芯片级功率可调紫外光源的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请与2015年2月20日提交的美国临时专利申请no.62/118,676相关并要求其优先权，在此将该临时申请的全文并入作为参考。

关于联邦资助的声明

无

本公开涉及紫外线(uv)激光器，尤其涉及芯片级uv激光器。

背景技术：

现有技术的芯片级紫外线激光器包括二极管泵浦固态激光器、气体激光器和光纤激光器。虽然芯片级指器件的大小，这些现有技术的芯片级紫外线激光器实际上是相对体积较大的，并且电光转化效率(wpe)较低，小于2％。已经公开基于激光腔外的二次谐波发生(secondharmonicgeneration/shg)紫外线激光结构。但是，由于采用的腔外倍频法的低效率，公开的输出功率等级非常低(＜1μw)，并且自由空间实现(freespaceimplementation)导致对于实际应用缺乏鲁棒性。

现有技术中已公开的最短uv波长激光二极管具有336nm的波长，并且基于在蓝宝石衬底上生长的al.06ga.94n/al.16ga.84n多量子阱(mqw)结构。这种激光二极管的wpe非常低，为0.014％，在脉冲模式下输出功率大约为3mw。这种激光二极管的不佳性能的原因在于不佳的algan材料质量，这种材料在较短发射波长时增加al摩尔分数的情况下特别差。例如，在蓝宝石衬底上生长的以345nm发射的algan/ganmqw激光二极管具有稍微改善的大约0.077％的wpe和35mv的峰值脉冲功率，上述激光二极管在下面的文献6中介绍，已将该文献并入说明书中作为参考。

本领域中的其他研究包括在aln衬底上生长的光泵浦alxga1-xn异质结构激光器，其利用krf受激准分子激光器作为泵浦源以248nm发射。这种激光器结构被证实具有40kw/cm²的阈值光功率密度。这种方案的缺点在于uv激光器是光泵浦而非电泵浦，这使得其不适于系统插入。

倍频也被用于在uv波段获得激光。例如，利用以946nm发射的nd：yag光纤激光器的两级腔外倍频能够获得600mw的平均输出功率。利用bibo(bismuthborate，bib3o6)晶体的第一级(946-to-473nm)具有38％的换能效率，而利用bbo(betabariumborate)晶体的第二级(473-236.5nm)具有17％的换能效率，上述激光在下面的文献7中介绍，已将该文献并入说明书中作为参考。并且，以820nm发射的四倍频钛宝石(ti-sapphire)激光器也已公开，其具有利用lbo(lithiumtriborate/lib3o5)的ps脉冲序列和谐振倍频腔内的bbo晶体，该激光器在205nm具有25nw输出，总换能效率为4.5％。

虽然没有公开过以小于240nm波长在深紫外波段的腔内倍频，但文献8中公开了在320nmuv波长的连续波(cw)腔内产生，其具有35％换能效率，该激光器利用光泵浦的发射红光的pr:bay2f8晶体和lbo非线性光学晶体(nlc)，已将文献8并入说明书中作为参考。并且，文献2已经公开，利用光泵浦的以1170nm发射的垂直扩展腔面发射激光(vecsel)的腔内倍频和大于58％的换能效率的lbonlc可以获得在可见光(585nm)的大于5w的连续波(cw)功率，已将文献2并入说明书中作为参考。

另一个可能的芯片级方法在谐振腔(例如微环谐振器)中利用基于半导体的非线性元件(例如gan)以获得片上倍频。但是，目前利用此方法的二次谐波发生(shg)功率等级非常低，在1550nm利用>100mw泵浦功率在波长780nm测量的功率等级处在几微瓦的量级，其换能效率<0.01％。另外，gan由于其吸收作用不能在220-240nm用于二次谐波发生(shg)。

参考文献：

下述参考文献全文并入在此作为参考。

1.r.g.smith,jeeej.quant.electr.,vol.qe-6,p.215(1970).

2.m.fallahietal.,ieeeptl,vol.20,p.1700(2008).

3.j.w.raringetal.,appl.phys.express,vol.3,p.112101-1(2010).

4.s.r.selmicetal.,ieeephotonicstech.letter,vol.14,p.890(2002).

5.b.agnarssonetal.,opticsexpress,vol.19,p.22929(2011).

6.m.kuwabaraetal.,japanesejournalofappl.phys.,vol.52,p.08jg10(2013).

7.l.deyraetal.,opticsletters,vol.39,p.2236(2014).

8.a.richteretal.,opticsexpress,vol.14,p.3282(2006).

9.h.b.sunetal.,proc.spie,vol.3885,p.311(1999).

10.b.agnarssonetal.,opticsexpress,.vol.19,p.22929(2011).

11.s.ghoshetal.,phys.rev.b.,vol.65,p.075202(2002).

12.d.feezelletal.,japanesejournalofappl.phys.,vol.46,p.l284(2007).

13.n.erikssonetal.,ieeejqe,vol.32,p.1038(1996).

14.a.yariv,"photonics:opticalelectronicsinmoderncommunications,"2007,newyork:oxforduniversitypress.

15.j.e.epler,electronicslett.,vol.23,p.754(1987).

16.r.m.farrelletal.,appl.phys.express,vol.4,p.092105(2011).

所需要的是一种改进的芯片级紫外线激光器。本公开的实施方式符合这些和其他的需求。

技术实现要素：

在这里公开的第一实施方式中，一种芯片级紫外线激光源，包括衬底和设置在所述衬底上的多个芯片级紫外线激光器元件，其中每个芯片级紫外线激光器元件包括后腔镜(backcavitymirror)；耦合至所述后腔镜的锥形增益介质；耦合至所述锥形增益介质的外耦合器；在其前端面耦合至所述外耦合器的非线性晶体，其中所述前端面具有第一涂层，所述第一涂层对所述激光器元件的基本波长具有抗反射性(ar)，对紫外线波长具有高反射性(hr)，并且其中所述非线性晶体的出射面具有第二涂层，所述第二涂层对所述激光器元件的基本波长具有高反射性(hr)，对紫外线波长具有抗反射性(ar)；耦合至所述外耦合器的光电探测器；耦合至所述光电探测器并耦合至所述后腔镜的调相器；和所述衬底上的主激光二极管，其耦合至每个激光器元件的所述调相器并耦合至每个激光器元件的所述光电探测器，其中每个激光器元件从所述出射面发射紫外线波束，并且其中每个激光器元件频率和相位锁定至所述主激光二极管。

在这里公开的另一实施方式中，一种制造芯片级紫外线激光源的方法，包括在m面gan衬底上形成ingan/ganmqw蓝色激光器epi结构，在epi中限定分布布喇格反射器主激光器，在所述衬底上形成多个芯片级紫外线激光器元件，其中形成每个芯片级紫外线激光器元件包括：形成后腔分布布喇格反射器(dbr)；形成耦合至所述后腔dbr的锥形增益介质；形成耦合至所述锥形增益介质的外耦合器光栅；形成在前端面耦合至所述外耦合器的非线性晶体，其中所述前端面具有第一涂层，所述第一涂层对所述激光器元件的基本波长具有抗反射性(ar)，对紫外线波长具有高反射性(hr)，并且其中所述非线性晶体的出射面具有第二涂层，所述第二涂层对所述激光器元件的基本波长具有高反射性(hr)，对紫外线波长具有抗反射性(ar)；形成耦合至所述外耦合器光栅的光电探测器；形成耦合至所述光电探测器并耦合至所述后腔dbr的调相器。

本发明的目的、优势和新颖特征部分地通过下面的描述得到阐述。在附图和说明书中，附图标记表示各种特征，其中相同附图标记表示相同特征。

附图说明

图1a和1b示出根据本公开的具有相干光束合成和锁相功能的集成芯片级uv激光器；

图2示出根据本发明对于两个不同光束截面面积的二次谐波光学功率取决于腔内基谐模功率和nlc厚度的乘积的曲线；

图3示出根据本发明的在非极性gan衬底上生长的单横模蓝(447nm)激光二极管中显示的超过750mw的cw输出功率的曲线；和

图4a示出沿所述结构的深度方向的引导模式和辐射模式的密度分布和折射率分布图，图4b示出根据本发明的占空比分布对光栅长度以及在空气中和在衬底中的对应相对发射；

图5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h和5i示出根据本发明制造芯片级uv激光器的过程；和

图6示出根据本发明具有集成bbo晶体的芯片级uv激光器的截面图。

具体实施方式

下面将详细说明本发明的多个具体实施方式。但是本领域普通技术人员可以理解，本发明的实施并不需要全部具体细节。在其他情况下，出于简洁的目的，说明书对已知特征并未描述。

本发明描述了一种芯片级腔内频率增加的紫外线(uv)(200-400nm)激光源，其具有片上相干光束合成和锁相的功能，可以产生具有高频谱质量的高功率(>1wcw)紫外线激光，谱线宽度小于0.01nm，在体积小于0.1cm³的小封装中的光束质量(m²<2)，电光转化效率大于10％。在体积小于1x0.2x0.5cm³的小的全封装芯片中能够提供所有所需功能。

公开了一种异构集成的光腔，其具有高功率锥形光放大器结构，用于为激光腔内的基谐模提供高光学增益，并具有弯曲的失谐二阶光栅外耦合器结构14，其具有非均匀光栅占空比，用于将精准准直的基谐模外耦合提供至用于频率转换的非线性晶体16中。用于基本激光器振荡模式的每个芯片级uv激光元件中的端镜(endmirror)通过在锥形光放大器结构的后端上的分布布喇格反射器(dbrs)34和非线性晶体16的输出端面上的高反射率涂层32而提供。

本发明还描述了通过集成锁相网络芯片级uv激光器元件阵列的片上相干光束合成，用于发射的紫外光的高效功耗调节。

请参看图1a，一种芯片级uv激光源10包括相干光束合成和锁相的芯片级uv激光器元件阵列。每个芯片级uv激光器元件的光腔包括：具有脊增益电极44的ga脊增益介质48；具有高斯电极46的gan锥形增益介质12，以提供基于半导体的锥形半导体光放大器(soa)结构，该结构用于提供高增益介质以在蓝uv区(440-460nm)产生高功率基谐模；失谐二阶弯曲光栅外耦合器结构14，用于基谐模的准直和一致外耦合；和棱镜90，用于将外耦合的基谐模反射至异构集成的非线性光学晶体(nlc)16，用于蓝光区(440-480nm)中基谐模的倍频，以产生220-240nm波长范围内的uv。

弯曲失谐二阶光栅外耦合器结构14具有非均匀光栅占空比，并以高效率(>97％)和高功率密度提供激光腔的基谐模的精准准直的外耦合200，用于泵浦集成在基于半导体的芯片上的非线性晶体16，用于高效的谐波uv生成。

用于保证鲁棒性相干光束合成的集成锁相网络通过其光栅外耦合器14从每个芯片级uv激光器元件中提取基谐模的小样本并将其与主激光器36的样本在光电探测器28种进行光学混合，用于通过调相器18进行相位检测和锁相。

集成的基于半导体的单模可见光或近红外主激光二极管36通过光学注入自由运行的芯片级uv激光器元件的频率进行锁定。对于每个芯片级uv激光器元件，集成的调相器18与光电探测器28共同运转以提供用于相干光束合成的相位控制。集成在芯片上的光电探测器28检测每个芯片级uv激光器元件的光学相位和主激光二极管36的光学相位，以向调相器18提供反馈，用于保持每个芯片级uv激光器元件的锁相。倒锥形波导20和波导22、24、26、38将光电探测器36和调相器18耦合。本领域普通技术人员可以理解，光电探测器28对调相器18的反馈可以通过许多其他连接实现。

结果是全集成的芯片级uv光源，具有单一空间和频谱模式输出光束，具有功率调节功能。芯片级uv激光源可以被认为是“内部泵浦的”倍频激光腔，其频率转换效率高于35％，因此其整体电光转化效率(wpe)大于10％。这个wpe值很难与直流电注入uv激光二极管结构匹配，原因在于所需较高带隙algan基结构相关的极具挑战性的材料问题。但是，本发明提供的芯片级相干光束合成和锁相方案可以用于直流注入uv激光二极管。

图1a所示芯片级腔内倍频uv激光结构在深uv220-240nm波段(uv-c)发射。其包括：锥形gan基光学增益结构12，用于在蓝光区产生高功率基本光模；和具有非均匀占空比的弯曲光栅外耦合器14，用于以高功率密度将所述基本光模改向并准直到非线性晶体(nlc)16上，其与所述芯片异构集成，用于在腔内的二次谐波发生(shg)。nlc16在其出射面32具有第一涂层，所述第一涂层对所述激光器元件的基谐(蓝色)模具有抗反射性(ar)，对二次谐波(uv)波长具有高反射性(hr)，这样的结果是基谐模从第一涂层反射，uv通过第一涂层透射。nlc16还在其入射面30具有第二涂层，所述第二涂层对所述激光器元件的基谐(蓝色)模具有抗反射性(ar)的逆向反射性，对二次谐波(uv)波长具有高反射性(hr)，这样的结果是uv从第二涂层反射，基谐模通过第二涂层透射。

芯片级uv激光器元件小阵列的片上相关光束合成通过将其注入锁模(injection-locking)至在基本波长(蓝光)发射的单模gan基主激光二极管36，并通过设置在主激光器36和每个芯片级uv激光器元件之间的光学调相器18进行相位控制。光学调相器18在蓝光波带运转并基于在低损耗聚合物波导中的高效热光效应。光学调相器18可以包括加热器82，如图7所示。相同的聚合物材料可以用于被动低损耗波导结构24和26中以将主激光二极管36耦合至光电探测器28，低损耗波导结构38将主激光二极管36耦合至光学调相器18，被动低损耗波导结构20和22将弯曲光栅外耦合器14耦合至光电探测器28。

uv波束50的片上锁相(其离开非线性晶体的端面32)通过利用形成在芯片上的聚合物波导20、22、24和26的阵列和gan基光电探测器28和调相器18将其基谐模的小样本与主激光器36的小样本干涉获得，以检测并将每个芯片级uv激光器元件的光学相位锁定至主激光器36的光学相位。每个芯片级uv激光器元件的基谐模样本的提取是通过每个弯曲光栅外耦合器14的小漏洞获得，然后耦合至聚合物波导阵列20，如图1a所示。

利用nlc16的二次谐波发生(shg)的效率极大地取决于透射在nlc16上的基谐模激光功率的功率密度。通常，最高效的shg是通过利用非常高的峰值功率激光器(大于1gw/cm²)获得，其具有较大尺寸、重量和功率(swap)，不适合用于芯片级实施。因此，以有限基谐模光功率在基于半导体的激光谐振器中实现腔内shg是非常期望的。

在腔内shg的谐振器内，厚度为1的nlc16中前向波(+)和后向波(-)转换率由公式[1]给出：

此处，deff是非线性系数，aeff是基谐模光束的有效横截面，产生的光束强度在具有高反射(hr)镜的激光器谐振器中，即当不需要基谐模的同时提取时，并且因此在相位匹配的情况下公式1中的达到其单位最大值，即δk∝n2ω-nω≡0。当(η⁺+η^-)与谐振器中的内部光学损耗匹配时，进行最大二次谐波提取，忽略基谐模的提取。能量守恒要求取决于光腔的增益与内部损耗加上shg相平衡，设置基谐模的强度。通过内部镜可以单独或结合使用前向和后向二次谐波(sh)传播束。在这种情况下，对于光能量提取而言，要求前向和后向二次谐波(sh)的精细的相位匹配。采用最佳相位匹配，转换效率大于35％，其是产生的二次谐波能量与泵浦基谐模能量的比率，在腔内shg激光器内可以实现激光器，如上述参考文献2所述，此处并入作为参考。

作为例子，利用bbo非线性晶体，对于shg，deff≈2pm/v，nω≈n2ω≈1.75，并且利用允许最优二次谐波生成的合适的晶体切割，由公式2给出对于λω＝2λ2ω＝450nm的(以瓦特为单位)：

对于如下进一步描述的、通过锥形增益结构12的宽度和弯曲光栅外耦合器14的匹配尺寸所获得的现实aeff＝0.1×0.2mm²，并且腔内的基模的光功率和nlc16长度的乘积为所提取的二次谐波功率是如图2中所示，其示出对于两个不同光束截面面积的二次谐波光学功率取决于腔内基谐模功率和nlc16厚度的乘积。使用厚度从1mm到大约5mm的有意义的bbo晶体16，处于半导体光放大器(soa)锥形物的尾部的基模的功率密度估计为大约80mw/cm²，假设在垂直方向上大约1um模式大小，这与在高功率蓝色激光器二极管中获得的功率密度相一致，如上参考文献3中所描述的，该参考文献3通过参考并入在此。然而，例如在空间模式分布图上的锥形增益结构中的高功率密度的效果的考虑并且因此波束质量或m²值需要被考虑。

对于上述例子，每芯片级ua激光元件的400mw的shg功率级别针对于近似1w的全紫外线芯片级输出功率(具有0.9的相干光束合并效率)需要3个此类的激光元件的功率合并。如图1b中所示出的合并器400可以用于合并ua波束50，以便增加它们的激光器功率。

另一个考虑是nlc16的接受角。对于上面使用bbo晶体的例子，在450nm基本波长处的接受角是大约1mradcm。对于这里使用的5mm的bbo厚度，2mrad的接受角与在临界晶体方向上使用具有0.2mm尺寸的弯曲光栅外耦合器14获得的大约2.3mrad的光束发散相一致。

简言之，关于输出光束质量和功率等级，需要在上述器件参数、即，锥形物和光栅外耦合器14尺寸，nlc16厚度和芯片级uv激光元件的数目之间做出权衡。其他的考虑包括基模的空间分布和有限线宽度、nlc16离散角和由涂层32和dbr光栅34所提供的腔镜的反射率。

可以通过将基模的光学相位和在nlc16中的二次谐波uv光学光束相匹配来获得最大shg转换效率。该相位匹配可以通过双折射非线性晶体16的精确切割，以及利用nlc16与gan芯片的准确异构集成以将倾斜角控制在小于1mrad来获得。另外，通过经由主激光器二极管36驱动电流来将注入锁模的芯片级uv激光元件中的基模的波长精调大约0.01nm，在前向和后向中的基模的光束间的相长干涉可以被最大化，以便接着来自于放置在外耦合器光栅下的腔内高反射率(hr)镜光栅31的反射后，最大化入射在nlc16上的基模的强度。下面进一步描述。

基于ingan/ganmqw的蓝色激光二极管光学增益结构近年来已经取得显著进步，展示出大约23％wpe值的峰值wpe值和大于750mw的单侧模输出功率，如上述参考文献3中所描述的，其通过参考并入在此。为了增加每个芯片级uv激光单元腔内的基蓝色模的功率密度，可以增加gan增益区的体积。然而，简单地增加单侧模增益介质的宽度并不是足够的，因为成丝化和多模操作将基模的功率密度限制到有效频率转换的等级以下。

使用高效蓝色ingan/gan多量子阱(mqw)结构的锥形半导体光放大器(soa)12生成在非极性gan衬底42上，作为用于芯片级uv激光单元的光增益介质12。在这些gan晶体平面上的生成消除了内部极化相关的区域(其导致mqw增益介质中的电子和空穴波函数的分离)，并且因此减小辐射复合率。图3示出在非极性gan衬底上生成的447nm处的单侧模脊形波导激光二极管中所获得的大于750mw的cw光功率。

如图1a中所示，基于gan的增益结构具有gan脊形增益介质48和gan锥形增益区域12，在gan脊形增益介质48上具有脊形电极44(其允许单侧模)，并且在gan锥形增益区域12上具有高斯电极46(其增加了增益量)。分布布拉格反射器(dbr)光栅34在脊形波导区域44之前，以定义单纵光谱模，连同用于光栅外耦合器14的类似设计。如图1a所示，通过使用锥形增益区域12上的高斯电极46来形成高斯入射电流分布，以匹配侧模分布以便减小自聚焦和光束非稳定效果。该方法已经被成功地应用在近ir锥形激光结构中，如上参考文献4中所描述的，其通过参考并入在此。单侧和单纵模设计的组合确保接近于衍射受限(m²<2)以及窄线宽(δλ＜0.01nm)倍频uv-c输出光束50。

在芯片级uv激光结构中的重循环基模经由专门设计的稍微弯曲的失谐二阶表面发射光栅外耦合器14从gan锥形的增益介质12外耦合到nlc16。光栅14具有定制的曲率来将准直光束外耦合至nlc16以便增加shg转换效率。该弯曲的光栅结构14具有多个参数，例如其形状、深度、反射率、占空比和间距，这些多个参数需要被优化以便有效地辐射进nlc16。一个关键参数是光栅14的占空比，其需要被定制以便形成具有超高斯形状的外耦合波束强度分布，以便促进腔内的基频的单切向模生成。另外，通过实现在其开始和结束段的光栅周期中的小的非均匀性，外耦合的光束的准直可以被优化。

由于锥形放大器基模的一部分在衬底42方向上从光栅外耦合器14外耦合，到基模的具有hr的多层gan/ingan镜31被放置在位于下部涂层位置处的外耦合器光栅14下。通过针对下部涂层来选择合适厚度，衬底方向中的光束的外耦合部分被反射回并且有益地与外耦合进空气的部分干涉，以便最大化入射在nlc16上的基模的强度。进一步，通过外耦合器光栅14长度和占空比分布的合适设计，允许总基本功率的控制部分(<1％)通过光栅外耦合器14传输到达反向锥形物聚合物波导20，以便进行如上所述的锁相。

图4a示出沿结构的深度的导向的和辐射模式的强度分布，以及包括光栅区域、波导核和下部涂层、以及20对gan/ingan多层镜的折射率分布。图4b示出空气和衬底中的占空比分布与光栅长度和相应的相对发射。在图4a和图4b中示出的仿真结果针对于光栅外耦合器14，其分别具有185nm的间距和130nm的深度。在图4a中示出垂直方向上的折射率分布，包括那些波导和多层镜31，以及空气和衬底42中的光模和强度分布。在图4b中示出占空比分布和得到的外耦合的超级高斯分布。可以实现在光束轮廓上整合的、大于99％的外耦合效率。

针对于uv功率调节的多注入-锁模芯片级uv激光元件的相干光束合并需要2π相位控制。在图1a的实施方式中，具有集成的加热器的基于聚合物的热光调相器18在每个芯片级激光元件前被集成。聚合物波导结构18基于聚酯(聚甲基丙烯酸甲酯)核层，在可见范围内具有～1.49的折射率，以及例如cytop的具有～1.34折射率的氟化高聚物，作为上部和下部包层。δn～0.15的相对高指数对比允许波导18的好的模式限制和紧凑弯曲。鉴于如上参考文献5中所描述的(其通过参考并入在此)10^-4的热光系数，长度仅为450μm的相位调节器18将得到在波长450nm处的仅10°的温度控制的2π相位改变，由于δφ＝2π(dn/dt)δtl/λ，其中δφ是光相变，dn/dt是热光系数，δt是温度控制范围，l是调制器长度，并且λ是自由空间波长。另外，针对这些波导18展示的～3db/cm的传播损耗导致对于聚合物调相器18的<0.15db的很小插入损耗。

对于最优相干光束合并，需要注入锁模芯片级uv激光元件的锁相。尽管对于每个元件的相位控制是由上述的集成聚合物调相器18来提供的，需要确保锁相的有效装置。

在本公开中，通过首先在每个芯片级uv激光元件(其被设计成通过光栅外耦合器14结构来泄露)中提取基模的一小部分(<1％)，并且接着将其耦合到在芯片上形成的聚合物波导网络20、22、24和26来实现锁相，如图1a中所示。基模的样本接着与主dbr激光器36参考光束的一部分混合，在基于gan的波导光电检测器28中通过后侧dbr镜34来采样，如图1a中所示。在芯片上形成的低损耗聚合物波导20、22、24、26和38的网络将来自于芯片级uv激光元件的主dbr激光二极管36和基模的提取光束耦合到光电探测器28以用于锁相。在光电探测器28中的主激光器和采样的uv波束50的干涉通过公式3给出：

其中，ipdi是针对于第i个芯片级uv激光元件的光电检测器电流，ηpd是光电探测器28转换效率，pr和pi分别是从主激光器36和入射在光电检测器上的第i个芯片级激光元件提取的光功率，δφi是主激光器36和第i个芯片级uv激光元件之间的光相位差，并且φ0i是由于可能的光路长度差而造成的相位偏移。通过对于每个元件预校准固定参数pr，pi和φ0i的值，获得针对于锁相条件(δφi＝0)的光电流值ipdi。

在图5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h和5i中示出(截面图)芯片级uv激光器的制造的处理流程。

在图5a中所示出的步骤中，在m-面gan衬底42上生成ingan/ganmqw蓝色激光器epi结构。示出包括核60和上部62和下部64包层的简化结构。使用包括三甲基镓、三乙基镓、三甲基铟、三甲基铝和氨的公共组iii和组v的前体物，在大气压强处执行外延层的金属有机气相沉积(mocvd)生成。使用的n型掺杂物是硅[乙硅烷]并且p型掺杂物可以是镁[bis-cyclopentadienylmagnesium]。所有层沉积可以在>800c处执行(对于每个层优化)并且在大gan衬底上具有特定流和其他腔室条件。

在生成后，有源器件，包括dbr主激光器36、锥形激光器增益介质92(包括脊形电极44、gan脊形增益介质48、高斯电极46和gan锥形增益介质12)以及管脚光电检测器二极管28随光学光刻和干法刻蚀定义，如图5b中所示。epi层接着被向下刻蚀到下部涂层区域64中的gan层，其提供用于外延再生长的模板。氧化物70接着被沉积并且在氧化物70中窗口被打开，以便外耦合光栅14、以及激光器光栅34和36的选择性epi再生长，如图5c中所示。总刻蚀深度是大约1.3微米，并且如果需要，可以使用化学机械抛光(cmp)来平面化氧化物70，以最小化该拓扑对于激光光栅34和36以及外耦合器光栅14的后续图案化。如图5d中所示，定义激光光栅34和36以及外耦合器光栅14的外延层在开放的氧化物窗口中再生成。

如图5e中所示，利用电子束光刻来对激光光栅34和36以及外耦合器光栅14进行图案化，并且使用基于氯的电感耦合等离子体(icp)反应离子蚀刻(rie)来刻蚀进再生成结构的130nmingan顶层，并且到达algan刻蚀停止层76。如图5f中所示，在移除氧化物再生长掩膜后，利用光学光刻和金属剥离来图案化电极和金属配线78。

接着利用低指数聚合物涂层、含氟聚合物和高指数光敏核层(pmma)来形成包括波导20、22、24、26、38和40的三层聚合物波导结构80。在下部涂层64上旋转后，核心层pmma将被旋转于其上并且使用电子束来图案化，接着是针对于上部包层的含氟聚合物的最终层，如图5g中所示。如图5h中所示，通过将ni/cr加热元件82图案化和沉积在聚合物波导的一段上，三层聚合物堆叠可以用作热光调制器。在结构已经定义在前侧上后，衬底被变薄并且后侧电极84被沉积，如图5i中所示。

在每个芯片级uv激光元件上的最为光刻所需求的图案化是弯曲的光栅外耦合器14，其需要80nm到100nm之间的最小化特征并且保持跨连续变化的光栅占空比的线宽临界尺寸(cd)。在整个光栅上的固定深度对于光学性能是关键的。取决于纵横比的蚀刻速率在干法刻蚀处理中是关键的，由此较小开口的刻蚀比较大开口的刻蚀慢。提供固定深度的一种方案是使用刻蚀停止层，例如刻蚀停止层76，从而更高纵横比区域可以被刻蚀的更长，而不增加较大开口的深度。薄algan刻蚀停止76用于刻蚀光栅外耦合器14。在氯化学中，algan:ingan选择性是>10:1，其提供刻蚀光栅外耦合器14所需的裕度。

在制造芯片级uv激光器的最终步骤是非线性晶体16的键合，其可以是bbo，高于光栅外耦合器14以便进行从蓝光到uv光的频率转换。通过将成角的棱镜90添加到bbonlc16边缘，晶体的长轴平行于衬底，提供在垂直结构上的更为鲁棒性的整合，其中长轴垂直于衬底，因为bbo晶体长度和厚度的纵横比超过10:1。bbonlc16可以使用au-au100金属热压键合来键合至光栅外耦合器14。

针对于bbo晶体键合的关键参数是nlc16晶体表面与光栅外耦合器14的并行性。现有技术的裸片键合器能够以4.2u弧度的分辨率和20u弧度的敏感性来对两个键合表面进行水准测量，这远超过对于这些键合的表面所需的准确度。外耦合器14和bbonlc16之间的距离对于损耗也是重要的。晶体越近，则损耗越低。在本公开中，通过调整金键合盘100的厚度来控制该距离。利用金属沉积处理，该厚度可以被控制在大约50nm内。键合已经利用在500nm键合对的两侧上的盘来展示。表面之间的距离可以是2到3微米的量级。

在图6中示出具有bbonlc16的完全集成的芯片级uv激光器10的横截面图。

已经根据专利法律的要求描述了本发明，本领域技术人员将理解如何对本发明做出修改和改动来满足他们的具体要求或条件。此类的修改和改动可以在不偏离如这里所公开的本发明的范围和精神的情况下做出。

已经提供示例性和优选的实施方式的上述具体描述，以便根据法律的要求来说明和公开。其意图并不是穷举性的，并且也不将本发明限于所描述的精确形式，而是仅仅使得本领域的技术人员能够理解本发明如何能够适于特定的使用或实现。修改和变动的可能性对于本领域的从业者来说是明显的。示例性实施方式的描述并不打算进行任何限制，该限制可以包括容差、特征尺寸、具体操作条件、工程规范或类似等，并且也可以在实现之间变化或具有对于现有技术的变化，并且没有从其暗示任何的限制。申请人已经关于当前的现有技术做出公开，并且也设想演进并且未来中的适配可以考虑那些演进，即根据那时的现有技术。意图在于本发明的范围由书面的权利要求和适用的等同方案来定义。对单数的权利要求元素的引用并不旨在指“一个并且仅一个”除非如此明确地陈述。另外，本公开中没有元素、组件、方法或处理步骤旨在是专用于公共，无论元素、组件、或步骤是否明确地在权利要求书中描述。这里也没有权利要求元素将在35u.s.c.sec。112，第6款下被解释，除非元件明确使用措词“用于…的装置”来描述，并且这里也没有方法或处理步骤将被在那些条款下解释，除非步骤或多个步骤使用措词“包括以下步骤…”来明确地描述。

概念

至少已经公开了下面的概念。

概念1.一种芯片级紫外线激光源，包括：

衬底；

位于衬底上的多个芯片级紫外线激光器元件，其中每个芯片级紫外线激光器元件包括：

后腔镜；

耦合到所述后腔镜的锥形增益介质；

耦合到所述锥形增益介质的外耦合器；

非线性晶体，其在所述非线性晶体的前端面耦合到所述外耦合器，其中所述前端面具有第一涂层，所述第一涂层对所述激光器元件的基本波长具有抗反射性(ar)，并且对紫外线波长具有高反射性(hr)，并且其中所述非线性晶体的出射面具有第二涂层，所述第二涂层对所述激光器元件的基本波长具有高反射性(hr)，对紫外线波长具有抗反射性(ar)；

耦合至所述外耦合器的光电探测器；

耦合至所述光电探测器并耦合至所述后腔镜的调相器；和

所述衬底上的主激光二极管，其耦合至每个激光器元件的所述调相器并耦合至每个激光器元件的所述光电探测器；

其中每个激光器元件从所述出射面发射紫外线波束；以及

其中每个激光器元件频率和相位锁定至所述主激光二极管。

概念2.根据概念1的芯片级紫外线激光源：

其中基本波长包括从440nm到480nm范围的波长；以及

其中所述紫外线波长包括从220nm到240nm范围的波长。

概念3.根据概念1的芯片级紫外线激光源，其中每个锥形增益介质包括：

耦合到所述后腔镜的gan脊形增益介质；以及

耦合到所述脊形增益介质和所述外耦合器的gan锥形增益介质。

概念4.根据概念3的芯片级紫外线激光源，其中每个增益介质进一步包括：

在所述脊形增益介质上的脊形电极；以及

在所述锥形增益介质上的高斯电极。

概念5.根据概念1的芯片级紫外线激光源，其中所述外耦合器包括：

具有不均匀光栅占空比的弯曲光栅外耦合器。

概念6.根据概念5的芯片级紫外线激光源，进一步包括位于所述弯曲光栅外耦合器下的所述衬底上的镜，所述镜具有高反射率。

概念7.根据概念5的芯片级紫外线激光源，进一步包括在所述弯曲光栅外耦合器和所述非线性晶体的所述前端面之间耦合的棱镜。

概念8.根据概念1的芯片级紫外线激光源，其中每个调相器包括：

低损耗聚合物波导；以及

耦合到所述低损耗聚合物波导的加热器。

概念9.根据概念1的芯片级紫外线激光源，其中所述主激光器二极管包括在基本波长处发射的单模gan激光器二极管。

概念10.根据概念1的芯片级紫外线激光源，其中所述光电探测器通过反向锥形波导来耦合到所述外耦合器。

概念11.根据概念1的芯片级紫外线激光源，进一步包括用于合并紫外线波束的合并器。

概念12.根据概念1的芯片级紫外线激光源，进一步包括：

第一多个低损耗聚合物波导，其将所述主激光器二极管耦合到光电探测器；

第二多个低损耗聚合物波导，其将主激光器二极管耦合到光调相器；以及

第三多个低损耗聚合物波导，其将外耦合器耦合到光电探测器。

概念13.根据概念1的芯片级紫外线激光源，其中所述衬底包括非极化gan衬底。

概念14.根据概念1的芯片级紫外线激光源，进一步包括将所述光电探测器耦合到调相器的反馈电路。

概念15.根据概念1的芯片级紫外线激光源，其中所述主激光器二极管包括gan分布式布拉格反射器；以及

所述后腔镜包括分布式布拉格反射器。

概念16.一种制造芯片级紫外线激光源的方法，包括：

在m-平面gan衬底上形成ingan/ganmqw蓝色激光器epi结构；

在epi中定义分布式布拉格反射器主激光器；

在衬底上形成多个芯片级紫外线激光器元件，其中形成每个芯片级紫外线激光器元件包括：

形成后腔分布式布拉格反射器(dbr)；

形成耦合到后腔dbr的锥形增益介质；

形成耦合到锥形增益介质的外耦合器光栅；

形成在非线性晶体的前端面耦合到所述外耦合器的非线性晶体，其中所述前端面具有第一涂层，所述第一涂层对所述激光器元件的基本波长具有抗反射性(ar)，并且对紫外线波长具有高反射性(hr)，并且其中所述非线性晶体的出射面具有第二涂层，所述第二涂层对所述激光器元件的基本波长具有高反射性(hr)，对紫外线波长具有抗反射性(ar)；

形成耦合至所述外耦合器光栅的光电探测器；以及

形成耦合至所述光电探测器并耦合至所述后腔dbr的调相器。

概念17.根据概念16的方法，进一步包括：

使用光学光刻和干法刻蚀来形成所述锥形增益介质和所述光电探测器；

将epi层刻蚀到低部涂层区域中的gan层，以提供用于外延再生长的模板；

沉积氧化物掩膜；

打开在所述氧化物中的窗口，用于外耦合光栅以及用于分布式布拉格反射器主激光器和后腔分布式布拉格反射器(dbr)的光栅的选择性epi再生长；

针对外耦合的光栅、分布式布拉格反射器主激光器和后腔分布式布拉格反射器(dbr)来再生长窗口中的外延层；

针对外耦合光栅、分布式布拉格反射器主激光器和后腔分布式布拉格反射器(dbr)来图案化和刻蚀光栅；

移除所述氧化物掩膜；

使用光学光刻和金属剥离来形成电极和金属配线；

针对波导利用低指数聚合物涂层、含氟聚合物和高指数光敏核层(pmma)来形成三层聚合物波导结构；

通过在所述三层聚合物波导结构的一部分上沉积ni/cr加热元件来形成所述调相器；以及

沉积后侧金属电极；以及

使用au-au100金属热压键合来将所述光栅外耦合器上的非线性晶体键合。

概念18.根据概念16的方法：

其中基本波长包括从440nm到480nm范围的波长；以及

其中所述紫外线波长包括从220nm到240nm范围的波长。

概念19.根据概念17的方法，进一步包括在光栅外耦合器和所述非线性晶体的所述前端面之间连接棱镜。

概念20.根据概念16的方法，其中所述锥形增益介质进一步包括：

耦合到所述后腔镜的gan脊形增益介质；以及

耦合到所述脊形增益介质和所述外耦合器的gan锥形增益介质。

概念21.根据概念20的方法，其中每个锥形增益介质进一步包括：

在所述脊形增益介质上的脊形电极；以及

在所述锥形增益介质上的高斯电极。

概念22.根据概念16的方法，其中形成所述外耦合器光栅包括：

形成具有不均匀光栅占空比的弯曲光栅外耦合器。

概念23.根据概念16的方法，进一步包括形成位于所述弯曲光栅外耦合器下的所述衬底上的镜。

概念24.根据概念16的方法，进一步包括：

将每个激光器元件频率和相位锁定到所述主激光器；以及

相干地合并由所述激光器元件从所述出射面发射的紫外线波束。