[发明专利]垂直腔表面发射激光器以及包括其的光学装置

说明书

本发明涉及垂直腔表面发射激光器以及包括其的光学装置。一种垂直腔表面发射激光器包括：配置为产生光的增益层；在增益层下面的分布式布拉格反射器；以及在增益层之上并包括具有亚波长尺寸的多个纳米结构的超结构反射器。

技术领域

与示例性实施方式一致的装置和方法涉及包括超结构(meta structure)的垂直腔表面发射激光器。

背景技术

与边缘发射激光器(EEL)不同，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)由于短的光学增益长度而具有低功耗。此外，因为VCSEL由于垂直发射而被制造成2D阵列，所以它们有助于高密度集成和批量生产。尽管常规的EEL相对于光输出是不对称的，但是VCSEL能以圆形对称的输出模式操作，这使VCSEL连接到光纤时有效的低噪声和稳定的高速调制成为可能。

VCSEL包括具有约98％或更大的高反射率的分布式布拉格反射器(DBR)，因而它能用作激光谐振器。由于DBR由多对具有不同折射率的两种材料组成，因此需要数十层的叠层从而实现高反射率。此外，DBR由于在两种材料之间的界面处发生的声子散射而具有低热导率(或高热阻)。因此，当电流被施加到包括DBR的VCSEL用于振荡时，内部产生的自热(self-heating)不被有效地消散，因而VCSEL的振荡效率会减弱。

发明内容

示例性实施方式解决了至少以上问题和/或缺点以及以上未描述的其它缺点。此外，示例性实施方式不需要克服上述缺点，并且可以不克服上述任何问题。

一个或更多个示例性实施方式提供了有效地消散内部产生的热的垂直腔表面发射激光器。

此外，一个或更多个示例性实施方式提供了使用垂直腔表面发射激光器作为光源的光学装置。

根据一示例性实施方式的一方面，提供一种垂直腔表面发射激光器，其包括：增益层(gain layer)，其被配置为产生光；分布式布拉格反射器，其设置在增益层下面；以及超结构反射器，其设置在增益层之上并包括具有亚波长尺寸的多个纳米结构。

超结构反射器还可以包括第一支撑层，并且所述多个纳米结构设置在第一支撑层上。

第一支撑层的厚度可以是垂直腔表面发射激光器的振荡波长的1/5或更大。

第一支撑层可以具有比所述多个纳米结构的每个的折射率更小的折射率。

垂直腔表面发射激光器还可以包括：第二支撑层，其设置在第一支撑层上并具有与所述多个纳米结构的形状对应的多个通孔，其中所述多个纳米结构分别布置在所述多个通孔中。

第二支撑层的折射率可以小于所述多个纳米结构的每个的折射率。

所述多个纳米结构的厚度、宽度和布置间隔中的至少一个可以小于垂直腔表面发射激光器的振荡波长的一半。

所述多个纳米结构可以具有允许超结构反射器作为凹面镜操作的尺寸分布。

所述多个纳米结构可以具有允许超结构反射器作为凸面镜操作的尺寸分布。

所述多个纳米结构可以具有允许超结构反射器作为光束偏转器(deflector)操作的尺寸分布。

所述多个纳米结构可以具有允许超结构反射器作为偏振分束器操作的形状分布。

所述多个纳米结构可以具有不对称的形状。

所述多个纳米结构可以具有允许第一方向上的宽度与垂直于第一方向的第二方向上的宽度的比率根据所述多个纳米结构的位置而改变的形状和布置。

分布式布拉格反射器的反射率可以大于超结构反射器的反射率。

增益层可以包括：有源层；以及分别设置在有源层之上和下面的上覆层和下覆层。