TW202308247A - 用於垂直腔面發射雷射器（ｖｃｓｅｌ）之反射器 - Google Patents

用於垂直腔面發射雷射器（ｖｃｓｅｌ）之反射器 Download PDF

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Abstract

一種垂直腔面發射雷射器(VCSEL)可包括一主動區( 例如，一或多個量子阱)及一啁啾模式反射器。該主動區可經組態以被電泵浦，使得該主動區產生具有一基模及一高階模的光。該啁啾模式反射器可包括：一第一部分，該第一部分作為一有效鏡的具有一凹面形狀的一第一部分呈現給該主動區；及一第二部分，該第二部分作為該有效鏡的具有一凸面形狀的一第二部分呈現給該主動區。

Description

用於垂直腔面發射雷射器(VCSEL)之反射器
本發明係有關於用於VCSEL之反射器。
在許多現代通信組件中通常使用雷射來進行資料傳輸。一種愈來愈普遍之用途係在資料網路中使用雷射。在許多光纖通信系統中使用雷射在網路上傳輸數位資料。在一個示例性組態中，可藉由數位資料對雷射進行調變以產生光信號，該光信號包括表示二進位資料流的明暗輸出週期。實際上，雷射輸出表示二進位高的高光學輸出及表示二進位低的較低功率光學輸出。為了獲得快速反應時間，雷射器一直開啟，但自高光學輸出至較低光學輸出變化。
用於光學資料傳輸的一種雷射器為垂直腔面發射雷射器(VCSEL)。通常，VCSEL包括頂部鏡、底部鏡及其間的腔。該腔包括主動區。
VCSEL可與外部結構一起使用。例如，高對比度光柵(HCG)可與VCSEL一起使用，作為准直輸出光束或確保更好之電流注入的一種方式。用更薄的HCG結構代替VCSEL中的頂部鏡亦可降低電阻。
在可與VCSEL一起使用的其他變體中，具有曲面鏡之外部腔可與VCSEL一起使用來對波形進行整形。包括此類外部腔的VCSEL可被描述為垂直外腔面發射雷射器(VECSEL)。外部腔使波形准直且可為相對較大孔徑之VECSEL裝置實現明顯更高的單模功率。此歸因於外部曲面鏡僅選擇基模且在第一近似中將模形狀與電流限制孔解耦。然而，此類外部腔的製造及控制對於工業應用而言並不簡單。
本文主張之主題不限於解決任何缺點或僅在諸如上述環境中操作的實施方案。相反，該背景技術僅被提供以說明可在其中實踐本文描述之一些實施方案的一個示例性技術領域。
本發明內容以簡化形式介紹將在以下具體實施方式中進一步描述的一些概念。本發明內容不旨在標識所主張之主題的關鍵特徵或本質特性，亦不旨在用於幫助確定所主張之主題的範疇。
如本文所揭示的，一種垂直腔面發射雷射器(VCSEL)包括具有一或多個量子阱、量子點等的主動區且包括啁啾模式反射器。該主動區經組態以被電泵浦，使得該主動區產生具有腔之基本橫向光學模但亦具有一些高階模的光。該啁啾模式反射器包括：中心部分，該中心部分被結構化以向該主動區呈現有效鏡的凹面部分；及外部部分，該外部部分被結構化以向該主動區呈現該有效鏡的凸面部分。換言之，該啁啾模式反射器之第一部分產生面向該主動區的凹面反射相位平面，而第二部分產生面向該主動區的凸面反射相位平面。該啁啾模式反射器之第一部分經組態以反射該基模，使得在該光學腔內該基模的穩定性增加。相比之下，該啁啾模式反射器之第二部分經組態以使該高階模發散。
額外之特徵及優點將在下面的描述中進行闡述，且自該描述中將係部分明顯可見的，或者可藉由實踐而獲知。該等特徵及優點可藉由所附請求項中特別指出的手段及組合來實現及獲得。自以下描述及所附請求項中，此等及其他特徵將變得更加明顯。
圖1A示出了根據習知配置的垂直腔面發射雷射器(VCSEL) 100。顧名思義，垂直腔面發射雷射器(VCSEL) 100具有雷射器腔130，該雷射器腔夾在兩個鏡110、120之間且由該兩個鏡界定。VCSEL 100通常構建在半導體晶圓(未圖示)例如砷化鎵(GaAs)上。VCSEL 100包括構建在半導體晶圓上的底部鏡110。通常，底部鏡110包括多個交替之高及低折射率層112、114。例如，底部鏡110可包括布拉格鏡，布拉格鏡包括光學折射率交替的薄平面層112、114之堆疊。層112、114之每個界面可提供小的反射，如斯內爾-笛卡爾定律所指示。當光自具有一種折射率之層傳遞至另一層時，一部分光被反射。
藉由使用足夠數量之交替層112、114，高百分比的光可被鏡110反射。可調整層112、114之厚度以增強對於特定波長、特定波長範圍或多個波長範圍的反射。若光之波長與布拉格光柵之週期性沒有足夠匹配，則可能會阻礙干涉累積，此取決於失配。例如，相對于光波長與布拉格光柵之週期性足夠匹配的組態，相關聯之輸出光束可能會失相。
包括多個量子阱、量子點等的主動區140形成於底部鏡110上方。主動區140形成夾在底部鏡110與頂部鏡120之間的PN結。頂部鏡110及底部鏡120的概念有些隨意。在一些組態中，可自上面安裝有鏡110之VCSEL 110的晶圓基板102提取光，「頂部」鏡120幾乎完全係反射的且因此為不透明的。然而，出於本描述之目的，「頂部」鏡120可指代要從中提取光的鏡，而不管其在實體結構中係如何設置。
當PN結被電流正向偏置時，電洞及電子形式之載流子被注入至主動區140的量子阱中。在足夠高之偏置電流下，注入的少數載流子在主動區140之量子阱中形成居量反轉，該居量反轉產生光學增益。當導帶中之電子與價帶中之電洞再結合時，便會出現光學增益。當在腔130中往返期間獲得的光學增益等於往返光學損耗(包括由於光子逃逸引起的等效鏡面損耗)時，便會發生雷射振盪。
主動區130亦可包括使用一或多個氧化物層132形成的氧化物孔134。氧化物孔132既用於形成光學腔亦用於引導電載流子通過所形成之腔130的中心區域。替代地，可使用其他手段，例如離子植入、圖案化後磊晶再生長或其他微影圖案化，來執行此等功能。
頂部鏡120形成於主動區140上方。頂部鏡120與底部鏡110的相似之處在於其可包括在高折射率與較低折射率之間交替的多個層122、124。通常，在頂部發射裝置之情況下，頂部鏡120可具有交替折射層112、114的較少鏡週期以促進自VCSEL 100頂部的光發射。
說明性地，當電流通過PN結以將載流子注入主動區140中時，VCSEL 100起作用。自導帶至價帶的注入之載流子在主動區140中之量子阱中再結合導致光子開始在由鏡110、120界定的雷射器腔130中傳播。鏡110、120將光子來回反射。當偏置電流足以在腔130支持之波長處產生量子阱狀態之間的居量反轉時，在主動區140中之量子阱中產生光學增益。當光學增益等於腔損耗時，發生雷射振盪，雷射器110被稱為處於臨限偏置，且VCSEL 100開始發射雷射，因為自VCSEL 100之頂部發射出光學相干的光子。例如，頂部鏡120及底部鏡110可能導致光在傳播之後週期性地回到其初始波向量，如此可能導致腔130內功率之干涉累積。腔130通常可支持給定波長的離散數量之所謂腔模。入射光可能由於相長干涉而在腔130內積聚且可能自腔130洩漏。
由布拉格反射器形成之鏡110、120定界的腔130可被描述為1-D光子晶體，沿基板102之每次平移不變。腔模可藉由考慮由材料界面處之反射導致的干涉累積來確定。VCSEL 100的腔130可為1-D光子晶體，忽略受控氧化。自主動區140之量子阱發射的光可直接耦合至周圍的腔130中。
通常，VCSEL之主動區140的電泵浦量子阱層的表面積與VCSEL 100發射的最大光功率之間可能存在相關性。改變主動區140中之量子層的電泵浦表面積通常可藉由改變由隔離層132界定的電流限制孔134之寬度或直徑來獲得。在一些情況下，隔離層132及電流限制孔134可藉由相當接近主動區140之量子阱層的高鋁層之橫向氧化來形成。例如，高鋁層可包括Al xGa 1-x，其中x ＞ 0.98。替代地，孔134可藉由其他技術形成，例如質子注入。
增大主動區140之電泵浦量子阱層的表面積可增加自VCSEL 100發射之光的最大功率。然而，單模功率可能會受到限制，因為VCSEL 100在多模狀態下操作的功率會降低。此係自模競爭至空間燒孔及增益鉗位等多種物理效應的結果。
對於在空氣中具有約940奈米(nm)波長的光發射，電流限制孔134可具有約5微米(μm)的直徑以促進單橫模限制。此可用來創建可被描述為單模VCSEL 100的東西。此類單模VCSEL 100可能係偏振退化的。相對較小寬度之孔134可能導致VCSEL 100具有相對較低的最大功率。例如，具有約5 μm直徑之孔134的VCSEL 100可具有低於約5毫瓦(mW)的最大單基模功率。
較大之電流限制孔134可促進來自VCSEL 100的多個橫向光學模。此類VCSEL 100可被描述為多模(橫向) VCSEL。多模(橫向) VCSEL的較大電流限制孔134可促進電流以促進相對較高功率之方式擴散至VCSEL結構中。多模(橫向) VCSEL 100的較大電流限制孔134可降低電阻損耗、降低熱加熱及降低空間增益飽和。
除了界定孔134的薄橫向氧化層132之外，VCSEL 100在第一近似中亦可為增益引導雷射器。例如，VCSEL 100之光學模可能不受折射率引導的限制，而是受增益、熱加熱及損耗的局部化限制。
在一些組態中，孔134之形狀可為圓形的。VCSEL 100之腔模可包括准圓形發散模，該准圓形發散模具有大致靠近橫向氧化層132的孔134的腰，該腰鄰近於主動區140的電泵浦量子阱等定位。橫向氧化層132可位於具有量子阱之主動區140上方或下方。在一些組態中，可存在額外的橫向氧化層。兩個橫向氧化層132可位於量子阱層之主動區140上方、量子阱層之主動區140下方，或者可位於量子阱層之主動區140的任一側，使得量子阱可位於兩個橫向氧化層132之間。
VCSEL 100的光學腔130可被描述為平面-平面退化法布裡-珀羅腔。換言之，光學腔130由頂部分散式布拉格反射器(DBR) 120及底部DBR 110界定。DBR 110、120由交替的高及低折射率層112、122及114、124形成。DBR 110、120可藉由磊晶來單片生長，例如分子束磊晶(MBE)或分子有機氣相磊晶(MOVPE)。結果，DBR 110、120具有幾乎無限的曲率半徑。亦即，DBR 110、120幾乎係平面的且具有與通常在上面形成底部DBR 110之基板晶圓102相同的形狀。該習知VCSEL 100的基模藉由增益引導、熱透鏡及雙折射整形，而非藉由頂部DBR 120之反射率整形，因為VCSEL 100具有平面-平面法布裡-珀羅腔130。
圖1B為圖1A之習知VCSEL 100的圖解說明且示出了基模116的相關聯示例。同樣，基模116可例如藉由增益引導、熱透鏡及雙折射來整形。VCSEL 100之基模116並非藉由頂部DBR 120的反射率整形，因為光學腔130為如前所述之平面-平面法布裡-珀羅腔130。因此，基模116可能不穩定。
然而，根據本揭示案，用於VCSEL上之反射器的圖案化結構化可提供良好的反射率且可以有利之方式對波形進行整形。明確而言，圖2示出了根據本揭示案的具有反射器250之VCSEL 200，該反射器具有圖案化結構化。
VCSEL 200可共用VCSEL之習知配置的各種特徵及細節，諸如上文參看圖1A至圖1B所討論的。例如，VCSEL 200可為如所示的表面發射的，但其亦可為底部發射的。底部DBR 210可形成於基板202上且通常可對應於底部DBR，如圖1A至圖1B中所示。光學腔230形成於底部DBR 210上且包括主動區240。通常，光學腔230包括對主動區240定界的限制層231。
亦如圖所示，例如，VCSEL 200可包括界定電流限制孔234的絕緣層( 例如，橫向氧化層) 232。在一些組態中，孔234可具有比習知VCSEL中使用之寬度或直徑相對較大的寬度或直徑，使得主動區240之相關聯量子阱層的相對較大之區域可被電泵浦。例如，在一些實施例中，電流限制孔234可具有大於5 μm的寬度或直徑。
在一些一般性觀察中，啁啾模式反射器250可單片地生長為整合層，該整合層隨後被結構化且可使用介電沉積材料或半導體層。該整合層可形成於光學腔230的限制層231上，或者可形成於分散式布拉格反射器上(或作為其部分)。啁啾模式反射器250亦可為設置在與主動區240及VCSEL 200的其他部分相距氣隙距離處的氣隙平面反射器。後續的結構化(就形狀、尺寸及圖案而言)取決於反射器類型。
如本文所示，啁啾模式反射器250可與分散式布拉格反射器(DBR) 220的層結合使用以增加頂部鏡之反射率。啁啾模式反射器250可經組態以具有隨著模之偏振相對于模式取向而變的不同反射率。此使得VCSEL 200被偏振，因此為純單模。
啁啾模式反射器250可被設計為打破旋轉不變性，在不同的TE偏振之間提供不同的反射率或有效折射率。此會產生純單模雷射器或確保穩定的雙模VCSEL，在兩個TE偏振之間具有固定及可控的失諧。如此做之目的係執行角軌道動量(AOM)或「自旋偏振」資料傳輸，其速率由兩個交叉偏振光學模之間的失諧確定。
啁啾模式反射器250可在如圖2所示之VCSEL 200內部整合於VCSEL表面處，或者可整合於VCSEL 200之另一個支撐件(未圖示)上。啁啾模式反射器250的形狀可由同心部分(r ＜ r0, r＞r0)或另一種形狀例如橢圓體組成，或者可由簡單的1-D實施方案(x＜x0, x＞x0)組成。
通常，反射器250之圖案化結構化可採用高對比度光柵、0-D光子晶體或「平面」超反射器的形式。總體而言，具有圖案化結構化之反射器250可沉積或蝕刻至VCSEL的磊晶結構中。如下所述，此結構化為VCSEL 200提供了更好的單模反射率，而不是像用於調整單模VCSEL之波長的習知光柵般設計。
在本揭示案之一些實施例中，例如，如圖2所示，頂部DBR 220包括反射器250，該反射器具有啁啾模式光柵形式的圖案化結構化，該圖案化結構化可包括二維層，該二維層具有可能產生平面外反射率的週期性圖案。藉由在間距、佔據因數或厚度方面對圖案進行啁啾，反射波前可彎曲，使得反射器250可充當曲面鏡的等效物( 即，如本文之有效鏡)。為了討論之目的，具有圖案化結構化的反射器250被稱為啁啾模式反射器。
底部DBR 210與啁啾模式反射器250之間的光學腔230可被描述為由啁啾模式反射器250之2-D反射器定界的2-D光子晶體。在一些組態中，2-D啁啾模式反射器250具有旋轉對稱的某一態樣。
啁啾模式反射器250產生之2-D光子晶體可支持特定波長下的一組離散模。此等模可在特定條件下被外部激發。外部光可耦合到腔230，由2-D反射器反射，且被輸出耦合。若波長與2-D光子晶體並未特別匹配，則與波長與2-D光子晶體特別匹配的情況相比，反射強度可能會稍微小一些，且反射光束可能會出現失相。
啁啾模式反射器250可與頂部鏡220一起(或在其上)形成，該頂部鏡包括折射率相差很大之兩種材料的圖案化層222、224。啁啾模式反射器250通常可為VCSEL 200的輸出耦合鏡。底部DBR 210可替代地或另外地由通常對應於啁啾模式反射器250之啁啾模式反射器代替。例如，圖4A示出了具有根據本揭示案之啁啾模式反射器250的VCSEL 200，該啁啾模式反射器設置於(形成於)腔230的限制層上，該腔具有主動區240。在另一個示例中，圖4B示出了具有根據本揭示案之啁啾模式反射器250、250'的VCSEL 200，該等啁啾模式反射器與對腔230定界之頂部DBR 220及底部DBR 230結合使用，該腔具有主動區240。
在前面提到的又一個示例中，圖4C示出了具有根據本揭示案之啁啾模式反射器250”的VCSEL 200，該反射器被組態為平面氣隙反射器且與底部DBR 230結合使用以對腔230定界，該腔具有主動區240。對於該VCSEL 200，啁啾模式反射器250”可在磊晶系統內生長的半導體層上製造。可使用微影及蝕刻步驟將啁啾模式圖案化到層上。然後，濕法蝕刻可移除犧牲層，使得啁啾模式反射器250”被支撐在距主動區240的氣隙處。將支撐反射器250”之結構未在圖4C中示出，但將係熟習此項技術者所瞭解的。
如此等示例所示，其他變化係可能的，例如腔230由頂部啁啾模式反射器250及底部啁啾模式反射器250'定界且沒有頂部DBR及底部DBR，腔230在一側由頂部啁啾模式反射器250及頂部DBR 220定界且在另一側由底部啁啾模式反射器250'定界且沒有底部DBR等。如將瞭解的，與VCSEL相關聯的習知特徵( 例如，檯面、觸點等)在本文呈現之圖中未示出，但此類特徵將存在於所揭示VCSEL的實施方案中。
返回到圖2，啁啾模式反射器250的厚度及圖案化可用於將可垂直於層之入射光耦合成在層平面中傳播的光。該耦合可能相當有效，因為對比度可能很高且材料中的損耗可能很低。此外，啁啾模式反射器250的厚度及圖案化可充當用於在反射器250內傳播或限制模的光的2-D光子晶體。亦即，，啁啾模式反射器250的光柵可將光耦合到2-D光子晶體中，該2-D光子晶體可將光反彈回來且沿著原始傳播方向反射。
在一些組態中，本文討論之VCSEL 200的部分可關於對稱軸A圓形對稱，該對稱軸A可穿過啁啾模式反射器250、基模FM、高階模HM及底部DBR 210的中心，如圖2及圖3A至圖3C所示。圖2中之啁啾模式反射器250僅被示意性地描繪。實際的圖案、間距、厚度等會有所不同，且取決於具體的實施方案。
在一些實施例中，可使用超表面或高對比度光柵形式的啁啾模式反射器250來代替(或補充)頂部鏡220。例如，藉由啁啾及設計二維反射器250的週期性，反射器250可產生強度及/相位係根據反射器250上的入射點來進行空間調變的反射光束。如此可產生反射光的空間變化之相位，此可能類似於由透鏡產生的相位。以具有高反射率為目的而設計的啁啾模式反射器250的超表面可被設計為對反射波前進行整形以產生有效鏡的凹面部分、凸面部分或該兩個部分。
如圖2所示，頂部鏡220包括啁啾光柵形式的啁啾模式反射器250。啁啾模式反射器250具有週期性結構，由於波向量之相長干涉的累積，該週期性結構將入射光與經定義之波向量的輸出光束耦合。准週期結構(可能存在於啁啾模式反射器250的一些實施例中)可類似地將入射光與具有經定義波向量之輸出光束耦合，其中保持干涉累積。例如，頂部鏡220可包括不同折射率的圖案化或結構化層。啁啾模式反射器250之圖案化元件的間距、尺寸及形狀可使反射波前彎曲，設計特定的反射光譜，且取決於光的偏振具有一些不同的物理特性。在一些組態中，頂部鏡220可包括在高折射率與較低折射率之間交替的多個層222、224之組合，及除了交替層222、224之外亦有結構化超表面( 即，啁啾模式反射器250)。此類組態可促進反射率及期望的相位曲率。
本文揭示之啁啾模式反射器250為VCSEL 200之平面反射器界面處的彎曲波前提供模穩定性。在一些實施例中，2-D曲面反射器250可與模選擇器組合，如此可相對於一或多個期望之光學模的品質降低不想要之橫向光學模的品質因數。在一些組態中，啁啾模式反射器250可實現為被啁啾以使前波彎曲而增加特定模之品質因數的高對比度光柵，且可與被啁啾以降低其他競爭模之品質因數的第二高對比度光柵組合。此類結構的大規模製造可能比外部腔的大規模製造相對容易。
啁啾模式反射器250可由高折射率層222置於較低折射率層224頂部上而形成。在一些組態中，啁啾模式反射器250可嵌入至另一種材料中。啁啾模式反射器250可自在正入射時提供相對較高反射率的1-D或2-D圖案開始來創建。啁啾模式反射器250可包括被設計為產生入射波前之空間變化相位延遲的圖案。在一些實施例中，可藉由減小由高折射率層製造之圖案化元件的寬度或尺度來設計及創建圖案，使得降低有效折射率。
在一些實施例中，可在啁啾模式反射器250中實現相位的突然跳躍。替代地，模式反射器可在形狀、尺寸或間距上緩慢地進行啁啾。例如，可使用形狀、尺寸或間距之突然變化來簡化製程製造。在一些實施例中，啁啾模式反射器250的填充因數可在0.1與0.9之間，包括端點。
在特定的徑向擴展之外，啁啾模式反射器250的反射率可降低到最小，具有異相反射率。替代地，可確定相位延遲，使得相位延遲被反轉。在一些組態中，徑向擴展在VCSEL 200上可能並非均勻的，或者可能並非角度相關的。
在一些實施例中，啁啾模式反射器250可由若干元件組成。可改變此類元件之尺寸及形狀以創建啁啾模式反射器250的期望繞射模式且促進自啁啾模式反射器250產生期望的反射波前。繞射模式可能與啁啾模式反射器250在啁啾模式反射器250之圖案上的設計好之厚度變化相關聯。
如上面簡要提到的，啁啾模式反射器250產生有效鏡。為了便於說明本揭示案之一些實施例，圖3A至圖3C示意性地示出有效鏡260。啁啾模式反射器250產生有效鏡260，該有效鏡具有呈現給光學腔230之光的等效鏡形狀。如將瞭解的，有效鏡260實際上並未形成在VCSEL 200內，因為其至少部分地由面向光學腔230之啁啾模式反射器250的反射相位平面產生。為了進行說明，反射器250僅在圖3A至圖3C中示意性地概述，且未示出橫向氧化層232及主動區240。
圖3A圖示了具有相關聯基模FM的VCSEL 200，且圖3B圖示了具有相關聯高階模FM的VCSEL 200。通常，基模FM可表示單個期望之模或多個期望之模，但在本文中為了方便及清楚起見被描述為基模FM。啁啾模式反射器250的組態導致由在圖3A至圖3B中示意性地示出之有效鏡260表示的反射率。
如在圖3A至圖3B中舉例示出，有效鏡260具有凹面部分及凸面部分，該等凹面部分及凸面部分與基模FM及任何高階模HM以不同的方式相互作用。啁啾模式反射器250 (具有呈現給腔230的有效鏡260)經組態以展現由下式給出的相位延遲：
Figure 02_image001
Figure 02_image003
在上述等式中且如圖3C中更示意性地所示，變數 r表示距VCSEL 200之對稱軸A的半徑或距離。在上述等式中， Φ( r)表示對於給定半徑 r要實現的相位延遲。變數 r0表示有效鏡260之「曲率」發生變化的給定半徑。變數 Φ Max 表示最大相位延遲，其可為對稱軸A處的相位延遲。變數 f表示有效鏡260之凹面部分262的焦距。變數 f’表示有效鏡260之凸面部264的焦距。變數 λ表示基模FM在真空中的波長。通常，凹面焦距 f為大約1 µm至650 µm，包括端點。替代地或另外地，可選擇凸面焦距 f'以促進模選擇性。通常，凸面焦距 f’可為大約1 µm至650 µm，包括端點。較大的焦距 f及 f'往往適用於啁啾反射器朝向VCSEL 200之基板側設置的實施方案。在一個示例中，凹面部分之焦距 f可等於或大於5 μm且等於或小於20 μm。再舉例而言，凸面部分之焦距 f'等於或大於10 μm且等於或小於100 µm。
如前所述，啁啾模式反射器250可至少部分地由啁啾元鏡例如高對比度光柵形成，以促進反射波前的曲率。對於圖3A中之基模FM，啁啾模式反射器250及底部DBR 210形成用於期望模的穩定平凹光學腔230。啁啾模式反射器250反射空間變化之相位且將其添加至VCSEL 200的波前。啁啾模式反射器250向基模FM呈現凹面鏡262的等效物，如由圖3A至圖3C中之有效鏡260所示。換言之，啁啾模式反射器250的中心部分產生凹反射相位平面262，該凹反射相位平面面向具有其主動區(240)的光學腔230。
例如，啁啾模式反射器250在第一近似中將光學模形狀與橫向氧化層(232)的孔(234：圖2)之直徑解耦。基模FM可被啁啾模式反射器250反射，使得提高在光學腔230內基模FM的穩定性。該提高的穩定性可增加基模FM之品質因數且可促進相對於具有平面-平面光學腔之習知VCSEL提高VCSEL 200的電光效能。在一些實施例中，即使在自VCSEL 200省去增益引導結構的組態中，基模FM亦可由平凹光學腔230以一階定義。
關於高階模HM，圖3B示出相對於由上述啁啾模式反射器250產生之有效鏡260具有相關聯之高階模HM的VCSEL 200。高階模HM可表示單個非所要的模或多個非所要的模，但在本文中為了方便及清楚起見描述為高階模HM。
啁啾模式反射器250的空間變化相位可被定位成使得高階模HM可在某一部分處與啁啾模式反射器250相互作用，該部分呈現了鏡的凸面部分264之等效物，如由有效鏡260所示。換言之，啁啾模式反射器250的周邊部分產生凸反射相位平面264，該凸反射相位平面面向具有其主動區(240)的光學腔230。凸面部分264可作為凸面反射器而呈現給高階模HM，添加了啁啾模式反射器250在凹面部分262外側之多個部分的形狀。與凸面部分264之該相互作用可使高階模HM經歷高階模HM的發散D。例如，啁啾模式反射器250可降低高階模HM之品質因數且可導致比基模FM相對更高的損耗。啁啾模式反射器250的呈現有效鏡260之凸面部分264的等效物的部分可被限制為對基模FM沒有影響。
如所揭示的，所產生之有效鏡260可如圖3A至圖3C中所示般進行整形以促進基模FM的穩定性且不使高階模HM發散。如將瞭解的，啁啾模式反射器250可能不會產生圖3A至圖3C中的有效鏡260，而是可為其他形狀。換言之，啁啾模式反射器250可向基模FM呈現等效形狀，該形狀不同於圖3A至圖3C中所示的凹面鏡。例如，啁啾模式反射器250可呈現替代形狀，該替代形狀可為基模FM或期望的模(包括偏振選定模)的任何組合產生光學穩定的腔。
所描述之態樣在所有方面皆為說明性而非限制性的。所主張之主題由所附請求項而非前文描述指示。在請求項之等同物的含義及範圍內的所有變化皆包含在請求項之範疇內。
100:VCSEL 102:基板晶圓 110:底部DBR 112:高折射率層 114:低折射率層 120:頂部DBR 122:高折射率層 124:低折射率層 130:光學腔 132:橫向氧化層 134:孔 140:主動區 200:VCSEL 202:基板 210:底部DBR 212:元件 214:元件 220:DBR 222:圖案化層 224:圖案化層 230:光學腔 231:限制層 232:橫向氧化層 234:孔 240:主動區 250:啁啾模式反射器 250’:啁啾模式反射器 250’’:啁啾模式反射器 260:有效鏡 262:有效鏡之凹面部分 264:有效鏡之凸面部分 FM:基模
圖1A示出了根據習知配置之垂直腔面發射雷射器(VCSEL)。 圖1B示出了圖1A之習知VCSEL，示出了VCSEL腔中的相關聯之基本橫模。 圖2示出了根據本揭示案的具有啁啾模式反射器之VCSEL。 圖3A示出了所揭示VCSEL的示意圖，示意性地示出了有效鏡及相關聯的基模。 圖3B示出了所揭示VCSEL的示意圖，示意性地示出了有效鏡及相關聯的高階模。 圖3C示出了啁啾模式反射器產生的有效鏡之示意性細節。 圖4A至圖4C示出了根據本揭示案的具有啁啾模式反射器之其他配置的VCSEL。
200:VCSEL
202:基板
210:底部DBR
212,214:元件
220:DBR
222,224:圖案化層
230:光學腔
231:限制層
232:橫向氧化層
234:孔
240:主動區
250:啁啾模式反射器
FM:基模

Claims (21)

  1. 一種垂直腔面發射雷射器(VCSEL)，該垂直腔面發射雷射器(VCSEL)包括： 一主動區，該主動區經組態以被電泵浦以產生具有一基模及一高階模的光； 一啁啾模式反射器，該啁啾模式反射器設置成鄰近於該主動區之一側且包括： 一第一部分，該第一部分被結構化以向該主動區呈現一有效鏡的一凹面部分；及 一第二部分，該第二部分被結構化以向該主動區呈現該有效鏡的一凸面部分；及 一第二反射器，該第二反射器設置成鄰近於該主動區的與該啁啾模式反射器相對的另一側。
  2. 如請求項1之VCSEL，其中該第一部分為該啁啾模式反射器的一中心部分；且其中該第二部分為該啁啾模式反射器的一周邊部分。
  3. 如請求項1之VCSEL，其中該主動區包括一或多個量子阱或一或多個量子點。
  4. 如請求項1之VCSEL，其中該第二反射器包括一分散式布拉格反射器，該分散式布拉格反射器位於該主動區的與該啁啾模式反射器相對的側處。
  5. 如請求項1之VCSEL，該VCSEL進一步包括一絕緣層，該絕緣層設置於該啁啾模式反射器與該第二反射器之間且界定一孔。
  6. 如請求項5之VCSEL，其中該啁啾模式反射器係圓形對稱的且與該孔同軸對準。
  7. 如請求項1之VCSEL，其中該啁啾模式反射器包括與一磊晶分散式布拉格反射器相關聯的一結構化。
  8. 如請求項1之VCSEL，其中該啁啾模式反射器經組態以展現出由下式給出的相位延遲：
    Figure 03_image001
    Figure 03_image003
    其中： r表示相對於該有效鏡之一對稱軸的一半徑； r0表示該有效鏡之一曲率發生變化的一給定半徑； Φ( r)表示針對該給定半徑的該相位延遲； λ表示該基模在真空中的一波長； f表示該有效鏡之該凹面部分的一焦距； f’表示該有效鏡之該凸面部分的一焦距；且 Φ Max 表示一最大相位延遲。
  9. 如請求項8之VCSEL，其中該凹面部分之該焦距 f等於或大於5 µm且等於或小於20 µm；且其中該凸面部分之該焦距 f’等於或大於10 µm且等於或小於100 µm。
  10. 如請求項1之VCSEL，其中該啁啾模式反射器設置於該主動區的一限制層上。
  11. 一種垂直腔面發射雷射器(VCSEL)，該垂直腔面發射雷射器(VCSEL)包括： 一主動區，該主動區經組態以被電泵浦，使得該主動區產生具有一基模及一高階模的光；及 一光學腔，該光學腔具有該主動區且由以下各者定界： 一分散式布拉格反射器；及 一啁啾模式反射器，該啁啾模式反射器包括： 一第一部分，該第一部分被結構化以向該主動區呈現一有效鏡的一凹面部分；及 一第二部分，該第二部分被結構化以向該主動區呈現該有效鏡的一凸面部分，該啁啾模式反射器之該第一部分經組態以反射該基模，使得在該光學腔內該基模之穩定性增加，該啁啾模式反射器的該第二部分經組態以使該高階模發散。
  12. 如請求項11之VCSEL，該VCSEL進一步包括位於該光學腔內的一絕緣層，該絕緣層界定一孔。
  13. 如請求項12之VCSEL，其中該啁啾模式反射器係圓形對稱的且與該孔同軸對準。
  14. 如請求項11之VCSEL，其中該主動區包括一或多個量子阱或一或多個量子點。
  15. 如請求項11之VCSEL，其中該啁啾模式反射器經組態以展現出由下式給出的相位延遲：
    Figure 03_image001
    Figure 03_image003
    其中： r表示相對於該有效鏡之一對稱軸的一半徑； r0表示該有效鏡之一曲率發生變化的一給定半徑； Φ( r)表示針對該給定半徑的該相位延遲； λ表示該基模在真空中的一波長； f表示該有效鏡之該凹面部分的一焦距； f’表示該有效鏡之該凸面部分的一焦距；且 Φ Max 表示一最大相位延遲。
  16. 如請求項15之VCSEL，其中該凹面部分之該焦距 f等於或大於5微米且等於或小於20微米；且其中該凸面部分之該焦距 f’等於或大於10微米且等於或小於100微米。
  17. 如請求項11之VCSEL，其中該啁啾模式反射器包括與之相關聯的一磊晶分散式布拉格反射器(DBR)。
  18. 如請求項11之VCSEL，其中該啁啾模式反射器設置於該主動區的一限制層上。
  19. 一種製造一垂直腔面發射雷射器(VCSEL)之方法，該方法不一定按順序地包括以下步驟： 形成一第一反射器； 鄰近於該第一反射器形成一光學腔，該光學腔具有一主動區，該主動區經組態以被電泵浦，使得該主動區產生具有一基模及一高階模的光；及 藉由以下方式鄰近於該光學腔形成一第二反射器： 將一啁啾模式之一中心部分結構化以向該主動區呈現一有效鏡的一凹面部分，且將該中心部分組態為反射該基模，使得在該光學腔內該基模的穩定性增加；及 將該啁啾模式之一周邊部分結構化以向該主動區呈現該有效鏡的一凸面部分，且將該周邊部分組態為使該高階模發散。
  20. 如請求項19之方法，其中形成該第一反射器包括： 形成一分散式布拉格反射器； 形成用於另一個啁啾模式的另一個結構化；或 形成一分散式布拉格反射器，且鄰近於該分散式布拉格反射器形成用於一啁啾模式的一結構化。
  21. 如請求項19之方法，其中形成該第二反射器包括： 在該光學腔之一限制層上形成用於該啁啾模式的一結構化；或 鄰近於該光學腔之一限制層形成一分散式布拉格反射器，及鄰近於該分散式布拉格反射器形成用於該啁啾模式的一結構化。
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