电学泵浦半导体锯齿形扩展腔表面发射激光器和超发光led的制作方法

专利名称：电学泵浦半导体锯齿形扩展腔表面发射激光器和超发光led的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及半导体表面发射激光器。更具体而言，本发明涉及通过使用锯 齿形(zigzag)配置来改善扩展腔表面发射半导体激光器结构的性能。
背景技术：
光学泵浦固态Nd: YAG板条激光器(slab laser)是固态激光器的一种重要类别。 一种类型的Nd:YAG板条激光器是锯齿形板条几何形状，如图1所说明。在锯齿形板条几何 形状中，Nd YAG板条具有矩形横截面。板条包含倾斜面以允许激光束进入和离开板条。板条 具有两个大的相对的面。如现有技术图1所说明，通过贯穿板条整个长度经过相对的面照 射板条，板条被光学泵浦。倾斜面的角度导致光束以一角度进入板条(由于斯涅尔定律)并 且随后在相对的面经历全内反射。通过适当选择倾斜面的角度以及其它设计因素，光束由 于全内反射的原因而曲折遍历板条的长度。也就是说，光学束经历一连串的内反射，使得其 具有沿着板条长度的交变路径，束在该交变路径中在两个大的相对的面之间来回弹射。提 供附加的折回反射器以提供反馈到板条激光器。关于传统锯齿形固态激光器几何形状的背 景信息描述于W. Koechner, Solid State Laser Engineering, Springer Verlag Ed. , 1976, p. 392-394 ;B. J. Comaskey 等人，"High average power diode pumped slab laser", IEEE J. Quantum Electronics, vol. 28, no 4,1992 ^ 4 ^ , p. 992 ； \)JsR A. D. Farinas φ Α " Design and characterization of a 5. 5-ff,cw,injection-locked,fiber-coupled, laser-diode-pumped Nd:YAG miniature-slab laser" , Optics Letters, vol 19, no.2, 1994年1月15日，p. 114，其内容引用结合于此。常规Nd:YAG板条锯齿形激光器的一个方面在于，它贯穿板条的整个主体被光学 泵浦。因而，束沿着其穿越板条的整个长度经历光学增益。附加地，常规Nd: YAG锯齿形 板条激光器受益于固态激光器的比较小的增益谱和比较小的折射率特性变动。结果，常规 Nd YAG板条激光器可以用于提供高质量激光输出。相反，锯齿形激光器几何形状先前已被证明对于实施具有期望光学模式特性的高 效高功率半导体激光器是不切实际的。半导体激光器具有比较宽的增益谱、更高的增益系 数、以及折射率对温度和泵浦水平的高灵敏度。难以从大面积和体积的增益材料获得高功 率输出而不形成在空间和纵向模式中的各种光学不稳定性。例如，公知的是，在大的宽度上 被泵浦的板条几何形状半导体激光器具有在多个横向模式中激射的趋势。也就是说，由于 典型半导体中大的增益的原因，经常需要特殊的努力来抑制板条几何形状半导体激光器和 放大器中的寄生激射。例如，在高填充因子激光器棒(bar)中会出现横向激射，除非在发射器条(stripe)之间蚀刻形成深隔离槽来避免它。结果，由于典型半导体材料中大的增益的 原因，抑制寄生激射的设计是常见问题。由于大面积半导体激光器的电容大(RC时间常数 大)、需要高的调制电流以及产生各种模式不稳定性的原因，在调制它们时也存在一些实际 困难。现有技术中已经提出若干种半导体锯齿形激光器。然而，它们中的每一种具有明 显的缺点，使得它们不能用作其它类型半导体激光器的实用备选。实施锯齿形半导体激光器的一种方法公开于Kl imek的美国专利公布 2003/0012246，" Semiconductor ZigZag Laser and Optical Amplfier“。然而，Klimek 中的许多缺陷使得该设计无法用于获得具有稳定的大面积光学模式的高效电学泵浦激光 器。美国专利公布2003/0012246中公开的外延层设计方法在设计上与常规固态板条激光 器极为接近。与常规边发射半导体激光器相似，该半导体结构包含夹置于两个覆盖层之间 的有源区。有源区包含P掺杂和η掺杂区域。Klimek描述了光学泵浦和电学泵浦这二者， 但是没有公开提供高效电学泵浦的实用手段。电学泵浦的实施例将理解为需要在一个覆盖 层中P掺杂以及在另一个覆盖层中η掺杂，从而在顶部和底部电学接触之间形成ρ-η激光 二极管。因而，在Klimek的电学泵浦实施例中，光学模式穿越锯齿形路径经过η和ρ掺杂 有源区以及η和P掺杂覆盖区域，导致显著的光学损耗。再者，锯齿形路径具有沿着有源区 的一连串节点和波腹(antinode)。结果，增益没有被有效地利用。附加地，Klimek中公开的电学泵浦实施例还存在若干其它实际问题。Klimek公开 了光学覆盖层是外延生长的。然而，可以生长的具有高光学和材料质量且具有与高效设计 一致的合理地低的电学电阻的掺杂覆盖层的厚度，存在实际限制。在相当的边发射激光器 结构中，覆盖区域典型地厚度仅为几微米以减小电学电阻以及最小化掺杂层中不期望的光 学损耗。然而，如果在Klimek中使用这种高效激光器结构，则将垂直模式限制在几微米的 维度，即，限制在与在具有厚度仅为几微米的覆盖层的激光器结构中弹射模式一致的维度。 因而，由于覆盖厚度方面的限制，Klimek的高效电学泵浦实施方式在至少一个维度上将具 有小的光斑尺寸。Klimek也没有公开将光耦入和耦出半导体芯片的实际手段。尽管Klimek 公开了具有成角度的面的一个实施例，这种成角度的面在大多数半导体中难以制作成具有 受控角度。特别地，大多数半导体的自然解理和蚀刻平面不出现在与板条激光器所需的相 同的角度。Klimek中的另一实施例利用微棱镜元件将光耦合到半导体芯片。然而，这种微 棱镜将难以在这样小的物理尺度上实施并且将需要并不期望的附加对齐和封装步骤。附加 地，Klimek教导了板条具有大的横向尺寸。然而，这将趋于导致在激光器中产生多个横向 模式，类似于在大面积边发射激光器中所观察到的情形，或者作为一种极端情形，将导致寄 生横向激射。Klimek中没有提供关于如何抑制寄生激射的教导。Klimek也没有提供其所 提出的结构的实际维度的指南并且没有给出用于从激光器散逸和移除热量和用于解决外 延结构中的应力的解决方案。Klimek还具有其它缺陷，包括不工作的实例，其中所指定的材 料将不具有准确的折射率以提供全内反射。实施具有类似锯齿形路径的半导体激光器的另一种方法描述于Aram Mooradian 的题为〃 Optically-pumped external cavity laser"的美国专利 5，131，002 (下文中 称为"Mooradian专利")。Mooradian专利公开了使用光学泵浦源阵列来光学泵浦半导 体晶片的一系列有源区中的半导体材料。每个有源区包含有源半导体激光器材料，例如GaAs，其夹置于AKiaAs的覆盖层之间。外延结构被描述为具有几微米或者几十微米的厚 度。然而Mooradian专利没有利用全内反射。相反，锯齿形路径是通过利用两个附加反射 镜来产生的。底部反射镜形成于衬底的底部上。因而，Mooradian中的光学模式必须穿越 所有的半导体层和衬底从而反射离开底部反射镜。第二(顶部)反射镜定位在晶片之上。 Mooradian专利中没有给出有源区如何被电学泵浦的描述。再者，Mooradian专利也没有 公开形成具有稳定光学束的高效激光器所需的各种其它细节。Mooradian专利的一些缺陷 描述于Mefferd等人的美国专利公布No. 2006/0251141，其在第W008]-W009]段中描述 了 Mooradian专利遭受诸如下述问题的缺陷冷却扩展泵浦区域、由于芯片上平整度变化 引起的潜在未对齐、以及需要将有源区的面积改变多达4倍以实现高效谐振器。美国专利 公布No. 2006/0251141实际上提出使用具有多个分离芯片和外部折叠反射镜的复杂结构 来解决这些问题。Wasserbauer的美国专利公布No. 2006/0176544公开了一种光学放大器结构，其 中光在锯齿形路径中沿着光学放大器的长度行进。光学放大器被描述为被均勻地泵浦并且 设有横向波导，例如脊形波导。有源区夹置在顶部和底部分布布拉格反射器反射镜之间。光 学束进入放大器并撞击底部反射器，穿过增益区域，弹射离开顶部反射镜，且随后被向下引 导至底部反射镜，诸如此类，直到光学模式已经行进经过放大器的整个长度。然而，此放大 器设计具有各种缺点。首先，使用光学增益是潜在低效的，因为整个放大器被泵浦，而由于 锯齿形路径的原因，锯齿形路径将导致沿着增益区域的一连串节点和波腹。第二，光斑尺寸 将限制在比较小的光斑尺寸。在横向维度上，光斑尺寸将由横向侧向引导限制在大约几微 米左右的维度。第二，在垂直维度上，光斑尺寸也将限制在几微米左右，与外延反射镜的厚 度一致。鉴于到这些各种考虑，该放大器不能用作具有大光斑尺寸的高效高功率激光器的 ■石出。因而，尽管现有技术暗示了对于具有期望束特性的锯齿形类型半导体激光器的长 期未能满足的需求，这一目标尚未被满足。现有技术中提出的解决方案与实现这样的电学 泵浦半导体激光器不是一致的，该电学泵浦半导体激光器是高效的，能够高功率输出，其具 有大的光斑尺寸且其可以在增益切换或模式锁定配置中有效地使用。

发明内容
依据一个实施例，一组分布且可扩展(scalable)组的半导体增益元件形成于公 共衬底上且被电学泵浦，其中每个增益元件提供放大。每个增益元件可以是再生类型的。光 束以非垂直入射角(即，锯齿形光学路径)进入和离开增益元件。不使用反射镜或者仅使 用一个反射元件，该结构可以用于实现高功率放大超发光(superluminescent)发射。当反射镜或反射表面定位在光学束路径的两个端部时，它们形成电学泵浦锯齿形 半导体激光器的激光谐振器。在电学上，激光器可以制成具有单面或者双面接触。激光器 可以是单机激光器、主振荡器功率放大器(MOPA)且可以通过在腔体内添加光栅元件或标 准具而变为在单一纵向模式中工作。通过使增益元件的一个或多个上的电学极性颠倒以及在激光器腔体中引入损耗， 单面激光器可以被增益切换或模式锁定。该结构在本质上是普通的且可以在许多半导体材 料配置中实施，因而覆盖宽的波段。
该激光器可以使用腔内或者外部腔体非线性转换而频率倍增增。


参考结合附图进行的下述详细描述而更全面地理解本发明，在附图中图1说明依据现有技术的常规Nd: YAG板条固态锯齿形激光器；图2为依据本发明一个实施例的具有结朝下几何形状的半导体锯齿形外部腔表 面发射激光器的示意性侧视示以及一个电学泵浦增益元件的横截面；图3为依据本发明一个实施例的具有结朝上几何形状的半导体锯齿形外部腔表 面发射激光器的示意性侧视示以及一个电学泵浦增益元件的横截面；图4为经过放大器芯片的横截面的示意性图示，说明当模式进入增益元件且从分 布布拉格反射器反射回到腔体内时该芯片之内的空间高斯模式轮廓；图5为超发光LED实施例的示意性侧视示；图6为结朝下实施例的示意性侧视示，该实施例允许正向偏置一个或多个增 益元件并且独立地反向偏置一个或多个增益元件以在腔体内产生损耗以及允许增益切换 或者模式锁定；图7为结朝上实施例的示意性侧视示，该实施例允许正向偏置一个或多个增 益元件并且独立地反向偏置一个或多个增益元件以在腔体内产生损耗以及允许增益切换 或者模式锁定；图8为依据本发明一个实施例的^CSEL的腔内频率倍增的示意性侧视示；以 及图9为本发明的腔外频率倍增实施例的示意性侧视示并且示出此发明的实 施例，该实施例中ZECSEL激光器作为单一频率激光器在增益切换或模式锁定配置中工作； 以及图10为^CSEL与现有技术半导体激光器的亮度的比较。在附图的若干个视图中相同参考数字始终指相应部件。
具体实施例方式本发明的实施例涉及新型的使用单一芯片光学放大器的高亮度表面发射半导体 激光器和超发光LED，该光学放大器具有通过低光学损耗衬底中的锯齿形光学路径而相互 光学耦合的多个电学泵浦半导体增益元件。光学放大器芯片允许比与使用单独增益元件所 可能得到的累积光学增益更高的累积光学增益，其支持高功率放大器或激光器工作以及在 包括蓝色和紫外的不同波长处使用各种不同半导体材料。附加地，单独增益元件可以被分 离地调制成反向偏置p-n结调制器以调节光学损耗用于增益切换或者模式锁定。光学放大 器芯片具有这样的应用，该应用包括将其用作表面发射激光器、超发光LED(SLED)、腔内频 率倍增激光器、或者腔外频率倍增激光器。图2为本发明的实施例的图示，说明示例性光学放大器芯片200、示例性再生半 导体增益放大器元件1、以及在光学放大器芯片200内部的光学腔体部分中的锯齿形光学 路径205。光学放大器芯片可以与一个或多个外部折回反射器210或者其它外部元件组 合使用以形成扩展腔激光器，例如其中外部折回反射器210用于形成谐振器腔体的扩展腔激光器。因而在激光器配置中，光学束路径11包含光学放大器芯片200之内的锯齿形光 学路径205且还包含谐振器腔体的外部部分中的一部分光学束路径11。在具有附加折回 反射器210的激光器配置中，这种配置在下文中被描述为锯齿形扩展腔表面发射激光器 (ZECSEL)。光学芯片200包含一连串大体上平行的层以及位于具有不同材料特性(例如不同 的折射率)的层之间的关联边界。光学芯片200包含在衬底层25的第一边界32上的表面 区域31以将光耦入和耦出光学放大器芯片200。这些表面区域31优选地包含抗反射涂层 (AR)涂层30以高效地将光耦入/出光学增益放大器。AR涂层30在光学芯片提供光学增 益的波长范围附近具有低反射率。然而将理解，AR涂层30也可以是二向色的以及在其它 波段是高反射性的0 )。例如，如果光学芯片与外部腔体之内的光学频率倍增器元件一起 使用，则会期望AR涂层30在频率倍增波长处是高反射性的。反射表面41设于第一边界32上以将光重定向到锯齿形路径中。反射表面可包含 具有减小的折射率nl (以通过全内反射产生反射)的层、电介质层高反射率涂层、分布布拉 格反射器、或者金属涂层。偏振判别可以借助在反射边界32、33以及DBR 3和4反射离开的不同偏振的反射 系数中的差异来实现。在许多应用中期望具有线性偏振的输出光。反射表面41材料的选 择、离开反射表面41的反射数目、以及在反射表面41上的入射角也可以被选择以提供部分 偏振判别。在一个实施例中，这些参数被选择为利于单一线性偏振并因此消除对分离的偏 振部件的需求。衬底层25具有第二(内部)边界33。一连串外延生长半导体层27附连到第二边 界33。在一些实施例中，衬底层25为半导体衬底且外延生长半导体层27生长在衬底层25 上。然而，更一般而言衬底层25可以利用沉积技术或者通过衬底附连技术来形成。例如， 在一些实施例中，衬底层25是由玻璃、旋涂玻璃、或者光学透明聚合物形成。衬底层25在光学放大器芯片200的期望工作波长处是基本上光学透明的。作为 一个实例，与光学增益对比，在经过衬底层25的光学路径的期望工作波长部分处的总光学 损耗可以是低的。作为另一个实例，绝对光学损耗可以选择为低的。可替换地，衬底层25 可具有可饱和的光学损耗，使得在正常工作期间该光学损耗与其它光学损耗相比是低的。一组至少两个单独半导体再生增益元件1形成于外延生长半导体层27之内。尽管 图2说明两个再生增益元件1，将应理解，考虑更通常可以包含其它数目的增益元件1，例如 至少等于2的任何数目N，比如2、3、4等等，其中再生增益元件的数目N针对具体应用根据 需要扩大。每个再生增益元件1具有直径d。相邻增益元件分隔了中心到中心距离S。填 充因子d/S优选地不大于0. 5。选择大约0. 5或更小的填充因子则通过减小单独再生增益 元件1之间的热串扰而改善光学放大器芯片的热特性，并且允许高效热提取(即，提供了对 芯片的充分热管理)。附加地，这种布置具有其它益处。如稍后将描述，单独再生增益元件 分隔开充分的距离以维持占主导的高斯空间模式，光学波腹(高强度光学强度)位于每个 再生增益元件1的增益区域。图2的底部部分更详细说明示例性单独再生增益元件1。单独再生增益元件1提 供充分的增益以用作放大器，但是不具有充分的增益以用作单独激光器。示例性再生增益 元件包含有源增益区域10和至少一个分布布拉格反射器(DBR) 3以将光反射回到锯齿形光学路径205中。再生增益元件可利用台面结构以提供电流限制以及提供空间模式判别。圆 台面结构可以被蚀刻形成以形成大的光学孔径，其直径可以为5 μ m至250 μ m。直径d的 选择涉及许多折衷。如果台面直径太小，功率输出会减小。然而，对于大于约200微米的直 径，要实现空间模式控制则存在更多的困难。因此，考虑到这些折衷，对于高功率工作，更典 型的范围是在约20 μ m至100 μ m的范围内。台面应设计成防止有源区中的寄生横向激射。 一种方法是在台面上蚀刻形成成角度的壁。电学电流是通过使用质子注入、横向氧化或其 它等效手段来限制，并且允许在台面中间的电学泵浦区域。台面用钝化电介质层12覆盖。 通过在电介质层中图案化形成开口以及沉积P和η金属接触5和6，形成到芯片的电学接 触。在本发明中，至少两个再生增益元件被使用，并且锯齿形光学路径导致光以非垂 直入射角进入/离开每个DBR。本发明可以使用晶片级制作技术来实施，其充分利用先前针对单独表面发射激光 器发展的晶片级加工技术。具有增益区域和至少一个DBR的台面型半导体增益结构在具 有单一增益区域的垂直扩展腔表面发射激光器(VECSEL)的情形中是已知的，光以垂直入 射角射到每个DBR，其在下述美国专利中予以描述:Νο. 7，189，589,6, 404，797,6, 778，582、 7，322，704和6，898，225，每个这些专利的内容通过引用下述方面而被结合于此台面结 构、增益结构、使用台面结构和外部光学元件组合的空间模式控制、以及扩展腔设计。特别 地，在VECSEL领域中已知可以形成直径介于大约5微米至250微米的台面结构，其支持占 主导的高斯空间模式，5微米至200微米为优选范围。然而，现有技术中的VECSEL结构缺乏 充分的总光学增益以在许多波长范围中激射，并且甚至在所支持的波长范围中对于某些应 用也不够亮。示例性的具有再生放大结构的单独激光器增益元件1具有底部分布布拉格反射 器(DBR) 3、有源区10以及(可选的)顶部DBR反射器4。在再生放大中，两个DBR反射器 3和4不为单独激光器增益元件提供足够的反馈从而无附加外部反馈地独自激射。对顶部 DBR反射器4的反射比的选择控制再生放大特性和光学损耗。底部DBR反射器3优选地具有非常高反射率，并且可以例如通过具有足够数目的 高/低指数λ/4对以产生>99%的反射率来实施。材料可以是半导体、电介质或者混合半 导体/金属或电介质/金属。由于在电介质材料中可以实现更大反差比的原因，电介质DBR 将具有更少的对数。该选择还涉及针对热导率的优化，该优化为其中半导体选择是优选的。在本发明中，高反射率DBR反射镜设计成将半导体材料内部的入射束的角度考虑 在内。如下文更详细描述，根据斯涅尔定律并且通过考虑相对于每个界面处表面法向的入 射角，可以确定锯齿形路径。作为实例，对于feilnAlN/GaAIN材料体系的情形，θ 3将在13 度至25度的范围内。θ 3对于AKktAs体系约为13度至16度，对于GaP衬底为8. 5度至 16度以及对于GaAs为10度至16度。在所有情形中可以针对最大反射率来优化高反射率 DBR反射镜。如果被使用，顶部DBR反射器4可以通过具有足够数目的高/低指数λ /4对以产 生0至60%的反射率来实施。DBR反射器4的DBR可能是由半导体材料形成。顶部DBR反射 镜4是可选的且在某些材料体系中会难以实施。锯齿形激光器具有足够的增益而不使用它 来工作。例如，在一个实施例中，考虑在基于GaAs的材料体系中使用它，而不是在feilnAIN/GaAlN材料体系中使用它。在一个实施例中，有源层10是由量子阱或量子点材料构成。在此实施例中假设量 子阱是未掺杂的。阱的数目以及它们的厚度类似于在当前的边发射器设计(1至4个量子 阱)中所使用的数目和厚度。这表示比VECSEL器件(典型地10个或更多)中显著更少的 量子阱，在VECSEL器件中往返增益受限制。有源区分别被η和ρ掺杂半导体层8和9围绕。在此实施例中假设外延结构生长 在η型衬底上。相反在使用ρ型衬底的情形中，η和ρ层可以颠倒。ρ+/η+隧道结也可以用 来替代P层欧姆接触，使得激光器将具有两个η型电极，作为标准ρ-η结配置的替换方案。 例如，通过利用夹置在η和ρ GaN层之间的ρ+/η+隧道结，可以在GaN材料中制作第二接触。 这种情况下，形成到η GaN层的电学接触。由于材料中折射率的热依赖性与增益区域的比较高的电流密度以及比较大的直 径相结合的原因，热透镜7将典型地在半导体材料中形成。热透镜7具有比较慢的开始 (onset)，S卩，依赖于热时间常数的开始，该热时间常数可以约为几十毫秒或更长。在常规 VECSEL中热透镜7是不期望的，因为它使得难以快速调制常规VECSEL。也就是说，在具有单 个增益元件并且发射与DBR平面垂直的光的VECSEL中，在器件接通和加热时热透镜形成， 使得难以维持功率和束质量同时在MHz范围中的频率处直接调制常规VECSEL的电流。相反，本发明的锯齿形几何形状减小了热透镜7对输出束的影响，因为锯齿形路 径平均了跨过一组两个或更多个单独热透镜7的聚焦效应。也就是说，每个单独透镜7对 于沿一个方向进入的光是会聚的并且对于沿另一个方向进入的光是发散的。附加地，锯齿 形路径包含两个或更多个具有略微不同的透镜特性的增益元件。结果，净(平均)聚焦可 以选择为平均化，即，按照与Nd:YAG板条激光器相似的方式基本上消除。参考例如Kane等 人的文章"Reduced Thermal Focusing and Birefringence in Zig-Zag Slab Geometry Crystalline Lasers，〃 IEEE Journal of Quantum Electronics，pp. 1351-1354，Vol. QE-19，No.9，1983，其内容引用结合于此。在本发明中，这意味着热透镜的缓慢开始对 ZECSEL器件的直接调制有着最小的影响。图2的顶部部分还说明构成示例性结构的不同层之间的光学束的锯齿形路径 205。该结构可以使用斯涅尔定律作为三个基础层的叠层来分析，这些层具有折射率nl、n2 和η3，标记为层20、25和27。作为说明性实例，层25可以是具有高度hi的低光学损耗层， 例如低损耗衬底或旋涂层，层27可以对应于具有高度h2的外延半导体层，单独增益元件形 成在该外延半导体层中，且层20可以是空气或者一个或多个附加制作的层。在优选实施例 中，n3 > n2 > nl。束在顶部反射器界面41处反射。顶部反射器界面41可以是电介质涂 层、金属涂层或者组合。对于高指数材料的情形，有可能利用全内反射。该结构优选地具有 抗反射(AR)涂层30以允许层20和25之间的低损耗传输。因而，该示例性结构具有平面 的进入和离开窗口区域。取决于设计，层20可以是空气或者可以是另一种衬底材料。在具有不同折射率的层之间的每个边界处使用斯涅尔定律计算折射光学束的角 度，可以分析该锯齿形束路径。斯涅尔定律为nl sin( θ 1) = n2 sin( θ 2)并且可以应用在具有不同折射率的材料之间的每个边界。示例性增益元件直径d范围为20 μ m至100 μ m。两个增益元件之间的最佳分隔距离S由热考虑决定且也进一步维持稳定的单一空间模式。特别地，如果S太小，增益元件会 受到热串扰和增大的热阻。附加地，S可被选择以提供空间模式判别从而利于基本的高斯 空间模式。对于高功率激光器和SLED，中心到中心间距优选地> 200 μ m。中心到中心间距 S可以通过选择低光学损耗层25的厚度来控制。特别地，分隔距离S可以相对于每个增益 元件的直径d来选择，从而减小热串扰和/或减小热阻。附加地，S被选择为支持单一空间 模式。作为一个实例，在具体应用中，由于热串扰和热阻原因而会期望选择d/S比率为某一 最大的数。作为说明性实例，如果S为200微米且d为100微米，则比率d/S = 0.5。在此 实例中，增益元件之间的边缘到边缘分隔距离将为100微米。依据本发明的实施例，束进入 增益区块的进入角度以及层的厚度被选择为允许S和S/d受控制。在图2说明的实例中，hi > h2并且大多数锯齿形路径是经过包含低损耗衬底层 25的低光学损耗衬底区域。束因而经过AR窗口 30进入，在每个增益元件1接收光学增益 并且沿着经过低损耗衬底25的锯齿形路径的每个肢部被略微衰减。然而，依据本发明，衬 底25的材料组成和厚度的选择优选地选择为实现与增益元件1的累积增益相比是低的光 学损耗。本领域技术人员将理解，该构思可以在许多材料体系中实施且可以针对加工容易 度和低成本制造来优化。在第一实例中，考虑在feilnAlN/GaAIN材料体系。这种情况下，对 于基于GaN的材料，n3 2. 3，对于蓝宝石(Al2O3)，n2 = 1. 77，以及对于空气，nl = 1。这 种情况下对于340 μ m至154 μ m的蓝宝石厚度hi我们得到增益元件分隔距离> 200 μ m, 分别对应于30度至75度的入射角Θ1。对于这种材料体系，这是大的工作空间。因此利 用合理选择蓝宝石厚度，填充因子可以被选择以展开热负荷。在另一实施例中，对于空气， nl = 1，对于旋涂玻璃或PMMA，n2 = 1. 5，以及对于基于GaAs的材料体系，n3 = 3. 6。这种 情况下对于40度至75度的入射角θ 1，hi从211μπι变化到119μπι。在第二实例中考虑 衬底材料是基于GaAlAs或GaP，我们具有对于空气，nl = 1，对于MGaAs，n2 = 3. 4和对于 GaP，n2 = 3. 2，以及对于GaAs，n3 = 3.6。对于n2 = 3. 4的情形，衬底厚度hi的可用范围 是在604μπι至506μπι的范围。这对应于55度至75度的入射角θ 1。这是可获得的衬底 的实用范围且其考虑到单独芯片的锯切。对于n2 = 3. 2的情形，衬底厚度hi的范围是在 596 μ m至315 μ m的范围。这分别对应于32度至75度的入射角。光学放大器芯片200安装在热传导热沉2上。在一个实施例中，热沉材料是电学 绝缘的(BeO、AlN、金刚石等)且被图案化以匹配半导体芯片上的电学接触。这种情况下，η 和P接触均是在芯片的底部上。增益元件可以串联或者并联地电学连接。我们称此为"单 面"配置。安装配置为"结朝下"配置，因为增益元件的ρ-η结安装为紧邻热沉。在另一实施例中，芯片的顶部和底部均用金属覆盖。这是"双面"电学接触。顶 部金属层中的开口允许光学束穿过。这种情况下，热沉可以是电学传导的并且增益元件将 并联地电学连接。光学放大器芯片200与晶片级加工相兼容，这意味着低的制作成本。增益区块可 以在晶片级被筛选，这对制造成本也具有显著影响。管芯附连和组装可以使用在大批量激 光二极管制造中典型地使用的自动化设备来完成。这使得该方法是尤为可制造的以用于低 成本商业应用。光学放大器芯片200也可以用作超发光LED的基础。用于显示和照明的LED近来已经实现更高的功率和效率，特别是在光谱的蓝色和绿色区域。热和增益考虑成为扩大功 率的主要限制因素。此外该器件为具有随机偏振输出束的大的集光率朗伯源。这里处提出 的锯齿 形光学增益区块1可以导致具有更窄发射和偏振光谱的大增益，使得能够获得亮得 多(在更小的立体角中更高的功率)、偏振良好的超发光LED源。我们称此锯齿形超发光 LED构思为ZSLED。锯齿形光学路径205耦合沿着锯齿形光学路径的所有单独增益元件1。设计参数 选择为使得在激射模式中在每个单独增益元件的增益区域中存在波腹(高光学强度)。因 而，光进入一个再生增益元件1，被放大，并且(从DBR反射器)被往回反射朝向反射表面 41且随后被重定向朝向另一再生增益元件1，诸如此类。由于锯齿形耦合沿着锯齿形光学 路径205经过光学放大器芯片200长度的所有单独增益元件，使得总增益通过增加增益元 件而是可调节的。图3说明光学芯片的实施例，其设计成在结侧朝上几何形状中工作，其中单独增 益元件1置于光学芯片的表面上且衬底层附连到热沉。附加地，这种配置对于超发光LED而 言是期望的。在图3中可以看出，许多层与图2的层相同。然而，锯齿形路径略微更长。比 较图2和图3，可以看出结朝上配置需要两次附加反射离开反射表面。也就是说，在结朝上 配置中，光经由AR窗口 30进入并且在到达增益元件之前必须先被反射离开反射表面41。本发明的一个方面为，在结朝上配置中，通过例如与图2所述设计相似地选择衬 底层25的厚度hi和入射角θ 1，可以改变分隔距离S和填充因子d/S。这允许将增益元件 间隔开以通过热沉2高效地提取热。这种配置可以有效地在GaN材料体系中实施，其中衬 底材料25可以是蓝宝石、GaN或者GaAIN，它们都具有良好的热导率。在结朝上配置中，η 和P接触均置于芯片的顶部。这种配置允许晶片级测试，因为电极可以在晶片级被探测且 发射是在一角度。再者不需要解理，在一些材料体系中，例如生长在蓝宝石衬底上的GaN器 件，解离是困难的。图4说明激光器空间模式的多个方面。如前所述，每个增益元件提供增益并且还 用作反射器。设计选择为使得光学束在一个增益元件接收光学增益，被反射朝向反射表面 41且随后该束被偏转到下一个增益元件1，诸如此类，直到该束完成其经过光学放大器芯 片的长度的锯齿形路径。在本发明中，光学设计优选地选择为利于高斯TEMOO模式以及高 效利用可获得的光学增益。在本发明中，衬底层25的厚度hi、直径d以及分隔距离S的选 择被选择为允许占主导的高斯横向空间模式的传播，该模式在光学芯片之内传播且沿着锯 齿形路径被重定向到每个再生增益元件1。如前所述，层25和27在激射波长处具有低光学 损耗。空间模式将在很大程度上由单独再生增益元件的直径和增益/损耗特性确定，不过 附加外部光学元件210也优选地选择为利于高斯TEMOO模式。在光学芯片之内，空间光学模式优选地被选择为高效地利用单独增益元件1的有 源增益区域10中的增益以及反射离开底部DBR 3回到锯齿形路径中。在此实例中，光学模 式具有这样的直径，其高效地利用单独增益元件1之内可用的增益，且其进一步具有在有 源增益区域10处的波腹(高强度)。因而，例如，设计可以选择为与热透镜7协同工作以将 空间模式聚焦在增益区域10的提供增益的部分内，波腹在增益区域10处。在图4中可以看出，光学路径可以选择为使得热透镜效应在输入和输出路径上被 平均化。特别地，在此说明性实例中，空间模式在其经由热透镜7进入增益元件1时会聚并且随后在其离开增益元件1时均等地发散。这种设计的重 要优点为支持大的模式直径，得到显著的功率。激光器支持的模式 尺寸很大程度上依赖于台面直径d。高斯束由束光斑尺寸W表征，束光斑尺寸对传播距离 ζ具有函数依赖性。高斯束的属性被充分理解，如在J. T. Verdeyen, Laser Electronics, Prentice Hall ed.，1981，p. 61中所述。在我们的情形中，直径 2W的高斯束可以进入电 学泵浦孔径d在维度上与束尺寸(2W)类似的增益元件并且继续以锯齿形方式传播经过激 光器腔体其余部分。如果d为ΙΟΟμπι，这种激光器可以支持直径接近IOOym的大的高斯 束。束质量完好地保留，使得接下来的激光束为接近衍射极限(TEMOO)和非常高的功率，形 成非常高亮度的激光，在性能上与大且复杂得多的固态激光器相当。图5说明一实例，其中单个反射镜64被添加到超发光LED配置中的结朝上光学芯 片。在超发光LED配置中，通过例如减小外部光学反馈的数量，例如通过除去一个外部反射 镜，激射被抑制。图6说明结朝下实施例，其中至少一个增益元件与其它增益元件电学隔离以提供 对光学腔体的净光学增益的控制。图7说明相当的结朝上配置。光束以非垂直入射角进入 /离开单独增益元件。反射器62和72连同束形成光学元件61和71被提供以形成外部激 光器腔体。激光束80从腔体的一个端部被提取。如前所述，在ZECSEL几何形状中，单独增 益元件相互分隔一分隔距离S。单独增益元件也可以设计成为能够或者并行地驱动或者用 不同偏置驱动的电学分离元件。图6和7说明一实施例，其中ZECSEL包含在反向偏置模式 中工作以提供调制光学损耗的至少一个再生增益元件，该调制光学损耗是通过改变增益元 件的p-n结上的反向偏置来控制的。正向偏置区域90包含至少一个再生增益元件，其具有 正向偏置p-n结以产生光学增益。区域91具有分离的电学接触并且与区域90电学隔离， 使得其可以通过应用反向电压到电极5和6而被独立地反向偏置。光学芯片中的光学损耗 可以通过改变区域91中的反向偏置而被快速地调制。这允许在亚皮秒时帧将增益接通或 切断(即，增益切换或者模式锁定)。高峰值功率将在这样的工作条件下产生。执行等价功能、可用于形成外部腔体的光学组件的许多变型是可能的。例如，反射 器62和光学元件61可以使用弯曲反射表面替代。在备用实施例中，有斜面的表面可被蚀 刻形成于透明衬底材料25中并且被HR涂敷以形成腔体的一个端部。附加地，一个或多个 外部光栅元件可用于提供光学反馈和/或提供纵向模式判别。图8说明具有腔内频率倍增的ZECSEL。在此实例中，光学芯片与图6的实施例相 似以支持增益切换或者模式锁定。然而，该外部光学组件布置成提供腔内频率倍增。产生 快速调制的能力提供了在基本功率实现高峰值功率的显著优点，这进而改善了频率倍增的 光的输出。频率倍增过程的效率对泵浦光的强度具有强依赖性。特别地，频率倍增过程的 效率强烈地依赖于泵浦光的强度且一般与泵浦光的强度的平方成比例。当这些激光器用 于产生二次谐波光发射时，这特别是有用的，因为高峰值强度可被产生而没有面损伤以及 蓝-绿非线性转换过程是按红外(IR)强度的平方进行的。腔内方法允许更长波长强度的 积累且因而可以通常产生更高的倍增功率，因为非线性转换与强度的平方成比例。非线性 光学(NLO)材料95提供频率倍增。NLO可以是常规非线性光学材料，例如PPLN、KTP、PPLT。 PPLT在较短波长(UV)应用中将是有利的。反射镜93封闭腔体。它将较长波长处的所有 发射反射回到增益芯片中，且它提供倍增束的耦出。还包含了陷波滤波器94，其使增益芯片发射波长变窄用于高效倍增。交替地，标准具可被使用来替代滤波器，或者体积布拉格光 栅(VBG)可以用于替代一个激光器反射镜。二向色分束器/偏振器96确保适当的偏振用 于VECSEL中的倍增，但是偏振功能在ZECSEL中可能是不需要的。正向束97和反向束98 倍增束均从腔体被提取。后者从反射镜92向外反射。通过在可见束路径中添加λ/4片并 除去第二(反向)束反射器92，可以实现单一正交偏振束。图9说明具有腔外频率倍增的ZECSEL。大量的光学组件与先前所述的光学组件相 似。然而，在图9的实例中，NLO放置在激光器腔体外部。激光器本身为独立的单一频率激 光器。单一频率可以通过在腔体内使用光栅元件(63)来实现。交替地，腔内标准具可被使 用，或者激光器可以在使用单一频率外部主振荡器(MO)的MOPA配置中工作。在此优选实 施例中，激光器在增益切换或模式锁定工作中工作从而产生高的峰值功率。因为新ZECSEL激光器为半导体激光器提供了全新的设计空间，它使得能够在宽 范围的发射波长实现高功率、高亮度和衍射极限束。特别地，ZECSEL可以在用于制造半导体 激光器和LED的宽范围的材料体系中制作。通过调节量子阱(QW)或者量子点有源区材料 以及相邻的透明区域，ZECSEL可以在宽的波长范围(UV到远红外)上使用。这包含包括 GalnAlN/GaAIN 的基于 GaN 的材料(0. 3-0. 5 μ m 发射波长)、ZnSSe/ZnMgSSe (0. 45-0. 55 μ m 发射波长)、GaAlInP/GaAs (0. 63-0. 67 μ m 发射波长)、GaAlAs/GaAs (0. 78-0. 88 μ m 发射 波长)、GalnAs/GaAs (0. 98-1. 2 μ m 发射波长)、GalnNAs/GaAs (1. 2_1· 3μπι 发射波长)、 GalnAsP/InP和AlGalnAs/InP (1. 3-1. 6ym发射波长)。通过使用相同的几何形状利用其 它材料体系(例如Pb盐材料)，波长范围也可以扩展在2μπι至IOym范围。在GaInAlN/ GaAlN材料体系中，这允许在光谱的UV、蓝色和绿色区域中的直接发射。本发明的一个优点为，其可以用于在GaN材料体系中实现表面发射激光器。对于 实现可见和UV波长激光器，GaN材料体系是受关注的。传统上这些材料提供不够充分的光 学增益以实现高功率表面发射激光器。然而，在本发明中，可以增加单独再生增益元件的数 目直到ZECSEL支持在GaN材料体系中在期望波长处激射。表1说明基于GaN的ZECSEL所特有的示例性设计考虑。
权利要求
1.一种半导体锯齿形外部腔表面发射光学设备，包含具有一连串的材料的层的芯片；该芯片包含邻近该芯片的平面层边界布置的至少两个再生半导体增益元件；每个单独 再生半导体增益元件包含提供增益到该设备的光学模式的电学泵浦增益区域和至少一个 分布布拉格反射器，每个再生增益元件具有直径d，每个相邻再生增益元件之间的分隔距离 S选择为使得由d除以S限定的填充因子小于1 ；该芯片包含包括至少一个层的衬底层区域，该衬底层区域在该光学模式的波长处是基 本上透明的，该衬底区域包含与和该至少两个再生增益元件关联的平面层边界平行且分隔 开的反射表面；该芯片的至少一个光学进入/离开表面区域，经由该衬底区域的反射表面和每个再生 增益元件的分布布拉格反射器之间的一连串反射，在锯齿形路径中将光耦入该芯片中，该 锯齿形路径进一步具有在每个再生增益元件的增益区域处的波腹；至少一个外部光学元件，形成提供回到该芯片中的光学反馈的外部腔体，并且控制该 光学模式的横向光学模式特性以形成具有基本高斯空间模式的输出束。
2.权利要求1的光学设备，其中该填充因子d/S小于0.5。
3.权利要求1的光学设备，其中每个再生放大器的直径d是在5微米至200微米的范 围内。
4.权利要求3的光学设备，其中每个再生放大器包含圆台面以提供电流限制和空间模 式判别。
5.权利要求1的光学设备，其中该衬底区域的反射表面选自由下述组成的群组金属 涂层、电介质涂层、高反射率涂层、产生全内反射的折射率台阶、以及分布布拉格反射器。
6.权利要求1的光学设备，其中该至少一个分布布拉格反射器包含布置在邻近该衬底 区域的该增益区域的一个侧面上的第一分布布拉格反射器以及布置在该增益区域的另一 个侧面上的第二分布布拉格反射器，该第二分布布拉格反射器具有比该第一分布布拉格反 射器大的反射率。
7.权利要求1的光学设备，其中该光学束在该反射表面经历全内反射。
8.权利要求1的光学设备，其中s和ρ偏振从该反射表面以不同角度反射，分隔距离S 和高度H选择为有利于具有线性偏振的光学模式。
9.权利要求1的光学设备，其中由于该增益区域的折射率的热依赖性的原因，每个再 生增益元件形成热透镜，该锯齿形路径选择为至少部分消除激射模式中每个热透镜的影 响。
10.权利要求1的光学设备，其中该衬底区域包含在发射波长基本上光学透明的半导 体区域。
11.权利要求1的光学设备，其中该衬底区域选自由下述组成的群组半导体、蓝宝石、 玻璃、旋涂玻璃、或者光学透明聚合物材料。
12.权利要求1的光学设备，其中每个再生增益元件缺乏来自其各自至少一个分布布 拉格反射器的足够反馈从而无附加反馈地独自激射。
13.权利要求1的激光器，进一步包含腔内频率倍增器。
14.一种半导体锯齿形外部腔表面发射激光器，包含具有一连串的材料的层的芯片；该芯片包含邻近该芯片的平面层边界布置的至少两个再生半导体增益元件；具有p-n 结的每个单独再生半导体增益元件包含电学泵浦增益区域和至少一个分布布拉格反射器， 每个再生增益元件具有直径d，每个相邻再生增益元件之间的分隔距离S选择为使得由d除 以S限定的填充因子小于1 ；该芯片包含包括至少一个层的衬底层区域，该衬底层区域在该光学模式的波长处是基 本上透明的，该衬底区域包含与和该至少两个再生增益元件关联的平面层边界平行且分隔 开的反射表面；该芯片的至少一个光学进入/离开表面，经由该衬底区域的反射表面和每个再生增益 元件的分布布拉格反射器之间的一连串反射，在锯齿形路径中将光耦入该芯片中，该锯齿 形路径进一步具有在每个再生增益元件的增益区域处的波腹；至少一个外部光学元件，形成提供回到该芯片中的光学反馈的外部腔体，并且控制该 光学模式的横向光学模式特性以形成具有占主导的高斯空间模式的输出束；至少一个该再生增益元件可作为正向偏置P-n结工作以提供光学增益，以及至少一个 该再生增益元件可作为反向偏置P-n结工作以调制激光器的损耗。
15.权利要求14的激光器，其中至少一个该再生增益元件作为反向偏置的p-n结工作 以提供激光器的增益切换或者模式锁定其中之一。
16.权利要求14的激光器，进一步包含腔内频率倍增器。
17.一种半导体锯齿形外部腔表面发射激光器，包含 具有一连串的材料的层的芯片；该芯片包含邻近该芯片的平面层边界布置的至少两个电学泵浦再生半导体增益元件； 每个单独再生半导体增益元件具有提供电流限制和空间模式控制的P-n结台面、增益区域 以及至少一个分布布拉格反射器，每个再生增益元件具有台面直径d，每个相邻再生增益元 件之间的分隔距离S选择为使得由d除以S限定的填充因子小于0. 5，且d为至少5微米； 该芯片包含包括至少一个层的衬底层区域，该衬底层区域在该光学模式的波长处是基 本上透明的，该衬底区域包含与和该至少两个再生增益元件关联的平面层边界平行且分隔 开的反射表面；该芯片的至少一个光学进入/离开表面，经由该衬底区域的反射表面和每个再生增益 元件的分布布拉格反射器之间的一连串反射，在锯齿形路径中将光耦入该芯片中，该锯齿 形路径进一步具有在每个再生增益元件的增益区域处的波腹；至少一个外部光学元件，形成提供回到该芯片中的光学反馈的外部腔体，并且控制该 光学模式的横向光学模式特性以形成具有基本高斯空间模式的输出束； 在该反射表面上的一连串反射提供偏振判别以产生线性偏振； 经过该再生增益元件的该锯齿形路径基本上消除单独再生增益元件之内热透镜效应 的影响；每个单独再生增益元件缺乏足够的增益和反馈以作为单独激光器来工作，激射模式是 根据该再生增益元件的累积增益来工作。
18.权利要求17的激光器，进一步包含腔内频率倍增器。
19.一种短波长半导体锯齿形外部腔表面发射激光器，包含具有一连串的材料的层的芯片；该芯片包含邻近平面层边界布置的至少两个电学泵浦再生半导体增益元件；每个单独 再生半导体增益元件具有提供电流限制和空间模式控制的p-n结台面、由基于feiN的材料 形成以在0. 3 μ m至0. 5 μ m发射波长范围内的预选择波长处提供增益的有源增益区域、以 及至少一个分布布拉格反射器，每个再生增益元件具有台面直径d，每个相邻再生增益元件 之间的分隔距离S选择为使得由d除以S限定的填充因子小于0. 5，且d为至少5微米；该芯片包含具有至少一个层的衬底层区域，该至少一个层选自由蓝宝石或基于GaN的 化合物组成的群组，该衬底层区域在该光学模式的波长处是基本上透明的，并且包含与和 该至少两个再生增益元件的平面边界平行且分隔开的反射表面；该芯片的至少一个光学进入/离开表面，经由该衬底区域的反射表面和每个再生增益 元件的分布布拉格反射器之间的一连串反射，在锯齿形路径中将光耦入该芯片中，该锯齿 形路径进一步具有在每个再生增益元件的增益区域处的波腹；至少一个外部光学元件，形成提供回到该芯片中的光学反馈的外部腔体，并且控制该 光学模式的横向光学模式特性以形成具有基本高斯空间模式的输出束； 在该反射表面上的一连串反射提供偏振判别以产生线性偏振； 经过该再生增益元件的该锯齿形路径基本上消除单独再生增益元件之内热透镜效应 的影响；每个单独再生增益元件缺乏足够的增益和反馈以作为单独激光器来工作，激射模式是 根据该再生增益元件的累积增益来工作。
20.权利要求19的激光器，其中至少一个该再生增益元件可作为正向偏置p-n结工作 以提供光学增益，以及至少一个该再生增益元件可作为反向偏置P-n结工作以调制激光器 的损耗成为增益切换或模式锁定激光器。
21.权利要求20的激光器，进一步与频率倍增器组合。
全文摘要
半导体表面发射光学放大器芯片利用光学放大器芯片之内的锯齿形光学路径。锯齿形光学路径耦合两个或更多个增益元件。每个单独增益元件具有圆形孔径且包含增益区域和至少一个分布布拉格反射器。在一个实施方式中，光学放大器芯片包含至少两个增益元件，该至少两个增益元件分隔开且具有不大于0.5的填充因子。结果，总光学增益可以增加。光学放大器芯片可作为超发光LED工作。交替地，光学放大器芯片可以与外部光学元件一起使用以形成扩展腔激光器。单独增益元件可以工作于反向偏置模式以支持增益切换或者模式锁定。
文档编号H01S5/125GK102089944SQ200980113145
公开日2011年6月8日 申请日期2009年2月17日 优先权日2008年2月14日
发明者迈克尔·詹森 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司, 飞利浦拉米尔德斯照明设备有限责任公司