DE60223315T2

DE60223315T2 - Oberflächenemittierender laser mmit vertikaler kavität

Info

Publication number: DE60223315T2
Application number: DE60223315T
Authority: DE
Inventors: Heon-Su Gunpo-City Jeon
Original assignee: Seoul National University Industry Foundation
Current assignee: Seoul National University Industry Foundation
Priority date: 2001-06-02
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2022-06-01
Also published as: DE60223315D1; KR100472822B1; KR20020092186A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikaler Kavität und insbesondere einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikaler Kavität, welcher in der Lage ist, vorherrschend in einer einzigen transversalen Grundmode zu arbeiten.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Oberflächenemittierende Laser mit vertikaler Kavität (VCSELs) sorgen aufgrund der Emission eines kreisförmigen Laserstrahls und der Einfachheit der Herstellung einer Anordnung für eine höhere Kopplungseffizienz mit einer optischen Faser, und ermöglichen eine Fehlererfassung und charakteristische Messungen in einem Waferzustand, so dass sie als eine Erfolg versprechende Lichtquelle in der optischen Kommunikation und bei optischen Verbindungen gelten. Solche VCSELs sind in der US-A-6026111 von Jiang und anderen, der WO-A-97/40558 von W. L. Gore und Mitarbeitern und von Strzelecka E. M. und anderen „Monolithic integration of vertical-cavity laser diodes with refractive GaAs microlenses" Electronics Letters, IEE Stevenage, GB, vol. 31, no. 9, 27. April 1995 ( 1995-04-27 ), Seiten 724-725 , XP006002741 ISSN: 0013-5194 offenbart. Das Dokument US-A-6026111 offenbart eine VCSEL-Vorrichtung, welche insbesondere ein Substrat, einen oberen und einen unteren verteilten Bragg-Reflektor umfasst, wobei der untere verteilte Bragg-Reflektor auf einer Oberfläche des Substrats ausgebildet ist, wobei eine aktive Schicht und ein Rückkopplungsteil auf dem oberen verteilten Bragg-Reflektor ausgebildet ist, um einen Lichtanteil in den Resonator zurückzukoppeln, wobei der obere verteilte Bragg-Reflektor ein geringeres Reflexionsvermögen als der untere verteilte Bragg-Reflektor aufweist. Insbesondere indexgeführte VCSELs, bei welchen eine Apertur, durch welche Strom fließt, durch eine selektive Oxidation begrenzt wird, weisen einen sehr niedrigeren Schwellstrom und Leistungsverbrauch, eine hohe Effizienz und eine ausgezeichnete Linearität zwischen Strom und Lichtausgangsleistung auf. Daher können die indexgeführten VCSELs bei Modulen für Sende-/Empfangsvorrichtungen für eine Kommunikation im lokalen Bereich und für eine optische Verbindung zwischen Computern und digitalen Anzeigen angewendet werden, und einige von ihnen werden kommerziell genutzt.
Jedoch weisen indexgeführte VCSELs einen großen Unterschied im Brechungsindex zwischen einem oxidierten Abschnitt und einem nicht oxidierten Abschnitt auf, so dass sie prinzipiell in mehreren transversalen Moden arbeiten. Da der oxidierte Abschnitt des indexgeführten VCSEL eine Struktur einer Einengung einer Stromeinspeisung bereitstellt, ist es einfach, den Strom in einen Kreisabschnitt einer Apertur einzuspeisen, welche von dem oxidierten Bereich umgeben wird, und somit neigen transversale Moden einer höheren Ordnung dazu, mit einer geringen Ausgangsleistung zu schwingen. Unzweifelhaft kann die Betriebseffizienz einer einzelnen transversalen Mode bis zu einem gewissen Umfang gesteigert werden, indem die Apertur, welche von dem oxidierten Bereich umgeben wird, derart ausgebildet wird, dass sie kleiner ist. In diesem Fall steigt der Widerstand des VCSEL übermäßig an, und ein Querschnittsbereich für die Oszillationen des Lasers wird klein, wodurch die Gesamtausgangsleistung abgesenkt wird. Daher ist es schwierig, den indexgeführten VCSEL bei optischen Kommunikationsvorrichtungen anzuwenden. Aus diesem Grund sind eine Vielzahl von Ansätzen vorgeschlagen worden, um mehrere trans versale Moden zu unterdrücken und die Ausgangsleistung einer Oszillation der einzigen transversalen Mode in dem indexgeführten VCSEL zu verstärken.
Vorschläge für die Verstärkung der Ausgangsleistung der Oszillation einer einzigen transversalen Mode umfassen ein Verfahren zum Ätzen eines äußeren Abschnitts eines Ausgangfensters eines Laserstrahles unter Verwendung von Innenstrahlen, ein Verfahren zum Implantieren von Ionen während eine selektive Oxidation ausgeführt wird, ein Verfahren zum Ausbilden eines Resonators mit einer längeren aktiven Schicht, usw.. Diese bis heute vorgeschlagenen Verfahren weisen jedoch Probleme durch komplizierte Prozesse und eine schlechte Reproduktionsfähigkeit auf.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um die vorab beschriebenen Probleme zu lösen, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikaler Kavität (VCSEL) bereitzustellen, welcher vorherrschend in einer einzigen transversalen Grundmode arbeitet, welcher durch einen einfachen Prozess hergestellt werden kann und eine ausgezeichnete Reproduktionsfähigkeit aufweist.
Um diese Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu bewältigen, wird ein VCSEL bereitgestellt, welcher ein Rückkopplungsteil umfasst, welches einen Lichtanteil, welcher von einem Resonator nach außen emittiert wird, um einen Laserstrahl zu erzeugen und zu verstärken, in den Resonator zurückkoppelt, indem derselbe reflektiert wird.
Vorzugsweise arbeitet das Rückkopplungsteil als ein konkaver Spiegel für den Resonator. Vorzugsweise ist der oberflächenemittierende Laser mit vertikaler Kavität aus einem Material konstruiert, welches auf einem basiert, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, welche GaAs, GaSb, GaN, InP und ZnSe umfasst. Vorzugsweise ist das Rückkopplungsteil aus einem Halbleitermaterial ausgebildet, welches bezüglich der Wellenlänge der Laseroszillation transparent ist und zur Gitteranpassung mit einem Material des Substrats oder einem Material einer Dünnschichtstruktur auf dem Substrat geeignet ist. Vorzugsweise ist das Rückkopplungsteil aus einem Material ausgebildet, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus organischen Materialien und anorganischen Materialien besteht, die bezüglich der Wellenlänge der Laseroszillation transparent sind.
Vorzugsweise ist das Rückkopplungsteil auf der Oberseite eines oberen verteilten Bragg-Reflektors und/oder der Unterseite des Substrats angeordnet. In diesem Fall weist das Rückkopplungsteil, welches auf der Oberseite des oberen verteilten Bragg-Reflektors angeordnet ist, einen effektiven Krümmungsradius auf, welcher ungefähr 200 μm bis ungefähr 500 μm beträgt. Vorzugsweise wird ein Verstärkungsbereich für die Laseroszillation für eine Hochleistungsoszillation einer transversalen Grundmode vergrößert, indem wenigstens eines von einer Laseroszillationsapertur, dem effektiven Durchmesser des Rückkopplungsteils und einem Krümmungsradius des Rückkopplungsteils vergrößert wird. Vorzugsweise wird die Laseroszillationsapertur und/oder der effektive Durchmesser des Rückkopplungsteils vergrößert, indem die Brechungseigenschaft des oszillierenden Lichts verringert wird, so dass das Rückkopplungsteil den Anteil des Lichts, welcher von dem Resonator nach außen emittiert wird, in den Resonator zurückgekop pelt, indem derselbe reflektiert wird, und es gleichzeitig als eine Linse für das Licht wirkt, welches von dem Resonator nach außen läuft, um es in einen konvergierenden Strahl, einen divergierenden Strahl oder einen parallelen Strahl auszubilden. Vorzugsweise wird die Laseroszillation durch eine Stromeinspeisung induziert. In diesem Fall kann der VCSEL darüber hinaus eine Stromeinengungsstruktur aufweisen, welche durch eine selektive Oxidation oder Innenimplantation ausgebildet ist und einen Stromfluss einengt. Alternativ kann die Laseroszillation durch optisches Pumpen von externem Licht induziert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorab genannten Aufgabe und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, indem bevorzugte Ausführungsformen davon mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben werden.
1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines oberflächenemittierenden Lasers mit vertikaler Kavität (VCSEL);
2 stellt das Prinzip eines Emittierens eines Laserstrahls einer verstärkten einzelnen transversalen Mode bei dem erfindungsgemäßen VCSEL dar;
3 stellt ein typisches Fernfeldmuster eines herkömmlichen VCSEL dar, welches mit einer Ausgangsleistung von 1,5 mW gemessen ist.
4 stellt ein typisches Fernfeldmuster des erfindungsgemäßen VCSEL dar, welches mit derselben Ausgangsleistung ge messen ist, welche bei dem herkömmlichen VCSEL der 3 verwendet wurde, wobei der erfindungsgemäße VCSEL eine Apertur aufweist, welche durch eine selektive Oxidation derart ausgebildet ist, dass sie bezüglich der Ausmaße dem herkömmlichen VCSEL entspricht;
5 stellt Feldprofile der kleinsten vier ursprünglichen transversalen Moden und der entsprechenden rückgekoppelten transversalen Moden bei einem VCSEL dar;
6 ist eine normalisierte graphische Darstellung mittels einer 4×4-Matrix des Ergebnisses von numerischen Berechnungen des Überlappungsintegrals I_mm für alle möglichen Kombinationen zwischen der ursprünglichen Mode LP_m1 und der zurückgekoppelten Mode LP'_m1 unter Verwendung einer Formel (2);
7 ist ein Graph der Überlappungsintegrale I₂₂, I₃₃ und I₄₄ für die Moden der zweiten Ordnung, der dritten Ordnung und der vierten Ordnung, welche im Bezug auf das Überlappungsintegral I₁₁ für die Grundmode normalisiert sind, in Abhängigkeit von Veränderungen in dem Krümmungsradius einer Linsenoberfläche eines Rückkopplungsteils; und
8 ist eine schematische Darstellung einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform des VCSEL.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines oberflächenemittierenden Lasers mit vertikaler Kavität (VCSEL) ist in 1 dargestellt. Mit Bezug auf 1 umfasst die erste erfindungsgemäße Ausführungsform des VCSEL, welcher mit einem Rückkopplungsteil integriert ist, ein Substrat 100, eine un tere Elektrode 170, welche unterhalb des Substrats 100 ausgebildet ist, einen unteren verteilten Bragg-Reflektor (DBR) 110, eine aktive Schicht 120, eine Stromeinengungsschicht 130 und einen oberen DBR 140, welche aufeinander folgend auf dem Substrat 100 ausgebildet sind, ein Rückkopplungsteil 150, welches auf dem oberen DBR 140 ausgebildet ist, und eine obere Elektrode 160, welche auf dem oberen DBR 140 derart ausgebildet ist, dass sie das Rückkopplungsteil 150 umgibt.
Das Substrat 100 kann aus einer Halbleitermaterialverbindung, zum Beispiel aus n⁺-dotiertem Galliumarsenid (GaAs), ausgebildet sein.
Der untere DBR 110 und der obere DBR 140 bilden einen Resonator um eine Emission von Licht in der aktiven Schicht 120 zu induzieren und zu verstärken. Der untere DBR 110 weist denselben Dotierungstyp, z. B. eine N-Dotierung, wie das Substrat 100 auf. Der obere DBR 140 weist den entgegengesetzten Dotierungstyp, d. h. eine P-Dotierung, auf.
Sowohl der untere DBR 110 als auch der obere DBR 140 ist ausgebildet, indem abwechselnd Halbleitermaterialverbindungen mit unterschiedlichen Brechungsindizes aufeinander geschichtet werden. Hier ist, für eine Struktur, wobei ein erzeugter Laserstrahl durch den oberen DBR 140 emittiert wird, wie es in 1 dargestellt ist, der obere DBR 140 derart ausgebildet, dass er ein relativ geringes Reflexionsvermögen aufweist, und der untere DBR 110 ist derart ausgebildet, dass er ein höheres Reflexionsvermögen als der obere DBR 110 aufweist. Das Reflexionsvermögen der Reflektoren variiert abhängig von der Anzahl der Halbleiterverbindungsschichten, welche aufgetragen sind, um dieselben auszubilden. Dementsprechend kann das Reflexionsvermögen des oberen DBR 140 geringer als dasjenige des unteren Reflektors 110 sein, indem der obere DBR 140 mit weniger Materialschichten ausgebildet ist, als verwendet worden sind, um den unteren DBR 110 auszubilden.
Der obere oder untere DBR 140 und 110 induzieren einen Strom von Elektronen und Löchern durch den Strom, welcher durch die obere und die untere Elektrode 160 und 170 zugeführt wird, und der obere oder der untere DBR 140 und 110 reflektieren wiederholt Licht, welches in der aktiven Schicht 120 erzeugt wird, so dass nur Licht entsprechend der Resonanzbedingung durch den oberen DBR 140 emittiert wird.
Die aktive Schicht 120, welche ein Bereich ist, wo Licht durch einen Energieübergang aufgrund der Rekombination von Löchern und Elektroden, welche von dem oberen und dem unteren DBR 140 und 110 bereitgestellt werden, erzeugt wird, weist eine Struktur mit mehreren Quantenwannen auf. Vorzugsweise umfasst der erfindungsgemäße VCSEL darüber hinaus die Stromeinengungsschicht 130 über der aktiven Schicht 120, welche den Strom, welcher durch die obere Elektrode 160 zugeführt wird, derart führt, dass er über einen Mittelabschnitt der aktiven Schicht 120 fließt. Die Stromeinengungsschicht 130 kann ausgebildet sein, indem eine preoxidative Schicht (nicht dargestellt) auf der aktiven Schicht 120 aufgetragen ist und die preoxidative Schicht von dem äußeren Abschnitt nach innen in einer Oxidationsatmosphäre selektiv oxidiert wird. In diesem Fall ist die Stromeinengungsschicht 130 aus einem oxidierten Bereich 133 und einer Apertur 131, welche von dem oxidierten Bereich 133 umgeben wird, ausgebildet. Die Apertur 131 ist ein nicht oxidierter Bereich, welcher Strom und Licht durchlassen kann.
Bei dem erfindungsgemäßen VCSEL kann eine solche Struktur zur Stromflusseinengung anstelle eines Ausbildens der Stromeinengungsschicht 130 durch eine selektive Oxidation durch eine Implantierung von Ionen ausgebildet werden.
Das Rückkopplungsteil 150 koppelt einen Anteil eines Laserstrahls, welcher von dem Resonator durch den oberen DBR 140 nach außen emittiert wird, in den Resonator zurück, wie es in 2 dargestellt ist. Mit Bezug auf 1 und 2 weist das Rückkopplungsteil 150 eine Linsenoberfläche 150a mit einer konvexen Linsenstruktur auf und zeigt sich als ein konkaver Spiegel, wenn es von dem Resonator, welcher durch den oberen und den unteren DBR 140 und 110 ausgebildet ist, gesehen wird.
In diesem Fall wird ein Anteil des Laserstrahls, welcher von dem Resonator durch den oberen DBR 140 ausgegeben wird, durch den konkaven Spiegel reflektiert und in den Resonator zurückgekoppelt, wie es in 2 dargestellt ist. Der Laserstrahl, welcher wieder in den Resonator eindringt, bewegt sich entlang seiner Bahn durch Reflexion mehrfach hin und zurück, wann immer er auf den oberen und unteren DBR 140 und 110, d. h. den oberen und den unteren Spiegel r_U und r_L, trifft. Gleichzeitig wandert der Laserstrahl, welcher in den Resonator zurückgekoppelt worden ist, in dem Resonator durch die Wirkung des konkaven Spiegels nach vorn und zurück, und wird allmählich in einen kleinen Lichtfleck fokussiert. Die Brennweite, d. h. die Position einer minimalen Taillenabmessung des Strahles (Brennpunkts), wird durch den Krümmungsradius des konkaven Spiegels bestimmt.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann ein effektiver Krümmungsradius der Linsenoberfläche 150 des Rückkopp lungsteils 150, welches als der konkave Spiegel wirkt, in einem Bereich von ungefähr 200 μm bis ungefähr 500 μm, besser von ungefähr 250 μm bis ungefähr 300 μm, liegen. Da das Rückkopplungsteil 150 dicht an einer Laseroszillationsstelle angeordnet ist (ungefähr durch die Dicke des oberen DBRs 140 und einige Schichten von der aktiven Schicht 120 getrennt), kann der effektive Durchmesser des Rückkopplungsteils 150, welches als der konkave Spiegel wirkt, sehr klein werden. Wenn die Apertur 131 der Stromeinengungsschicht 130 eine Größe von 15 μm aufweist, kann zum Beispiel das Rückkopplungsteil 150 einen effektiven Durchmesser von ungefähr 30 μm aufweisen.
Das Rückkopplungsteil 150, welches als der konkave Spiegel wirkt und welches einen Anteil des ausgegebenen Laserstrahls in den Resonator zurückkoppelt, wie es vorab beschrieben ist, kann auf dem oberen DBR 140 ausgebildet sein, wobei ein Halbleitermaterial verwendet wird, welches für eine Gitteranpassung mit einem Material des oberen DBRs 140 geeignet ist und einen relativ weiten Bandabstand zu der Wellenlänge des Laserstrahles aufweist, welcher von dem erfindungsgemäßen VCSEL erzeugt wird, um so den Laserstrahl, welcher durch den oberen DBR 140 emittiert wird, nicht zu absorbieren, sondern gerade durchzulassen.
Wenn zum Beispiel ein erfindungsgemäßer VCSEL derart entworfen worden ist, dass er einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 850 nm emittiert und das Substrat 100 aus GaAs ausgebildet ist, kann das Rückkopplungsteil 150 aus Indiumgalliumphosphit ausgebildet sein, welches zur Gitteranpassung mit GaAs aufgrund ihrer ähnlichen Gittergröße geeignet ist. Das Zusammensetzungsverhältnis von In und Ga für eine Gitteran passung mit GaAs des Substrats 100 liegt ungefähr bei 49:51.
Eine erfindungsgemäße VCSEL-Struktur, welche mit dem Ruckkopplungsteil 150 für eine einzige transversale Oszillationsmode integriert ist, kann genauso gut wie auf GaAs, wie bei dem vorab beschriebenen Beispiel, zum Beispiel auf Galliumantimon (GaSb), Galliumnitrid (GaN), Indiumphosphid (InP), Zinkselenid (ZeSe), usw. basieren. Das Rückkopplungsteil 150 kann aus einem Halbleitermaterial ausgebildet sein, welches für eine Gitteranpassung mit denjenigen Materialien des Substrats 100 oder mit einem Material einer Dünnschichtstruktur auf dem Substrat 100, zum Beispiel dem oberen DBR 140 geeignet ist.
Wenn das Rückkopplungsteil aus einem Halbleitermaterial ausgebildet ist, welches einen relativ großen Bandabstand zu der Wellenlänge des Laserstrahls aufweist, welcher in dem erfindungsgemäßen VCSEL oszilliert, kann das Rückkopplungsteil 150 wie folgt hergestellt werden.
Insbesondere wird bei dem Herstellungsprozess eines VCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung eine Halbleitermaterialschicht für das Rückkopplungsteil 150 aufgetragen und geätzt, um durch einen diffusionsbegrenzten nassätzenden Prozess eine Linsenoberfläche auszubilden. Eine Vielzahl von Techniken wie der diffusionsbegrenzte nassätzende Prozess kann angewendet werden, um das Rückkopplungsteil 150, welches vorab beschrieben ist, unter Verwendung eines Halbleitermaterials auszubilden.
Für das Rückkopplungsteil 150 geeignete Materialien sind nicht auf Halbleitermaterialien beschränkt. Mit anderen Wor ten kann das Rückkopplungsteil 150 aus einer Vielzahl von Materialien ausgebildet werden, was organische Materialien, wie z. B. Polymere, und anorganische Materialien, wie z. B. Siliciumoxid, umfasst, welche in der Lage sind, die Wellenlänge des Laserstrahls, welcher aus dem erfindungsgemäßen VCSEL oszilliert, durchzulassen und nicht zu absorbieren. Es ist klar, dass das Rückkopplungsteil 150 aus irgendeinem Material durch irgendeine Herstellungstechnik ausgebildet werden kann, solange die ursprüngliche Funktion des Rückkopplungsteils 150 sichergestellt ist. Zum Beispiel kann das Rückkopplungsteil 150, anstatt das Rückkopplungsteil 150 durch das Aufbringen einer Materialschicht für das Rückkopplungsteil 150 auf dem oberen DBR 140 und das Ätzen der Materialschicht, um eine Linsenoberfläche auszubilden, aus einem getrennten Teil ausgebildet sein und dann an der Oberseite des oberen DBR 140 angebracht werden.
Während das Rückkopplungsteil 150 bei dieser Ausführungsform beschrieben und illustriert worden ist, wie es für den VCSEL angewendet wird, welcher durch die Einspeisung von Strom oszilliert, kann das Rückkopplungsteil 150 für einen VCSEL angewendet werden, dessen sekundäre Oszillation durch optisches Pumpen von einem anderen externen Laserstrahl induziert wird. Mit anderen Worten kann ein erfindungsgemäßer VCSEL derart entworfen sein, dass die Laseroszillationen durch ein äußeres optisches Pumpen erfolgen.
Bei einem erfindungsgemäßen VCSEL mit dem Rückkopplungsteil 150, welches als der konkave Spiegel für den Resonator wirkt, wie es vorab beschrieben ist, wird die Ausgangsleistung der einzigen transversalen Grundmode merklich verbessert, wie es in 3 und 4 ersichtlich ist. 3 stellt das Fernfeldmuster eines herkömmlichen VCSEL dar, welches bei einer Ausgangsleistung von 1,5 mW gemessen ist. 4 stellt das Fernfeldmuster eines erfindungsgemäßen VCSEL dar, welches bei derselben Ausgangsleistung gemessen ist, wie sie bei dem herkömmlichen VCSEL der 3 aufgebracht worden ist, wobei die Apertur 131 des erfindungsgemäßen VCSEL, welche durch eine selektive Oxidation ausgebildet ist, dieselbe Größe wie die Apertur des herkömmlichen VCSEL der 3 aufweist. Wie aus 4 ersichtlich ist, zeigt der erfindungsgemäße VCSEL eine merklich verstärkte Ausgangsleistung der einzigen transversalen Grundmode mit einem Gauß'schen Strahlenmuster im Vergleich mit dem herkömmlichen VCSEL.
Daher kann mit dem erfindungsgemäßen VCSEL eine höhere Laserausgangsleistung der einzigen transversalen Grundmode als bei herkömmlichen VCSEL erzielt werden.
Der Erfinder hat durch Modellberechnungen die vorherrschende Oszillation der einzigen transversalen Grundmode von dem erfindungsgemäßen VCSEL, welcher das Rückkopplungsteil 150 aufweist, welches als ein konkaver Spiegel wirkt, um einen Anteil des ausgegebenen Strahls in den Resonator zurückzukoppeln, theoretisch bestätigt.
Ein VCSEL weist mehrere transversale Moden abhängig von seiner Struktur auf. Aufgrund des Vorhandenseins des Rückkopplungsteils 150 bei der vorliegenden Erfindung nimmt die Punktgröße eines rückgekoppelten Anteils des ausgegebenen Laserstrahls bei den entsprechenden transversalen Moden aufgrund des Effekts der optischen Fokussierung, welcher vorab beschrieben ist, allmählich ab.
Bei der mittels Oxid einengenden VCSEL-Struktur mit der Stromeinengungsschicht 130, welche durch eine selektive Oxi dation ausgebildet ist, wird das Feldprofil der transversalen Moden als ψ_m(ρ, ϕ) bezeichnet, und das Feldprofil der rückgekoppelten transversalen Moden wird als ψ'_m(ρ, ϕ) bezeichnet, wobei m ein Index der Mode ist. Es wird erwartet, dass die aktive Schicht 120 anwachsend das Feldprofil ψ'_m der rückgekoppelten transversalen Moden als Ergebnis von mehrfachen Durchläufen des rückgekoppelten Laserstrahls erfährt. Dementsprechend kann das Feldprofil der rückgekoppelten transversalen Moden ψ'_m(ρ, ϕ) durch folgende Formel (1) ausgedrückt werden:
In der oberen Formel (1) ist n ganzzahlig, was die Anzahl von Reflexionen in dem Resonator bezeichnet, r_L bzw. r_U ist das Reflexionsvermögen des unteren bzw. des oberen Spiegels, wie es in 2 dargestellt ist, und z_n bezeichnet die effektive Position des aktiven Bereichs 120 entlang der Propagationsachse nach der n-ten Reflexion und wird durch
ausgedrückt, wobei L der Abstand von dem oberen Spiegel zu der Taillenabmessung des rückgekoppelten Gauß'schen Strahls ist, wo sich der kleinste Gauß'sche Strahl befindet, und L eff / c ist die effektive Resonatorlänge. Der Ursprung der z-Achse ist derart definiert, dass er sich bei der minimalen Taillenabmessung des Strahls befindet, d. h. im Brennpunkt des konkaven Spiegels. In der Formel (1) oben bezeichnete U(ρ, z_n) die Gauß'sche Strahlungsamplitudenfunktion, welche den Effekt der optischen Fokussierung beeinflusst, wo bei kein Phasenfaktor benötigt wird, da die Phase von L ein mehrfaches von 2 Π ist.
5 stellt die Feldprofile der untersten vier originalen transversalen Moden und der entsprechenden rückgekoppelten transversalen Moden bei dem VCSEL dar. In 5 befinden sich die gestrichelten Linien mit 180° außerhalb der Phase von den durchgezogenen Linien. LP_m1, wobei m = 1, 2, 3, 4 gilt, bezeichnet die ursprünglichen transversalen Moden, welche dem Feldprofil ψ_m(ρ, ϕ) entsprechen, und LP'_m1 bezeichnet die rückgekoppelten transversalen Moden, welche dem Feldprofil ψ'_m(ρ, ϕ) entsprechen. Insbesondere bezeichnen LP₀₁ (Grundmode der ersten Ordnung), LP₁₁ (Mode der zweiten Ordnung), LP₂₁ (Mode der dritten Ordnung) und LP₃₁ (Mode der vierten Ordnung) die untersten vier ursprünglichen transversalen Moden des VCSEL, und LP'₀₁, LP'₁₁, LP'₂₁ und LP'₃₁ bezeichnen die entsprechenden rückgekoppelten transversalen Moden, welche aufgrund des vorab beschriebenen Effekts der optischen Fokussierung verringerte Punktgrößen aufweisen. Das Feldprofil ψ'_m(ρ, ϕ) der rückgekoppelten transversalen Moden LP'₀₁, LP'₁₁, LP'₂₁ und LP'₃₁ repräsentiert die effektive Feldstärke, welche durch die aktive Schicht 120 mit einer Quantenwannenstruktur erfahren wird. Die Punktgrößen dieser rückgekoppelten transversalen Moden sind derart verringert worden, dass sie aufgrund des vorab beschriebenen Effekts der optischen Fokussierung kleiner als diejenigen der ursprünglichen transversalen Moden sind.
Es ist gut bekannt, dass das Verhalten eines Lasers solch ein stark nicht lineares Phänomen ist, dass sogar eine sehr kleine Menge eines rückgekoppelten Lichts, das sich ergebende Verhalten des Lasers ernsthaft beeinflussen könnte. Daher be einflussen die verringerten rückgekoppelten Moden die ursprünglichen Moden und bestimmen strukturelle Präferenzen zwischen den Moden. Als eine Maßzahl zur Ermittlung der strukturellen Präferenzen wird das Überlappungsintegral zwischen der ursprünglichen Mode und der rückgekoppelten Mode verwendet.
Das Überlappungsintegral I_mm, zwischen dem Feldprofil ψ_m(ρ, ϕ) der ursprünglichen Moden und dem Feldprofil ψ'_m(ρ, ϕ) der rückgekoppelten transversalen Moden wird ausgedrückt als: mm' = |∫∫ψm(ρ, ϕ)ψ'm(ρ, ϕ)ρ∂ρ∂ϕ|2 (2)
6 ist eine normalisierte grafische Darstellung mittels einer 4×4-Matrix des Ergebnisses der numerischen Berechnungen des Überlappungsintegrals I_mm, für alle möglichen Kombinationen zwischen der ursprünglichen Mode LP_m1 und der rückgekoppelten Mode LP'_m1 unter Verwendung der Formel (2) vorab. Wie in 6 dargestellt ist, ist das Überlappungsintegral zwischen sich entsprechenden Modekoeffizienten groß, wohingegen die Terme außerhalb der Diagonalen zwischen verschiedenen Modekoeffizienten praktisch Null sind.
Wie vorab mit Bezug auf 2 und die Formel (2) beschrieben ist, ist entsprechend dem Beispiel der Modellberechnung für den VCSEL mit der Stromeinengungsschicht, welche durch die selektive Oxidation ausgebildet ist, die Grundmode für die rückgekoppelte Mode im Vergleich zu den anderen Moden höherer Ordnung am besten geeignet; da sie ungefähr 4-, 17-, 67-mal größer als die Mode der zweiten Ordnung, die Mode der dritten Ordnung bzw. die Mode der vierten Ordnung ist.
Bei dem erfindungsgemäßen VCSEL ist die Grundmode (erster Ordnung), welche einen Spitzenwert einer Lichtintensität in ihrem Zentrum aufweist, strukturell bevorzugt, und somit kann die Laseroszillation erfindungsgemäß in der Grundmode fixiert werden.
7 ist ein Graph der Überlappungsintegrale I₂₂, I₃₃ und I₄₄ für die Moden der zweiten Ordnung, der dritten Ordnung und der vierten Ordnung, welche bezüglich des Überlappungsintegrals I₁₁ für die Grundmode normalisiert sind, abhängig von Veränderungen in dem Krümmungsradius der Linsenoberfläche 150a des Rückkopplungsteils 150. Wie in 7 dargestellt ist, variiert ein Anteil des Überlappungsintegrals jeder Mode der höheren Ordnung bezüglich der Grundmode entsprechend dem Krümmungsradius des Rückkopplungsteils 150.
Daher kann ein optimaler Krümmungsradius des Rückkopplungsteils 150, bei welchem eine Fixierung der Mode bezüglich der Grundmode am wahrscheinlichsten auftritt, während die Moden höherer Ordnung unterdrückt werden, berechnet werden, wobei das Ergebnis der Überlappungsintegralberechnung verwendet wird. Wie aus 7 ersichtlich wird, ist, wenn der effektive Krümmungsradius des Rückkopplungsteils 150 in dem Bereich von ungefähr 200 μm bis ungefähr 500 μm, zum Beispiel bei ungefähr 300 μm, liegt, ein relatives Überlappungsintegral für die Mode der zweiten Ordnung bezüglich der Grundmode minimal, und die Grundmode ist vorherrschend groß gegenüber der Mode der zweiten Ordnung. Daher ist die Wahrscheinlichkeit einer Laseroszillation bei der Grundmode stark erhöht.
Bei dem erfindungsgemäßen VCSEL ist der Krümmungsradius des Rückkopplungsteils 150 nicht auf den Bereich von 200–500μm beschränkt und kann entsprechend der Struktur des VCSEL verändert werden.
Während der erfindungsgemäße VCSEL derart dargestellt und beschrieben worden ist, dass er von einem oberseitig emittierenden Typ ist, um einen Laserstrahl durch den oberen DBR 140 zu emittieren, und dass er das Rückkopplungsteil 150 auf der oberen Seite des oberen DBR 140 aufweist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Struktur beschränkt.
Mit anderen Worten kann ein erfindungsgemäßer VCSEL als ein oberseitig emittierender Typ konstruiert werden, wobei sich das Rückkopplungsteil 150 unterhalb des Substrats 100 befindet, was die transversale Mode des Lasers auf die Grundmode fixiert. Die Strukturen und Materialien für die obere Elektrode 150 und die untere Elektrode 170 können entsprechend verändert werden.
Ein alternativer erfindungsgemäßer VCSEL kann als ein unterseitig emittierender Typ konstruiert werden, um einen Laserstrahl durch das Substrat 100 zu emittieren, wobei sich das Rückkopplungsteil 150, um die transversale Mode des Lasers auf die Grundmode zu fixieren, auf der Oberseite des oberen DBR 140 oder auf der Unterseite des Substrats 100 befindet, wie es in 2 und 8 dargestellt ist.
Wenn das Rückkopplungsteil 150 auf der Unterseite des Substrats 100 ausgebildet ist, wie es in 8 dargestellt ist, erhöht sich der Abstand zwischen der aktiven Schicht 120 und dem Rückkopplungsteil 150 entsprechend der Dicke des Substrats 100, was mit strukturellen Modifikationen von zum Beispiel dem Krümmungsradius des Rückkopplungsteils 150, der Größe einer Apertur, usw. einhergeht, aber im Wesentlichen demselben Prinzip einer Fixierung der Mode auf die Grundmode folgt, als wenn das Rückkopplungsteil 150 auf der Oberseite des oberen DBR 140 ausgebildet ist.
Bei einem erfindungsgemäßen VCSEL kann wenigstens eines von einer Oszillationsapertur des VCSEL und dem effektiven Durchmesser und dem Krümmungsradius des Rückkopplungsteils 150 derart vergrößert sein, dass es hunderte von Mikrometern oder mehr aufweist, um einen ausreichend großen Verstärkungsbereich zu ergeben, was zu einer Laseroszillation beiträgt. Solch ein vergrößerter Verstärkungsbereich ermöglicht eine Hochleistungsoszillation der transversalen Grundmode. Mit anderen Worten kann ein erfindungsgemäßer VCSEL derart ausgebildet sein, dass er eine Struktur eines ausreichend großen Verstärkungsbereichs aufweist. In diesem Fall kann der erfindungsgemäße VCSEL vorteilhafterweise als ein Hochleistungslaser gefertigt werden, bei welchem die transversale Grundmode oszillieren kann. Dabei kann die Laseroszillationsapertur dieselbe sein, welche zum Beispiel einen Durchmesser der Apertur 131 der Stromeinengungsschicht 130 aufweist.
Wenn die Oszillationsapertur des VCSEL oder der effektive Durchmesser des Rückkopplungsteils 150 vergrößert ist, zum Beispiel in der Größenordnung von hunderten von Mikrometern, ist eine Vergrößerung bei dem Verstärkungsbereich, wo die Laseroszillation auftritt, unvermeidlich. Wenn das Rückkopplungsteil 150 unterhalb des Substrats 100 angeordnet ist, erhöht sich zum Beispiel der Abstand zwischen dem Resonator und dem Rückkopplungsteil 150 strukturell entsprechend der Dicke des Substrats 100. Dementsprechend erhöht sich der Krümmungsradius des konkaven Spiegels. Aufgrund des vergrößerten Krümmungsradius des konkaven Spiegels nimmt die Taillenabmessung des Gauß'schen Strahls langsam ab und der Gauß'sche Strahl überdeckt einen merklichen Bereich der aktiven Schicht 120. Daher wird der Verstärkungsbereich groß.
Um als Hochleistungslaser eingesetzt zu werden, wie es vorab beschrieben ist, ist es vorteilhaft, dass der erfindungsgemäße VCSEL als eine verstärkungsgeführte Struktur ausgebildet ist, welche in Relation weniger transversale Moden unterstützt, als eine indexgeführte Struktur.
Wenn die Laseroszillationsapertur und der effektive Durchmesser des Rückkopplungsteils 150 derart vergrößert sind, dass die Apertur einer Laserstrahlemission vergrößert wird und daher eine Brechung des Laserstrahles, welcher von dem erfindungsgemäßen VCSEL emittiert wird, verringert wird, reflektiert das Rückkopplungsteil 150 einen Anteil des Laserstrahls, welcher von dem Resonator ausgegeben wird, und koppelt denselben in den Resonator zurück und wirkt gleichzeitig als eine Linse für den Laserstrahl, welcher von dem Resonator nach außen verläuft, um ihn in einen verdichtenden Strahl, divergierenden Strahl oder einen parallelen Strahl auszubilden.
Wenn die Apertur der Laserstrahlemission zu klein ist, wird die konvergierende Eigenschaft der Linse durch die Brechungseigenschaft des oszillierenden Lichts ausgeglichen, so dass es schwieriger wird, das oszillierende Licht durch die Linse zu konvergieren. Wenn die Apertur der Laserstrahlemission im Gegensatz dazu groß genug ist, um die Brechungseigenschaft des oszillierenden Lichtes zu verringern, kann das oszillierende Licht durch die Brechungseigenschaft der Linse in ein konvergierendes Licht, in ein divergierendes Licht oder in ein paralleles Licht ausgebildet werden.
Wenn der erfindungsgemäße VCSEL, welcher eine Struktur mit einer großen Laseroszillationsapertur und dem Rückkopplungsteil mit einem großen Durchmesser aufweist, für eine optische Kommunikation verwendet wird, besteht keine Anforderung nach einer konvergierenden Linse zur Kopplung an eine optische Faser. Dementsprechend kann auf einen Prozess einer Ausrichtung der optischen Achse zwischen dem Laserstrahl, welcher von dem VCSEL emittiert wird, und der konvergierenden Linse verzichtet werden.
Während der erfindungsgemäße VCSEL vorab dargestellt und beschrieben worden ist, als hätte er das Rückkopplungsteil 150 nur entweder an der Oberseite des oberen DBR 140 oder der Unterseite des Substrats 100, ist klar, dass das Rückkopplungsteil 150, um einen Anteil des ausgegebenen Strahls in den Resonator zurückzukoppeln, sowohl auf der Oberseite des oberen DBR 140 als auch auf der Unterseite des Substrats 100 ausgebildet sein kann, um einen erfindungsgemäßen VCSEL zu konstruieren.
Wie vorab beschrieben ist, umfasst ein erfindungsgemäßer VCSEL ein Rückkopplungsteil, welches als ein konkaver Spiegel wirkt, indem ein Anteil des Lichts, welches von dem Resonator nach außen emittiert wird, derart reflektiert wird, dass es in den Resonator zurückgekoppelt wird, so dass der VCSEL vorherrschend in der einzigen transversalen Grundmode arbeitet, wobei eine emittierende Laserausgabe einen Intensitätsspitzenwert in ihrem Zentrum aufweist. Der erfindungsgemäße VCSEL kann durch einen einfachen Prozess gefertigt werden und sorgt für eine ausgezeichnete Reproduzierbarkeit verglichen mit anderen Verfahren, welche bisher vorgeschlagen worden sind.
Während diese Erfindung insbesondere mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen davon dargestellt und beschrieben worden ist, ist dem Fachmann klar, dass verschiedene Änderungen an der Form und an Details vorgenommen werden können, ohne den Umfang der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, zu verlassen.

Claims

Oberflächenemittierender Laser mit vertikaler Kavität, umfassend: ein Substrat (100); einen unteren verteilten Bragg-Reflektor (140), welcher auf einer Oberfläche des Substrats ausgebildet ist; eine aktive Schicht (120), welche auf dem unteren verteilten Bragg-Reflektor ausgebildet ist, um eine Lichtemission zu erzeugen; einen oberen verteilten Bragg-Reflektor (140), welcher auf der aktiven Schicht ausgebildet ist, wobei der obere verteilte Bragg-Reflektor und der untere verteilte Bragg-Reflektor einen Resonator zum Induzieren und Verstärken der Lichtemission in der aktiven Schicht bilden; ein Rückkopplungsteil (150), welches entweder auf dem oberen verteilten Bragg-Reflektor oder auf der Unterseite des Substrats ausgebildet ist, um einen aus dem Resonator nach außen emittierten Lichtanteil durch Reflektieren desselben zurück in den Resonator zu koppeln, wobei das Rückkopplungsteil aus einem Halbleitermaterial gebildet ist, welches bezüglich der Wellenlänge der Laseroszillation transparent ist und geeignet ist zur Gitteranpassung mit einem Material des Substrats (100) oder einem Material einer Dünnschichtstruktur auf dem Substrat; wobei entweder der untere verteilte Bragg-Reflektor eine niedrigere Reflektivität als der obere verteilte Bragg-Reflektor aufweist oder der obere verteilte Bragg-Reflektor eine niedrigere Reflektivität als der untere verteilte Bragg-Reflektor aufweist.
Oberflächenemittierender Laser mit vertikaler Kavität nach Anspruch 1, wobei das Rückkopplungsteil (150) als ein konkaver Spiegel für den Resonator dient.
Oberflächenemittierender Laser mit vertikaler Kavität nach Anspruch 1 oder 2, aufgebaut aus einem Material, welches basiert auf einem, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus GaAs, GaSb, GaN, InP und ZnSe.
Oberflächenemittierender Laser mit vertikaler Kavität, umfassend: ein Substrat (100); einen unteren verteilten Bragg-Reflektor (110), welcher auf einer Oberfläche des Substrats ausgebildet ist; eine aktive Schicht (120), welche auf dem unteren verteilten Bragg-Reflektor ausgebildet ist, um eine Lichtemission zu erzeugen; einen oberen verteilten Bragg-Reflektor (140), welcher auf der aktiven Schicht ausgebildet ist, wobei der obere verteilte Bragg-Reflektor und der untere verteilte Bragg-Reflektor einen Resonator zum Induzieren und Verstärken der Lichtemission in der aktiven Schicht bilden; ein Rückkopplungsteil (150), welches auf entweder dem oberen verteilten Bragg-Reflektor oder auf der Unterseite des Substrats ausgebildet ist, um einen aus dem Resonator nach außen emittierten Lichtanteil durch Reflektieren desselben zurück in den Resonator zu koppeln, wobei das Rückkopplungsteil aus einem Material gebildet ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus organischen Materialien und anorganischen Materialien, welche bezüglich der Wellenlänge der Laseroszillation transparent sind und geeignet sind zur Gitteranpassung mit einem Material des Substrats (100) oder einem Material einer Dünnschichtstruktur auf dem Substrat; wobei entweder der untere verteilte Bragg-Reflektor eine niedrigere Reflektivität als der obere verteilte Bragg-Reflektor aufweist oder der obere verteilte Bragg-Reflektor eine niedrigere Reflektivität als der untere verteilte Bragg-Reflektor aufweist.
Oberflächenemittierender Laser mit vertikaler Kavität nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, wobei das auf der Oberseite des oberen verteilten Bragg-Reflektors (140) positionierte Rückkopplungsteil (150) einen effektiven Krümmungsradius im Bereich von 200 μm bis 500 μm aufweist.
Oberflächenemittierender Laser mit vertikaler Kavität nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, wobei ein Verstärkungsbereich für die Laseroszillation für eine Hochleistungsoszillation einer transversalen Grundmode erhöht ist, indem wenigstens eines von einer Laseroszillationsapertur, dem effektiven Durchmesser des Rückkopplungsteils (150) und einem Krümmungsradius des Rückkopplungsteils erhöht ist.
Oberflächenemittierender Laser mit vertikaler Kavität nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, wobei wenigstens eines von der Laseroszillationsapertur und dem effektiven Durchmesser des Rückkopplungsteils (150) erhöht ist, um die Oszillationslichtbrechleistung derart abzuschwächen, dass das Rückkopplungsteil den aus dem Resonator nach außen emittierten Anteil des Lichts durch Reflektieren desselben zurück in den Resonator koppelt und gleichzeitig als eine Linse für aus dem Resonator zu der Außenseite weiterlaufendes Licht dient, um es zu einem konvergierenden Strahl, divergierenden Strahl oder parallelen Strahl zu machen.
Oberflächenemittierender Laser mit vertikaler Kavität nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, wobei die Laseroszillation durch Strominjektion induziert ist.
Oberflächenemittierender Laser nach Anspruch 8, darüber hinaus umfassend eine Stromeinschlussstruktur, welche durch selektive Oxidation oder Innenimplantation ausgebildet ist und den Stromfluss eingrenzt.
Oberflächenemittierender Laser mit vertikaler Kavität nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, wobei die Laseroszillation durch optisches Pumpen von externem Licht induziert ist.