[发明专利]具有改进的空间模式的高功率VCSEL

说明书

技术领域

本发明涉及竖直腔表面发射激光器(VCSEL)，其包括：光学增益介质，该光学增益介质布置于第一分布式布拉格反射器(DBR)与第二分布式布拉格反射器之间，所述第一DBR和所述第二DBR形成激光腔且被设计成允许所述激光腔中的自容式（self-contained）激光发射，且所述第二DBR对于在所述激光腔中谐振的激光辐射是部分透明的；以及光学元件，其布置于所述激光腔的光轴上所述激光腔外的所述第二DBR的侧部上，所述光学元件具有朝向所述第二DBR的凹表面且凹表面被设计成将穿过第二DBR的激光辐射的一部分反射回到激光腔内。

在红外波长范围内发射的VCSEL装置在光学通信应用中相当普遍。这种VCSEL装置的激光腔包括分布式布拉格反射器的两个堆叠，它们在适合的基板上外延（epitaxially）生长且其封闭由若干量子阱组成的增益区。DBR层还接管将电流馈送到增益区内的任务。因此，DBR之一通常是n掺杂的且另一个为p掺杂的。一个DBR被设计成对于在激光腔中谐振的激光辐射而言是高度反射的，通常p-DBR具有>99.9%的反射率，而另一个对于激光辐射是部分透明的，允许有效地向外耦合并因此也允许反馈到激光腔内。

VCSEL的较大优势归因于其表面发射性质。这允许VCSEL大量的晶片级生产和测试，这使低成本生产过程成为可能。而且，VCSEL的输出功率可经由发射表面区域以特定程度进行缩放。通过形成VCSEL阵列而实现更大输出功率。

背景技术

为了利用VCSEL实现更高输出功率，必须提供大的有效面积。但这些大型VCSEL遭受处于更高阶空间模式的发射，此外遭受空间模式分配对于装置中馈电电流的强依赖性。

更高阶空间模式可为环形且因此在对称轴上并不具有任何强度。类似这样的性能对于这样的应用是十分关键的：即，其中激光二极管的光必须聚焦到特定小的焦点从而以受控方式递送热或光功率至物体上小的点。此外，激光模式对于电流的强依赖性仅允许特别选定的运行点来维持稳定发射模式且因此不是非常实用的。

克服这些困难的标准方法是减小向外耦合的DBR的反射率且添加外镜以形成激光腔。这种具有外镜的修改的VCSEL然后被称作竖直延伸的腔表面发射激光器(VECSEL)。其受益于高输出功率和明确限定的激光发射的模式分布。这种激光器可甚至实现单个横向模式的激光发射。中间DBR的反射率减小使得将不发生无外部反馈的激光发射。随着将中间DBR的反射率减小到在无外部光学反馈情况下激光器不会运行的值，系统的复杂性显著地增加，因为额外的外镜必须以很高精确度对准。该装置与外境的组合也必须小心地安装且在系统对准之后，其必须被固定以用于任何随后应用。由于这些原因，在晶片级上确定该系统的特征是不可能的。

因此使用VECSEL来代替VCSEL给生产过程添加了复杂性。外镜相对于半导体装置对准的很小公差需要单个VECSEL二极管的复杂的对准和生产过程，并因此在形成VECSEL二极管阵列时需要甚至更复杂且因此更昂贵的对准过程。因此，通过添加外腔而省略了VECSEL的独特性质的大部分，如晶片规模生产和测试。

US6,661,829B2描述了一种VCSEL，其包括反馈构件，该反馈构件将在外部发射自激光腔的光的一部分反射回到该腔内。反馈构件充当用于激光谐振器的凹面镜。通过适当地设计和布置该反馈构件，VCSEL主要以单个基本横向模式运行。反馈构件可为凸透镜结构的内透镜表面且附连到VCSEL装置上。以VCSEL结构的典型尺寸计算，反馈构件的反射表面的曲率半径R与反馈构件与增益介质之间的距离d的比值R/d在本文中在20与50之间的范围内。反馈构件将在外部发射自激光腔的激光辐射的一部分馈送回到谐振器内且因此影响激光发射性能，特别地影响原始模式。这种激光设计适合于允许主要处于基本横向模式的激光振荡。为了实现高功率运行，此文提出增加振荡孔径和反馈构件的有效直径和曲率半径中的至少一个。

发明内容

本发明的目的是提供一种高功率VCSEL装置，其以令人满意的模式分配和以甚至更高的功率水平的稳定性来发射激光辐射。

这个目的由权利要求1的VCSEL装置来实现。这个VCSEL装置的有利实施例是从属权利要求的主题或者在说明书的随后部分中描述。