
半导体激光器在光纤传输系统、信号放大系统、波分复用传输系统、波分切换系统、波长交叉连接系统等等中起重要的作用。此外，半导体激光器在光学测量领域也是有用的。
半导体激光器(于1959年首次提出)是基于非平衡载流子注入半导体有源介质、产生粒子数反转和足够的模式增益来实现激射的。
现在参照附图，目前半导体市场中基本上有两种半导体激光器占主导地位，在图1a-b中对它们进行描述。图1a示出了垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，其中光子在垂直方向上(图1a中向上)在高度精细的腔内循环。在这种激光器中，腔很短且每循环的增益很低。因此，至关重要的是保证每次反射时损耗很低，否则，激射将不会发生，或者将需要过大的电流密度，这样不适于连续波的工作。自从1962年首次提出以来，VCSEL变得非常流行。VCSEL可以做的很小，可在低阈值电流下工作并且以成熟化生产的平面技术制造。
另一种半导体激光器是边缘发射激光器，如图1b所示。在这种激光器中，有源介质(例如，薄层)放置在折射率大于周围包层的波导内，以确保激光限制在波导内。所产生的光通常以30°-60°的大角度在器件的出射面衍射。边缘发射激光器的优点是其紧凑的输出孔径，并且同时实现了高光输出功率。边缘发射激光器与VCSEL相比缺点在于当采用圆形输出孔径时经常发生散光现象。此外，与VCSEL相反，在边缘发射激光器中，温度升高导致显著的波长漂移，这是因为半导体的带隙随温度升高变窄。
所有半导体激光器的缺点之一是所发射光的波长(或频率)限于由半导体材料的能带隙值所提供的值。由于各种结构(已知的有量子阱、量子线或量子点异质结构)导致的载流子的局域化，可利用的波长还有可能变得更大(所谓的红移)。由于III-V族化合物半导体，半导体激光器技术得到了很好的发展，并且超越了600nm的波长。现在已知的600nm以下的半导体激光器(例如，紫外到绿色光谱范围)不是很成熟。
半导体激光器的另外的缺点是光束质量差、光谱宽以及波长的温度稳定性差。
已经提出了几种产生600nm以下的光的方法，主要使用非线性光学技术，该技术转换从半导体激光器输出的光的波长。这些技术能够产生极宽的光谱范围内的光，例如从中红外(mid-IR)到可见光。频率转换技术的例子包括和频率发生(SFG(sum frequencygeneration))、二倍频(SFG的特例)、微分频率发生(DFG)和光学参数发生。
经过过去的十年，频率转换的工艺已经变得商业化了，制造诸如倍频绿光源的产品代替了多瓦特Ar+离子激光器和光学参量振荡器，所述光学参量振荡器在增强的功率水平下产生可用于国防用途的中红外辐射。
例如，美国专利No.5175741公开了采用单个非线性光学(NLO)晶体的波长转换方法，其内容在此引用作为参考。固态激光器由半导体激光器泵浦，并且产生由固态激光器振荡的激光束。然后，NLO晶体将激光束的波长和泵浦激光束的波长转换成一波长，该波长的频率是这些激光束的频率之和。
在频率转换过程中需要固态激光器通常由几种争论推动。首先，固态激光器提供高质量的激光束，束发散相当低且像散低。其次，激光束的光谱宽度小到足以允许NLO晶体的最大波长转换效率。例如，对于KNbO3晶体，转换效率峰值的半高全宽通常为约0.5nm。因此，光谱宽度小于0.1nm的固态激光器相当适合于使用KNbO3进行频率转换。
然而，上述技术受到下述低效率的限制。对于从半导体二极管激光器到固态激光器的光转换，最大功率转换效率不高于30％。另一方面，使用NLO晶体对固态激光器进行二次谐波转换的频率转换效率可以高达70％。因此，该过程的低效率源于在从二极管激光器的光(或灯光)到固态激光器激光的转换过程中。
例如在美国专利No.5991317和6241720中公开了已提出的用于提高效率的技术，其内容在此引用作为参考。在这些技术中，采用了腔内转换的概念。例如，美国专利No.5991317公开了由两个或更多个谐振腔面限定的谐振腔。在谐振腔中放置激光晶体和几个NLO晶体。二极管泵浦源向激光晶体提供泵浦束，并且产生具有多轴模式的激光束，照射NLO晶体且产生倍频(或三倍频)输出光束。
然而，这些技术的转换效率仍然相当低。已经认识到低转换效率需要使用高功率二极管激光器，该激光器不可避免地需要冷却。因此，由于发热导致的能量损失加重了低效率问题，该能量损失是总能量的至少90％。
此外，对于转换效率而言，NLO晶体的最佳波长取决于温度(例如，对于KNbO3，最佳波长是0.28nm/°K)。这与波长稳定的固态激光器是矛盾的。为了有效地工作，要通过向系统增加部件来精确控制NLO晶体的温度，这样增加了设计的复杂性。
另一缺点是固态激光器具有严格定义的波长，限制了得到任意频率转换波长的可能性。
在上述技术中，二极管激光器用于泵浦，同时间接使用固态激光器进行频率转换。用于提高频率转换效率的另一种解决方法是使用边缘发射二极管激光器进行直接频率转换。然而，对于这种激光器，激光器波长与最佳NLO晶体波长之间的匹配是极为困难的，首先是因为所产生的光光谱宽，其次是因为激射波长与温度有关。
另一个缺点是二极管激光器的束发散程度很高。这种发散导致激光束相对于所需的结晶方向有很大偏差，此外还会破坏器件的性能。
校正束发散通常需要包括几个透镜的复杂装置，这些透镜被放置成将泵浦辐射聚焦到NLO晶体的表面上[关于这点，参见例如，Simon，U.et al.，“Difference-Frequency Generation in AgGaS2 by Useof Single-Mode Diode-Laser Pump Sources”，Optics Letters，18，No.13：1062-1064，1993，以及美国专利No.5912910、6229828和6304585]。然而，已知的是，所增加的用于将激光器的输出转变成平行光束的透镜会使得光束直径显著变宽，因此减小功率密度，而功率密度对于有效的波长转换是关键要求。由于这些问题，边缘发射二极管激光器在商业上并没有用于直接频率转换，而是主要用作固态激光器的泵浦源。
在美国专利No.6097540中公开了另一种将半导体二极管激光器用于直接频率转换的系统。在该系统中，利用透镜和镜面将多个激光器产生的光束组合成单个光束并将其引导到NLO晶体的表面上。然而，这种解决方案并不明显优于上述技术，因为该系统很复杂且昂贵，其包括大量激光器，仅提供腔外转换并且波长不稳定。
因此，对于不受上述限制的频率转换装置是普遍认识到都是需要的，获得这样的装置可能会是极为有利的。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种光频率转换装置，该装置包括：(a)发光器件，用于发射具有第一频率的光，该发光器件是具有延伸的波导的边缘发射半导体发光二极管，该波导被选择成使得该延伸的波导的基横模具有低射束发散性的特征；(b)光反射器，构造并设计成使得所述光多次通过外部腔并且提供用于产生具有第一频率的激光的反馈，所述外部腔限定在所述发光器件和该光反射器之间；以及(c)非线性光学晶体，位于所述外部腔内，并被选择成使得当具有第一频率的激光多次通过该非线性光学晶体时，第一频率被转换成不同于第一频率的第二频率。
根据下述的本发明优选实施例中的另一些特征，该装置还包括至少一个另外的发光器件。
根据所述优选实施例中又一些特征，所述至少一个另外的发光器件中的至少一个是具有延伸的波导的边缘发射半导体发光二极管。
根据所述优选实施例中又一些特征，该装置还包括光谱选择滤波器，设置该滤波器以便防止具有第二频率的光照射发光器件。
根据所述优选实施例中又一些特征，该装置还包括位于发光器件和非线性光学晶体之间的所述外部腔内的透镜。
根据本发明的另一方面，提供用于转换光频率的方法，该方法包括：(a)使用发光器件发射具有第一频率的光，该发光器件是具有延伸的波导的边缘发射半导体发光二极管，该延伸的波导被选择成使得该延伸的波导的基横模的特征在于低射束发散度；(b)使用光反射器，以允许所述光多次通过外部腔，从而提供用于产生具有第一频率的激光的反馈，所述外部腔限定在所述发光器件和该光反射器之间；以及(c)使用位于所述外部腔内的非线性光学晶体，以将激光的第一频率转换成第二频率，其中第二频率不同于第一频率。
根据下述本发明优选实施例中另一些特征，该方法还包括通过向延伸的波导注入电流来发光。
根据所述优选实施例中又一些特征，该方法还包括使用透镜将微弱发散的光束变成平行光束。
根据本发明的另一方面，提供了用于制造光频率转换装置的方法，该方法包括：(a)提供用于发射具有第一频率的光的发光器件，该发光器件是具有延伸的波导的边缘发射半导体发光二极管，该波导被选择使得该延伸的波导的基横模具有低射束发散性的特征；(b)提供光反射器，并将该光反射器相对发光器件放置，该光反射器构造并设计成使得所述光多次通过外部腔并且提供用于产生具有第一频率的激光的反馈，所述外部腔限定在所述发光器件和该光反射器之间；以及(c)提供非线性光学晶体并将该非线性光学晶体放置在所述外部腔内，选择该非线性光学晶体使得当具有第一频率的激光多次通过该非线性光学晶体时，第一频率被转换成不同于第一频率的第二频率。
根据下述本发明优选实施例中另外的特征，该方法还包括提供至少一个额外的发光器件。
根据所述优选实施例中的又一些特征，当被注入电流时延伸的波导能够发光。
根据所述优选实施例中的又一些特征，发光器件的条长度和注入电流被选择成使得仅由注入电流产生非相干光，且激光由电流和反馈的组合来产生。
根据所述优选实施例中的又一些特征，将外部腔设计成基本以基横模产生激光。
根据所述优选实施例中的又一些特征，选择光反射器，使其反射具有非第二频率的频率的光并透射具有第二频率的光。
根据所述优选实施例中的又一些特征，发光器件由多个层形成。
根据所述优选实施例中的又一些特征，发光器件包括从第一侧与延伸的波导相邻的n-发射极，以及从第二侧与延伸的波导相邻的p-发射极。
根据所述优选实施例中的又一些特征，延伸的波导包括形成在掺入n-杂质的第一延伸波导区域和掺入p-杂质的第二延伸波导区域之间的有源区，该第一和第二延伸波导区域是透光的。
根据所述优选实施例中的又一些特征，有源区包括至少一层。
根据所述优选实施例中的又一些特征，有源区包括选自以下组的系统，所述组包括量子阱系统、量子线系统、量子点系统及其任意组合。
根据所述优选实施例中的又一些特征，n-发射极的厚度大于10微米。
根据所述优选实施例中的又一些特征，发光器件的前面涂敷有抗反射涂层。
根据所述优选实施例中的又一些特征，发光器件的背面涂敷有高反射涂层。
根据所述优选实施例中的又一些特征，高反射涂层包括多层。
根据所述优选实施例中的又一些特征，高反射涂层的特征在于预定阻带窄到足以提供基横模的高反射率并提供高阶横模的低反射率。
根据所述优选实施例中的又一些特征，光反射器包括多个层。
根据所述优选实施例中的又一些特征，光反射器的特征在于预定阻带窄到足以提供基横模的高反射率并提供高阶横模的低反射率。
根据所述优选实施例中的又一些特征，高反射涂层和光反射器各自独立的特征在于预定阻带窄到足以提供基横模的高反射率并提供高阶横模的低反射率。
根据所述优选实施例中的又一些特征，非线性光学晶体的特征在于频率转换效率，此外，其中高反射涂层的阻带的温度相关性与频率转换效率的温度相关性相同。
根据所述优选实施例中的又一些特征，非线性光学晶体的特征在于频率转换效率，此外，其中光反射器的阻带的温度相关性与频率转换效率的温度相关性相同。
根据所述优选实施例中的又一些特征，高反射涂层的阻带的温度相关性与频率转换效率的温度相关性相同。
根据所述优选实施例中的又一些特征，该方法还包括提供光谱选择滤波器并且定位该光谱选择滤波器以防止具有第二频率的光照射到发光器件。
根据所述优选实施例中的又一些特征，光谱选择滤波器形成在非线性光学晶体与发光器件的面对的一侧上。
根据所述优选实施例中的又一些特征，延伸的波导包括至少两部分，每一部分具有不同的折射率，使得该延伸的波导的特征在于折射率可变。
根据所述优选实施例中的又一些特征，所述延伸的波导的至少两部分包括具有中间折射率的第一部分和具有高折射率的第二部分，该第一和第二部分设计和构造成使得基横模在第一部分中产生，漏到第二部分中并且以预定角度通过发光器件的前面出射。
根据所述优选实施例中的又一些特征，延伸的波导的至少一部分包括光子带隙晶体。
根据所述优选实施例中的又一些特征，光子带隙晶体包括具有周期性调制折射率的结构，其中该结构包括多个层。
根据所述优选实施例中的又一些特征，发光器件包括至少一个吸收层，该吸收层能够吸收位于光子带隙晶体的一层内的光。
根据所述优选实施例中的又一些特征，发光器件包括多个吸收层，使得该多个吸收层中的每一层位于光子带隙晶体的不同层内。
根据所述优选实施例中的又一些特征，延伸的波导的至少一部分包括与光子带隙晶体的第一侧相邻的缺陷(defect)，选择该缺陷和该光子带隙晶体使得基横模位于该缺陷处且其它模式在整个光子带隙晶体上延伸。
根据所述优选实施例中的又一些特征，该缺陷包括具有n-侧和p-侧的有源区，该有源区在被注入电流时能够发光。
根据所述优选实施例中的又一些特征，光子带隙晶体和所述缺陷的总厚度被选择成允许低射束发散度。
根据所述优选实施例中的又一些特征，发光器件包括与光子带隙晶体的第二侧相邻的n-发射极以及与光子带隙晶体相隔所述缺陷并与所述缺陷相邻的p-发射极。
根据所述优选实施例中的又一些特征，发光器件包括具有可变折射率的p型掺杂层状结构，该p-掺杂层状结构在p-发射极和缺陷之间。
根据所述优选实施例中的又一些特征，n-发射极形成在衬底的第一侧上，该衬底是III-V族半导体。
根据所述优选实施例中的又一些特征，III-V族半导体选自包括GaAs、InAs、InP和GaSb的组。
根据所述优选实施例中的又一些特征，有源区的特征在于能量带隙小于衬底的能量带隙。
根据所述优选实施例中的又一些特征，发光器件包括与衬底接触的n-接触和与p-发射极接触的p-接触。
根据所述优选实施例中的又一些特征，选择所述可变折射率，以防止基横模延伸到n-接触和/或p-接触。
根据所述优选实施例中的又一些特征，p-发射极包括与延伸的波导接触的至少一层p-掺杂层以及与p-接触相接触的至少一层p+-掺杂层。
根据所述优选实施例中的又一些特征，所述缺陷还包括：第一薄电子隧穿势垒层，位于有源区的n-侧并且夹在第一对额外层之间；第二薄空穴隧穿势垒层，位于有源区的p-侧并夹在第二对额外层之间。
根据所述优选实施例中的又一些特征，第一薄隧穿势垒层由选自包括轻掺杂n-层和非掺杂层的组中的材料形成。
根据所述优选实施例中的又一些特征，第二薄隧穿势垒层由选自包括轻掺杂p-层和非掺杂层的组中的材料形成。
根据所述优选实施例中的又一些特征，所述缺陷还包括与远离有源区的第一对额外层中的一个邻接的厚n-掺杂层；以及与远离有源区的第二对额外层中的一个邻接的厚p-掺杂层。
根据所述优选实施例中的又一些特征，第一对额外层中的至少一个由选自包括轻掺杂n-层和非掺杂层的组中的材料形成。
根据所述优选实施例中的又一些特征，第二对额外层中的至少一个由选自包括轻掺杂p-层和非掺杂层的组中的材料形成。
根据所述优选实施例中的又一些特征，该方法还包括提供透镜并将该透镜定位在外部腔内发光器件和非线性光学晶体之间。
根据所述优选实施例中的又一些特征，将该透镜设计和构造成将微弱发散的光束转变成平行光束。
根据所述优选实施例中的又一些特征，光反射器是能够反射平行光束的平面光反射器。
本发明通过提供远超出现有技术的频率转换装置，成功解决了现有观念和结构的缺点。
除非另外定义，此处所使用的所有技术和科学术语与本领域技术人员通常的理解具有相同意义。然而在实践或测试本发明的过程中，也可以使用与此处所描述的那些相似或相等的方法和材料。如果有冲突的地方，以本专利说明书(包括权利要求)为准。此外，材料、方法和实例仅是说明性的，并不意在限制本发明。
附图说明
下面参照附图，以举例的方式描述本发明。现在就细节具体参照附图，需要强调的是具体细节的描述是示例性的，只是为了说明性地讨论本发明的优选实施例，以及为了提供对本发明的原理和概念性方面的最有用和最容易理解的描述。因此，仅仅示出了对于本发明的基本理解而言所必需的结构细节，结合附图的说明向本领域的技术人员明示了如何在实践中实施本发明的几个形式。
在附图中：
图1a示意性说明了现有技术的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)；
图1b示意性说明了现有技术的边缘发射激光器；
图2示意性说明了基于VCSEL的现有技术频率转换装置；
图3示意性说明了根据本发明的光频率转换装置；
图4示意性说明了根据本发明的光频率转换装置，其包括形成在发光器件的不同小面(facet)上的抗反射涂层和高反射涂层；
图5示意性说明了根据本发明的频率转换装置，其中发光器件包括光子带隙晶体；
图6示意性说明了根据本发明的频率转换装置，其中利用漏式的激光器来产生初级光；
图7示意性说明了根据本发明的频率转换装置，其包括平面光反射器和用于提供平行光束的透镜；
图8示意性说明了根据本发明的频率转换装置，其包括发光器件上以及光反射器上的额外的多层涂层；
图9是根据本发明的光频率转换的方法的流程图；
图10是根据本发明的制造光频率转换装置的方法的流程图。
具体实施方式
本发明涉及可用于转换激光频率的频率转换装置和方法。具体地，本发明可用于提供具有宽光谱范围的激光。更具体地，本发明可用于例如光学存储应用或投影显示，在所述光学存储应用中需要短波长通过减小特征性的特征尺寸来增加存储信息密度，在所述投影显示中对于全色应用需要绿色和蓝色激光器。本发明还涉及制造该装置的方法。
为了更好地理解如附图中图3-8所示的本发明，首先参照图2所示的传统(即，现有技术)频率转换装置的构造和操作。
图2示出了基于垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的现有技术频率转换装置。
因此，该现有技术装置包括VCSEL型结构101，该结构在衬底102上外延生长、并制造成多层结构。VCSEL型结构101包括底部分布布拉格反射器(DBR)103和位于半导体腔104内的有源区106。在该装置中，VCSEL型结构101不包括顶部DBR。包括顶部DBR的类似装置在本领域中也是已知的，该顶部DBR相对于DBR 103质量相对差。
在使用中，利用外部激光束109光泵浦VCSEL型结构101并且使其产生光，该产生的光通过外部镜面114反射回VCSEL型结构101。选择VCSEL型结构101和激光束109的功率，使得在从镜面114反射回来的光不具有额外功率的情况下VCSEL型结构101不产生激光。镜面114和VCSEL型结构101限定了包括半导体腔104和外部腔112的有效腔。该有效腔限制足以产生激光111的增强的光反馈。使用位于外部腔112内的NLO晶体113来将激光111的频率转换成具有不同频率(通常高于光111的频率)的激光115，激光115通过外部镜面114出射。
已知VCSEL结构具有孔径宽(通常大约100μm)的初级光束。宽孔径的优点在于激光束分散度低，并且将光聚焦回VCSEL孔径不困难且没有显著损失。使用外部镜面以便能够实现腔内的光学功率聚集，这与使用传统的外部腔直接二极管泵浦情况下的低效单通放大相反。
然而，由于VCSEL结构的光输出孔径等于热耗散表面，因此从这种结构获得高功率密度是及其困难的。
此外，VCSEL结构对光激发的需要大大降低了该装置的整体转换效率，而该装置的效率已经受到了VCSEL的低功率密度的限制。本领域的技术人员会理解，由于顶部接触层的高电阻，VCSEL不能被注入电流均匀地泵浦。因此，在上述以及类似的现有技术装置中，使用光泵浦VCSEL对转换效率有损害。
解决上述限制的一个办法是使用边缘发射半导体激光器(见上面背景技术中的图1b)代替VCSEL。与VCSEL，相比边缘发射激光器具有两个优点：(i)边缘发射激光器的物理尺寸足以提供有效的热散逸，这对于高功率密度是有利的；以及(ii)在使用边缘发射激光器的情况下，可以使用直接电泵浦，这与实践中只能使用光泵浦的VCSEL是相反的。
现在已知的边缘发射激光器的波导相当窄，通常大约在亚微米的范围内。由于波导窄，因此，在不造成显著的功率损失的情况下，难以将从镜面反射回波导的光聚焦。此外，边缘发射激光器的特征在于光束发散度高，这妨碍了激光对于NLO晶体的最佳晶体学方向的精确定向。
本发明通过提供具有改进的边缘发射激光器(也称为边缘发射半导体发光二极管)的频率转换装置，成功地提供了解决上述问题的方法。
因此，根据本发明的一个方面，提供了光频率转换装置，在此泛称为装置10。
在详细解释本发明的至少一个优选实施例之前，应当理解，本发明不限于应用下面的描述或图中所示的装置的构造和设置的细节。本发明还可有其它的实施例，或者可以以各种方式实践或执行。同样，应当理解，此处所使用的措辞或术语是为了描述而不应当认为是限制性的。
现在再次参照附图，图3是装置10的示意性说明，该装置10包括用于发射具有第一频率的光的发光器件201。发光器件201是边发射半导体发光二极管，其具有延伸的波导204，该波导使得波导204被选择成使得基横模(fundamental transverse mode)具有射束发散度低的特征。装置10还包括光反射器214和位于限定在该发光器件和光反射器之间的外部腔212内的NLO晶体213。NLO晶体可以是任何已知的NLO晶体，例如，但不限于KNbO3或LiNbO3，其特征在于具有预定频率转换效率。
根据本发明的优选实施例，当例如使用正向偏压218向波导注入电流时，该波导204能够通过前小面210发光。优选地，选择发光器件201的条长度和注入电流，使得注入电流不提供用于激射的最低条件，而是产生非相干初级光。
外部腔212和波导204形成限定在光反射器214和波导204的后小面269之间的有效腔。在装置10的工作模式中，该有效腔提供了对初级发射光的额外反馈，因而产生激光211。
根据本发明的优选实施例，通过审慎地选择阻带足够窄的光反射器214，提供来自光反射器214的激光211的基横模的高反射率，该光反射器214优选由多层结构形成，如下参见图8的更详细的描述。本领域的普通技术人员会理解：光反射器214的预定窄阻带也用于通过提供其高阶横模的低反射率来滤除激光211的不想要的模式。
因此，激光211通过NLO晶体213多次，该晶体将光211转换成具有不同于第一频率的第二频率的转换后的激光215。优选地，选择光反射器214，以反射频率不是第二频率的光(例如，光211)并且透射具有第二频率的光(光215)。此外，为了实现装置10的最佳转换效率，优选光反射器214的阻带与NLO 213的频率转换效率一样具有相同(或相似)的温度相关性。因此，根据NLO 213的类型、取向、几何形状和尺寸，装置10提供波长相当低且质量高的激光，下面将做详细解释。
在提供对如前面所描述的根据本发明的装置10的另外的详细描述之前，先关注其所提供的优点。
因此，本发明的优选实施例的特别优点是把发光器件201的设计，被设计成使得延伸的波导204提供单模激光211。使用延伸的波导通常导致产生激光的多种光学横模。那么，光学基模沿波导的方向传播，并且表现出以垂直于发光器件201的前小面210的方向为中心的窄的远场分布图。高阶光学横模的传播可以描述为相对于该方向以某一角度发生。
通常，高阶模的远场图案显著宽于基模的远场图案，并且通常包含旁瓣(side lobe)。当被光反射器214反射回前小面210时，与具有基模的光(对其优化了光反射器214的结构)相反，高阶光学模式的光部分地被衍射出所述腔。因此这些衍射损失对于高阶模式是显著的，而对于基模小得可以忽略。换而言之，光反射器214提供的反馈对于基模强而对于高阶模弱。这样就能够满足关于注入电流、激光器条长度、外部镜面的形状和位置方面的条件，从而使得只有基横模发生激射。
本领域的普通技术人员将会理解，上述的是一般的优点，与所使用的发光器件的数量无关。更具体地，根据本发明优选的实施例，可以使用不止一个发光器件，其中由另外的发光器件产生的光可以通过特定的光学系统引导到NLO晶体213上。由此，假设制造了所述发光器件中的至少一个，并且它与发光器件201相似地操作，则可能产生和频或差频或频率的任意其它组合。
根据本发明的优选实施例，发光器件201在衬底202上生长，衬底202优选由任何III-V族半导体材料或III-V族半导体合金，例如，InAs、InP、GaSb等形成。更优选地，衬底202由GaAs制成。
装置10的一个特别的特征是延伸的波导204，如上所述，该波导204提供基横模具有低射束发散度的光。根据本发明的优选实施例，波导204形成在n-发射极(n-emitter)203和p-发射极(p-emitter)220之间，其中n-发射极203优选直接生长在衬底202上，并且从一侧与波导204相邻，而p-发射极从另一侧与波导204相邻。
优选延伸的波导204包括形成在掺有n-杂质的第一波导区205和掺有p-杂质的第二波导区207之间的有源区206。第一区205和第二区297都是透光的。
第一区205和第二区207优选多层，或者为由与衬底202晶格匹配或接近该匹配的材料形成的多层结构。
可以被引入第一波导区205的杂质是施主杂质，例如但不限于S、Se和Te。或者，可以用两性杂质，例如但不限于Si、Ge和Sn，掺杂第一波导区205，可在如下技术条件下引入这些杂质：它们主要被结合到阳离子亚晶格中，从而充当施主杂质。因此，第一波导区205可以是例如用分子束外延生长并且以大约2×1017cm-3的浓度掺入Si杂质的GaAs或GaAlAs层。
此处使用的术语“大约”是指±50％。
可引入第二波导区207中的杂质是受主杂质，例如，但不限于Be、Mg、Zn、Cd、Pb和Mn。或者，可以用两性杂质，例如但不限于Si、Ge和Sn，掺杂第二波导区207，可在如下技术条件下引入这些杂质：它们主要被结合到阴离子亚晶格中，从而充当受主杂质。因此，第二波导区207可以是例如用分子束外延生长并且以大约2×1017cm-3的浓度掺入Be杂质的GaAs或GaAlAs层。
有源区206优选由能量带隙窄于衬底202的能量带隙的任何插入物形成。根据本发明的优选实施例，有源区206可以是例如量子阱系统、量子线系统、量子点系统或者任意其组合。有源区206可以形成为单层系统或多层系统。在衬底202由GaAs制成的优选实施例中，有源区206可以是例如InAs、In1-xGaxAs、InxGa1-x-yAlyAs、InxGa1-xAs1-yNy或类似材料的插入物的系统，其中x和y标记合金成分。
N-发射极203优选由与衬底202晶格匹配或者接近晶格匹配的材料制成，例如，合金材料Ga1-xAlxAs制成。此外，优选n-发射极203对于所产生的光是透明的，并且掺有施主杂质，与第一波导区205的掺杂类似，更详细的描述见上文。
根据本发明的优选实施例，p-发射极220包括至少一p掺杂层208和至少一p+掺杂层209，其中p掺杂层208设置在波导204和p+掺杂层209之间。优选p掺杂层208和p+掺杂层209均为透光的，并且由与衬底202晶格匹配或者接近晶格匹配的材料形成。使用受主杂质掺杂层208和209，与第二波导区207的掺杂相似。层209和层208之间的差别在于掺杂水平。然而，优选第二波导区207和p掺杂层208的掺杂水平相似，且p+掺杂层209的掺杂水平较高。例如，在其中第二波导区207的掺杂水平为约2×1017cm-3的实施例中，p+掺杂层209可以是使用分子束外延生长并以约2×1019cm-3的浓度掺杂Be的GaAlAs层。
器件201的厚度优选为10μm或更厚，优选条宽度为约7μm至约10μm或更宽，器件201的优选长度为约100μm或更长。
如上所述，设计并构造发光器件201，使得波导204提供单模激光211。这可以通过例如将n-发射极203和p-掺杂层208的折射率选择成低于波导204的折射率来实现。这种结构保证了激光辐射的基横模被限制在波导204内，并在n-发射极203和p-发射极208中衰减。
优选将正向偏置218通过与衬底202接触的n-接触216和与p-发射极220(或者p+掺杂层209)接触的p-接触217连接到发光器件201。接触216和217可以使用任何已知的结构，例如，但不限于多层金属结构来实现。例如，n-接触216可以形成为Ni-Au-Ge的三层结构，且p-接触217可以形成为Ti-Pt-Au的三层结构。
根据本发明的优选实施例，装置10还包括定位成防止光215照射发光器件201的光谱选择滤波器260。在一个优选实施例中，滤波器260可以与发光器件201相对地形成在NLO晶体213上。在该实施例中，滤波器260可以由例如介电沉积物(例如，但不限于SiO2、MgF2或者ZnS)形成。
参照图4，根据本发明的优选实施例，发光器件201的前小面210和后小面269分别涂敷有抗反射涂层320和高反射涂层319。
高反射涂层319用于最小化通过后小面269的损耗。这可以通过例如形成反射率具有阻带的涂层来进行。涂层319的阻带可以设计成窄到足以提供基横模的高反射率且提供高阶横模的低反射率。根据本发明的优选实施例，涂层319由多层介电结构形成，该结构设计成在窄光谱区中提供高反射率。如下面进一步详细描述的(参见图8)，在该实施例中，对于基横模反射率更高且损耗更低，而对于高阶模，损耗明显高得多。因此，该实施例允许另外的模式选择并且有利于实现单模激射。
抗反射涂层320保证只随着额外的反馈并且只对光学基横模发生激射，如上进一步的详细描述。
根据本发明的优选实施例，涂层319和320的阻带与NLO213的频率转换效率具有相同(或相似)的温度温度相关性。涂层319和320均优选包括由本领域已知的任何适合的材料形成的多个层，所述材料是例如介电沉积物，例如但不限于SiO2、MgF2或ZnS。
现在参照图5，该图示意性地说明了使用光子带隙晶体激光器概念的优选实施例的装置10。为了更好地识别如下进一步详述的当前的本发明优选实施例，在图5中分别将发光器件和波导用附图标记401和440标明。
因此，在该实施例中，延伸的波导440的至少一部分包括n个周期431的光子带隙晶体(PBC)430。PBC 430的每个周期431优选由一个具有低折射率且一个具有高折射率的两个掺杂层形成。
根据本发明的优选实施例，发光器件401包括位于PBC 430和p-掺杂层208之间的缺陷432。缺陷432优选包括具有n-侧433和p-侧435的有源区434，该有源区在例如使用偏压218注入电流时发光。如下面进一步详细解释的，主要使用PBC430产生光以提供具有非常宽的波导的高效低阈值电流密度辐射源。
PBC激光器的概念首先在Ledentsov，N.N.和Shchukin，V.A.的文章中提出，该文章的题目为“Long Wavelength Lasers Using GaAs-Based Quantum Dots”，发表于Photonics and Quantum Technologies forAerospace Applications IV，Proceedings of SPIE，Donkor，E.et al.，editors，4372：15-26，2002。概括地说，PBC是具有周期性折射率调制特征的多维结构。为了简单起见，考虑只在一个维度(例如，z方向)具有周期性折射率调制的结构。在无限大的优选周期性的PBC中，电磁波或者光子的特征在于具有明确定义的x方向的波矢kx和y方向的波矢ky，使得电场E或磁场H与x-y空间坐标的空间关系表示为平面波：
E，H～exp(ikxx)exp(ikyy)，
                           (等式1)而根据布洛赫理论，与z-坐标的空间关系不表示为平面波，而表示为平面波和周期函数u(z)的乘积，u(z)具有与折射率调制相同的周期。因此，所述场总的与空间的关系为：
E，H～exp(ikxx)exp(ikyy)exp(ikzz)u(z)
                           (等式2)
电磁波频率的特征带或者光子能量的特征带包括容许带和禁止带隙，对于允许带周期性电磁波传播通过该晶体，而对于禁止带隙，可能没有电磁波传播。
PBC的完美周期性可以被层(插入物)序列的终止或者破坏折射率周期性分布的任何类型的缺陷故意破坏。这种缺陷可以局域化电磁波或者使电磁波移位。在局域化缺陷的情况下，可能有两种类型的电磁波：(i)局域化在该缺陷处并且远离该缺陷时衰减的波；以及(ii)在整个PBC上延伸的波，其中该延伸的波的空间分布可能被缺陷扰乱。
在基于周期性层序列的一个更传统类型的激光器中，光在平行于折射率调制轴(例如z轴)的方向传播，而波矢的x-和y-分量满足kx＝0和ky＝0。这种情况通常是对于VCSEL的。在这种类型的激光器中，层的周期性序列设计成在特定关键波长处提供高反射率光谱范围(阻带)。将“缺陷”层设计成在该阻带内提供受限模式。
如由Ledenstov等提出的PBC激光器的显著优点是该激光器得益于PBC特性，PBC特性与特定波长的反射无关。在该方法中，将PBC设计成使得折射率的周期性调制发生在z方向，而光的主要传播发生在x方向。打破该周期性，使得基横模光在该缺陷处局域化在z方向并且在z方向远离该缺陷时衰减。在这种情况下，对于给定的波长，对反射率的阻带的特定光谱位置或者外部腔厚度没有一般性的要求。由于PBC的周期性不与传播光的波长直接相关，装置10可同时用于宽波长范围，例如1μm、0.9μm、0.8μm。可以理解，装置10的这种特性在设计和制造方面提供了极高的容限，这些容限对于直接频率转换尤其有利。
缺陷432对局域化激光辐射的模式的能力受到两个参数的控制。第一个参数是缺陷432和PBC的参考层之间的折射率差Δn。第二个参数是该缺陷的体积。对于折射率仅在一个方向调制的一维PBC，第二个参数是缺陷432的厚度。通常，在固定缺陷厚度下，当Δn的值增加时，被该缺陷局域化的模式数也增加。在Δn固定的情况下，当缺陷厚度增加时，被该缺陷局域化的模式数也增加。可以选择这两个参数，Δn和缺陷的厚度，使得缺陷432局域化激光辐射的一个且仅仅一个模式。其它模式在整个PBC上延伸。
因此，根据本发明的优选实施例，选择缺陷432和PBC430，使得(在垂直于折射率调制轴的方向上传播的)光学基模局域化在缺陷432处并且在远离缺陷432处衰减，而所有其它(高阶)光学模式在整个光子带隙晶体上延伸。于是，增益区可直接置于光子带隙晶体的缺陷处或与其接近。
如下计算整个结构上的折射率分布。引入模型结构。从波动方程的本征矢量问题的解获得基谐TE模式和高阶TE模式。由于计算了基模，使用例如在H.C.Casey，Jr.和M.B.Panish在SemiconductorLasers Part A(Academic Press，N.Y.，1978，Chapter 2)给出的方法计算远场模式。作为优化的结构获得所需的结构，该优化的结构提供最小射束发散度、有源区中基模的最大幅度以及有源区中高阶模式的幅度与基模幅度的最小比率之间的优选相互关系。
如所述的，有源区434优选位于缺陷432内，激光辐射的基模局域化在缺陷432处。所需的基模的局域化长度由两个趋势的相互关系决定。一方面，局域化长度需要大到足以提供低的远场射束发散度。另一方面，局域化长度应当远远短于PBC的长度。这在PBC总厚度的尺度上提供了基模的有效局域化，并因此与其它模式的电场强度相比大大加强了基模的电场强度。例如，在一个实施例中，PBC激光器实现了4°的射束发散度，同时限制因子为标准双异质结构激光器的0.11，标准双异质结构具有0.8μm的GaAs腔以及Ga1-xAlxAs包层，其中x＝0.3。
应当理解，这种设计促进了来自延伸的波导440的单横模激射，使装置10提供有效的光频率转换。
根据本发明的优选实施例，选择制做接触层216和217的材料，仅使延伸的高阶模式被层216和217散射，而被缺陷432良好局域化的基模不到达接触区，因而不被散射。用于接触层216和217的适合的材料包括例如合金材料。
此外，发光器件401还包括位于PBC430的第一层431之一内的一个或多个吸收层420，该吸收层420远离缺陷432并且吸收所有延伸的高阶模，而局域化的基模不受影响。也可以将吸收层420这样定位在PBC430的不同的层431内。
PCB优选由与衬底202晶格匹配或者接近晶格匹配并且对所发射的光透明的材料形成。在上述器件位于GaAs衬底上的例子中，优选实施例是具有调制铝组分x的Ga1-xAlxAs。周期数n、每层的厚度以及每层中的合金成分优选选择成提供激光辐射的一个且仅仅一个模式的局域化。
发光器件401中的层数和有源区的位置可以变化，这取决于装置10的制造工艺以及装置10的设计用途。因此，一个实施例包括这样的结构：其中与图5中的实施例相似地引入吸收层，但是有源区位于缺陷外。另一实施例包括这样的结构：其中有源区位于缺陷外且在折射率低的每层和折射率高的相邻层之间引入折射率渐变层。有源区位于缺陷外的另一个实施例包括围绕有源区的薄的载流子隧穿阻挡层。本发明的其它实施例也是可能的：其中有源区位于缺陷外，且包括所有元件或其中一些，例如吸收层、折射率渐变层和周围薄的载流子隧穿阻挡层。本发明的其它实施例包括缺陷位于有源区的n-侧和p-侧上的结构。
器件401的优选厚度是约10μm或更厚，PBC 430的周期431的优选数量为约5至约10或者更多，优选条宽度为约7μm至约10μm或者更宽，器件401的优选长度为约100μm或更长。
通过发光器件401的适当漏光设计，可进一步提高装置10的效率，其中所述延伸的高阶模式漏光并渗入衬底202或接触层216和217中，而基模与之相反，如上所述，其并不到达衬底202或者接触层216和217并且没有任何漏光损失。
现在参照图6，该图示出了使用漏式激光器来产生初级光的优选实施例中的装置10。
因此，在该实施例中，波导204优选包括两个部分：具有中间折射率的第一部分539和具有高折射率的优选的第二部分540。有源区206夹在层205和207之间，层205和207中的每一个的特征都在于具有中间折射率。在有源区206中产生的光从第一部分539(具有中间折射率)漏出到达第二部分540(具有较高的折射率)，沿光路541传播通过第二部分540，并且通过前小面210出射，在外部腔512内沿路径511传播。光511在腔内通常沿相对于前小面210的法线倾斜的方向传播。以某一角度传播导致反馈仅对于单横向漏光模式选择性存在。作为单模式光，一旦光511进入NLO晶体213，就会发生有效的频率转换，并且产生转换后的光515。光515通过光反射器214出射，见上面进一步详细的描述。
基模漏入其中的第二部分540，优选由与衬底202晶格匹配或者接近匹配、对发射的光透明、n-掺杂且具有高折射率的材料形成。掺入杂质的类型和掺杂水平优选与上面进一步详述的层203的相同。对于GaAs衬底上器件的例子，优选材料是Ga1-xAlxAs，其中根据对折射率的需要选择调制铝组分x。
可选地并且优选，用于产生初级光的漏式激光器可以制造成使得波导204仅包括第一部分(没有第二部分)。在该实施例中，所产生的光直接泄漏到衬底202中。
参照图7，根据本发明的优选实施例，装置10还可包括用于将微弱发散的光束611转变成平行光束651的透镜650。在该实施例中，使用平面光发射器614，而不是聚焦光反射器。该实施例的特别的优点在于平面光反射器的设计通常比聚焦光反射器的设计简单。透镜650可以由本领域中已知的任何适合的材料制作，例如，但不限于玻璃或者石英玻璃。
图8示出了另一优选实施例中的装置10，该实施例包括几个涂层。因此，如前面已经解释过的，发光器件201可包括前小面210上的抗反射涂层320，以及后小面269上的可由多层介电结构形成的高反射涂层719。在该实施例中，将另外的高反射涂层714用作光反射器。或者，涂层714可形成在光反射器214或614上，将涂层714的厚度、形状和层数优选设计成有利于涂层714的选择性反射、吸收和/或透射属性。具体地，涂层714优选提供基横模(211、511或651)的高反射率和低损耗，对转换后的光215提供高透射吸收和低损耗，并对不想要的高阶模式提供高损耗。
应当理解，本发明的范围意在包括上述涂层的所有组合。例如，在一些实施例中，一个或多个涂层可以独立地实现为单层或者多层涂层。此外，在其它实施例中，涂层714可以与涂层320和/或涂层319包含在一起。
对涂层使用多层结构可以选择如下的组成材料，即该材料的(多个)窄阻带的光谱位置随温度的变化与NLO晶体的光学频率转换的最大效率的光谱位置随温度的变化具有相同的方式。这使得装置10的频率转换效率的极高温度稳定性得以实现。
涂层714和719可由任何已知的适当材料形成，所述材料具有特定反射、吸收和/或透射属性，例如，但不限于交替沉积的介电材料(例如SiO2、MgF2或ZnS)。
现在参照图9，根据本发明的另一方面，提供一种光频率转换方法。该方法包括在图9的流程图中所示的如下方法步骤。
因此，在由框802表示的第一步，从发光器件发射具有第一频率的光，该发光器件可以是例如，发光器件201或发光器件401，见上面更详细的描述。在由框804表示的第二步，使用光反射器使得所述光在外部腔内通过多次并多次通过NLO晶体，其中该外部腔可设计成例如外部腔212或外部腔512，并且NLO晶体可以是具有适合的光转换特性的任何已知的NLO晶体，例如具有或不具有涂层260的NLO晶体213，见上面的详细描述。通过使光在外部腔内通过多次，提供足以产生具有第一频率的激光的反馈。在由框806表示的第三步中，具有第一频率的激光多次通过非线性光学晶体。该非线性光学晶体将激光的第一频率转换成不同于第一频率的第二频率。
根据本发明的优选实施例，光反射器可以是光反射器214、614、714等中的任一个。此外，优选光反射器被涂敷单层涂层或多层涂层，见上面的详细描述。可选地，该方法还可包括由框808指定的附加步骤，在该步骤中使用透镜(例如，透镜650)将微弱发散的光束转换成平行光束。
根据本发明的另一方面，提供了制造光频率转换装置的方法。
图10是该方法的方法步骤的流程图，其中，在由框902表示的第一步中，提供诸如发光器件201或发光器件401的发光器件。在由框904表示的第二步中，提供光反射器并将其与发光器件相对地放置，在由框906表示的第三步中，提供NLO晶体并将其放置在限定在发光器件和光反射器之间的外部腔内。根据本发明的优选实施例，发光器件、光反射器和非线性光学晶体被构造和设计成使得光多次通过NLO晶体，并且提供用于产生具有被转换的频率的激光的反馈，见上面的详细说明。
可以理解，为了清楚起见在各实施例的内容中所描述的本发明的某些特征，也可以在一个实施例中组合提供。相反，为了简洁，而在一个实施例的内容中描述的本发明的各种特征，也可以分开或者在任何合适的次组合中提供。
虽然已经结合其具体实施例描述了本发明，但是很明显，对于本领域的技术人员而言很多替换、修改和变化是显而易见的。因此，旨在包括在所附权利要求的精神和广阔范围内的所有这种替换、修改和变化。在本说明书中提及的所有出版物、专利、专利申请在此引用作为参考，如同具体且单独地在此引入每个单独的出版物、专利或专利申请作为参考。此外，在本申请中任何参考的引用和证明不应当被认为承认该参考可用作本发明的现有技术。

Claims (170)

1.一种光频率转换装置，该装置包括：
(a)发光器件，用于发射具有第一频率的光，所述发光器件是具有延伸的波导的边缘发射半导体发光二极管，所述延伸的波导被选择成使得该延伸的波导的基横模的特征在于低射束发散度；
(b)光反射器，构造和设计成使得所述光多次通过外部腔并且提供用于产生具有所述第一频率的激光的反馈，该外部腔限定在所述发光器件和所述光反射器之间；以及
(c)非线性光学晶体，位于所述外部腔内，并被选择成当具有所述第一频率的所述激光多次通过所述非线性光学晶体时，所述第一频率被转换成不同于所述第一频率的第二频率。
2.根据权利要求1的装置，还包括至少一个另外的发光器件。
3.根据权利要求2的装置，其中所述至少一个另外的发光器件中的至少一个是具有所述延伸的波导的边缘发射半导体发光二极管。
4.根据权利要求1的装置，其中所述延伸的波导在被注入电流时能够发光。
5.根据权利要求4的装置，其中选择所述发光器件的条长度和所述注入电流使得所述注入电流只产生非相干光，并且具有所述第一频率的所述激光是通过所述注入电流和所述反馈的结合产生的。
6.根据权利要求1的装置，其中所述外部腔被设计成使得具有所述第一频率的所述激光基本以所述基横模产生。
7.根据权利要求1的装置，其中选择所述光反射器，以便反射频率不同于所述第二频率的光，并且透射具有第二频率的光。
8.根据权利要求1的装置，其中所述发光器件由多个层形成。
9.根据权利要求1的装置，其中所述发光器件包括从第一侧与所述延伸的波导相邻的n-发射极，以及从第二侧与所述延伸的波导相邻的p-发射极。
10.根据权利要求9的装置，其中所述n-发射极形成在衬底的第一侧上，所述衬底是III-V族半导体。
11.根据权利要求10的装置，其中所述III-V族半导体选自包括GaAs、InAs、InP和GaSb的组中。
12.根据权利要求10的装置，其中所述发光器件包括与所述衬底接触的n-接触和与所述p-发射极接触的p-接触。
13.根据权利要求12的装置，其中所述p-发射极包括至少一个与所述延伸的波导接触的p-掺杂层以及至少一个与所述p-接触相接触的p+-掺杂层。
14.根据权利要求10的装置，其中所述延伸的波导包括形成在被掺入n-杂质的第一延伸的波导区和被掺入p-杂质的第二延伸的波导区之间的有源区，所述第一和所述第二延伸的波导区是透光的。
15.根据权利要求14的装置，其中所述有源区的特征在于其能量带隙窄于所述衬底的能量带隙。
16.根据权利要求14的装置，其中所述有源区包括至少一层。
17.根据权利要求14的装置，其中所述有源区包括选自以下组中的系统，该组包括量子阱系统、量子线系统、量子点系统及其任意组合。
18.根据权利要求9的装置，其中所述n-发射极的厚度大于10微米。
19.根据权利要求1的装置，其中所述发光器件的前小面涂敷有抗反射涂层。
20.根据权利要求1的装置，其中所述发光器件的后小面涂敷有高反射涂层。
21.根据权利要求19的装置，其中所述发光器件的后小面涂敷有高反射涂层。
22.根据权利要求20的装置，其中所述高反射涂层包括多个层。
23.根据权利要求20的装置，其中所述高反射涂层的特征在于预定阻带窄到足以提供所述基横模的高反射率并提供高阶横模的低反射率。
24.根据权利要求1的装置，其中所述光反射器包括多个层。
25.根据权利要求24的装置，其中所述光反射器的特征在于预定阻带窄到足以提供所述基横模的高反射率并提供高阶横模的低反射率。
26.根据权利要求20的装置，其中所述高反射涂层和所述光反射器分别独立地具有如下特征：预定阻带窄到足以提供所述基横模的高反射率并提供高阶横模的低反射率。
27.根据权利要求23的装置，其中所述非线性光学晶体的特征在于频率转换效率，并且此外，其中所述高反射涂层的所述阻带的温度相关性与所述频率转换效率的温度相关性相同。
28.根据权利要求25的装置，其中所述非线性光学晶体的特征在于频率转换效率，并且此外，其中所述光反射器的所述阻带的温度相关性与所述频率转换效率与温度相关性相同。
29.根据权利要求26的装置，其中所述高反射涂层的所述阻带的温度相关性与所述频率转换效率与温度相关性相同。
30.根据权利要求29的装置，其中所述光反射器的所述阻带的温度相关性与所述频率转换效率的温度相关性相同。
31.根据权利要求1的装置，其中还包括光谱选择滤波器，其定位成防止具有第二频率的光照射所述发光器件。
32.根据权利要求31的装置，其中所述光谱选择滤波器形成在所述非线性光学晶体的与所述发光器件面对的一侧上。
33.根据权利要求1的装置，其中所述延伸的波导包括至少两部分，这两部分分别具有不同的折射率，使得所述延伸的波导的特征在于折射率可变。
34.根据权利要求33的装置，其中所述延伸的波导的所述至少两部分包括具有中间折射率的第一部分和具有高折射率的第二部分，所述第一和所述第二部分设计和构造成使得所述基横模在所述第一部分中产生，漏到所述第二部分中并且以预定角度通过所述发光器件的前小面出射。
35.根据权利要求1的装置，其中所述延伸的波导的至少一部分包括光子带隙晶体。
36.根据权利要求35的装置，其中所述光子带隙晶体包括具有周期性调制折射率的结构，所述结构包括多个层。
37.根据权利要求36的装置，其中所述发光器件包括至少一个吸收层，其能够吸收位于所述光子带隙晶体的一个层内的光。
38.根据权利要求36的装置，其中所述发光器件包括多个吸收层，使得所述多个吸收层中的每一个都位于所述光子带隙晶体的不同层内。
39.根据权利要求35的装置，其中所述延伸的波导的至少一部分包括与所述光子带隙晶体的第一侧相邻的缺陷，所述缺陷和所述光子带隙晶体被选择成使得所述基横模被局域化在所述缺陷处，并且其它所有模在整个所述光子带隙晶体上延伸。
40.根据权利要求39的装置，其中所述缺陷包括具有n-侧和p-侧的有源区，所述有源区在被注入电流时能够发光。
41.根据权利要求39的装置，其中所述光子带隙晶体和所述缺陷的总厚度被选择成允许所述的低射束发散度。
42.根据权利要求41的装置，其中所述发光器件包括与所述光子带隙晶体的第二侧相邻的n-发射极，以及与所述光子带隙晶体相隔所述缺陷并且与所述缺陷相邻的p-发射极。
43.根据权利要求42的装置，其中所述发光器件包括具有可变折射率的p-掺杂层状结构，所述p-掺杂层状结构位于所述p-发射极和所述缺陷之间。
44.根据权利要求42的装置，其中所述n-发射极形成在衬底的第一侧上，所述衬底是III-V族半导体。
45.根据权利要求44的装置，其中所述III-V族半导体选自包括GaAs、InAs、InP和GaSb的组中。
46.根据权利要求44的装置，其中所述发光器件包括与所述衬底接触的n-接触以及与所述p-发射极接触的p-接触。
47.根据权利要求46的装置，其中所述发光器件包括具有可变折射率的p-掺杂层状结构，所述p-掺杂层状结构位于所述p-发射极和所述缺陷之间。
48.根据权利要求47的装置，其中选择所述可变折射率，以防止所述基横模延伸到所述n-接触和/或所述p-接触。
49.根据权利要求46的装置，其中所述p-发射极包括与所述延伸的波导接触的至少一个p-掺杂层，以及与所述p-接触相接触的至少一个p+-掺杂层。
50.根据权利要求40的装置，其中所述缺陷还包括：第一薄的电子遂穿势垒层，位于所述n-侧上并且夹在第一对额外层之间；以及第二薄的空穴遂穿势垒层，位于所述p-侧上并且夹在第二对额外层之间。
51.根据权利要求50的装置，其中所述第一薄的电子遂穿势垒层由从包括轻掺杂n型层和非掺杂层的组中选出的材料形成。
52.根据权利要求50的装置，其中所述第二薄的空穴遂穿势垒层由从包括轻掺杂p型层和非掺杂层的组中选出的材料形成。
53.根据权利要求50的装置，其中所述缺陷还包括与远离所述有源区的所述第一对额外层中的一个邻接的厚n-掺杂层；以及与远离所述有源区的所述第二对额外层中的一个邻接的厚p-掺杂层。
54.根据权利要求50的装置，其中所述第一对额外层中的至少一个由从包括轻掺杂n型层和非掺杂层的组中选出的材料形成。
55.根据权利要求50的装置，其中所述第二对额外层中的至少一个由从包括轻掺杂p型层和非掺杂层的组中选出的材料形成。
56.根据权利要求1的装置，还包括位于所述发光器件和所述非线性光学晶体之间的所述外部腔内的透镜。
57.根据权利要求56的装置，其中所述透镜设计和构造成可将微弱发散的光束转变成平行光束。
58.根据权利要求57的装置，其中所述光反射器是平面光反射器，能够反射所述平行束。
59.一种光频率转换方法，该方法包括：
(a)使用发光器件发射具有第一频率的光，所述发光器件是具有延伸的波导的边缘发射半导体发光二极管，所述延伸的波导被选择成使得该延伸波导的基横模的特征在于低射束发散度；
(b)使用光反射器以允许所述光多次通过外部腔，该外部腔限定在所述发光器件和所述光反射器之间，以便提供用于产生具有所述第一频率的激光的反馈；以及
(c)使用位于所述外部腔内的非线性光学晶体，来将所述第一频率转换成第二频率，从而提供具有第二频率的激光，其中所述第二频率不同于所述第一频率。
60.根据权利要求59的方法，其中所述光的所述发射通过向所述延伸的波导注入电流来进行。
61.根据权利要求60的方法，其中所述发光器件的条长度和所述注入电流被选择成使得所述注入电流只产生非相干光，并且具有所述第一频率的所述激光是通过所述注入电流和所述反馈的结合来产生的。
62.根据权利要求59的方法，其中所述外部腔设计成使得具有所述第一频率的所述激光基本以所述基横模产生。
63.根据权利要求59的方法，其中选择所述光反射器，以便反射频率不同于所述第二频率的光，并且透射具有所述第二频率的光。
64.根据权利要求59的方法，其中所述发光器件由多个层形成。
65.根据权利要求59的方法，其中所述发光器件包括从第一侧与所述延伸的波导相邻的n-发射极，以及从第二侧与所述延伸的波导相邻的p-发射极。
66.根据权利要求65的方法，其中所述n-发射极形成在衬底的第一侧上，所述衬底是III-V族半导体。
67.根据权利要求66的方法，其中所述III-V族半导体选自包括GaAs、InAs、InP和GaSb的组中。
68.根据权利要求66的方法，其中所述发光器件包括与所述衬底接触的n-接触和与所述p-发射极接触的p-接触。
69.根据权利要求68的方法，其中所述p-发射极包括至少一个与所述延伸的波导接触的p-掺杂层以及至少一个与所述p-接触相接触的p+-掺杂层。
70.根据权利要求66的方法，其中所述延伸的波导包括形成在被掺入n-杂质的第一延伸的波导区和被掺入p-杂质的第二延伸的波导区之间的有源区，所述第一和所述第二延伸的波导区是透光的。
71.根据权利要求70的方法，其中所述有源区的特征在于能量带隙窄于所述衬底的能量带隙。
72.根据权利要求70的方法，其中所述有源区包括至少一层。
73.根据权利要求70的方法，其中所述有源区包括选自以下组中的系统，该组包括量子阱系统、量子线系统、量子点系统及其任意组合。
74.根据权利要求65的方法，其中所述n-发射极的厚度大于10微米。
75.根据权利要求59的方法，其中所述发光器件的前小面涂敷有抗反射涂层。
76.根据权利要求59的方法，其中所述发光器件的后小面涂敷有高反射涂层。
77.根据权利要求75的方法，其中所述发光器件的后小面涂敷有高反射涂层。
78.根据权利要求76的方法，其中所述高反射涂层包括多个层。
79.根据权利要求76的方法，其中所述高反射涂层的特征在于预定阻带窄到足以提供所述基横模的高反射率并提供高阶横模的低反射率。
80.根据权利要求59的方法，其中所述光反射器包括多个层。
81.根据权利要求80的方法，其中所述光反射器的特征在于预定阻带窄到足以提供所述基横模的高反射率并提供高阶横模的低反射率。
82.根据权利要求76的方法，其中所述高反射涂层和所述光反射器分别独立地具有如下特征：预定阻带窄到足以提供所述基横模的高反射率并提供高阶横模的低反射率。
83.根据权利要求79的方法，其中所述非线性光学晶体的特征在于频率转换效率，并且此外，其中所述高反射涂层的所述阻带的温度相关性与所述频率转换效率的温度相关性相同。
84.根据权利要求81的方法，其中所述非线性光学晶体的特征在于频率转换效率，并且此外，其中所述光反射器的所述阻带的温度相关性与所述频率转换效率的温度相关性相同。
85.根据权利要求82的方法，其中所述高反射涂层的所述阻带的温度相关性与所述频率转换效率的温度相关性相同。
86.根据权利要求85的方法，其中所述光反射器的所述阻带的温度相关性与所述频率转换效率的温度相关性相同。
87.根据权利要求59的方法，还包括光谱选择滤波器，将其定位成防止具有所述第二频率的光照射所述发光器件。
88.根据权利要求87的方法，其中所述光谱选择滤波器形成在所述非线性光学晶体的与所述发光器件面对的一侧上。
89.根据权利要求59的方法，其中所述延伸的波导包括至少两部分，这两部分分别具有不同的折射率，使得所述延伸的波导的特征在于折射率可变。
90.根据权利要求89的方法，其中所述延伸的波导的所述至少两部分包括具有中间折射率的第一部分和具有高折射率的第二部分，将所述第一和所述第二部分设计和构造成使得所述基横模在所述第一部分中产生，漏到所述第二部分中并且以预定角度通过所述发光器件的前小面出射。
91.根据权利要求59的方法，其中所述延伸的波导的至少一部分包括光子带隙晶体。
92.根据权利要求91的方法，其中所述光子带隙晶体包括具有周期性调制折射率的结构，所述结构包括多个层。
93.根据权利要求92的方法，其中所述发光器件包括至少一个吸收层，其能够吸收位于所述光子带隙晶体的一个层内的光。
94.根据权利要求92的方法，其中所述发光器件包括多个吸收层，使得所述多个吸收层中的每一个都位于所述光子带隙晶体的不同层内。
95.根据权利要求91的方法，其中所述延伸的波导的至少一部分包括与所述光子带隙晶体的第一侧相邻的缺陷，所述缺陷和所述光子带隙晶体被选择成使得所述基横模被局域化在所述缺陷处，并且其它所有模在整个所述光子带隙晶体上延伸。
96.根据权利要求95的方法，其中所述缺陷包括具有n-侧和p-侧的有源区，所述有源区在被注入电流时能够发光。
97.根据权利要求95的方法，其中所述光子带隙晶体和所述缺陷的总厚度被选择成允许所述的低射束发散度。
98.根据权利要求95的方法，其中所述发光器件包括与所述光子带隙晶体的第二侧相邻的n-发射极，以及与所述光子带隙晶体相隔所述缺陷并且与所述缺陷相邻的p-发射极。
99.根据权利要求98的方法，其中所述发光器件包括具有可变折射率的p-掺杂层状结构，所述p-掺杂层状结构位于所述p-发射极和所述缺陷之间。
100.根据权利要求98的方法，其中所述n-发射极形成在衬底的第一侧上，所述衬底是III-V族半导体。
101.根据权利要求100的方法，其中所述III-V族半导体选自包括GaAs、InAs、InP和GaSb的组中。
102.根据权利要求100的方法，其中所述发光器件包括与所述衬底接触的n-接触以及与所述p-发射极接触的p-接触。
103.根据权利要求102的方法，其中所述发光器件包括具有可变折射率的p-掺杂层状结构，所述p-掺杂层状结构位于所述p-发射极和所述缺陷之间。
104.根据权利要求103的方法，其中选择所述可变折射率，以防止所述基横模延伸到所述n-接触和/或所述p-接触。
105.根据权利要求102的方法，其中所述p-发射极包括与所述延伸的波导接触的至少一个p-掺杂层，以及与所述p-接触相接触的至少一个p+-掺杂层。
106.根据权利要求96的方法，其中所述缺陷还包括：第一薄的电子遂穿势垒层，位于所述n-侧上并且夹在第一对额外层之间；以及第二薄的空穴遂穿势垒层，位于所述p-侧上并且夹在第二对额外层之间。
107.根据权利要求106的方法，其中所述第一薄的电子遂穿势垒层由从包括轻掺杂n型层和非掺杂层的组中选出的材料形成。
108.根据权利要求106的方法，其中所述第二薄的空穴遂穿势垒层由从包括轻掺杂p型层和非掺杂层的组中选出的材料形成。
109.根据权利要求106的方法，其中所述缺陷还包括与远离所述有源区的所述第一对额外层中的一个邻接的厚n-掺杂层；以及与远离所述有源区的所述第二对额外层中的一个邻接的厚p-掺杂层。
110.根据权利要求106的方法，其中所述第一对额外层中的至少一个由从包括轻掺杂n型层和非掺杂层的组中选出的材料形成。
111.根据权利要求106的方法，其中所述第二对额外层中的至少一个由从包括轻掺杂p型层和非掺杂层的组中选出的材料形成。
112.根据权利要求59的方法，还包括使用透镜将微弱发散的光束转变成平行光束。
113.根据权利要求112的方法，其中所述光反射器是平面光反射器，能够反射所述平行射束。
114.一种制造光频率转换装置的方法，该方法包括：
(a)提供发光器件，用于发射具有第一频率的光，所述发光器件是具有延伸的波导的边缘发射半导体发光二极管，所述延伸的波导被选择成使得该延伸的波导的基横模的特征在于低射束发散度；
(b)提供光反射器并将所述光反射器定位成与所述发光器件相对，所述光反射器被构造和设计成使得所述光多次通过外部腔并且提供用于产生具有所述第一频率的激光的反馈，该外部腔限定在所述发光器件和所述光反射器之间；
(c)提供非线性光学晶体并且将所述非线性光学晶体定位在所述外部腔内，所述非线性光学晶体被选择成当具有所述第一频率的所述激光多次通过所述非线性光学晶体时，所述第一频率被转换成不同于所述第一频率的第二频率。
115.根据权利要求114的方法，还包括提供至少一个另外的发光器件。
116.根据权利要求114的方法，其中所述延伸的波导在被注入电流时能够发光。
117.根据权利要求116的方法，其中所述发光器件的条长度和所述注入电流被选择成使得所述注入电流只产生非相干光，并且具有所述第一频率的所述激光是通过所述注入电流和所述反馈的结合来产生的。
118.根据权利要求114的方法，其中所述外部腔设计成使得具有所述第一频率的所述激光基本以所述基横模产生。
119.根据权利要求114的方法，其中选择所述光反射器，以便反射频率不同于所述第二频率的光，并且透射具有所述第二频率的光。
120.根据权利要求114的方法，其中所述发光器件由多个层形成。
121.根据权利要求114的方法，其中所述发光器件包括从第一侧与所述延伸的波导相邻的n-发射极，以及从第二侧与所述延伸的波导相邻的p-发射极。
122.根据权利要求121的方法，其中所述n-发射极形成在衬底的第一侧上，所述衬底是III-V族半导体。
123.根据权利要求122的方法，其中所述III-V族半导体选自包括GaAs、InAs、InP和GaSb的组中。
124.根据权利要求122的方法，其中所述发光器件包括与所述衬底接触的n-接触和与所述p-发射极接触的p-接触。
125.根据权利要求124的方法，其中所述p-发射极包括至少一个与所述延伸的波导接触的p-掺杂层以及至少一个与所述p-接触相接触的p+-掺杂层。
126.根据权利要求122的方法，其中所述延伸的波导包括形成在被掺入n-杂质的第一延伸的波导区和被掺入p-杂质的第二延伸的波导区之间的有源区，所述第一和所述第二延伸的波导区是透光的。
127.根据权利要求126的方法，其中所述有源区的特征在于能量带隙窄于所述衬底的能量带隙。
128.根据权利要求126的方法，其中所述有源区包括至少一层。
129.根据权利要求126的方法，其中所述有源区包括选自以下组中的系统，该组包括量子阱系统、量子线系统、量子点系统及其任意组合。
130.根据权利要求121的方法，其中所述n-发射极的厚度大于10微米。
131.根据权利要求114的方法，还包括用抗反射涂层涂敷所述发光器件的前小面。
132.根据权利要求114的方法，还包括用高反射涂层涂敷所述发光器件的后小面。
133.根据权利要求131的方法，还包括用高反射涂层涂敷所述发光器件的后小面。
134.根据权利要求132的方法，其中所述高反射涂层包括多个层。
135.根据权利要求132的方法，其中所述高反射涂层的特征在于预定阻带窄到足以提供所述基横模的高反射率并提供高阶横模的低反射率。
136.根据权利要求114的方法，其中所述光反射器包括多个层。
137.根据权利要求136的方法，其中所述光反射器的特征在于预定阻带窄到足以提供所述基横模的高反射率并提供高阶横模的低反射率。
138.根据权利要求132的方法，其中所述高反射涂层和所述光反射器分别独立地具有如下特征：预定阻带窄到足以提供所述基横模的高反射率并提供高阶横模的低反射率。
139.根据权利要求135的方法，其中所述非线性光学晶体的特征在于频率转换效率，并且此外，其中所述高反射涂层的所述阻带的温度相关性与所述频率转换效率的温度相关性相同。
140.根据权利要求137的方法，其中所述非线性光学晶体的特征在于频率转换效率，并且此外，其中所述光反射器的所述阻带的温度相关性与所述频率转换效率的温度相关性相同。
141.根据权利要求138的方法，其中所述高反射涂层的所述阻带的温度相关性与所述频率转换效率的温度相关性相同。
142.根据权利要求141的方法，其中所述光反射器的所述阻带的温度相关性与所述频率转换效率的温度相关性相同。
143.根据权利要求114的方法，还包括提供光谱选择滤波器，并且将所述光谱选择滤波器定位成防止具有第二频率的光照射所述发光器件。
144.根据权利要求143的方法，其中所述光谱选择滤波器形成在所述非线性光学晶体的与所述发光器件面对的一侧上。
145.根据权利要求114的方法，其中所述延伸的波导包括至少两部分，这两部分分别具有不同的折射率，使得所述延伸的波导的特征在于折射率可变。
146.根据权利要求145的方法，其中所述延伸的波导的所述至少两部分包括具有中间折射率的第一部分和具有高折射率的第二部分，将所述第一和所述第二部分设计和构造成使得所述基横模在所述第一部分中产生，漏到所述第二部分中并且以预定角度通过所述发光器件的前小面出射。
147.根据权利要求114的方法，其中所述延伸的波导的至少一部分包括光子带隙晶体。
148.根据权利要求147的方法，其中所述光子带隙晶体包括具有周期性调制折射率的结构，所述结构包括多个层。
149.根据权利要求148的方法，其中所述发光器件包括至少一个吸收层，其能够吸收位于所述光子带隙晶体的一个层内的光。
150.根据权利要求148的方法，其中所述发光器件包括多个吸收层，使得所述多个吸收层中的每一个都位于所述光子带隙晶体的不同层内。
151.根据权利要求147的方法，其中所述延伸的波导的至少一部分包括与所述光子带隙晶体的第一侧相邻的缺陷，所述缺陷和所述光子带隙晶体被选择成使得所述基横模被局域化在所述缺陷处，并且其它所有模在整个所述光子带隙晶体上延伸。
152.根据权利要求151的方法，其中所述缺陷包括具有n-侧和p-侧的有源区，所述有源区在被注入电流时能够发光。
153.根据权利要求151的方法，其中所述光子带隙晶体和所述缺陷的总厚度被选择成允许所述的低射束发散度。
154.根据权利要求153的方法，其中所述发光器件包括与所述光子带隙晶体的第二侧相邻的n-发射极，以及与所述光子带隙晶体相隔所述缺陷并且与所述缺陷相邻的p-发射极。
155.根据权利要求154的方法，其中所述发光器件包括具有可变折射率的p-掺杂层状结构，所述p-掺杂层状结构位于所述p-发射极和所述缺陷之间。
156.根据权利要求154的方法，其中所述n-发射极形成在衬底的第一侧上，所述衬底是III-V族半导体。
157.根据权利要求156的方法，其中所述III-V族半导体选自包括GaAs、InAs、InP和GaSb的组中。
158.根据权利要求156的方法，其中所述发光器件包括与所述衬底接触的n-接触以及与所述p-发射极接触的p-接触。
159.根据权利要求158的方法，其中所述发光器件包括具有可变折射率的p-掺杂层状结构，所述p-掺杂层状结构位于所述p-发射极和所述缺陷之间。
160.根据权利要求159的方法，其中选择所述可变折射率，以防止所述基横模延伸到所述n-接触和/或所述p-接触。
161.根据权利要求158的方法，其中所述p-发射极包括与所述延伸的波导接触的至少一个p-掺杂层，以及与所述p-接触相接触的至少一个p+-掺杂层。
162.根据权利要求154的方法，其中所述缺陷还包括：第一薄的电子遂穿势垒层，位于所述n-侧上并且夹在第一对额外层之间；以及第二薄的空穴遂穿势垒层，位于所述p-侧上并且夹在第二对额外层之间。
163.根据权利要求162的方法，其中所述第一薄的电子遂穿势垒层由从包括轻掺杂n型层和非掺杂层的组中选出的材料形成。
164.根据权利要求162的方法，其中所述第二薄的空穴遂穿势垒层由从包括轻掺杂p型层和非掺杂层的组中选出的材料形成。
165.根据权利要求162的方法，其中所述缺陷还包括与远离所述有源区的所述第一对额外层中的一个邻接的厚n-掺杂层；以及与远离所述有源区的所述第二对额外层中的一个邻接的厚p-掺杂层。
166.根据权利要求162的方法，其中所述第一对额外层中的至少一个由从包括轻掺杂n型层和非掺杂层的组中选出的材料形成。
167.根据权利要求162的方法，其中所述第二对额外层中的至少一个由从包括轻掺杂p型层和非掺杂层的组中选出的材料形成。
168.根据权利要求114的方法，还包括提供透镜并将所述透镜置于所述发光器件和所述非线性光学晶体之间的所述外部腔内。
169.根据权利要求168的方法，其中所述透镜设计和构造成将微弱发散的光束转变成平行光束。
170.根据权利要求169的方法，其中所述光反射器是平面光反射器，能够反射所述平行束。
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