表面发射激光器和光学干涉层析成像装置的制造方法

文档序号:9550108阅读:417来源:国知局
表面发射激光器和光学干涉层析成像装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及波长可调表面发射激光器和使用该波长可调表面发射激光器的光学 干涉层析成像装置。
【背景技术】
[0002] 可以期待将能够改变激光振荡波长的波长可调激光器应用于各种领域,包括通 信、感测和成像,并且因此近年来对其进行了积极的研究和开发。
[0003] 作为这样一种波长可调激光器,已知所谓的MEMS-VCSEL结构,其中通过微机电系 统(MEMS)技术控制垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)的激光振荡波长。
[0004] -般通过在一对诸如分布式布拉格反射镜(DBR)的反射镜之间夹入活性层来形 成VCSEL,并且激光根据由反射镜之间的光程长度确定的空腔长度以一种波长振荡。在 MEMS-VCSEL中,通过机械地移动一个反射镜的位置,可以改变空腔长度,以便改变激光振荡 波长(参见例如美国专利No. 6549687)。
[0005] 在MEMS-VCSEL中,相对于反射镜位置的改变量的激光振荡波长的改变量有 时被称为波长调谐效率。已知波长调谐效率的大小受空腔长度和一种表面涂层的 影 响("BroadbandMEMS-TunableHigh-Index-ContrastSubwavelengthGrating Long-WavelengthVCSEL',,11-SugChungetal. ,IEEEJournalofQuantumElectronics, Vol. 46,No. 9,p. 1245-1253,(2010))。

【发明内容】

[0006] 为了增强MEMS-VCSEL的波长扫描速度并且扩大波长可调范围,希望改善波长调 谐效率。
[0007] 鉴于上述问题,本发明的一个目的是提供一种能够改善波长调谐效率的波长可调 表面发射激光器。
[0008] 根据本发明的一个实施例,提供了一种表面发射激光器,包括:
[0009] 第一反射镜;
[0010] 包括活性层的半导体空腔;和
[0011] 第二反射镜,
[0012] 第一反射镜、半导体空腔和第二反射镜被以所述的顺序形成,
[0013] 在第一反射镜和所述半导体空腔之间形成的间隙部分,
[0014] 空腔长度是可调的,
[0015] 其中所述表面发射激光器具有在所述间隙部分和所述半导体空腔之间形成的高 反射率结构,以及
[0016] 其中满足(λ/2)Χπι+λ/8〈ΙΧ(λ/2)Χπι+3λ/8,其中L是在半导体空腔的第一反 射镜侧处的第一界面和在半导体空腔的第二反射镜侧处的第二界面的光学反射中没有相 位变化的情况下,转换为光学厚度之后的半导体空腔的光学厚度,m是1或者更大的整数, 并且λ是激光振荡的中心波长。
[0017] 根据本发明的一个实施例,可以提供能够改善波长调谐效率的波长可调表面发射 激光器。
[0018] 根据以下参考附图对示例性实施例的描述,本发明的其它特征将变得清楚。
【附图说明】
[0019] 图1是用于示出根据本发明的实施例的MEMS-VCSEL的结构的示意截面图。
[0020] 图2是用于示出展现应用本发明的结构的光学特性的计算结果的图。
[0021] 图3是用于示出展现应用本发明的结构的光学特性的计算结果的图。
[0022] 图4是用于示出包括本发明的实施例的MEMS-VCSEL的光学干涉层析成像装置的 示意图。
[0023] 图5Α、图5Β和图5C是用于示出比较例的MEMS-VCSEL的结构的示意截面图。
[0024] 图6是用于示出展现比较例的MEMS-VCSEL的光学特性的计算结果的图。
[0025] 图7A和图7B是用于示出用于说明波长调谐效率和纵向模式间隔之间的关系的计 算结果的图。
[0026] 图8是用于示出展现比较例的MEMS-VCSEL的光学特性的计算结果的图。
【具体实施方式】
[0027] 现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。
[0028] (实施例1)
[0029] 下面描述根据本发明的实施例的波长可调垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)。
[0030] 首先,定义此处使用的术语。
[0031] 如此处使用的,激光器元件的基板侧被定义为下侧,并且与基板相反的一侧被定 义为上侧。
[0032] 如此处使用的,中心波长被用于指可以从表面发射激光器发射的激光光束的波长 范围的中心处的波长。换言之,中心波长指可以振荡的激光器的最短波长和最长波长之间 的中心处的波长。由空腔长度的变化范围、反射镜的反射带、活性层的增益带等确定可以振 荡的激光器的波长。在设计时,基本上,中心波长被设置,然后相应地确定元件的结构。
[0033] 如此处使用的,在包括上部反射镜(第一反射镜)和下部反射镜(第二反射镜) 的空腔中,位于间隔部分和下部反射镜之间的半导体层被称为半导体空腔,并且其光学厚 度被称为半导体空腔长度。当在间隔部分和半导体空腔之间形成抗反射膜或者高反射率结 构时,该抗反射膜和高反射率结构未被包括在半导体空腔中,并且半导体空腔长度指没有 抗反射膜和高反射率结构的光学厚度。
[0034] 如此处使用的,抗反射膜指如下的结构:即相对于当光从半导体空腔入射间隔部 分侧时由形成半导体空腔的主要材料的折射率和间隔部分的折射率之间的差引起的光学 反射(菲涅尔反射)的反射率,而减小反射率的结构。示例性的抗反射膜包括由具有形成 半导体空腔的主要材料的折射率和间隔部分的折射率之间的中间折射率的材料形成的层, 从而具有λ/4的奇数倍的光学厚度,其中λ是中心波长。另外,通过形成多层膜的抗反射 膜,还可以抑制更宽波长范围中的反射。
[0035] 另一方面,高反射率结构指与抗反射膜的作用相反的的结构,S卩,相对于由形成半 导体空腔的主要材料的折射率和间隔部分的折射率之间的差引起的光学反射(菲涅尔反 射)的反射率而增加反射率的结构。示例性高反射率结构包括如下的结构:其中具有不同 折射率的两种层堆叠在一起,从而使得这些层中的每一个的光学厚度是λ/4的奇数倍,并 且层的总数是2或更大。具体地,优选地,该高反射率结构在中心波长处具有50%或更大的 反射率。更优选地,该高反射率结构在中心波长处具有60%或更大的反射率。最优选地,该 高反射率结构在中心波长处具有70 %或更大的反射率。
[0036] 图5Α是典型的MEMS-VCSEL的示意截面图。
[0037] 图5Α中示出的MEMS-VCSEL由基于GaAs的化合物半导体形成。该MEMS-VCSEL被 设置为具有l〇65nm的中心波长,并且被设计为使得波长围绕该中心波长可调。其中活性层 620被置于上部反射镜600和下部反射镜610之间的空腔结构被置于基板640上。在该空 腔结构中,具体地,在上部反射镜600和活性层620之间形成间隔部分630,从而可以驱动 上部反射镜600。作为上部和下部反射镜,使用各自由多层膜形成的分布式布拉格反射镜 (DBR)。
[0038] 上部反射镜600和下部反射镜610之间的光学厚度被称为空腔长度。通过上部反 射镜600在光轴方向上的移动,可以改变间隔部分630的长度,以便改变空腔长度,其伴随 着激光振荡波长的改变。注意,如此处使用的光轴方向指连接上部反射镜和下部反射镜的 线的方向,并且是垂直于基板的主平面的方向。在图5A到5C中,光轴方向对应于垂直方向。
[0039] 在下部反射镜610和间隔部分630之间形成的并且包括活性层620的半导体层 650被称为半导体空腔,并且其光学厚度被称为半导体空腔长度。换言之,半导体空腔长度 是下部反射镜610和半导体层650之间的界面与间隔部分630和半导体层650之间的界面 之间的光程长度。注意,整个空腔的空腔长度是半导体空腔长度和间隔部分的光学厚度的 和。
[0040] 图6是用于示出图5A中所示的MEMS-VCSEL结构的间隔部分长度(空隙长度)和 激光振荡波长之间的关系的计算结果的图。在这种情况下,分别执行关于具有2λ、3λ和 4λ的半导体空腔长度的三种结构的计算,其中λ是中心波长。
[0041] 根据计算的结果,可以看出,随着半导体空腔长度变大,该图的倾斜度变小。该图 的倾斜度表示激光振荡波长(λ)相对于间隔部分长度(d_)的改变(01/^dair ),以下其 被简称为波长调谐效率。
[0042] 波长调谐效率高在如下方面对于MEMS-VCSEL是有利的。
[0043] 随着波长调谐效率变高,将振荡波长改变到类似程度所需的反射镜的位移数量可 以变小,并且因此可以降低用于机械地驱动反射镜等所需的电压。当以类似电压电平驱动 反射镜时,可以采用具有较大弹簧常数和较高谐振频率的结构,这对于高速波长扫描是有 利的。
[0044] 另外,提高波长调谐效率导致纵向模式间隔变宽。如果纵向模式间隔窄,则导致模 式跳越(hopping),并且激光振荡波长间断地跳跃或者在多个波长处同时发生振荡,这是限 制单模的波长可调宽度的原因。通过加宽纵向模式间隔,可以去除这种限制。
[0045] 接着,参考图7A和图7B所示的计算的结果,描述波长调谐效率对纵向模式间隔的 影响。
[0046] 图7A和图7B是用于示出关于具有不同空腔结构的两种MEMS-VCSEL结构的计算 结果的图。它们都是被设计为波长在大约l〇65nm的中心波长处可调的MEMS-VCSEL,但是由 于空腔结构的不同,波长调谐效率不同。
[0047] 图7A中的中心波长附近的波长调谐效率大约为0. 015,并且与下一级的纵向模式 的波长间隔大约为25nm。另一方面,图7B中的中心波长附近的波长调谐效率大约为0. 12, 并且与下一级的纵向模式的波长间隔大约为60nm。
[0048] 以这种方式,可以确认,随着波长调谐效率变高,纵向模式间隔倾向于变宽。
[0049] 如参考图6
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