TWI802581B - 在垂直腔表面發射雷射控制光束發散度 - Google Patents

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Abstract

在一些實施方式中，垂直腔表面發射雷射（VCSEL）包括基板層和在基板層上的磊晶層。磊晶層可以包括主動層、第一反射鏡、第二反射鏡和一個或多個氧化層。主動層可以在第一反射鏡和第二反射鏡之間，且一個或多個氧化層可以靠近主動層。一個或多個氧化層可以配置為基於以下中的至少一個控制所發出雷射光束的光束發散度：一個或多個氧化層的量，一個或多個氧化層的形狀，一個或多個氧化層的厚度，或一個或多個氧化層與主動層的接近程度。

Description

在垂直腔表面發射雷射控制光束發散度
本發明通常涉及雷射且更具體涉及在垂直腔表面發射雷射（VCSEL）中控制光束發散度。
垂直發射裝置（例如垂直腔表面發射雷射（VCSEL））是一種雷射，其中雷射光束沿垂直於基板表面的方向發出（例如從半導體晶圓的表面垂直地）。與邊緣發射裝置不同，垂直發射裝置可以允許在晶圓製造的中間步驟進行測試。
根據一些可行的實施方式，VCSEL可以包括基板層和在基板層上的磊晶層。磊晶層可以包括主動層、第一反射鏡、第二反射鏡和一個或多個氧化層。主動層可以在第一反射鏡和第二反射鏡之間，且一個或多個氧化層可以靠近主動層。一個或多個氧化層可以配置為基於以下中的至少一個控制所發出雷射光束的光束發散度：一個或多個氧化層的量，一個或多個氧化層的形狀，一個或多個氧化層的厚度，或一個或多個氧化層與主動層的接近程度。
根據一些可行的實施方式，控制VCSEL中光束發散度的方法可以包括，在VCSEL的基板層上形成主動層、第一反射鏡、和第二反射鏡。主動層可以形成在第一反射鏡和第二反射鏡之間。方法可以在主動層附近形成一個或多個氧化層。一個或多個氧化層可以配置為基於以下中的至少一個控制所發出雷射光束的光束發散度：一個或多個氧化層的量、一個或多個氧化層的一種或多種形狀、一個或多個氧化層的一種或多種厚度、或一個或多個氧化層與主動層的一種或多種接近程度。
根據一些可行的實施方式，VCSEL晶圓可以包括基板層和在基板層上的磊晶層。磊晶層可以包括在第一反射鏡和第二反射鏡之間的主動層，且靠近主動層的一個或多個氧化層配置為通過基於以下中的至少一個控制主動層的主動區域附近的有效折射率階躍而控制所發出雷射光束的光束發散度：包括在一個或多個氧化層中的氧化層的量，一個或多個氧化層中的至少一個氧化層的形狀，一個或多個氧化層中的至少一個氧化層的厚度，一個或多個氧化層中的至少一個氧化層與主動層的主動區域的接近程度。
示例性實施方式的以下詳細描述參照了附隨的附圖。相同附圖標記在不同附圖中可以表示相同或相似的元件。下文所述的實施方式僅僅是例子且目的不是要將實施方式限制為確切的公開形式。替代地，實施方式被選擇為用於描述，以使得本領域技術人員能實施該實施方式。
圖1A和1B是具有不同光束發散度的不同發射器（例如VCSEL）100、105的示意圖。第一發射器100可以發出具有較寬光束發散度、較高數值孔徑（numerical aperture）和較寬光譜寬度的雷射光束110。第二發射器105可以發出具有較窄光束發散度、較低數值孔徑和較窄光譜寬度的雷射光束115。
發射器（例如VCSEL）可以用於各種需要不同光學模式特徵（例如光束發散度、數值孔徑、和/或光譜寬度）的各種應用。例如，在消費應用中，例如三維感測，具有較高數值孔徑、較寬光束發散度和較寬光譜寬度的發射器（例如發射器100）會期望通過降低可以進入人眼睛的光量而改善安全性。作為另一例子，在資料通信中，具有較低數值孔徑、較窄光束發散度和較窄光譜寬度的發射器（例如發射器105）會期望增加光纖耦合效率和/或增加透射距離。本文所述的一些技術允許發射器100、105針對要求不同光束發散度、數值孔徑和/或光譜寬度的各種種類應用進行靈活設計。
如圖1A和1B所示，發射器100、105可以包括基板層120和形成在基板層120上的磊晶層。磊晶層可以包括主動層125、第一反射鏡（mirror）130、第二反射鏡135和一個或多個氧化層140。主動層125可以在第一反射鏡130（例如頂部反射鏡）和第二反射鏡135（底部反射鏡）之間。關於示例性發射器100、105的額外細節在本文其他位置描述。
通過發射器100、105發出的雷射光束的光束發散度、數值孔徑和光譜寬度被發射器100、105發出的光的光學模式所控制。光學模式通過主動層125的主動區域145和與一個或多個氧化層140關聯的氧化區域150之間的有效折射率階躍控制。有效折射率階躍可以代表氧化區域150的有效折射率相對於主動區域145的有效折射率之間的相對差異。本文所述的一些技術改變氧化區域150的有效折射率，其改變了發射器100、105的光學模式，其改變了通過發射器100、105發出的雷射光束的光束發散度、數值孔徑和光譜寬度。例如，增加氧化區域150的有效折射率在主動區域145附近造成較大的有效折射率階躍，其增加了光侷限（optical confinement）並產生具有較寬發散度、較高數值孔徑、和較寬光譜寬度的雷射光束，如發射器100和雷射光束110所示。相反地，減少氧化區域150的有效折射率在主動區域145附近造成較小的有效折射率階躍，其減少光侷限並產生具有較窄發散度、較低數值孔徑、和較窄光譜寬度的雷射光束，如發射器105和雷射光束115所示。
本文所述的技術涉及改變氧化層（一個或多個）140的特徵，以改變氧化區域150的有效折射率，且控制發射器（例如VCSEL）的光學模式特徵。例如，發射器100包括較大數量的氧化層140（例如兩個氧化層140），其增加氧化區域150的有效折射率，實現雷射光束110的較寬光束發散度。作為另一例子，發射器105包括較小數量的氧化層140（例如一個氧化層140），其減小氧化區域150的有效折射率，實現雷射光束115的較窄光束發散度。氧化層140的量是氧化層特徵的一個例子，其可被改變以改變氧化區域150的有效折射率。其他特徵包括氧化層（一個或多個）140的形狀、厚度和/或與主動層125的接近程度，且將在本文的其他位置詳細描述。通過改變氧化層（一個或多個）140的特徵，發射器可被設計為用於具有各種需求的各種應用。
在一些實施方式中，氧化層140和最終的氧化物孔（oxide aperture）的設計計入了通過與氧化物孔有關的熱透鏡效應（thermal lensing）形成的總體橫向折射率輪廓（later index profile），尤其是在有效折射率階躍較小時。例如，VCSEL可以在氧化物孔的中心附近更熱，且朝向氧化物孔邊緣的溫度下降形成了從氧化物孔的中心到氧化物孔的邊緣的半導體折射率的相應下降。改變有效折射率階躍的本文所述的技術不影響第一階（first order）中的這種熱透鏡效應。
在一些情況下，多個氧化層140已經用於降低寄生電容，這種寄生電容在資料通信應用中會限制高速調製能力（例如20GHz和/或類似的）。本文所述的一些技術應用於高光功率VCSEL，其具有有限的調製能力（例如10MHz和/或類似的），其中多個氧化層140不必用於降低寄生電容。
進而，VCSEL的設計不僅需要控制雷射光束的發散度，而且需要控制光強度的角分佈均勻性（例如遠場），尤其是針對滿足雷射安全標準的情況。在這些標準中，通過通常與光源相距100mm的孔（例如通常為7mm直徑）輸送的輸出功率必須低於取決於波長和脈衝條件的特定值。進而，孔相對於光源的所有可能角位置（angular placement）必須經過考慮。由此，對於通過人眼睛可觀察（例如直接或通過透鏡）到VCSEL或VCSEL陣列的遠場（far field）的應用，遠場必須不僅具有最小的發散度，而且還不能具有光強度集中的尖峰或角圓錐（angular cone）。
對於較小的孔尺寸來說，各雷射模式的發散度增加。然而，由於在製造中不能控制孔尺寸（或相當地氧化長度或深度）以及例如陣列中發射器數量這樣的其他工程限制條件，所以不能簡單地通過製造較小的孔直徑（例如＜5μm）來實現高發散度。因此，高發散度需要通過較大的VCSEL直徑（例如7μm到大約15μm直徑的孔）來實現。為了實現這一點，需要雷射部分地以具有較高發散度且在遠場具有多個瓣區（lobe）的較高階模式下發出雷射。為了避免特定角度附近的光集中，需要較高階和較低階模式的混合來同時發出雷射。用於資料通信的多模式VCSEL以較高階和較低階模式的混合發出雷射，但是通常不具有足夠寬的發散度以滿足自由空間感測應用的需求，因為這些VCSEL通常被設計為具有較少的模式，以實現典型的多模式光纖資料通信標準所需的較窄的光譜寬度。
為了使得較高階模式的雷射發射增加，如與用於資料通信的VCSEL比較，需要較大的橫向有效折射率階躍，其可以通過多個氧化物孔、較厚的氧化物孔和/或本文所述的其他技術實現。有效折射率通過經電場強度加權的折射率的積分（沿垂直軸線）限定。可以通過沿裝置中心（沒有氧化物）的垂直軸線的有效折射率減去沿經過氧化層的最厚部分（在裝置邊緣附近）的垂直軸線的有效折射率而得到的差異來計算有效折射率階躍。另外或替換地，可以通過針對沿裝置中心的垂直軸線行進的平面波和沿裝置邊緣處的垂直軸線行進並遭遇到氧化層的最厚部分的平面波將共振波長進行比較，從而計算有效折射率階躍。
形成有效折射率階躍的大的改變的一種方式是通過突然的跳躍或階躍。然而，橫向有效折射率的大的突然階躍帶來兩個問題。第一，其需要鈍氧化前線（blunt oxidation front），其傾向於增加裝置中的機械應力。第二，其需要有效折射率的突然階躍，其會增加較高階模式的散射損失，由此妨礙這些模式中的雷射發射。因此，必須通過橫向折射率輪廓的一些錐形部分實現較大的橫向折射率階躍。
但是，錐形部分太長或相當於橫向折射率梯度太低會導致兩個問題。在極端情況下，錐形部分太長將在主動區域附近有效地出現小折射率階躍的狀況，且較高階模式將在空間上太寬，以至於不能與裝置的主動區域重疊（在該處電流流動進入量子井）且將不會發出雷射或將發出非常少的雷射。但是在中間情況下，錐形部分太長（或相當於橫向折射率梯度太低）對較高階模式來說會使得散射損失降低太多，以至於它們幾乎具有與最低階模式相同的損失。這種低損失會在低溫（例如-40℃到5℃）時造成問題。通常，在運行於低溫的VCSEL中，主動區域的增益頻譜的峰部與雷射發射模式相比波長更短。在較高溫度下，增益頻譜的峰部和雷射發射模式切換到更長波長，但是增益頻譜的峰部切換得更快且能更好適應所有雷射發射模式。但是，較高階模式以比該較低階或最低階（例如基頻）模式更短的波長發出雷射。因此，在散射損失較低時，閾值載子密度（和因此閾值電流）在低溫下對於較高階模式來說較低。潛在地，這種差異會導致主要在單個或很少的較高階模式下發出雷射並導致光集中於特定的角圓錐中，這在試圖實現感測應用通常所需的光強度的更均勻角分佈時是不期望的。
因此，對於VCSEL的給定尺寸和波長，對橫向折射率梯度和有效折射率階躍設置上限和下限，以便實現足夠的發散度和充分均勻的遠場輪廓。雖然可以通過各種有限元素軟體確定波導的橫向模式的形狀，但是難以預測VCSEL中雷射發射模式的相對光功率，因為模式的最終組合將取決於電流注入輪廓（current injection profile）、溫度輪廓（temperature profile）、光學增益對載子密度和載子擴散。在一些情況下，孔可被如下設計：對於900到960nm波長範圍且具有6到10微米的有效孔直徑的雷射，所需的有效折射率階躍至少為0.060，具有0.027μm-1 到0.108μm-1 的平均有效折射率梯度，或相當於0.5到2微米的錐形長度，以在7kA/cm2 的注入電流密度下實現至少0.20NA的發散度，其中NA是一數值孔徑，其被限定為涵蓋86%光功率的圓錐形的半形的正弦，且使得遠場在VCSEL在連續波（CW）或類似CW條件下被驅動時足夠均勻。為了足夠均勻，需要讓經過具有2度的半角的圓錐形光的光功率（對於相對於雷射光束的主方向的任何取向來說）不大於總的光輸出功率的3%。氧化物孔不需要是確切的圓形，因此上述的有效孔直徑是等效面積的圓形的直徑。
在窄發散度的情況下，對於900到960nm波長範圍且有效孔直徑為9到11微米的雷射，所需的有效折射率階躍（在沒有熱梯度的情況下）最大為0.0019，以在至少大約14 kA/cm2 的注入電流密度下實現最大0.20NA的發散度。另外，孔必須被置於與主動區域垂直相距最大大約0.19微米的位置，以便確保光增益首先激勵最低階模式。本文所述的技術能滿足如上所述的需求。
如上所述，圖1A和1B是作為例子提供的。其他例子也是可以的，且可以與針對圖1A和1B所述的有所不同。
圖2A和2B是分別顯示了發射器200的俯視圖和發射器200的示例性截面圖250的示意圖。如圖2A所示，發射器200可以包括以發射器架構構造的一組發射器層。為了清楚，在圖2A中未示出發射器200的所有發射器層。在一些實施方式中，發射器200可以對應於圖1A的發射器100，圖1B的發射器105、圖3A的發射器300、圖3B的發射器302、圖3C的發射器310、圖3D的發射器312、圖3E的發射器320、圖3F的發射器322、圖3G的發射器330、圖3H的發射器332和/或類似發射器。
如圖2A所示，發射器200包括植入保護層202，其在該例子中是圓形的。在一些實施方式中，植入保護層202可以具有其他形狀，例如橢圓形、多邊形等。植入保護層202基於包括在發射器200中的植入材料部分（未示出）之間的空間限定。進一步如圖2A所示，發射器200包括P型歐姆金屬層（P-Ohmic metal layer）204，其被構造為部分環形形狀（例如具有內半徑和外半徑）如所示的，P型歐姆金屬層204在植入保護層202上方同中心地定位（即P型歐姆金屬層204的外半徑小於或等於植入保護層202的半徑）。這種構造例如可以在P型向上/頂部發射的發射器200的情況下使用。在底部發射的發射器200的情況下，該構造可以按照需要調整。
進一步如圖2A所示，發射器200包括介電通路口（dielectric via opening）206，其形成（例如蝕刻）在覆蓋P型歐姆金屬層204的介電鈍化/反射鏡層（未示出）上。如所示的，介電通路口206形成為部分環形形狀（例如類似於P型歐姆金屬層204）且在P型歐姆金屬層204上方同中心地形成，使得介電鈍化/反射鏡層的金屬化部接觸P型歐姆金屬層204。在一些實施方式中，介電口206和/或P型歐姆金屬層204可以形成為其他形狀，例如完整環形狀形或分裂環形形狀。
如進一步所示的，發射器200包括在P型歐姆金屬層204的部分環形形狀的內半徑中的且在發射器的一部分中的光學孔208。發射器200經由光學孔208發出雷射光束。如進一步所示的，發射器200還包括電流侷限孔210（例如通過發射器200的氧化層220形成的氧化物孔）。電流侷限孔210形成在光學孔208下方。
進一步如圖2A所示，發射器200包括一組氧化溝212，其圍繞植入保護層202的圓周間隔開（例如等距、不等距）。氧化溝212可相對於光學孔208定位得多近取決於應用，且通常被植入保護層202、P型歐姆金屬層204、介電通路口206和製造公差所限制。
圖2A所示的層的數量和佈置方式作為例子提供。實踐中，與圖2A所示的相比，發射器200可以包括額外層、較少層、不同層、或不同佈置的層。例如，儘管發射器200包括六個一組的氧化溝212，但是實踐中，其他設計也是可以的，例如包括五個氧化溝212、七個氧化溝212和/或類似個數氧化溝的緊湊發射器。作為另一例子，儘管發射器200是圓形的發射器設計，但是在實踐中，其他設計也是可以的，例如矩形發射器、六邊形發射器、橢圓形發射器等。另外或替換地，發射器200的一組層（例如一層或多層）可以執行一個或多個功能，所述一個或多個功能被描述為分別被發射器200的另一組層執行。
應注意，儘管發射器200的設計被描述為包括VCSEL，但是其他實施方式也是可以的。例如，發射器200的設計可以應用於其他類型的光學裝置的情況，例如發光二極體（LED）或其他類型的垂直發射（例如頂部發射或底部發射）光學裝置。另外，發射器200的設計可以應用於具有任何波長、功率水準、發射模式（emission profile）等的發射器。換句話說，發射器200不是特別用於具有給定性能特徵的發射器。
如圖2B所示，示例性截面圖可以代表經過一對氧化溝212的發射器200的截面（例如圖2A中標記為“X-X”的線所示）。如所示的，發射器200可以包括背側陰極層228、基板層226、底部反射鏡224、主動層222、氧化層220、頂部反射鏡218、植入絕緣材料216、介電鈍化/反射鏡層214和P型歐姆金屬層204。如所示的，發射器200可以具有大約10µm的總高度。
背側陰極層228可以包括與基板層226電接觸的層。例如，背側陰極層228可以包括經退火的金屬化層，例如AuGeNi層、PdGeAu層等。
基板層226可以包括基部基板層，磊晶層在其上生長。例如，基板層226可以包括半導體層，例如GaAs層、InP層和/或類似層。在一些實施方式中，基板層226可以是半導體晶圓的表面，且發射器200可以形成在半導體晶圓上（例如形成發射器晶圓）。在一些實施方式中，基板層226可以對應於基板層120，如上針對圖1A和1B所述的。
底部反射鏡224可以包括發射器200的底部反射層。例如，底部反射鏡224可以包括分散式布拉格反射器（DBR）。在一些實施方式中，底部反射鏡224可以對應於第二反射鏡135，如上針對圖1A和1B所述的。
主動層222可以包括對電子進行約束並限定發射器200的發射波長的層。例如，主動層222可以是量子井。在一些實施方式中，主動層222可以對應於主動層125，如上針對圖1A和1B所述的。
氧化層220可以包括氧化物層，其提供發射器200的光和電侷限。在一些實施方式中，氧化層220可以因磊晶層的濕氧化而形成。例如，氧化層220可以是Al2 O3 層，其是由於AlAs或AlGaAs層的氧化形成的。氧化溝212可以包括開口，其允許氧氣（例如乾燥氧氣、濕潤氧氣）達到磊晶層，氧化層220從該磊晶層形成。氧化層（一個或多個）220可以靠近主動層222。在一些實施方式中，氧化層220可以對應於氧化層140，如上針對圖1A和1B所述的。如所示的，氧化層220與主動層222相比距基板層226較遠（例如基板層226位於主動層222的一側，且氧化層220位於主動層222的相反側）。
如圖2B所示，在發射器200為頂部發射雷射時，氧化層220定位在主動層222和光學孔208之間，發射器200從該光學孔發出雷射光束。在一些實施方式中，在發射器200為底部發射雷射時，主動層222定位在氧化層220和光學孔208之間，發射器200從該光學孔發出雷射光束。
電流侷限孔210可以包括通過氧化層220限定的旋光學主動孔。電流侷限孔210的尺寸可以例如為大約6.0μm到大約14.0μm的範圍。在一些實施方式中，電流侷限孔210的尺寸可以取決於圍繞發射器200的氧化溝212的距離。例如，氧化溝212可以被蝕刻以露出磊晶層，氧化層220從該磊晶層形成。這裡，在介電鈍化/反射鏡層214沉積之前，可以針對朝向發射器200的中心的特定距離發生磊晶層的氧化（例如圖2B所示的），由此形成氧化層220和電流侷限孔210。在一些實施方式中，電流侷限孔210可以包括氧化物孔。另外或替換地，電流侷限孔210可以包括與其他類型的電流侷限技術（例如蝕刻平台（etched mesa）、沒有離子植入的區域、經微影限定的內空腔平台和再生長（regrowth）等）關聯的孔。
頂部反射鏡218可以包括發射器200的頂部反射器層。例如，頂部反射鏡218可以包括DBR。在一些實施方式中，頂部反射鏡218可以對應於第一反射鏡130，如上針對圖1A和1B所述的。
植入絕緣材料216可以包括提供電絕緣的材料。例如，植入絕緣材料216可以包括植入離子的材料，例如植入H的材料或植入氫/質子的材料。在一些實施方式中，植入絕緣材料216可以限定植入保護層202。
介電鈍化/反射鏡層214可以包括用作保護鈍化層且用作額外DBR的層。例如，介電鈍化/反射鏡層214可以包括沉積（例如經由化學氣相沉積）在發射器200的一個或多個其他層上的一個或多個子層（例如Si O2 層、Si3 N4 層）。
如所示的，介電鈍化/反射鏡層214可以包括一個或多個介電通路口206，其提供對P型歐姆金屬層204的電氣介入。光學孔208可以包括在電流侷限孔210上方的介電鈍化/反射鏡層214的一部分，經由該部分可以發出光。
P型歐姆金屬層204可以包括進行電接觸的層，電流可以經由該層流動。例如，P型歐姆金屬層204可以包括TiAu層、TiPtAu層等，電流可以經由該層流動（例如經由通過介電通路口206與P型歐姆金屬層204接觸的接合盤（bondpad）（未示出））。
在一些實施方式中，可以使用一系列步驟製造發射器200。例如，底部反射鏡224、主動層222、氧化層220、和頂部反射鏡218可以在基板層226上磊晶生長，此後可以在頂部反射鏡218上沉積P型歐姆金屬層204。接下來，氧化溝212可以被蝕刻以露出氧化層220，以用於氧化。植入絕緣材料216可以經由離子植入形成，此後可以沉積介電鈍化/反射鏡層214。介電通路口206可以被蝕刻在介電鈍化/反射鏡層214中（例如露出P型歐姆金屬層以用於接觸）。可以執行電鍍、晶種和蝕刻，此後可以讓基板層226變薄和/或重疊（lapped）到目標厚度。最後，背側陰極層228可以被沉積在基板層226的底側上。
圖2B所示層的數量、佈置方式、厚度、順序、對稱性等是作為例子提供的。實踐中，與圖2B所示的相比，發射器200可以包括額外層、較少層、不同層、不同構造的層、或不同佈置的層。另外或替換地，發射器200的一組層（例如一層或多層）可以執行一個或多個功能，所述一個或多個功能被描述為被發射器200的另一組層執行。
圖3A-3H是配置為控制光束發散度和/或其他光學模式特徵的示例性發射器的示例性截面示意圖。圖3A-3H所示的發射器可以包括針對圖1A、1B、2A和/或2B如上所述的一個或多個元件。例如，圖3A-3H所示的發射器可以包括基板層226、主動層222、頂部反射鏡218、底部反射鏡224、氧化層（一個或多個）220、主動區域145、氧化區域150和/或類似部分。進而，儘管在圖3A-3H每一個中顯示了單個發射器，但是本文所述的技術可以應用於發射器陣列。更具體地，本文所述的技術可以應用於具有共用陽極和共用陰極的發射器陣列。
圖3A和3B是具有不同光束發散度（由於不同量的氧化層220造成）的不同發射器（例如VCSEL）300、302的示意圖。發射器300可以發射具有較寬光束發散度、較高數值孔徑和較寬光譜寬度的雷射光束304，而發射器302可以發射具有較窄光束發散度、較低數值孔徑和較窄光譜寬度的雷射光束306。如圖3A和3B所示，發射器300、302可以生產雷射光束304、306（分別），所述雷射光束具有受包括在發射器300、302中的氧化層220的量所控制的光學模式特徵。
例如，發射器300包括較大數量的氧化層220（例如三個氧化層220），其使得在主動層222的主動區域145和與氧化層220關聯的氧化區域150之間的有效折射率階躍增加。在主動區域145附近使得有效折射率階躍增加能增加光侷限，並產生具有較寬發散度、較高數值孔徑、和較寬光譜寬度的雷射光束，如雷射光束304所示。
相反地，發射器302包括較小數量的氧化層220（例如一個氧化層220），其使得主動層222的主動區域145和與氧化層220關聯的氧化區域150之間的有效折射率階躍減小。在主動區域145附近使得有效折射率階躍減小能減小光侷限，並產生具有較窄發散度、較低數值孔徑、和較窄光譜寬度的雷射光束，如雷射光束306所示。最靠近主動層主動區域145的氧化層220可以對有效折射率階躍具有最大影響，且氧化層220可以對有效折射率階躍具有較小影響。
圖3A和3B所示的氧化層220的量是作為例子提供的，且可以在發射器中包括不同量的氧化層220（例如兩個氧化層220、四個氧化層220、五個氧化層220和/或類似數量）。通過改變包括在發射器中的氧化層220的量和/或通過改變一個或多個其他氧化層特徵（例如在本文其他位置描述的），發射器可以被靈活地設計為用於要求不同光束發散度、數值孔徑、和/或光譜寬度的各種應用。
圖3C和3D是具有不同光束發散度（由於一個或多個氧化層220的不同厚度造成）的不同發射器（例如VCSEL）310、312的示意圖。發射器310可以發射具有較寬光束發散度、較高數值孔徑和較寬光譜寬度的雷射光束314，而發射器312可以發射具有較窄光束發散度、較低數值孔徑和較窄光譜寬度的雷射光束316。如圖3C和3D所示，發射器310、312可以生產雷射光束314、316（分別），所述雷射光束具有受包括在發射器310、312中的氧化層（一個或多個）220的厚度所控制的光學模式特徵。
例如，發射器310包括較厚的氧化層220（例如50-60納米），其使得在主動層222的主動區域145和與氧化層220關聯的氧化區域150之間的有效折射率階躍增加。在主動區域145附近使得有效折射率階躍增加能增加光侷限，並產生具有較寬發散度、較高數值孔徑、和較寬光譜寬度的雷射光束，如雷射光束314所示。
相反地，發射器312包括較薄氧化層220（例如10-20納米），其使得在主動層222的主動區域145和與氧化層220關聯的氧化區域150之間的有效折射率階躍減小。在主動區域145附近使得有效折射率階躍減小能減小光侷限，並產生具有較窄發散度、較低數值孔徑、和較窄光譜寬度的雷射光束，如雷射光束316所示。
圖3C和3D所示的氧化層220的厚度是作為例子提供的，且可以構造出不同厚度的氧化層220。另外或替換地，多個氧化層特徵可以配置為控制光學模式特徵（例如光束發散度、數值孔徑、光譜寬度和/或類似特徵）。例如，不同發射器可以包括不同量的氧化層220和不同厚度的一個或多個氧化層220，以實現期望光學模式特徵。
在一些實施方式中，發射器可以包括具有不同厚度的多個氧化層220（較靠近主動層222的較厚氧化層220和較遠離主動層222的較薄氧化層220，較靠近主動層222的較薄氧化層220和較遠離主動層222的較厚氧化層220）。通過改變包括在發射器中的氧化層（一個或多個）220的厚度和/或通過改變一個或多個其他氧化層特徵（例如在本文其他位置描述的），發射器可以被靈活地設計為用於要求不同光束發散度、數值孔徑、和/或光譜寬度的各種應用。
圖3E和3F是具有不同光束發散度（由於一個或多個氧化層220與主動層222的不同接近程度造成）的不同發射器（例如VCSEL）320、322的示意圖。發射器320可以發射具有較寬光束發散度、較高數值孔徑和較寬光譜寬度的雷射光束324，而發射器322可以發射具有較窄光束發散度、較低數值孔徑和較窄光譜寬度的雷射光束326。如圖3E和3F所示，發射器320、322可以生產雷射光束324、326（分別），該雷射光束具有受包括在發射器320、322中的一個或多個氧化層220與包括在發射器320、322中的主動層222的接近程度所控制的光學模式特徵。
例如，發射器320包括定位為較靠近主動層222的氧化層220，其使得在主動層222的主動區域145和與氧化層220關聯的氧化區域150之間的有效折射率階躍增加。在主動區域145附近使得有效折射率階躍增加能增加光侷限，並產生具有較寬發散度、較高數值孔徑、和較寬光譜寬度的雷射光束，如雷射光束324所示。
相反地，發射器322包括定位為較遠離主動層222的氧化層220，其使得在主動層222的主動區域145和與氧化層220關聯的氧化區域150之間的有效折射率階躍減小。在主動區域145附近使得有效折射率階躍減小能減小光侷限，並產生具有較窄發散度、較低數值孔徑、和較窄光譜寬度的雷射光束，如雷射光束326所示。
圖3E和3F所示的氧化層220與主動層222的接近程度是作為例子提供的，且可以構造出不同的接近程度。另外或替換地，多個氧化層特徵可以配置為控制光學模式特徵（例如光束發散度、數值孔徑、光譜寬度和/或類似特徵）。例如，不同的發射器可以包括不同量的氧化層220、不同厚度的一個或多個氧化層220、和/或一個或多個氧化層220與主動層222的不同接近程度，以實現期望光學模式特徵。
在一些實施方式中，發射器可以包括與主動層222具有不同接近程度的多個氧化層220。在這種情況下，單個氧化層220與主動層222的接近程度（例如最靠近主動層222的氧化層220）可以配置為改變光學模式特徵。另外或替換地，多個氧化層220與主動層222的接近程度可以配置為改變光學模式特徵。通過改變包括在發射器中的氧化層（一個或多個）220的相應接近程度和/或通過改變一個或多個其他氧化層特徵（例如在本文其他位置描述的），發射器可以被靈活地設計為用於要求不同光束發散度、數值孔徑、和/或光譜寬度的各種應用。
圖3G和3H是具有不同形狀的一個或多個氧化層220的不同發射器（例如VCSEL）330、332的示意圖。發射器330、332可以發出具有較寬光束發散度、較高數值孔徑和較寬光譜寬度的雷射光束334、336（分別）。如圖3G和3H所示，發射器330、332可以生產雷射光束334、336（分別），其具有受到包括在發射器330、332中的一個或多個氧化層220的形狀控制的光學模式特徵。
例如，發射器330包括具有錐形端部的氧化層220（例如定位為較靠近鏡218中心的錐形中央端部）。讓氧化層220的端部成錐形使得主動層222的主動區域145和與氧化層220關聯的氧化區域150之間的有效折射率階躍減小（例如與不是錐形的端部相比）。然而，這種錐形設計會增加發射器330的機械可靠性，以消除由於另一光學模式特徵的配置（例如較厚的氧化層220、增加數量的氧化層220、定位為較靠近主動層222的氧化層220和/或類似情況）而造成的機械可靠性的降低。
例如，如圖3G所示，發射器330包括厚氧化層220，使得在主動層222的主動區域145和與氧化層220關聯的氧化區域150之間的有效折射率階躍增加。在主動區域145附近使得有效折射率階躍增加能增加光侷限，並產生具有較寬發散度、較高數值孔徑、和較寬光譜寬度的雷射光束，如雷射光束334所示。進而，因為氧化層220包括錐形端部，所以與具有相似厚度的不是錐形的氧化層220的相似發射器（例如圖3C的發射器310）相比，發射器330可以具有改善的機械穩定性和可靠性。
類似地，如圖3H所示，發射器332包括定位為較靠近主動層222的氧化層220，其使得在主動層222的主動區域145和與氧化層220關聯的氧化區域150之間的有效折射率階躍增加。在主動區域145附近使得有效折射率階躍增加能增加光侷限，並產生具有較寬發散度、較高數值孔徑、和較寬光譜寬度的雷射光束，如雷射光束336所示。進而，因為氧化層220包括錐形端部，所以與具有主動層222和不是錐形的氧化層220之間的相似接近程度的相似發射器（例如圖3E的發射器320）相比，發射器332可以具有改善的機械穩定性和可靠性。然而，在一些實施方式中，一個或多個氧化層220可以不是錐形的（或可以具有小於臨界值的錐度）以改善VCSEL的設計容易性。在一些實施方式中，最靠近主動層222的氧化層220不是錐形的或具有小於臨界值的錐度。
如圖3G所示，發射器330的氧化層220顯示為在定位為較靠近主動層222的氧化層220的第一部分上具有較深的氧化深度，和在定位為較遠離主動層222的氧化層220的第二部分上具有較淺的氧化深度。如圖3H所示，發射器332的氧化層220顯示為在定位為較靠近主動層222的氧化層220的第一部分上具有較深的氧化深度，和在定位為較遠離主動層222的氧化層220的第二部分上具有較淺的氧化深度。氧化層的這些形狀是作為例子提供的，且其他例子也是可以的。例如，定位為較靠近主動層222的氧化層220的第一部分可以具有相對淺的氧化深度，定位為較遠離主動層222的氧化層220的第二部分可以具有相對淺的氧化深度，且定位在第一部分和第二部分之間的氧化層220的第三部分可以具有相對深的氧化深度。
另外或替換地，多個氧化層特徵可以配置為控制光學模式特徵（例如光束發散度、數值孔徑、光譜寬度和/或類似特徵）。例如，不同的發射器可以包括不同量的氧化層220、不同厚度的一個或多個氧化層220、一個或多個氧化層220與主動層222的不同接近程度、和/或不同形狀的氧化層220，以實現期望光學模式特徵。
在一些實施方式中，發射器可以包括具有不同形狀的多個氧化層220。在這種情況下，單個氧化層220（例如最靠近主動層222的氧化層220）的形狀可以配置為改變光學模式特徵。另外或替換地，多個氧化層220對主動層222的形狀可以配置為改變光學模式特徵。通過改變包括在發射器中的氧化層（一個或多個）220的相應形狀和/或通過改變一個或多個其他氧化層特徵（例如在本文其他位置描述的），發射器可以被靈活地設計為用於要求不同光束發散度、數值孔徑、和/或光譜寬度的各種應用。
如上所述，圖3A-3H是作為例子提供的。其他例子也是可以的且可以與針對3A-3H所述的有所不同。
圖4是用於控制VCSEL中光束發散度的示例性過程400的流程圖。
如圖4所示，過程400可以包括在VCSEL的基板層上形成主動層、第一反射鏡、和第二反射鏡，其中主動層形成在第一反射鏡和第二反射鏡之間（圖塊410）。在一些實施方式中，VCSEL是頂部發射VCSEL。在一些實施方式中，VCSEL是底部發射VCSEL。
進一步如圖4所示，過程400可以包括在主動層附近形成一個或多個氧化層，其中一個或多個氧化層配置為基於一個或多個氧化層特徵控制通過VCSEL發出的雷射光束的光束發散度（圖塊420）。在一些實施方式中，一個或多個氧化層配置為在主動層的主動區域附近形成相對大的有效折射率階躍，以形成雷射光束的相對寬的光束發散度。在一些實施方式中，一個或多個氧化層配置為在主動層的主動區域附近形成相對小的有效折射率階躍，以形成雷射光束的相對窄的光束發散度。
在一些實施方式中，基於以下中的至少一個控制光束發散度：一個或多個氧化層的量、一個或多個氧化層的一種或多種形狀、一個或多個氧化層的一種或多種厚度、或一個或多個氧化層與主動層的一種或多種接近程度。例如，一個或多個氧化層可以包括多個氧化層，以控制光束發散度。另外或替換地，一個或多個氧化層的形狀可以配置為控制光束發散度。另外或替換地，一個或多個氧化層的厚度可以配置為控制光束發散度。另外或替換地，一個或多個氧化層與主動層的接近程度可以配置為控制光束發散度。
在一些實施方式中，一個或多個氧化層中最靠近主動層的氧化層具有小於臨界值的錐度。例如，一個或多個氧化層中的最靠近主動層的氧化層可以不是錐形的。
雖然圖4顯示了過程400的示例性圖塊，但是在一些實施方式中，與圖4所示的圖塊相比，過程400可以包括額外的圖塊、較少的圖塊、不同的圖塊或不同佈置的圖塊。另外或替換地，過程400中的兩個或更多圖塊可以並存執行。
本文所述的一些技術允許針對要求不同光學模式特徵（例如光束發散度、數值孔徑和/或光譜寬度）的各種應用靈活設計發射器（例如VCSEL）。
前文內容提供了展示和描述，但是目的不是要將實施方式窮盡或限制為所公開的確切形式。可以在上述內容的啟發下或從具體實施方式的實施過程中做出改變和修改。
即使特徵的具體組合記載於請求項中和/或公開在說明書中，這些組合目的也不是限制本發明的可能實施方式。事實上，許多這些特徵可以以請求項中未具體記載和/或說明書中未具體公開的各種方式組合。雖然每一個從屬請求項可以直接從屬於一個請求項，但是可行實施方式的公開包括與請求項中每個其他請求項組合的每個從屬請求項。
本文使用的元件、動作或指令都不應被理解為是關鍵或必不可少的，除非另有描述。還有，如本文使用的，冠詞“一”目的是包括一個或多個項目，且可以與“一個或多個”替換使用。進而，如本文使用的，術語“組”應是包括一個或多個項目（例如關聯項目，非關聯項目，關聯項目和非關聯專案的組合等），且可以與“一個或多個”替換使用。在指僅一個專案的情況下，使用術語“一個”或相似用語。還有，如本文使用的，術語“具有”、“包括”、“包含”等應是開放性的術語。進一步地，短語“基於”應是“至少部分地基於”，除非另有說明。
100‧‧‧發射器105‧‧‧發射器110‧‧‧雷射光束115‧‧‧雷射光束120‧‧‧基板層125‧‧‧主動層130‧‧‧第一反射鏡135‧‧‧第二反射鏡140‧‧‧氧化層145‧‧‧主動區域150‧‧‧氧化區域200‧‧‧發射器202‧‧‧植入保護層204‧‧‧P型歐姆金屬層206‧‧‧介電通路口208‧‧‧光學孔210‧‧‧電流侷限孔212‧‧‧氧化溝214‧‧‧介電鈍化/反射鏡層216‧‧‧植入絕緣材料218‧‧‧頂部反射鏡220‧‧‧氧化層222‧‧‧主動層224‧‧‧底部反射鏡226‧‧‧基板層228‧‧‧背側陰極層250‧‧‧示例性截面圖300‧‧‧發射器302‧‧‧發射器304‧‧‧雷射光束306‧‧‧雷射光束310‧‧‧發射器312‧‧‧發射器314‧‧‧雷射光束316‧‧‧雷射光束320‧‧‧發射器322‧‧‧發射器324‧‧‧雷射光束330‧‧‧發射器332‧‧‧發射器334‧‧‧雷射光束336‧‧‧雷射光束
圖1A和1B是具有不同光束發散度的不同發射器的示意圖。
圖2A和2B是分別顯示了示例性發射器的俯視圖和示例性發射器的示例性截面示意圖。
圖3A-3H是配置為控制光束發散度的示例性發射器的示例性截面示意圖。
圖4是用於控制VCSEL中光束發散度的示例性過程的流程圖。
100‧‧‧發射器
110‧‧‧雷射光束
120‧‧‧基板層
125‧‧‧主動層
130‧‧‧第一反射鏡
135‧‧‧第二反射鏡
140‧‧‧氧化層
145‧‧‧主動區域
150‧‧‧氧化區域

Claims (20)

  1. 一種垂直腔表面發射雷射(VCSEL)，包括：基板層；和在該基板層上的磊晶層，該磊晶層包括主動層、第一反射鏡、第二反射鏡和一個或多個氧化層，其中該主動層在該第一反射鏡和該第二反射鏡之間，其中該一個或多個氧化層靠近該主動層，其中該一個或多個氧化層包括第一氧化層，所述第一氧化層在離該基板層最遠的一側處具有第一孔徑尺寸以及在離所述基板層最近的一側處具有第二孔徑尺寸，所述第一孔徑尺寸小於所述第二孔徑尺寸，且其中該一個或多個氧化層配置為基於以下中的至少一個控制通過該垂直腔表面發射雷射發出的雷射光束的光束發散度：該一個或多個氧化層的量，該一個或多個氧化層的形狀，該一個或多個氧化層的厚度，或該一個或多個氧化層與該主動層的接近程度。
  2. 如請求項1所述的垂直腔表面發射雷射，其中該一個或多個氧化層配置為在該主動層的主動區域和與該一個或多個氧化層關聯的氧化區域之間形成有效折射率階躍，以形成該雷射光束的寬光束發散度。
  3. 如請求項1所述的垂直腔表面發射雷射，其中該一個或多個氧化層包括多個氧化層，以控制該光束發散度。
  4. 如請求項1所述的垂直腔表面發射雷射，其中該一個或多個氧化 層的所述形狀配置為控制該光束發散度。
  5. 如請求項1所述的垂直腔表面發射雷射，其中該一個或多個氧化層的該厚度配置為控制該光束發散度。
  6. 如請求項1所述的垂直腔表面發射雷射，其中該一個或多個氧化層與該主動層的該接近程度配置為控制該光束發散度。
  7. 如請求項1所述的垂直腔表面發射雷射，其中該一個或多個氧化層中的最靠近主動層的氧化層具有小於臨界值的錐度。
  8. 如請求項1所述的垂直腔表面發射雷射，其中該垂直腔表面發射雷射是頂部發射垂直腔表面發射雷射。
  9. 如請求項1所述的垂直腔表面發射雷射，其中該垂直腔表面發射雷射是底部發射垂直腔表面發射雷射。
  10. 一種控制垂直腔表面發射雷射(VCSEL)中光束發散度的方法，包括：在該垂直腔表面發射雷射的基板層上形成主動層、第一反射鏡和第二反射鏡，其中該主動層形成在該第一反射鏡和該第二反射鏡之間；和在該主動層附近形成一個或多個氧化層，其中該一個或多個氧化層包括第一氧化層，所述第一氧化層在離該基板層最遠的一側處具有第一孔徑尺寸以及在離所述基板層最近的一側處具有第二孔徑尺寸，所述第一孔徑尺寸小於所述第二孔徑尺寸，以及其中該一個或多個氧化層配置為基於以下中的至少一個控制通過垂直腔表面發射雷射發出的雷射光束的光束發散度：該一個或多個氧化層的量， 該一個或多個氧化層的形狀，該一個或多個氧化層的一種或多種厚度，或該一個或多個氧化層與主動層的一種或多種接近程度。
  11. 如請求項10所述的方法，其中該一個或多個氧化層配置為在該主動層的主動區域附近形成相對大的有效折射率階躍，以形成該雷射光束的相對寬的光束發散度。
  12. 如請求項10所述的方法，其中該一個或多個氧化層配置為在該主動層的主動區域附近形成相對小的有效折射率階躍，以形成該雷射光束的相對窄的光束發散度。
  13. 如請求項10所述的方法，其中該垂直腔表面發射雷射是頂部發射垂直腔表面發射雷射。
  14. 如請求項10所述的方法，其中該一個或多個氧化層中的最靠近該主動層的氧化層不是錐形的。
  15. 一種垂直腔表面發射雷射(VCSEL)晶圓，包括：基板層；和在該基板層上的磊晶層，其中該磊晶層包括：在第一反射鏡和第二反射鏡之間的主動層，和在該主動層附近的一個或多個氧化層，以及其中該一個或多個氧化層包括第一氧化層，所述第一氧化層在離該基板層最遠的一側處具有第一孔徑尺寸以及在離所述基板層最近的一側處具有第二孔徑尺寸，所述第一孔徑尺寸小於所述第二孔徑尺寸，以及其中該一個或多個氧化層配置為通過基於以下中的至少一個控制該主 動層的主動區域附近的有效折射率階躍而控制所發出的雷射光束的光束發散度：包括在該一個或多個氧化層中的氧化層的量，該一個或多個氧化層中的至少一個氧化層的形狀，該一個或多個氧化層中的至少一個氧化層的厚度，或該一個或多個氧化層中的至少一個氧化層與該主動層的該主動區域的接近程度。
  16. 如請求項15所述的垂直腔表面發射雷射晶圓，其中相對大的有效折射率階躍造成該所發出雷射光束的相對寬的光束發散度，且其中相對小的有效折射率階躍造成該所發出雷射光束的相對窄的光束發散度。
  17. 如請求項15所述的垂直腔表面發射雷射晶圓，其中基於包括在該一個或多個氧化層中的氧化層的量控制光束發散度。
  18. 如請求項15所述的垂直腔表面發射雷射晶圓，其中該光束發散度基於該一個或多個氧化層中的至少一個氧化層的所述形狀控制。
  19. 如請求項15所述的垂直腔表面發射雷射晶圓，其中基於該一個或多個氧化層中的至少一個氧化層的厚度控制光束發散度。
  20. 如請求項15所述的垂直腔表面發射雷射晶圓，其中基於該一個或多個氧化層中的至少一個氧化層與該主動層的該主動區域的接近程度控制光束發散度。
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