本發(fā)明涉及波長可調(diào)的表面發(fā)射激光器和包括表面發(fā)射激光器的光學(xué)相干斷層成像裝置。

背景技術(shù)：

能夠改變其激光振蕩波長的波長可調(diào)激光器有望適用于諸如通信、感測、成像等的各種領(lǐng)域，并因此在近年受到廣泛研究和開發(fā)。

波長可調(diào)垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)結(jié)構(gòu)是波長可調(diào)激光器的例子。波長可調(diào)VCSEL結(jié)構(gòu)通過使用微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)控制垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)的激光振蕩波長。

VCSEL一般包括夾在一對諸如分布Bragg反射器(DBR)的反射器之間的活性層，并且，激光束以與由反射器之間的光學(xué)距離確定的腔長度對應(yīng)的波長振蕩。在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的波長可調(diào)VCSEL中，通過在反射器中的一個與另一層(一般是半導(dǎo)體層)之間設(shè)置空氣間隙的同時移動反射器中的一個來改變腔長度，使得激光振蕩波長因此改變(參見美國專利No.6549687)。

波長可調(diào)VCSEL的激光振蕩波長關(guān)于反射器的移動量的變化量有時被稱為波長調(diào)諧效率。當(dāng)波長調(diào)諧效率增加時，導(dǎo)致一定的波長變化所需要的反射器的移動量減小。因此，機(jī)械驅(qū)動反射器所需要的電壓減小。為了增加波長調(diào)諧速度，可以增加反射器的共振頻率。在這種結(jié)構(gòu)中，一般增加彈性常數(shù)，并且，減小反射器的移動量。當(dāng)波長調(diào)諧效率高時，由于導(dǎo)致一定的波長變化所需要的反射器的移動量小，因此，波長可調(diào)范圍和波長調(diào)諧速度可同時增加。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的波長可調(diào)VCSEL中，對波長調(diào)諧效率可增加多少存在限制。更具體而言，在空氣間隙的長度固定的情況下，隨著腔長度的不包含空氣間隙長度的部分(有時稱為半導(dǎo)體腔長度)降低，波長調(diào)諧效率增加。但是，在電極被設(shè)置在半導(dǎo)體層的上下端面上且活性層在通過電極被注入電流時發(fā)光的VCSEL中，如果半導(dǎo)體腔長度小，那么不能提供足夠電流擴(kuò)散和限制的層厚。因此，存在電流將不必要地流向發(fā)光區(qū)域以外的區(qū)域或者電流將通過電極僅注入到活性層的一部分中的風(fēng)險。結(jié)果，相對于注入的電流量，發(fā)光效率降低。換句話說，當(dāng)半導(dǎo)體腔長度小時，發(fā)光效率可能降低。因此，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，希望提供用于在不減小半導(dǎo)體腔長度的情況下增加波長調(diào)諧效率的方法。

鑒于上述情況，本發(fā)明提供可在不減小半導(dǎo)體腔長度的情況下增加波長調(diào)諧效率的表面發(fā)射激光器。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面的表面發(fā)射激光器包括：依次布置的下反射器、活性層和上反射器；設(shè)置在活性層與上反射器之間的空氣間隙；以及，設(shè)置在空氣間隙的光路上并且具有與空氣間隙的折射率不同的折射率的板部件(slab)。上反射器與下反射器中的至少一個的光軸方向的位置改變以改變發(fā)射光的波長。在上反射器的位置改變的情況下，板部件的光軸方向的中心位于在空氣間隙中形成的駐波的任意波腹與波腹的上反射器側(cè)的駐波的波節(jié)之間。在下反射器的位置改變的情況下，板部件的光軸方向的中心位于在空氣間隙中形成的駐波的任意波腹與波腹的下反射器側(cè)的駐波的波節(jié)之間。

從參照附圖對示例性實(shí)施例的以下描述，本發(fā)明的其它特征將變得清晰。

附圖說明

圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的表面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的表面發(fā)射激光器的光學(xué)特性的 計(jì)算結(jié)果的示圖。

圖3A～3D是示出用于描述根據(jù)本發(fā)明的表面發(fā)射激光器中的板部件與光強(qiáng)度分布之間的位置關(guān)系的影響的計(jì)算結(jié)果的示圖。

圖4A～4F是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的表面發(fā)射激光器中的板部件周圍的光強(qiáng)度分布的計(jì)算結(jié)果的示圖。

圖5是示出用于描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的表面發(fā)射激光器中的腔長度的影響的計(jì)算結(jié)果的示圖。

圖6是示出用于描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的表面發(fā)射激光器中的板部件的光學(xué)厚度的影響的計(jì)算結(jié)果的示圖。

圖7是示出用于描述在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的表面發(fā)射激光器中的板部件的下側(cè)(下反射器側(cè))的層的折射率的影響的計(jì)算結(jié)果的示圖。

圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的第一例子的表面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。

圖9是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的波長可調(diào)VCSEL的結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。

圖10是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的波長可調(diào)VCSEL的光學(xué)特性的示圖。

圖11A和圖11B是示出波長調(diào)諧效率與縱模間隔之間的關(guān)系的示圖。

圖12是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光學(xué)相干斷層成像裝置的示意圖。

圖13是示出根據(jù)本發(fā)明的第二例子的表面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。

圖14是示出根據(jù)本發(fā)明的第三例子的表面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例

將描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的波長可調(diào)垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)。

首先，將描述在本說明書中使用的術(shù)語的定義。

在本說明書中，激光器元件的基板側(cè)被定義為下側(cè)，并且，與基板側(cè)相對的一側(cè)被定義為上側(cè)。

在本說明書中，中心波長是可從表面發(fā)射激光器發(fā)射的激光束的波長范圍的中心處的波長。換句話說，中心波長是激光束可振蕩的最小與最大波長之間的平均值。激光束可振蕩的波長可依賴于例如腔長度的可變范圍、反射器的反射范圍和活性層的增益范圍。基本上，在設(shè)計(jì)階段中，設(shè)定中心波長并因此確定部件的結(jié)構(gòu)。在本說明書中，活性層或“板部件”的中心意指沿光軸方向的厚度的中點(diǎn)。光軸方向是連接后面將描述的上反射器與下反射器的線的方向，并且，與基板的主表面垂直。

在本說明書中，1λ意指單個波長。這里，除非另外規(guī)定，否則波長是表面發(fā)射激光器的中心波長。

在本說明書中，通過考慮Maxwell方程的邊界條件用傳送矩陣方法計(jì)算微腔中的電磁場分布，獲得計(jì)算結(jié)果。

現(xiàn)有技術(shù)的問題的描述

首先，將詳細(xì)描述根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的波長可調(diào)VCSEL的問題。圖9是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的波長可調(diào)VCSEL的示意性截面圖。

圖9所示的波長可調(diào)VCSEL由作為基材的包含GaAs的化合物半導(dǎo)體形成，并且，被設(shè)計(jì)為使得中心波長為1060nm且波長在中心波長周圍是可調(diào)的。在上反射器900和下反射器910之間設(shè)置活性層920和空氣間隙930的微腔結(jié)構(gòu)被設(shè)置在基板940上。上反射器900和下反射器910中的每一個是由多層膜形成的分布Bragg反射器(DBR)?；钚詫?20被夾在下蓋層950與上蓋層960之間。上反射器900和下反射器910之間的光學(xué)距離被稱為腔長度970，并且，上蓋層和空氣間隙之間的界面與下反射器910和下蓋層950之間的界面之間的光學(xué)距離被稱為半導(dǎo)體腔長度980?？赏ㄟ^沿光軸方向移動上 反射器900以改變空氣間隙930的長度來改變腔長度。因此，激光振蕩波長改變。這里，光軸方向是連接上反射器與下反射器的線的方向，并且，與基板的主表面垂直。在圖9中，光軸方向與垂直方向?qū)?yīng)。圖10示出圖9所示的波長可調(diào)VCSEL結(jié)構(gòu)的空氣間隙的長度(空氣間隙長度)與激光振蕩波長之間的關(guān)系。對具有不同的半導(dǎo)體腔長度980的三種類型的結(jié)構(gòu)執(zhí)行計(jì)算。

從計(jì)算結(jié)果可以清楚地看出，隨著半導(dǎo)體腔長度980減小，曲線的斜率增加。曲線的斜率()示出關(guān)于空氣間隙長度(d_air)的變化量的激光振蕩波長(λ)的變化量，并且，稱為波長調(diào)諧效率。因此，可以說，當(dāng)半導(dǎo)體腔長度減小時，波長調(diào)諧效率增加。

波長調(diào)諧效率的增加導(dǎo)致縱模間隔的增加。當(dāng)縱模間隔小時，由于模態(tài)跳躍，激光振蕩波長可間歇變化，或者可同時在多個波長處出現(xiàn)振蕩。因此，波長可調(diào)范圍在單模態(tài)中受限?？赏ㄟ^增加縱模間隔減少這種限制。

將參照圖11A和圖11B所示的計(jì)算結(jié)果描述波長調(diào)諧效率對縱模間隔的影響。

圖11A和圖11B是示出波長調(diào)諧效率(在中心波長周圍)分別為約0.015和約0.12的微腔結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果的示圖。兩個波長可調(diào)VCSEL被設(shè)計(jì)，使得其波長在1065nm的中心波長周圍是可調(diào)的，但是，由于微腔結(jié)構(gòu)的不同，具有不同的波長調(diào)諧效率。

在圖11A中，相鄰的階數(shù)的縱模之間的波長間隙為約25nm。在圖11B中，相鄰的階數(shù)的縱模之間的波長間隙為約60nm。

因此，當(dāng)波長調(diào)諧效率增加時，縱模間隔增加。

將更詳細(xì)地描述上述的問題。

如以上參照圖10所示的計(jì)算結(jié)果描述的那樣，已知波長調(diào)諧效率依賴于半導(dǎo)體腔長度。雖然可通過減小半導(dǎo)體腔長度有效地增加波長調(diào)諧效率，但實(shí)踐上對波長調(diào)諧效率可增加多少存在限制。

實(shí)際上，在通過注入電流使激光束振蕩的結(jié)構(gòu)中，需要設(shè)置用于電流擴(kuò)散和限制的層。因此，半導(dǎo)體腔長度需要比在通過光致激發(fā)使 激光束振蕩的結(jié)構(gòu)中大。因此，難以增加波長調(diào)諧效率。

因此，需要用于在不減小半導(dǎo)體腔長度的情況下增加波長調(diào)諧效率的方法。在根據(jù)本實(shí)施例的表面發(fā)射激光器中，可通過在微腔的空氣間隙中的適當(dāng)位置處布置用于放大有效腔長度變化的部件(板部件)，增加波長調(diào)諧效率。有效腔長度是通過將實(shí)際長度乘以折射率并且考慮光強(qiáng)度獲得的腔長度。

這里，所述適當(dāng)位置是板部件的光軸方向的中心位于在空氣間隙中形成并且具有中心波長的駐波的任何波腹與鄰接波腹的上反射器側(cè)的駐波的波節(jié)之間的位置。

換句話說，所述適當(dāng)位置是在空氣間隙中形成并且具有中心波長的駐波中板部件的光軸方向的中心處的光強(qiáng)度當(dāng)在空氣間隙的光軸方向的長度為A時比當(dāng)在空氣間隙的光軸方向的長度為比A小的B時高的位置。即，所述適當(dāng)位置是在發(fā)射在中心波長周圍的波長處振蕩的激光束的波長可調(diào)VCSEL中板部件的光強(qiáng)度分布隨著空氣間隙長度增加而增加且隨著空氣間隙長度減小而減小的位置。在圖1中，空氣間隙的光軸方向的長度由d示出。

駐波的波腹和波節(jié)的位置由激光振蕩波長、到下反射器的光學(xué)距離和在下反射器反射時導(dǎo)致的相位變化確定。因此，板部件的位置可因此被確定。

有效腔長度變化的放大是當(dāng)腔長度根據(jù)由上反射器的移動導(dǎo)致的空氣間隙長度的變化改變時使有效光學(xué)厚度變化比腔長度的實(shí)際變化量大的量的效果。

為了使得板部件具有上述的效果，板部件需要具有比背景即空氣間隙的折射率高的折射率。

空氣間隙可任意地填充氣體或液體或者被抽真空。這里，抽真空意指將空氣壓力降低到低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力的負(fù)壓。

在本說明書中，在假定空氣間隙填充空氣且折射率為1的情況下執(zhí)行計(jì)算。

表面發(fā)射激光器

將參照圖1描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的表面發(fā)射激光器。

根據(jù)本實(shí)施例的表面發(fā)射激光器1包括依次布置的基板150、下反射器110、下蓋層170、活性層120、上蓋層180、抗反射膜160和上反射器100。空氣間隙130被設(shè)置在活性層120與上反射器100之間。

折射率與空氣間隙130的折射率不同的板部件140被設(shè)置在空氣間隙130的光路上。在本實(shí)施例中，上反射器100和下反射器110中的每一個是由多層膜形成的分布Bragg反射器(DBR)。上反射器100與下反射器110之間的區(qū)域用作在其中形成駐波的微腔。上反射器100沿光軸方向(圖1中的雙向箭頭L所示的方向)可動。可通過改變上反射器100與抗反射膜160之間的空氣間隙130的長度d(有時稱為空氣間隙長度)改變腔長度，并且，共振波長因此改變。空氣間隙的長度d是包含活性層120和下反射器110的半導(dǎo)體多層體與上反射器100之間的沿光軸的距離。例如，在圖1中，當(dāng)不設(shè)置抗反射膜160時，長度d是上反射器100與上蓋層180之間的距離。當(dāng)不設(shè)置抗反射膜和上蓋層時，長度d是上反射器100與活性層120之間的距離。

因此，在根據(jù)本實(shí)施例的表面發(fā)射激光器1中，通過使用用于移動上反射器100的驅(qū)動單元190沿光軸方向改變上反射器100的位置，使得空氣間隙長度改變并且發(fā)射光的波長因此改變。

在根據(jù)本實(shí)施例的表面發(fā)射激光器中，可通過在光軸方向(圖1中的L所示的方向)的適當(dāng)位置處布置板部件140增加波長調(diào)諧效率。

適當(dāng)位置是板部件140沿光軸方向的中心位于在空氣間隙130中形成并且具有中心波長的駐波的任何波腹與鄰接波腹的上反射器100側(cè)的駐波的波節(jié)之間的位置。在下反射器110的位置改變的情況下，板部件140的光軸方向的中心位于在空氣間隙130中形成的駐波的任何波腹與波腹的下反射器110側(cè)的駐波的波節(jié)之間。

圖2是示出用于描述本實(shí)施例的表面發(fā)射激光器的效果的計(jì)算結(jié)果的例子的示圖。

該示圖示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不在空氣間隙中布置板部件的波長可 調(diào)VCSEL結(jié)構(gòu)、根據(jù)本實(shí)施例的在空氣間隙中的適當(dāng)位置a處布置板部件的表面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)和在空氣間隙中的不適當(dāng)位置b處布置板部件的比較結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果。所有這些結(jié)構(gòu)是被設(shè)計(jì)為使得波長可在1065nm的中心波長周圍可調(diào)的波長可調(diào)VCSEL結(jié)構(gòu)。

不布置板部件的結(jié)構(gòu)的波長調(diào)諧效率在中心波長周圍的范圍中為約0.05。

在空氣間隙中的適當(dāng)位置a處布置板部件的結(jié)構(gòu)的波長調(diào)諧效率在中心波長周圍的范圍中為約0.24。

在空氣間隙中的不適當(dāng)位置b處布置板部件的結(jié)構(gòu)的波長調(diào)諧效率在中心波長周圍的范圍中為約0.006。

因此，通過在空氣間隙中的適當(dāng)位置處布置板部件，可增加波長調(diào)諧效率。

現(xiàn)在將描述應(yīng)用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中的板部件的適當(dāng)位置。

圖3A～3D是示出用于描述板部件與駐波(光強(qiáng)度分布)之間的位置關(guān)系對波長調(diào)諧效率的影響的計(jì)算結(jié)果的示圖。

對應(yīng)用本發(fā)明且被設(shè)計(jì)為使得波長在800～900nm周圍的波長范圍中可調(diào)的波長可調(diào)VCSEL執(zhí)行計(jì)算。

圖3D是示出激光振蕩波長與空氣間隙長度之間的關(guān)系的計(jì)算結(jié)果的示圖。在圖3D中，曲線的斜率即波長調(diào)諧效率在中間位置處改變，并且，曲線具有彎曲形狀。

圖3A～3C是示出三個代表性的點(diǎn)處的板部件周圍的區(qū)域中的折射率分布與光強(qiáng)度分布的計(jì)算結(jié)果的示圖，這三個代表性的點(diǎn)是波長調(diào)諧效率高的點(diǎn)(點(diǎn)A)、曲線彎曲的點(diǎn)(點(diǎn)B)和波長調(diào)諧效率低的點(diǎn)(點(diǎn)C)。虛線示出折射率分布，實(shí)線示出光強(qiáng)度分布。折射率高的區(qū)域與布置于空氣間隙中的板部件對應(yīng)。

為了方便，圖3A～3C中的左右方向與實(shí)際的波長可調(diào)VCSEL結(jié)構(gòu)的垂直方向?qū)?yīng)。

在點(diǎn)A處，板部件的中心303位于駐波的波腹301與鄰接波腹301的上反射器側(cè)的駐波的波節(jié)302之間。換句話說，在這種情況下，板 部件處于空氣間隙中的適當(dāng)位置a處。

在點(diǎn)B處，板部件的中心303位于駐波的波腹301附近。

在點(diǎn)C處，板部件的中心303位于駐波的波腹301與鄰接波腹301的下反射器側(cè)的駐波的波節(jié)302之間。換句話說，在這種情況下，板部件處于空氣間隙中的不適當(dāng)位置b處。

如上所述，在執(zhí)行計(jì)算的結(jié)構(gòu)中，位于空氣間隙中的板部件上的反射器(上反射器)沿光軸方向可動。

換句話說，板部件被設(shè)置在駐波的波腹與鄰接波腹的上反射器側(cè)的駐波的波節(jié)之間的狀態(tài)與點(diǎn)A對應(yīng)。

提高波長調(diào)諧效率的原理

將定性描述當(dāng)在上述的位置處布置板部件時增加波長調(diào)諧效率的原因。

在應(yīng)用本發(fā)明的波長可調(diào)VCSEL中，存在根據(jù)空氣間隙長度的變化導(dǎo)致激光振蕩波長改變的兩種因素。

第一種因素是由微腔的視覺長度的變化導(dǎo)致的影響。

當(dāng)空氣間隙長度增加時，視覺腔長度也增加。微腔的光學(xué)厚度表達(dá)為視覺腔長度與折射率的積。因此，當(dāng)視覺腔長度增加時，光學(xué)腔長度基本上增加，并且激光振蕩波長因此增加。這是公知的原理，基于該原理，在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的波長可調(diào)VCSEL中改變激光振蕩波長。

第二種因素是由有效折射率的變化導(dǎo)致的影響。

在布置于空氣間隙中的板部件的折射率與背景即空氣間隙的折射率不同的情況下，當(dāng)存在于板部件中的光的比例改變時，光的有效折射率也改變。

例如，在板部件的折射率大于背景即空氣間隙的折射率的情況下，當(dāng)存在于板部件中的光的比例增加時，對于光的有效折射率增加。

結(jié)果，有效光學(xué)厚度增加，并且，激光振蕩波長因此增加。

波長調(diào)諧效率在上述的兩種影響相互增強(qiáng)時增加，并且在上述的兩種影響相互弱化時減小。根據(jù)本實(shí)施例的表面發(fā)射激光器被構(gòu)建為使得兩種影響相互增強(qiáng)。

換句話說，表面發(fā)射激光器被構(gòu)建為使得板部件中的光強(qiáng)度分布在空氣間隙長度增加時增加且在空氣間隙長度減小時減小。

更具體而言，表面發(fā)射激光器被構(gòu)建為使得板部件的中心位于在微腔中形成且具有中心波長的駐波的任意波腹與鄰接波腹的上反射器側(cè)的駐波的波節(jié)之間。

現(xiàn)在將參照圖4A～4F描述由于根據(jù)本實(shí)施例的表面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的波長調(diào)諧效率的提高的原理。

圖4A～4F是示出被設(shè)計(jì)為使得波長在1065nm的中心波長周圍可調(diào)的波長可調(diào)VCSEL結(jié)構(gòu)中的、布置于空氣間隙中的板部件周圍的區(qū)域中的折射率和駐波(光強(qiáng)度分布)的計(jì)算結(jié)果的示圖。虛線示出折射率分布，實(shí)線示出光強(qiáng)度分布。折射率高的區(qū)域與布置于空氣間隙中的板部件對應(yīng)。

圖4A～4C示出與根據(jù)本實(shí)施例的表面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)不同的在不適當(dāng)位置處布置板部件的比較結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果。在圖4A～4C中的每一個中，板部件403沿光軸的中心位于光強(qiáng)度分布的波腹401與鄰接波腹401的下反射器側(cè)的光強(qiáng)度分布的波節(jié)402之間。

圖4B示出空氣間隙長度使得激光束在接近中心波長的波長處振蕩的情況下的計(jì)算結(jié)果。

圖4A示出空氣間隙長度比圖4B中的空氣間隙長度短100nm的情況下的計(jì)算結(jié)果。

圖4C示出空氣間隙長度比圖4B中的空氣間隙長度長100nm的情況下的計(jì)算結(jié)果。

圖4D～4F示出在適當(dāng)位置處布置板部件的結(jié)構(gòu)即根據(jù)本實(shí)施例的表面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果。在4D～4F中的每一個中，板部件403沿光軸的中心位于光強(qiáng)度分布的波腹401與鄰接波腹401的上反射器側(cè)的光強(qiáng)度分布的波節(jié)402之間。

圖4E示出空氣間隙長度使得激光束在接近中心波長的波長處振蕩的情況下的計(jì)算結(jié)果。

圖4D示出空氣間隙長度比圖4E中的空氣間隙長度短100nm的 情況下的計(jì)算結(jié)果。

圖4F示出空氣間隙長度比圖4E中的空氣間隙長度長100nm的情況下的計(jì)算結(jié)果。

在各圖中，光強(qiáng)度分布與板部件重疊的區(qū)域由陰影示出。該區(qū)域的面積與存在于板部件中的光的比例對應(yīng)。

為了方便，圖4A～4F中的左右方向與實(shí)際波長可調(diào)VCSEL結(jié)構(gòu)的垂直方向?qū)?yīng)。

在圖4A～4C所示的計(jì)算結(jié)果中，當(dāng)空氣間隙長度增加時，存在于板部件中的光的量減少。這與上述的對激光振蕩波長的兩種影響相互弱化的情況對應(yīng)。因此，波長調(diào)諧效率降低。

在圖4D～4F所示的計(jì)算結(jié)果中，當(dāng)空氣間隙長度增加時，存在于板部件中的光的量增加。這與上述的對激光振蕩波長的兩種影響相互增強(qiáng)的情況對應(yīng)。因此，波長調(diào)諧效率增加。

結(jié)果，出現(xiàn)以上參照圖2和圖3A～3D描述的波長調(diào)諧效率的差異。

駐波的波腹和波節(jié)的位置由激光振蕩波長λ、到下反射器的光學(xué)距離和在下反射器反射時導(dǎo)致的相位變化確定。因此，可相應(yīng)地確定板部件的位置。

當(dāng)在下反射器反射時導(dǎo)致的相位變化為0的自由端反射的情況下，在到下反射器的上端的距離為λ/2×m的位置處提供波腹，并且，在到下反射器的上端的距離為λ/2×m+λ/4的位置處提供波節(jié)(這里以及以下，m是自然數(shù))。

當(dāng)在反射時導(dǎo)致的相位變化為π的固定端反射的情況下，在到下反射器的上端的距離為λ/2×m+λ/4的位置處提供波腹，并且，在到下反射器的上端的距離為λ/2×m的位置處提供波節(jié)。

假定中心波長是λ_c，當(dāng)從下反射器的上端到板部件的光軸方向的中心的距離L滿足λ_c/2×m＜L＜λ_c/2×m+λ_c/4(在自由端反射的情況下)或者λ_c/2×(m-1)+λ_c/4＜L＜λ_c/2×m(在固定端反射的情況下)，那么波長調(diào)諧效率在中心波長λ_c周圍的范圍中增加。

當(dāng)在下反射器反射時導(dǎo)致的相位變化既不為0也不為π時，板部件 可根據(jù)相位變化量布置于上述的兩種情況的位置之間的中間位置處。

在本說明書中，除非另外規(guī)定，否則假定上下反射器的界面處的光反射是自由端反射。

如以上參照圖10描述的那樣，在VCSEL結(jié)構(gòu)中，當(dāng)半導(dǎo)體腔長度增加時，波長調(diào)諧效率降低。這里，半導(dǎo)體腔長度是在上反射器與下反射器之間形成的微腔的除空氣間隙以外的部分的光軸方向的長度。圖5是示出腔長度(包含半導(dǎo)體微腔和空氣間隙的光路的長度)與波長調(diào)諧效率之間的關(guān)系的計(jì)算結(jié)果的的示圖。

所述示圖在頂部和底部具有兩個橫軸。橫軸中的一個代表實(shí)際腔長度，另一個代表通過中心波長λ_c歸一化的腔長度。

參照圖5，波長調(diào)諧效率在半導(dǎo)體腔長度變得小于或等于根據(jù)本實(shí)施例的表面發(fā)射激光器的中心波長的20倍(20λ或更小)時突然增加，并且在半導(dǎo)體腔長度變得小于或等于中心波長的10倍(10λ或更小)時進(jìn)一步增加。為了進(jìn)一步增加波長調(diào)諧效率并且保持活性層的發(fā)光效率，半導(dǎo)體腔長度可小于或等于中心波長的三倍。

板部件

在本實(shí)施例中，只要板部件的折射率與空氣間隙的板部件不同使得微腔中的光強(qiáng)度分布可改變，關(guān)于板部件沒有特別的限制。板部件的折射率可比空氣間隙的折射率大?？煽紤]從表面發(fā)射激光器發(fā)射的光的波長和用于形成板部件的工藝適當(dāng)?shù)剡x擇板部件的材料。更具體而言，板部件的材料可以例如為Al_xGa_1-xAs(0＜x＜1，優(yōu)選0.6≤x≤0.8)、GaAs、Si或GaN。在執(zhí)行犧牲層處理以通過使用這些材料形成板部件的情況下，板部件、犧牲層和蝕刻劑的材料的組合可以如下。即，“板部件；犧牲層；以及蝕刻劑”的材料可以為“Al_xGa_1-xAs(0＜x＜1)；GaAs；以及檸檬酸和過氧化氫溶液的水溶液”、“GaAs；AlGaInP或AlInP或GaInP；以及鹽酸”、“GaAs；Al_xGa_1-xAs(0.9≤x)；以及BHF”、“Si；SiO₂；以及BHF”、或者“GaN；(AlInN)O_x；以及NTA：KOH”。

板部件可例如通過上述的MEMS機(jī)構(gòu)移動。

現(xiàn)在將描述根據(jù)本實(shí)施例的板部件的最佳光學(xué)厚度。

圖6是示出根據(jù)本實(shí)施例的板部件的光學(xué)厚度與1060nm的中心波長周圍的范圍中的波長調(diào)諧效率之間的關(guān)系的計(jì)算結(jié)果的例子的示圖。在計(jì)算中，假定板部件的折射率為3.12。從示圖可以清楚地看出，當(dāng)板部件的光學(xué)厚度為約70nm時，波長調(diào)諧效率處于最大值，并且，當(dāng)板部件太薄或者太厚時，不能獲得最大效果。波長調(diào)諧效率處于最大值的板部件的光學(xué)厚度為中心波長的約1/4，并且，當(dāng)光學(xué)厚度在該值周圍時，可以增加效果。

計(jì)算結(jié)果表明，為了確保板部件的有效性，板部件的光學(xué)厚度優(yōu)選處于大于0且小于表面發(fā)射激光器的中心波長的1/2的范圍內(nèi)，并且，更優(yōu)選處于大于中心波長的1/8且小于中心波長的3/8的范圍中。

當(dāng)光學(xué)厚度為被設(shè)定為上述范圍中的值與中心波長的整數(shù)倍的一半的和時，也可獲得類似的光學(xué)效果。

并且，從圖6可以清楚地看出，本實(shí)施例中的板部件的厚度優(yōu)選處于大于等于40nm且小于等于100nm的范圍中、更優(yōu)選處于大于等于60nm且小于等于80nm的范圍中。

在根據(jù)本實(shí)施例的表面發(fā)射激光器中，板部件可被設(shè)置在空氣間隙的底部，使得不在板部件下面設(shè)置空氣間隙的一部分。在這種情況下，也假定板部件被設(shè)置在空氣間隙中。

在這種情況下，鄰接板部件且在板部件下面的層的折射率是重要的。

圖7是示出鄰接板部件且在板部件下面的層的折射率與波長調(diào)諧效率之間的關(guān)系的計(jì)算結(jié)果的例子的示圖。

假定板部件的折射率為3.12且板部件的折射率由圖中的虛線示出。虛線的左側(cè)的區(qū)域與鄰接板部件且在板部件下面的層的折射率比板部件的折射率低的情況對應(yīng)，并且，虛線的右側(cè)的區(qū)域與鄰接板部件且在板部件下面的層的折射率比板部件的折射率高的情況對應(yīng)。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不在空氣間隙中設(shè)置板部件的結(jié)構(gòu)的波長調(diào)諧效率計(jì)算為約0.23。該值由圖中的水平虛線示出。波長調(diào)諧效率比計(jì)算 值高的范圍匹配板部件下面的層的折射率比板部件的折射率小的范圍。

因此，在板部件布置于空氣間隙的底部的情況下，鄰接板部件且在板部件下面的層的折射率需要比板部件的折射率小。

活性層

在本實(shí)施例中，只要活性層由當(dāng)被注入電流時發(fā)光的材料制成，對活性層沒有特別的限制，并且，可以使用在共用的表面發(fā)射激光器中使用的材料。適當(dāng)?shù)馗鶕?jù)希望的激光振蕩波長選擇活性層的材料的成分、厚度等。

在要發(fā)射具有約850nm的波長范圍的光的情況下，由Al_nGa_(1-n)As(0≤n≤1)制成的具有量子阱結(jié)構(gòu)的材料可被用作活性層的材料。在要發(fā)射具有約1060nm的波長范圍的光的情況下，由In_nGa_(1-n)As(0≤n≤1)制成的材料可被用作活性層的材料。

根據(jù)本實(shí)施例，活性層可在足夠?qū)挼姆秶稀⒏唧w而言在比上下反射器的反射范圍寬的波長范圍上具有增益。這種活性層可為例如具有可至少在兩個不同的能級處發(fā)射光的量子阱結(jié)構(gòu)的活性層。量子阱結(jié)構(gòu)可包含由多個層形成的多量子阱或單量子阱。

可根據(jù)想要的振蕩波長適當(dāng)?shù)剡x擇根據(jù)本實(shí)施例的活性層的材料和結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本實(shí)施例的活性層可被配置為在活性層通過光照射被激勵時或者當(dāng)電流被注入到活性層中時發(fā)光。根據(jù)本實(shí)施例的表面發(fā)射激光器或?qū)⒃诤竺婷枋龅墓鈱W(xué)相干斷層成像裝置可包括用于激勵活性層的激勵光源或用于將電流注入到活性層中的電源。在當(dāng)將電流注入到活性層中時發(fā)光的情況下，需要電極。但是，在本說明書和附圖中，省略電極以簡化描述。

第一蓋層和第二蓋層

在本實(shí)施例的實(shí)施例中，蓋層被設(shè)置為俘獲光和載流子。另外，在本發(fā)明的實(shí)施例中，蓋層用作用于調(diào)整腔長度的間隔件。

在本實(shí)施例中，作為第一和第二蓋層，可以使用根據(jù)發(fā)射光的波 長范圍適當(dāng)?shù)剡x擇Al成分的AlGaAs層。例如，在要發(fā)射具有約850nm的波長范圍的光的情況下，可以使用Al成分為30％或更多的AlGaAs層以避免光吸收。在要發(fā)射具有約1060nm的波長范圍的光的情況下，不需要考慮光吸收。因此，可以使用GaAs層或任意成分的AlGaAs層。在當(dāng)將電流注入到活性層中時發(fā)射光的結(jié)構(gòu)中，第一和第二蓋層可具有不同的導(dǎo)電類型。第一和第二蓋層的厚度不需要相等，并且，可考慮電流擴(kuò)散所需要的厚度被適當(dāng)?shù)剡x擇。

電流限制層

在本實(shí)施例中，可根據(jù)需要設(shè)置限制注入到激光器中的電流流動的區(qū)域的電流限制層(未示出)?？衫缤ㄟ^注入氫離子或者選擇性地氧化設(shè)置在蓋層中并具有90％或更多的Al成分的AlGaAs層形成電流限制層。在本實(shí)施例中，在當(dāng)通過光照射來激勵活性層時發(fā)光的情況下，不需要電流限制層。電流限制層適用于當(dāng)將電流注入到活性層中時發(fā)光的情況。

空氣間隙

根據(jù)本實(shí)施例的空氣間隙一般不在其中設(shè)置固體材料。根據(jù)空氣間隙的氣氛，空氣間隙可被抽真空或者填充諸如空氣、惰性氣體或諸如水的液體的流體。這里，抽真空意指將空氣壓力降低到低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力的負(fù)壓。在本說明書中，在假定空氣間隙填充空氣且折射率為1的情況下執(zhí)行計(jì)算。

可考慮可調(diào)波長范圍和可動反射鏡的拉入確定空氣間隙的長度(圖1中的d)。例如，在被構(gòu)建為使得空氣間隙填充空氣、中心波長為1060nm且可調(diào)波長范圍為100nm的具有3λ或4λ的腔長度的微腔中，空氣間隙的長度d為約1μm。

驅(qū)動單元

在應(yīng)用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，可通過使用常用于MEMS領(lǐng)域中的技術(shù)沿垂直方向移動上反射器和板部件。例如，可以使用靜電力、壓電力、熱力、或者電磁力或流體壓力。

例如，驅(qū)動單元可包含當(dāng)被施加電壓被激勵的MEMS機(jī)構(gòu)、或 者壓電材料。更具體而言，可在上反射器或上面設(shè)置上反射器的層與層疊下反射器、活性層等的多層體之間沿光軸方向施加靜電力?？赏ㄟ^改變靜電力的大小移動上反射器。這也可被應(yīng)用于移動驅(qū)動單元或下反射器的情況。

驅(qū)動單元可具有懸臂結(jié)構(gòu)或雙支撐梁結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本實(shí)施例的驅(qū)動單元可被配置為移動上反射器、下反射器、或者上反射器和下反射器兩者。驅(qū)動可被配置為移動板部件。在本實(shí)施例中，用于控制上反射器和板部件的位置的控制器可被設(shè)置為適當(dāng)?shù)乜刂粕戏瓷淦髋c板部件之間的位置關(guān)系。

根據(jù)本實(shí)施例的多個表面發(fā)射激光器可布置于相同面上并且被用作陣列光源。

光學(xué)相干斷層成像裝置

包括波長可調(diào)光源的光學(xué)相干斷層(OCT)裝置不包括分光計(jì)，并因此有望能夠以高的SN比和低的光量損失獲取斷層圖像?，F(xiàn)在將參照圖12描述根據(jù)本實(shí)施例的表面發(fā)射激光器被用作OCT裝置的光源單元的例子。

根據(jù)本實(shí)施例的OCT裝置12至少包括光源單元1201、干涉光學(xué)系統(tǒng)1202、光檢測單元1203和信息獲取單元1204。光源單元1201可以是上述的表面發(fā)射激光器。雖然沒有示出，但信息獲取單元1204包含傅立葉變換器。只要信息獲取單元1204具有對其輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換的功能，包含于信息獲取單元1204中的傅立葉變換器的形式就不被特別限制。例如，信息獲取單元1204可包含計(jì)算單元，并且，計(jì)算單元可具有進(jìn)行傅立葉變換的功能。更具體而言，計(jì)算單元是包括中央處理單元(CPU)的計(jì)算機(jī)，并且，計(jì)算機(jī)執(zhí)行具有傅立葉變換功能的應(yīng)用。作為另一例子，信息獲取單元1204可包含具有傅立葉變換功能的傅立葉變換電路。從光源單元1201發(fā)射的光穿過干涉光學(xué)系統(tǒng)1202并且作為具有測量物體1212的信息的干涉光被輸出。干涉光被光檢測單元1203接收。光檢測單元1203可任意地為差動檢測類型或簡單強(qiáng)度監(jiān)測類型。關(guān)于接收的干涉光的強(qiáng)度的時間波形的信息 從光檢測單元1203被傳送到信息獲取單元1204。信息獲取單元1204獲取接收的干涉光的強(qiáng)度的時間波形，并且，進(jìn)行傅立葉變換以獲取物體1212的信息(例如，斷層圖像的信息)。也能夠可選地設(shè)置這里描述的光源單元1201、干涉光學(xué)系統(tǒng)1202、光檢測單元1203和信息獲取單元1204以外的部件。

下面，將詳細(xì)描述從振蕩光源單元1201中的光到獲取測量物體的斷層圖像的信息的動作。

從波長可調(diào)光源單元1201發(fā)射的光穿過光纖1205、進(jìn)入耦合器1206，在那里，光被分割成穿過照射光纖107的照射光和穿過參照光纖1208的參照光。耦合器1206可被配置為在光源的波長范圍中在單模態(tài)中動作，并且，可以使用3dB耦合器作為光纖耦合器。照射光穿過準(zhǔn)直器1209，使得照射光準(zhǔn)直化并且被反射鏡1210反射。被反射鏡1210反射的光穿過透鏡1211、入射于物體1212上并且被沿物體1212的深度方向的物體1212的各層反射。參照光穿過準(zhǔn)直器1213并且被反射鏡1214反射。耦合器1206通過使來自物體1212的反射光和來自反射鏡1214的反射光相互干涉產(chǎn)生干涉光。干涉光穿過光纖1215、通過準(zhǔn)直器1216被收集，并且，被光檢測單元1203接收。關(guān)于被光檢測單元1203接收的干涉光的強(qiáng)度的信息被轉(zhuǎn)換成諸如電壓的電信息，并且，被傳送到信息獲取單元1204。信息獲取單元1204處理干涉光的強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，更具體而言，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傅立葉變換以獲取斷層圖像的信息。經(jīng)受傅立葉變換的干涉光的強(qiáng)度的數(shù)據(jù)通常是通過使用k時鐘以等波數(shù)間隔采樣的數(shù)據(jù)。但是，也可使用以等波長間隔采樣的數(shù)據(jù)。

獲取的斷層圖像的信息可從信息獲取單元1204被傳送到圖像顯示器1217并且顯示為圖像?？赏ㄟ^沿與照射光的入射方向垂直的面掃描反射鏡1210來獲得測量物體1212的三維斷層圖像。信息獲取單元1204可通過電路1218控制光源單元1201。雖然圖12沒有示出，但從光源單元1201發(fā)射的光的強(qiáng)度可被監(jiān)測，并且，監(jiān)測的數(shù)據(jù)可被用于校正代表干涉光的強(qiáng)度的信號的振幅。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的表面發(fā) 射激光器能夠在抑制用于發(fā)射激光束的閾值電流的增加和發(fā)光效率的降低的同時在寬的波長范圍上執(zhí)行激光束振蕩。這里，抑制閾值電流的增加和發(fā)光效率的降低的事實(shí)未必意指它們減小到零。

因此，當(dāng)在OCT裝置中包括根據(jù)本實(shí)施例的表面發(fā)射激光器時，用于輸出激光束的電流可減少，并且，可以獲得具有高的軸向分辨率的斷層圖像。

在眼科、齒科或皮膚科等的領(lǐng)域中，根據(jù)實(shí)施例的OCT裝置可用于獲得諸如動物或人的活體的斷層圖像。關(guān)于活體的斷層圖像的信息不僅包括活體的斷層圖像，而且包括獲得斷層圖像所需要的數(shù)值數(shù)據(jù)。

特別地，OCT裝置可被用于通過將眼底設(shè)定為測量對象獲取人的眼底的斷層圖像的信息。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的表面發(fā)射激光器不僅可被用作OCT裝置的光源，而且可用作用于光學(xué)通信或光學(xué)測量的光源。

例子

現(xiàn)在將描述本發(fā)明的例子。本發(fā)明不限于以下描述的例子的結(jié)構(gòu)。例如，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可適當(dāng)?shù)馗淖儾牧系念愋汀⒊煞?、形狀和尺寸?/p>

在以下描述的例子中，激光振蕩波長被設(shè)定為1060nm周圍或850nm周圍。但是，可通過選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)將激光振蕩波長設(shè)定到任何波長。

第一例子

將參照圖8描述根據(jù)第一例子的表面發(fā)射激光器。圖8是示出根據(jù)第一例子的VCSEL的層結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。

在本例子中，VCSEL由以GaAs為基材的化合物半導(dǎo)體形成，并且，被設(shè)計(jì)為使得可在1060nm的中心波長周圍執(zhí)行波長掃描。

從頂部依次布置上反射器800、空氣間隙830、活性層820、下反射器810和GaAs基板840。板部件850被設(shè)置在空氣間隙830中。

上反射器800是包含通過交替層疊Al_0.4Ga_0.6As層和Al_0.9Ga_0.1As 層形成的36.5對層的疊層的DBR。

上反射器800可通過在施加電壓時產(chǎn)生的靜電力沿垂直方向移動。在圖8中，省略用于施加電壓的電極。

空氣間隙830填充空氣，并且，空氣間隙的長度(空氣間隙長度)在1650nm周圍可變。

活性層820具有三個周期的層被層疊在一起的多量子阱結(jié)構(gòu)，每個周期包含由GaInAs制成的量子阱層和由GaAsP制成的勢壘層。

活性層在被注入電流時發(fā)光。在圖8中，省略用于注入電流的電極。

當(dāng)中心波長1060nm是1λ時，設(shè)置在空氣間隙830與下反射器110之間且包含活性層的半導(dǎo)體多層膜的光學(xué)厚度與約3λ對應(yīng)。

下反射器810是在通過交替層疊GaAs層和AlAs層形成的30對層的疊層上設(shè)置通過交替層疊Al_0.4Ga_0.6As層和Al_0.9Ga_0.1As層形成的5對層的疊層的DBR。

通過外延生長和選擇性濕蝕刻形成本例子的空氣間隙830。現(xiàn)在將描述形成空氣間隙830的過程。

當(dāng)執(zhí)行外延生長時，與空氣間隙對應(yīng)的部分形成為GaAs的犧牲層。

當(dāng)使用水、檸檬酸和過氧化氫溶液的混合溶液作為蝕刻劑時，可根據(jù)AlGaAs的Al成分執(zhí)行選擇性蝕刻。在本例子中，使用通過混合水和檸檬酸(重量比1∶1)獲得的檸檬酸溶液與濃度為30％的過氧化氫溶液的4∶1比的混合物作為蝕刻劑?？赏ㄟ^使用該蝕刻劑執(zhí)行GaAs和Al_0.7Ga_0.3As的選擇性蝕刻，并且，可通過僅去除GaAs犧牲層形成空氣間隙。

根據(jù)計(jì)算，在不設(shè)置板部件850的情況下，1060nm的中心波長周圍的范圍中的波長調(diào)諧效率為約0.05。相反，當(dāng)設(shè)置板部件850時，波長調(diào)諧效率可增加到0.24。

因此，通過應(yīng)用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，可以獲得比現(xiàn)有技術(shù)高的波長調(diào)諧效率。

第二例子

圖13示出根據(jù)第二例子的表面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)的示意圖。在圖13中，在由作為第III-V族化合物半導(dǎo)體的GaAs層形成的n型半導(dǎo)體基板1301上設(shè)置n型多層反射鏡1302。n型多層反射鏡(DBR)1302具有45對層被層疊在一起的多層體，每對包含作為第III-V族化合物半導(dǎo)體的Al_0.8GaAs層(68.1nm厚)和Al_0.3GaAs層(62nm厚)。

由Al_0.8GaAs層(102.6nm厚)形成的n型蓋層1303被設(shè)置在DBR 1302上。組合GaAs阱層(10nm厚)和Al_0.3GaAs勢壘層(10nm厚)的具有三量子阱結(jié)構(gòu)的活性層1304被設(shè)置在n型蓋層1303上。由Al_0.8GaAs層(337.4nm厚)形成的p型蓋層1305被設(shè)置在活性層1304上。

可動反射鏡1306被設(shè)置在硅懸臂(2μm厚)1307的端部的底面上。硅懸臂1307在基板1301之上的其間設(shè)置一些層的位置處被氧化硅層1308(1μm厚)、硅懸臂(2μm厚)1307、氧化硅膜(2.5μ厚)1309和硅基板1310支撐。可動反射鏡1306是將10對層層疊在一起的電介質(zhì)DBR，每個對包含SiO₂層(145.5nm厚)和TiO₂層(90nm厚)。氧化硅層1308的厚度等于空氣間隙的厚度，并且，當(dāng)可動反射鏡不被驅(qū)動時，腔長度為3λ。Ti/Au電極1311和Ti/Au電極1312被設(shè)置為施加用于通過靜電吸引驅(qū)動硅懸臂的電壓。

在本例子中，可動反射鏡1306被設(shè)置在硅懸臂1307的端部的底面上。但是，可動反射鏡1306也可被設(shè)置在硅懸臂1307的端部的頂面上。并且，在可動反射鏡1306被設(shè)置在懸臂1307的端部的頂面或底面上之后，硅懸臂1307的端部的一部分可被去除。

蓋層1305包含通過將質(zhì)子離子注入到p型蓋層1305的一部分中形成的電流限制層1313。因此，從電極1316供給的電流通過電流限制層1313中的開口1315流入到活性層1304中。關(guān)于本例子的用于激活波長可調(diào)VCSEL的電極，由Ti層(20nm)和Au層(100nm)形成的金屬多層膜被用作電極1316，并且，由Au和Ge的混晶(100nm)、Ni(20nm)和Au(100nm)形成的金屬多層膜被用作電極1317。VCSEL 通過電源1319被驅(qū)動。

由Ti層(20nm)和Au層(100nm)形成的金屬多層膜被用作電極1314和1312。

在本例子中，通過處理絕緣體上硅(SOI)基板形成的硅MEMS結(jié)構(gòu)被用作上面形成出射側(cè)反射鏡(上反射器)1306的驅(qū)動單元。通過接合驅(qū)動單元與上面形成下多層反射鏡(DBR)1302、下蓋層1303、活性層1304和上蓋層1305等的化合物半導(dǎo)體基板1301，形成波長可調(diào)VCSEL。

在本例子中，由質(zhì)子注入?yún)^(qū)域限定的發(fā)光區(qū)域即通過質(zhì)子離子注入形成的電流限制結(jié)構(gòu)中的開口1315具有直徑為5μm的圓形形狀。

在本例子中，設(shè)置板部件1318。通過以上述的方式移動上反射器1306，可以抑制模態(tài)跳躍并且可增加波長可調(diào)范圍。結(jié)構(gòu)也可使得板部件1318和下反射器1302移動。

現(xiàn)在將描述本例子的波長可調(diào)VCSEL的制造方法。

首先，在由GaAs層形成的n型半導(dǎo)體基板1301上通過MOCVD晶體生長方法依次形成n型DBR 1302、n型蓋層1303、活性層1304和p型蓋層1305。

然后，在p型蓋層1305上形成氧化硅膜并且通過光刻和蝕刻進(jìn)行處理，使得該膜用作用于形成電流限制結(jié)構(gòu)的離子注入時的掩模。在形成用作掩模的氧化硅膜(未示出)之后，執(zhí)行離子注入以形成電流限制結(jié)構(gòu)。為了形成電流限制結(jié)構(gòu)，可在蓋層1305中形成具有90％或更多的Al成分的AlGaAs層(30nm厚)，并且，可通過從其側(cè)面沿x軸方向選擇性地氧化所述層的一部分并且將該部分轉(zhuǎn)化成氧化鋁形成高電阻區(qū)域。

然后，通過光刻、真空沉積和剝離形成電極1316。

然后，通過真空沉積在半導(dǎo)體基板1301的后側(cè)形成用于驅(qū)動VCSEL的陰極電極1317。因此，完成化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件。

在本例子中，半導(dǎo)體層的導(dǎo)電類型可顛倒。換句話說，p型半導(dǎo)體層可變?yōu)閚型半導(dǎo)體層，并且，n型半導(dǎo)體層可變?yōu)閜型半導(dǎo)體層。 p型半導(dǎo)體層的摻雜物可以為Zn，并且，n型半導(dǎo)體層的摻雜物可以為C。但是，摻雜物不限于此。

在本例子的波長可調(diào)VCSEL中，假定在以850nm的波長為中心的±50nm的波長范圍中執(zhí)行波長掃描。但是，波長范圍不限于此，并且，也可通過選擇包含于VCSEL中的層的適當(dāng)材料，在例如以1060nm的波長為中心的±50nm的波長范圍中執(zhí)行波長掃描。

本發(fā)明提供可通過適當(dāng)?shù)卦诳諝忾g隙中布置板部件增加波長調(diào)諧效率的波長可調(diào)的表面發(fā)射激光器，該板部件具有與空氣間隙的折射率不同的折射率。

第三實(shí)施例

將參照圖14描述根據(jù)第三實(shí)施例的表面發(fā)射激光器。圖14是示出根據(jù)第三例子的VCSEL的層結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。

根據(jù)本例子的VCSEL 1400包括依次布置的用于驅(qū)動VCSEL的陰極電極1401、由GaAs制成的n型基板1402、作為通過交替層疊AlAs層和GaAs層形成的40.5對層的疊層的n型下DBR 1403、由Al_0.7Ga_0.3As制成的n型下間隔件層1404、由包含由InGaA和GaAsP勢壘層制成的量子阱的多量子阱層形成的未摻雜活性層1405、以及由Al_0.7Ga_0.3As制成的p型上間隔件層1406。在上間隔件層1406上形成用于驅(qū)動VCSEL和上DBR的電極1407。還在上間隔件層1406上設(shè)置未摻雜GaAs層1408、由Al_0.7Ga_0.3As制成的未摻雜板部件1409、未摻雜GaAs層1410、n型上DBR層1411和用于驅(qū)動上DBR的電極1412。n型上DBR 1411包含通過交替層疊Al_0.9Ga_0.1As層和Al_0.4Ga_0.6As層形成的30對層的疊層和設(shè)置為夾著所述疊層的最上層和最下層的Al_0.7Ga_0.3As層。

與第一和第二例子類似，通過諸如外延生長、光刻、干蝕刻、濕蝕刻和真空沉積的常見半導(dǎo)體處理制造本例子的結(jié)構(gòu)。

通過外延生長，在基板1402上形成半導(dǎo)體多層膜，直到與上DBR1411的高度對應(yīng)的高度。

然后，通過光刻和干蝕刻形成包含板部件1409和上DBR 1411的梁 結(jié)構(gòu)的圖案。執(zhí)行干蝕刻的深度被設(shè)定為露出GaAs犧牲層1408的深度。

然后，通過借助于使用檸檬酸溶液和過氧化氫溶液的混合物的濕蝕刻去除GaAs犧牲層1408和GaAs犧牲層1410的多個部分，形成梁結(jié)構(gòu)。在該處理中，犧牲層可在某個區(qū)域中被光致抗蝕劑等覆蓋，使得它們在該區(qū)域中保持不被蝕刻。

然后，通過光刻、真空沉積和剝離形成電極1407和1412。

然后，通過真空沉積在半導(dǎo)體基板1402的后側(cè)形成用于驅(qū)動VCSEL的陰極電極1401。因此，完成化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件。

雖然已參照示例性實(shí)施例說明了本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明不限于公開的示例性實(shí)施例。所附權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最寬的解釋以包含所有這樣的修改以及等同的結(jié)構(gòu)和功能。