[发明专利]具有非周期性光栅的垂直腔表面发射激光器

说明书

技术领域

本发明的各种实施例涉及激光器，并且特别涉及半导体激光器。

背景技术

半导体激光器代表现今在使用的最重要类别的激光器中的一种，这是因为它们可以被用在各种各样的应用中，包括显示器、固态照明、感测、印刷、以及电信，这里仅举几个例子。主要在使用的两种类型的半导体激光器是边缘发射激光器和表面发射激光器。边缘发射激光器生成在基本上平行于发光层的方向上行进的光。另一方面，表面发射激光器生成在发光层的法向上行进的光。表面发射层与典型的边缘发射层相比具有许多优点：它们更高效地发光，并且可以被布置形成二维发光阵列。

被配置成具有夹在两个反射器之间的发光层的表面发射激光器被称作垂直腔表面发射激光器（“VCSEL”）。所述反射器通常是分布式布拉格反射器（“DBR”），其在理想情况下形成具有大于99%反射率的反射腔以用于光学反馈。DBR由多个交替层构成，每层由具有周期性折射率变化的电介质或半导体材料构成。DBR内的两个相邻层具有不同的折射率，并且被称作“DBR对”。DBR反射率和带宽取决于每层的构成材料的折射率对比度以及每层的厚度。用来形成DBR对的材料通常具有类似的成分，并且因此具有相对较小的折射率差。因此，为了获得大于99%的腔反射率并且提供窄镜带宽，DBR被配置成具有从大约15个到大约40个或者更多个DBR对。然而，制造具有大于99%反射率的DBR已证明是困难的，尤其是对于被设计成发射具有处于电磁谱的蓝色-绿色和长红外部分中的波长的光的VCSEL。

物理学家和工程师们继续寻求对VCSEL的设计、操作和效率的改进。

附图说明

图1A示出根据本发明的一个或多个实施例配置的示例VCSEL的等距视图。

图1B示出根据本发明的一个或多个实施例配置的图1A中所示的VCSEL的分解等距视图。

图2示出根据本发明的一个或多个实施例的沿着图1A中所示的线A-A的VCSEL的剖面图。

图3A-3C示出根据本发明的一个或多个实施例的被配置成具有一维和二维光栅图案的亚波长光栅的俯视图。

图4示出根据本发明的一个或多个实施例的来自两个单独的光栅子图案的线条的剖面图，其揭示出由反射的光获得的相位。

图5示出根据本发明的一个或多个实施例的来自两个单独的光栅子图案的线条的剖面图，其揭示出反射的波前如何改变。

图6示出由根据本发明的一个或多个实施例配置的光栅图案产生的示例性相位改变轮廓图的等距视图。

图7示出根据本发明的一个或多个实施例的被配置成将入射光聚焦到焦点的亚波长光栅的侧视图。

图8示出针对根据本发明的一个或多个实施例配置的亚波长光栅的一定入射光波长范围内的反射率和相移的曲线图。

图9示出根据本发明的一个或多个实施例获得的作为周期和占空比的函数的相位变化的相位轮廓曲线图。

图10A示出根据本发明的一个或多个实施例的被配置成作为聚焦柱面镜操作的一维亚波长光栅的俯视图。

图10B示出根据本发明的一个或多个实施例的被配置成作为聚焦球面镜操作的一维亚波长光栅的俯视图。

图11A-11B示出根据本发明的一个或多个实施例配置并操作的VCSEL的剖面图。

图12示出从根据本发明的一个或多个实施例配置的VCSEL的发光层发射的光的假设腔模式和强度或增益分布图（profile）的示例曲线图。

图13示出示意性地代表根据本发明的一个或多个实施例配置的VCSEL的谐振腔的平凹谐振器。

图14示出从根据本发明的一个或多个实施例配置的VCSEL发射的偏振光。

图15A示出在根据本发明的一个或多个实施例配置的VCSEL的腔中产生的两种横模的实例。

图15B示出从根据本发明的一个或多个实施例配置的VCSEL发射的最低阶横模的强度分布图分布的示例轮廓曲线图。

图16示出从根据本发明的一个或多个实施例的VCSEL发射的光束的示例剖面图。

图17A-17B示出根据本发明的一个或多个实施例配置的示例VCSEL的等距视图以及沿着线B-B的剖面图。

图18A-18B示出根据本发明的一个或多个实施例配置的示例VCSEL 1800的等距视图以及沿着线C-C的剖面图。

图19示出根据本发明的一个或多个实施例的用于生成光的方法的控制流程图。

具体实施方式