TW311295B - - Google Patents

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經濟部中央標準局員工消費合作社印製 311295 A7 B7 五、發明説明（1 ) 發明領域 本發明大體上係關於表面發射雷射器和更特別的是具有 改良的泵唧效率的表面發射雷射器。 發明背景 表面發射雷射器發射雷射輻射於垂直於基片表面之方向 。此種雷射器有許多勝過邊緣發射雷射器之優點，包括其 極小的體積和相當的容易以其大多數此種雷射器可製作二 維陣列於單一基片上。 已知的表面發射雷射器包括由二分配回授（DFB)鏡面界 定的諸振腔。該腔包含包括於空間層和活性光的發射層的 增益媒介。活性層之光的泵ρ即由發射之泵节卩能量經過鏡面 之一達成。有關表面發射雷射器之重要資訊皆陳述於下列 參考文件：美國專利案號5,258,990,4,999,842和4,718,070 〇 因爲泵唧能量經由DFB鏡面之一傳送進入雷射腔，鏡面 之反射能力典型地於泵听能量波長減低。而此種反射能力 之減低提高泵唧能量之發送進入空腔，它也限制泵唧能量 在經由DFB鏡面之一傳送回來之前在空腔内諧振之時間。 結果，泵唧能量有有限的機會於傳回空腔前造成粒子數反 轉，因而限制雷射器之效率。 發明综述 按照本發明，表面發射雷射器包括基片，形成於基片上 的第一分配回授鏡面，和形成於第一鏡面上的活性增益媒 介。活性增益媒介包括至少一活性光的發射層和一阻擔層 -4 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） I--------1^.------、訂------0 (請先閱讀背面之注意事項4填寫本頁) 311295 A7 B7 五、發明説明（2 。第二分配回授鏡面形成於活性增益媒介上。第一和第二 鏡面界足一諧振腔用以維持駐波光場於設計的工作波長。 第一和第二鏡面有第一和第二反射頻帶寬度其分別包括第 —和第二發射頻帶寬度用於接收光的泵唧能量。第一和第 一反射頻帶寬度彼此相對的移動波長以致第一和第二發射 頻帶寬度位於分離的波長。 由於第一和第二發送頻帶寬度位置之相互移動經由鏡面 < 一傳送至空腔之光的泵唧能量由其他鏡面之高度反射而 不只是經其發射。結果，泵唧能量將有較長時期保留於空 腔，以增加用以造成粒子數反轉之部分泵唧能量。與以前 表面發射雷射器比較，發明之雷射器以較小能量轉換損耗 而快速和其可工作於室溫不需要冷卻。 圖式簡述 圖1表示表面發射雷射器之截面圖。 圖2表示表面發射雷射器單片陣列之透視圖。 圖3(a)表示頂部分配回授鏡面之反射能力曲線和圖3(b) 表示用於本發明表面發射雷射器底部分配回授鏡面之反射 能力曲線。 經濟部中央樣準局員工消費合作社印裝 (請先Μ讀背面之注意事項彳填寫本育) 圖4表示按照本發明製造之表面發射雷射器之實施體。 詳細説明 圖1描繪光泵唧的表面發射雷射器2。透鏡1〇導引進入發 射光經過透光的基片丨2和此後經過分配回授⑺FB)鏡面j 3 。如果基片不透光泵唧經過雷射器2之頂部實施而不經過 基片。DFB鏡面1 3是由高低折射係數材料交互成對形成。 5- 本紙張尺度適财g ®家標準（CNS ) Α4· ( 210X297公釐)' 經濟部中央揉準局負工消资合作社印家 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（ A7 _______B7 五、發明説明（3 ) 光線於是進入增益媒介16 ’其由活性和阻擋材料層交互形 成。雷射器由DFB鏡面〗9完成其也係由高低折射係數材料 父互成對形成。於所示之安排’發射的雷射束垂直向上出 現如箭頭所示。 圖2描繪雷射器2之單片陣列其爲個別地相似於圖1所示 之雷射器。雷射器2全部形成於單一基片。此種排列有利 於作爲光的相互連接用於積體電路和作爲光源用於固態雷 射器之光的泵〇即。 在工作中，頂部和底部鏡面19和13形成調諧腔其於設計 的工作波長維持—駐波光場。因此，增益媒介丨6之總厚度 (選擇爲設計波長之半之整數倍。有效和阻擋層之厚度可 有利地選擇以致活性層與駐波之波腹（即最大強度）相重合 。如此安排確使活性層儘量有效地放大光波。 圖1所不裝置之一般結構和组成爲技術上熟練人士所習 知本發明不依靠適當雷射合成物之指定β大體上，選擇 I材料必須有已知的適於工作之特性。活性材料必須有直 接能量帶間隔適合於所要的輻射波長，和必須不那樣適合 激光發射《阻擋材料爲直接或間接能量帶間隔材料有較高 的能量間隔和用以限定載子於活性材料内。大體上，適當 的直接能量帶間隔材料包括混合的半導體比如ΙΙΙ ν，π_ VI和二7C，四疋選擇的材料以及其他複合成分。表示的可 用活性材料和阻擋材料對包括GaAs/AiGaAs， In(K53Ga0 47As/InP，In〇 2Ga〇 8As/GaAs，其雷射波長分別 爲0.87微米（microns)，155微米，和1微米。發明的雷射 __- 6 210^7^7公釐) -- ----------装------ίτ------^ (請先閲讀背面之注意事項孑填寫本頁) A7 B7 經濟部中央標準局貝工消費合作社印装 五、發明説明（4 器2之詳細製造方法爲技術上熟練人士所習知。裝置可由 任何適當技術製造比如MBE或MOCVD。裝置也可以楔形 雷射腔製造如同美國專利案號4,395,769所揭示的。 DFB鏡面結構亦爲習知者。基本要求爲交互放置的相當 高和低折射係數之材料層具有足夠的厚度以容許諧振。圖 3表示用於頂部鏡面1 9之反射曲線其顯示鏡面之反射能力 爲波長之函數。鏡面1 9之配置爲普通情狀在設計的工作波 長有最大反射能力，其在圖3所示之例中約爲870毫微米 (nm)。此最大反射能力大致保持於包含設計波長之預定頻 帶寬度。預定之高反射能力頻帶寬度被凹槽3 〇所擾亂限制 於一相當窄的通帶遇此其反射能力降低甚大。就是凹槽3〇 限制頻帶寬度在其間鏡面1 9發射極大量的光能。圖1所指 之系唧能量，以其用以產生粒子數反轉於增益媒介1 6，係 典型地供應於相當於凹槽3 〇之波長。由於在此波長供給泵 唧能量甚大的能量部份到達增益媒介1 6 ^如果不選擇泵唧 能量其波長更接近等於設計的工作波長，大部份能量將自 頂部鏡面19反射和粒子數反轉不會發生。 已知表面發射雷射器應用頂部和底部鏡面其有實質上相 同的正常化的反射能力曲線如圖3所示。就是二鏡面典型 地應用同樣高反射能力頻帶寬度和二者應用一"凹槽"於相 同的限制於較高傳送區域之波長。此種已知配置限制雷射 器之效率因爲極大部份泵唧能量其未由增益媒介16吸收將 經由底部鏡面之凹槽發送和所以不能產生另加的粒子數反 轉。 私紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨Οχ297公楚） ----------^------ΪΤ------^ (請先閲讀背面之注意事項，.¾:填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 、發明説明（ =照本發明’頂部和底部鏡面13和19之配置以致其反射 :、曲線於波長上相對彼此移動。就是，反對能力曲線所 的：位置以致頂部鏡面之凹槽位於與底部鏡面凹槽之不同 /長。此種安排由圖3⑷所示頂部鏡面反射能力曲線之 兄相對於圖3(b)所示底部反射能力曲線之位置指示出來 :特別的是，曲線配置之位g以致頂部鏡面之凹槽所在之 2於此底部鏡面展現相當高的反射能力。結果此種安排 '質上經由頂部鏡面凹槽發送的部份㈣能量自底部鏡面 ^射經增益媒介16予以加強。反射的泵唧能量於是第二次 ^過増益媒介16 ’增加其產生粒子數反轉的機會。例如， 如^於單獨it過增益媒介吸收5〇%^η即能量，於是由底 二=面增加的反射旎力，於第二次通過增益媒介16將吸收 。的泵唧量。相對的，已知表面發射雷射器之大部份 泵即旎量僅有一個機會由增益媒介丨6吸收。 用於頂部和底部鏡面反射能力曲線之最佳移動可個別地 製作用於各個特別裝置之應用。然而某些一般考慮爲適當 的不随任何特別應用而變。例如，相對之移動應夠小以致 在頂部和底部鏡面之高反射能力頻帶寬度之間有實際上的 重疊。此種標準確保駐波將維持於設計的波長。例如，移 動約等於高反射能力頻帶寬度三分之一常爲適當的。如果 相對移動太大鏡面之—於設計波長之反射能力將太低不能 有效地維持駐波。 增益媒介16可作有利地選擇以致當第一次通過增益媒介 時約有5 0 %的泵唧能量被吸收。如上所述，在通過增益媒 8- 木紙張尺度it財S目家標準（CNS ) A4規格（210X297公 1 (請先閔讀背面之注項忒填寫本萸) .装- 訂 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 311295 A7 ______B7 五、發明説明（6 ) 介1 6二次後將使約7 5 %的泵唧能量被吸收。如果於第一次 通過實質上大於5 0 %的泵唧能量被吸收，粒子數反轉將發 生不一致的情況。

圖4表示設計用於870毫微米（nm)波長發明之雷射器之一 特別實施體。頂部鏡面19是由25對交互A、uGaQ 89aS (737A)和AlAs (625A)層形成和底部鏡面是由29·5對 A1o.iiGa0.89As (719A)和 AlAs (608A)形成。增益媒介是 由三GaAs (6〇9A)活性層各由Ai〇 nGa〇 “Μ (625入）阻擋 層分開。Al〇. 1 iGa〇.89As (312A)阻擋層放於活性層和各鏡 面1 3和1 9之間。活性層位於鏡面丨3和i 9間維持的駐波波 腹以達到最大效率。底部鏡面1 3之高反射能力頻帶寬度被 移動1 4毫微米（nm)相對於頂部鏡1 9。鏡面1 3和1 9也是" 不平衡的”，如此術語於美國專利案號4 999,842所定義的 。就是，底部鏡面13應用較頂部鏡面19爲多的交互層。 結果，底部鏡面1 3之反射能力於設計波長大於頂部鏡面 19之反射能力。輸出光束將自頂部鏡面19發射因其相對 於底部鏡面13減低的反射能力。於頂部鏡面19之凹槽全部 發射於泵唧波長和僅40〜50 meV高於諧振空腔模式波長， 其在增盈媒介16之均勻線寬度之内。結果雷射器是快速的 ，更有效甚至有附帶的能量轉換，一齊降低非放射損耗。 赛------、訂------^ (請先閲讀背面之注意事項-?.填寫本頁)

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 申請專利範圍 1. 一種表面發射雷射器包括： 基片； 第一分配回授鏡面 活性増益媒介形成；;t:成於基片之多數層； 阻擋層的第-鏡面；G至少一活性光的發射層和一 二:於活性增㈣介之多數層 設計的工料長； 餘腔用於料駐波光場於 八:第-鏡面具有第-和第二反射頻帶寬度，其 a、、：和第—發射頻帶寬度用於接收光的泵唧能 和第二反射頻帶寬度以彼此相對的波長移動 以使第—和第二發射頻帶寬度位於分離的波長。 •根據中4專利圍第丨項之雷射器，其中該分配回授鏡 面包括高和低折射係數材料之交互層。 3. 根據申請專利範圍第2項之雷射器，其中活性增益媒介 係—種選自包括III-V，S , u_vrs，三元，和四元組之半 導體。 4. 根據申請專利範圍第i項之雷射器，其中該光的發射層 ^於與駐波光場之最大強度相重合之位置。 5’根據申請專利範園第1項之雷射器，其中活性增益媒介 之調配在使約5 0 %的光的泵唧能量於單獨一次通過諧 振腔時產生粒子數反轉。 6·根據申請專利範園第1項之雷射器，其中該波長移動夠 小以保持該第一和第二反射頻帶寬度間之本質重疊。 ^------ir------線. (請先閲讀背面之注意事項罗·填寫本頁) -10-

   ABCD 311295 六、申請專利範圍 7. 根據申請專利範園第6項之雷射器，其中該波長移動是 等於到小於第一反射頻帶寬度之三分之一。 8. 根據申請專利範圍第2項之雷射器，其中該第—鏡面包 括29_5對文互的Al〇nGa0 89As和AlAs層，分別具有厚 度 719A 和 608A。 9_根據申請專利範園第8項之雷射器，其中該第二鏡面包 括25對文互的Al〇.iiGa0.89As和AlAs層’分別具有厚度 737A 和 625A。 10. 根據申請專利範園第9項之雷射器，其中該增益媒介包 括三活性GaAs層各有厚度6〇9a，且由二A1〇 uGa()89As 阻擋層分開各有厚度625 A。 11. 根據申請專利範圍第丨項之雷射器，其中該發射頻帶寬 度大體上發射全部泵唧能量於高於諧振腔維持模式 40〜50 MeV。 12. —種單片雷射器陣列包括： 多數表面發射雷射器形成於共同基片上，每個該表面 發射雷射器包括； 第—分配回授鏡面包括多數層形成於基片上； -活性増益媒介形成於第一鏡面上包括至少一活性光的 發射層和一阻擒層； 第二分配回授鏡面包括多數層形成於活性增益媒介上 4第和第二鏡面界定错振腔用於在設計的工作波長 維持駐波光場； v亥第和第二鏡面具有第一和第二反射頻帶寬度其分 )-— I I I I 裝 n n n — 訂— I n n ^ (請先閱讀背面之注意事項"填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 311295 申請專利範圍 別包括第一和第二發射頻帶寬度用於接收光的泵唧能量 ，該第一和第二反射頻帶寬度在波長上彼此相對移動以 致第一和第二發射頻帶寬度位於分離的波長。 ---------^------、玎------^ (請先閏讀背面之注意事項-ί填寫本頁) 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐）