專利名稱：電學(xué)泵浦半導(dǎo)體鋸齒形擴(kuò)展腔表面發(fā)射激光器和超發(fā)光led的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及半導(dǎo)體表面發(fā)射激光器。更具體而言，本發(fā)明涉及通過(guò)使用鋸 齒形(zigzag)配置來(lái)改善擴(kuò)展腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的性能。
背景技術(shù)：
光學(xué)泵浦固態(tài)Nd: YAG板條激光器(slab laser)是固態(tài)激光器的一種重要類別。 一種類型的Nd:YAG板條激光器是鋸齒形板條幾何形狀，如圖1所說(shuō)明。在鋸齒形板條幾何 形狀中，Nd YAG板條具有矩形橫截面。板條包含傾斜面以允許激光束進(jìn)入和離開(kāi)板條。板條 具有兩個(gè)大的相對(duì)的面。如現(xiàn)有技術(shù)圖1所說(shuō)明，通過(guò)貫穿板條整個(gè)長(zhǎng)度經(jīng)過(guò)相對(duì)的面照 射板條，板條被光學(xué)泵浦。傾斜面的角度導(dǎo)致光束以一角度進(jìn)入板條(由于斯涅爾定律)并 且隨后在相對(duì)的面經(jīng)歷全內(nèi)反射。通過(guò)適當(dāng)選擇傾斜面的角度以及其它設(shè)計(jì)因素，光束由 于全內(nèi)反射的原因而曲折遍歷板條的長(zhǎng)度。也就是說(shuō)，光學(xué)束經(jīng)歷一連串的內(nèi)反射，使得其 具有沿著板條長(zhǎng)度的交變路徑，束在該交變路徑中在兩個(gè)大的相對(duì)的面之間來(lái)回彈射。提 供附加的折回反射器以提供反饋到板條激光器。關(guān)于傳統(tǒng)鋸齒形固態(tài)激光器幾何形狀的背 景信息描述于W. Koechner, Solid State Laser Engineering, Springer Verlag Ed. , 1976, p. 392-394 ;B. J. Comaskey 等人，"High average power diode pumped slab laser", IEEE J. Quantum Electronics, vol. 28, no 4,1992 ^ 4 ^ , p. 992 ； \)JsR A. D. Farinas φ Α " Design and characterization of a 5. 5-ff,cw,injection-locked,fiber-coupled, laser-diode-pumped Nd:YAG miniature-slab laser" , Optics Letters, vol 19, no.2, 1994年1月15日，p. 114，其內(nèi)容引用結(jié)合于此。常規(guī)Nd:YAG板條鋸齒形激光器的一個(gè)方面在于，它貫穿板條的整個(gè)主體被光學(xué) 泵浦。因而，束沿著其穿越板條的整個(gè)長(zhǎng)度經(jīng)歷光學(xué)增益。附加地，常規(guī)Nd: YAG鋸齒形 板條激光器受益于固態(tài)激光器的比較小的增益譜和比較小的折射率特性變動(dòng)。結(jié)果，常規(guī) Nd YAG板條激光器可以用于提供高質(zhì)量激光輸出。相反，鋸齒形激光器幾何形狀先前已被證明對(duì)于實(shí)施具有期望光學(xué)模式特性的高 效高功率半導(dǎo)體激光器是不切實(shí)際的。半導(dǎo)體激光器具有比較寬的增益譜、更高的增益系 數(shù)、以及折射率對(duì)溫度和泵浦水平的高靈敏度。難以從大面積和體積的增益材料獲得高功 率輸出而不形成在空間和縱向模式中的各種光學(xué)不穩(wěn)定性。例如，公知的是，在大的寬度上 被泵浦的板條幾何形狀半導(dǎo)體激光器具有在多個(gè)橫向模式中激射的趨勢(shì)。也就是說(shuō)，由于 典型半導(dǎo)體中大的增益的原因，經(jīng)常需要特殊的努力來(lái)抑制板條幾何形狀半導(dǎo)體激光器和 放大器中的寄生激射。例如，在高填充因子激光器棒(bar)中會(huì)出現(xiàn)橫向激射，除非在發(fā)射器條(stripe)之間蝕刻形成深隔離槽來(lái)避免它。結(jié)果，由于典型半導(dǎo)體材料中大的增益的 原因，抑制寄生激射的設(shè)計(jì)是常見(jiàn)問(wèn)題。由于大面積半導(dǎo)體激光器的電容大(RC時(shí)間常數(shù) 大)、需要高的調(diào)制電流以及產(chǎn)生各種模式不穩(wěn)定性的原因，在調(diào)制它們時(shí)也存在一些實(shí)際 困難?，F(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)提出若干種半導(dǎo)體鋸齒形激光器。然而，它們中的每一種具有明 顯的缺點(diǎn)，使得它們不能用作其它類型半導(dǎo)體激光器的實(shí)用備選。實(shí)施鋸齒形半導(dǎo)體激光器的一種方法公開(kāi)于Kl imek的美國(guó)專利公布 2003/0012246，" Semiconductor ZigZag Laser and Optical Amplfier“。然而，Klimek 中的許多缺陷使得該設(shè)計(jì)無(wú)法用于獲得具有穩(wěn)定的大面積光學(xué)模式的高效電學(xué)泵浦激光 器。美國(guó)專利公布2003/0012246中公開(kāi)的外延層設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)上與常規(guī)固態(tài)板條激光 器極為接近。與常規(guī)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器相似，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含夾置于兩個(gè)覆蓋層之間 的有源區(qū)。有源區(qū)包含P摻雜和η摻雜區(qū)域。Klimek描述了光學(xué)泵浦和電學(xué)泵浦這二者， 但是沒(méi)有公開(kāi)提供高效電學(xué)泵浦的實(shí)用手段。電學(xué)泵浦的實(shí)施例將理解為需要在一個(gè)覆蓋 層中P摻雜以及在另一個(gè)覆蓋層中η摻雜，從而在頂部和底部電學(xué)接觸之間形成ρ-η激光 二極管。因而，在Klimek的電學(xué)泵浦實(shí)施例中，光學(xué)模式穿越鋸齒形路徑經(jīng)過(guò)η和ρ摻雜 有源區(qū)以及η和P摻雜覆蓋區(qū)域，導(dǎo)致顯著的光學(xué)損耗。再者，鋸齒形路徑具有沿著有源區(qū) 的一連串節(jié)點(diǎn)和波腹(antinode)。結(jié)果，增益沒(méi)有被有效地利用。附加地，Klimek中公開(kāi)的電學(xué)泵浦實(shí)施例還存在若干其它實(shí)際問(wèn)題。Klimek公開(kāi) 了光學(xué)覆蓋層是外延生長(zhǎng)的。然而，可以生長(zhǎng)的具有高光學(xué)和材料質(zhì)量且具有與高效設(shè)計(jì) 一致的合理地低的電學(xué)電阻的摻雜覆蓋層的厚度，存在實(shí)際限制。在相當(dāng)?shù)倪叞l(fā)射激光器 結(jié)構(gòu)中，覆蓋區(qū)域典型地厚度僅為幾微米以減小電學(xué)電阻以及最小化摻雜層中不期望的光 學(xué)損耗。然而，如果在Klimek中使用這種高效激光器結(jié)構(gòu)，則將垂直模式限制在幾微米的 維度，即，限制在與在具有厚度僅為幾微米的覆蓋層的激光器結(jié)構(gòu)中彈射模式一致的維度。 因而，由于覆蓋厚度方面的限制，Klimek的高效電學(xué)泵浦實(shí)施方式在至少一個(gè)維度上將具 有小的光斑尺寸。Klimek也沒(méi)有公開(kāi)將光耦入和耦出半導(dǎo)體芯片的實(shí)際手段。盡管Klimek 公開(kāi)了具有成角度的面的一個(gè)實(shí)施例，這種成角度的面在大多數(shù)半導(dǎo)體中難以制作成具有 受控角度。特別地，大多數(shù)半導(dǎo)體的自然解理和蝕刻平面不出現(xiàn)在與板條激光器所需的相 同的角度。Klimek中的另一實(shí)施例利用微棱鏡元件將光耦合到半導(dǎo)體芯片。然而，這種微 棱鏡將難以在這樣小的物理尺度上實(shí)施并且將需要并不期望的附加對(duì)齊和封裝步驟。附加 地，Klimek教導(dǎo)了板條具有大的橫向尺寸。然而，這將趨于導(dǎo)致在激光器中產(chǎn)生多個(gè)橫向 模式，類似于在大面積邊發(fā)射激光器中所觀察到的情形，或者作為一種極端情形，將導(dǎo)致寄 生橫向激射。Klimek中沒(méi)有提供關(guān)于如何抑制寄生激射的教導(dǎo)。Klimek也沒(méi)有提供其所 提出的結(jié)構(gòu)的實(shí)際維度的指南并且沒(méi)有給出用于從激光器散逸和移除熱量和用于解決外 延結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力的解決方案。Klimek還具有其它缺陷，包括不工作的實(shí)例，其中所指定的材 料將不具有準(zhǔn)確的折射率以提供全內(nèi)反射。實(shí)施具有類似鋸齒形路徑的半導(dǎo)體激光器的另一種方法描述于Aram Mooradian 的題為〃 Optically-pumped external cavity laser"的美國(guó)專利 5，131，002 (下文中 稱為"Mooradian專利")。Mooradian專利公開(kāi)了使用光學(xué)泵浦源陣列來(lái)光學(xué)泵浦半導(dǎo) 體晶片的一系列有源區(qū)中的半導(dǎo)體材料。每個(gè)有源區(qū)包含有源半導(dǎo)體激光器材料，例如GaAs，其夾置于AKiaAs的覆蓋層之間。外延結(jié)構(gòu)被描述為具有幾微米或者幾十微米的厚 度。然而Mooradian專利沒(méi)有利用全內(nèi)反射。相反，鋸齒形路徑是通過(guò)利用兩個(gè)附加反射 鏡來(lái)產(chǎn)生的。底部反射鏡形成于襯底的底部上。因而，Mooradian中的光學(xué)模式必須穿越 所有的半導(dǎo)體層和襯底從而反射離開(kāi)底部反射鏡。第二(頂部)反射鏡定位在晶片之上。 Mooradian專利中沒(méi)有給出有源區(qū)如何被電學(xué)泵浦的描述。再者，Mooradian專利也沒(méi)有 公開(kāi)形成具有穩(wěn)定光學(xué)束的高效激光器所需的各種其它細(xì)節(jié)。Mooradian專利的一些缺陷 描述于Mefferd等人的美國(guó)專利公布No. 2006/0251141，其在第W008]-W009]段中描述 了 Mooradian專利遭受諸如下述問(wèn)題的缺陷冷卻擴(kuò)展泵浦區(qū)域、由于芯片上平整度變化 引起的潛在未對(duì)齊、以及需要將有源區(qū)的面積改變多達(dá)4倍以實(shí)現(xiàn)高效諧振器。美國(guó)專利 公布No. 2006/0251141實(shí)際上提出使用具有多個(gè)分離芯片和外部折疊反射鏡的復(fù)雜結(jié)構(gòu) 來(lái)解決這些問(wèn)題。Wasserbauer的美國(guó)專利公布No. 2006/0176544公開(kāi)了一種光學(xué)放大器結(jié)構(gòu)，其 中光在鋸齒形路徑中沿著光學(xué)放大器的長(zhǎng)度行進(jìn)。光學(xué)放大器被描述為被均勻地泵浦并且 設(shè)有橫向波導(dǎo)，例如脊形波導(dǎo)。有源區(qū)夾置在頂部和底部分布布拉格反射器反射鏡之間。光 學(xué)束進(jìn)入放大器并撞擊底部反射器，穿過(guò)增益區(qū)域，彈射離開(kāi)頂部反射鏡，且隨后被向下引 導(dǎo)至底部反射鏡，諸如此類，直到光學(xué)模式已經(jīng)行進(jìn)經(jīng)過(guò)放大器的整個(gè)長(zhǎng)度。然而，此放大 器設(shè)計(jì)具有各種缺點(diǎn)。首先，使用光學(xué)增益是潛在低效的，因?yàn)檎麄€(gè)放大器被泵浦，而由于 鋸齒形路徑的原因，鋸齒形路徑將導(dǎo)致沿著增益區(qū)域的一連串節(jié)點(diǎn)和波腹。第二，光斑尺寸 將限制在比較小的光斑尺寸。在橫向維度上，光斑尺寸將由橫向側(cè)向引導(dǎo)限制在大約幾微 米左右的維度。第二，在垂直維度上，光斑尺寸也將限制在幾微米左右，與外延反射鏡的厚 度一致。鑒于到這些各種考慮，該放大器不能用作具有大光斑尺寸的高效高功率激光器的 ■石出。因而，盡管現(xiàn)有技術(shù)暗示了對(duì)于具有期望束特性的鋸齒形類型半導(dǎo)體激光器的長(zhǎng) 期未能滿足的需求，這一目標(biāo)尚未被滿足?，F(xiàn)有技術(shù)中提出的解決方案與實(shí)現(xiàn)這樣的電學(xué) 泵浦半導(dǎo)體激光器不是一致的，該電學(xué)泵浦半導(dǎo)體激光器是高效的，能夠高功率輸出，其具 有大的光斑尺寸且其可以在增益切換或模式鎖定配置中有效地使用。

發(fā)明內(nèi)容
依據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一組分布且可擴(kuò)展(scalable)組的半導(dǎo)體增益元件形成于公 共襯底上且被電學(xué)泵浦，其中每個(gè)增益元件提供放大。每個(gè)增益元件可以是再生類型的。光 束以非垂直入射角(即，鋸齒形光學(xué)路徑)進(jìn)入和離開(kāi)增益元件。不使用反射鏡或者僅使 用一個(gè)反射元件，該結(jié)構(gòu)可以用于實(shí)現(xiàn)高功率放大超發(fā)光(superluminescent)發(fā)射。當(dāng)反射鏡或反射表面定位在光學(xué)束路徑的兩個(gè)端部時(shí)，它們形成電學(xué)泵浦鋸齒形 半導(dǎo)體激光器的激光諧振器。在電學(xué)上，激光器可以制成具有單面或者雙面接觸。激光器 可以是單機(jī)激光器、主振蕩器功率放大器(MOPA)且可以通過(guò)在腔體內(nèi)添加光柵元件或標(biāo) 準(zhǔn)具而變?yōu)樵趩我豢v向模式中工作。通過(guò)使增益元件的一個(gè)或多個(gè)上的電學(xué)極性顛倒以及在激光器腔體中引入損耗， 單面激光器可以被增益切換或模式鎖定。該結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上是普通的且可以在許多半導(dǎo)體材 料配置中實(shí)施，因而覆蓋寬的波段。
該激光器可以使用腔內(nèi)或者外部腔體非線性轉(zhuǎn)換而頻率倍增增。


參考結(jié)合附圖進(jìn)行的下述詳細(xì)描述而更全面地理解本發(fā)明，在附圖中圖1說(shuō)明依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)Nd: YAG板條固態(tài)鋸齒形激光器；圖2為依據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有結(jié)朝下幾何形狀的半導(dǎo)體鋸齒形外部腔表 面發(fā)射激光器的示意性側(cè)視示以及一個(gè)電學(xué)泵浦增益元件的橫截面；圖3為依據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有結(jié)朝上幾何形狀的半導(dǎo)體鋸齒形外部腔表 面發(fā)射激光器的示意性側(cè)視示以及一個(gè)電學(xué)泵浦增益元件的橫截面；圖4為經(jīng)過(guò)放大器芯片的橫截面的示意性圖示，說(shuō)明當(dāng)模式進(jìn)入增益元件且從分 布布拉格反射器反射回到腔體內(nèi)時(shí)該芯片之內(nèi)的空間高斯模式輪廓；圖5為超發(fā)光LED實(shí)施例的示意性側(cè)視示；圖6為結(jié)朝下實(shí)施例的示意性側(cè)視示，該實(shí)施例允許正向偏置一個(gè)或多個(gè)增 益元件并且獨(dú)立地反向偏置一個(gè)或多個(gè)增益元件以在腔體內(nèi)產(chǎn)生損耗以及允許增益切換 或者模式鎖定；圖7為結(jié)朝上實(shí)施例的示意性側(cè)視示，該實(shí)施例允許正向偏置一個(gè)或多個(gè)增 益元件并且獨(dú)立地反向偏置一個(gè)或多個(gè)增益元件以在腔體內(nèi)產(chǎn)生損耗以及允許增益切換 或者模式鎖定；圖8為依據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的^CSEL的腔內(nèi)頻率倍增的示意性側(cè)視示；以 及圖9為本發(fā)明的腔外頻率倍增實(shí)施例的示意性側(cè)視示并且示出此發(fā)明的實(shí) 施例，該實(shí)施例中ZECSEL激光器作為單一頻率激光器在增益切換或模式鎖定配置中工作； 以及圖10為^CSEL與現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體激光器的亮度的比較。在附圖的若干個(gè)視圖中相同參考數(shù)字始終指相應(yīng)部件。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例涉及新型的使用單一芯片光學(xué)放大器的高亮度表面發(fā)射半導(dǎo)體 激光器和超發(fā)光LED，該光學(xué)放大器具有通過(guò)低光學(xué)損耗襯底中的鋸齒形光學(xué)路徑而相互 光學(xué)耦合的多個(gè)電學(xué)泵浦半導(dǎo)體增益元件。光學(xué)放大器芯片允許比與使用單獨(dú)增益元件所 可能得到的累積光學(xué)增益更高的累積光學(xué)增益，其支持高功率放大器或激光器工作以及在 包括藍(lán)色和紫外的不同波長(zhǎng)處使用各種不同半導(dǎo)體材料。附加地，單獨(dú)增益元件可以被分 離地調(diào)制成反向偏置p-n結(jié)調(diào)制器以調(diào)節(jié)光學(xué)損耗用于增益切換或者模式鎖定。光學(xué)放大 器芯片具有這樣的應(yīng)用，該應(yīng)用包括將其用作表面發(fā)射激光器、超發(fā)光LED(SLED)、腔內(nèi)頻 率倍增激光器、或者腔外頻率倍增激光器。圖2為本發(fā)明的實(shí)施例的圖示，說(shuō)明示例性光學(xué)放大器芯片200、示例性再生半 導(dǎo)體增益放大器元件1、以及在光學(xué)放大器芯片200內(nèi)部的光學(xué)腔體部分中的鋸齒形光學(xué) 路徑205。光學(xué)放大器芯片可以與一個(gè)或多個(gè)外部折回反射器210或者其它外部元件組 合使用以形成擴(kuò)展腔激光器，例如其中外部折回反射器210用于形成諧振器腔體的擴(kuò)展腔激光器。因而在激光器配置中，光學(xué)束路徑11包含光學(xué)放大器芯片200之內(nèi)的鋸齒形光 學(xué)路徑205且還包含諧振器腔體的外部部分中的一部分光學(xué)束路徑11。在具有附加折回 反射器210的激光器配置中，這種配置在下文中被描述為鋸齒形擴(kuò)展腔表面發(fā)射激光器 (ZECSEL)。光學(xué)芯片200包含一連串大體上平行的層以及位于具有不同材料特性(例如不同 的折射率)的層之間的關(guān)聯(lián)邊界。光學(xué)芯片200包含在襯底層25的第一邊界32上的表面 區(qū)域31以將光耦入和耦出光學(xué)放大器芯片200。這些表面區(qū)域31優(yōu)選地包含抗反射涂層 (AR)涂層30以高效地將光耦入/出光學(xué)增益放大器。AR涂層30在光學(xué)芯片提供光學(xué)增 益的波長(zhǎng)范圍附近具有低反射率。然而將理解，AR涂層30也可以是二向色的以及在其它 波段是高反射性的0 )。例如，如果光學(xué)芯片與外部腔體之內(nèi)的光學(xué)頻率倍增器元件一起 使用，則會(huì)期望AR涂層30在頻率倍增波長(zhǎng)處是高反射性的。反射表面41設(shè)于第一邊界32上以將光重定向到鋸齒形路徑中。反射表面可包含 具有減小的折射率nl (以通過(guò)全內(nèi)反射產(chǎn)生反射)的層、電介質(zhì)層高反射率涂層、分布布拉 格反射器、或者金屬涂層。偏振判別可以借助在反射邊界32、33以及DBR 3和4反射離開(kāi)的不同偏振的反射 系數(shù)中的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)。在許多應(yīng)用中期望具有線性偏振的輸出光。反射表面41材料的選 擇、離開(kāi)反射表面41的反射數(shù)目、以及在反射表面41上的入射角也可以被選擇以提供部分 偏振判別。在一個(gè)實(shí)施例中，這些參數(shù)被選擇為利于單一線性偏振并因此消除對(duì)分離的偏 振部件的需求。襯底層25具有第二(內(nèi)部)邊界33。一連串外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體層27附連到第二邊 界33。在一些實(shí)施例中，襯底層25為半導(dǎo)體襯底且外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體層27生長(zhǎng)在襯底層25 上。然而，更一般而言襯底層25可以利用沉積技術(shù)或者通過(guò)襯底附連技術(shù)來(lái)形成。例如， 在一些實(shí)施例中，襯底層25是由玻璃、旋涂玻璃、或者光學(xué)透明聚合物形成。襯底層25在光學(xué)放大器芯片200的期望工作波長(zhǎng)處是基本上光學(xué)透明的。作為 一個(gè)實(shí)例，與光學(xué)增益對(duì)比，在經(jīng)過(guò)襯底層25的光學(xué)路徑的期望工作波長(zhǎng)部分處的總光學(xué) 損耗可以是低的。作為另一個(gè)實(shí)例，絕對(duì)光學(xué)損耗可以選擇為低的?？商鎿Q地，襯底層25 可具有可飽和的光學(xué)損耗，使得在正常工作期間該光學(xué)損耗與其它光學(xué)損耗相比是低的。一組至少兩個(gè)單獨(dú)半導(dǎo)體再生增益元件1形成于外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體層27之內(nèi)。盡管 圖2說(shuō)明兩個(gè)再生增益元件1，將應(yīng)理解，考慮更通常可以包含其它數(shù)目的增益元件1，例如 至少等于2的任何數(shù)目N，比如2、3、4等等，其中再生增益元件的數(shù)目N針對(duì)具體應(yīng)用根據(jù) 需要擴(kuò)大。每個(gè)再生增益元件1具有直徑d。相鄰增益元件分隔了中心到中心距離S。填 充因子d/S優(yōu)選地不大于0. 5。選擇大約0. 5或更小的填充因子則通過(guò)減小單獨(dú)再生增益 元件1之間的熱串?dāng)_而改善光學(xué)放大器芯片的熱特性，并且允許高效熱提取(即，提供了對(duì) 芯片的充分熱管理)。附加地，這種布置具有其它益處。如稍后將描述，單獨(dú)再生增益元件 分隔開(kāi)充分的距離以維持占主導(dǎo)的高斯空間模式，光學(xué)波腹(高強(qiáng)度光學(xué)強(qiáng)度)位于每個(gè) 再生增益元件1的增益區(qū)域。圖2的底部部分更詳細(xì)說(shuō)明示例性單獨(dú)再生增益元件1。單獨(dú)再生增益元件1提 供充分的增益以用作放大器，但是不具有充分的增益以用作單獨(dú)激光器。示例性再生增益 元件包含有源增益區(qū)域10和至少一個(gè)分布布拉格反射器(DBR) 3以將光反射回到鋸齒形光學(xué)路徑205中。再生增益元件可利用臺(tái)面結(jié)構(gòu)以提供電流限制以及提供空間模式判別。圓 臺(tái)面結(jié)構(gòu)可以被蝕刻形成以形成大的光學(xué)孔徑，其直徑可以為5 μ m至250 μ m。直徑d的 選擇涉及許多折衷。如果臺(tái)面直徑太小，功率輸出會(huì)減小。然而，對(duì)于大于約200微米的直 徑，要實(shí)現(xiàn)空間模式控制則存在更多的困難。因此，考慮到這些折衷，對(duì)于高功率工作，更典 型的范圍是在約20 μ m至100 μ m的范圍內(nèi)。臺(tái)面應(yīng)設(shè)計(jì)成防止有源區(qū)中的寄生橫向激射。 一種方法是在臺(tái)面上蝕刻形成成角度的壁。電學(xué)電流是通過(guò)使用質(zhì)子注入、橫向氧化或其 它等效手段來(lái)限制，并且允許在臺(tái)面中間的電學(xué)泵浦區(qū)域。臺(tái)面用鈍化電介質(zhì)層12覆蓋。 通過(guò)在電介質(zhì)層中圖案化形成開(kāi)口以及沉積P和η金屬接觸5和6，形成到芯片的電學(xué)接 觸。在本發(fā)明中，至少兩個(gè)再生增益元件被使用，并且鋸齒形光學(xué)路徑導(dǎo)致光以非垂 直入射角進(jìn)入/離開(kāi)每個(gè)DBR。本發(fā)明可以使用晶片級(jí)制作技術(shù)來(lái)實(shí)施，其充分利用先前針對(duì)單獨(dú)表面發(fā)射激光 器發(fā)展的晶片級(jí)加工技術(shù)。具有增益區(qū)域和至少一個(gè)DBR的臺(tái)面型半導(dǎo)體增益結(jié)構(gòu)在具 有單一增益區(qū)域的垂直擴(kuò)展腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)的情形中是已知的，光以垂直入 射角射到每個(gè)DBR，其在下述美國(guó)專利中予以描述:Νο. 7，189，589,6, 404，797,6, 778，582、 7，322，704和6，898，225，每個(gè)這些專利的內(nèi)容通過(guò)引用下述方面而被結(jié)合于此臺(tái)面結(jié) 構(gòu)、增益結(jié)構(gòu)、使用臺(tái)面結(jié)構(gòu)和外部光學(xué)元件組合的空間模式控制、以及擴(kuò)展腔設(shè)計(jì)。特別 地，在VECSEL領(lǐng)域中已知可以形成直徑介于大約5微米至250微米的臺(tái)面結(jié)構(gòu)，其支持占 主導(dǎo)的高斯空間模式，5微米至200微米為優(yōu)選范圍。然而，現(xiàn)有技術(shù)中的VECSEL結(jié)構(gòu)缺乏 充分的總光學(xué)增益以在許多波長(zhǎng)范圍中激射，并且甚至在所支持的波長(zhǎng)范圍中對(duì)于某些應(yīng) 用也不夠亮。示例性的具有再生放大結(jié)構(gòu)的單獨(dú)激光器增益元件1具有底部分布布拉格反射 器(DBR) 3、有源區(qū)10以及(可選的)頂部DBR反射器4。在再生放大中，兩個(gè)DBR反射器 3和4不為單獨(dú)激光器增益元件提供足夠的反饋從而無(wú)附加外部反饋地獨(dú)自激射。對(duì)頂部 DBR反射器4的反射比的選擇控制再生放大特性和光學(xué)損耗。底部DBR反射器3優(yōu)選地具有非常高反射率，并且可以例如通過(guò)具有足夠數(shù)目的 高/低指數(shù)λ/4對(duì)以產(chǎn)生>99%的反射率來(lái)實(shí)施。材料可以是半導(dǎo)體、電介質(zhì)或者混合半 導(dǎo)體/金屬或電介質(zhì)/金屬。由于在電介質(zhì)材料中可以實(shí)現(xiàn)更大反差比的原因，電介質(zhì)DBR 將具有更少的對(duì)數(shù)。該選擇還涉及針對(duì)熱導(dǎo)率的優(yōu)化，該優(yōu)化為其中半導(dǎo)體選擇是優(yōu)選的。在本發(fā)明中，高反射率DBR反射鏡設(shè)計(jì)成將半導(dǎo)體材料內(nèi)部的入射束的角度考慮 在內(nèi)。如下文更詳細(xì)描述，根據(jù)斯涅爾定律并且通過(guò)考慮相對(duì)于每個(gè)界面處表面法向的入 射角，可以確定鋸齒形路徑。作為實(shí)例，對(duì)于feilnAlN/GaAIN材料體系的情形，θ 3將在13 度至25度的范圍內(nèi)。θ 3對(duì)于AKktAs體系約為13度至16度，對(duì)于GaP襯底為8. 5度至 16度以及對(duì)于GaAs為10度至16度。在所有情形中可以針對(duì)最大反射率來(lái)優(yōu)化高反射率 DBR反射鏡。如果被使用，頂部DBR反射器4可以通過(guò)具有足夠數(shù)目的高/低指數(shù)λ /4對(duì)以產(chǎn) 生0至60%的反射率來(lái)實(shí)施。DBR反射器4的DBR可能是由半導(dǎo)體材料形成。頂部DBR反射 鏡4是可選的且在某些材料體系中會(huì)難以實(shí)施。鋸齒形激光器具有足夠的增益而不使用它 來(lái)工作。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，考慮在基于GaAs的材料體系中使用它，而不是在feilnAIN/GaAlN材料體系中使用它。在一個(gè)實(shí)施例中，有源層10是由量子阱或量子點(diǎn)材料構(gòu)成。在此實(shí)施例中假設(shè)量 子阱是未摻雜的。阱的數(shù)目以及它們的厚度類似于在當(dāng)前的邊發(fā)射器設(shè)計(jì)(1至4個(gè)量子 阱)中所使用的數(shù)目和厚度。這表示比VECSEL器件(典型地10個(gè)或更多)中顯著更少的 量子阱，在VECSEL器件中往返增益受限制。有源區(qū)分別被η和ρ摻雜半導(dǎo)體層8和9圍繞。在此實(shí)施例中假設(shè)外延結(jié)構(gòu)生長(zhǎng) 在η型襯底上。相反在使用ρ型襯底的情形中，η和ρ層可以顛倒。ρ+/η+隧道結(jié)也可以用 來(lái)替代P層歐姆接觸，使得激光器將具有兩個(gè)η型電極，作為標(biāo)準(zhǔn)ρ-η結(jié)配置的替換方案。 例如，通過(guò)利用夾置在η和ρ GaN層之間的ρ+/η+隧道結(jié)，可以在GaN材料中制作第二接觸。 這種情況下，形成到η GaN層的電學(xué)接觸。由于材料中折射率的熱依賴性與增益區(qū)域的比較高的電流密度以及比較大的直 徑相結(jié)合的原因，熱透鏡7將典型地在半導(dǎo)體材料中形成。熱透鏡7具有比較慢的開(kāi)始 (onset)，S卩，依賴于熱時(shí)間常數(shù)的開(kāi)始，該熱時(shí)間常數(shù)可以約為幾十毫秒或更長(zhǎng)。在常規(guī) VECSEL中熱透鏡7是不期望的，因?yàn)樗沟秒y以快速調(diào)制常規(guī)VECSEL。也就是說(shuō)，在具有單 個(gè)增益元件并且發(fā)射與DBR平面垂直的光的VECSEL中，在器件接通和加熱時(shí)熱透鏡形成， 使得難以維持功率和束質(zhì)量同時(shí)在MHz范圍中的頻率處直接調(diào)制常規(guī)VECSEL的電流。相反，本發(fā)明的鋸齒形幾何形狀減小了熱透鏡7對(duì)輸出束的影響，因?yàn)殇忼X形路 徑平均了跨過(guò)一組兩個(gè)或更多個(gè)單獨(dú)熱透鏡7的聚焦效應(yīng)。也就是說(shuō)，每個(gè)單獨(dú)透鏡7對(duì) 于沿一個(gè)方向進(jìn)入的光是會(huì)聚的并且對(duì)于沿另一個(gè)方向進(jìn)入的光是發(fā)散的。附加地，鋸齒 形路徑包含兩個(gè)或更多個(gè)具有略微不同的透鏡特性的增益元件。結(jié)果，凈(平均)聚焦可 以選擇為平均化，即，按照與Nd:YAG板條激光器相似的方式基本上消除。參考例如Kane等 人的文章"Reduced Thermal Focusing and Birefringence in Zig-Zag Slab Geometry Crystalline Lasers，〃 IEEE Journal of Quantum Electronics，pp. 1351-1354，Vol. QE-19，No.9，1983，其內(nèi)容引用結(jié)合于此。在本發(fā)明中，這意味著熱透鏡的緩慢開(kāi)始對(duì) ZECSEL器件的直接調(diào)制有著最小的影響。圖2的頂部部分還說(shuō)明構(gòu)成示例性結(jié)構(gòu)的不同層之間的光學(xué)束的鋸齒形路徑 205。該結(jié)構(gòu)可以使用斯涅爾定律作為三個(gè)基礎(chǔ)層的疊層來(lái)分析，這些層具有折射率nl、n2 和η3，標(biāo)記為層20、25和27。作為說(shuō)明性實(shí)例，層25可以是具有高度hi的低光學(xué)損耗層， 例如低損耗襯底或旋涂層，層27可以對(duì)應(yīng)于具有高度h2的外延半導(dǎo)體層，單獨(dú)增益元件形 成在該外延半導(dǎo)體層中，且層20可以是空氣或者一個(gè)或多個(gè)附加制作的層。在優(yōu)選實(shí)施例 中，n3 > n2 > nl。束在頂部反射器界面41處反射。頂部反射器界面41可以是電介質(zhì)涂 層、金屬涂層或者組合。對(duì)于高指數(shù)材料的情形，有可能利用全內(nèi)反射。該結(jié)構(gòu)優(yōu)選地具有 抗反射(AR)涂層30以允許層20和25之間的低損耗傳輸。因而，該示例性結(jié)構(gòu)具有平面 的進(jìn)入和離開(kāi)窗口區(qū)域。取決于設(shè)計(jì)，層20可以是空氣或者可以是另一種襯底材料。在具有不同折射率的層之間的每個(gè)邊界處使用斯涅爾定律計(jì)算折射光學(xué)束的角 度，可以分析該鋸齒形束路徑。斯涅爾定律為nl sin( θ 1) = n2 sin( θ 2)并且可以應(yīng)用在具有不同折射率的材料之間的每個(gè)邊界。示例性增益元件直徑d范圍為20 μ m至100 μ m。兩個(gè)增益元件之間的最佳分隔距離S由熱考慮決定且也進(jìn)一步維持穩(wěn)定的單一空間模式。特別地，如果S太小，增益元件會(huì) 受到熱串?dāng)_和增大的熱阻。附加地，S可被選擇以提供空間模式判別從而利于基本的高斯 空間模式。對(duì)于高功率激光器和SLED，中心到中心間距優(yōu)選地> 200 μ m。中心到中心間距 S可以通過(guò)選擇低光學(xué)損耗層25的厚度來(lái)控制。特別地，分隔距離S可以相對(duì)于每個(gè)增益 元件的直徑d來(lái)選擇，從而減小熱串?dāng)_和/或減小熱阻。附加地，S被選擇為支持單一空間 模式。作為一個(gè)實(shí)例，在具體應(yīng)用中，由于熱串?dāng)_和熱阻原因而會(huì)期望選擇d/S比率為某一 最大的數(shù)。作為說(shuō)明性實(shí)例，如果S為200微米且d為100微米，則比率d/S = 0.5。在此 實(shí)例中，增益元件之間的邊緣到邊緣分隔距離將為100微米。依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，束進(jìn)入 增益區(qū)塊的進(jìn)入角度以及層的厚度被選擇為允許S和S/d受控制。在圖2說(shuō)明的實(shí)例中，hi > h2并且大多數(shù)鋸齒形路徑是經(jīng)過(guò)包含低損耗襯底層 25的低光學(xué)損耗襯底區(qū)域。束因而經(jīng)過(guò)AR窗口 30進(jìn)入，在每個(gè)增益元件1接收光學(xué)增益 并且沿著經(jīng)過(guò)低損耗襯底25的鋸齒形路徑的每個(gè)肢部被略微衰減。然而，依據(jù)本發(fā)明，襯 底25的材料組成和厚度的選擇優(yōu)選地選擇為實(shí)現(xiàn)與增益元件1的累積增益相比是低的光 學(xué)損耗。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，該構(gòu)思可以在許多材料體系中實(shí)施且可以針對(duì)加工容易 度和低成本制造來(lái)優(yōu)化。在第一實(shí)例中，考慮在feilnAlN/GaAIN材料體系。這種情況下，對(duì) 于基于GaN的材料，n3 2. 3，對(duì)于藍(lán)寶石(Al2O3)，n2 = 1. 77，以及對(duì)于空氣，nl = 1。這 種情況下對(duì)于340 μ m至154 μ m的藍(lán)寶石厚度hi我們得到增益元件分隔距離> 200 μ m, 分別對(duì)應(yīng)于30度至75度的入射角Θ1。對(duì)于這種材料體系，這是大的工作空間。因此利 用合理選擇藍(lán)寶石厚度，填充因子可以被選擇以展開(kāi)熱負(fù)荷。在另一實(shí)施例中，對(duì)于空氣， nl = 1，對(duì)于旋涂玻璃或PMMA，n2 = 1. 5，以及對(duì)于基于GaAs的材料體系，n3 = 3. 6。這種 情況下對(duì)于40度至75度的入射角θ 1，hi從211μπι變化到119μπι。在第二實(shí)例中考慮 襯底材料是基于GaAlAs或GaP，我們具有對(duì)于空氣，nl = 1，對(duì)于MGaAs，n2 = 3. 4和對(duì)于 GaP，n2 = 3. 2，以及對(duì)于GaAs，n3 = 3.6。對(duì)于n2 = 3. 4的情形，襯底厚度hi的可用范圍 是在604μπι至506μπι的范圍。這對(duì)應(yīng)于55度至75度的入射角θ 1。這是可獲得的襯底 的實(shí)用范圍且其考慮到單獨(dú)芯片的鋸切。對(duì)于n2 = 3. 2的情形，襯底厚度hi的范圍是在 596 μ m至315 μ m的范圍。這分別對(duì)應(yīng)于32度至75度的入射角。光學(xué)放大器芯片200安裝在熱傳導(dǎo)熱沉2上。在一個(gè)實(shí)施例中，熱沉材料是電學(xué) 絕緣的(BeO、AlN、金剛石等)且被圖案化以匹配半導(dǎo)體芯片上的電學(xué)接觸。這種情況下，η 和P接觸均是在芯片的底部上。增益元件可以串聯(lián)或者并聯(lián)地電學(xué)連接。我們稱此為"單 面"配置。安裝配置為"結(jié)朝下"配置，因?yàn)樵鲆嬖摩?η結(jié)安裝為緊鄰熱沉。在另一實(shí)施例中，芯片的頂部和底部均用金屬覆蓋。這是"雙面"電學(xué)接觸。頂 部金屬層中的開(kāi)口允許光學(xué)束穿過(guò)。這種情況下，熱沉可以是電學(xué)傳導(dǎo)的并且增益元件將 并聯(lián)地電學(xué)連接。光學(xué)放大器芯片200與晶片級(jí)加工相兼容，這意味著低的制作成本。增益區(qū)塊可 以在晶片級(jí)被篩選，這對(duì)制造成本也具有顯著影響。管芯附連和組裝可以使用在大批量激 光二極管制造中典型地使用的自動(dòng)化設(shè)備來(lái)完成。這使得該方法是尤為可制造的以用于低 成本商業(yè)應(yīng)用。光學(xué)放大器芯片200也可以用作超發(fā)光LED的基礎(chǔ)。用于顯示和照明的LED近來(lái)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)更高的功率和效率，特別是在光譜的藍(lán)色和綠色區(qū)域。熱和增益考慮成為擴(kuò)大功 率的主要限制因素。此外該器件為具有隨機(jī)偏振輸出束的大的集光率朗伯源。這里處提出 的鋸齒 形光學(xué)增益區(qū)塊1可以導(dǎo)致具有更窄發(fā)射和偏振光譜的大增益，使得能夠獲得亮得 多(在更小的立體角中更高的功率)、偏振良好的超發(fā)光LED源。我們稱此鋸齒形超發(fā)光 LED構(gòu)思為ZSLED。鋸齒形光學(xué)路徑205耦合沿著鋸齒形光學(xué)路徑的所有單獨(dú)增益元件1。設(shè)計(jì)參數(shù) 選擇為使得在激射模式中在每個(gè)單獨(dú)增益元件的增益區(qū)域中存在波腹(高光學(xué)強(qiáng)度)。因 而，光進(jìn)入一個(gè)再生增益元件1，被放大，并且(從DBR反射器)被往回反射朝向反射表面 41且隨后被重定向朝向另一再生增益元件1，諸如此類。由于鋸齒形耦合沿著鋸齒形光學(xué) 路徑205經(jīng)過(guò)光學(xué)放大器芯片200長(zhǎng)度的所有單獨(dú)增益元件，使得總增益通過(guò)增加增益元 件而是可調(diào)節(jié)的。圖3說(shuō)明光學(xué)芯片的實(shí)施例，其設(shè)計(jì)成在結(jié)側(cè)朝上幾何形狀中工作，其中單獨(dú)增 益元件1置于光學(xué)芯片的表面上且襯底層附連到熱沉。附加地，這種配置對(duì)于超發(fā)光LED而 言是期望的。在圖3中可以看出，許多層與圖2的層相同。然而，鋸齒形路徑略微更長(zhǎng)。比 較圖2和圖3，可以看出結(jié)朝上配置需要兩次附加反射離開(kāi)反射表面。也就是說(shuō)，在結(jié)朝上 配置中，光經(jīng)由AR窗口 30進(jìn)入并且在到達(dá)增益元件之前必須先被反射離開(kāi)反射表面41。本發(fā)明的一個(gè)方面為，在結(jié)朝上配置中，通過(guò)例如與圖2所述設(shè)計(jì)相似地選擇襯 底層25的厚度hi和入射角θ 1，可以改變分隔距離S和填充因子d/S。這允許將增益元件 間隔開(kāi)以通過(guò)熱沉2高效地提取熱。這種配置可以有效地在GaN材料體系中實(shí)施，其中襯 底材料25可以是藍(lán)寶石、GaN或者GaAIN，它們都具有良好的熱導(dǎo)率。在結(jié)朝上配置中，η 和P接觸均置于芯片的頂部。這種配置允許晶片級(jí)測(cè)試，因?yàn)殡姌O可以在晶片級(jí)被探測(cè)且 發(fā)射是在一角度。再者不需要解理，在一些材料體系中，例如生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上的GaN器 件，解離是困難的。圖4說(shuō)明激光器空間模式的多個(gè)方面。如前所述，每個(gè)增益元件提供增益并且還 用作反射器。設(shè)計(jì)選擇為使得光學(xué)束在一個(gè)增益元件接收光學(xué)增益，被反射朝向反射表面 41且隨后該束被偏轉(zhuǎn)到下一個(gè)增益元件1，諸如此類，直到該束完成其經(jīng)過(guò)光學(xué)放大器芯 片的長(zhǎng)度的鋸齒形路徑。在本發(fā)明中，光學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)選地選擇為利于高斯TEMOO模式以及高 效利用可獲得的光學(xué)增益。在本發(fā)明中，襯底層25的厚度hi、直徑d以及分隔距離S的選 擇被選擇為允許占主導(dǎo)的高斯橫向空間模式的傳播，該模式在光學(xué)芯片之內(nèi)傳播且沿著鋸 齒形路徑被重定向到每個(gè)再生增益元件1。如前所述，層25和27在激射波長(zhǎng)處具有低光學(xué) 損耗?？臻g模式將在很大程度上由單獨(dú)再生增益元件的直徑和增益/損耗特性確定，不過(guò) 附加外部光學(xué)元件210也優(yōu)選地選擇為利于高斯TEMOO模式。在光學(xué)芯片之內(nèi)，空間光學(xué)模式優(yōu)選地被選擇為高效地利用單獨(dú)增益元件1的有 源增益區(qū)域10中的增益以及反射離開(kāi)底部DBR 3回到鋸齒形路徑中。在此實(shí)例中，光學(xué)模 式具有這樣的直徑，其高效地利用單獨(dú)增益元件1之內(nèi)可用的增益，且其進(jìn)一步具有在有 源增益區(qū)域10處的波腹(高強(qiáng)度)。因而，例如，設(shè)計(jì)可以選擇為與熱透鏡7協(xié)同工作以將 空間模式聚焦在增益區(qū)域10的提供增益的部分內(nèi)，波腹在增益區(qū)域10處。在圖4中可以看出，光學(xué)路徑可以選擇為使得熱透鏡效應(yīng)在輸入和輸出路徑上被 平均化。特別地，在此說(shuō)明性實(shí)例中，空間模式在其經(jīng)由熱透鏡7進(jìn)入增益元件1時(shí)會(huì)聚并且隨后在其離開(kāi)增益元件1時(shí)均等地發(fā)散。這種設(shè)計(jì)的重 要優(yōu)點(diǎn)為支持大的模式直徑，得到顯著的功率。激光器支持的模式 尺寸很大程度上依賴于臺(tái)面直徑d。高斯束由束光斑尺寸W表征，束光斑尺寸對(duì)傳播距離 ζ具有函數(shù)依賴性。高斯束的屬性被充分理解，如在J. T. Verdeyen, Laser Electronics, Prentice Hall ed.，1981，p. 61中所述。在我們的情形中，直徑 2W的高斯束可以進(jìn)入電 學(xué)泵浦孔徑d在維度上與束尺寸(2W)類似的增益元件并且繼續(xù)以鋸齒形方式傳播經(jīng)過(guò)激 光器腔體其余部分。如果d為ΙΟΟμπι，這種激光器可以支持直徑接近IOOym的大的高斯 束。束質(zhì)量完好地保留，使得接下來(lái)的激光束為接近衍射極限(TEMOO)和非常高的功率，形 成非常高亮度的激光，在性能上與大且復(fù)雜得多的固態(tài)激光器相當(dāng)。圖5說(shuō)明一實(shí)例，其中單個(gè)反射鏡64被添加到超發(fā)光LED配置中的結(jié)朝上光學(xué)芯 片。在超發(fā)光LED配置中，通過(guò)例如減小外部光學(xué)反饋的數(shù)量，例如通過(guò)除去一個(gè)外部反射 鏡，激射被抑制。圖6說(shuō)明結(jié)朝下實(shí)施例，其中至少一個(gè)增益元件與其它增益元件電學(xué)隔離以提供 對(duì)光學(xué)腔體的凈光學(xué)增益的控制。圖7說(shuō)明相當(dāng)?shù)慕Y(jié)朝上配置。光束以非垂直入射角進(jìn)入 /離開(kāi)單獨(dú)增益元件。反射器62和72連同束形成光學(xué)元件61和71被提供以形成外部激 光器腔體。激光束80從腔體的一個(gè)端部被提取。如前所述，在ZECSEL幾何形狀中，單獨(dú)增 益元件相互分隔一分隔距離S。單獨(dú)增益元件也可以設(shè)計(jì)成為能夠或者并行地驅(qū)動(dòng)或者用 不同偏置驅(qū)動(dòng)的電學(xué)分離元件。圖6和7說(shuō)明一實(shí)施例，其中ZECSEL包含在反向偏置模式 中工作以提供調(diào)制光學(xué)損耗的至少一個(gè)再生增益元件，該調(diào)制光學(xué)損耗是通過(guò)改變?cè)鲆嬖?件的p-n結(jié)上的反向偏置來(lái)控制的。正向偏置區(qū)域90包含至少一個(gè)再生增益元件，其具有 正向偏置p-n結(jié)以產(chǎn)生光學(xué)增益。區(qū)域91具有分離的電學(xué)接觸并且與區(qū)域90電學(xué)隔離， 使得其可以通過(guò)應(yīng)用反向電壓到電極5和6而被獨(dú)立地反向偏置。光學(xué)芯片中的光學(xué)損耗 可以通過(guò)改變區(qū)域91中的反向偏置而被快速地調(diào)制。這允許在亞皮秒時(shí)幀將增益接通或 切斷(即，增益切換或者模式鎖定)。高峰值功率將在這樣的工作條件下產(chǎn)生。執(zhí)行等價(jià)功能、可用于形成外部腔體的光學(xué)組件的許多變型是可能的。例如，反射 器62和光學(xué)元件61可以使用彎曲反射表面替代。在備用實(shí)施例中，有斜面的表面可被蝕 刻形成于透明襯底材料25中并且被HR涂敷以形成腔體的一個(gè)端部。附加地，一個(gè)或多個(gè) 外部光柵元件可用于提供光學(xué)反饋和/或提供縱向模式判別。圖8說(shuō)明具有腔內(nèi)頻率倍增的ZECSEL。在此實(shí)例中，光學(xué)芯片與圖6的實(shí)施例相 似以支持增益切換或者模式鎖定。然而，該外部光學(xué)組件布置成提供腔內(nèi)頻率倍增。產(chǎn)生 快速調(diào)制的能力提供了在基本功率實(shí)現(xiàn)高峰值功率的顯著優(yōu)點(diǎn)，這進(jìn)而改善了頻率倍增的 光的輸出。頻率倍增過(guò)程的效率對(duì)泵浦光的強(qiáng)度具有強(qiáng)依賴性。特別地，頻率倍增過(guò)程的 效率強(qiáng)烈地依賴于泵浦光的強(qiáng)度且一般與泵浦光的強(qiáng)度的平方成比例。當(dāng)這些激光器用 于產(chǎn)生二次諧波光發(fā)射時(shí)，這特別是有用的，因?yàn)楦叻逯祻?qiáng)度可被產(chǎn)生而沒(méi)有面損傷以及 藍(lán)-綠非線性轉(zhuǎn)換過(guò)程是按紅外(IR)強(qiáng)度的平方進(jìn)行的。腔內(nèi)方法允許更長(zhǎng)波長(zhǎng)強(qiáng)度的 積累且因而可以通常產(chǎn)生更高的倍增功率，因?yàn)榉蔷€性轉(zhuǎn)換與強(qiáng)度的平方成比例。非線性 光學(xué)(NLO)材料95提供頻率倍增。NLO可以是常規(guī)非線性光學(xué)材料，例如PPLN、KTP、PPLT。 PPLT在較短波長(zhǎng)(UV)應(yīng)用中將是有利的。反射鏡93封閉腔體。它將較長(zhǎng)波長(zhǎng)處的所有 發(fā)射反射回到增益芯片中，且它提供倍增束的耦出。還包含了陷波濾波器94，其使增益芯片發(fā)射波長(zhǎng)變窄用于高效倍增。交替地，標(biāo)準(zhǔn)具可被使用來(lái)替代濾波器，或者體積布拉格光 柵(VBG)可以用于替代一個(gè)激光器反射鏡。二向色分束器/偏振器96確保適當(dāng)?shù)钠裼?于VECSEL中的倍增，但是偏振功能在ZECSEL中可能是不需要的。正向束97和反向束98 倍增束均從腔體被提取。后者從反射鏡92向外反射。通過(guò)在可見(jiàn)束路徑中添加λ/4片并 除去第二(反向)束反射器92，可以實(shí)現(xiàn)單一正交偏振束。圖9說(shuō)明具有腔外頻率倍增的ZECSEL。大量的光學(xué)組件與先前所述的光學(xué)組件相 似。然而，在圖9的實(shí)例中，NLO放置在激光器腔體外部。激光器本身為獨(dú)立的單一頻率激 光器。單一頻率可以通過(guò)在腔體內(nèi)使用光柵元件(63)來(lái)實(shí)現(xiàn)。交替地，腔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)具可被使 用，或者激光器可以在使用單一頻率外部主振蕩器(MO)的MOPA配置中工作。在此優(yōu)選實(shí) 施例中，激光器在增益切換或模式鎖定工作中工作從而產(chǎn)生高的峰值功率。因?yàn)樾耑ECSEL激光器為半導(dǎo)體激光器提供了全新的設(shè)計(jì)空間，它使得能夠在寬 范圍的發(fā)射波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)高功率、高亮度和衍射極限束。特別地，ZECSEL可以在用于制造半導(dǎo)體 激光器和LED的寬范圍的材料體系中制作。通過(guò)調(diào)節(jié)量子阱(QW)或者量子點(diǎn)有源區(qū)材料 以及相鄰的透明區(qū)域，ZECSEL可以在寬的波長(zhǎng)范圍(UV到遠(yuǎn)紅外)上使用。這包含包括 GalnAlN/GaAIN 的基于 GaN 的材料(0. 3-0. 5 μ m 發(fā)射波長(zhǎng))、ZnSSe/ZnMgSSe (0. 45-0. 55 μ m 發(fā)射波長(zhǎng))、GaAlInP/GaAs (0. 63-0. 67 μ m 發(fā)射波長(zhǎng))、GaAlAs/GaAs (0. 78-0. 88 μ m 發(fā)射 波長(zhǎng))、GalnAs/GaAs (0. 98-1. 2 μ m 發(fā)射波長(zhǎng))、GalnNAs/GaAs (1. 2_1· 3μπι 發(fā)射波長(zhǎng))、 GalnAsP/InP和AlGalnAs/InP (1. 3-1. 6ym發(fā)射波長(zhǎng))。通過(guò)使用相同的幾何形狀利用其 它材料體系(例如Pb鹽材料)，波長(zhǎng)范圍也可以擴(kuò)展在2μπι至IOym范圍。在GaInAlN/ GaAlN材料體系中，這允許在光譜的UV、藍(lán)色和綠色區(qū)域中的直接發(fā)射。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為，其可以用于在GaN材料體系中實(shí)現(xiàn)表面發(fā)射激光器。對(duì)于 實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)和UV波長(zhǎng)激光器，GaN材料體系是受關(guān)注的。傳統(tǒng)上這些材料提供不夠充分的光 學(xué)增益以實(shí)現(xiàn)高功率表面發(fā)射激光器。然而，在本發(fā)明中，可以增加單獨(dú)再生增益元件的數(shù) 目直到ZECSEL支持在GaN材料體系中在期望波長(zhǎng)處激射。表1說(shuō)明基于GaN的ZECSEL所特有的示例性設(shè)計(jì)考慮。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體鋸齒形外部腔表面發(fā)射光學(xué)設(shè)備，包含具有一連串的材料的層的芯片；該芯片包含鄰近該芯片的平面層邊界布置的至少兩個(gè)再生半導(dǎo)體增益元件；每個(gè)單獨(dú) 再生半導(dǎo)體增益元件包含提供增益到該設(shè)備的光學(xué)模式的電學(xué)泵浦增益區(qū)域和至少一個(gè) 分布布拉格反射器，每個(gè)再生增益元件具有直徑d，每個(gè)相鄰再生增益元件之間的分隔距離 S選擇為使得由d除以S限定的填充因子小于1 ；該芯片包含包括至少一個(gè)層的襯底層區(qū)域，該襯底層區(qū)域在該光學(xué)模式的波長(zhǎng)處是基 本上透明的，該襯底區(qū)域包含與和該至少兩個(gè)再生增益元件關(guān)聯(lián)的平面層邊界平行且分隔 開(kāi)的反射表面；該芯片的至少一個(gè)光學(xué)進(jìn)入/離開(kāi)表面區(qū)域，經(jīng)由該襯底區(qū)域的反射表面和每個(gè)再生 增益元件的分布布拉格反射器之間的一連串反射，在鋸齒形路徑中將光耦入該芯片中，該 鋸齒形路徑進(jìn)一步具有在每個(gè)再生增益元件的增益區(qū)域處的波腹；至少一個(gè)外部光學(xué)元件，形成提供回到該芯片中的光學(xué)反饋的外部腔體，并且控制該 光學(xué)模式的橫向光學(xué)模式特性以形成具有基本高斯空間模式的輸出束。
2.權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中該填充因子d/S小于0.5。
3.權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中每個(gè)再生放大器的直徑d是在5微米至200微米的范 圍內(nèi)。
4.權(quán)利要求3的光學(xué)設(shè)備，其中每個(gè)再生放大器包含圓臺(tái)面以提供電流限制和空間模 式判別。
5.權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中該襯底區(qū)域的反射表面選自由下述組成的群組金屬 涂層、電介質(zhì)涂層、高反射率涂層、產(chǎn)生全內(nèi)反射的折射率臺(tái)階、以及分布布拉格反射器。
6.權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中該至少一個(gè)分布布拉格反射器包含布置在鄰近該襯底 區(qū)域的該增益區(qū)域的一個(gè)側(cè)面上的第一分布布拉格反射器以及布置在該增益區(qū)域的另一 個(gè)側(cè)面上的第二分布布拉格反射器，該第二分布布拉格反射器具有比該第一分布布拉格反 射器大的反射率。
7.權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中該光學(xué)束在該反射表面經(jīng)歷全內(nèi)反射。
8.權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中s和ρ偏振從該反射表面以不同角度反射，分隔距離S 和高度H選擇為有利于具有線性偏振的光學(xué)模式。
9.權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中由于該增益區(qū)域的折射率的熱依賴性的原因，每個(gè)再 生增益元件形成熱透鏡，該鋸齒形路徑選擇為至少部分消除激射模式中每個(gè)熱透鏡的影 響。
10.權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中該襯底區(qū)域包含在發(fā)射波長(zhǎng)基本上光學(xué)透明的半導(dǎo) 體區(qū)域。
11.權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中該襯底區(qū)域選自由下述組成的群組半導(dǎo)體、藍(lán)寶石、 玻璃、旋涂玻璃、或者光學(xué)透明聚合物材料。
12.權(quán)利要求1的光學(xué)設(shè)備，其中每個(gè)再生增益元件缺乏來(lái)自其各自至少一個(gè)分布布 拉格反射器的足夠反饋從而無(wú)附加反饋地獨(dú)自激射。
13.權(quán)利要求1的激光器，進(jìn)一步包含腔內(nèi)頻率倍增器。
14.一種半導(dǎo)體鋸齒形外部腔表面發(fā)射激光器，包含具有一連串的材料的層的芯片；該芯片包含鄰近該芯片的平面層邊界布置的至少兩個(gè)再生半導(dǎo)體增益元件；具有p-n 結(jié)的每個(gè)單獨(dú)再生半導(dǎo)體增益元件包含電學(xué)泵浦增益區(qū)域和至少一個(gè)分布布拉格反射器， 每個(gè)再生增益元件具有直徑d，每個(gè)相鄰再生增益元件之間的分隔距離S選擇為使得由d除 以S限定的填充因子小于1 ；該芯片包含包括至少一個(gè)層的襯底層區(qū)域，該襯底層區(qū)域在該光學(xué)模式的波長(zhǎng)處是基 本上透明的，該襯底區(qū)域包含與和該至少兩個(gè)再生增益元件關(guān)聯(lián)的平面層邊界平行且分隔 開(kāi)的反射表面；該芯片的至少一個(gè)光學(xué)進(jìn)入/離開(kāi)表面，經(jīng)由該襯底區(qū)域的反射表面和每個(gè)再生增益 元件的分布布拉格反射器之間的一連串反射，在鋸齒形路徑中將光耦入該芯片中，該鋸齒 形路徑進(jìn)一步具有在每個(gè)再生增益元件的增益區(qū)域處的波腹；至少一個(gè)外部光學(xué)元件，形成提供回到該芯片中的光學(xué)反饋的外部腔體，并且控制該 光學(xué)模式的橫向光學(xué)模式特性以形成具有占主導(dǎo)的高斯空間模式的輸出束；至少一個(gè)該再生增益元件可作為正向偏置P-n結(jié)工作以提供光學(xué)增益，以及至少一個(gè) 該再生增益元件可作為反向偏置P-n結(jié)工作以調(diào)制激光器的損耗。
15.權(quán)利要求14的激光器，其中至少一個(gè)該再生增益元件作為反向偏置的p-n結(jié)工作 以提供激光器的增益切換或者模式鎖定其中之一。
16.權(quán)利要求14的激光器，進(jìn)一步包含腔內(nèi)頻率倍增器。
17.一種半導(dǎo)體鋸齒形外部腔表面發(fā)射激光器，包含 具有一連串的材料的層的芯片；該芯片包含鄰近該芯片的平面層邊界布置的至少兩個(gè)電學(xué)泵浦再生半導(dǎo)體增益元件； 每個(gè)單獨(dú)再生半導(dǎo)體增益元件具有提供電流限制和空間模式控制的P-n結(jié)臺(tái)面、增益區(qū)域 以及至少一個(gè)分布布拉格反射器，每個(gè)再生增益元件具有臺(tái)面直徑d，每個(gè)相鄰再生增益元 件之間的分隔距離S選擇為使得由d除以S限定的填充因子小于0. 5，且d為至少5微米； 該芯片包含包括至少一個(gè)層的襯底層區(qū)域，該襯底層區(qū)域在該光學(xué)模式的波長(zhǎng)處是基 本上透明的，該襯底區(qū)域包含與和該至少兩個(gè)再生增益元件關(guān)聯(lián)的平面層邊界平行且分隔 開(kāi)的反射表面；該芯片的至少一個(gè)光學(xué)進(jìn)入/離開(kāi)表面，經(jīng)由該襯底區(qū)域的反射表面和每個(gè)再生增益 元件的分布布拉格反射器之間的一連串反射，在鋸齒形路徑中將光耦入該芯片中，該鋸齒 形路徑進(jìn)一步具有在每個(gè)再生增益元件的增益區(qū)域處的波腹；至少一個(gè)外部光學(xué)元件，形成提供回到該芯片中的光學(xué)反饋的外部腔體，并且控制該 光學(xué)模式的橫向光學(xué)模式特性以形成具有基本高斯空間模式的輸出束； 在該反射表面上的一連串反射提供偏振判別以產(chǎn)生線性偏振； 經(jīng)過(guò)該再生增益元件的該鋸齒形路徑基本上消除單獨(dú)再生增益元件之內(nèi)熱透鏡效應(yīng) 的影響；每個(gè)單獨(dú)再生增益元件缺乏足夠的增益和反饋以作為單獨(dú)激光器來(lái)工作，激射模式是 根據(jù)該再生增益元件的累積增益來(lái)工作。
18.權(quán)利要求17的激光器，進(jìn)一步包含腔內(nèi)頻率倍增器。
19.一種短波長(zhǎng)半導(dǎo)體鋸齒形外部腔表面發(fā)射激光器，包含具有一連串的材料的層的芯片；該芯片包含鄰近平面層邊界布置的至少兩個(gè)電學(xué)泵浦再生半導(dǎo)體增益元件；每個(gè)單獨(dú) 再生半導(dǎo)體增益元件具有提供電流限制和空間模式控制的p-n結(jié)臺(tái)面、由基于feiN的材料 形成以在0. 3 μ m至0. 5 μ m發(fā)射波長(zhǎng)范圍內(nèi)的預(yù)選擇波長(zhǎng)處提供增益的有源增益區(qū)域、以 及至少一個(gè)分布布拉格反射器，每個(gè)再生增益元件具有臺(tái)面直徑d，每個(gè)相鄰再生增益元件 之間的分隔距離S選擇為使得由d除以S限定的填充因子小于0. 5，且d為至少5微米；該芯片包含具有至少一個(gè)層的襯底層區(qū)域，該至少一個(gè)層選自由藍(lán)寶石或基于GaN的 化合物組成的群組，該襯底層區(qū)域在該光學(xué)模式的波長(zhǎng)處是基本上透明的，并且包含與和 該至少兩個(gè)再生增益元件的平面邊界平行且分隔開(kāi)的反射表面；該芯片的至少一個(gè)光學(xué)進(jìn)入/離開(kāi)表面，經(jīng)由該襯底區(qū)域的反射表面和每個(gè)再生增益 元件的分布布拉格反射器之間的一連串反射，在鋸齒形路徑中將光耦入該芯片中，該鋸齒 形路徑進(jìn)一步具有在每個(gè)再生增益元件的增益區(qū)域處的波腹；至少一個(gè)外部光學(xué)元件，形成提供回到該芯片中的光學(xué)反饋的外部腔體，并且控制該 光學(xué)模式的橫向光學(xué)模式特性以形成具有基本高斯空間模式的輸出束； 在該反射表面上的一連串反射提供偏振判別以產(chǎn)生線性偏振； 經(jīng)過(guò)該再生增益元件的該鋸齒形路徑基本上消除單獨(dú)再生增益元件之內(nèi)熱透鏡效應(yīng) 的影響；每個(gè)單獨(dú)再生增益元件缺乏足夠的增益和反饋以作為單獨(dú)激光器來(lái)工作，激射模式是 根據(jù)該再生增益元件的累積增益來(lái)工作。
20.權(quán)利要求19的激光器，其中至少一個(gè)該再生增益元件可作為正向偏置p-n結(jié)工作 以提供光學(xué)增益，以及至少一個(gè)該再生增益元件可作為反向偏置P-n結(jié)工作以調(diào)制激光器 的損耗成為增益切換或模式鎖定激光器。
21.權(quán)利要求20的激光器，進(jìn)一步與頻率倍增器組合。
全文摘要
半導(dǎo)體表面發(fā)射光學(xué)放大器芯片利用光學(xué)放大器芯片之內(nèi)的鋸齒形光學(xué)路徑。鋸齒形光學(xué)路徑耦合兩個(gè)或更多個(gè)增益元件。每個(gè)單獨(dú)增益元件具有圓形孔徑且包含增益區(qū)域和至少一個(gè)分布布拉格反射器。在一個(gè)實(shí)施方式中，光學(xué)放大器芯片包含至少兩個(gè)增益元件，該至少兩個(gè)增益元件分隔開(kāi)且具有不大于0.5的填充因子。結(jié)果，總光學(xué)增益可以增加。光學(xué)放大器芯片可作為超發(fā)光LED工作。交替地，光學(xué)放大器芯片可以與外部光學(xué)元件一起使用以形成擴(kuò)展腔激光器。單獨(dú)增益元件可以工作于反向偏置模式以支持增益切換或者模式鎖定。
文檔編號(hào)H01S5/125GK102089944SQ200980113145
公開(kāi)日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2009年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月14日
發(fā)明者邁克爾·詹森 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司, 飛利浦拉米爾德斯照明設(shè)備有限責(zé)任公司