[发明专利]垂直腔面发射激光器

说明书

背景技术

半导体激光器表示现今使用的激光器的最重要的种类之一，因为其能够用在包含显示器、固态照明、传感器、打印机、以及电信(仅举几例)的多种多样的系统中。主要使用的半导体激光器的两种类型是边发射激光器和面发射激光器。边发射激光器生成以基本平行于光发射层的方向行进的光。另一方面，面发射激光器生成正交于光发射层行进的光。面发射层比典型的边发射激光器具有若干优点：其更有效率地发射光并且能够以二维光发射阵列布置。

典型的面发射激光器的光发射层夹置在两个反射器之间，并且该激光器被称为垂直腔面发射激光器(“VCSEL”)。反射器典型地是分布式布拉格反射器(“DBR”)，其理想地形成具有大于99％的用于光反馈的反射率的共振腔。DBR由具有周期性的折射率变化的多个交替的电介质层或半导体层构成。DBR内的两个相邻的层具有不同的折射率并且被称为“DBR对”。DBR反射率和带宽取决于每一层的组成材料的折射率对比和每一层的厚度。用于形成DBR对的材料典型地具有相似的组分，并且因此具有相对小的折射率差异。从而，为了实现大于99％的腔反射率并且提供窄的镜带宽，DBR在任何地方具有从大约15至大约40或更多的DBR对。然而，制造具有大于99％的反射率的DBR被证明是困难的，尤其是对于设计为发射具有电磁谱的蓝绿和远红外(long-infrared)部分中的波长的光的VCSEL。

物理学家和工程师继续寻求VCSEL设计、操作以及效率上的提高。

附图说明

图1A-1B分别示出了范例VCSEL的等距视图和分解等距视图。

图2示出了沿着图1A中示出的VCSEL的线I-I的横截面视图。

图3示出了图1中示出的VCSEL的光栅层的分解等距视图。

图4示出了对于一维亚波长光栅的波长范围上的反射比和相移的绘图。

图5示出了被连接至电压源的图1中示出的VCSEL的横截面视图。

图6示出了图1中示出的VCSEL的共振腔中的电磁驻波的表示。

图7示出了具有输出束的表示的图1中示出的VCSEL的横截面视图。

图8A示出了图1中示出的VCSEL的共振腔中的三个横模的范例强度分布。

图8B-8C示出了VCSEL的共振波长和品质因子与孔隙层的孔隙直径的关系的绘图。

图9示出了图1中示出的VCSEL的光发射层的范例强度分布与波长的关系的绘图。

图10A示出了范例VCSEL的横截面视图。

图10B示出了范例VCSEL的横截面视图。

图11A-11B分别示出了范例VCSEL阵列的等距视图和横截面视图。

图12示出了从图11中示出的VCSEL阵列的光发射层发射的光的范例强度分布与波长的关系的绘图。

具体实施方式

公开了垂直腔面发射激光器(“VCSEL”)和VCSEL阵列。每一个VCSEL，不论是单独的VCSEL还是VCSEL阵列中的VCSEL，包含介电孔隙层和亚波长光栅(“SWG”)。SWG是VCSEL共振腔的反射面之一。选定SWG图形，使得从VCSEL输出具有期望的波长的光的束。每一个VCSEL的孔隙层中的孔隙限制光模和横向中的电流。通常，每一个VCSEL具有小的模体积、大致单个空间输出模，在窄的波长范围上发射光，以及能够发射具有单个偏振的光。

在下面的描述中，术语“光”指的是具有电磁谱的可见和非可见部分中的波长的电磁辐射，包含电磁谱的红外和紫外部分。

具有亚波长光栅的VCSEL