專(zhuān)利名稱(chēng)：具有泵束反射器的垂直外腔表面發(fā)射激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及垂直外腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)，更特別地，涉及能夠以低成本制造的具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的VECSEL。
背景技術(shù)：
其中束垂直于襯底發(fā)射的垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)以非常窄頻譜的單縱向模式(single longitudinal mode)振蕩光并且發(fā)射小輻射角的束，因而具有良好的耦合效率。VCSEL由于其結(jié)構(gòu)而可以容易地與其它器件集成，并且可以用作泵浦光源(pumping light source)。然而，常規(guī)VCSEL不能容易地進(jìn)行單橫向模式(single transverse mode)振蕩，因?yàn)閂CSEL由于光輸出的增加導(dǎo)致的熱透鏡效應(yīng)而以多個(gè)模式工作，并且單橫向模式的輸出低。
垂直外腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)是具有VCSEL的上述優(yōu)點(diǎn)的高光輸出激光器。VECSEL具有取代上鏡(upper mirror)的外鏡(external mirror)從而增加增益區(qū)域，因而可以輸出數(shù)瓦特到很多瓦特的光。
圖1是常規(guī)VECSEL 10的示意圖。VECSEL 10是前光學(xué)泵浦激光器，包括供應(yīng)泵浦束并形成在半導(dǎo)體芯片13前面的泵浦激光器15。半導(dǎo)體芯片13包括順序形成在散熱器14上的分布式布拉格反射器(distributed BraggReflector)和有源層12，外鏡20距離半導(dǎo)體芯片13預(yù)定距離設(shè)置且面對(duì)半導(dǎo)體芯片13。聚焦從泵浦激光器15發(fā)出的泵浦束(pumping beam)的透鏡16設(shè)置在泵浦激光器15和半導(dǎo)體芯片13之間。
第二諧波生成(SHG)器件18和用于增加第二諧波生成的雙折射過(guò)濾器17設(shè)置在有源層12與外鏡20之間。雙折射過(guò)濾器17過(guò)濾單一窄波段的光，因而增加光轉(zhuǎn)換效率。
有源層12可以是具有諧振周期增益(RPG)結(jié)構(gòu)的多量子阱層并且被泵浦束激勵(lì)且發(fā)射具有預(yù)定波長(zhǎng)λ2的束。泵浦激光器15發(fā)射比有源層12產(chǎn)生的光的波長(zhǎng)λ2短的波長(zhǎng)λ1的光從而激勵(lì)有源層12。
在上述配置中，當(dāng)泵浦激光器15發(fā)射具有波長(zhǎng)λ1的泵浦束至有源層12時(shí)，有源層12被激勵(lì)并發(fā)射波長(zhǎng)λ2的束。束通過(guò)在DBR層11和外鏡20之間重復(fù)地反射而往復(fù)運(yùn)動(dòng)。因此在有源層12中放大的一部分束通過(guò)外鏡20發(fā)射到外部。從有源層12發(fā)射的束是多縱向模式束，其通過(guò)雙折射過(guò)濾器17過(guò)濾從而獲得具有窄線寬的單模式束。例如，紅外線范圍內(nèi)的束被轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光范圍內(nèi)的束并被輸出。
當(dāng)利用雙折射過(guò)濾器17來(lái)選擇諧振光的偏振和波長(zhǎng)時(shí)，雙折射過(guò)濾器17需要相對(duì)于光的主路徑以規(guī)則角安裝，因此需要安裝雙折射過(guò)濾器17的額外空間。另外，雙折射過(guò)濾器17昂貴，其制造工藝復(fù)雜，并且雙折射過(guò)濾17需要根據(jù)偏振來(lái)布置，其需要夾具(jig)。因此，VECSEL的總體積增加。此外，因?yàn)镾HG晶體18對(duì)溫度敏感，需要控制溫度。由于雙折射過(guò)濾器17的溫度需要根據(jù)SHG晶體18的溫度來(lái)控制，因而溫度控制變得復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種垂直外腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)，其能夠以低成本制造并具有簡(jiǎn)單的易于調(diào)整的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種垂直外腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)，包括半導(dǎo)體芯片，包括發(fā)射具有預(yù)定波長(zhǎng)的束的有源層以及將該有源層產(chǎn)生的該束反射到該有源層外部的反射層；外鏡，面對(duì)該有源層且反復(fù)地將該有源層發(fā)射的束反射到該反射層從而放大該束并將該放大的束輸出到外部；泵浦激光器，提供泵浦束從而激勵(lì)該有源層；第二諧波生成(SHG)器件，設(shè)置在該半導(dǎo)體芯片與該外鏡之間并且轉(zhuǎn)換該有源層發(fā)射的該束的波長(zhǎng)；以及半導(dǎo)體過(guò)濾器，與該SHG器件耦合。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種VECSEL，包括半導(dǎo)體芯片，包括發(fā)射具有預(yù)定波長(zhǎng)的束的有源層以及將該有源層產(chǎn)生的束反射到該有源層外的反射層；外鏡，面對(duì)該有源層且反復(fù)地將該有源層發(fā)射的束反射到該反射層從而放大該束并將該放大的束輸出到外部；泵浦激光器，提供泵浦束從而激勵(lì)該有源層；第二諧波生成(SHG)器件，設(shè)置在該半導(dǎo)體芯片與該外鏡之間并且轉(zhuǎn)換該有源層發(fā)射的束的波長(zhǎng)；以及電介質(zhì)過(guò)濾器，與該SHG器件耦合。
該反射層可以是包括重復(fù)交替堆疊的具有不同折射率的兩種半導(dǎo)體層的多層分布式布拉格反射器。
該半導(dǎo)體層的每個(gè)的厚度可以為所述發(fā)射的束的波長(zhǎng)的四分之一。
該有源層可包括產(chǎn)生束的多個(gè)量子阱層，該量子阱層的每個(gè)設(shè)置于在該外鏡與所述反射鏡之間諧振的束產(chǎn)生的駐波的波腹內(nèi)。
該半導(dǎo)體過(guò)濾器可具有30％或更大的透射率以及10nm或更小的非零線寬。
該電介質(zhì)過(guò)濾器可具有在選定波長(zhǎng)處30％或更大的透射率以及10nm或更小的非零線寬。
該第一半導(dǎo)體層是具有較低折射率的AlAs層，該第二半導(dǎo)體層是具有較高折射率的Al0.2GaAs層。


通過(guò)參照附圖詳細(xì)描述其示例性實(shí)施例，本發(fā)明的上述和其它特征及優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯，附圖中圖1是常規(guī)垂直外腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的VECSEL的示意圖；圖3是圖2的VECSEL中使用的半導(dǎo)體過(guò)濾器的剖視圖；圖4是通過(guò)模擬使用圖3的半導(dǎo)體過(guò)濾器的圖2的VECSEL獲得的透射譜。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照附圖更完整地說(shuō)明本發(fā)明，附圖中示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例。為清晰起見(jiàn)，圖中層的厚度和區(qū)域被放大。
圖2是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的垂直外腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)100的示意圖。參照?qǐng)D2，VECSEL 100包括發(fā)射具有預(yù)定波長(zhǎng)的束的半導(dǎo)體芯片103、向半導(dǎo)體芯片103提供泵浦束的泵浦激光器105、以及遠(yuǎn)離半導(dǎo)體芯片103設(shè)置且將所發(fā)射的束反射回半導(dǎo)體芯片103的外鏡120。
第二諧波生成(SHG)器件115設(shè)置在半導(dǎo)體芯片103與外鏡120之間從而轉(zhuǎn)換從半導(dǎo)體芯片103發(fā)射的束的波長(zhǎng)。例如，SHG器件115將半導(dǎo)體芯片103發(fā)射的紅外線范圍內(nèi)的束轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光范圍內(nèi)的束。半導(dǎo)體過(guò)濾器110與具有高度波長(zhǎng)選擇性的SHG過(guò)濾器115耦合從而增加光轉(zhuǎn)換效率。半導(dǎo)體過(guò)濾器110可以設(shè)置在SHG器件115下面使得半導(dǎo)體芯片103發(fā)射的束在進(jìn)入SHG器件115之前被過(guò)濾。
半導(dǎo)體110可以用電介質(zhì)過(guò)濾器代替并且電介質(zhì)過(guò)濾器可以形成在SHG器件115上或其之下。
半導(dǎo)體芯片103包括發(fā)射預(yù)定波長(zhǎng)的束的有源層102和將該束反射到有源層102的外部的反射層101。如本領(lǐng)域內(nèi)所公知的，有源層102包括量子阱層并且該量子阱層具有諧振周期增益(RPG)結(jié)構(gòu)，其包括多個(gè)量子阱之間的勢(shì)壘層。有源層102吸收泵浦激光器105發(fā)射的泵浦束，因而被激勵(lì)從而發(fā)射束。為了獲得增益，量子阱分別在束的駐波的波腹(anti-node)中，所述束通過(guò)有源層102產(chǎn)生并且在外鏡120與反射層101之間諧振。有源層102產(chǎn)生的束在外鏡120與反射層101之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而被放大。
為了以泵浦束激勵(lì)有源層102，泵浦束的波長(zhǎng)λ1應(yīng)當(dāng)短于有源層102產(chǎn)生的束的波長(zhǎng)λ2。例如，當(dāng)有源層102發(fā)射920nm至1060nm范圍內(nèi)的紅外線內(nèi)的束時(shí)，泵浦束的波長(zhǎng)λ1可為約808nm。因?yàn)殡y以通過(guò)電泵浦將載流子均勻地注入到大的區(qū)域中，所以光學(xué)泵浦對(duì)于獲得高輸出是有利的。
透鏡107設(shè)置在泵浦激光器105和半導(dǎo)體芯片103之間從而聚焦從泵浦激光器105發(fā)出的泵浦束。
外鏡120與有源層102分開(kāi)預(yù)定距離并與其面對(duì)，將有源層102發(fā)出的束的大部分反射回有源層102用于諧振，并將通過(guò)諧振放大的束傳輸?shù)酵獠?。外鏡120的反射表面是凹入的使得所反射的束可以會(huì)聚到有源層102上。
反射層101將有源層102產(chǎn)生的束反射到外鏡120使得束能在外鏡120與反射層101之間諧振。反射層101可以是分布式布拉格反射器(DBR)，其被設(shè)計(jì)為在所述發(fā)射的束的波長(zhǎng)λ2具有最大反射率。反射層101可以通過(guò)交替堆疊具有不同折射率的λ2/4厚度的兩種類(lèi)型的半導(dǎo)體層而形成。例如，反射所述發(fā)射的束并傳輸泵浦束的DBR層可以重復(fù)地交替AlxGa(1-x)As層和AlyGa(1-y)As層(0≤x，y≤1，x≠y)而形成。
散熱器104形成在半導(dǎo)體芯片103下面從而消散有源層102產(chǎn)生的熱。
圖3是半導(dǎo)體過(guò)濾器110的剖視圖。半導(dǎo)體過(guò)濾器110通過(guò)在襯底111上交替堆疊具有較低折射率的第一半導(dǎo)體層112a和具有較高折射率的第二半導(dǎo)體層112b而形成。半導(dǎo)體過(guò)濾器110可以通過(guò)半導(dǎo)體工藝容易地制造。例如，襯底111可以由GaAs形成，第一半導(dǎo)體層112a由AlAs形成，第二半導(dǎo)體層112b由AlyGa(1-y)As層(0≤y≤1)形成。例如，第二半導(dǎo)體層112b可以由Al0.2Ga0.8As形成。
半導(dǎo)體過(guò)濾器110還可以包括由AlyGa(1-y)As(0≤y≤1)形成的頂層113。例如，頂層113可以由GaAs形成。另外，包括第一半導(dǎo)體層112a和第二半導(dǎo)體層112b的第一對(duì)層A、包括第一半導(dǎo)體層112a的第二對(duì)層B、包括第一半導(dǎo)體層112a和第二半導(dǎo)體層112b的第三對(duì)層C可以重復(fù)1至100次。半導(dǎo)體過(guò)濾器110具有在預(yù)定波長(zhǎng)處30％的透射率以及10nm或更小的線寬。
襯底111和頂層113的每個(gè)具有小于或等于10nm的非零厚度，第一半導(dǎo)體層112a和第二半導(dǎo)體層112b可具有有源層102所發(fā)射的束的波長(zhǎng)的四分之一的厚度。
圖3所示的半導(dǎo)體過(guò)濾器110透射具有1064nm波長(zhǎng)的光，并且這樣的光通過(guò)SHG器件115時(shí)被轉(zhuǎn)換成具有532nm波長(zhǎng)的綠光。圖4示出了半導(dǎo)體過(guò)濾器110的透射率。在1064nm波長(zhǎng)處透射率是30％或更大并且其線寬(Δλ)是0.2nm或更小。
如上所述，在本發(fā)明中，半導(dǎo)體過(guò)濾器簡(jiǎn)化了VECSEL的結(jié)構(gòu)并增大了SHG器件的光轉(zhuǎn)換效率。盡管上面描述了半導(dǎo)體的使用，但使用通過(guò)交替堆疊具有不同介電常數(shù)的電介質(zhì)層而形成的電介質(zhì)過(guò)濾器來(lái)代替半導(dǎo)體過(guò)濾器獲得了相同效果。電介質(zhì)過(guò)濾器具有在選定波長(zhǎng)處30％或更大的透射率并且其線寬可以是10nm或更小。半導(dǎo)體過(guò)濾器可以與SHG器件耦合并設(shè)置在其下面，而電介質(zhì)過(guò)濾器可以形成在SHG器件上或其之下。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的VECSEL包括半導(dǎo)體過(guò)濾器或電介質(zhì)過(guò)濾器，其能容易地選擇波長(zhǎng)從而增大光轉(zhuǎn)換效率并被容易地制造從而簡(jiǎn)化激光器。另外，由于過(guò)濾器與SHG器件耦合，不需要夾具，因而可以減小VECSEL的體積和制造成本。另外，不需要用于控制溫度的額外設(shè)備。
盡管本發(fā)明參照其實(shí)施例進(jìn)行了特定示出和描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求所定義的精神和范圍的情況下可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種改變。
權(quán)利要求
1.一種垂直外腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)，包括半導(dǎo)體芯片，包括發(fā)射具有預(yù)定波長(zhǎng)的束的有源層以及將該有源層產(chǎn)生的該束反射到該有源層的外部的反射層；外鏡，面對(duì)該有源層且反復(fù)地將該有源層發(fā)射的束反射到該反射層從而放大該束并將該放大的束輸出到外部；泵浦激光器，提供泵浦束從而激勵(lì)該有源層；第二諧波生成(SHG)器件，設(shè)置在該半導(dǎo)體芯片與該外鏡之間并且轉(zhuǎn)換該有源層發(fā)射的該束的波長(zhǎng)；以及半導(dǎo)體過(guò)濾器，與該SHG器件耦合。
2.如權(quán)利要求1所述的VECSEL，其中該反射層是包括重復(fù)交替地堆疊的具有不同折射率的兩種半導(dǎo)體層的多層分布式布拉格反射器。
3.如權(quán)利要求2所述的VECSEL，其中該半導(dǎo)體層的每個(gè)的厚度為該發(fā)射的束的波長(zhǎng)的四分之一。
4.如權(quán)利要求1所述的VECSEL，其中該有源層包括產(chǎn)生束的多個(gè)量子阱層，該量子阱層的每個(gè)設(shè)置于在該外鏡與該反射鏡之間諧振的束產(chǎn)生的駐波的波腹內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的VECSEL，其中該半導(dǎo)體過(guò)濾器具有30％或更大的透射率以及10nm或更小的非零線寬。
6.如權(quán)利要求1所述的VECSEL，其中該半導(dǎo)體過(guò)濾器包括襯底；以及具有不同折射率的重復(fù)地順序堆疊在該襯底上的第一和第二半導(dǎo)體層。
7.如權(quán)利要求6所述的VECSEL，其中該第一半導(dǎo)體層是具有較低折射率的AlAs層，該第二半導(dǎo)體層是具有較高折射率的AlxGa(1-x)AS層(0≤x≤1)。
8.如權(quán)利要求6所述的VECSEL，其中該第一和第二半導(dǎo)體層的每個(gè)的厚度是從該有源層發(fā)射的該束的波長(zhǎng)的四分之一。
9.如權(quán)利要求6所述的VECSEL，其中該襯底具有10nm或更小的非零厚度。
10.如權(quán)利要求6所述的VECSEL，其中該半導(dǎo)體過(guò)濾器包括堆疊在該襯底上的包括該第一和第二半導(dǎo)體層的第一對(duì)層，堆疊在該第一對(duì)層上的包括該第一半導(dǎo)體層的第二對(duì)層，以及堆疊在該第二對(duì)層上的包括該第一和第二半導(dǎo)體層的第三對(duì)層。
11.如權(quán)利要求10所述的VECSEL，其中該第一、第二和第三對(duì)層重復(fù)1至100次。
12.如權(quán)利要求6所述的VECSEL，其中該半導(dǎo)體過(guò)濾器包括由AlxGa(1-x)AS(0≤x≤1)形成的頂層。
13.如權(quán)利要求12所述的VECSEL，其中該頂層具有10nm或更小的非零厚度。
14.一種VECSEL，包括半導(dǎo)體芯片，包括發(fā)射具有預(yù)定波長(zhǎng)的束的有源層以及將該有源層產(chǎn)生的該束反射到該有源層的外部的反射層；外鏡，面對(duì)該有源層且反復(fù)地將該有源層發(fā)射的束反射到該反射層從而放大該束并將該放大的束輸出到外部；泵浦激光器，提供泵浦束從而激勵(lì)該有源層；第二諧波生成(SHG)器件，設(shè)置在該半導(dǎo)體芯片與該外鏡之間并且轉(zhuǎn)換該有源層發(fā)射的該束的波長(zhǎng)；以及電介質(zhì)過(guò)濾器，與該SHG器件耦合。
15.如權(quán)利要求14所述的VECSEL，其中該反射層是包括重復(fù)交替地堆疊的具有不同折射率的兩種半導(dǎo)體層的多層分布式布拉格反射器。
16.如權(quán)利要求14所述的VECSEL，其中該半導(dǎo)體層的每個(gè)的厚度為該發(fā)射的束的波長(zhǎng)的四分之一。
17.如權(quán)利要求14所述的VECSEL，其中該有源層包括產(chǎn)生束的多個(gè)量子阱層，該量子阱層的每個(gè)設(shè)置于在該外鏡與該反射鏡之間諧振的束產(chǎn)生的駐波的波腹中。
18.如權(quán)利要求14所述的VECSEL，其中該電介質(zhì)過(guò)濾器具有在選定波長(zhǎng)處30％或更大的透射率以及10nm或更小的非零線寬。
19.如權(quán)利要求14所述的VECSEL，其中該半導(dǎo)體過(guò)濾器包括由AlxGa(1-x)AS(0≤x≤1)形成的頂層。
20.如權(quán)利要求19所述的VECSEL，其中該頂層具有10nm或更小的非零厚度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種垂直外腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)。該VECSEL包括半導(dǎo)體芯片，包括發(fā)射具有預(yù)定波長(zhǎng)的束的有源層以及將該有源層產(chǎn)生的該束反射到該有源層的外部的反射層；外鏡，面對(duì)該有源層且反復(fù)地將該有源層發(fā)射的束反射到該反射層從而放大該束并將該放大的束輸出到外部；泵浦激光器，提供泵浦束從而激勵(lì)該有源層；第二諧波生成(SHG)器件，設(shè)置在該半導(dǎo)體芯片與該外鏡之間并且轉(zhuǎn)換該有源層發(fā)射的該束的波長(zhǎng)；及半導(dǎo)體過(guò)濾器或電介質(zhì)過(guò)濾器，與該SHG器件耦合。該VECSEL包括能夠容易地選擇波長(zhǎng)并能夠容易地制造的半導(dǎo)體過(guò)濾器或電介質(zhì)過(guò)濾器，從而具有高的光轉(zhuǎn)換效率、簡(jiǎn)單、并具有低制造成本。
文檔編號(hào)H01S5/14GK1979983SQ200610121330
公開(kāi)日2007年6月13日 申請(qǐng)日期2006年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月8日
發(fā)明者金起成 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社