TW202408110A - 雷射裝置 - Google Patents

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Abstract

一種具有基板 (12) 的垂直共振腔面射型雷射 (10)，具有一個用於形成特定雷射模式的共振器 (14)，該共振器具有一個內部布拉格反射鏡和一個位於基板 (12) 外側面 (16) 的解耦鏡，在布拉格反射鏡之間配置一個用於產生光的活性層，其中於外側面 (16) 設置發射區 (20)，而該發射區至少具有兩個解耦稜面 (22)，定位於外側面 (16) 上與雷射模式強度最大值 (19) 的位置相對應的位置，讓特定的雷射模式變得穩定，其中解耦稜面 (22) 具有的稜面反射率，比發射區 (20) 的面反射率更高，其中解耦稜面 (22) 不具有圓形外部輪廓。

Description

雷射裝置
本發明與一種用於發射雷射光的垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)有關。
垂直共振腔面射型雷射(VCSEL) 可用於發射雷射光。
本案提出使用一個基板設置垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)，該基板具有用於形成特定雷射模式的共振器，該共振器具有一個內部布拉格反射鏡和一個位於基板外側面的布拉格反射鏡，後者作用為解耦鏡，其中於該些布拉格反射鏡之間形成一個用於產生光的活性層。於基板外側面具有一發射區，而該發射區具有至少兩個解耦稜面，定位於該外側面中和雷射模式強度最大值的位置相對應的位置，讓特定的雷射模式變得穩定，其中該些解耦稜面具有的稜面反射率，比其餘發射區的表面反射率更高，其中解耦稜面可以不具有圓形外部輪廓。
發射區形成於解耦鏡的外側面上。發射區包含解耦稜面，同時各個解耦稜面定位於形成特定雷射模式之強度最大值的位置，藉此促進並穩定此特定的雷射模式，因為光在強度最大值的位置會在布拉格反射鏡之間腔體中，同時其餘發射區中的光相較之下反射量較少。
在相關請求項中會提出其他實施例和其他構成方式。
較佳地，沿著縱軸的外部輪廓比起沿著橫軸有更大的延伸，其中縱軸方向與橫軸垂直，而縱軸和橫軸方向與外側面平行。縱軸和橫軸方向與布拉格反射鏡的堆疊方向垂直，較佳地，讓橫軸沿著外部輪廓的最大寬度以及讓縱軸沿著外部輪廓的最大長度設置。
較佳地，外部輪廓主要形成橢圓形、矩形或菱形，此外橫軸例如為橢圓的短軸，而縱軸為橢圓的長軸。同理適用於菱形的對角線及矩形的邊長，讓橫軸的尺寸小於縱軸的尺寸。
在特定構成方式中至少有兩個外部輪廓相較之下以不同的方式成形，此外至少兩個解耦稜面具有形狀不同的外部輪廓，藉此促進特定的模式。
較佳地，使用兩個以上的解耦稜面沿著假想線配置一連串稜面，其中在該一連串稜面在縱向末端最外側的解耦稜面具有一個和其餘解耦稜面不同的外部輪廓。
較佳地，至少兩個直接相鄰外部輪廓之間沿著假想線的輪廓間隔不一樣大，其中輪廓間隔位於兩個直接相鄰的外部輪廓與假想線的交點間。輪廓間隔為兩個相鄰外部輪廓與下一個輪廓間隔之間的距離。
較佳地，沿著假想線的中間外部輪廓的間隔，比同一連串的稜面其餘的外部輪廓間隔小。
為了得到有效率的光解耦，兩個直接相鄰的外部輪廓可相交，互相進入對方內部。
藉由這種做法可達成解耦光的極化，至少在一個解耦稜面上配置一個極化光柵，其中最好至少兩個位於中間的解耦稜面具有極化光柵。
一種具備優勢的其他構成方式可能包含，外部輪廓區域中解耦稜面的稜面反射率沿著降低區段持續降低到其餘發射區面反射率的水準，其中降低區段具有稜面反射率沿著此區段降低最短的尺寸，最好是 0.1 至 3 微米。降低區段可以例如圍繞著解耦稜面形成為周邊形狀。通過降低區段，解耦稜面邊緣的繞射效應可變小。
可做為範例的是讓縱軸形成垂直於假想線，同時橫軸可能平行於或形成於假想線上。
較佳地，縱軸和假想線相鄰交點之間形成一個交點間隔，而其中至少兩個交點間隔大小不同。純粹當做範例的是，讓一連串的稜面在中間的解耦稜面的交點間隔比該一連串的稜面在縱軸端點區域中的交點間隔小。藉此得以實現相應於雷射模式之解耦稜面的最佳設定。
較佳地，兩個相鄰解耦稜面的交點間隔小於沿著橫軸之相鄰解耦稜面的延伸，藉此可讓相鄰的解耦稜面和相鄰解耦稜面的外部輪廓形成交點。
特別偏好的方式為至少一個解耦稜面的外部輪廓具有一個直線輪廓區段。但也可設置尖角和圓角區段。
本發明的範圍只經由請求項定義。
本發明接下來會以實施例參考附屬圖式更詳細作說明。下列說明的方向指示可理解為符合圖式的指標方向。
圖中顯示垂直共振腔面射型雷射 10，具有一個基板 12。基板 12 包含一個以兩個布拉格反射鏡構成的共振器 14，其中內部布拉格反射鏡和一個解耦鏡形成布拉格反射鏡。解耦鏡鄰接於基板 12 的外側面 16。共振器 14 內形成一個特定的雷射模式18，透過來自布拉格反射鏡之間的光形成的活性層進行饋送。
圖 3 中顯示一個所謂的雷射模式 18，其中沿著一條假想線 32 配置多個強度最大值 19。圖 3 圖表中 x 軸 33 代表圖1的假想線 32，而y 軸35代表圖1的縱軸 26。圖 3圖表中的曲線顯示沿著軸 33、35 的強度分布。
布拉格反射鏡和活性層互相彼此堆疊，其中堆疊方向垂直於布拉格反射鏡各層的主要延伸面，並與活性層對齊。
外側面 16 上設置一個發射區 20，具有至少兩個解耦稜面 22。雷射模式 18 的光從解耦稜面22 出現。解耦稜面22 位於外側面 16 的位置，與雷射模式 18 的強度最大值 19 的位置相對應。解耦稜面 22 配置於外側面 16 的位置，局限於共振器 14 內部的空間容積，具有依據雷射模式 18 之駐波的振動波腹。也有圖 3 中做為範例展示之各個強度最大值定位於此空間容積中。
解耦稜面 22 具有比其餘發射區 20 之面反射率更高的稜面反射率。藉此達成讓特定的雷射模式 18 穩定，因為可促進對應的強度最大值。
解耦稜面 22 的外部輪廓 24不是圓形的，其餘發射區 20 的解耦稜面 22 透過外部輪廓 24 受到限制。外部輪廓 24 將高稜面反射率的區域和低面反射率的區域分開。
圖 1 中外部輪廓 24 沿著各個解耦稜面 22 的縱軸 26 具有比沿著解耦稜面 22 的橫軸 28 更大的延伸。縱軸 26 方向垂直於橫軸 28，和外側面16 平行且與堆疊方向垂直。
較佳地，為將橫軸 28 沿著外部輪廓 24 的最大寬度配置以及將縱軸 26 沿著最大長度配置。此時會有一個橢圓形的外部輪廓 24。也可以使用其他例如矩形或菱形的形狀。
從圖 3 中可以看到圍繞著強度最大值 19 ，並非圓形的強度分布。對應選擇解耦稜面 22 和外部輪廓 24。
如圖 1所示，一連串稜面 30 中有兩個以上的解耦稜面 22 沿著假想線 32 配置。假想線 32 為一直線。橫軸 28 位於假想線 32 之上。假想線 32 特別會沿著解耦稜面 22 的共同對稱軸經過。
圖 1 中有八個解耦稜面 22 作為範例設置，因為圖 3 中的雷射模式 18 具有八個強度最大值 19。
圖 2 中顯示直接相鄰的外部輪廓 24 會相交而融入彼此，藉此讓解耦稜面22互相重合。解耦稜面 22 的重合區域位於假想線 32 之上。各個解耦稜面 22 會互相相連形成連續的一連串稜面 30。
如圖 4所示，在該一連串稜面30的縱向端的最外側解耦稜面 221 的外部輪廓 24 的形狀會不同於最外側解耦稜面 221 之間其他解耦稜面 22 的外部輪廓。舉例來說，最外側解耦稜面 221 之外部輪廓 241中橫軸 281 的尺寸可能比縱軸 261 長，而同時其餘解耦稜面 22 的外部輪廓 24中橫軸 28 的尺寸比縱軸 26 短。
對應圖 3，雷射模式 18 在最外側的強度最大值 19 處，具有和定位於最外側強度最大值 191 之間的其他各個強度最大值 19 不同的強度分布。
較佳地，一連串稜面30中各個解耦稜面 22沿著各個縱軸 26、261 的的尺寸一樣大，而只有解耦稜面 22、最外側解耦稜面221沿著的橫軸 28、281 特別是不一樣大。特別偏好的方式是讓最外側外部輪廓 241 之間的其他外部輪廓 24 的形狀彼此相同。
圖 5 中顯示另一種實施方式，其中最外側外部輪廓 241 沒有橢圓形的形狀，如同圖 4 中最外側外部輪廓 241 做為範例的情形，而是具有平行於假想線 32 的直線輪廓區段 242。
圖 6 中顯示其他實施方式，其中相鄰解耦稜面 22 的縱軸 26 之間的間隔 38 不一樣大，特別是往中點 40 的間隔 38 會更小，使得位於中間解耦稜面 22 的兩個縱軸 26 之間的間隔 380 比其餘解耦稜面 22 的間隔 381、382、383 小，此時間隔 38 從中間持續增長，使得最外側的間隔 383 最大。
此時外部輪廓 22 之間的間隔，也就是輪廓間隔，同樣會不一樣。舉例來說，可以沿著假想線 32 在兩個相鄰外部輪廓 24相鄰最近的點之間測量輪廓間隔。下一個點也可能是外部輪廓 22 與假想線 32 的交點。輪廓間隔可能如同從中間開始的間隔 38 向外一直變大。
如果兩個相鄰解耦稜面 22 的交點間隔比相鄰解耦面沿著橫軸 28 的延伸小，則解耦稜面 22 會重合，而相鄰解耦鄰面 22 的外部輪廓再次彼此構成交點。相鄰外部輪廓 24 會符合圖 3 融合進入彼此之中。
圖 7 中顯示其他實施方式，其中兩個中間的解耦稜面 22 具有一個極化光柵 42。也可以讓兩個以上解耦稜面 22 具有極化光柵 42。另外也可能只有外部的解耦稜面 22 有極化光柵 42 或其他未配置於中央的解耦稜面 22有極化光柵 42。
圖 8 中顯示一個解耦稜面 22，具有一個降低區段 50，配置於外部輪廓 24 的區域中。
稜面反射率沿著降低區段 50 持續降低到其餘發射區 20 的面反射率水準。
在圖 8 示範性的實施方式中反射率會沿著最短的尺寸 52 降低，降低區段 50 的尺寸 52 最好是 0.1 至 3 微米。
降低區段 50 形成圍繞著解耦稜面 22 ，並沿著外部輪廓 24 延伸。此時尺寸 52 永遠保持恒定，並且較佳地最好與外部輪廓 24 垂直。
實施方式的特點可以互相組合。所以極化光柵可以應用在每一個實施方式中。此外解耦稜面之間的間隔隨著各種實施方式而異。單一解耦稜面的形狀同樣可以對應變化。也可以實現多組一連串的稜面，例如平行或彼此橫跨配置。
10:共振腔面射型雷射 12:基板 14:共振器 16:外側面 18:雷射模式 19:強度最大值 20:發射區 22:解耦稜面 24:外部輪廓 26:縱軸 28:橫軸 30:一連串稜面 32:假想線 33:x軸 35:y軸 38:間隔 42:極化光柵 50:降低區段 52:尺寸 191:最外側強度最大值 221:最外側解耦稜面 241:最外側外部輪廓 242:直線輪廓區段 261:縱軸 281:橫軸 380:間隔 381:間隔 382:間隔 383:間隔
圖 1、2 和 4 到 7  為一連串稜面的不同實施例；
圖 3       為範例雷射模式的圖表；以及
圖 8       為被降低區域環繞的解耦稜面。
10:共振腔面射型雷射
12:基板
14:共振器
16:外側面
18:雷射模式
19:強度最大值
20:發射區
22:解耦稜面
24:外部輪廓
26:縱軸
28:橫軸
30:一連串稜面
32:假想線

Claims (15)

  1. 一種具有基板 (12) 的垂直共振腔面射型雷射 (10)，該基板 (12)具有一用於形成一雷射模式的共振器 (14)，該共振器 (14)具有一內部布拉格反射鏡和一鄰接於該基板 (12) 外側面 (16) 的解耦鏡，其中在該內部布拉格反射鏡與該解耦鏡之間形成一用於產生光的活性層，其中該外側面 (16) 上具有一發射區 (20)，該發射區 (20)至少具有兩解耦稜面 (22)，位於該外側面 (16)中與該雷射模式的強度最大值 (19) 相對應的位置，藉此使得該雷射模式穩定下來，其中該些解耦稜面 (22) 具有比該發射區 (20) 其餘面的反射率更高的稜面反射率，其中該些解耦稜面 (22)的外部輪廓 (24)並非圓形。
  2. 如請求項 1 的垂直共振腔面射型雷射 (10)，其中該外部輪廓 (24) 沿著縱軸 (26) 具有比沿著橫軸 (28) 更大的延伸，其中該縱軸 (26) 與該橫軸 (28) 垂直，其中該縱軸 (26) 和該橫軸 (28)與該外側面 (16) 平行。
  3. 如請求項 1 或 2 的垂直共振腔面射型雷射 (10)，其中該外部輪廓 (24)實質上為橢圓形、矩形或菱形。
  4. 如前述請求項任一者的垂直共振腔面射型雷射 (10)，其中至少有兩個該些解耦稜面 (22)的外部輪廓 (24) 相較之下有不同的形狀。
  5. 如前述請求項任一者的垂直共振腔面射型雷射 (10)，其中具有兩個以上該些解耦稜面 (22) 的一連串稜面 (30) 沿著一假想線 (32) 配置，其中該一連串稜面 (30)中最外側的解耦稜面 (22) 在縱向端具有與其餘解耦稜面 (22) 不同的外部輪廓 (24)。
  6. 如請求項 5 的垂直共振腔面射型雷射 (10)，其中沿著兩個直接相鄰外部輪廓 (24) 之間的該假想線 (32) 的至少兩個輪廓間隔不一樣大，其中該些輪廓間隔位於各該外部輪廓 (24) 和該假想線 (32) 的直接相鄰交點之間。
  7. 如請求項 6 的垂直共振腔面射型雷射 (10)，其中沿著該假想線而位於中間的該些外部輪廓 (24) 之的輪廓間隔比其餘外部輪廓 (24) 之間的輪廓間隔小。
  8. 如前述請求項任一者的垂直共振腔面射型雷射 (10)，其中兩個直接相鄰的外部輪廓 (24) 彼此相交，使其互相融入對方。
  9. 如前述請求項任一者的垂直共振腔面射型雷射 (10)，其中在該些解耦稜面 (22) 其中至少一者上配置極化光柵 (42)，其中較佳至少有兩個位於中間的該些解耦稜面 (22) 具有該極化光柵 (42)。
  10. 如前述請求項任一者的垂直共振腔面射型雷射 (10)，其中該些解耦稜面 (22)在該外部輪廓 (24) 區域中的稜面反射率沿著降低區段 (50) 持續降低到該發射區 (20) 其餘面的反射率的水準，其中該降低區段 (50) 具有降低該稜面反射率而最短的尺寸，最好為 0.1 至 3 微米。
  11. 如前述請求項和請求項 2 和 5中任一者的垂直共振腔面射型雷射 (10)，其中該縱軸 (26) 垂直於該假想線 (32)，同時該橫軸 (28) 平行於或在該假想線 (32) 上。
  12. 如請求項 11 的垂直共振腔面射型雷射 (10)，其中在該縱軸 (26) 和該假想線 (32) 的相鄰交點之間形成一交點間隔，其中之至少有兩個交點間隔不一樣大。
  13. 如請求項 12 的垂直共振腔面射型雷射 (10)，其中該一連串稜面 (30)中位於中間的解耦稜面 (22) 的交點間隔比位於該縱向端中的解耦稜面 (22)的交點間隔小。
  14. 如請求項 12 或 13 的垂直共振腔面射型雷射( 10)，其中兩個相鄰解耦稜面 (22) 的交點間隔比沿著橫軸 (28) 之相鄰解耦稜面 (22) 的延伸小。
  15. 如前述請求項任一者的垂直共振腔面射型雷射 (10)，其中至少一個解耦稜面 (22) 的外部輪廓 (24) 具有一個直線輪廓區段 (242)。
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