DE102022119458A1

DE102022119458A1 - Reflektor für einen oberflächenemittierenden laser mit vertikalem resonator

Info

Publication number: DE102022119458A1
Application number: DE102022119458.2A
Authority: DE
Inventors: Jean Axel Edmond Teissier; Ludovic Maurice Emile Marigo; Wilfried Maineult
Original assignee: II VI Delaware Inc
Current assignee: II VI Delaware Inc
Priority date: 2021-08-05
Filing date: 2022-08-03
Publication date: 2023-02-09
Also published as: TW202308247A; CN115706392A; JP2023024359A; KR20230021622A; US20230042910A1

Abstract

Ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) kann einen aktiven Bereich (z. B. einen oder mehrere Quantentöpfe) und einen gechirpten Musterreflektor enthalten. Der aktive Bereich kann so konfiguriert sein, dass er elektrisch gepumpt wird, so dass der aktive Bereich Licht erzeugt, das einen Grundmodus und einen Modus höherer Ordnung aufweist. Der gechirpte Musterreflektor kann einen ersten Teil aufweisen, der dem aktiven Bereich als ein erster Teil eines effektiven Spiegels mit einer konkaven Form präsentiert wird, und einen zweiten Teil, der dem aktiven Bereich als ein zweiter Teil des effektiven Spiegels mit einer konvexen Form präsentiert wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft einen Reflektor für einen Laser mit vertikal emittierenden Oberflächenemitter sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Kurze Beschreibung des Stands der Technik
Laser werden üblicherweise in vielen modernen Kommunikationskomponenten zur Datenübertragung verwendet. Eine zunehmend verbreitete Anwendung ist der Einsatz von Lasern in Datennetzen. Laser werden in vielen faseroptischen Kommunikationssystemen verwendet, um digitale Daten in einem Netzwerk zu übertragen. In einer beispielhaften Konfiguration kann ein Laser durch digitale Daten moduliert werden, um ein optisches Signal zu erzeugen, das Perioden mit heller und dunkler Ausgabe enthält, das einen binären Datenstrom darstellt. In der tatsächlichen Praxis geben die Laser eine hohe optische Ausgangsleistung aus, die binäre Hochs darstellt, und eine optische Ausgangsleistung niedrigerer Leistung, die binäre Tiefs darstellt. Um eine schnelle Reaktionszeit zu erreichen, ist der Laser ständig eingeschaltet, variiert jedoch von einer hohen optischen Ausgangsleistung zu einer niedrigeren optischen Ausgangsleistung.
Ein bei der optischen Datenübertragung verwendeter Lasertyp ist ein Laser mit vertikalem Resonator, ein so genannter Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL). Im Allgemeinen umfasst der VCSEL einen oberen Spiegel, einen unteren Spiegel und einen Hohlraum dazwischen. Der Hohlraum umfasst einen aktiven Bereich.
Der VCSEL kann mit externen Strukturen verwendet werden. Beispielsweise kann ein so genanntes High Contrast Grating (HCG) mit einem VCSEL verwendet werden, um den Ausgangsstrahl zu kollimieren oder eine bessere Strominjektion sicherzustellen. Das Ersetzen eines oberen Spiegels in einem VCSEL durch eine HCG-Struktur, die dünner ist, kann auch den elektrischen Widerstand verringern.
In anderen Variationen, die mit einem VCSEL verwendet werden können, kann ein externer Resonator mit einem gekrümmten Spiegel mit einem VCSEL verwendet werden, um die Wellenform zu formen. Ein VCSEL, der einen solchen externen Resonator enthält, kann als vertikaler oberflächenemittierender Laser mit externem Resonator (VECSEL) beschrieben werden. Der externe Resonator kollimiert die Wellenform und kann eine deutlich höhere Einmodusnleistung für VECSEL-Vorrichtungen mit relativ größerer Öffnung erreichen. Dies liegt an dem gekrümmten externen Spiegel, der nur den Grundmodus auswählt und die Modusnform in erster Näherung von der aktuellen Confinement-Öffnung entkoppelt. Die Herstellung und Steuerung eines solchen externen Hohlraums ist jedoch für industrielle Anwendungen nicht einfach.
Der hierin beanspruchte Gegenstand ist nicht auf Implementierungen beschränkt, die irgendwelche Nachteile beseitigen oder die nur in Umgebungen wie den oben beschriebenen arbeiten. Vielmehr wird dieser Hintergrund nur bereitgestellt, um einen beispielhaften Technologiebereich zu veranschaulichen, in dem einige hierin beschriebene Implementierungen praktiziert werden können.
Zusammenfassung der Erfindung
Es versteht sich, dass diese vorangehende Kurzdarstellung bereitgestellt ist, um in vereinfachter Form eine Auswahl an Konzepten vorzustellen, die in der detaillierten Beschreibung näher beschrieben sind. Es ist weder beabsichtigt, dass diese Kurzdarstellung zentrale oder wesentliche Merkmale der beanspruchten Technik identifiziert, noch ist beabsichtigt, dass sie als Hilfsmittel bei der Bestimmung des Schutzumfangs des beanspruchten Gegenstands herangezogen wird.
Wie hierin offenbart, schließt ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) einen aktiven Bereich mit einem oder mehreren Quantentöpfen, Quantenpunkten oder dergleichen ein und enthält einen gechirpten Musterreflektor. Der aktive Bereich ist so konfiguriert, dass er elektrisch gepumpt wird, so dass der aktive Bereich Licht mit einem fundamentalen lateralen optischen Modus des Resonators, aber auch mit einigen Modusn höherer Ordnung erzeugt. Der gechirpte Musterreflektor schließt Folgendes ein: einen mittleren Abschnitt, der so strukturiert ist, dass er dem aktiven Bereich einen konkaven Abschnitt eines effektiven Spiegels präsentiert, und einen äußeren Abschnitt, der so strukturiert ist, dass er dem aktiven Bereich einen konvexen Abschnitt des effektiven Spiegels präsentiert. Mit anderen Worten, der erste Teil des Reflektors mit gechirptem Muster erzeugt eine konkave reflektierte Phasenebene, die dem aktiven Bereich zugewandt ist, und der zweite Teil erzeugt eine konvexe reflektierte Phasenebene, die dem aktiven Bereich zugewandt ist. Der erste Abschnitt des Reflektors mit gechirptem Muster ist so konfiguriert, dass er die Grundmodus so reflektiert, dass eine Stabilität des Grundmodus innerhalb des optischen Resonators erhöht wird. Im Gegensatz dazu ist der zweite Teil des Reflektors mit gechirptem Muster so konfiguriert, dass er den Modus höherer Ordnung divergiert.
Zusätzliche Merkmale und Vorteile werden in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt und erschließen sich teilweise aus der Beschreibung oder können durch die Umsetzung erlernt werden. Die Objekte und Vorteile der Offenbarung werden mit Hilfe der Elemente und Kombinationen, die insbesondere in den beigefügten Ansprüchen hervorgehoben werden, realisiert und erreicht. Weitere Aspekte und Vorteile gehen aus der folgenden Beschriebung und den beigefügten Ansprüchen hervor.
Figurenliste

1A zeigt einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) aus dem Stand der Technik.
1B stellt den VCSEL aus dem Stand der Technik von 1A dar, wobei ein zugehöriger seitlicher Grundmodus in dem VCSEL-Hohlraum gezeigt wird.
2 veranschaulicht einen VCSEL mit einem gechirpten Musterreflektor gemäß der vorliegenden Offenbarung.
3A stellt ein Schema des offenbarten VCSEL dar, das schematisch einen effektiven Spiegel und einen zugeordneten Grundmodus zeigt.
3B stellt ein Schema des offenbarten VCSEL dar, das schematisch den effektiven Spiegel und einen zugeordneten Modus höherer Ordnung zeigt.
3C veranschaulicht schematische Einzelheiten des effektiven Spiegels, der durch den gechirpten Musterreflektor erzeugt wird.
4A - 4C veranschaulichen einen VCSEL mit anderen Anordnungen eines gechirpten Musterreflektors gemäß der vorliegenden Offenbarung

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Das technische Problem der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
1A zeigt einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) 100 gemäß einer herkömmlichen Anordnung. Wie der Name andeutet, weist der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) 100 einen Laserresonator 130 auf, der zwischen zwei Spiegeln 110, 120 eingeschlossen und durch diese definiert ist. Der VCSEL 100 ist typischerweise auf einem (nicht gezeigten) Halbleiterwafer wie etwa Galliumarsenid (GaAs) aufgebaut. Der VCSEL 100 umfasst einen unteren Spiegel 110, der auf dem Halbleiterwafer aufgebaut ist. Typischerweise beinhaltet der untere Spiegel 110 eine Anzahl von Schichten 112, 114 mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex. Beispielsweise kann der untere Spiegel 110 einen Bragg-Spiegel umfassen, der einen Stapel aus dünnen planaren Schichten 112, 114 mit wechselnden optischen Brechungsindizes umfasst. Jede Grenzfläche der Schichten 112, 114 kann eine kleine Reflexion bereitstellen, wie durch das Snell-Descartes-Gesetz angezeigt. Wenn Licht von einer Schicht mit einem Brechungsindex zu einer anderen übergeht, wird ein Teil des Lichts reflektiert.
Durch die Verwendung einer ausreichenden Anzahl abwechselnder Schichten 112, 114 kann ein hoher Prozentsatz an Licht durch den Spiegel 110 reflektiert werden. Die Dicke der Schichten 112, 114 kann abgestimmt werden, um die Reflexion bei einer bestimmten Wellenlänge, für einen bestimmten Wellenlängenbereich oder für mehrere Wellenlängenbereiche zu verbessern. Wenn die Wellenlänge des Lichts und die Periodizität des Bragg-Gitters nicht ausreichend aufeinander abgestimmt sind, kann der Aufbau von Interferenzen je nach Fehlanpassung behindert werden. Beispielsweise kann ein zugehöriger Ausgangsstrahl relativ zu einer Konfiguration mit einer ausreichend angepassten Wellenlänge des Lichts und einer Periodizität des Bragg-Gitters phasenverschoben sein.
Ein aktiver Bereich 140, der eine Anzahl von Quantentöpfen, Quantenpunkten oder dergleichen enthält, ist über dem unteren Spiegel 110 ausgebildet. Der aktive Bereich 140 bildet einen PN-Übergang, der sandwichartig zwischen dem unteren Spiegel 110 und dem oberen Spiegel 120 angeordnet ist. Die Vorstellung von oberen und unteren Spiegeln 110, 120 ist etwas willkürlich. In einigen Konfigurationen könnte Licht aus dem Wafersubstrat 102 des VCSEL 110 extrahiert werden, auf dem der Spiegel 110 montiert ist, wobei der „obere“ Spiegel 120 fast vollständig reflektierend und somit undurchsichtig ist. Für die Zwecke dieser Beschreibung kann sich der „obere“ Spiegel 120 jedoch auf den Spiegel beziehen, von dem Licht extrahiert werden soll, unabhängig davon, wie er in der physikalischen Struktur angeordnet ist.
Ladungsträger in Form von Löchern und Elektronen werden in die Quantentöpfe des aktiven Bereichs 140 injiziert, wenn der PN-Übergang durch einen elektrischen Strom in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird. Bei einem ausreichend hohen Vorstrom bilden die injizierten Minoritätsträger eine Besetzungsinversion in den Quantentöpfen des aktiven Bereichs 140, die eine optische Verstärkung erzeugt. Optische Verstärkung tritt auf, wenn Elektronen im Leitungsband mit Löchern im Valenzband rekombinieren. Wenn die während einer Hin- und Rückfahrt in der Kavität 130 erlangte optische Verstärkung gleich den optischen Rundreiseverlusten (einschließlich äquivalenter Spiegelverluste aufgrund von Photonenaustritt) ist, tritt eine Laseroszillation auf.
Der aktive Bereich 130 kann auch eine Oxidöffnung 134 beinhalten, die unter Verwendung einer oder mehrerer Oxidschichten 132 gebildet ist. Die Oxidöffnung 132 dient sowohl zum Bilden eines optischen Resonators als auch zum Leiten der elektrischen Ladungsträger durch den zentralen Bereich des gebildeten Resonators 130. Alternativ können andere Mittel, wie etwa Ionenimplantation, epitaxiales Nachwachsen nach dem Strukturieren oder andere lithographische Strukturierung verwendet werden, um diese Funktionen auszuführen.
Der obere Spiegel 120 ist über dem aktiven Bereich 140 ausgebildet. Der obere Spiegel 120 ähnelt dem unteren Spiegel 110 dahingehend, dass er eine Anzahl von Schichten 122, 124 enthalten kann, die zwischen einem hohen Brechungsindex und einem niedrigeren Brechungsindex wechseln. Im Allgemeinen kann der obere Spiegel 120 weniger Spiegelperioden abwechselnder Brechungsschichten 112, 114 aufweisen, um die Lichtemission von der Oberseite des VCSEL 100 im Zusammenhang mit einer oben emittierenden Vorrichtung zu erleichtern.
Veranschaulichend funktioniert der VCSEL 100, wenn ein Strom durch den PN-Übergang geleitet wird, um Ladungsträger in den aktiven Bereich 140 zu injizieren. Die Rekombination der injizierten Ladungsträger vom Leitungsband zum Valenzband in den Quantentöpfen im aktiven Bereich 140 führt zu Photonen, die beginnen, sich in dem durch die Spiegel 110, 120 definierten Laserhohlraum 130 zu bewegen. Die Spiegel 110, 120 reflektieren die Photonen hin und her. Wenn der Vorspannungsstrom ausreicht, um eine Besetzungsinversion zwischen den Quantenmuldenzuständen bei der von der Kavität 130 unterstützten Wellenlänge zu erzeugen, wird in den Quantenmulden im aktiven Bereich 140 eine optische Verstärkung erzeugt. Wenn die optische Verstärkung gleich dem Resonatorverlust ist, tritt eine Laseroszillation auf, der Laser 110 befindet sich auf Schwellenvorspannung, und der VCSEL 100 beginnt zu lasern, wenn die optisch kohärenten Photonen von der Oberseite des VCSEL 100 emittiert werden. Zum Beispiel können der obere Spiegel 120 und der untere Spiegel 110 bewirken, dass Licht nach der Ausbreitung periodisch zu seinem anfänglichen Wellenvektor zurückkehrt, was zu einem Interferenzaufbau von Leistung innerhalb des Hohlraums 130 führen kann. Der Resonator 130 kann allgemein eine diskrete Anzahl sogenannter Resonatormodi für eine gegebene Wellenlänge unterstützen. Einfallendes Licht kann sich innerhalb des Hohlraums 130 aufgrund konstruktiver Interferenz aufbauen und kann aus dem Hohlraum 130 austreten.
Der Hohlraum 130, der durch die Spiegel 110, 120 begrenzt ist, die durch Bragg-Reflektoren gebildet sind, kann als 1-D-photonischer Kristall beschrieben werden, der pro Translation entlang des Substrats 102 invariant ist. Hohlraummodi können durch Berücksichtigung des Aufbaus von Folgerungen aus der Reflexion an den Materialgrenzflächen bestimmt werden. Der Hohlraum 130 des VCSEL 100 kann ein photonischer 1-D-Kristall sein, wobei die kontrollierte Oxidation vernachlässigt wird. Das von den Quantentöpfen des aktiven Gebiets 140 emittierte Licht kann direkt in den umgebenden Hohlraum 130 eingekoppelt werden.
Im Allgemeinen kann es eine Korrelation zwischen einem Oberflächenbereich der elektrisch gepumpten Quantentopfschichten des aktiven Bereichs 140 des VCSEL und einer maximalen optischen Leistung geben, die von dem VCSEL 100 emittiert wird. Das Ändern des elektrisch gepumpten Oberflächenbereichs der Quantenschichten in dem aktiven Bereich 140 kann im Allgemeinen durch Ändern einer Breite oder eines Durchmessers einer Strombegrenzungsöffnung 134 erreicht werden, die durch eine Isolationsschicht 132 definiert ist. In einigen Fällen können die Isolationsschicht 132 und die Strombegrenzungsöffnung 134 durch laterale Oxidation einer Schicht mit hohem Aluminiumgehalt relativ nahe an der/den Quantenmuldenschicht(en) des aktiven Bereichs 140 gebildet werden. Beispielsweise kann die Schicht mit hohem Aluminiumgehalt Al_xGa_1-xeinschließen, wobei x > 0,98. Alternativ kann die Öffnung 134 durch andere Techniken gebildet werden, wie zum Beispiel Protonenimplantation.
Das Vergrößern des Oberflächenbereichs der elektrisch gepumpten Quantentopfschicht(en) des aktiven Bereichs 140 kann eine maximale Leistung des von dem VCSEL 100 emittierten Lichts erhöhen. Die Einmodusleistung kann jedoch begrenzt sein, da die Leistung, bei der der VCSEL 100 im Mehrmodiregime arbeitet, reduziert wird. Dies ist das Ergebnis mehrerer physikalischer Effekte, von Modusnkonkurrenz bis hin zu Spatial Hole Burning und Gain Clamping.
Für eine Lichtemission mit einer Wellenlänge von etwa 940 Nanometer (nm) in Luft können die Strombegrenzungsöffnungen 134 einen Durchmesser von etwa 5 Mikrometern (µm) haben, um die Begrenzung einer einzelnen transversalen Modus zu erleichtern. Dies kann verwendet werden, um etwas zu erzeugen, das als Einmodus-VCSEL 100 beschrieben werden kann. Ein solcher Einmodus-VCSEL 100 kann polarisationsdegeneriert sein. Die Öffnung 134 mit relativ kleiner Breite kann dazu führen, dass der VCSEL 100 eine relativ niedrige Maximalleistung hat. Beispielsweise kann der VCSEL 100 mit einer Öffnung 134 mit einem Durchmesser von etwa 5 µm eine maximale Einzelgrundmodusleistung von weniger als etwa 5 Milliwatt (mW) haben.
Größere Strombegrenzungsöffnungen 134 können mehrere transversale optische Modi von dem VCSEL 100 erleichtern. Ein derartiger VCSEL 100 kann als Multimodus-(Transversal-)VCSEL beschrieben werden. Die größere Strombegrenzungsöffnung 134 des Multimodus-(Transversal-)VCSEL kann eine Stromverteilung in die VCSEL-Struktur auf eine Weise erleichtern, die eine relativ höhere Leistung ermöglicht. Die größere Strombegrenzungsapertur 134 des Multimodus-(Transversal-)VCSEL 100 kann Widerstandsverluste verringern, die thermische Erwärmung verringern und die räumliche Verstärkungssättigung verringern.
Abgesehen von der dünnen seitlichen Oxidationsschicht 132, die die Öffnung 134 definiert, kann der VCSEL 100 in erster Näherung ein verstärkungsgeführter Laser sein. Beispielsweise können die optischen Modi des VCSEL 100 nicht durch Indexführung beschränkt werden, sondern stattdessen durch die Lokalisierung der Verstärkung, der thermischen Erwärmung und der Verluste.
In einigen Konfigurationen kann die Öffnung 134 kreisförmig sein. Ein Resonatormodus des VCSEL 100 kann einen quasi-kreisförmigen divergierenden Modus mit einer Einschnürung im Allgemeinen nahe der Öffnung 134 der seitlichen Oxidationsschicht 132 umfassen, die benachbart zu elektrisch gepumpten Quantentöpfen oder dergleichen des aktiven Bereichs 140 angeordnet ist. Die laterale Oxidationsschicht 132 kann über oder unter dem aktiven Bereich 140 mit den Quantentöpfen angeordnet sein. In einigen Konfigurationen kann eine zusätzliche seitliche Oxidationsschicht vorhanden sein. Beide seitlichen Oxidationsschichten 132 können über dem aktiven Bereich 140 der Quantentopfschichten, unter dem aktiven Bereich 140 der Quantentopfschichten angeordnet sein oder können auf beiden Seiten des aktiven Bereichs 140 der Quantentopfschichten angeordnet sein, so dass die Quantentöpfe können sich zwischen zwei lateralen Oxidationsschichten 132 befinden.
Der optische Resonator 130 des VCSEL 100 kann als ein flach-flach degenerierter Fabry-Perot-Resonator beschrieben werden. Mit anderen Worten, der optische Hohlraum 130 wird durch den oberen verteilten Bragg-Reflektor (DBR) 120 und den unteren DBR 110 definiert. Die DBRs 110, 120 sind aus Schichten 112, 122 und 114, 124 mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex gebildet. Die DBRs 110, 120 können monolithisch durch Epitaxie, wie z. B. Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder molekulare organische Dampfphasenepitaxie (MOVPE), aufgewachsen werden. Als Ergebnis haben die DBRs 110, 120 nahezu unendliche Krümmungsradien. Das heißt, die DBRs 110, 120 sind nahezu flach und haben dieselbe Form wie ein Substratwafer 102, auf dem typischerweise der untere DBR 110 ausgebildet ist. Der Grundmodus dieses herkömmlichen VCSEL 100 wird durch Verstärkungsführung, thermische Linsenbildung und Doppelbrechung geformt, aber nicht durch das Reflexionsvermögen des oberen DBR 120, da der VCSEL 100 einen flach-flachen Fabry-Perot-Hohlraum 130 hat.
1B ist eine schematische Darstellung des herkömmlichen VCSEL 100 von 1A und zeigt ein zugehöriges Beispiel des Grundmodus 116. Auch hier kann der Grundmodus 116 beispielsweise durch Verstärkungsführung, thermische Linsenbildung und Doppelbrechung geformt werden. Der Grundmodus 116 des VCSEL 100 wird nicht durch das Reflexionsvermögen des oberen DBR 120 geformt, weil der optische Resonator 130 ein flachflacher Fabry-Perot-Resonator 130 ist, wie zuvor erwähnt. Dementsprechend kann der Grundmodus 116 instabil sein.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann jedoch eine gemusterte Struktur, die für einen Reflektor auf einem VCSEL verwendet wird, ein gutes Reflexionsvermögen bereitstellen und die Wellenform auf vorteilhafte Weise formen. Insbesondere veranschaulicht 2 einen VCSEL 200 mit einem Reflektor 250 mit einer gemusterten Struktur gemäß der vorliegenden Offenbarung.
Der VCSEL 200 kann verschiedene Merkmale und Einzelheiten einer herkömmlichen Anordnung für einen VCSEL teilen, wie sie oben unter Bezugnahme auf die 1A-1B erörtert wurde. Beispielsweise kann der VCSEL 200 wie gezeigt oberflächenemittierend sein, aber er kann nach unten emittierend sein. Ein unterer DBR 210 kann auf einem Substrat 202 ausgebildet sein und kann im Allgemeinen einem unteren DBR entsprechen, wie in den 1A-1B angemerkt. Ein optischer Hohlraum 230 ist auf dem unteren DBR 210 ausgebildet und beinhaltet aktive Bereiche 240. Im Allgemeinen beinhaltet der optische Hohlraum 230 Begrenzungsschichten 231, die den aktiven Bereich 240 begrenzen.
Wie ebenfalls gezeigt, kann der VCSEL 200 beispielsweise eine Isolierschicht (z. B. eine seitliche Oxidationsschicht) 232 enthalten, die eine Strombegrenzungsöffnung 234 definiert. In einigen Konfigurationen kann die Öffnung 234 eine Breite oder einen Durchmesser haben, die relativ größer sind als die in einem herkömmlichen VCSEL verwendeten, so dass eine relativ größere Fläche einer zugeordneten Quantenmuldenschicht des aktiven Bereichs 240 elektrisch gepumpt werden kann. Beispielsweise kann die Strombegrenzungsöffnung 234 in einigen Ausführungsformen eine Breite oder einen Durchmesser von mehr als 5 µm aufweisen.
In einigen allgemeinen Beobachtungen kann der gechirpte Musterreflektor 250 als eine integrierte Schicht monolithisch aufgewachsen werden, die dann strukturiert wird und dielektrische abgeschiedene Materialien oder Halbleiterschichten verwenden kann. Diese integrierte Schicht kann auf einer Begrenzungsschicht 231 des optischen Resonators 230 gebildet werden oder kann auf (oder als Teil von) einem verteilten Bragg-Reflektor gebildet werden. Der gechirpte Musterreflektor 250 kann auch ein flacher Luftspaltreflektor sein, der in einem Luftspaltabstand von der aktiven Region 240 und anderen Abschnitten des VCSEL 200 angeordnet ist. Die anschließende Strukturierung (in Form, Größe und Muster) hängt vom Reflektortyp ab.
Wie hier gezeigt, kann der gechirpte Musterreflektor 250 in Verbindung mit Schichten eines verteilten Bragg-Reflektors (DBR) 220 verwendet werden, um das Reflexionsvermögen des oberen Spiegels zu erhöhen. Der gechirpte Musterreflektor 250 kann konfiguriert sein, um ein unterschiedliches Reflexionsvermögen als eine Funktion der Polarisation des Modus in Bezug auf die Orientierung des Musters zu haben. Dadurch wird der VCSEL 200 polarisiert und damit rein Monomodus.
Der gechirpte Musterreflektor 250 kann konstruiert werden, um Rotationsinvarianz zu brechen, wodurch ein unterschiedliches Reflexionsvermögen oder ein unterschiedlicher effektiver Brechungsindex zwischen den unterschiedlichen TE-Polarisationen bereitgestellt wird. Dies erzeugt einen reinen Monomodus-Laser oder gewährleistet einen stabilen bimodalen VCSEL mit einer festen und kontrollierten Verstimmung zwischen den beiden TE-Polarisationen. Der Zweck davon ist die Durchführung von Angular Orbital Momentum (AOM) oder „Spin-polarisierter“ Datenübertragung mit einer Rate, die durch die Verstimmung zwischen den beiden kreuzpolarisierten optischen Modi festgelegt ist.
Der gechirpte Musterreflektor 250 kann entweder in den VCSEL 200 integriert werden, wie in 2 gezeigt, an der Oberfläche des VCSEL, oder er kann auf einem anderen Träger (nicht gezeigt) für den VCSEL 200 integriert werden. Die Form des gechirpten Musterreflektors 250 kann entweder aus konzentrischen Teilen (r < r0, r>r0), oder eine andere Form, wie ein Ellipsoid, oder kann aus einer einfachen 1-D-Implementierung (x < x0, x>x0).
Im Allgemeinen kann die gemusterte Struktur des Reflektors 250 die Form eines kontrastreichen Gitters, eines 0-D-photonischen Kristalls oder eines „flachen“ Meta-Reflektors annehmen. Insgesamt kann der Reflektor 250 mit der strukturierten Struktur entweder abgeschieden oder in die Epitaxiestruktur des VCSEL geätzt werden. Wie unten erörtert, verleiht diese Struktur dem VCSEL 200 ein besseres Einmodus-Reflexionsvermögen, im Gegensatz dazu, wie ein herkömmliches Gitter konstruiert zu sein, das zum Abstimmen einer Wellenlänge eines Einzelmodus-VCSEL verwendet wird.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung enthält der obere DBR 220 beispielsweise, wie in 2 dargestellt, den Reflektor 250 mit der gemusterten Struktur in Form eines gechirpten Mustergitters, das eine zweidimensionale Schicht mit a enthalten kann periodisches Muster, das ein Reflexionsvermögen außerhalb der Ebene erzeugen kann. Durch Chirpen des Musters in Abstand, Besetzungsfaktor oder Dicke kann eine reflektierte Wellenfront gekrümmt werden, so dass der Reflektor 250 als ein Äquivalent eines gekrümmten Spiegels wirken kann (d. h. ein effektiver Spiegel, wie hierin beschrieben). Für Diskussionszwecke wird der Reflektor 250 mit der gemusterten Struktur als gechirpter Musterreflektor bezeichnet.
Der optische Hohlraum 230 zwischen dem unteren DBR 210 und dem gechirpten Musterreflektor 250 kann als ein 2-D-photonischer Kristall beschrieben werden, der durch den 2-D-Reflektor des gechirpten Musterreflektors 250 begrenzt ist. In einigen Konfigurationen weist der gechirpte 2-D-Musterreflektor 250 einen Aspekt der Rotationssymmetrie auf.
Der durch den gechirpten Musterreflektor 250 erzeugte 2-D-Photonenkristall kann einen Satz diskreter Modi bei einer bestimmten Wellenlänge unterstützen. Diese Modi können unter bestimmten Bedingungen extern angeregt werden. Externes Licht kann mit dem Hohlraum 230 gekoppelt, von den 2-D-Reflektoren reflektiert und ausgekoppelt werden. Wenn die Wellenlänge und der photonische 2-D-Kristall nicht besonders aufeinander abgestimmt sind, kann die Reflexionsintensität etwas kleiner sein und reflektierte Strahlen können im Vergleich zu einem Fall, in dem die Wellenlänge und der photonische 2-D-Kristall besonders aufeinander abgestimmt sind, eine Phasenverschiebung erfahren.
Der gechirpte Musterreflektor 250 kann mit (oder auf) dem oberen Spiegel 220 gebildet werden, der gemusterte Schichten 222, 224 aus zwei Materialien mit einem großen Unterschied in den Brechungsindizes enthält. Der gechirpte Musterreflektor 250 kann im Allgemeinen der Auskopplungsspiegel des VCSEL 200 sein. Der untere DBR 210 kann alternativ oder zusätzlich durch einen Chirp-Musterreflektor ersetzt werden, der allgemein dem gechirpten Musterreflektor 250 entspricht. Beispielsweise veranschaulicht 4A einen VCSEL 200 mit einem gechirpten Musterreflektor 250 gemäß der vorliegenden Offenbarung, der auf einer Begrenzungsschicht des Hohlraums 230 angeordnet (darauf ausgebildet) ist, die den aktiven Bereich 240 aufweist. In einem weiteren Beispiel veranschaulicht 4B einen VCSEL 200 mit gechirpten Musterreflektoren 250, 250' gemäß der vorliegenden Offenbarung, die in Verbindung mit oberen und unteren DBRs 220, 230 verwendet werden, die den Hohlraum 230 begrenzen, der den aktiven Bereich 240 aufweist.
In noch einem weiteren Beispiel, das zuvor erwähnt wurde, veranschaulicht 4C einen VCSEL 200 mit einem gechirpten Musterreflektor 250" gemäß der vorliegenden Offenbarung, der als ein flacher Luftspaltreflektor konfiguriert ist und in Verbindung mit einem unteren DBR 230 verwendet wird, um den Hohlraum 230 zu begrenzen, der hat die aktive Region 240. Für diesen VCSEL 200 kann der gechirpte Musterreflektor 250" auf einer Halbleiterschicht hergestellt werden, die innerhalb eines Epitaxialsystems aufgewachsen wird. Das gechirpte Muster kann unter Verwendung von Lithographie- und Ätzschritten auf die Schicht gemustert werden. Nassätzen kann dann eine Opferschicht entfernen, sodass der gechirpte Musterreflektor 250" an einem Luftspalt von dem aktiven Bereich 240 getragen wird. Strukturen, die den Reflektor 250" stützen würden, sind in 4C nicht gezeigt, würden aber von einem Fachmann erkannt werden.
Wie diese Beispiele veranschaulichen, sind auch andere Variationen möglich, wie beispielsweise, dass der Hohlraum 230 durch obere und untere gechirpte Musterreflektoren 250, 250' ohne obere und untere DBRs begrenzt ist, dass der Hohlraum 230 auf einer Seite durch einen oberen gechirpten Musterreflektor 250 und einen oberen DBR 220 und auf der anderen Seite durch einen unteren gechirpten Musterreflektor 250' ohne unteren DBR begrenzt ist, usw. Wie zu beachten ist, sind konventionelle Merkmale (z. B. Mesas, Kontakte usw.), die einem VCSEL zuzuordnen sind, in den hier vorgestellten Figuren nicht veranschaulicht, aber solche Merkmale wären bei einer Implementierung der offenbarten VCSELs vorhanden.
Zurückkehrend zu 2 können die Dicke und die Musterung für den gechirpten Musterreflektor 250 dazu dienen, einfallendes Licht, das senkrecht zu der Schicht sein kann, in Licht zu koppeln, das sich in der Schichtebene ausbreitet. Diese Kopplung kann relativ effizient sein, da der Kontrast hoch und die Verluste in den Materialien gering sein können. Darüber hinaus können die Dicke und die Musterung für den gechirpten Musterreflektor 250 als ein 2-D-photonischer Kristall für das Licht wirken, das innerhalb des Reflektors 250 wandert, oder einen Modus einschränken. Das heißt, das Gitter des gechirpten Musterreflektors 250 kann Licht in den 2-D-photonischen Kristall koppeln, der es zurückwerfen und in der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung reflektieren kann.
In einigen Konfigurationen können die hier erörterten Teile des VCSEL 200 kreissymmetrisch um eine Symmetrieachse A sein, die durch die Mitten des gechirpten Musterreflektors 250, des Grundmodus FM, des Modus höherer Ordnung HM und des unteren DBR verlaufen kann 210, wie in den 2 und 3A-3C veranschaulicht. Der gechirpte Musterreflektor 250 in 2 ist lediglich schematisch dargestellt. Das tatsächliche Muster, der Abstand, die Dicke und dergleichen werden unterschiedlich sein und von der jeweiligen Implementierung abhängen.
In einigen Ausführungsformen kann der gechirpte Musterreflektor 250 in Form einer Metaoberfläche oder eines Gitters mit hohem Kontrast anstelle (oder zusätzlich zu) dem oberen Spiegel 220 verwendet werden. Beispielsweise kann der Reflektor 250 durch Zwitschern und Konstruieren der Periodizität des zweidimensionalen Reflektors 250 einen reflektierten Strahl mit Intensität erzeugen und/oder als Funktion des Auftreffpunkts auf dem Reflektor 250 räumlich phasenmoduliert. Dies kann eine räumlich variierende Phase des reflektierten Lichts erzeugen, die ähnlich der von einer Linse erzeugten sein kann. Eine Metaoberfläche für den gechirpten Musterreflektor 250, der mit dem Zweck entworfen wurde, ein hohes Reflexionsvermögen aufzuweisen, kann so entworfen werden, dass er die reflektierte Wellenfront formt, um einen konkaven Abschnitt, einen konvexen Abschnitt oder beide Abschnitte eines effektiven Spiegels zu erzeugen.
Wie in 2 gezeigt, enthält der obere Spiegel 220 den gechirpten Musterreflektor 250 in Form eines gechirpten Gitters. Der gechirpte Musterreflektor 250 hat eine periodische Struktur, die einfallendes Licht mit Ausgangsstrahlen definierter Wellenvektoren aufgrund des Aufbaus konstruktiver Interferenz für die Wellenvektoren koppelt. Quasiperiodische Strukturen, wie sie in einigen Ausführungsformen des gechirpten Musterreflektors 250 vorhanden sein können, können auf ähnliche Weise einfallendes Licht mit Ausgangsstrahlen definierter Wellenvektoren koppeln, wo ein Interferenzaufbau aufrechterhalten wird. Beispielsweise kann der obere Spiegel 220 eine gemusterte oder strukturierte Schicht mit unterschiedlichen Brechungsindizes enthalten. Abstände, Größen und Formen von gemusterten Elementen des gechirpten Musterreflektors 250 können die reflektierte Wellenfront krümmen, ein spezifisches Reflexionsspektrum erzeugen und abhängig von der Polarisation des Lichts einige unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen. In einigen Konfigurationen kann der obere Spiegel 220 eine Kombination aus einer Anzahl von Schichten 222, 224 beinhalten, die zwischen einem hohen Brechungsindex und einem niedrigeren Brechungsindex wechseln, sowie die strukturierte Metaoberfläche (d. h. gechirptes Muster). Reflektor 250) zusätzlich zu den abwechselnden Schichten 222, 224. Eine solche Konfiguration kann das Reflexionsvermögen sowie eine gewünschte Phasenkrümmung fördern.
Der hierin offenbarte gechirpte Musterreflektor 250 stellt einer gekrümmten Wellenfront an einer flachen Reflektorschnittstelle des VCSEL 200 Modusstabilität bereit. In einigen Ausführungsformen kann ein 2-D-gekrümmter Reflektor 250 mit einem Modusselektor kombiniert werden, der einen Qualitätsfaktor von unerwünschten transversalen optischen Modi relativ zu einer Qualität von einem oder mehreren gewünschten optischen Modi verringern kann. In einigen Konfigurationen kann der gechirpte Musterreflektor 250 als ein kontrastreiches Gitter implementiert werden, das gechirpt wird, um die Frontwelle zu krümmen, um einen Qualitätsfaktor eines bestimmten Modus zu erhöhen, und kann mit einem zweiten kontrastreichen Gitter kombiniert werden, das gechirpt wird, um einen Qualitätsfaktor anderer Konkurrenzmodi zu verringern. Die Massenfertigung einer solchen Struktur kann relativ einfacher sein als die Massenfertigung externer Hohlräume.
Der gechirpte Musterreflektor 250 kann aus Schichten 222 mit hohem Brechungsindex auf Schichten 224 mit niedrigerem Brechungsindex gebildet sein. In einigen Konfigurationen kann der gechirpte Musterreflektor 250 in ein anderes Material eingebettet sein. Der gechirpte Musterreflektor 250 kann ausgehend von einem 1-D- oder 2-D-Muster erzeugt werden, das ein relativ hohes Reflexionsvermögen bei senkrechtem Einfall bereitstellt. Der gechirpte Musterreflektor 250 kann ein Muster enthalten, das dafür ausgelegt ist, eine räumlich variierte Phasenverzögerung einer ankommenden Wellenfront zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen kann das Muster entworfen und erzeugt werden, indem eine Breite oder ein Maßstab der gemusterten Elemente reduziert wird, die aus den Schichten mit hohem Brechungsindex hergestellt sind, so dass ein effektiver Brechungsindex verringert wird.
In einigen Ausführungsformen können abrupte Phasensprünge in dem gechirpten Musterreflektor 250 implementiert werden. Alternativ kann der Musterreflektor in Form, Größe oder Abstand langsam zwitschern. Abrupte Änderungen in Form, Größe oder Abstand können zum Beispiel verwendet werden, um den Herstellungsprozess zu erleichtern. In einigen Ausführungsformen kann ein Füllfaktor des Chirp-Musterreflektors 250 zwischen einschließlich 0,1 und 0,9 liegen.
Jenseits einer bestimmten radialen Ausdehnung kann das Reflexionsvermögen des gechirpten Musterreflektors 250 mit einem phasenverschobenen Reflexionsvermögen auf ein Minimum gesenkt werden. Alternativ kann die Phasenverzögerung so bestimmt werden, dass die Phasenverzögerung invertiert wird. In manchen Konfigurationen ist die radiale Ausdehnung über den VCSEL 200 möglicherweise nicht homogen oder nicht winkelabhängig.
In einigen Ausführungsformen kann der gechirpte Musterreflektor 250 aus mehreren Elementen zusammengesetzt sein. Die Größe und Form solcher Elemente kann variiert werden, um ein gewünschtes Beugungsmuster des Reflektors 250 mit gechirptem Muster zu erzeugen und die Entwicklung einer gewünschten reflektierten Wellenfront von dem Reflektor 250 mit gechirptem Muster zu erleichtern. Das Beugungsmuster kann einer entworfenen Dickenänderung des Reflektors 250 mit gechirptem Muster über das Muster des Reflektors 250 mit gechirptem Muster zugeordnet sein.
Wie oben kurz erwähnt, erzeugt der gechirpte Musterreflektor 250 einen effektiven Spiegel. 3A-3C zeigen schematisch einen effektiven Spiegel 260 zur Vereinfachung beim Demonstrieren einiger Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der gechirpte Musterreflektor 250 erzeugt den effektiven Spiegel 260, der eine äquivalente Spiegelform aufweist, die dem Licht des optischen Hohlraums 230 präsentiert wird. Es versteht sich, dass der effektive Spiegel 260 nicht tatsächlich innerhalb des VCSEL 200 ausgebildet ist, da er zumindest teilweise durch den reflektierten Phasenplan des Reflektors 250 mit gechirptem Muster erzeugt wird, der dem optischen Resonator 230 zugewandt ist. Zur Veranschaulichung ist der Reflektor 250 in den 3A-3C nur schematisch umrissen, und die seitliche Oxidationsschicht 232 und der aktive Bereich 240 sind nicht gezeigt.
3A zeigt den VCSEL 200 mit einem zugeordneten Grundmodus FM, und 3B zeigt den VCSEL 200 mit einem zugeordneten Modus höherer Ordnung FM. Im Allgemeinen kann der Grundmodus FM einen einzelnen gewünschten Modus oder mehrere gewünschte Modi darstellen, wird hier aber der Einfachheit und Klarheit halber als der Grundmodus FM beschrieben. Die Konfiguration des gechirpten Musterreflektors 250 führt zu einem Reflexionsvermögen, das durch den effektiven Spiegel 260 dargestellt wird, der schematisch in den 3A-3B dargestellt ist.
Wie beispielhaft in den 3A-3B gezeigt, weist der effektive Spiegel 260 konkave und konvexe Abschnitte auf, die mit der Grundmodus FM und beliebigen höheren Modusn HM auf unterschiedliche Weise wechselwirken. Der gechirpte Musterreflektor 250 (mit dem effektiven Spiegel 260, den er dem Resonator 230 präsentiert) ist so konfiguriert, dass er eine Phasenverzögerung aufweist, die gegeben ist durch: $F \ddot{u} r r < r 0 : Φ (r) = \frac{2 π}{λ} (ƒ + \frac{λ}{2 π} Φ_{M a x} - \sqrt{r^{2} + ƒ^{2}}) M o d u l o 2 π$
$F \ddot{u} r r > r 0 : Φ (r) = \frac{2 π}{λ} (- ƒ' + \frac{λ}{2 π} Φ_{M a x} - \sqrt{r^{2} + ƒ'^{2}}) M o d u l o 2 π$
In den obigen Gleichungen und wie schematischer in 3C gezeigt, repräsentiert die Variable r einen Radius oder einen Abstand von der Symmetrieachse A des VCSEL 200. In den obigen Gleichungen stellt Φ(r) die für den gegebenen Radius rzu implementierende Phasenverzögerung dar. Die Variable r0 stellt einen gegebenen Radius dar, wo es eine Änderung in der „Krümmung“ des effektiven Spiegels 260 gibt. Die Variable Φ_Max stellt eine maximale Phasenverzögerung dar, die die Phasenverzögerung an der Symmetrieachse A sein kann. Die Variableƒ repräsentiert eine Brennweite des konkaven Abschnitts 262 des effektiven Spiegels 260. Die Variable f' stellt eine Brennweite des konvexen Abschnitts 264 des effektiven Spiegels 260 dar. Die Variable λ repräsentiert die Wellenlänge der Grundmodus FM im Vakuum. Im Allgemeinen liegt die konkave Brennweite ƒ in der Größenordnung von 1 µm bis einschließlich 650 µm. Alternativ oder zusätzlich kann die konvexe Brennweite f' ausgewählt werden, um die Modusselektivität zu erleichtern. Im Allgemeinen kann die konvexe Brennweite f' in der Größenordnung von 1 µm bis einschließlich 650 µm liegen. Die größeren Brennweitenƒ und f' würden tendenziell für Implementierungen gelten, bei denen ein gechirpter Reflektor in Richtung der Substratseite des VCSEL 200 angeordnet ist. In einem Beispiel kann die Brennweite ƒ des konkaven Abschnitts gleich oder größer als 5 µm und gleich oder kleiner als 20 µm sein. Ebenfalls zum Beispiel ist die Brennweite f' des konvexen Abschnitts gleich oder größer als 10 µm und gleich oder kleiner als 100 µm.
Wie zuvor angemerkt, kann der gechirpte Musterreflektor 250 zumindest teilweise durch einen gechirpten Meta-Spiegel, wie z. B. ein Gitter mit hohem Kontrast, gebildet werden, um eine Krümmung einer reflektierten Wellenfront zu fördern. In Bezug auf die Grundmodus FM in 3A bilden der gechirpte Musterreflektor 250 und der untere DBR 210 einen stabilen plankonkaven optischen Resonator 230 für gewünschte Modi. Der gechirpte Musterreflektor 250 reflektiert und fügt eine räumlich variierende Phase zu einer Wellenfront des VCSEL 200 hinzu. Der gechirpte Musterreflektor 250 stellt ein Äquivalent eines konkaven Spiegels 262 für die Grundmodus FM dar, wie durch den effektiven Spiegel 260 in den 3A-3C angezeigt. Mit anderen Worten, ein mittlerer Abschnitt des Reflektors 250 mit gechirptem Muster erzeugt eine konkave reflektierte Phasenebene 262, die dem optischen Resonator 230 mit seinem aktiven Bereich (240) zugewandt ist.
Beispielsweise entkoppelt der gechirpte Musterreflektor 250 in einer ersten Annäherung eine optische Modusform von einem Durchmesser der Öffnung (234: 2) der seitlichen Oxidationsschicht (232). Die Grundmodus FM kann durch den gechirpten Musterreflektor 250 so reflektiert werden, dass die Stabilität der Grundmodus FM innerhalb des optischen Resonators 230 verbessert wird. Eine solche verbesserte Stabilität kann einen Qualitätsfaktor der Grundmodus FM erhöhen und kann eine verbesserte elektrooptische Leistung des VCSEL 200 relativ zu einem herkömmlichen VCSEL mit einem flach-flachen optischen Resonator fördern. In einigen Ausführungsformen kann die Grundmodus FM in der ersten Ordnung durch den plankonkaven optischen Hohlraum 230 definiert werden, sogar in Konfigurationen, die eine Verstärkungsführungsstruktur von dem VCSEL 200 weglassen.
In Bezug auf den Modus höherer Ordnung HM zeigt 3B den VCSEL 200 mit einem zugeordneten Modus höherer Ordnung HM relativ zu dem effektiven Spiegel 260, der durch den oben offenbarten gechirpten Musterreflektor 250 erzeugt wird. Der Modus höherer Ordnung HM kann einen einzelnen unerwünschten Modus oder mehrere unerwünschte Modi darstellen, wird hier aber der Einfachheit und Klarheit halber als der Modus höherer Ordnung HM beschrieben.
Eine räumlich variierende Phase des gechirpten Musterreflektors 250 kann so positioniert sein, dass der Modus höherer Ordnung HM mit dem Chirp-Muster-Reflektor 250 an einem Abschnitt wechselwirken kann, der ein Äquivalent eines konvexen Abschnitts 264 eines Spiegels darstellt, wie durch den effektiven Spiegel angegeben 260. Mit anderen Worten, ein peripherer Abschnitt des Reflektors 250 mit gechirptem Muster erzeugt eine konvexe reflektierte Phasenebene 264, die dem optischen Resonator 230 mit seinem aktiven Bereich (240) zugewandt ist. Der konvexe Abschnitt 264 kann für die Modus höherer Ordnung HM als ein konvexer Reflektor mit der Hinzufügung der Form der Abschnitte des gechirpten Musterreflektors 250 außerhalb des konkaven Abschnitts 262 dargestellt werden. Diese Wechselwirkung mit dem konvexen Abschnitt 264 kann den Modus höherer Ordnung HM einer Divergenz D des Modus höherer Ordnung HM aussetzen. Beispielsweise kann der gechirpte Musterreflektor 250 einen Qualitätsfaktor des Modus höherer Ordnung HM verringern und kann zu relativ höheren Verlusten als der Grundmodus FM führen. Der Abschnitt des gechirpten Musterreflektors 250, der ein Äquivalent eines konvexen Abschnitts 264 des effektiven Spiegels 260 darstellt, kann auf die Grundmodus FM beschränkt oder gar nicht beeinflusst sein.
Wie offenbart, kann der hergestellte effektive Spiegel 260 wie in den 3A-3C geformt sein, um die Stabilität des Grundmodus FM zu fördern und Modi höherer Ordnung HM zu divergieren. Es versteht sich, dass der gechirpte Musterreflektor 250 möglicherweise keinen effektiven Spiegel 260 wie in den 3A-3C erzeugt, kann aber anders geformt sein. Mit anderen Worten, der gechirpte Musterreflektor 250 kann eine äquivalente Form zu der Grundmodus FM aufweisen, die sich von einem konkaven Spiegel unterscheidet, der in den 3A-3C dargestellt ist. Beispielsweise kann der gechirpte Musterreflektor 250 eine alternative Form aufweisen, die einen optisch stabilen Hohlraum für die Grundmodus FM oder für jede Kombination gewünschter Modi, einschließlich polarisationsselektierter Modi, erzeugen kann.
Die beschriebenen Aspekte sind in jeder Hinsicht veranschaulichend und nicht einschränkend. Der beanspruchte Gegenstand ergibt sich aus den beigefügten Ansprüchen und nicht aus der vorangehenden Beschreibung. Alle Veränderungen, die in den Bedeutungs- und Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sind in den Umfang der Ansprüche einzubeziehen.

Claims

Ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator, umfassend: - einen aktiven Bereich, der dafür konfiguriert ist, elektrisch gepumpt zu werden, um Licht mit einem Grundmodus und einem Modus höherer Ordnung zu erzeugen; - einen gechirpten Musterreflektor, der neben einer Seite des aktiven Bereichs angeordnet ist und Folgendes einschließt: o einen ersten Abschnitt, der so strukturiert ist, dass er dem aktiven Bereich einen konkaven Abschnitt eines effektiven Spiegels präsentiert; und o einen zweiten Abschnitt, der so strukturiert ist, dass er dem aktiven Bereich einen konvexen Abschnitt des effektiven Spiegels präsentiert; und - einen zweiten Reflektor, der angrenzend an eine andere Seite des aktiven Bereichs gegenüber dem gechirpten Musterreflektor angeordnet ist.
Der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator nach Anspruch 1, wobei der erste Abschnitt ein zentraler Abschnitt des Chirp-Musterreflektors ist; und wobei der zweite Abschnitt ein peripherer Abschnitt davon ist.
Der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator nach Anspruch 1, wobei der aktive Bereich einen oder mehrere Quantentöpfe oder einen oder mehrere Quantenpunkte umfasst.
Der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator nach Anspruch 1, wobei der zweite Reflektor einen verteilten Bragg-Reflektor umfasst, der relativ zu dem gechirpten Musterreflektor auf der gegenüberliegenden Seite des aktiven Bereichs angeordnet ist.
Der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator nach Anspruch 1, ferner umfassend eine isolierende Schicht, die zwischen dem gechirpten Musterreflektor und dem zweiten Reflektor angeordnet ist und eine Öffnung definiert.
Der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator nach Anspruch 5, wobei der gechirpte Musterreflektor kreissymmetrisch und koaxial mit der Öffnung ausgerichtet ist.
Der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator nach Anspruch 1, wobei der gechirpte Musterreflektor eine Strukturierung umfasst, die einem epitaktisch verteilten Bragg-Reflektor zugeordnet ist.
Der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator nach Anspruch 1, wobei der gechirpte Musterreflektor so konfiguriert ist, dass er eine Phasenverzögerung aufweist, die gegeben ist durch: $F \ddot{u} r r < r 0 : Φ (r) = \frac{2 π}{λ} (ƒ + \frac{λ}{2 π} Φ_{M a x} - \sqrt{r^{2} + ƒ^{2}}) M o d u l o 2 π$
$F \ddot{u} r r > r 0 : Φ (r) = \frac{2 π}{λ} (- ƒ' + \frac{λ}{2 π} Φ_{M a x} - \sqrt{r^{2} + ƒ'^{2}}) M o d u l o 2 π$
wobei: r einen Radius relativ zu einer Symmetrieachse des effektiven Spiegels darstellt; r0 einen gegebenen Radius darstellt, wo es eine Änderung in einer Krümmung des effektiven Spiegels gibt; Φ(r) die Phasenverzögerung für den gegebenen Radius darstellt; λ eine Wellenlänge des Grundmodus in einem Vakuum darstellt; ƒ eine Brennweite des konkaven Abschnitts des effektiven Spiegels darstellt; ƒ eine Brennweite des konvexen Abschnitts des effektiven Spiegels darstellt; und Φ_Max eine maximale Phasenverzögerung darstellt.
Der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator nach Anspruch 8, wobei die Brennweite f' des konkaven Abschnitts gleich oder größer als 5 µm und gleich oder kleiner als 20 µm ist; und wobei die Brennweite f' des konvexen Abschnitts gleich oder größer als 10 µm und gleich oder kleiner als 100 µm ist.
Der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator nach Anspruch 1, wobei der gechirpte Musterreflektor auf einer Begrenzungsschicht für den aktiven Bereich angeordnet ist.
Ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL), umfassend: - einen aktiven Bereich, der so konfiguriert ist, dass er elektrisch gepumpt wird, so dass der aktive Bereich Licht erzeugt, das eine Grundmodus und eine Modus höherer Ordnung aufweist; und - einen optischen Resonator, der den aktiven Bereich aufweist und begrenzt ist durch: - einen verteilten Bragg-Reflektor; und - einen gechirpten Musterreflektor einschließlich: - eines ersten Abschnitts, der so strukturiert ist, dass er dem aktiven Bereich einen konkaven Abschnitt eines effektiven Spiegels präsentiert; und - eines zweiten Abschnitts, der so strukturiert ist, dass er dem aktiven Bereich einen konvexen Abschnitt des effektiven Spiegels präsentiert, wobei der erste Abschnitt des gechirpte Musterreflektors so konfiguriert ist, dass er den Grundmodus so reflektiert, dass eine Stabilität en Grundmodus innerhalb des optischen Resonators erhöht wird, den zweiten ein Teil des Reflektors mit gechirptem Muster so konfiguriert ist, dass er den Modus höherer Ordnung divergiert.
Der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator nach Anspruch 11, ferner umfassend eine Isolierschicht, die sich in der optischen Kavität befindet, wobei die Isolierschicht eine Öffnung definiert.
Der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator nach Anspruch 12, wobei der gechirpte Musterreflektor kreissymmetrisch und koaxial mit der Öffnung ausgerichtet ist.
Der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator nach Anspruch 11, wobei der aktive Bereich einen oder mehrere Quantentöpfe oder einen oder mehrere Quantenpunkte umfasst.
Der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator nach Anspruch 11, wobei der gechirpte Musterreflektor so konfiguriert ist, dass er eine Phasenverzögerung aufweist, die gegeben ist durch: $F \ddot{u} r r < r 0 : Φ (r) = \frac{2 π}{λ} (ƒ + \frac{λ}{2 π} Φ_{M a x} - \sqrt{r^{2} + ƒ^{2}}) M o d u l o 2 π$
$F \ddot{u} r r > r 0 : Φ (r) = \frac{2 π}{λ} (- ƒ' + \frac{λ}{2 π} Φ_{M a x} - \sqrt{r^{2} + ƒ'^{2}}) M o d u l o 2 π$
wobei: r einen Radius relativ zu einer Symmetrieachse des effektiven Spiegels darstellt; r0 einen gegebenen Radius darstellt, wo es eine Änderung in einer Krümmung des effektiven Spiegels gibt; Φ(r) die Phasenverzögerung für den gegebenen Radius darstellt; λ eine Wellenlänge des Grundmodus in einem Vakuum darstellt; ƒ eine Brennweite des konkaven Abschnitts des effektiven Spiegels darstellt; ƒ eine Brennweite des konvexen Abschnitts des effektiven Spiegels darstellt; und Φ_Max eine maximale Phasenverzögerung darstellt.
Der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator nach Anspruch 15, wobei die Brennweite f' des konkaven Abschnitts gleich oder größer als 5 Mikrometer und gleich oder kleiner als 20 Mikrometer ist; und wobei die Brennweite f' des konvexen Abschnitts gleich oder größer als 10 Mikrometer und gleich oder kleiner als 100 Mikrometer ist.
Der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator nach Anspruch 11, wobei der gechirpte Musterreflektor eine Epitaxie umfasst einen damit verbundenen verteilten Bragg-Reflektor (DBR).
Der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator nach Anspruch 11, wobei der gechirpte Musterreflektor auf einer Begrenzungsschicht für den aktiven Bereich angeordnet ist.
Ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Resonator (VCSEL), wobei das Verfahren, nicht notwendigerweise der Reihe nach, die folgenden Schritte umfasst: - Ausbilden eines ersten Reflektors; - Bilden eines optischen Hohlraums neben dem ersten Reflektor, wobei der optische Hohlraum einen aktiven Bereich aufweist, der so konfiguriert ist, dass er elektrisch gepumpt wird, so dass der aktive Bereich Licht mit einem Grundmodus und einem Modus höherer Ordnung erzeugt; und - Bilden eines zweiten Reflektors neben dem optischen Resonator durch: - Strukturieren eines zentralen Abschnitts eines gechirpten Musters, um einen konkaven Abschnitt eines effektiven Spiegels für das aktive Gebiet darzubieten, und Konfigurieren des zentralen Abschnitts zum Reflektieren des Grundmodus, so dass eine Stabilität des Grundmodus innerhalb des optischen Resonators erhöht wird; und - Strukturieren eines peripheren Teils des gechirpten Musters, um einen konvexen Teil des effektiven Spiegels dem aktiven Bereich darzubieten, und Konfigurieren des peripheren Teils, um den Modus höherer Ordnung zu divergieren.
Das Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Ausbilden des ersten Reflektors umfasst: Ausbilden eines verteilten Bragg-Reflektors; Ausbilden einer weiteren Strukturierung für ein weiteres gechirptes Muster; oder Ausbilden eines verteilten Bragg-Reflektors und Bilden einer Strukturierung für ein gechirptes Muster neben dem verteilten Bragg-Reflektor.
Das Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Ausbilden des zweiten Reflektors umfasst: - Ausbilden einer Strukturierung für das gechirpte Muster auf einer Begrenzungsschicht des optischen Resonators; oder - Ausbilden eines verteilten Bragg-Reflektors angrenzend an eine Begrenzungsschicht des optischen Hohlraums und Ausbilden einer Strukturierung für das gechirpte Muster angrenzend an den verteilten Bragg-Reflektor.