CN1979983A - 具有泵束反射器的垂直外腔表面发射激光器 - Google Patents

具有泵束反射器的垂直外腔表面发射激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)。该VECSEL包括：半导体芯片，包括发射具有预定波长的束的有源层以及将该有源层产生的该束反射到该有源层的外部的反射层；外镜，面对该有源层且反复地将该有源层发射的束反射到该反射层从而放大该束并将该放大的束输出到外部；泵浦激光器，提供泵浦束从而激励该有源层；第二谐波生成(SHG)器件，设置在该半导体芯片与该外镜之间并且转换该有源层发射的该束的波长；及半导体过滤器或电介质过滤器，与该SHG器件耦合。该VECSEL包括能够容易地选择波长并能够容易地制造的半导体过滤器或电介质过滤器，从而具有高的光转换效率、简单、并具有低制造成本。

Description

具有泵束反射器的垂直外腔表面发射激光器
技术领域
本发明涉及垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)，更特别地，涉及能够以低成本制造的具有简单结构的VECSEL。
背景技术
其中束垂直于衬底发射的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)以非常窄频谱的单纵向模式(single longitudinal mode)振荡光并且发射小辐射角的束，因而具有良好的耦合效率。VCSEL由于其结构而可以容易地与其它器件集成，并且可以用作泵浦光源(pumping light source)。然而，常规VCSEL不能容易地进行单横向模式(single transverse mode)振荡，因为VCSEL由于光输出的增加导致的热透镜效应而以多个模式工作，并且单横向模式的输出低。
垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)是具有VCSEL的上述优点的高光输出激光器。VECSEL具有取代上镜(upper mirror)的外镜(external mirror)从而增加增益区域，因而可以输出数瓦特到很多瓦特的光。
图1是常规VECSEL 10的示意图。VECSEL 10是前光学泵浦激光器，包括供应泵浦束并形成在半导体芯片13前面的泵浦激光器15。半导体芯片13包括顺序形成在散热器14上的分布式布拉格反射器(distributed BraggReflector)和有源层12，外镜20距离半导体芯片13预定距离设置且面对半导体芯片13。聚焦从泵浦激光器15发出的泵浦束(pumping beam)的透镜16设置在泵浦激光器15和半导体芯片13之间。
第二谐波生成(SHG)器件18和用于增加第二谐波生成的双折射过滤器17设置在有源层12与外镜20之间。双折射过滤器17过滤单一窄波段的光，因而增加光转换效率。
有源层12可以是具有谐振周期增益(RPG)结构的多量子阱层并且被泵浦束激励且发射具有预定波长λ2的束。泵浦激光器15发射比有源层12产生的光的波长λ2短的波长λ1的光从而激励有源层12。
在上述配置中，当泵浦激光器15发射具有波长λ1的泵浦束至有源层12时，有源层12被激励并发射波长λ2的束。束通过在DBR层11和外镜20之间重复地反射而往复运动。因此在有源层12中放大的一部分束通过外镜20发射到外部。从有源层12发射的束是多纵向模式束，其通过双折射过滤器17过滤从而获得具有窄线宽的单模式束。例如，红外线范围内的束被转换成可见光范围内的束并被输出。
当利用双折射过滤器17来选择谐振光的偏振和波长时，双折射过滤器17需要相对于光的主路径以规则角安装，因此需要安装双折射过滤器17的额外空间。另外，双折射过滤器17昂贵，其制造工艺复杂，并且双折射过滤17需要根据偏振来布置，其需要夹具(jig)。因此，VECSEL的总体积增加。此外，因为SHG晶体18对温度敏感，需要控制温度。由于双折射过滤器17的温度需要根据SHG晶体18的温度来控制，因而温度控制变得复杂。
发明内容
本发明提供一种垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)，其能够以低成本制造并具有简单的易于调整的结构。
根据本发明的一个方面，提供一种垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)，包括：半导体芯片，包括发射具有预定波长的束的有源层以及将该有源层产生的该束反射到该有源层外部的反射层；外镜，面对该有源层且反复地将该有源层发射的束反射到该反射层从而放大该束并将该放大的束输出到外部；泵浦激光器，提供泵浦束从而激励该有源层；第二谐波生成(SHG)器件，设置在该半导体芯片与该外镜之间并且转换该有源层发射的该束的波长；以及半导体过滤器，与该SHG器件耦合。
根据本发明的另一方面，提供一种VECSEL，包括：半导体芯片，包括发射具有预定波长的束的有源层以及将该有源层产生的束反射到该有源层外的反射层；外镜，面对该有源层且反复地将该有源层发射的束反射到该反射层从而放大该束并将该放大的束输出到外部；泵浦激光器，提供泵浦束从而激励该有源层；第二谐波生成(SHG)器件，设置在该半导体芯片与该外镜之间并且转换该有源层发射的束的波长；以及电介质过滤器，与该SHG器件耦合。
该反射层可以是包括重复交替堆叠的具有不同折射率的两种半导体层的多层分布式布拉格反射器。
该半导体层的每个的厚度可以为所述发射的束的波长的四分之一。
该有源层可包括产生束的多个量子阱层，该量子阱层的每个设置于在该外镜与所述反射镜之间谐振的束产生的驻波的波腹内。
该半导体过滤器可具有30％或更大的透射率以及10nm或更小的非零线宽。
该电介质过滤器可具有在选定波长处30％或更大的透射率以及10nm或更小的非零线宽。
该第一半导体层是具有较低折射率的AlAs层，该第二半导体层是具有较高折射率的Al0.2GaAs层。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例性实施例，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显，附图中：
图1是常规垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)的示意图；
图2是根据本发明一实施例的VECSEL的示意图；
图3是图2的VECSEL中使用的半导体过滤器的剖视图；
图4是通过模拟使用图3的半导体过滤器的图2的VECSEL获得的透射谱。
具体实施方式
现在将参照附图更完整地说明本发明，附图中示出本发明的示例性实施例。为清晰起见，图中层的厚度和区域被放大。
图2是根据本发明一实施例的垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)100的示意图。参照图2，VECSEL 100包括发射具有预定波长的束的半导体芯片103、向半导体芯片103提供泵浦束的泵浦激光器105、以及远离半导体芯片103设置且将所发射的束反射回半导体芯片103的外镜120。
第二谐波生成(SHG)器件115设置在半导体芯片103与外镜120之间从而转换从半导体芯片103发射的束的波长。例如，SHG器件115将半导体芯片103发射的红外线范围内的束转换成可见光范围内的束。半导体过滤器110与具有高度波长选择性的SHG过滤器115耦合从而增加光转换效率。半导体过滤器110可以设置在SHG器件115下面使得半导体芯片103发射的束在进入SHG器件115之前被过滤。
半导体110可以用电介质过滤器代替并且电介质过滤器可以形成在SHG器件115上或其之下。
半导体芯片103包括发射预定波长的束的有源层102和将该束反射到有源层102的外部的反射层101。如本领域内所公知的，有源层102包括量子阱层并且该量子阱层具有谐振周期增益(RPG)结构，其包括多个量子阱之间的势垒层。有源层102吸收泵浦激光器105发射的泵浦束，因而被激励从而发射束。为了获得增益，量子阱分别在束的驻波的波腹(anti-node)中，所述束通过有源层102产生并且在外镜120与反射层101之间谐振。有源层102产生的束在外镜120与反射层101之间往复运动从而被放大。
为了以泵浦束激励有源层102，泵浦束的波长λ1应当短于有源层102产生的束的波长λ2。例如，当有源层102发射920nm至1060nm范围内的红外线内的束时，泵浦束的波长λ1可为约808nm。因为难以通过电泵浦将载流子均匀地注入到大的区域中，所以光学泵浦对于获得高输出是有利的。
透镜107设置在泵浦激光器105和半导体芯片103之间从而聚焦从泵浦激光器105发出的泵浦束。
外镜120与有源层102分开预定距离并与其面对，将有源层102发出的束的大部分反射回有源层102用于谐振，并将通过谐振放大的束传输到外部。外镜120的反射表面是凹入的使得所反射的束可以会聚到有源层102上。
反射层101将有源层102产生的束反射到外镜120使得束能在外镜120与反射层101之间谐振。反射层101可以是分布式布拉格反射器(DBR)，其被设计为在所述发射的束的波长λ2具有最大反射率。反射层101可以通过交替堆叠具有不同折射率的λ2/4厚度的两种类型的半导体层而形成。例如，反射所述发射的束并传输泵浦束的DBR层可以重复地交替AlxGa(1-x)As层和AlyGa(1-y)As层(0≤x，y≤1，x≠y)而形成。
散热器104形成在半导体芯片103下面从而消散有源层102产生的热。
图3是半导体过滤器110的剖视图。半导体过滤器110通过在衬底111上交替堆叠具有较低折射率的第一半导体层112a和具有较高折射率的第二半导体层112b而形成。半导体过滤器110可以通过半导体工艺容易地制造。例如，衬底111可以由GaAs形成，第一半导体层112a由AlAs形成，第二半导体层112b由AlyGa(1-y)As层(0≤y≤1)形成。例如，第二半导体层112b可以由Al0.2Ga0.8As形成。
半导体过滤器110还可以包括由AlyGa(1-y)As(0≤y≤1)形成的顶层113。例如，顶层113可以由GaAs形成。另外，包括第一半导体层112a和第二半导体层112b的第一对层A、包括第一半导体层112a的第二对层B、包括第一半导体层112a和第二半导体层112b的第三对层C可以重复1至100次。半导体过滤器110具有在预定波长处30％的透射率以及10nm或更小的线宽。
衬底111和顶层113的每个具有小于或等于10nm的非零厚度，第一半导体层112a和第二半导体层112b可具有有源层102所发射的束的波长的四分之一的厚度。
图3所示的半导体过滤器110透射具有1064nm波长的光，并且这样的光通过SHG器件115时被转换成具有532nm波长的绿光。图4示出了半导体过滤器110的透射率。在1064nm波长处透射率是30％或更大并且其线宽(Δλ)是0.2nm或更小。
如上所述，在本发明中，半导体过滤器简化了VECSEL的结构并增大了SHG器件的光转换效率。尽管上面描述了半导体的使用，但使用通过交替堆叠具有不同介电常数的电介质层而形成的电介质过滤器来代替半导体过滤器获得了相同效果。电介质过滤器具有在选定波长处30％或更大的透射率并且其线宽可以是10nm或更小。半导体过滤器可以与SHG器件耦合并设置在其下面，而电介质过滤器可以形成在SHG器件上或其之下。
如上所述，根据本发明的VECSEL包括半导体过滤器或电介质过滤器，其能容易地选择波长从而增大光转换效率并被容易地制造从而简化激光器。另外，由于过滤器与SHG器件耦合，不需要夹具，因而可以减小VECSEL的体积和制造成本。另外，不需要用于控制温度的额外设备。
尽管本发明参照其实施例进行了特定示出和描述，本领域技术人员能够理解，在不脱离本发明的权利要求所定义的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的各种改变。

Claims (20)

1.一种垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)，包括：
半导体芯片，包括发射具有预定波长的束的有源层以及将该有源层产生的该束反射到该有源层的外部的反射层；
外镜，面对该有源层且反复地将该有源层发射的束反射到该反射层从而放大该束并将该放大的束输出到外部；
泵浦激光器，提供泵浦束从而激励该有源层；
第二谐波生成(SHG)器件，设置在该半导体芯片与该外镜之间并且转换该有源层发射的该束的波长；以及
半导体过滤器，与该SHG器件耦合。
2.如权利要求1所述的VECSEL，其中该反射层是包括重复交替地堆叠的具有不同折射率的两种半导体层的多层分布式布拉格反射器。
3.如权利要求2所述的VECSEL，其中该半导体层的每个的厚度为该发射的束的波长的四分之一。
4.如权利要求1所述的VECSEL，其中该有源层包括产生束的多个量子阱层，该量子阱层的每个设置于在该外镜与该反射镜之间谐振的束产生的驻波的波腹内。
5.如权利要求1所述的VECSEL，其中该半导体过滤器具有30％或更大的透射率以及10nm或更小的非零线宽。
6.如权利要求1所述的VECSEL，其中该半导体过滤器包括：
衬底；以及
具有不同折射率的重复地顺序堆叠在该衬底上的第一和第二半导体层。
7.如权利要求6所述的VECSEL，其中该第一半导体层是具有较低折射率的AlAs层，该第二半导体层是具有较高折射率的AlxGa(1-x)AS层(0≤x≤1)。
8.如权利要求6所述的VECSEL，其中该第一和第二半导体层的每个的厚度是从该有源层发射的该束的波长的四分之一。
9.如权利要求6所述的VECSEL，其中该衬底具有10nm或更小的非零厚度。
10.如权利要求6所述的VECSEL，其中该半导体过滤器包括：堆叠在该衬底上的包括该第一和第二半导体层的第一对层，堆叠在该第一对层上的包括该第一半导体层的第二对层，以及堆叠在该第二对层上的包括该第一和第二半导体层的第三对层。
11.如权利要求10所述的VECSEL，其中该第一、第二和第三对层重复1至100次。
12.如权利要求6所述的VECSEL，其中该半导体过滤器包括由AlxGa(1-x)AS(0≤x≤1)形成的顶层。
13.如权利要求12所述的VECSEL，其中该顶层具有10nm或更小的非零厚度。
14.一种VECSEL，包括：
半导体芯片，包括发射具有预定波长的束的有源层以及将该有源层产生的该束反射到该有源层的外部的反射层；
外镜，面对该有源层且反复地将该有源层发射的束反射到该反射层从而放大该束并将该放大的束输出到外部；
泵浦激光器，提供泵浦束从而激励该有源层；
第二谐波生成(SHG)器件，设置在该半导体芯片与该外镜之间并且转换该有源层发射的该束的波长；以及
电介质过滤器，与该SHG器件耦合。
15.如权利要求14所述的VECSEL，其中该反射层是包括重复交替地堆叠的具有不同折射率的两种半导体层的多层分布式布拉格反射器。
16.如权利要求14所述的VECSEL，其中该半导体层的每个的厚度为该发射的束的波长的四分之一。
17.如权利要求14所述的VECSEL，其中该有源层包括产生束的多个量子阱层，该量子阱层的每个设置于在该外镜与该反射镜之间谐振的束产生的驻波的波腹中。
18.如权利要求14所述的VECSEL，其中该电介质过滤器具有在选定波长处30％或更大的透射率以及10nm或更小的非零线宽。
19.如权利要求14所述的VECSEL，其中该半导体过滤器包括由AlxGa(1-x)AS(0≤x≤1)形成的顶层。
20.如权利要求19所述的VECSEL，其中该顶层具有10nm或更小的非零厚度。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20070613