具有光束形状和光束方向修改的激光器的制作方法

本专利申请要求2013年11月7日提交的美国临时专利申请号61/901,265的优先权，该申请通过引用以其全部内容结合在此。

发明领域

本披露总体上涉及光子器件，并且更具体地，涉及改进的光子器件及其制造方法。

发明背景

半导体激光器通常通过透过金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)在衬底上生长适当层状半导体材料以形成具有平行于衬底表面的有源区的外延结构而被制造在晶片上。然后用各种半导体处理工具处理晶片，以产生包括有源区并且包括附在半导体材料上的金属触点的激光光学腔。通常通过沿半导体材料的晶体结构来切割半导体材料以限定激光光学腔的边缘或两端来在激光腔的两端形成激光器端面，使得当跨触点施加偏压时，所产生的经过有源区的电流流动使光子在垂直于电流流动的方向上从有源区的面边缘发射出来。由于切割半导体材料来形成激光器端面，端面的位置和定向受限制；此外，一旦晶片已经切割，通常它是小片的，使得常规的光刻技术不能容易地用来进一步处理激光器。

前述和其他由使用切割端面造成的困难导致了用于通过蚀刻形成半导体激光器的面的工艺的发展。这个如在美国专利号4,851,368中描述的工艺也允许激光器与其他光子器件单片集成在同一衬底上，该专利的披露内容通过引用结合在此。这项工作被进一步扩展，并且一种基于蚀刻端面的脊型激光器工艺被披露在1992年5月的IEEE量子电子学期刊(IEEE Journal of Quantum Electronics)，第28卷，第5期，第1227-1231页。

使用半导体激光器的主要挑战之一是来自激光器的输出光束与所述光束被引导或耦合到的介质之间的不匹配。例如，形成具有模斑转换器(SSC)的半导体激光器可以允许更有效地将激光耦合到光纤或扩大用于光学对准的公差，但是，通常存在随着形成SSC而来的某些缺点，如工艺复杂性和激光器特性的降低。激光器特性的降低的示例是激光器阈值电流的增大。以下出版物讨论了采用的各种SSC方法：板屋(Itaya)等人的“集成模斑转换器的激光二极管(SS-LD)(Spot-Size Converter Integrated Laser Diodes(SS-LD’s))”，IEEE量子电子学选定课题期刊(IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics)，第3卷，第3期，第968-974页；摩尔曼(Moerman)等人的“用于锥形物与III-V族半导体器件的单片集成的制造技术综述(A Review on Fabrication Technologies for the Monolithic Integration of Tapers with III-V Semiconductor Devices)”，IEEE量子电子学选定课题期刊，第3卷，第6期，第1308-1320页；以及山崎(Yamazaki)等人的“通过窄带选择性MOVPE制造的集成1.3μm模斑转换器的激光二极管(1.3-μm Spot-Size-Converter Integrated Laser Diodes Fabricated by Narrow-Stripe Selective MOVPE)”，IEEE量子电子学选定课题期刊，第3卷，第6期，第1392-1398页。

通过允许光束修改而不显著影响激光器特性(如激光器阈值)的工艺形成的激光器结构是非常理想的，并且(例如)可以低成本封装导致非常高效地将激光束耦合到光纤，从而降低了功耗。此外，在许多应用中期望将光束以垂直于衬底或从垂直于衬底离开的角度引导光束的能力，如光纤和硅光子是光到硅光子芯片上的光栅的有效耦合是非常重要的(参见(例如)韦尔默朗(Vermeulen)等人的“使用先进的兼容CMOS的绝缘体上硅平台实现的高效率光纤到芯片光栅耦合器”，2010年的光学快报，第18卷，第17期，第18278-18283页)。显示器应用(如微型投影机或视网膜投影机)需要激光被整形并引导到如具有最小重量和大小并且具有最高效率的微机电系统或MEMS组件的元件。

技术实现要素：

披露了一种连同半导体激光器一起对激光束进行整形并对该激光束的方向进行修改的反射表面。可以在邻近激光器结构设置的结构上形成该反射表面以允许将激光高耦合到例如硅光子芯片或光纤。

在本披露的一个实施例中，使用在激光器的输出端面的前面的反射表面对来自蚀刻端面激光器的激光束的方向进行修改。在本披露的另一个实施例中，使用在输出端面的前面的反射表面的形状来修改激光器的垂直远场。在本披露的又一个实施例中，由在输出端面的前面的反射表面的形状来修改激光器的水平远场。在本披露的又一个实施例中，上述修改中的两项或多项同时发生。

附图简要说明

结合附图阅读对本披露的以下详细描述，本披露的上述和其他目的、特征和优点对于本领域的技术人员来说将变得显而易见，附图简述如下。

图1(a)是其中前端面和后端面两者均通过切割形成的半导体激光器的横截面；并且图1(b)是通过2维RSoft有限差分时域(FDTD)模拟获得的来自前端面或后端面的相应的垂直远场(VFF)。

图2(a)是其中前端面和后端面两者均通过蚀刻形成的半导体激光器的横截面，其中2μm的平坦露台邻近前端面；并且图2(b)包含通过2维RSoft FDTD模拟获得的这种结构的相应的VFF(实线)和用于参考的来自图1(b)的VFF(虚线)。

图3(a)是其中前端面和后端面两者均通过蚀刻形成的半导体激光器的横截面，其中10μm的平坦露台邻近前端面；并且图3(b)包含通过2维RSoft FDTD模拟获得的这种结构的相应的VFF(实线)和用于参考的来自图1(b)的VFF(虚线)。

图4(a)是其中前端面和后端面两者均通过蚀刻形成的半导体激光器的横截面，其中长度为15μm的平坦露台邻近前端面，露台表面在有源区的中心的平面下方2μm处，与衬底的平面成45.0°的平坦反射表面邻近露台，并且反射表面高度在有源区的中心上方2μm；图4(b)示出了离开前端面并且由反射表面修改的光的光强的2维RSoft FDTD模拟；并且图4(c)以实线示出了在垂直于衬底的方向上的VFF，而来自图1(b)的VFF被以虚线示出以供参考。

图5(a)是其中前端面和后端面两者均通过蚀刻形成的半导体激光器的横截面，其中长度为15μm的平坦露台邻近前端面，露台表面在有源区的中心的平面下方2μm处，弯曲反射表面邻近露台，并且反射表面高度在有源区的中心上方2μm；图5(b)示出了离开前端面并且由反射表面修改的光的光强的2维RSoft FDTD模拟；并且图5(c)以实线示出了在垂直于衬底的方向上的VFF，而来自图1(b)的VFF被以虚线示出以供参考。

图6(a)是其中前端面和后端面两者均通过蚀刻形成的半导体激光器的横截面，其中长度为5μm的平坦露台邻近前端面，露台表面在有源区的中心的平面下方3μm处，与衬底的平面成45.0°的平坦反射表面邻近露台，并且反射表面高度在有源区的中心上方5μm；图6(b)示出了离开前端面并且由反射表面修改的光的光强的2维RSoft FDTD模拟；并且图6(c)以实线示出了在垂直于衬底的方向的VFF，而来自图1(b)的VFF被以虚线示出以供参考。

图7(a)是其中前端面和后端面两者均通过蚀刻形成的半导体激光器的横截面，其中长度为5μm的平坦露台邻近前端面，露台表面在有源区的中心的平面下方3μm处，与衬底的平面成39.0°的平坦反射表面邻近露台，并且反射表面高度在有源区的中心上方5μm；图7(b)示出了离开前端面并且由反射表面修改的光的光强的2维RSoft FDTD模拟；并且图7(c)以实线示出了在垂直于衬底的方向的VFF，而来自图1(b)的VFF被以虚线示出以供参考。

图8(a)是其中前端面和后端面两者均通过蚀刻形成的半导体激光器的横截面，其中长度为5μm的平坦露台邻近前端面，露台表面在有源区的中心的平面下方3μm处，弯曲反射表面(其在与该弯曲表面的两端相交的平面和衬底的平面之间具有45.0°角)邻近露台，反射表面高度在有源区的中心上方5μm；图8(b)示出了离开前端面并且由反射表面修改的光的光强的2维RSoft FDTD模拟；并且图8(c)以实线示出了在垂直于衬底的方向上的VFF，而来自图1(b)的VFF被以虚线示出以供参考。

图9(a)是其中前端面和后端面两者均通过蚀刻形成的半导体激光器的横截面，其中长度为5μm的平坦露台邻近前端面，露台表面在有源区的中心的平面下方3μm处，弯曲反射表面(其在与该弯曲表面的两端相交的平面和衬底的平面之间具有40.0°角)邻近露台，反射表面高度在有源区的中心上方5μm；图9(b)示出了离开前端面并且由反射表面修改的光的光强的2维RSoft FDTD模拟；并且图9(c)以实线示出了在垂直于衬底的方向上的VFF，而来自图1(b)的VFF被以虚线示出以供参考。

图10(a)至图10(c)示出了用于制造图8(a)中的结构的示例性工艺。

图11(a)是其中前端面和后端面两者均通过蚀刻形成的半导体激光器的横截面，其中长度为5μm的平坦露台邻近前端面，露台表面在有源区的中心的平面下方3μm处，由多个0.5μm厚的分段近似的弯曲反射表面(其在与该弯曲表面的两端相交的平面和衬底的平面之间具有45.0°角)邻近露台，反射表面高度在有源区的中心上方5μm；图11(b)示出了离开前端面并且由反射表面修改的光的光强的2维RSoft FDTD模拟；并且图11(c)以实线示出了在垂直于衬底的方向上的VFF，而来自图1(b)的VFF被以虚线示出以供参考。

图12(a)示出了蚀刻端面脊型激光器的透视图，该激光器具有邻近前端面而定位的弯曲反射表面，用于修改光束的方向和形状，而光束中心接近沿脊穿过腔的垂直平面；图12(b)示出了在平行于衬底的平面的横截面中并且通过3维RSoft FDTD模拟获得的远场。

图13(a)示出了蚀刻端面锥形脊型激光器的透视图，该激光器具有邻近前端面而定位的弯曲反射表面，用于修改光束的方向和形状，而光束中心接近沿脊穿过腔的垂直平面；图13(b)示出了在平行于衬底的平面的横截面中并且通过3维RSoft FDTD模拟获得的远场。

图14(a)示出了蚀刻端面脊型激光器的透视图，该激光器具有邻近前端面而定位的弯曲反射表面，用于修改光束的方向和形状，而光束中心在沿脊穿过腔的垂直平面外；图14(b)示出了在平行于衬底的平面的横截面中并且通过3维RSoft FDTD模拟获得的远场。

图15(a)示出了具有修改水平远场(HFF)的邻近前端面的第一区段和具有修改光束的方向和VFF的邻近第一区段的弯曲反射器的第二区段的蚀刻端面2μm宽脊型激光器；图15(b)示出了在平行于衬底的平面的横截面中并且通过3维RSoft FDTD模拟获得的远场。

图16(a)示出了环的透视图；图16(b)和图16(c)示出了具有邻近前端面而定位、用于在VFF和HFF两者中修改光束的方向和形状的弯曲反射表面的蚀刻端面脊型激光器；图16(d)示出了在平行于衬底的平面的横截面中并且通过3维RSoft FDTD模拟获得的远场。

图17示出了具有与硅光子芯片的硅光栅部分相集成的弯曲反射结构的蚀刻端面脊型激光器。

图18示出了有源区向上地安装在基座上的切割端面激光器，该基座位于经图案化的载体衬底上，其中弯曲反射器面向激光器的前端面。

图19示出了有源区向下地安装在基座上的切割端面激光器，该基座位于经图案化的载体衬底上，其中弯曲反射器面向激光器的前端面。

具体实施方式

图1(a)示出了通过前端面130和后端面110的切割形成的半导体激光器100。激光器结构包括衬底120，该衬底具有允许形成下包层140、0.34μm厚的有源区180和1.83μm的上包层160的外延沉积层，该下包层可以延伸到衬底中或如图1(a)中所示完全外延沉积并且厚度为1.83μm。激光器在1310nm左右发射激光。图1(b)示出了通过2维RSoft有限差分时域(FDTD)模拟从图1(a)中的结构的前端面或后端面获得的垂直远场(VFF)。

衬底120可以由(例如)可以被适当地掺杂的III-V族化合物或它们的合金形成。衬底120(如InP)包括顶部表面，在该表面上通过外延沉积(如金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE))来沉积形成包括有源区180的光波导的一系列的层。上包区160和下包区140可以邻近有源区180由比有源区180低的折射率的半导体材料(如InP)形成，该有源区可以用由AIGaInAs渐变层夹置的基于InAIGaAs的量子阱和势垒形成。下包层可以部分地通过该外延沉积和部分地通过使用衬底来形成。例如，1310nm发射外延结构可以用在InP衬底120上的以下层来形成：n-InP下包层140；有源区180，其包含：AIGaInAs下渐变区、压缩应变AIGaInAs量子阱(每个量子阱由拉伸应变AIGaInAs势垒夹置)、AIGaInAs上渐变区；厚p-InP上包层160；以及高度p掺杂InGaAs接触层。该结构还可以具有湿蚀刻停止层，以帮助制造脊型激光器。以上所描述的示例性结构被设计为以1310nm的波长发射。

图2(a)示出了通过垂直于或接近垂直于衬底120的平面(其通常是蚀刻端面与衬底的平面的法线的高达3.0°的偏离)蚀刻前端面230和后端面210形成的半导体激光器200的横截面。形成蚀刻端面激光器的工艺的示例在美国专利申请号11/356,203、美国专利号8,130,806和美国专利号7,606,277中进行了描述，这些专利被转让给本申请的受让人，并且其披露内容通过引用以其全部内容结合在此。蚀刻端面通常通过蚀刻穿过上包层、有源区和下包层的至少一部分而形成。在270处将激光器芯片单片化，使得邻近前端面230的露台250为2μm宽(2μm是前端面和单片化平面270之间的水平距离)。图2(b)以实线示出了通过2维RSoft FDTD模拟从前端面获得的VFF并且以虚线示出了来自图1(b)的VFF以供参考。两个VFF曲线之间仅存在较小的差异。

图3(a)示出了通过对前端面230和后端面210的蚀刻而形成的半导体激光器300的横截面。在370处将激光器芯片单片化，使得邻近前端面230的露台350为10μm宽。图3(b)以实线示出了通过2维RSoft FDTD模拟从前端面获得的VFF并且以虚线示出了来自图1(b)的VFF以供参考。这两个VFF曲线之间存在相当大的差异。与虚线相比，实线的VFF示出了其主瓣380全宽半最大值(FWHM)的显著变窄。此外，实线的VFF示出了从中心10.0°左右的显著程度的光束指向和旁瓣382。窄FWHM在(例如)允许到光纤的高耦合效率时是非常有用的。然而，波束指向对于封装激光器并耦合到光纤的最传统的方法造成困难和不兼容。

图4(a)是在通过对前端面230和后端面210的蚀刻而形成的半导体激光器400的z-y平面中的横截面，其中15μm的平坦露台邻近前端面，并且平坦反射表面420以与衬底的平面成45.0°角邻近露台。在端面处的有源区的中心位于(z＝0，y＝0)。用以微米为单位给出的坐标(z，y)在z-y平面中限定45.0°反射器的位置。在下面所有的图中采取同样的方法来限定反射表面。反射器的左下方坐标在(15，-2)处并且右上方坐标在(19，2)处，其中，一条直线连接这两个坐标。反射表面是反射器结构440的一部分。反射器结构440的高度与激光器结构一样高并且在有源区上方2μm，类似于在美国专利号7,799,587的图8中所披露的反射器结构，其被描述为通过透镜被耦合到光纤，该专利转让给本申请的受让人并且其披露内容通过引用以其全部内容结合在此。图4(b)示出了离开前端面并且由反射表面修改的光的光强的2维RSoft FDTD模拟。图4(c)以实线示出了在垂直于衬底的方向上的VFF，而来自图1(b)的VFF被以虚线示出以供参考。与参考VFF相比，VFF存在显著失真，并且因此以4.0°的角度定位在反射表面420的中心上方最佳距离处的光纤仅将21％的激光耦合到光纤。用于这种测量的光纤以及所有下面描述的光纤耦合测量都是由康宁公司生产的被称为SMF28的具有直径为8.2μm的芯和直径为125μm的包层的单模光纤。应当理解，图4(a)中的结构的VFF实际上是由激光器的垂直近场产生的平行于衬底的表面测量的远场。针对其余的图采取同样的方法。

图5(a)是通过前端面230和后端面210的蚀刻而形成的半导体激光器500的横截面，其中15μm的平坦露台邻近前端面并且弯曲反射表面520邻近露台。反射器的左下方坐标在(15，-2)处并且右上方坐标在(19，2)处，其中，一条曲线连接这两个坐标。该曲线由y＝17.744-3.116z+0.1202z²限定。反射表面是反射器结构540的一部分。反射器结构510的高度与激光器结构一样高并且在有源区的中心上方2μm，类似于在美国专利号7,799,587的图9中所披露的反射器结构，其也被描述为通过透镜被耦合到光纤。图5(b)示出了离开前端面并且由反射表面修改的光的光强的2维RSoft FDTD模拟。图5(c)以实线示出了在垂直于衬底的方向上的VFF，而来自图1(b)的VFF被以虚线示出以供参考。与参考VFF相比，VFF存在显著失真，并且位于反射表面520的中心正上方最佳距离处的光纤仅耦合21％的激光。

图6(a)是其中前端面630和后端面610两者均通过蚀刻形成的半导体激光器600的横截面，其中长度为5μm的平坦露台邻近前端面630，露台表面在穿过有源区的中心的平面下方3μm处，并且与衬底的平面成45.0°的平坦反射表面620邻近露台并且高度为在有源区的中心上方5μm。反射器的左下方坐标在(5，-3)处并且右上方坐标在(13，5)处，其中，一条直线连接这两个坐标。反射表面620是反射器结构640的一部分。图6(b)示出了离开前端面并且由反射表面620修改的光的光强的2维RSoft FDTD模拟。图6(c)以实线示出了在垂直于衬底的方向上的VFF，而来自图1(b)的VFF被以虚线示出以供参考。与参考VFF相比，该结构的VFF稍有缩小，但仍具有一些失真。位于反射表面620的中心上方最佳距离处的光纤耦合31％的激光。

硅光子光栅以除垂直入射之外的角度接收光可以防止背反射。这(例如)在韦尔默朗等人的“用于绝缘体上硅光子集成电路的无反射光栅耦合器(Reflectionless grating couplers for Silicon-on-Insulator photonic integrated circuits)”(光学快报，第20卷，第20期，第22278-22283页)中进行了讨论。背反射可能会对耦合到硅光子的光的来源(如分布式反馈(DFB)激光器和半导体光学放大器(SOA))有不利影响。图7(a)是其中前端面630和后端面610两者均通过蚀刻形成的半导体激光器700的横截面，其中长度为5μm的平坦露台邻近前端面630，露台表面在穿过有源区的中心的平面下方3μm处，并且与衬底的平面成38.6°的平坦反射表面720邻近露台并且高度为在有源区上方5μm。反射器的左下方坐标在(5，-3)处并且右上方坐标在(15，5)处，其中，一条直线连接这两个坐标。反射表面720是反射器结构740的一部分。图7(b)示出了离开前端面并且由反射表面720修改的光的光强的2维RSoft FDTD模拟。图7(c)以实线示出了在垂直于衬底的方向上的VFF，而来自图1(b)的VFF被以虚线示出以供参考。与参考VFF相比，该结构的VFF稍有缩小，但仍具有一些失真。VFF在从垂直于衬底离开10.2°处达到峰值。以10.2°的角度定位在反射表面720上方最佳距离处的光纤耦合29.5％的激光。

图8(a)是其中前端面630和后端面610两者均通过蚀刻形成的半导体激光器800的横截面，其中长度为5μm的平坦露台邻近前端面630，露台表面在穿过有源区的中心的平面下方3μm处，并且弯曲反射表面820(其在与该弯曲表面的两端相交的平面和衬底的平面之间具有45.4°角)邻近露台并且高度为在有源区的中心上方5μm。反射器的左下方坐标在(5，-3)处并且右上方坐标在(12，9.5)处，其中，一条曲线连接这两个坐标。弯曲线由y＝-4.6337+0.084263z+0.051101z²限定。反射表面820是反射器结构840的一部分。图8(b)示出了离开前端面并且由反射表面820修改的光的光强的2维RSoft FDTD模拟。图8(c)以实线示出了在垂直于衬底的方向上的VFF，而来自图1(b)的VFF被以虚线示出以供参考。与参考VFF相比，该结构的VFF显著缩小并且不含失真。以0.7°的角度定位在反射表面820的中心上方最佳距离处的光纤耦合71.0％的激光，这比起从图6(a)的结构获得的耦合来说是非常显著的改善。

图9(a)是其中前端面630和后端面610两者均通过蚀刻形成的半导体激光器900的横截面，其中长度为5μm的平坦露台邻近前端面630，露台表面在穿过有源区的中心的平面下方3μm处，弯曲反射表面920(其在与该弯曲表面的两端相交的平面和衬底的平面之间具有39.5°角)邻近露台并且高度为在有源区的中心上方5μm。反射器的左下方坐标在(4.8，-3)处并且右上方坐标在(14.5，5)处，其中，一条曲线连接这两个坐标。该曲线由y＝-4.5101+0.1643z+0.033644z²限定。反射表面920是反射器结构940的一部分。图9(b)示出了离开前端面并且由反射表面920修改的光的光强的2维RSoft FDTD模拟。图8(c)以实线示出了在垂直于衬底的方向上的VFF，而来自图1(b)的VFF被以虚线示出以供参考。与参考VFF相比，该结构的VFF显著缩小并且VFF在从垂直于衬底离开12.3°处达到峰值。以12.3°的角度定位在反射表面920的上方最佳距离处的光纤耦合71.0％的激光，这比起从图7(a)的结构获得的耦合来说是非常显著的改善。

硅光子应用是如有源光缆、芯片到芯片光学连接以及片上光学连接的应用。在这些应用中，激光器和硅光子芯片之间的耦合效率极其重要，因为从30％的效率变为60％的效率导致需要激光器输出功率的一半。所以，20mW的输出将足够了，而非来自激光器的40mW的输出。激光器具有其自己的将电转换为光的效率，所以消耗显著更少的能量来产生激光输出。在其中硅光子芯片结束于如数据中心等地方中的应用中，因为不需要进行那么多的冷却，所以存在节省能量的额外好处。

已经使用到激光器的具有1.0的折射率的外部介质进行了上面的工作。然而，已经使用接近可应用于激光器和硅光子芯片或光纤的某些环氧树脂的折射率的其他外部折射率(例如1.5)进行了额外的工作。这种额外的工作表明了修改反射表面的设计以使用外部介质(如环氧树脂)获得非常高的耦合值的能力。

灰度技术使得能够开发各种材料的任意3D微结构，例如，韦茨(Waits)等人的“使用灰度光刻和深反应离子蚀刻对3D硅MEMS结构的微制造(Microfabrication of 3D silicon MEMS structures using gray-scale lithography and deep reactive ion etching)”(2005年的传感器和致动器A119，第245-253页)描述了这样的方法。图10(a)示出了具有外延沉积层以形成下包层140和有源区180、上包层160、高度p掺杂InGaAs接触层1020和InP间隔层1010的InP衬底。在间隔层1010顶部，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积二氧化硅层1030。然后，旋涂光阻剂并对其进行图案化。在光阻剂中转移对应于图8(a)的前端面630、后端面610和弯曲反射表面820的图案。通过常规数字阶跃函数掩模来限定对应于两个端面630和610的图案，其中光阻剂被曝光或不被曝光并且被示为具有光阻剂图案1040。对于对应于弯曲反射表面的图案，使用灰度掩模，以便在光阻剂中限定弯曲区段1050。使用反应离子蚀刻(RIE)将光阻剂1040和1050的图案转移到二氧化硅层1030中，从而形成二氧化硅图案1060和1070，如图10(b)中所示。然后除去光阻剂并且在化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)中使用二氧化硅作为掩模以在相同的外延材料中形成激光器的前端面630和后端面610以及反射表面1080的图案，如图10(c)中所示。利用光刻限定并且使用在InGaAs接触层1020上停止的1:4的HCl-H₃PO₄来选择性地除去激光器上的剩余的InP间隔层1010。使用金属化剥离将反射表面1080的图案涂覆钛(Ti)的薄层，随后是金(Au)，以便在结构840中形成反射表面820。在RIE期间光阻剂对二氧化硅的选择性、二氧化硅对外延结构的选择性和反射表面1080的所需形状被用来达到适当形状的光阻剂图案1050。

在替代实施例中，可以使用若干顺序剥离步骤从蒸发的金属或通过蒸发、溅射或低温PECVD沉积的介电材料(例如Si₃N₄、SiO₂)中形成反射器结构840的形状来形成图8(a)的反射器结构840或图11(a)的1140。然后可以沉积蒸发的金(Au)，从而使得反射表面820或1120确实是高度反射性的。

图11(a)是其中前端面630和后端面610两者均通过蚀刻形成的半导体激光器1100的横截面，其中平坦露台邻近前端面630，反射表面1120通过多个垂直分段近似来自图8(a)的弯曲表面820。反射表面1120是反射器结构1140的一部分并且通过17个分段形成。表1从顶部到底部分别用分段编号1到17限定了这些分段中的每个分段。对于每个分段，该表以微米为单位提供了分段的左上角的坐标和分段厚度。

表1

图11(b)示出了离开前端面并且由反射表面1120修改的光的光强的2维RSoft FDTD模拟。图11(c)以实线示出了在垂直于衬底的方向上的VFF，而来自图1(b)的VFF被以虚线示出以供参考。VFF与在图8(c)中获得的VFF几乎完全相同。以0.2°的角度定位在反射表面1120的中心上方最佳距离处的光纤耦合70.0％的激光，因此与从图8(c)所看到的相比，使用多个分段来近似弯曲反射表面只会导致0.8％的损失。

图11(a)中的结构可以以各种方法来制造。这样的方法的一个示例使用以下外延结构来帮助制造工艺。其在基于InP的结构中采用InGaAsP的薄蚀刻停止层。

在n型InP衬底上外延生长以下层以形成1310nm发射激光器结构：

-n掺杂InP缓冲层

-20nm的n掺杂InGaAsP蚀刻停止层

-230nm的n掺杂InP层和20nm的n掺杂InGaAsP蚀刻停止层形成分段17

-480nm的n掺杂InP层和20nm的n掺杂InGaAsP蚀刻停止层重复5次形成分段16、15、14、13和12

-90nm的n掺杂InP层、105nm的未掺杂AIGaInAs渐变层、10nm的未掺杂AIGaInAs拉伸势垒、6nm的未掺杂AIGaInAs压缩量子阱和10nm的未掺杂AIGaInAs拉伸势垒重复5次、105nm的未掺杂AIGaInAs渐变层、90nm的p掺杂InP层、20nm的p掺杂InGaAsP蚀刻停止层形成分段11

-480nm的p掺杂InP层和20nm的p掺杂InGaAsP蚀刻停止层重复2次形成分段10和9

-500nm的p掺杂InP形成分段8

-250nm的高度p掺杂InGaAs接触层形成分段7

-480nm的未掺杂InP层和20nm的未掺杂InGaAsP蚀刻停止层重复5次形成分段2、3、4、5和6

-500nm的未掺杂InP层形成分段1

使用以下工艺来形成半导体激光器1100。使用蚀刻500nm的InP但将在下面的InGaAsP层上停止的1:4的HCl-H₃PO₄执行光刻以限定分段1。

除去光刻掩模并且执行下一次光刻以限定分段2。使用1:1:10的H₂SO₄:H₂O₂:H₂O来蚀刻20nm的InGaAsP层，随后是蚀刻480nm的InP的1:4的HCl-H₃PO₄，但在下面的InGaAsP层上停止。此过程重复4次以上，以形成分段3、4、5和6。

此时分段1到6形成，并且还暴露出由高度p掺杂的InGaAs层终止的激光器外延结构的表面。使用如美国专利申请号11/356,203、美国专利号8,130,806或美国专利号7,606,277中所描述的那些工艺的工艺，形成具有前端面630和后端面610的蚀刻端面激光器。

如同限定分段2那样来限定分段8、9和10。

进行针对分段11的下一次光刻，使用1:1:10的H₂SO₄:H₂O₂:H₂O蚀刻20nm的InGaAsP层，1:4的HCl-H₃PO₄蚀刻90nm的InP，1:1:10的H₂SO₄:H₂O₂:H₂O蚀刻含AIGaInAs的所有的层，并且使用1:4的HCl-H₃PO₄蚀刻90nm的InP，其在下面的InGaAsP层上停止。

如同限定分段2那样来限定分段12、13、14、15、16和17。

将分段的垂直表面涂覆薄Ti，随后是Au，以形成反射表面1120。

改变激光的方向以及光束形状的能力对于如耦合到硅光子芯片中的硅光栅的应用非常重要。

蚀刻端面激光器具有确定性端面位置，因为端面是通过光刻限定的。这与其中端面的位置通过切割来确定并且通常距离所需的位置至少±2μm的切割端面激光器大不相同。加入与蚀刻端面相光刻对准的光刻限定反射表面允许对蚀刻端面激光器与反射表面之间的相对位置的高度控制。这是很重要的，因为它允许反射表面在对光束进行整形和引导时起到主导作用。

在需要从反射表面反射最大量的光的情况下，理想的是将反射表面涂覆金属，如Au。这可以(例如)通过在反射表面上沉积Ti的薄层用于粘附、随后是一层Au来实现。在本文中所呈现的模拟中，每当使用反射表面时，其涂覆有Au。

图12(a)示出了具有邻近前端面而定位、用于修改光束的方向和形状的弯曲反射表面的蚀刻端面2μm宽脊型激光器的透视图。图12(a)是图8(a)中的结构的3维版，所以弯曲反射表面遵循在z-y横截面中的相同的图案。图12(b)示出了在平行于衬底的平面的横截面中并且通过3维RSoft FDTD模拟获得的远场。应当理解，图12(a)的结构的水平远场(HFF)实际上是由激光器的水平近场产生的平行于衬底的表面测量的远场。针对其余的图采取同样的方法。远场图案示出了15.8°的HFF和9.0°的VFF，其中该HFF中心在0.0°处，该VFF中心在-0.3°。

图13(a)示出了具有邻近前端面而定位、用于修改光束的方向和形状的弯曲反射表面的蚀刻端面锥形脊型激光器的透视图。该弯曲反射表面与图12(a)中的弯曲反射表面相同。腔的长度为250μm，其中，脊在锥形之前2μm处。在锥形区中，脊在75μm的长度上从2μm线性扩展到8μm。图13(b)示出了在平行于衬底的平面的横截面中并且通过3维RSoft FDTD模拟获得的远场。远场图案示出了9.7°的HFF和9.4°的VFF，其中该HFF中心在0.0°处，该VFF中心在-0.3°。加入锥度允许HFF缩小，这可以允许甚至更好地耦合到硅光子芯片或光纤。

图14(a)示出了蚀刻端面2μm宽脊型激光器的透视图，该激光器具有邻近前端面而定位的弯曲反射表面，用于修改光束的方向和形状，而光束中心在沿脊穿过腔的垂直平面外。图14(b)示出了在平行于衬底的平面的横截面中并且通过3维RSoft FDTD模拟获得的远场。远场图案示出了15.5°的HFF和9.6°的VFF，其中该HFF中心在0.0°处，该VFF中心在12.3°。

图15(a)示出了具有修改HFF的邻近前端面的第一区段的蚀刻端面2μm宽脊型激光器，如在美国专利申请号13/889,207中所描述的，该申请转让给本申请的受让人并且其披露内容通过引用以其全部内容结合在此。两个壁的最接近区段处的间隙为6μm。壁的角度是10.0°，并且壁的长度为10μm。图15(a)还示出了具有修改光束的方向和VFF的邻近第一区段的弯曲反射器的第二区段。在z-y横截面中，反射器的左下角坐标在(12，-5)处，并且右上角坐标在(23.5，7)处，其中，一条曲线连接这两个坐标。该曲线由y＝-4.8079-0.52299z+0.043255z²限定。图15(b)示出了在平行于衬底的平面的横截面中并且通过3维RSoft FDTD模拟获得的远场。远场图案示出了13.5°的HFF和8.1°的VFF，其中该HFF中心在0.0°处，该VFF中心在1.7°。图15(a)中的结构是图13(a)中的结构的替代方案，用于修改VFF和HFF两者。

图16(a)示出了在x、y、z空间中的环的透视图并且限定了主半径或R-主、次半径R-次以及环的中心。图16(b)以灰度示出了具有由环的表面和矩形的交点限定、邻近前端面而定位、用于在VFF和HFF两者中修改光束的方向和形状的弯曲反射表面的蚀刻端面2μm宽脊型激光器的透视图。图16(c)在x、y、z空间中使用线绘图表示方式示出了图16(b)，并且使用MC1、MC2、MC3和MC4限定了弯曲反射表面的角。在本示例中，环由20μm的R-主、50μm R-次限定，并且环的中心的位置在(x，y，z)坐标系统中为(10，18，-11)，其中单位为μm。MC1位于(-10，-3，3.7)，MC2位于(-10，5，11.7)，MC3位于(10，-3，3.7)，并且MC4位于(10，5，11.7)。在脊的中心的面上的有源区的中心为(0，0，0)。图16(d)示出了在平行于衬底的平面的横截面中并且通过3维RSoft FDTD模拟获得的远场。远场图案示出了13.5°的HFF和9.7°的VFF，其中该HFF中心在0.0°处，该VFF中心在1.7°。与图12(b)相比，我们看到了HFF的缩小。该结构可以使用(例如)以上描述的方法中的一种方法来建立。

图17示出了具有连同绝热锥与硅光子芯片的硅光栅区段相集成的弯曲反射结构的蚀刻端面脊型激光器。利用对光束形状和光束方向的修改，激光器可以倒装安装到硅光子芯片上。虽然硅光栅被示为在绝热锥外，但可以使用在锥中的光栅，如凡莱尔(Van Laere)等人的“用于绝缘体上硅集成电路的紧凑聚焦光栅耦合器(Compact Focusing Grating Couplers for Silicon-on-Insulator Integrated Circuits)”(IEEE光子技术通讯(IEEE Photonics Technology Letters)，第19卷，第23期，第1919-1921页(2007))教导的那些。虽然波束方向已被描绘为具有远离激光器的角度，但可以理解的是，反射表面的曲率可被设计为使光束具有朝向激光器的角度。

图18描绘了切割端面激光器、基座1810、具有弯曲反射器1820的经图案化的衬底1830和硅光子芯片的硅光栅1840的混合组装1800。具有前切割端面130和背切割端面110的激光器有源区向上地安装在基座1810上。基座1810被安装在经图案化的载体衬底1830上，其中弯曲反射器1820面向激光器的前端面130。载体衬底1830可以(例如)由模制的塑料制造，其中反射涂层被施加以形成反射器1820。载体衬底可以具有允许相对于载体衬底以高度准确性来定位基座的形状。光束方向和光束形状可以被修改以(例如)以高效率耦合硅光子芯片上的硅光栅1840。

图19描绘了切割端面激光器、基座1910、具有弯曲反射器1920的经图案化的衬底1930和硅光子芯片的硅光栅1940的混合组装1900。具有前切割端面130和背切割端面110的激光器有源区向下地安装在基座1910上。基座1910被安装在经图案化的载体衬底1930上，其中弯曲反射器1920面向激光器的前端面130。载体衬底1930可以(例如)由模制的塑料制造，其中反射涂层被施加以形成反射器1920。可以对光束方向和光束形状进行修改，以(例如)高效率地耦合硅光子芯片上的硅光栅1940。图19示出了波束方向具有在激光器的方向的分量。

如前面所讨论的，给定蚀刻端面的光刻限定，它们被形成为其位置被良好地限定或以确定的方式形成。这同样适用于光刻限定的反射表面。因此，激光器芯片适合于不需要主动对准，并且与被动对准相兼容。例如，如果包括反射表面的激光器芯片具有可匹配到硅光子芯片上的基准的基准或对准标记，则可以执行被动对准，而不是昂贵的主动对准。此外，通过激光器芯片上的焊球或焊柱和硅光子芯片上的匹配焊盘(或者硅光子芯片上的焊球或焊柱和激光器芯片上的匹配焊盘)的放置，可以通过回流焊工艺执行芯片的自对准。

蚀刻端面激光器可以被设计成在非密封环境中操作，如在美国专利申请号11/356,203中所描述的，该申请转让给本申请的受让人并且其披露内容通过引用以其全部内容结合在此。这对于如硅光子等的应用特别有趣。将能够在非密封环境中操作的激光器芯片倒装芯片放置到硅光子芯片上消除了在组合周围放置密封封装的需要。这是一项重大的成本优势。

单纵模激光器在许多应用中比多纵模激光器更可取。一个这样的应用是在与多纵激光器相比使用单纵模激光器获得更长的通信范围的数据通信中。如以上所讨论的，具有以下各项中的一项或多项的DFB激光器允许修改来自激光器的光束形状：阶梯、顶和反射侧壁。转让给本申请的受让人并且其披露内容通过引用以其全部内容结合在此的美国专利号7,835,415教导了一种可以连同本披露一起用来进行激光束控制的替代单纵激光器。

具有高VFF值(如大于40.0°)的半导体激光器可被设计成具有较低的阈值电流，这是所期望的。然而，通常，这些激光器具有到(例如)光纤的不良耦合。本披露允许高VFF的低阈值电流的好处，同时允许良好的耦合效率。

虽然根据基于1310nm发射InP的激光器对本披露进行了描述，但将理解的是，InP上的激光器结构上的其他波长以及其他衬底上的其他波长的激光器(如GaN衬底上的激光器结构上的紫色、蓝色和绿色和GaAs衬底上的激光器结构上的红外和红色)也可以受益于本披露。

虽然已经主要针对激光器对本披露进行了描述，但它也适用于被耦合到硅光子芯片的SOA和反射SOA，所述硅光子芯片通过将SOA耦合到硅光子芯片中的光栅产生cw激光源，所述光栅将反馈提供给SOA以形成激光器。

如以上所讨论的，激光器的光束形状和光束方向修改对于如视网膜投影机和微型投影机等的应用可以消除对沉重且昂贵的透镜的需要。例如，具有光束形状和光束方向修改的基于GaN或GaAs衬底的可见激光源(如以上所描述)允许与基于微机电系统(MEMS)的结构的有效耦合以建立紧凑且轻质的视网膜投影机或微型投影机。

虽然已经根据优选实施例对本披露进行了说明，但是将理解的是，可以在不脱离如在所附权利要求中论述的其真正精神和范围的情况下做出变化和修改。