TWI483498B - 多模式垂直空腔表面發射雷射陣列 - Google Patents

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Description

多模式垂直空腔表面發射雷射陣列 發明領域
本發明之各個實施例係有關雷射，及更明確言之，係有關半導體雷射。
 發明背景
半導體雷射表示今日使用的最主要雷射類別中之一者，原因在於其可用在寬廣多項應用用途，包括顯示器、固態照明、感測、列印及電信，僅舉出數個實例。兩型主要使用的半導體雷射為邊緣發射型雷射及表面發射型雷射。邊緣發射型雷射產生於實質上平行光發射層方向行進之光。另一方面，表面發射型雷射產生垂直光發射層方向行進之光。表面發射層具有優於典型邊緣發射型雷射之多項優點：其更有效率地發光且可配置來形成二維光發射陣列。
組配有夾置在二反射器間之該光發射層之表面發射型雷射係稱作為垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)。反射器乃典型分散式布拉格(Bragg)反射器(DBR)，其理想上形成具有大於99%反射率用於光反饋之反射腔。分散式布拉格反射器(DBR)係由多個交替層組成，各層係由具有週期性折射率變化之介電材料或半導體材料組成。分散式布拉格反射器內部之兩相鄰層具有不同折射率，且係稱作為「DBR對」。DBR反射率及頻寬係取決於各層組成分材料之折射率反差，及係取決於各層厚度。用以形成DBR對之材料典型地具有相似組成，因而具有相對小的折射率差。如此，為了達成大於99%之空腔反射率與提供狹窄鏡頻寬，DBR係以自約15對至約40對或以上DBR對間之任何對數組配而成。但製造具有高於99%反射率之分散式布拉格反射器業已證實相當困難，特別係用於設計來發射具有電磁頻譜的藍綠光及長紅外光部分之波長光的垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)時尤為如此。
物理學家及工程師仍然持續追求VCSEL設計、操作與效率方面的改良。
 發明概要
依據本發明之一實施例，係特地提出一種單塊型表面發射雷射陣列包含一反射層，一光發射層，及組配有二或多個非週期性次波長光柵之一光柵層，其中各個光柵係組配來形成具有該反射器之一共振腔，及各個光柵係組配有一光柵圖樣，其係塑形一或多個內部空腔模式，及塑形透過該光柵所發射之一或多個外部橫向模式。
圖式簡單說明
第1A圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配之單塊式VCSEL陣列實例之等角視圖。
第1B圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配之第1A圖所示之單塊式VCSEL陣列之分解等角視圖。
第2圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配之第1A圖所示之VCSEL陣列沿線A-A之剖面圖。
第3A至3C圖顯示依據本發明之一或多個實施例，組配有一維及二維光柵圖樣之次波長光柵之頂視平面圖。
第4圖顯示依據本發明之一或多個實施例，揭示由反射光所獲得之相角的得自二分開光柵次圖樣之線之剖面圖。
第5圖顯示依據本發明之一或多個實施例，揭示反射波前如何改變的得自二分開光柵次圖樣之線之剖面圖。
第6圖顯示由依據本發明之一或多個實施例組配之光柵圖樣所產生的相變輪廓投影圖實例之等角視圖。
第7圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配來將入射光聚焦至一焦點之一次波長光柵之側視圖。
第8圖顯示依據本發明之一或多個實施例所組配的次波長光柵，歷經一入射光波長範圍之反射率及相移之作圖。
第9圖顯示依據本發明之一或多個實施例所得相角變化呈週期及工作週期之函數之一相角輪廓作圖。
第10A圖顯示依據本發明之一或多個實施例，組配來操作為聚焦柱面鏡之一維次波長光柵之頂視平面圖。
第10B圖顯示依據本發明之一或多個實施例，組配來操作為聚焦球面鏡之一維次波長光柵之頂視平面圖。
第11A至11B圖顯示依據本發明之一或多個實施例操作之VCSEL陣列之共振腔之剖面圖。
第12圖顯示與依據本發明之一或多個實施例組配的VCSEL陣列相關聯之假說空腔模式及強度或增益側繪圖(profile)之作圖實例。
第13圖顯示一種平凹共振器，其示意地表示依據本發明之一或多個實施例組配之一VCSEL陣列中之一VCSEL之共振腔。
第14圖顯示其中光可從依據本發明之一或多個實施例組配的一VCSEL陣列中之VCSEL所發射之各種方式。
第15A至15B圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配之VCSEL陣列第二實例之沿線B-B之等角視圖及剖面圖。
第16A至16B圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配之VCSEL陣列第三實例之沿線C-C之等角視圖及剖面圖。
第17圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配之雷射系統實例之等角視圖。
 較佳實施例之詳細說明
本發明之多個實施例係針對單塊式表面發射雷射(VCSEL)陣列，此處各個VCSEL可經組配來發射不同波長的雷射。在該VCSEL陣列內部之各個VCSEL包括一或多個平面非週期性次波長光柵(SWG)。各個VCSEL之SWG可經組配有不同光柵組態，允許各個VCSEL發射不同波長的雷射。各個VCSEL之SWG可經組配來控制從該VCSEL所發射的內部空腔模式形狀及外部模式形狀。各個VCSEL具有小型模式體積，近似單空間輸出模式可歷經一窄波長範圍發光且可經組配來發射具有單偏振之光。
後文說明中，「光」一詞係指具有波長係在電磁頻譜之可見光及非可見光部分，包括電磁頻譜之紅外光及紫外光部分之電磁輻射。
後文詳細說明部分中也須注意為求簡明與方便，本發明之實施例之VCSEL陣列係描述為由四個VCSEL組成的方形排列。但本發明之實施例並非意圖如此受限制。VCSEL陣列實施例實際上可經組配有任何適當數目之VCSEL，而該等VCSEL可具有在單塊式表面發射雷射(VCSEL)陣列內部之任何適當排列。
垂直空腔表面發射雷射
第1A圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配的單塊式表面發射雷射(VCSEL)陣列100之實例之等角視圖。VCSEL陣列100包括配置在分散式布拉格反射器(DBR)104上之光發射層102。DBR 104又係配置在基材106上，其係配置在第一電極108上。VCSEL陣列100也包括配置在該光發射層102上之絕緣層110、配置在絕緣層110上之光柵層112，及配置在光柵層112上之第二電極114。如第1A圖之實例顯示，第二電極114係經組配有四個矩形開口116-119，各個開口暴露光柵層112之一部分。各個開口允許從光發射層102發射之光的縱向模式或軸向模式係實質上垂直該等層之xy平面，如方向箭頭120-123指示而從VCSEL射出(亦即光係通過於z方向之開口而從VCSEL陣列100發射)。
第1B圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配的VCSEL陣列100之分解等角視圖。該等角視圖揭示在絕緣層110之四個開口126-129及在光柵層112之四個次波長介電光柵(SWG)132-135。開口126-129允許從光發射層102發射之光分別到達對應的SWG 132-135。注意本發明之實施例並非限於矩形開口116-119及126-129。於其它實施例中，在第二電極及絕緣層之開口可為方形、圓形、橢圓形或任何其它適當形狀。
注意SWG 116-119各自界定單塊式VCSEL陣列100內部之一分開VCSEL。由SWG 116-119所界定的四個VCSEL全部共享相同DBR 104及光發射層102，但SWG 116-119各自可經組配來發射不同波長的雷射。舉例言之，如第1A圖所示，SWG 116-119係經組配來發射分別具有波長λ1 、λ2 、λ3 及λ4 之光。容後詳述，各個SWG也可經組配來發射具有不同偏振之光或發射非偏振光。
層104、106及112係由適當化合物半導體材料之各種組合所組成。化合物半導體包括III-V化合物半導體及II-VI化合物半導體。III-V化合物半導體係由選自於硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)及銦(In)之IIIa欄元素組合選自於氮(N)、磷(P)、砷(As)及銻(Sb)之Va欄元素所組成。III-V化合物半導體係依據III及V元素之相對量歸類，諸如二元化合物半導體、三元化合物半導體、四元化合物半導體。舉例言之，二元化合物半導體包括但非限於GaAs、GaAl、InP、InAs及GaP；三元化合物半導體包括但非限於Iny Gay-1 As或GaAsy P1-y ，此處y係於0至1之範圍；及四元化合物半導體包括但非限於Inx Ga1-x Asy P1-y ，此處x及y二者分別係於0至1之範圍。II-VI化合物半導體係由選自於鋅(Zn)、鎘(Cd)、汞(Hg)之IIb欄元素組合選自於氧(O)、硫(S)及硒(Se)之VIa元素所組成。舉例言之，適當II-VI化合物半導體包括但非限於屬於二元II-VI化合物半導體實例之CdSe、ZnSe、ZnS及ZnO。
VCSEL陣列100之各層可使用化學氣相沈積、物理氣相沈積或晶圓連結而形成。SWG 132-135可使用反應性離子蝕刻、聚焦束研磨或奈米壓印光刻術而形成於光柵層112，及該光柵層112連結至絕緣層110。
於若干實施例中，層104及106係以p型雜質攙雜，而層112係以n型雜質攙雜。於其它實施例中，層104及106係以n型雜質攙雜，而層112係以p型雜質攙雜。p型雜質為將空缺電子能階稱作為「電洞」導入該等層之電子帶隙的摻混入半導體晶格之原子。此等摻雜劑也稱作為「電子受體」。另一方面，n型雜質為將已填補的電子能階導入該等層之電子帶隙的摻混入半導體晶格之原子。此等摻雜劑也稱作為「電子施體」。於III-V化合物半導體，VI族元素取代III-V晶格中的V族原子及作為n型摻雜劑，及II族元素取代III-V晶格中的III族原子及作為p型摻雜劑。
絕緣層110可由絕緣材料諸如SiO2 或Al2 O3 或其它具有大型電子帶隙之適當材料組成。電極108及114可由適當導體諸如金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)或鉑(Pt)組成。
第2圖顯示依據本發明之一或多個實施例，第1A圖所示之VCSEL陣列100沿線A-A之剖面圖。剖面圖顯示個別層之結構。DBR 104係由平行光發射層102取向之一成對DBR堆疊組成。實際上，DBR 104係由約15對至約40對或以上DBR對組成。DBR 104之樣本部分之放大部分202顯示DBR 104多層中之各層具有約λ/4n 至λ/4n’ 之厚度，此處λ 為從光發射層102發射光之期望真空波長，及n 為DBR層206之折射率，及n’ 為DBR層204之折射率。深陰影層204表示由第一半導體材料所組成之DBR層，及淺陰影層206表示由第二半導體材料所組成之DBR層，及層204與206具有不同相關折射率。舉例言之，層204可由砷化鎵組成其具有約3.6之折射率；及層206可由砷化鋁組成其具有約2.9之折射率；而基材可由砷化鎵或砷化鋁組成。
第2圖也包括光發射層102之放大部分208，揭示組成光發射層102各層之一或多種可能的組態。放大部分208揭示光發射層102係由藉障蔽層212隔開的三分開量子井層(QW)210組成。量子井層210係配置在圍阻層214間。組成量子井層210之材料具有比障蔽層212及圍阻層214之材料更小的電子帶隙。圍阻層214厚度可經選擇使得光發射層102總厚度約為從光發射層102發射光之光波長。層210、212及214係由不同特性之半導體材料組成。舉例言之，量子井層210可由InGaAs(例如In0.2 Ga0.8 As)組成，障蔽層212可由砷化鎵組成，及圍阻層由GaAlAs組成。本發明之實施例並非囿限於具有三量子井層的光發射層102。於其它實施例中，光發射層可具有1、2或多於3量子井層。
第2圖也揭示光柵層112之組態。SWG 132及133係比光柵層112之其餘部分更薄且係懸吊在光發射層112上方來在SWG 132及133與光發射層112間形成氣隙216及217。如第2圖所示，及第1B圖中，SWG 132-135可沿一緣附接至光柵層112，而有氣隙隔開SWG 132-135的其餘三緣與光柵層112。舉例言之，如第2圖所示，氣隙218隔開SWG 132與光柵層112，及氣隙220隔開SWG 133與光柵層112。光柵層112及絕緣層110也係組配成使得光柵層112部分222係透過絕緣層110的開口120而接觸光發射層102。絕緣層110約束電流流經光柵層112部分222而接近光發射層102中央。SWG 132-135及DBR 104為反射器，其形成VCSEL陣列100發射雷射期間用於光反饋的反射腔。舉例言之，SWG 132與DBR 104形成VCSEL陣列100之第一VCSEL的光腔，而SWG 133與DBR 104形成VCSEL陣列100之第二VCSEL的光腔。SWG 134及135也與DBR 104形成分開的光腔，該等光腔係與VCSEL陣列100之第三及第四VCSEL相關聯。
非週期性次波長光柵
如前文描述，光柵層112之SWG 132-135係實現在光發射層102上方的懸吊平面膜。依據本發明之一或多個實施例組配的SWG提供反射功能，包括反射回VCSEL陣列100之對應空腔的光波前之波形控制，及通過第二電極114之對應開口發射的光波前之波形控制，如第1A圖所示。藉將SWG組配有非週期性光柵圖樣，其控制從SWG反射之光的相角而未實質上影響SWG之高反射率而達成此項目的。容後詳述，於若干實施例中，SWG可經組配有一光柵圖樣允許SWG可操作為柱面鏡或球面鏡。
注意為求簡明，後文詳細說明部分中將以光柵層只組配一個SWG描述。實際上，光柵層可能真正包括多個SWG，及該光柵層的各個SWG可如後文描述而組配。
第3A圖顯示依據本發明之一或多個實施例，組配有形成於光柵層302之一維光柵圖樣的SWG 300之頂視平面圖。一維光柵圖樣係由多個一維光柵次圖樣組成。於第3A圖之實例中，放大三個光柵次圖樣301-303。於第3A圖表示之實施例中，各光柵次圖樣包含形成在光柵層302的多個規則間隔的光柵層102材料線狀部分稱作為「線」。線係於y方向延伸且係於x方向週期性間隔。第3A圖也包括光柵次圖樣302之放大端視圖304。線306係由槽308分開。各個次圖樣係以線之特殊週期性間隔及以於x方向之線寬為其特徵。舉例言之，次圖樣301包含藉週期p1 分開的具有寬度w1 之線，次圖樣302包含藉週期p2 分開的具有寬度w2 之線，及次圖樣303包含藉週期p3 分開的具有寬度w3 之線。
設週期p1 、p2 及p3 係小於入射光波長，則光柵次圖樣301-303形成優先在一個方向亦即x方向反射入射光之次波長光柵。舉例言之，線寬可在約10奈米至約300奈米之範圍，及週期可在約20奈米至約1微米之範圍，取決於入射光波長。從一區反射之光獲得由線厚度t測定的相角Φ ，及工作週期η定義為：
此處w為線寬及p為線之週期間隔。
SWG 300可經組配來對反射光施加特定相變，同時維持極高反射率。一維SWG 300可經組配來藉由調整週期、線寬及線厚度而反射入射光之x偏振成分或y偏振成分。舉例言之，特定週期、線寬及線厚度可能適合反射x偏振成分，但不適合反射y偏振成分；而不同的週期、線寬及線厚度可能適合反射y偏振成分，但不適合反射x偏振成分。
本發明之實施例並未囿限於一維光柵。SWG可經組配有二維非週期性光柵圖樣來反射偏極性不敏感光。第3B至3C圖顯示依據本發明之一或多個實施例具有二維非週期性次波長光柵圖樣之兩個平面SWG實例之頂視平面圖。於第3B圖之實例中，SWG係由柱所組成，而非由藉槽所隔開的線所組成。工作週期及週期可於x方向及y方向改變。放大部分310及312顯示兩個不同的矩形柱尺寸之頂視圖。第3B圖包括包含放大部分310之柱之等角視圖314。本發明之實施例並非囿限於矩形柱，於其它實施例中，柱可為方形、圓形、橢圓形或任何其它適當形狀。於第3C圖之實例中，SWG係由孔而非由柱所組成。放大部分316及318顯示兩個不同的矩形孔尺寸。工作週期可於x方向及y方向改變。第3C圖包括包含放大部分316之等角視圖320。雖然於第3C圖顯示的孔為矩形，但於其它實施例中孔可為方形、圓形、橢圓形或任何其它適當形狀。
於其它實施例中，線間隔、厚度及週期可於一維及二維光柵圖樣二者連續改變。
由於與各個光柵次圖樣相關聯之不同工作週期及週期，SWG 300之光柵次圖樣301-303各自也反射於一個方向例如x方向偏振的入射光。第4圖顯示依據本發明之一或多個實施例，揭示由反射光所獲得之相角的得自二分開光柵次圖樣之線之剖面圖。舉例言之，線402及403可為位在SWG 400之第一光柵次圖樣之線，而線404及405可為位在SWG 400它處之第二光柵次圖樣之線。線402及403之厚度t1 係大於線404及405之厚度t2 ，及與線402及403相關聯之工作週期η1 也係大於與線404及405相關聯之工作週期η2 。於x方向偏振及入射在線402-405上之光變成被線402及403所捕獲歷經比較該入射光部分被線404及405所捕獲的時間週期更長的時間週期。結果，從線402及403反射光部分獲得比較從線404及405反射光部分更大的相移。如第4圖之實例顯示，入射波408及410以約略相同相角撞擊線402-405，但從線402及403反射之波412獲得比較從線404及405反射之波414所獲得的相移Φ' 相對更大的相移Φ (亦即Φ >Φ' )。
第5圖顯示依據本發明之一或多個實施例，揭示反射波前如何改變的得自二分開光柵次圖樣之線402-405之剖面圖。如第5圖之實例顯示，具有實質上一致波前502之入射光撞擊線402-405而產生彎曲反射波前504。比較具有相對較小工作週期η2 及厚度t2 之與線404及405交互作用的相同入射波前502部分，從與線402及403交互作用的入射波前502部分結果所得之彎曲反射波前504係具有相對較大工作週期η1 及厚度t1 。反射波前504之曲面形狀係符合相較於撞擊線404及405之光獲得較小相角而撞擊線402及403之光獲得較大相角。
第6圖顯示由依據本發明之一或多個實施例，由SWG 602之特殊光柵圖樣所產生之相變輪廓投影圖600之一實例之等角視圖。輪廓投影圖600表示藉從SWG 602之反射光所獲得之相角改變之幅度。於第6圖所示實例，於SWG 602的光柵圖樣產生由接近SWG 602中心之反射光所獲得的相角具有最大幅度之一輪廓投影圖602；反射光所獲得的相角幅度隨著遠離SWG 602中心而遞減。舉例言之，從次圖樣604反射之光獲得相角Φ 1 ，而從次圖樣606反射之光獲得相角Φ 2 。因Φ 1 係遠大於Φ 2 ，故從次圖樣606反射光比較從次圖樣608反射光獲得遠更大的相角。
相角的改變轉而塑形從SWG反射光之波前及通過SWG透射光之波前。舉例言之，如前文參考第4及5圖所述，比較具有相對較小工作週期之線，具有相對較大工作週期之線具有較大相移。結果，具有第一工作週期之從線所反射的波前第一部分係滯後在從組配有第二相對較小工作週期的從不同線集合所反射的相同波前之第二部分後方。本發明之實施例包括圖樣化SWG來控制相變及最終控制反射波前之波形，使得SWG可操作為具有特定光學性質之鏡，諸如聚焦鏡。
第7圖顯示依據本發明之一或多個實施例，組配來操作為聚焦鏡之SWG 702之側視圖。第7圖之實例中，SWG 702係經組配有一光柵圖樣，使得於x方向偏振之入射光係以對應於將反射光聚焦在焦點704之波前反射。
組配非週期性次波長光柵
本發明之實施例包括其中光柵層之各個SWG可經組配來操作為鏡的多種方式。組配SWG來以期望波前反射光之第一方法包括對SWG之光柵層測定反射係數側繪圖。反射係數為複合值函數表示為：
此處R(λ) 為SWG之反射率，而Φ (λ )為由SWG所產生的相移或相變。第8圖顯示依據本發明之一或多個實施例，對一SWG實例歷經一入射光波長範圍之反射率及相移之作圖。於本實例中，光柵層係組配有一維光柵且係於法線入射操作，具有垂直光柵層線偏振的電場成分。於第8圖之實例中，曲線802係對應反射率R(λ) 及曲線804係對應藉SWG對歷經約1.2微米至約2.0微米之入射光波長範圍所產生的相移Φ (λ )。反射率曲線802及相角曲線804可使用明確已知之有限元素法或嚴格耦合波分析測定。由於SWG與空氣間具有強力折射率反差，故SWG具有高反射率806的寬廣頻譜區。但曲線804顯示橫過虛線808與810間的整個高反射率頻譜區，反射光之相角各異。
當線之週期及寬度的空間維度係以因數α而一致地改變時，反射係數側繪圖仍維持實質上不變，但具有以因數α而定標的波長軸。換言之，當光柵已經設計有在自由空間波長λ0 之特定反射係數R0 時，藉將全部光柵幾何參數，諸如週期、線厚度、及線寬度乘以因數α=λ /λ 0 ，獲得r (λ )=r 0 (λ /α)=r 0 (λ 0 )，可設計在不同波長λ具有相同反射係數之新光柵。
此外，藉由非一致性地定標在高反射頻譜窗806內部的原先週期性光柵參數，光柵可設計有|R (λ )|→1，但具有空間上各異的相角。假設期望在SWG上從具有橫座標(x ,y )之一點反射光部分上導入相角Φ (x ,y )。接近點(x ,y )，具有緩慢變化中之光柵標度因數α (x ,y )的非一致光柵其局部表現彷彿該光柵為具有反射係數R 0 (λ /α )之週期性光柵。如此，給定在某個波長λ0 具有相角Φ 0 之週期性光柵設計，選擇局部標度因數α (x ,y )=λ /λ 0 ，獲得在操作波長λ之Φ (x ,y )=Φ 0 。舉例言之，假設在SWG設計上，期望從一點(x ,y )之反射光部分上導入約3π之相角，但對點(x ,y )選用的線寬及週期導入約為π的相角。參考第8圖之作圖，期望相角Φ 0 =3π對應曲線804上的點812及波長λ0 1.67微米814，及點(x ,y )相關的相角π對應曲線804上的點816及波長λ1.34微米。如此，標度因數α (x ,y )=λ /λ 0 =1.34/1.67=0.802，及點(x ,y )的線寬及週期可藉由乘以因數α調整而獲得在操作波長λ=1.34微米的期望相角Φ 0 =3π。
第8圖所示反射率及相移相對於一定波長範圍作圖表示一種方式，其中SWG之參數諸如線寬、線厚度及週期可經測定來將特定相角導入從SWG的特定點之反射光。於其它實施例中，隨週期及工作週期之函數而變化的相角變化也可用來建構SWG。第9圖顯示依據本發明之一或多個實施例，使用眾所周知之有限元素法或嚴格耦合波分析所得呈週期及工作週期之函數的相角變化之相角輪廓作圖。輪廓線諸如輪廓線901-903各自對應藉從具有週期及工作週期位在該等輪廓沿線任一處之光柵圖樣的反射光所得特定相角。相角輪廓線分隔0.25π弧度。例如輪廓線901對應施加-0.25π弧度至反射光的週期及工作週期，及輪廓線902對應施加-0.5π弧度至反射光的週期及工作週期。-0.25π弧度與-0.5π弧度間之相角施加至位在輪廓線901與902間之具有週期及工作週期的從SWG反射光。對應700奈米光柵週期及54%工作週期之第一點(p, η)904及對應660奈米光柵週期及60%工作週期之第二點(p, η)906，二者皆係位在輪廓線901沿線且產生將相同相移-0.25π，但具有不同工作週期及線週期間隔。
第9圖也包括疊置在相角輪廓表面上之95%及98%反射率之兩條反射率輪廓線。虛線輪廓908及910對應95%反射率，而實線輪廓912及914對應98%反射率。位在輪廓908與910間任一處的點(p ,η,Φ )具有95%之最小反射率，及位在輪廓912與914間任一處的點(p ,η,Φ )具有98%之最小反射率。
由相角輪廓作圖表示之點(p ,η,Φ )可用來對可操作為具有最小反射率之特定類型鏡之一光柵，選擇週期及工作週期，容後於下一小節詳細說明。換言之，第9圖之相角輪廓作圖所表示的資料可用來設計SWG光學裝置。於若干實施例中，週期及工作週期可固定，而其它參數係改變來設計與製造SWG。於其它實施例中，週期及工作週期可改變來設計與製造SWG。
於若干實施例中，光柵層之SWG可經組配來操作為具有常數週期及可變工作週期之柱面鏡。第10A圖顯示依據本發明之一或多個實施例，形成於光柵層1002及組配來對平行x方向偏振之入射光操作為聚焦柱面鏡之一維SWG 1000之頂視平面圖。第10A圖包括陰影區，諸如深色區1004-1007，各深色區表示不同工作週期，較深陰影區諸如區1004表示比較較淺陰影區諸如區1007具有相對較大工作週期之區。第10A圖也包括揭示線於y方向為平行及線週期間隔p於x方向為常數或固定之子區放大部分1010-1012。放大部分1010-1012也揭示工作週期η隨遠離中心而遞減。SWG 1000係經組配來將於x方向偏振的反射光聚焦至一焦點，如前文參考第7A圖描述。第10A圖也包括在焦點之反射束側繪圖之輪廓作圖1008及1010之等角視圖及頂視圖實例。V軸1012係平行y方向且表示反射束之垂直成分，及H軸1014係平行x方向且表示反射束之水平成分。反射束側繪圖1008及1010指示於x方向偏振之入射光，SWG 1000反射高斯塑形射束，該射束於垂直於線之方向(x方向之H)為窄，而於平行於線之方向(V或y方向)為寬。
於若干實施例中，具有常數週期之SWG可經組配來藉由遠離SWG中心而錐形化光柵層之線，而對入射偏振光操作為球面鏡。第10B圖顯示依據本發明之一或多個實施例，形成於光柵層1022及組配來對x方向偏振之入射光操作為聚焦球面鏡之一維SWG 1020之頂視平面圖。SWG 1020界定圓形鏡孔口。SWG 1020之光柵圖樣係以環狀陰影區1024-1027表示。各環狀陰影區表示線之不同的光柵次圖樣。放大部分1030-1033揭示線係於y方向呈錐形，而於x方向具有常數線週期間隔p。更明確言之，放大部分1030-1032為於y方向平行參考虛線1036的相同線之放大部分。放大部分1030-1032顯示週期p為固定。各個環狀區具有相同工作週期η。舉例言之，放大部分1031-1033包含在環狀區1026內部具有實質上相同工作週期之不同線部分。結果，環狀區各部分對從環狀區反射光提供相同約略相移。例如，從環狀區1026內部任一處反射光獲得實質上相同相移Φ 。第10B圖也包括在焦點之反射束側繪圖之輪廓作圖1038及1039之等角視圖及頂視圖實例。射束側繪圖1038及1039揭示球面SWG 1020產生對稱性高斯塑形反射束，其於V方向或x方向係比SWG 1000之反射束更窄。
SWG 1000及1020僅只表示依據本發明之一或多個實施例可組配的二或多種不同SWG。光柵層之各SWG可組配有不同反射性質。
雷射操作及空腔組態
因VCSEL陣列之各個VCSEL係以相同方式操作，故只描述VCSEL陣列100中之一個VCSEL。第11A至11B圖顯示依據本發明之一或多個實施例操作的VCSEL陣列100中之一個共振腔之剖面圖。如第11A圖顯示，電極114及108係電性耦接用來電子式泵送光發射層102之電壓源1102。第11A圖包括SWG 1106之一部分之放大部分1104、氣隙1108、光發射層102之一部分及DBR 104之一部分。SWG 1106表示SWG132-135中之一者。當未施加偏壓至VCSEL陣列100時，量子井層210於對應傳導帶具有相對低濃度電子，及於對應價帶具有相對低濃度價電子態或電洞，及從光發射層102實質上並未發射光。另一方面，當正向偏壓係橫過VCSEL陣列100之各層施加時，電子注入量子井層210之傳導帶，而電洞注入量子井層210之價帶，於稱作為粒子數反轉(population inversion)之方法中，形成過量傳導帶電子及過量價帶電洞。於稱作為「電子-電洞復合」或「復合」的輻照程序中，傳導帶的電子與價帶的電洞自發地復合。當電子與電洞復合時，初步於全部方向發射光歷經一波長範圍。只要於正向偏壓方向施加適當操作電壓，則在量子井層210維持電子及電洞之粒子數反轉，及電子可自發地與電洞復合於接近全部方向發射光。
如前文描述，SWG 1106及DBR 104可經組配來形成一空腔其反射實質上正交於光發射層102所發射之光，及歷經狹窄波長範圍而反射回光發射層102，如方向箭頭1108指示。反射回量子井層210之光以連鎖反應刺激更多光從量子井層210發射。注意雖然光發射層102最初係透過自發發射而歷經一波長範圍發射光，但SWG 1106係經組配來選擇一波長λi ，此處i係等於1、2、3或4，而反射回光發射層102來造成刺激發射。此一波長係稱作為縱向、軸向或z軸模式。隨著時間之經過，增益變成被縱向模式所飽和，縱向模式開始主控從光發射層102之光發射，而其它縱向模式衰減。換言之，未在SWG 1106與DBR 104間來回反射之光洩漏出VCSEL陣列100之外而無可察覺的放大，及最終當由空腔所支援的縱向模式開始主控時衰減。在SWG 1106與DBR 104間反射的主控縱向模式，當其橫過光發射層102來回掃掠時被放大，產生駐波1110結束於SWG 1106內部且延伸入DBR 104，如第11B圖顯示。最後，具有波長λi 之實質上內聚光束1110從SWG 1106射出。從光發射層102發射之光穿透DBR 104及SWG 1106，增加貢獻給空腔內光的往返相角。DBR 104及SWG 1106可被視為完美鏡，其於空間移位來提供有效額外相移。
VCSEL陣列之各個SWG可經組配來選擇從光發射層102發射之光的不同縱向模式。第12圖顯示依據本發明之一或多個實施例，從光發射層102發射之光取中於波長λ之強度或增益側繪圖1204之作圖1202實例。第12圖包括四種不同單腔模式之作圖1206實例，各個單腔模式關聯一個不同VCSEL或VCSEL陣列100。舉例言之，作圖1206之波峰表示單一縱腔模式λ1 、λ2 、λ3 、及λ4 ，其分別關聯由SWG 132-135及DBR 104所形成的四腔。光發射層102發光且使得由強度側繪圖1204表示之寬廣波長範圍變得可資利用，其中與各個VCSEL相關聯之空腔選擇作圖1206表示的縱向單腔模式中之一者。各個縱向模式係在相關聯之VCSEL空腔內部放大且如前文參考第11圖所述發射。舉例言之，作圖1208顯示從VCSEL陣列100之四個VCSEL發射之波長之強度側繪圖。如作圖1208顯示，各個縱向模式可以實質上相同強度發射。
注意雖然VCSEL陣列係描述為對各個VCSEL發射不同波長，但本發明之實施例並非囿限於此。於其它實施例中，VCSEL之任一種組合包括VCSEL陣列之全部VCSEL皆可經組配來發射相同波長。
如上於前一小節「組配非週期性次波長光柵」敘述，一統柵層之各個SWG可經組配來塑形內部縱向或z軸空腔模式且操作為凹面鏡。第13圖顯示一種平凹共振器1302，其示意地表示依據本發明之一或多個實施例之VCSEL陣列100之共振腔組態。平凹共振器1302包括一平面鏡1304及一凹面鏡1306。VCSEL陣列100之DBR 104對應平面鏡1304，及SWG 1106可如前述組配來操作為凹面鏡，該凹面鏡反射光，使得光會聚在SWG 1106與DBR 104間的光發射層102一區內部。舉例言之，SWG 1106可經組配來反射光，具有第10A及10B圖表示之強度側繪圖。
VCSEL陣列之VCSEL各自可經組配來發射不同偏極化空腔模式。舉例言之，某些VCSEL可經組配來發射於不同方向偏振光，而其它VCSEL可經組配來發射非偏振光。如上於前一小節「組配非週期性次波長光柵」敘述，SWG可經組配來反射實質上垂直SWG之線及槽而偏振之光。換言之，共振腔之SWG也可選擇從光發射層發射之光，其係垂直於或平行於SWG之線而偏振的光成分。從光發射層發射之光的偏振成分係藉SWG選擇且反射回進入共振腔。當增益變飽和時，只有具有SWG所選偏振之模式被放大。從光發射層發射之未被SWG所選的的縱向模式洩漏出VCSEL陣列100之外而無可察覺的放大。換言之，具有SWG所選偏振以外之偏振模式衰減而不存在於所發射之射束。最後，只有於SWG所選方向偏振的模式才從VCSEL陣列發射。
第14圖顯示依據本發明之一或多個實施例從VCSEL陣列100之VCSEL所發射之偏振光實例。從光發射層102發射之光係未經偏振。但隨著時間之經過，當增益飽和時，偏振態藉SWG 132選定。從VCSEL陣列100內部入射在SWG 132上的雙頭箭頭1402表示藉SWG 132所選擇光之偏振態。SWG 132可如前述組配有平行於y方向之線及槽。第14圖之實例中，SWG 132只選擇從光發射層102發射之光於x方向偏振之光成分。偏振光係在如前文參考第11圖描述之由SWG 132及DBR 104所形成的空腔內部放大。如第14圖之實例顯示，從VCSEL陣列100發射之光係在x方向偏振，如以雙頭箭頭1404表示。
除了支援特定縱向或軸向振盪模式之外，其係對應由沿z軸的空腔所支援，也可由各空腔支援橫向模式。橫向模式係正交於空腔或z軸，且稱作為TEMnm 模式，此處m及n下標為橫過出射射束於x及y方向之橫向節線的整數數目。換言之，形成於空腔內部之射束可在其橫截面分節成一區或多區。SWG可經組配來只支援一個或某個橫向模式。
第14圖顯示依據本發明之一或多個實施例，於由SWG 1408與DBR 104所形成之空腔1406內產生的兩種橫向模式實例。SWG 1408可表示SWG 132-135中之任一者。如前述，SWG 1408可經組配來定義空腔大小。如第14圖顯示，TEM00 模式係以虛曲線1410表示，而TEM10 模式係以實曲線1412表示。TEM00 模式不具節點且全然位在空腔1406內部。另一方面，TEM10 模式沿x方向有一個節點且部分1414及1416係位在空腔1406外部。結果，於增益飽和期間，因TEM00 模式全然位在空腔1406內部，故TEM00 模式被放大。但因部分TEM10 模式係位在空腔1406外部，故TEM10 模式於增益飽和期間減低及最終衰減，而TEM00 模式持續放大。無法藉空腔1406所支援或全然位在空腔1406內部的其它TEMmn 模式也衰減。
第14圖顯示從依據本發明之一或多個實施例，從的VCSEL陣列100之一個VCSEL發射的TEM00 之強度側繪圖分布之輪廓作圖1418。從SWG 133射出之TEM00 具有接近平面相干性波前，及由輪廓作圖1418表示的高斯橫向輻照度側繪圖。強度側繪圖係環繞z軸為對稱性。外部TEM00 模式係對應由組配來操作為球面鏡的SWG 133產生，如前文參考第10B圖所述。於其它實施例中，SWG 133可經組配來操作為柱面鏡，其產生最低階橫向模式TEM00 ，其於垂直SWG 133之線方向(x方向)為窄，而於平行SWG 133之線方向(y方向)為寬。藉由設置纖維使得纖維芯位置緊密接近SWG 133，TEM00 模式可耦接光纖芯。SWG 133也可經組配來發射適合用以耦接中空波導之橫向模式，諸如中空波導之EH11 模式。
SWG可經組配來產生具有特定強度側繪圖樣之光束。第14圖顯示從VCSEL所發射之光束之剖面圖1420實例。剖面圖1420揭示沿光束長度方向具有圈餅形強度側繪圖之光束。沿線1424之強度側繪圖1422揭示圓柱狀光束。SWG可經組配來產生它種截面光束樣式，諸如艾里(Airy)射束或貝索(Bessel)射束。
回頭參考第1及2圖，絕緣層110係經組配來提供電流及光學圍阻。但本發明之VCSEL實施例並非囿限於具有絕緣層110，原因在於SWG可經組配來圍阻反射光至位在SWG與DBR間的光發射層區，如前文參考第13圖說明。第15A至15B圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配之VCSEL陣列1500實例之沿線B-B之等角視圖及剖面圖。VCSEL陣列1500具有與VCSEL陣列100接近完全相同的組態，但VCSEL陣列100之絕緣層110係不存在於VCSEL 1500。取而代之，光柵層112之各個SWG係經組配來將反射光導引入位在SWG與DBR 104間之光發射層102區。
注意依據本發明之實施例組配之VCSEL的高度及空腔長度係比習知組配有兩個DBR之VCSEL的高度及空腔長度顯示更短。舉例言之，典型VCSEL DBR具有自約15至約40 DBR對其係對應約5微米至約6微米，而SWG具有自約0.2微米至約0.3微米範圍之厚度且具有相等或更高的反射率。
於本發明之又其它實施例，藉由使用二光柵層可進一步減低VCSEL陣列高度。第16A至16B圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配之VCSEL陣列1600實例之沿線C-C之等角視圖及剖面圖。VCSEL陣列1600具有與VCSEL陣列100接近完全相同的組態，但DBR 104係藉第二光柵層1602置換。如第16B圖所示，光柵層112及1602係對齊而形成空腔共振器。例如SWG 132與1604形成空腔共振器。光柵層1602可經組配有一維或二維光柵圖樣來以前述光柵層112之SWG之相同方式操作。光柵層之成對SWG可經組配來操作為球面空腔而導引反射光進入光發射層102之一區，可能可免除絕緣層110的需要。
本發明之實施例包括用以將從VCSEL陣列之各VCSEL輸出的光波長透射入波導之雷射系統。第17圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配的雷射系統1700實例之等角視圖。系統1700包括含七個VCSEL 1702-1708之單塊式VCSEL陣列1701及包含七個波導1712-118之多波導纖維1710。如第17圖之實例顯示，七個VCSEL 1702-1708係配置來匹配波導1712-1718之組態，使得從各個波導發射之光可直接耦合入一個波導，如方向箭頭指示。舉例言之，波導可為光纖之單模芯，及VCSEL 1702-1708可經組配來輸出單模，諸如前文參考第14圖描述之TEM00 ，其係直接耦合入對應芯。
於若干實施例中，纖維1710可為光子晶體纖維。第17圖包括含有七根芯1714之光子晶體纖維1712之端視圖。各芯係由展開遍及纖維長度之中空管1715所圍繞。中空管1714係作為將光圍阻在較高折射率芯1714之包覆層。為了將光耦合入纖維1712之芯，VCSEL陣列1701可經組配來使得VCSEL 1702-1708係排齊纖維1712之芯1714。
於其它實施例中，替代使用光子晶體纖維來承載由VCSEL陣列所產生之光，也可使用成束中空波導，只要VCSEL係經組配來輸出匹配由該中空波導所支援之模式的光模式即可。
為了用於解說目的，前文詳細說明部分使用特定名稱以供徹底瞭解本發明。但熟諳技藝人士瞭解特定細節並非實施本發明所必要。前文本發明之特定實施例之描述係用於舉例說明及描述目的而呈現。絕非意圖為排它性或囿限本發明於所揭示的精確形式。顯然，鑑於前文教示可能做出多項修改及變化。該等實施例係顯示及描述來最佳解釋本發明原理及其實際應用，而藉此允許熟諳技藝人士最佳應用本發明，及各個實施例具有適合特定期望用途的各項修改。意圖本發明之範圍係由如下申請專利範圍及其相當物所界定。
100、1500、1600、1701．．．垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)陣列
102．．．光發射層
104．．．分散式布拉格反射器(DBR)
106．．．基材
108．．．第一電極
110．．．絕緣層
112、302、1002、1022、1602．．．光柵層
114．．．第二電極
116-119、126-129．．．開口
120-123．．．方向箭頭
132-135、300、400、602、702、1000、1020、1106、1408、1604．．．次波長介電光柵(SWG)
202、208、310、312、316、318、1010-1012、1030-1033、1104．．．放大部分
204、206．．．DBR層、層
210．．．量子井層(QW)
212．．．障蔽層
214．．．圍阻層
216、217、220、1108．．．氣隙
222．．．光柵層部分
301-303．．．光柵次圖樣
314、320．．．等角視圖
402-405．．．線
502．．．入射波前
504．．．彎曲反射波前
600．．．相變輪廓投影圖
606、608．．．次圖樣
704．．．焦點
802、804．．．曲線
806．．．高反射率區、高反射率頻譜窗
808、810．．．虛線
812、816、904、906．．．點
901-903．．．輪廓線
1004、1007．．．區
1008、1038‧‧‧等角輪廓作圖
1010、1039‧‧‧頂視輪廓作圖
1012‧‧‧V軸
1014‧‧‧H軸
1024-1027‧‧‧陰影區
1102‧‧‧電壓源
1110‧‧‧駐波
1112‧‧‧光束
1202、1206、1208‧‧‧作圖
1204‧‧‧強度側繪圖或增益側繪圖
1302‧‧‧平凹共振器
1304‧‧‧平面鏡
1306‧‧‧凹面鏡
1402、1404‧‧‧雙頭箭頭
1406‧‧‧空腔
1410、1502‧‧‧虛曲線
1412、1504‧‧‧實曲線
1414、1416‧‧‧部分
1418、1510‧‧‧輪廓作圖
1420‧‧‧剖面圖
1422‧‧‧強度側繪圖
1424‧‧‧線
1700‧‧‧雷射系統
1701‧‧‧單塊式VCSEL陣列
1702-1708‧‧‧VCSEL
1710‧‧‧多波導纖維
1712-1718‧‧‧波導
1712‧‧‧光子晶體纖維
1714‧‧‧芯
1715‧‧‧中空管
第1A圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配之單塊式VCSEL陣列實例之等角視圖。
第1B圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配之第1A圖所示之單塊式VCSEL陣列之分解等角視圖。
第2圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配之第1A圖所示之VCSEL陣列沿線A-A之剖面圖。
第3A至3C圖顯示依據本發明之一或多個實施例，組配有一維及二維光柵圖樣之次波長光柵之頂視平面圖。
第4圖顯示依據本發明之一或多個實施例，揭示由反射光所獲得之相角的得自二分開光柵次圖樣之線之剖面圖。
第5圖顯示依據本發明之一或多個實施例，揭示反射波前如何改變的得自二分開光柵次圖樣之線之剖面圖。
第6圖顯示由依據本發明之一或多個實施例組配之光柵圖樣所產生的相變輪廓投影圖實例之等角視圖。
第7圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配來將入射光聚焦至一焦點之一次波長光柵之側視圖。
第8圖顯示依據本發明之一或多個實施例所組配的次波長光柵，歷經一入射光波長範圍之反射率及相移之作圖。
第9圖顯示依據本發明之一或多個實施例所得相角變化呈週期及工作週期之函數之一相角輪廓作圖。
第10A圖顯示依據本發明之一或多個實施例，組配來操作為聚焦柱面鏡之一維次波長光柵之頂視平面圖。
第10B圖顯示依據本發明之一或多個實施例，組配來操作為聚焦球面鏡之一維次波長光柵之頂視平面圖。
第11A至11B圖顯示依據本發明之一或多個實施例操作之VCSEL陣列之共振腔之剖面圖。
第12圖顯示與依據本發明之一或多個實施例組配的VCSEL陣列相關聯之假說空腔模式及強度或增益側繪圖(profile)之作圖實例。
第13圖顯示一種平凹共振器，其示意地表示依據本發明之一或多個實施例組配之一VCSEL陣列中之一VCSEL之共振腔。
第14圖顯示其中光可從依據本發明之一或多個實施例組配的一VCSEL陣列中之VCSEL所發射之各種方式。
第15A至15B圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配之VCSEL陣列第二實例之沿線B-B之等角視圖及剖面圖。
第16A至16B圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配之VCSEL陣列第三實例之沿線C-C之等角視圖及剖面圖。
第17圖顯示依據本發明之一或多個實施例組配之雷射系統實例之等角視圖。
100．．．單塊式VCSEL陣列、VCSEL陣列
102．．．光發射層
104．．．分散式布拉格反射器(DBR)
106．．．基材
108．．．第一電極
110．．．絕緣層
112．．．光柵層
114．．．第二電極
116-119．．．開口
120-123．．．方向箭頭

Claims (19)

  1. 一種單塊型表面發射雷射裝置，其包含：一反射層；一光發射層；及具有至少二個非週期性次波長光柵之一光柵層，其中各個光柵係來形成具有反射器之一共振腔，及各個光柵係具有一光柵圖樣，其係塑形一或多個內部空腔模式，及塑形透過該光柵所發射之一或多個外部橫向模式；其中該至少二個非週期性次波長光柵係用以產生彼此不同之一相角偏移。
  2. 如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其進一步包含：配置在一第一電極上之一基材；配置在該基材上之該反射層；及配置在該光柵層上之一第二電極，該第二電極係具有至少二個開口，各個開口係用來暴露該等至少二個次波長光柵中之一者。
  3. 如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其中該反射層係進一步包含一分散式布拉格(Bragg)反射器。
  4. 如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其中該反射層進一步包含具有至少二個非週期性次波長光柵之一第二光柵層，其中於該第二光柵層之各個次波長光柵係與該光柵層的該等至少二個次波長光柵之一者排齊。
  5. 如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其中該光柵圖樣係 進一步包含由溝槽所分開之一一維線路圖樣。
  6. 如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其中該光柵圖樣包含一二維光柵圖樣。
  7. 如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其中各個次波長光柵係進一步包含一懸吊膜，其係形成在該次波長光柵與該光發射層間之一氣隙。
  8. 如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其進一步包含配置在該光發射層與該光柵層間之一絕緣層，其中該絕緣層包括用於從該光發射層所發射光之電流及光侷限的與該等次波長光柵排齊之至少二個開口。
  9. 如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其中在各個該共振腔內部放大及從其中發射之該光係基於各個相對應次波長光柵之該光柵圖樣而偏光或未經偏光。
  10. 如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其中該光柵層之二或多個次波長光柵係來形成用以發射一單模光的一單模共振腔。
  11. 如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其中該光柵層之該等至少二個非週期性次波長光柵係依照一輪廓投影圖，其中該輪廓投影圖代表一相角改變之幅度，且係用以提供一圈餅狀強度橫截面。
  12. 如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其中該等次波長光柵中之一者或多者可來形成具有該反射器之一半球形腔。
  13. 如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其中該光柵層之該 至少二個非週期性次波長光柵係依照一輪廓投影圖，其中該輪廓投影圖代表一相角改變之幅度，其提供用以操作如一柱面鏡之形狀。
  14. 如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其中該光柵層之該至少二個非週期性次波長光柵係依照一輪廓投影圖，其中該輪廓投影圖代表一相角改變之幅度，其提供用以操作如一凹面鏡之形狀。
  15. 如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其中該光柵層之該至少二個非週期性次波長光柵係依照一輪廓投影圖，其中該輪廓投影圖代表一相角改變之幅度，其提供用以操作如一聚焦面鏡之形狀。
  16. 如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其中該光柵層之該至少二個非週期性次波長光柵係依照一輪廓投影圖，其中該輪廓投影圖代表一相角改變之幅度，其提供用以操作如一球面鏡之形狀。
  17. 一種雷射系統，其包含：如申請專利範圍第1項之包括二或多個表面發射層之一單塊型表面發射雷射裝置；及一多波導光纖，其中各個波導係與該雷射裝置之一表面發射雷射排齊，使得從各表面發射層所發射之光係耦合入一相對應波導且藉其透射。
  18. 如申請專利範圍第17項之雷射系統，其中該多波導光纖進一步包含一具有多個核心之一光子晶體光纖，各個核心係與該雷射裝置之一表面發射雷射排齊。
  19. 如申請專利範圍第17項之雷射系統，其中該多波導光纖進一步包含一束中空波導，各中空波導係與該雷射裝置之一表面發射雷射排齊。
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Families Citing this family (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010068476A2 (en) * 2008-11-25 2010-06-17 The Regents Of The University Of California Ultra-low loss hollow core waveguide using high-contrast gratings
EP2756564A4 (en) * 2011-09-15 2014-09-24 Hewlett Packard Development Co SURFACE EMISSION LASERS
US8743923B2 (en) * 2012-01-31 2014-06-03 Flir Systems Inc. Multi-wavelength VCSEL array to reduce speckle
WO2014018945A1 (en) 2012-07-27 2014-01-30 Thorlabs.Inc. Quantum well tunable short cavity laser
US20170093128A1 (en) * 2014-03-04 2017-03-30 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Vertical-cavity surface-emitting lasers
US9762027B2 (en) * 2014-04-30 2017-09-12 Finisar Corporation Beam steering modulated VCSEL
US10050414B2 (en) 2015-01-22 2018-08-14 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Monolithic WDM VCSEL arrays by quantum well intermixing
US10389087B2 (en) * 2015-01-29 2019-08-20 University Of Rochester Method and apparatus for spectral narrowing and wavelength stabilization of broad-area lasers
WO2016195695A1 (en) * 2015-06-04 2016-12-08 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Monolithic wdm vcsels with spatially varying gain peak and fabry perot wavelength
KR102384228B1 (ko) 2015-09-30 2022-04-07 삼성전자주식회사 반도체 레이저 공진기 및 이를 포함하는 반도체 레이저 소자
US10969571B2 (en) 2016-05-30 2021-04-06 Eric Swanson Few-mode fiber endoscope
WO2018043763A1 (en) * 2016-09-02 2018-03-08 Kyushu University, National University Corporation Continuous-wave organic thin-film distributed feedback laser and electrically driven organic semiconductor laser diode
WO2018102961A1 (en) * 2016-12-05 2018-06-14 Goertek.Inc Micro laser diode transfer method and manufacturing method
US20200006924A1 (en) * 2016-12-05 2020-01-02 Goertek, Inc. Micro Laser Diode Display Device and Electronics Apparatus
WO2018147470A1 (en) 2017-02-07 2018-08-16 Kyushu University, National University Corporation Current-injection organic semiconductor laser diode, method for producing same and program
WO2018153744A1 (en) * 2017-02-21 2018-08-30 Lumileds Holding B.V. ARRAY OF LIGHT SOURCES COMPRISING MULTIPLE VCSELs
US10116115B2 (en) * 2017-02-22 2018-10-30 Geoff W. Taylor Integrated circuit implementing a VCSEL array or VCSEL device
CN107257083A (zh) * 2017-07-06 2017-10-17 聊城大学 一种垂直腔面发射激光器
JP6580097B2 (ja) * 2017-09-05 2019-09-25 株式会社東芝 面発光量子カスケードレーザ
CN107703624B (zh) * 2017-09-05 2019-10-01 北京邮电大学 基于非周期亚波长光栅和分布布拉格反射镜的谐振腔
CN107579430A (zh) * 2017-09-26 2018-01-12 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源
US10826278B2 (en) * 2017-10-11 2020-11-03 Lumentum Operations Llc Vertical-cavity surface-emitting laser array with multiple metal layers for addressing different groups of emitters
CN107994459B (zh) * 2017-12-30 2019-08-16 北京工业大学 输出相干激光的激光器阵列
CN108879325B (zh) * 2018-07-05 2020-07-31 扬州乾照光电有限公司 一种vcsel阵列芯片及制作方法
KR20200027245A (ko) * 2018-09-04 2020-03-12 삼성전자주식회사 나노구조체 리플렉터를 구비하는 수직 공진형 표면 발광 레이저 및 이를 채용한 광학 장치
DE102018130560A1 (de) * 2018-11-30 2020-06-04 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelektronisches halbleiterbauelement mit einer brechungsindexmodulationsschicht und verfahren zur herstellung des optoelektronischen halbleiterbauelements
US10985531B2 (en) * 2019-01-27 2021-04-20 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Intensity noise mitigation for vertical-cavity surface emitting lasers
CN113261159B (zh) * 2019-04-04 2022-12-13 华为技术有限公司 复合人造介电和多频带天线馈线
CN110289552A (zh) * 2019-06-26 2019-09-27 北京工业大学 基于亚波长光栅波导的高光束质量垂直腔面激光器阵列与制备方法
KR102196386B1 (ko) * 2019-07-10 2020-12-29 경북대학교 산학협력단 레이저 다이오드, 광 집적 소자, 및 이의 제조 방법
US20210167580A1 (en) * 2019-11-29 2021-06-03 Pinnacle Photonics (Us), Inc. Top emitting vcsel array with integrated gratings
CN111431031B (zh) * 2020-04-15 2022-05-31 常州纵慧芯光半导体科技有限公司 一种激光器芯片及其制造方法
US11876350B2 (en) * 2020-11-13 2024-01-16 Ii-Vi Delaware, Inc. Multi-wavelength VCSEL array and method of fabrication
CN113258441B (zh) * 2021-06-07 2021-10-01 深圳博升光电科技有限公司 基于hcg的相干光垂直腔面发射激光器及激光器阵列

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020106160A1 (en) * 2000-12-29 2002-08-08 Honeywell International Inc. Resonant reflector for increased wavelength and polarization control
US20070153860A1 (en) * 2004-01-14 2007-07-05 Connie Chang-Hasnain Sub-wavelength grating integrated VCSEL
US20090196319A1 (en) * 2008-02-06 2009-08-06 Canon Kabushiki Kaisha Vertical cavity surface emitting laser

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9916145D0 (en) * 1999-07-10 1999-09-08 Secr Defence Control of polarisation of vertical cavity surface emitting lasers
JP3745985B2 (ja) * 2001-01-24 2006-02-15 古河電気工業株式会社 複素結合型の分布帰還型半導体レーザ素子
ATE295011T1 (de) * 2001-03-15 2005-05-15 Ecole Polytech Oberflächenemittierender laser mit vertikalem resonator
US6806110B2 (en) * 2002-05-16 2004-10-19 Agilent Technologies, Inc. Monolithic multi-wavelength vertical-cavity surface emitting laser array and method of manufacture therefor
JP2004288674A (ja) * 2003-03-19 2004-10-14 Fuji Xerox Co Ltd 面発光型半導体レーザおよびそれを用いた光通信システム
US6993225B2 (en) * 2004-02-10 2006-01-31 Sioptical, Inc. Tapered structure for providing coupling between external optical device and planar optical waveguide and method of forming the same
JP4602701B2 (ja) * 2004-06-08 2010-12-22 株式会社リコー 面発光レーザ及び光伝送システム
JP4027393B2 (ja) * 2005-04-28 2007-12-26 キヤノン株式会社 面発光レーザ
JP4027392B2 (ja) * 2005-04-28 2007-12-26 キヤノン株式会社 垂直共振器型面発光レーザ装置
JP2006351909A (ja) * 2005-06-17 2006-12-28 Institute Of Physical & Chemical Research フォトニック結晶及びそれを用いた半導体レーザ
GB2434914A (en) * 2006-02-03 2007-08-08 Univ College Cork Nat Univ Ie Vertical cavity surface emitting laser device
US8399349B2 (en) * 2006-04-18 2013-03-19 Air Products And Chemicals, Inc. Materials and methods of forming controlled void
JP5224310B2 (ja) * 2006-08-31 2013-07-03 古河電気工業株式会社 垂直共振器型面発光レーザ
US7907654B2 (en) * 2007-04-27 2011-03-15 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Laser diode with a grating layer
JP2008277563A (ja) * 2007-04-27 2008-11-13 Canon Inc 面発光レーザ
US9099835B2 (en) * 2009-07-19 2015-08-04 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Systems and methods of achieving high brightness infrared fiber parametric amplifiers and light sources

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020106160A1 (en) * 2000-12-29 2002-08-08 Honeywell International Inc. Resonant reflector for increased wavelength and polarization control
US20070153860A1 (en) * 2004-01-14 2007-07-05 Connie Chang-Hasnain Sub-wavelength grating integrated VCSEL
US20090196319A1 (en) * 2008-02-06 2009-08-06 Canon Kabushiki Kaisha Vertical cavity surface emitting laser

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