專(zhuān)利名稱(chēng)：用于半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器系統(tǒng)中的具有集成微透鏡的vcsel及vcsel陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個(gè)垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，該激光器具有一個(gè)設(shè)備旁邊的熱沉及集成微透鏡。這樣一個(gè)VCSEL能被方便地用于多種通信系統(tǒng)中，包括一個(gè)半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器系統(tǒng)，并且尤其用于遠(yuǎn)程通信及數(shù)據(jù)通信應(yīng)用的一個(gè)光產(chǎn)生和發(fā)射系統(tǒng)，其中固體激光器被VCSEL泵浦。
背景技術(shù)：
小型、低成本及低噪聲的激光器是開(kāi)發(fā)高性能模擬光子系統(tǒng)的關(guān)鍵，比如光纖光學(xué)傳輸系統(tǒng)。然而，仍然沒(méi)有開(kāi)發(fā)出令人滿(mǎn)意的這種激光器。
例如，使用外部泵浦的固體激光器來(lái)產(chǎn)生用于光纖光學(xué)傳輸系統(tǒng)的激光束是眾所周知的。這種激光器系統(tǒng)可能包括鉺鐿摻雜的玻璃微片激光器，其特別適用產(chǎn)生具有用于光通信系統(tǒng)的合適波長(zhǎng)的光束(即，1530-1560nm)。然而，這種激光器系統(tǒng)典型地要求使用昂貴的或低效的泵浦機(jī)構(gòu)，如閃光燈。
已知二極管激光器是相對(duì)便宜和高效的泵浦機(jī)構(gòu)；然而，這種激光器典型的低功率及低光束質(zhì)量使得其不能在寬的應(yīng)用范圍內(nèi)使用。尤其已知低功率垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSELs)是便宜和易于制造的，其大約有2-5mW的功率輸出。此外，由于從VCSEL的圓形發(fā)射小平面發(fā)射的光和光纖光纜的近似形狀的核之間的易于匹配性，VCSELs特別適用于某些光纖光學(xué)應(yīng)用，例如多模光纖上的低功率傳輸。
然而，常規(guī)的VCSELs，如邊緣發(fā)射二極管激光器，由于功率太低而不能有效地作為用于摻雜的玻璃激光器如上面提到的鉺鐿激光器的泵浦機(jī)構(gòu)。此外，由于這種VCSEL的散熱性差，通過(guò)增加發(fā)射小平面的表面積不能有效地增加單個(gè)VCSEL的輸出功率。通過(guò)排列多個(gè)VCSELs到一個(gè)陣列并且在VCSELs的設(shè)備旁邊(與基底相對(duì)的一邊)包括一個(gè)熱沉，可以克服這一缺陷。然而，這種高功率VCSELs陣列僅僅在光學(xué)點(diǎn)火機(jī)構(gòu)的情況下予以考慮。最后，為了有效地利用VCSEL的輸出光束，包括VCSEL設(shè)備的常規(guī)的激光器系統(tǒng)典型地要求廣泛地使用外部的及離散的透鏡系統(tǒng)。包括及排列這種透鏡系統(tǒng)造成了系統(tǒng)尺寸及成本的增加。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)VCSEL，是一個(gè)底發(fā)射的VCSEL，其通過(guò)在該設(shè)備的旁邊，非基底的一邊，包括一個(gè)熱沉，來(lái)提高散熱性，以獲得高功率的輸出。將較多的這種VCSELs排列成一個(gè)陣列以進(jìn)一步增加總的功率輸出。另外，將折射微透鏡和VCSEL或VCSELs的基底集成在一起，用于減少輸出光束的發(fā)散，也有助于用于多種電信應(yīng)用中的聚焦和/或準(zhǔn)直該光束。這樣，降低了成本并減小了外部透鏡的占用空間。
這樣得到的VCSEL設(shè)備小型并廉價(jià)，并且仍舊可以產(chǎn)生能有效地耦合到外部光學(xué)元件的高功率、高質(zhì)量輸出光束。
根據(jù)本發(fā)明的VCSEL設(shè)備，尤其是根據(jù)本發(fā)明的VCSEL設(shè)備陣列，能被方便地作為用于摻雜的玻璃激光器如鉺鐿摻雜的玻璃激光器的泵浦機(jī)構(gòu)，以提供一個(gè)小型，低成本、低噪聲和高功率的激光器系統(tǒng)。
該鉺鐿玻璃激光器也能被用作可調(diào)諧激光器的增益介質(zhì)，并且根據(jù)本發(fā)明的該激光器系統(tǒng)，無(wú)論是單頻的或可調(diào)諧的，都能被用于多種電信應(yīng)用中。


圖1是一個(gè)單一VCSEL設(shè)備的剖視圖，該設(shè)備用于本發(fā)明并且具有一個(gè)集成折射微透鏡；圖2A是一個(gè)單一VCSEL設(shè)備的剖視圖，該設(shè)備用于本發(fā)明并且具有一個(gè)用于聚焦被該VCSEL設(shè)備發(fā)射的光束的集成折射微透鏡；圖2B是一個(gè)圖2A中顯示的VCSEL設(shè)備的底視圖；圖3是一個(gè)典型VCSEL陣列的剖視圖，該陣列能被用于本發(fā)明的設(shè)備中并且包含用于平行光束輸出的集成折射微透鏡；圖4是一個(gè)圖3中顯示的VCSEL設(shè)備陣列的剖視圖，并且包含用于會(huì)聚光束輸出的集成折射微透鏡；圖5是一個(gè)本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備拆去機(jī)箱蓋后的頂視圖；圖6是一個(gè)沿著圖5中的線6-6的剖視圖；圖7是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)可調(diào)諧激光器系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1說(shuō)明一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的VCSEL 100的示范實(shí)施例。VCSEL100包括一個(gè)合適的半導(dǎo)體材料的基底101，VCSEL 100的其它材料能夠在其上生長(zhǎng)，如GaAs、Si、InP等等?；?01有相對(duì)著的內(nèi)表面102和外表面103，其最好是N型傳導(dǎo)率。N歐姆接觸層104被沉積在表面103上，并且定義一個(gè)區(qū)域105，如下面所描述，通過(guò)該區(qū)域光被發(fā)射。區(qū)域105被一個(gè)抗反射介電層(圖中沒(méi)有顯示)所覆蓋。在基底101的內(nèi)表面102上是第一反射鏡堆106。反射鏡堆106是一個(gè)分布式布喇格反射器，由具有不同折射率的半導(dǎo)體材料的交替層107和108組成。例如，通過(guò)使用不同成分的材料，如AlGaAs，其中在層107的材料中鋁的數(shù)量不同于層108的材料中鋁的數(shù)量。眾所周知，層107和108的厚度及種組配決定VCSEL發(fā)射光的波長(zhǎng)。第一反射鏡堆106的層107和108的材料是例如N型傳導(dǎo)率的材料。
在第一反射鏡堆106上是絕緣體109，其伸展到激活層111、VCSEL的第二反射鏡堆113(下面詳細(xì)描述)、以及覆層110、第二覆層112及夾在中間的激活區(qū)域111的上面及周?chē)?。激活區(qū)域111是不摻雜的。激活區(qū)域111可以是著名的量子阱結(jié)構(gòu)，或多量子阱結(jié)構(gòu)。激活區(qū)域的厚度可以是例如半個(gè)發(fā)射波長(zhǎng)或一個(gè)發(fā)射波長(zhǎng)。
第二反射鏡堆113在激活層111的上面。第二反射鏡堆113也是一個(gè)分布式布喇格反射器，包括具有不同折射率的材料的交替層114和115。第二反射鏡堆113的層114和115可以是與第一反射鏡堆106的層107和108相同的材料。然而，第二反射鏡堆113的層114和115的傳導(dǎo)率與第一反射鏡堆106的層107和108的傳導(dǎo)率相反；例如，這里層114和115是P型傳導(dǎo)率。導(dǎo)電材料例如金屬的接觸層116覆蓋在第二反射鏡堆113上。
熱傳導(dǎo)材料如鉆石或金屬材料圓盤(pán)的熱沉體118通過(guò)合適的連接材料117如焊錫被安裝在接觸層116上。常規(guī)的VCSEL設(shè)備典型地包括熱沉；然而，這些熱沉被安裝在VCSEL的基底一邊。因?yàn)榛椎暮穸?典型地超過(guò)100微米)，VCSEL的熱量不能很好地散去。相反，本發(fā)明的熱沉體118更直接地從VCSEL的半導(dǎo)體材料散熱，因此能夠更有效地防止VCSEL過(guò)熱。這允許VCSEL在較高的功率下工作，范圍至少在50-100mW。
另外，基底101的外表面103可以形成一個(gè)曲面，例如通過(guò)化學(xué)蝕刻。曲面103形成一個(gè)微透鏡，用于VCSEL通過(guò)光發(fā)射窗105發(fā)射的光束。對(duì)于圖1所示的單一VCSEL設(shè)備，該微透鏡能夠減小從VCSEL發(fā)射的激光束的束發(fā)散角。如果沒(méi)有該微透鏡，VCSEL設(shè)備的束發(fā)散角大約為10-15度。然而，本發(fā)明的微透鏡大約減小束發(fā)散角到0-1度，因此允許更小的光斑尺寸，更容易耦合到傳輸用的光纖光纜，等等。對(duì)于某種應(yīng)用，如用于多模光纖傳輸?shù)鸟詈?，以上描述的包括一個(gè)微透鏡的裝置能夠滿(mǎn)足要求，而不需要外部的透鏡。
或者，如圖2A和2B所示(其中相同的參考數(shù)字指圖1所示的相同的部分；并且注意連接材料117和熱沉118在圖2-4中沒(méi)有表示)，基底101的外表面能夠被蝕刻形成同心圓的階梯表面201，因此形成一個(gè)衍射微透鏡。這一微透鏡允許直接聚焦VCSEL的輸出光束。
圖3所示，使用圖1中描述的VCSEL可以形成VCSEL陣列300(其中相同的參考數(shù)字指圖1所示的相同的部分)。這樣，VCSEL設(shè)備301、302和303能被形成為一個(gè)VCSEL陣列，其中每個(gè)設(shè)備分別輸出光束304、305和306，因此累積地得到一個(gè)VCSEL陣列輸出光束。通過(guò)P型層的蝕刻，介電鈍化，最后沉積用于電接觸的互連金屬層，而形成單個(gè)元件。這樣形成一個(gè)光發(fā)射元件陣列，其在平行基底上的N型歐姆接觸層104和第二反射鏡堆116上的P型歐姆接觸層的方向上被電偏置。如圖1所示，熱沉體能被安裝和固定在接觸層116上。
基底101的外表面103形成多個(gè)單微透鏡307、308、309以形成一個(gè)微透鏡陣列。一個(gè)介電抗反射覆蓋層(圖中沒(méi)有顯示)被沉積到用于有效光發(fā)射的微透鏡上。從陣列300的每個(gè)VCSEL設(shè)備發(fā)射的光將通過(guò)對(duì)應(yīng)的分離微透鏡307、308、309之一。
從底部看時(shí)，以上描述的該陣列能以各種形狀和尺寸排列；例如，圓形、矩形或六邊形。以上描述的VCSEL設(shè)備的尺寸可以是例如150-200微米，并且該陣列的尺寸可以是100或更大。6×6的陣列尺寸可以容易地提供大約總共1W的功率輸出。
如圖3所示，可以排列折射微透鏡陣列以提供平行光束輸出，形成一個(gè)組合光束。這樣，由于束發(fā)散角小于1度，使用一個(gè)分離透鏡可以容易地獲得平行光束(即組合光束)的聚焦，例如，對(duì)于特別高功率的應(yīng)用該陣列尺寸相對(duì)較大，并且可能需要另外的用于耦合到一個(gè)具有相對(duì)較小的數(shù)值孔徑的光纖光纜的聚焦。對(duì)于較小功率和較小陣列尺寸，可能不需要另外的聚焦，并且光束可以被直接耦合到例如一個(gè)大孔徑多模光纖光纜。
如圖4所示，具有VCSEL設(shè)備401、402、403的折射微透鏡陣列400被設(shè)計(jì)成通過(guò)微透鏡407、408、409產(chǎn)生會(huì)聚光束404、405、406的一個(gè)輸出。這種裝置有效地減小了VCSEL陣列作為一個(gè)整體輸出的光束的束發(fā)散角，并且，因此可以通過(guò)外部透鏡允許更容易及更有效地聚焦。特別是，外部透鏡可以向著陣列中心的方向，從VCSEL陣列內(nèi)的相應(yīng)的VCSEL的輸出光軸偏移，因此(逐漸地)作為一個(gè)整體更有效地聚焦該陣列的輸出光束。這種裝置對(duì)于遠(yuǎn)程通信應(yīng)用中的耦合VCSEL的輸出光束到一根單模光纖非常有用。注意在圖3和圖4中，VCSEL設(shè)備301-303及401-403間的垂線僅僅想說(shuō)明VCSEL設(shè)備間概念上的分離點(diǎn)，而不想暗示本發(fā)明的任何文字的或物理的特性。
根據(jù)利用以上描述的VCSEL和/或VCSEL陣列的本發(fā)明的一個(gè)激光器系統(tǒng)的構(gòu)成，其在圖5和圖6中通常被標(biāo)明為500。激光器系統(tǒng)500包括一個(gè)由良好的熱傳導(dǎo)材料如銅或科伐合金構(gòu)成的近似于矩形的機(jī)箱501。機(jī)箱501包括一個(gè)平的機(jī)座502，及從機(jī)座502的邊延伸出來(lái)的一對(duì)側(cè)板503。機(jī)箱501在機(jī)座502的兩端有后端板504和前端板505。蓋506從側(cè)板503、端板504和505延伸出來(lái)并固定在它們之上。在機(jī)箱501內(nèi)，安裝在后端板504內(nèi)表面上的是VCSEL 507(其可能包括例如圖1-4中所示的結(jié)構(gòu))。注意連接到如上所述的VCSEL(陣列)507的熱沉體118的尺寸(雖然在圖5中沒(méi)有顯示)應(yīng)當(dāng)與機(jī)箱501外板的內(nèi)部尺寸完全相同，使得熱沉體118與機(jī)箱501內(nèi)部緊配合。
在機(jī)箱501內(nèi)部及VCSEL 507前是一個(gè)固體微片激光器部件508。該固體微片激光器部件508包括一個(gè)由良好的熱傳導(dǎo)材料構(gòu)成的安裝塊509，其安裝在機(jī)箱501內(nèi)。在安裝塊509的前表面有一個(gè)凹處509a，以及一個(gè)開(kāi)口509b，該開(kāi)口從凹處509a的底部延伸到安裝塊509的背面。微片激光器510位于安裝塊509的凹處509a內(nèi)。微片激光器510可以由例如鉺鐿摻雜的玻璃構(gòu)成，安裝在由良好的光學(xué)透明及熱傳導(dǎo)材料構(gòu)成的安裝板511上。安裝塊509也可以由良好的熱傳導(dǎo)材料如銅或科伐合金構(gòu)成，并且具有一個(gè)開(kāi)口，光能通過(guò)該開(kāi)口從微片激光器510射出。安裝板511從安裝塊509的前部延伸出來(lái)并固定在該處。光學(xué)濾波器512安裝在該安裝板511的前部。透鏡513安裝在安裝塊509的開(kāi)口509b內(nèi)。
在光學(xué)設(shè)備500的操作中，在激活層111內(nèi)，電流加到VCSEL(陣列)上產(chǎn)生光。光在第一反射鏡堆106和第二反射鏡堆113間的激活層111內(nèi)來(lái)回地反射。然而，第一反射鏡堆106將部分地允許光通過(guò)，使得產(chǎn)生的光通過(guò)基底101從VCSEL向回發(fā)射。發(fā)射的光束經(jīng)過(guò)透鏡513直接射向摻雜的玻璃激光器圓盤(pán)510。這樣VCSEL發(fā)射的光束被聚焦到玻璃激光器圓盤(pán)510，因此泵浦該玻璃激光器圓盤(pán)510并且使得它產(chǎn)生并發(fā)射一束光。
在機(jī)箱501內(nèi)部及固體微片激光器部件508前是一個(gè)光學(xué)部件514。光學(xué)部件514包括一個(gè)管狀支架515，其中在靠近部件508的一端有一個(gè)光頻隔離器516。在靠近管狀支架515的另一端，安裝了一個(gè)光學(xué)準(zhǔn)直透鏡517。在該支架515的內(nèi)壁上，在光頻隔離器516和準(zhǔn)直透鏡517之間是一個(gè)光電二極管518。在該支架515的靠近準(zhǔn)直透鏡517的一端有一個(gè)插頭519。穿過(guò)該插頭延伸并且安裝在其中的是一根單模光纖520。該光纖520的內(nèi)端521與準(zhǔn)直透鏡517對(duì)準(zhǔn)，使得它接收從準(zhǔn)直透鏡517來(lái)的光并且作為設(shè)備500的輸出。光纖520延伸并且固定在機(jī)箱501的前端板505上的一個(gè)開(kāi)口中。
固體激光器圓盤(pán)510產(chǎn)生的輸出光束與VCSEL 507發(fā)射的光存在一個(gè)波長(zhǎng)差，該輸出光束直接照射到濾波器512。雖然大部分來(lái)自VCSEL 507的光泵浦了該激光器玻璃圓盤(pán)510，但是還有一些來(lái)自VCSEL 507的光穿過(guò)了該玻璃圓盤(pán)510并且直接射向了濾波器512。濾波器512被設(shè)計(jì)成允許固體激光器510發(fā)射的光束通過(guò)，但阻擋任何來(lái)自VCSEL 507的光。這樣，僅僅來(lái)自固體激光器510的光束通過(guò)濾波器512。
然后來(lái)自固體激光器510的光束進(jìn)入光頻隔離器516。光頻隔離器516可以是任何眾所周知的結(jié)構(gòu)，其允許來(lái)自固體激光器510的光束通過(guò)，但防止可能被在光學(xué)設(shè)備500中的其它元件反射回的光的任何反饋。通過(guò)光頻隔離器516的光然后進(jìn)入準(zhǔn)直透鏡517。準(zhǔn)直透鏡517直接將光束射到光纖520的內(nèi)端521。光通過(guò)光纖520傳輸?shù)焦鈱W(xué)設(shè)備500的外面，來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目的，如用于數(shù)據(jù)通信或遠(yuǎn)程通信。安裝在支架515內(nèi)的光電二極管518監(jiān)控從固體微片激光器510發(fā)射的輸出光束。
重要的是，當(dāng)與類(lèi)似的常規(guī)激光器系統(tǒng)比較時(shí)，以上描述的VCSEL當(dāng)與剛剛描述的激光器系統(tǒng)聯(lián)合使用時(shí)，允許作為一個(gè)整體的激光器系統(tǒng)的尺寸和成本的大幅減小。特別是，VCSEL陣列的輸出光束的增大的功率(由于熱沉118)允許VCSEL設(shè)備作為激光器的泵浦使用。正如以上提到的，VCSEL設(shè)備明顯地比常規(guī)泵浦機(jī)構(gòu)廉價(jià)、小型并且易于制造。此外，集成微透鏡的使用在減小激光器系統(tǒng)的尺寸和成本方面也起到了作用。實(shí)際上，如果不包括以上討論的集成微透鏡，在實(shí)現(xiàn)與圖5及圖6所示的設(shè)備類(lèi)似的設(shè)備時(shí)，VCSEL陣列的物理尺寸將表現(xiàn)出極大的困難。也就是，如果具有極短焦距的外部透鏡(或透鏡系統(tǒng))被用作透鏡513時(shí)，很難準(zhǔn)直被聚焦的光。如果使用長(zhǎng)焦距的透鏡，準(zhǔn)直的難度將降低；然而，由于發(fā)射光束的發(fā)散，在玻璃激光器圓盤(pán)510上獲得極小的光斑尺寸就變得很難。這樣，雖然使用不包括集成微透鏡的VCSEL陣列，在一個(gè)與圖5及圖6所說(shuō)明的類(lèi)似配置中，可能有理論上的可能性，但是就尺寸和難度而言這一實(shí)現(xiàn)方法將是非常不切實(shí)際的。
通過(guò)使用具有上述集成微透鏡的VCSEL陣列這些實(shí)際的障礙是容易克服的。也就是使用該公開(kāi)的陣列，可以減小或消除在泵浦玻璃激光器圓盤(pán)510中對(duì)排列及使用外部透鏡的需要，并且因此顯著地改善作為一個(gè)整體的該設(shè)備的成本、尺寸及質(zhì)量。特別是，上面提到的裝置，其中折射微透鏡陣列用作會(huì)聚VCSEL陣列的輸出光束，并且透鏡系統(tǒng)513中的每個(gè)透鏡從相應(yīng)的單個(gè)VCSEL設(shè)備的輸出光軸偏移，這些是有效泵浦玻璃激光器圓盤(pán)510的特別要求。
最后，參考圖7，顯示了本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備的另一實(shí)施例，其被標(biāo)明為700，并被設(shè)計(jì)成提供可調(diào)諧的輸出光束。光學(xué)設(shè)備700與圖5和圖6所示的光學(xué)設(shè)備500類(lèi)似，包括一個(gè)與VCSEL 100或VCSEL陣列300/400相同的VCSEL 701。設(shè)備700也包括一個(gè)聚焦透鏡702，用于聚焦來(lái)自VCSEL 701的光到固體激光器圓盤(pán)703。固體激光器圓盤(pán)703與固體激光器圓盤(pán)510類(lèi)似，但是在它的兩個(gè)表面有不同的光學(xué)覆蓋特性，并且被連接到一個(gè)散熱良好的被安裝在熱導(dǎo)子支架705上的基底704上。安裝在安裝塊706內(nèi)的是一個(gè)電或壓電驅(qū)動(dòng)的薄標(biāo)準(zhǔn)具707或一個(gè)電驅(qū)動(dòng)的光學(xué)可調(diào)諧的濾波器。激光輸出耦合器708也被安裝在安裝塊706上。這樣，寬波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器由激光器玻璃增益介質(zhì)圓盤(pán)703如在兩個(gè)表面有合適的光學(xué)覆蓋的鉺鐿摻雜的玻璃，波長(zhǎng)選擇設(shè)備707如薄標(biāo)準(zhǔn)具或可調(diào)諧的濾波器，以及光學(xué)耦合器708組成。該壓電驅(qū)動(dòng)的薄標(biāo)準(zhǔn)具707或電驅(qū)動(dòng)的可調(diào)諧的濾波器適合提供該激光器在例如1530-1575nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的寬波長(zhǎng)調(diào)諧。與圖5中所示的相同，來(lái)自激光器的光直接射入一根光纖，這里的圖中沒(méi)有顯示。與圖5中所示的相同，光學(xué)設(shè)備700也被安裝在一個(gè)機(jī)箱中，這里的圖中沒(méi)有顯示。
這樣，本發(fā)明提供了一個(gè)光學(xué)設(shè)備，用于產(chǎn)生一束通過(guò)一根光纖的用于遠(yuǎn)程通信或數(shù)據(jù)通信目的的光，在該光學(xué)設(shè)備中VCSEL或VCSEL陣列被用來(lái)泵浦一個(gè)固體激光器。該固體激光器產(chǎn)生并且發(fā)射一束直接射入光纖的光。VCSEL或VCSEL陣列包括安裝在一個(gè)基底上的半導(dǎo)體材料的主體，產(chǎn)生在半導(dǎo)體主體中的光通過(guò)基底被發(fā)射出來(lái)。該基底具有沿著一個(gè)表面形成的透鏡或透鏡陣列，以聚焦/準(zhǔn)直VCSEL發(fā)射的光。一個(gè)最好由鉆石或其它良好的熱導(dǎo)材料構(gòu)成的熱沉，被安裝在遠(yuǎn)離基底的半導(dǎo)體主體的一邊，以從半導(dǎo)體主體傳導(dǎo)出熱量。該熱沉被安裝在靠近產(chǎn)生光的半導(dǎo)體主體的部分，以便提供改善的半導(dǎo)體主體的冷卻。這允許VCSEL工作在較高的偏壓，以從該VCSEL獲得較大的功率。
雖然本發(fā)明已經(jīng)在上面相關(guān)聯(lián)的實(shí)施例中被描述，但是應(yīng)該注意這些被設(shè)計(jì)的實(shí)施例僅僅為了說(shuō)明而不是限制本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種在垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)設(shè)備內(nèi)的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括一個(gè)基底，具有一個(gè)形成在其中的微透鏡；一個(gè)第一鏡區(qū)，形成在所述的基底上；一個(gè)激活層，形成在所述的第一鏡區(qū)；一個(gè)第二鏡區(qū)，形成在所述的激活層；以及一個(gè)熱沉，形成在所述的第二鏡區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括一個(gè)接觸層，在第二鏡區(qū)上，一個(gè)層，在面對(duì)第二鏡區(qū)的熱沉的一個(gè)表面上；以及一種連接材料，它將金屬層和接觸層連接起來(lái)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中所述熱沉包括鉆石。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中微透鏡是一個(gè)折射或衍射微透鏡，可以減小輸出激光束的發(fā)散。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的結(jié)構(gòu)，其中微透鏡是一個(gè)折射或衍射微透鏡，可以聚焦輸出激光束。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的結(jié)構(gòu)，其中微透鏡是一個(gè)衍射微透鏡，其包括形成在基底上的多個(gè)同心階梯結(jié)構(gòu)。
7.在一個(gè)具有多個(gè)排列在一個(gè)基底上的VCSEL設(shè)備的VCSEL設(shè)備陣列中，每個(gè)VCSEL設(shè)備輸出一個(gè)單獨(dú)的輸出激光束，使得該VCSEL設(shè)備陣列輸出一個(gè)組合了各個(gè)單獨(dú)的輸出激光束的組合的輸出激光束，在多個(gè)VCSEL設(shè)備的子集的每個(gè)元件內(nèi)，一種結(jié)構(gòu)包括一個(gè)微透鏡，形成在所述基底內(nèi)；一個(gè)第一鏡區(qū)，形成在所述的基底上；一個(gè)激活層，形成在所述的第一鏡區(qū)；一個(gè)第二鏡區(qū)，形成在所述的激活層；以及一個(gè)熱沉，形成在所述的第二鏡區(qū)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的在VCSEL設(shè)備陣列中的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括一個(gè)接觸層，在第二鏡區(qū)上，一個(gè)金屬層，在面對(duì)第二鏡區(qū)的熱沉的一個(gè)表面上；以及一種連接材料，它將金屬層和接觸層連接起來(lái)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的在VCSEL設(shè)備陣列中的結(jié)構(gòu)，其中所述熱沉包括鉆石。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的在VCSEL設(shè)備陣列中的結(jié)構(gòu)，其中微透鏡是一個(gè)折射或衍射微透鏡，可以減小單獨(dú)的輸出激光束的發(fā)散，因此減小組合的輸出激光束的發(fā)散。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的在VCSEL設(shè)備陣列中的結(jié)構(gòu)，其中微透鏡陣列會(huì)聚VCSEL設(shè)備的單獨(dú)的輸出光束，因此聚焦VCSEL設(shè)備陣列的組合的輸出激光束。
12.根據(jù)權(quán)利要求7的VCSEL設(shè)備陣列，其中微透鏡陣列減小VCSEL設(shè)備陣列的組合的輸出光束的發(fā)散角到小于1度，因此準(zhǔn)直VCSEL陣列的組合的輸出光束。
13.一種激光器系統(tǒng)，包括至少一個(gè)激光二極管，包含一個(gè)形成在其中并且與至少一個(gè)激光二極管集成的透鏡系統(tǒng)；以及一個(gè)摻雜的玻璃激光器微片，與所述的至少一個(gè)激光二極管光學(xué)耦合以接收從其中輸出的光。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的激光器系統(tǒng)，其中所述摻雜的玻璃激光器微片是鉺鐿摻雜的玻璃激光器微片。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的激光器系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)選擇裝置，用于選擇所述輸出激光束的一個(gè)所需的波長(zhǎng)；以及一個(gè)光學(xué)耦合器，部分地反射及透射所述輸出激光束。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的激光器系統(tǒng)，其中所述選擇裝置包括一個(gè)電或壓電驅(qū)動(dòng)的薄標(biāo)準(zhǔn)具。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的激光器系統(tǒng)，其中所述選擇裝置包括一個(gè)電驅(qū)動(dòng)的光學(xué)可調(diào)諧的濾波器。
18.根據(jù)權(quán)利要求13的激光器系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)激光二極管包括一個(gè)VCSEL設(shè)備。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的激光器系統(tǒng)，其中所述VCSEL設(shè)備包括一個(gè)基底，具有一個(gè)形成在其中的微透鏡；一個(gè)第一鏡區(qū)，形成在所述的基底上；一個(gè)激活層，形成在所述的第一鏡區(qū)；一個(gè)第二鏡區(qū)，形成在所述的激活層；以及一個(gè)熱沉，形成在所述的第二鏡區(qū)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的激光器系統(tǒng)，其中所述VCSEL設(shè)備進(jìn)一步包括一個(gè)接觸層，在第二鏡區(qū)上，一個(gè)金屬層，在面對(duì)第二鏡區(qū)的熱沉的一個(gè)表面上；以及一種連接材料，它將金屬層和接觸層連接起來(lái)。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的激光器系統(tǒng)，其中所述熱沉包括鉆石。
22.根據(jù)權(quán)利要求19的激光器系統(tǒng)，其中微透鏡是一個(gè)折射或衍射微透鏡，可以減小二極管激光束的發(fā)散。
23.根據(jù)權(quán)利要求19的激光器系統(tǒng)，其中微透鏡是一個(gè)折射或衍射微透鏡，可以聚焦二極管激光束。
24.根據(jù)權(quán)利要求13的激光器系統(tǒng)，其中至少一個(gè)二極管由一個(gè)包括在基底上對(duì)稱(chēng)排列的多個(gè)VCSEL設(shè)備的VCSEL設(shè)備陣列組成，每個(gè)VCSEL設(shè)備輸出一個(gè)單獨(dú)的輸出激光束，使得VCSEL設(shè)備陣列輸出由單獨(dú)的輸出激光束組合的二極管激光束，并且其中每個(gè)所述VCSEL設(shè)備進(jìn)一步包括一個(gè)基底，具有一個(gè)形成在其中的微透鏡；一個(gè)第一鏡區(qū)，形成在所述的基底上；一個(gè)激活層，形成在所述的第一鏡區(qū)；一個(gè)第二鏡區(qū)，形成在所述的激活層；以及一個(gè)熱沉，形成在所述的第二鏡區(qū)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的激光器系統(tǒng)，其中每個(gè)微透鏡是一個(gè)在單獨(dú)的輸出激光束的主光軸上排列的折射微透鏡，并且其中每個(gè)微透鏡進(jìn)一步減小每個(gè)單獨(dú)的輸出激光束的發(fā)散，因此減小該二極管激光束的發(fā)散。
26.根據(jù)權(quán)利要求24的激光器系統(tǒng)，其中每個(gè)微透鏡是一個(gè)在單獨(dú)的輸出激光束的主光軸上排列的折射微透鏡，并且其中每個(gè)微透鏡進(jìn)一步會(huì)聚該單獨(dú)的輸出光束到一個(gè)中心點(diǎn)，因此聚焦該二極管激光束。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的激光器系統(tǒng)，其中所述透鏡系統(tǒng)包括外部透鏡，該外部透鏡向著VCSEL設(shè)備陣列中心的方向從該單獨(dú)的輸出激光束的主光軸偏移，因此逐漸地聚焦該二極管激光束。
28.根據(jù)權(quán)利要求24的激光器系統(tǒng)，每個(gè)微透鏡是一個(gè)在單獨(dú)的輸出激光束的主光軸上排列的折射微透鏡，并且其中該微透鏡進(jìn)一步減小VCSEL設(shè)備陣列的組合的輸出光束的發(fā)散角到小于1度，并且因此準(zhǔn)直該二極管激光束。
29.一種產(chǎn)生及發(fā)射激光束的方法，包括在激光二極管中產(chǎn)生二極管激光束；通過(guò)一個(gè)微透鏡從激光二極管發(fā)射二極管激光束，該微透鏡被集成在激光二極管的基底內(nèi)；聚焦二極管激光束到帶有一個(gè)由微透鏡組成的透鏡系統(tǒng)的摻雜的玻璃激光器微片；用所述二極管激光束泵浦所述摻雜的玻璃激光器微片；在所述摻雜的玻璃微片激光器內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)輸出激光束；以及發(fā)射所述輸出激光束。
全文摘要
一種垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)設(shè)備，具有改進(jìn)的功率及光束性能。VCSEL設(shè)備包括一個(gè)VCSEL或一個(gè)VCSELs陣列。每個(gè)VCSEL具有一個(gè)相應(yīng)的集成微透鏡，及一個(gè)在VCSEL設(shè)備旁邊的熱沉。該熱沉可以改善散熱性，并且因此能提供VCSEL設(shè)備輸出激光束的改進(jìn)的功率性能。該微透鏡或微透鏡陣列允許VCSEL設(shè)備輸出激光束的更容易和更小型的聚焦。該VCSEL設(shè)備能被用于多種光學(xué)系統(tǒng)中，并且它的改進(jìn)的功率及聚焦性能可以提供一個(gè)小型、低功率、低成本的激光器系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01S3/06GK1448000SQ01814221
公開(kāi)日2003年10月8日 申請(qǐng)日期2001年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月12日
發(fā)明者張開(kāi)顏, 張家民, 楚尼·L·戈什 申請(qǐng)人:普林斯頓光電子學(xué)公司