专利名称：具有透镜的表面发射和接收光子器件的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及改进的表面发射和接收光子器件以及用于制造它们的方法， 尤其涉及为提高效率结合了透镜的表面发射光子器件。
背景技术：
半导体激光器通常是经由通过有机金属化学汽相淀积(MOCVD)或分子束外 延(MBE)在基片上生长适当分层的半导体材料以形成与基片表面平行的活性层 来制造的。该材料然后用各种半导体处理工具来处理，以产生结合了活性层的激光 光腔，且将金属触点附加到半导体材料。最后，通常通过在激光腔的各末端劈裂半 导体材料以形成激光镜面，以确定激光光腔的边界或末端，以致当对触点施加偏置电压时，所产生的流过活性层的电流使得在垂直于电流的方向上从活性层的边界小 平面中发射出光子。现有技术也公开了用于通过蚀刻形成半导体激光器的镜面的方法，从而允许 激光器能在同一基片上与其它光子器件单片集成。通过以大于光在光腔内传播的临 界角的角度创建这些镜面以使在光腔内形成全內反射面也是已知的。现有技术也描述了使用蚀刻方法在直线激光腔的每一端形成两个全内反射 面，其中每一面以与活性层平面成45'角安置。在这些器件中，光腔中的光可在光 腔的一端垂直向上地导向，导致一个面上的表面发射，而光腔的另一端处的面可成 相反的角度，以将光垂直向下地向着激光器结构下方的诸如高反射率堆导向。4现有技术也描述了将蚀刻的45。面与劈裂面组合的器件。所得的器件不能在整 片中测试，且由此遭受与劈裂面器件相同的缺点。此外，鉴于劈裂的需求，它们与 单片集成不兼容。然而，IEEE Photonics Technology Letters (IEEE光子技术通讯) 第7巻第836-838页中Chao等人试图通过提供中断的波导结构来克服这些缺点， 但是所得的器件在激光腔的每一端都遭受散射。现有技术也描述了对校准InP透镜 的使用；然而，这些是在基片被削薄到50pm且在基片侧面形成了透镜之后以低于 45'面来蚀刻的。
垂直腔表面发射激光器(VCSEL)在过去几年中变得普及；然而，VCSEL不 允许多个器件平面内的单片集成，而仅允许光以垂直入射角离开其表面镜。这些现 有的表面发射器件的一个共同方面是光子总是在垂直于活性层平面的方向上从光 腔中发射。
发明内容
依照本发明，提供了一种改进的表面发射半导体激光器，其中光在垂直于激 光器活性层平面的方向上在光腔的发射器端发射，且其中，光在光腔相对一端的活 性层平面内的反射区发射。这一排列便于监视激光器的操作，而不会不利地影响光 输出。依照本发明的一种形式，在发射器端上提供了反射改变层或堆，而在本发明 的另一种形式中，在激光腔内提供了滤光元件，允许基本上以单纵模的激光操作。 此外，依照本发明，在与激光器相同的基片上提供了表面和平面内检测器，且安置 了多个激光腔以使多个波长能在共同的位置处发射。
本发明的一个实施例针对一种改进的表面发射激光器，其中，用连续的多层 在基片上制造拉长的腔形式的半导体激光器，包括平行于基片表面的活性层、上和 下涂层、以及上接触层，它在第一发射器端具有一个成角的面，而在第二反射端具 有一个包括垂直面的反射区。该激光器可以采用在发射器端向外逐渐变细的脊形波 导的形式，而在本发明的一种形式中，发射器的第二端的反射区还可包括与该面相 邻的分布式布拉格反射器(DBR)。该激光器件也可包括与DBR相邻的监视光电 检测器，它响应于从反射区中的面发射的少量的光来监视激光的强度。MPD的背 面较佳地被设计成具有近布儒斯特角，使得它基本上对在光腔和MPD器件中传播 的光是不反射的。MPD可作为DBR的一个整体部分形成，以对第二端处的激光反 射率作出贡献，或者可作为单独的元件形成。DBR可用反射率改变层或堆来替换。
上接触层可以是低带隙半导体材料，以允许形成欧姆触点，它较佳地在成角面区中结合了孔，以从表面上移去吸光层，并提高器件的效率。
在本发明的另一实施例中，发射器端的光腔的顶表面部分可以涂有电介质层 或堆，以改变激光器输出处的反射率，其中该顶表面部分在成角面上延伸，并包括 上述孔，其中该表面平行于活性层。
该激光器件还可在反射区结合多个滤光器以产生又一实施例，其中该器件基 本上可用单纵模来工作。这些滤光器可经由通过半导体层蚀刻以在激光器的端面和 第一实施例中提供的分布式布拉格反射器之间形成一串联的彼此隔开的滤光元件 来形成。或者，纵模可以由反射区中的激光器的端点面上的反射改变层或堆来产生。 依照本发明的另一实施例， 一种光学检测器安置在激光器旁的基片上，并与 激光器形成整体，因为它使用了基片上对激光器使用的相同的外延型结构。在这一 情况下，在蚀刻激光腔期间蚀刻外延层，以制造占据与激光器相邻的基片表面的检 测器区域。在检测器区域上沉积合适的电极，使得在其上撞击的光可被检测到。这 允许在单个基片上并排地一起整体形成光发射器和光检测器。
在本发明的又一实施例中，光检测器是具有45'的成角面的整体平面内检测 器，它位于激光器旁边，且与激光器使用的相同的外延型结构来制造的。该检测器 被拉长，且一般平行于激光轴以节省基片上的空间。要检测的光撞击在成角面上的 检测器表面上，且通过成角面的全内反射被导向到检测器的活性区。可通过控制其 长度和宽度而使这一表面接收检测器变得极其快速。平行于活性层的超过45°成角 面的表面可涂有电介质层或堆，以使它抗反射，从而能使检测器更好地工作。
为提供可选择波长的输出，依照本发明的另一实施例，可安置多个表面发射 激光腔，使得其发射端彼此相邻地聚集，且这些腔向外延伸；例如，作为围绕中心 轴的辐条。每一激光器件中的外延型结构可以略微不同，以使从每一个中发射出不 同的波长。然后发射端的邻近性允许来自所有激光器的输出可被容易地结合进入一 个接收介质，诸如光纤，且通过选择性地激活激光，可将选择的一个或多个波长传 送到光纤中。
在又一实施例中，依照本发明的激光器可以以任意期望的角度安置在基片上， 以将其组装密度最大化，因为使用了化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)来形成该器件， 且该过程进行均匀的蚀刻，而不取决于半导体材料的晶面。由此，例如，它们可对 角地放置在矩形基片上。常规的劈裂不准许这一取向。
在本发明的再一实施例中，并非以垂直面形成激光器的反射端，而是期望以 一个角度蚀刻它，以在两端都产生垂直发射或接收。这一第二成角平面上的表面也可在接触层中具有孔以防止吸收，且可结合反射改变层或堆。
对上述各实施例的一个共同的问题是在成角平面处产生的激光中的传播光是 发散的。在激光腔中生成的光沿腔轴向行进，且被成角面向上反射，以产生垂直于 腔轴的射束。所反射的光经历全内反射面处的衍射，且在通过激光器的上涂层向上 行进时发生分散。光撞击激光器的部分反射顶表面，某些光被发射，剩余的光朝着 成角平面向回反射。返回的光进一步分散，使得仅该光的一部分以导模被耦合回激 光的光腔或波导。这降低了激光器的效率。
在本发明的一种较佳形式中，该表面发射或接收光子器件结合了透镜，透镜 形成或沉积在成角平面上的表面上，以克服前述腔中的光发散效应。该透镜可以是 电介质材料，例如沉积在孔上且形成以补偿这一发散。
在本发明的各实施例中，表面发射或接收光子器件的成角面是角度大约为45° 的全內反射面，以产生垂直发射束或接收基本垂直撞击在器件顶表面上的光。
当结合附图阅读以下较佳实施例的详细描述时，本领域的技术人员可以清楚 本发明的前述和其它目的、特征和优点，附图中
图1是依照本发明的表面发射激光器的第一实施例的俯视立体图； 图2是图1的激光器的侧视图； 图3是图1的激光器的俯视图4是依照本发明的表面发射激光器的第二实施例的侧视图5是依照本发明的表面发射激光器的第三实施例的侧视图6是依照本发明的表面发射激光器的第四实施例的侧视图7是依照本发明的表面发射激光器的第五实施例的俯视立体图8是结合了表面发射激光器和区域检测器的本发明的第六实施例的俯视图9是图8的激光器和区域检测器的局部剖视侧视图10是结合了表面发射激光器和平面内检测器的本发明的第七实施例的顶视
图11是图10的激光器和平面内检测器的局部剖视侧视图； 图12是依照本发明结合了多个表面发射激光器的本发明的第八实施例的俯视 立体图13是图12的多个激光器的表面发射区的放大视图；图14是为改进组装密度而安置的激光器的顶视图15(a)和15(b)是演示了由于发散而引起的模式失配的表面发射或接收光子 器件的横截面图16是图15(a)和15(b)的模式失配的效应的图示；
图17是结合了顶表面透镜的表面发射或接收光子器件的横截面图18是改变图15(a)和15(b)中的器件中的全内反射面的角度的效应的图示；
图19是用于图17的器件的硅透镜的各种半径的模态反射率的图示；
图20是用于图17的器件的InP透镜的各种半径的模态反射率的图示；以及
图21是结合了电介质层的图17的器件的横截面图。
具体实施例方式
现在转向本发明的更详细描述，在图1-3中图示出了在基片12上制造的表面 发射半导体层10。尽管将按照脊形激光器来描述本发明，但可以理解，可利用此 处所描述的本发明的特征来制造其它类型的激光器。
如制造固态脊形激光器中常规地，基片12可以例如由III-V类化合物或其合 金形成，它可被适当地掺杂。基片包括顶表面14，其上如通过诸如有机金属化学 汽相淀积(MOCVD)或分子束外延等外延沉积而沉积了一般在16处示出的一连 串层，它们形成了包括活性区20的光腔18。诸如光腔18等水平腔半导体激光器 结构通常包含上和下涂层区19和19'，它们是由诸如InP等具有比相邻活性区20 更低的指标的半导体材料形成的。该区域20可以用基于InAiGaAs的量子势阱和 电池形成。InGaAsP的过渡层在涂层区18的顶表面上形成。
通过掩模和蚀刻处理，在腔18的第一 (发射器)端24处形成成角面22，在 该处理中，较佳地以与表面14成45°或接近45'的角向下和向内蚀刻面。该面是成 角的，以使光腔中生成的光能够基本垂直于或接近垂直于活性区20的平面和表面 14的方向上发射。发射器端面22主要是全内反射的，使得沿光腔18的纵轴传播 的光在垂直于该轴的方向上反射，且由此在如图所示箭头26的方向上垂直向上行 进。
在一般在28处示出的光腔的第二 (反射)端，以与光腔的纵轴成9(T的角度 形成端面30，且因此基本垂直于激光器的活性区20。另外，在端28处形成分布式 布拉格反射器(DBR)元件32和监视光电检测器(MPD) 34，面30和元件32以 及34是通过以已知的方式掩模和蚀刻来形成的。在发射器端24和反射端28之间衍生的脊36是通过掩模和蚀刻活性区20上的光腔18以形成脊形激光器10来形成 的。在发射器端24，脊36如在边38和40处那样加宽或向外逐渐变细，以提供面 22上的开放区域41 ，以允许束26通过光腔18的顶表面42形成而没有吸收。
MPD部分34的后部(从图1-3看是左端)被蚀刻以形成出口面44。垂直于 面44的表面的线45对制造激光器10的材料，以布儒斯特角或接近布儒斯特角与 光腔18的纵轴形成角度46 (图3)，使得面44对腔18中生成的光具有零或近乎 零的反射率。光腔18中生成且纵向传播的某些激光在面30处发射，穿过布拉格反 射器32，且由监视激光器的工作的MPD34接收。该光的一部分到达面44,但是 由于其为零或近乎零的反射率在该面处耗散，这防止对激光器不需要的向回反射。
脊36的顶表面42上的顶部电接触层48通常是允许用施加于它的金属层来形 成欧姆触点的低带隙半导体，诸如InGaAs。过渡层21通常是具有处于上涂层19 的带隙与接触层48的带隙之间的带隙的半导体，且在某些情况下可具有可变的带 隙。接触层和过渡层可吸收激光器中生成的光。例如，如果具有上述材料的光腔 18生成波长为1310nm的激光，则InGaAs接触层48将在它从22处示出的45°全 内反射面向上反射之后吸收该光。另外，如果InGaAsP过渡层21的带隙小于约0.95 eV，这对应于1310nm的波长，则过渡层也将导致吸收。因此，移去任何吸收层对 于激光器的有效且可靠的工作是重要的。依照本发明的第一实施例，如图1所示， 这是通过提供孔来实现的。另一方面，如果激光波长是980nm且接触层是GaAs， 则无需移去GaAs接触层，因为它在该波长处是透明的，但是如果激光波长是 830nm，则需要移去GaAs接触层。通过图案形成和蚀刻处理在接触层48中形成 孔52，其开口位于发射器端部分34处的脊的开放区域41处。该孔允许光如上所 述地从激光腔中发射。注意，光束通常将为圆形或椭圆形。
第一电极被沉积在激光器和MPD的接触层48上，而第二电极54被沉积在基 片的底表面56上，使得可对电极之间的脊36施加偏置电压来产生激光。也可对 MPD施加零或负的偏置，以允许它基于撞击于其上的光生成电流。在光腔18中传 播的激光将由面22反射，以在第一端24处垂直出射，如由箭头26所示，且一些 光将在第二端28处通过面30在活性区20的平面中水平出射。通过面30出射的一 些光将由DBR反射器32反向反射到光腔中，而一些将穿过反射器32去撞击MPD 34的前表面58，在那里它将被检测到。穿过MPD的光将在MPD的后部被面44 耗散，如由箭头60 (图3)所示的。单片制造的MPD 34不限于监视激光器的工作， 如通过在需要时通过测量其在这一构造中的强度，MPD也可用作极其快速的检测器以向驱动该激光器的电路提供反馈。
激光腔可通过使用反射率改变涂层来优化。在常规的劈裂面激光器中， 一个
面可具有高反射率涂层，而另一面可被加涂层至低反射率，例如分别为90%和10%的反射率，使得大多数激光从低反射率面形成。在短腔中，两种面都可具有高反射率，以减少腔回程损失，但是通常一个面具有比另一个更低的反射率，例如分别为99.9%和99.0%的额定反射率，以允许大多数激光从较低反射率面形成。在本发明的第二实施例中，如图4所示，激光器10是以上述方式制造的，其公共元件具有相同的参考标号。然而，在这一情况下，在脊36的第一端处的开放区域41上沉积了电介质层或堆70，使得它能改变所发射的光束26所经历的反射率。另外，如图5所示，光腔18的反射器端28的面30可结合光学层或堆72而非布拉格反射器32。在低于约5 pm的非常短的光腔的两端使用非常高反射率的涂层可由于非常短的光腔的大纵模间隔而产生单模行为。可使用改变反射率来优化激光腔的性能。
替代使得激光腔18的后端面30成为垂直面，而是该面可以如图6所示的那样以大约45度的角度来蚀刻。在该图中，如上所述制造的激光腔80在两端被蚀刻，以提供成角面82和84。这一类型的激光器为分别在孔90和92上形成的对应的反射涂层86和88提供了水平表面。所示的结构可在后面84和前面82上同时发射垂直于基片的光，其中提供了孔以避免在接触层和过渡层中的吸收。
在许多应用中，单纵模激光器比多纵模激光器更合需要。 一个这样的应用是数据通信，其中与多纵模激光器相比，用单纵模激光器可获得更长的通信到达范围。图7示出了本发明的一个实施例，其中在基片114的顶表面112上制造了单纵模表面发射半导体激光器100。如上文对于激光器10所述的， 一连串层116形成了包括如上所述制造的活性区(未示出)的光腔118。通过以与表面112成45'角或接近45。角向下和向内掩模和蚀刻在第一端120处形成了成角面122。该面基本是全内反射的，使得光发射基本垂直或接近垂直的输出光束126。在光腔的第二端128，通过掩模和蚀刻，沿光腔118的光轴形成了多个滤光元件132、分布式布拉格反射器(DBR)元件134以及监视光电检测器(MPD) 136。通过掩模和蚀刻过程从光腔118形成拉长的脊140。
在激光器的发射器端120，脊140被拉长或向外逐渐变细，如由侧壁142和144所示的，以形成开放区域145，以允许光束1256通过第一端的表面发射而没有吸收，如对于图l所描述的。在第二端128，蚀刻MPD部分136的后部，以形成出口面146，该出口面被设计成对激光材料形成布儒斯特角或接近布儒斯特角，以具有零或近乎零的反射率。在穿过滤光元件132和DBR元件134之后，光腔118中生成的一些激光由MPD136接收，MPD136然后提供对激光器工作的测量。到达面146的任何光由于其零或近乎零的反射率而被耗散，以防止不合激光器需要的反向反射。
在上述蚀刻步骤之后，在脊的顶表面上以及MPD上形成如上对于图1所描述的第一电接触层(未示出)，且在该层形成图案，以在开放区域145中的接触层中提供开口 148。这一开口位于端部分120的面122上，以准许激光腔中生成的光如光束126那样以圆形或椭圆形发射。
第二电介质层(未示出)被沉积在基片的底表面上，使得可对脊施加偏置电压来产生激光，且可对MPD施加零或负偏置以允许它基于撞击于其上的光生成电流。光腔中如此产生的激光在第一端120处垂直出射，如由箭头126所指示的，且在第二端128处纵向出射，其中一些光通过面130传送，通过滤光器134，并通过DBR元件134，且在MPD的前端150上撞击，以由MPD检测并然后在MPD的后面146处耗散。
如同图1-3的器件的情况，图7的单纵模器件可具有以图4所示的方式沉积在脊的第一发射器端120处的电介质层(未示出)，使得它能改变发射器端的反射率。
尽管分别在图1和7的实施例中示出了单个DBR元件32和134，但是可以理解，也可使用多个DBR元件分别在第二端28和128处获得更高的反射率。DBR元件可采用图1中的元件32的形式，其中DBR在脊蚀刻器件不被形成图案，结果它没有获得脊构造；或者DBR元件可采用图5中的元件134的形式，其中该元件包括脊形状。此外，可以理解，DBR元件可用电介质反射率改变层或堆来替换。
在现代系统中，非常期望在单个基片或芯片上有并排的光发射器和光检测器。如果器件是用同一材料制造的，则具有这样的组合将是更合乎需要的。因此，在图8和9所示的本发明的实施例中，将表面发射或垂直发射激光器158 (它可以是诸如图1的激光器IO等激光器)与检测器160相组合，以在诸如图1的基片12等公共基片上同时提供光发射器和光检测器两者。为说明起见，表面发射激光器158类似于图1的激光器，且公共特征被赋予相同的标号，但是可以清楚，可使用表面发射器的变体。图9是沿图8的线9-9所取的横截面图，以示出检测器160的结构。为清楚起见，在图9中，示出检测器的高度小于激光器，但是这不是要求。
如图所示，区域检测器160与表面发射激光器158相邻地安置，且是从与沉积在基片上的同一层16制造的，以形成光腔。检测器在用于形成激光器的第二端28的掩模和蚀刻步骤期间在这些层中掩模和蚀刻，这些步骤包括形成垂直端面30(垂直于激光器的活性层)、分布式布拉格反射器(DBR)元件32、以及监视光电检测器(MPD) 34。
该构造中所示的区域检测器160 —般可以与接收检测区域166内的撞击光束164的顶表面162成直角，并使用激光器10中使用的相同的活性层20。顶电触点168被施加在检测器的顶表面162上，而保持检测器166的区域不与该触点接触。也向基片12的后部施加底触点170，并在顶和底触点168和170之间施加负或零偏置，以允许由检测器检测进入的光束164。
在图10和11示出的本发明的另一实施例中，表面发射激光器176(为说明起见类似于图1的激光器10)在基片178上与平面内检测器180组合。与图1-3的表面发射激光器10共同的特征被类似地赋予标号，图11是沿图10的线11-11所取的横截面图。为清楚起见，图11中示出检测器的高度小于激光器176的高度。
平面内检测器180与表面发射激光器176相邻地安置，且一般平行于该激光器。检测器180结合了拉长的主体部分182，其具有被示出为与激光器10的光腔18的轴平行的纵轴；然而，可以理解，这些轴不必是平行的。检测器主体是使用相同的掩模和蚀刻步骤在从其中形成激光腔的沉积层16中制造的。在检测器的第一 (输入)端186形成反射输入面184，该面184在激光器10上形成面22期间以与基片178的表面成45'角或接近45。角蚀刻。主体部分182和后面188在用于形成激光器176的第二 (反射器)端28、垂直端面30、分布式布拉格反射器(DBR)元件32和监视光电检测器(MPD) 34的掩模和蚀刻步骤期间形成。尽管检测器后面188被示出为垂直于沉积材料的活性层20的平面，但是可以理解，该面可以用
除直角之外的其它角度来蚀刻。
平面内检测器180包括用于在与激光器中使用的相同的活性层20处接收要检测的撞击光束202 (图ll)的顶表面区域200。顶电导触点204施加于检测器180的顶表面，其中在检测区域200中的触点中形成孔，使得不会阻挡撞击光。底电导触点208在检测器区域中施加于基片12的后部，且在顶和底触点之间施加负或零偏置。进入的光束202通过其在区域200中的顶表面进入检测器，并通过内反射面184反射来沿检测器活性层20的轴纵向定向，如由箭头210所示的，以供用已知的方式来检测。
区域166 (图8)和200 (图10)的反射率可通过在这些区域上沉积电介质层或堆以分别为进入的光束164和202提供抗反射表 来改变。这允许检测器对光的更有效的收集。
可以理解，诸如上述的多个激光器和/或检测器可以用阵列的形式在单个基片上制造，由此允许诸如平行光互连、波长选择性等应用。例如，可在同一芯片或基
片上提供诸如图12和13中所示的阵列218等不同波长的多个激光器，并且可安置它们以将其输出定向到诸如光纤等单个输出介质中。由此，激光器阵列218可被配置成从具有图7中的100处所示的种类的四个激光器220、 222、 224和226的公共中心或轴219径向延伸，这些激光器以以下方式被安置在公共基片228上其各自的输出端230、 232、 234和236彼此非常邻近地且围绕中心轴240聚集，其中激光器的第二端从该轴向外径向延伸。来自激光器的输出光束在垂直于或接近垂直于基片228的表面且平行于轴240的方向上垂直向上发射。通过向四个激光器的每一个提供不同的带隙，每一激光器产生具有不同波长的输出光束，使得阵列218沿轴214产生所选择的波长或波长的组合的输出，这些输出然后可被定向到诸如光纤242等公共输出装置。尽管示出了四个激光器，但是可以理解，这是为了说明起见，且可使用其它数量的激光器。每一激光器的带隙可通过诸如无掺杂真空漫射或再生长等过程来选择，这些技术在本领域中是已知的。
四个激光器的输出端230、 232、 234和236的每一个包括成角面，且这些是在同一掩模步骤中，但用四个单独的蚀刻步骤形成的。每一蚀刻步骤中从45'角蚀刻的轻微偏斜可用于将四个光束轻微地偏离垂直方向引导，使得它们撞击在诸如光纤242等居中安置的物体上。四个激光器的后面、滤光元件和MPD是通过公共的掩模和蚀刻步骤形成的。最后，如上所述，通过掩模和蚀刻形成脊结构，且在顶和底表面上金属化该器件以提供电触点。
激光器的径向阵列218是可能的，因为在制造激光器期间使用的CAIBE过程提供了不取决于半导体晶体的结晶平面的均匀蚀刻。这允许在基片上以任何期望的构造来安置表面发射激光器，如图12中所示以及进一步在图14中示出的，其中半导体层250被对角地安置在矩形基片252上。例如使用劈裂来形成面的常规方法不允许这样的安置。
如上所述，在激光腔18中传播的光160 (1。被成角面22全内反射并被向上反射，如由图15(a)中的波束262和264示意性地示出的。反射的光在向上通过激光腔的上涂层行进时经历衍射，其中反射的光束262以所示的方式发散。该光部分被发射，部分在孔52的区域中从光腔的顶表面反向反射(见图1)，由光束266和268所示的所反射的光在向下通过上涂层行进时经历进一步的发散。所返回的光再一次从全内反射面22反射，但是由于它所经历的发散，仅该光的一部分作为导模被耦合回波导270 (12)，剩余部分如272所示作为未引导模而丢失。
图15(b)示出了与图15(a)所示的表面发射激光器结构相同的区域的二维时域有限差分 (FDTD ) 模拟 274 ， 这是由诸如可在http:〃www.rsoftdesigngroup.com/products/component-design/FullWAVE/处获得的程序等市场上可购买的程序提供的。所示的发散在耦合到波导腔18时可具有有害的效应，如图16的曲线图280中所示。该图的垂直轴是归一化为1的12与1,之比，，其中Ii是撞击在成角面22上的波导光260， 12是耦合回激光波导的光束270。曲线图280示出了当涂层厚度增加时，该比率下降。在许多情况下，上涂层厚度必需是某一最小厚度，以允许激光器的有效工作。然而，不良的耦合会波导会导致激光器的低效工作。
依照本发明，上述光束发散的效应可通过在激光腔18的顶表面284上提供透镜282来补偿。如图17所示，透镜被安置在成角面22上的表面284上，例如在图1的期间中的孔52的位置中，且制作以沿到面22相同的路径向回发散光束262和264，如由返回光束286和288所示的。这些返回的光束然后从面22反射，并轴向耦合到腔18中作为耦合光束270，从而提供了提高的激光器效率。
透镜282可通过在成角面上方的顶表面284上沉积膜层，诸如硅电子束蒸发等来制造；例如如图17所示，在孔52中制造以补偿发散。具有给定半径的表面290的半圆柱形硅透镜可通过使用常规的掀起(lift-off)图案、硅的电子束蒸发、以及样本在蒸发期间沿激光腔的轴的摇摆运动来制造。如果要求半球形的透镜(或具有在半圆柱形和半球形之间的形状的透镜)，则还沿垂直于激光腔轴的轴进行摇摆运动。或者，可通过蚀刻半导体激光结构的合适的层，诸如InP涂层来形成发散补偿透镜282。这可例如通过常规的平板图案形成和CAIBE来进行。
作为一个说明性示例，诸如图17中的激光器18等激光器结构可基于InP基片，它具有inP的下涂层和上涂层，以及InAlGaAs的量子势阱垒的约为0.25pm的活性层，但是在成角面上移去了 InGaASP的过渡层以及InGaAs的接触层以形成孔，如上文对于图1所讨论的。对于该示例的激光器结构，上涂层是1.375jim。激光器外部的介质被选为空气。光腔18内的模态反射率被定义为在面22上撞击的轴向传播光260与沿轴反向反射的光270之比；即I2与I,之比，但是该值也包括表面284 (带有或不带有透镜)处的反射率，且该定义将在以下讨论中使用。
全内反射面22与激光器的纵轴所成的角度对于模态反射率有影响。图18中
14的曲线图292示出了将全内反射面22的角度改为大于和小于45。时对模态反射率 的影响。该曲线图是通过使用说明性激光器进行2-dFDTD模拟来获得的。低于45° 的角度意味着该面更接近于垂直于基片而被蚀刻。该曲线图示出在大约45.5'获得 峰值模态反射率。模拟也示出了由箭头26所示的正形成激光的光束指向可通过改 变面的角度来补偿。
发散补偿透镜的优化是使用同一说明性激光器结构来确定的，其全内反射面 22的角度被设为45.5'。图19中的曲线图294示出了使用2-dFDTD模拟，对半圆 柱形硅透镜282以变化的半径获得的模态反射率。该曲线图示出对于Si透镜，最 优模态反射率在3.75pm曲率半径处。类似地，图20的曲线图296示出对InP透镜， 最优模态反射率在3.25|im曲率半径处。
按照表面发射激光器描述了尽管发散补偿透镜282和角度修改，但是可以理 解，相同的解决方案可应用于其它表面发射和接收器件。此外，尽管使用了材料和 激光器结构的特定示例来示出本发明的实施例，但是可以理解，可使用其它材料和 激光器结构(例如，基于InP、 GaAs和GaN的其它激光器结构)。
还可以理解，诸如图4中所示的堆70等反射率改变层或堆可以用图21所示 的方式被安置在发散补偿透镜282的顶部，且透镜可结合图1-14中所示的各种实 施例来使用。由此，如图所示，透镜282可在孔52内制造，然后在透镜上制造或 另外安置堆70。以此方式，垂直束26通过透镜282和堆70从器件中发射，而被 发射表面和透镜反射的光被耦合到在光腔18中轴向传播的光。
尽管按照较佳实施例示出了本发明，但是可以理解，可在不脱离所附权利要 求书中所述的真实精神和范围的情况下作出变化和修改。
权利要求
1.一种半导体光子器件，包括基片；外延沉积在所述基片上的半导体结构；包括在所述结构中的光学传输介质，所述介质结合了用于生成激光的活性区，所述介质具有与所述基片成一角度的至少一个面；在所述结构上的接触层，用于向所述结构提供欧姆触点，所述接触层部分地从所述结构上移去以提供所述面的区域中的孔；以及安置在所述孔上的透镜。
2. 如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述至少一个面将光以一角 度从所述介质定向到所述基片，并通过所述孔和所述透镜。
3. 如权利要求2所述的器件，其特征在于，还包括与所述基片成一角度 的、对于所述介质的第二面，所述接触层从所述结构上移去以提供所述第二面 的区域中的第二孔。
4. 如权利要求3所述的器件，其特征在于，还包括所述第二孔上的透镜。
5. —种表面发射光子器件，其特征在于，包括 基片；在所述基片上的外延沉积的光学传输半导体介质，所述介质结合了用于生 成激光的活性区；安置在所述介质的第一端的第一蚀刻面；在所述介质的第二端处、且以与所述基片成一角度安置的第二全内反射 面，用于将所生成的激光朝向所述介质的顶表面定向；安置在所述顶表面上的透镜，用于接收所述生成的激光，并用于将所述激 光的一部分从所述介质中发射出，以及将所述光的剩余部分反射回所述介质。
6. 如权利要求5所述的器件，其特征在于，所述第二面与所述基片成一 角度，选择所述角度以将所述介质中的模态反射率最大化。
7. 如权利要求6所述的器件，其特征在于，所述第二面与所述基片成大 约45°的角度。
8. 如权利要求5所述的器件，其特征在于，所述透镜具有一曲面，所述曲面具有被选择以使所述介质中的模态反射率最大化的半径。
9.如权利要求8所述的器件，其特征在于，所述第二面与所述基片成一 角度，选择所述角度以使所述模态反射率最大化。
全文摘要
一种表面发射激光器，其中光在一端从接近45°的成角面垂直地发射，该激光器包括具有从其中水平发射光的垂直面的第二端，用于监视。该表面发射激光器包括在接近45°的成角面上方的表面上的发散补偿透镜。
文档编号H01S5/00GK101656397SQ20091016117
公开日2010年2月24日 申请日期2004年10月14日 优先权日2003年10月20日
发明者A·A·贝法尔 申请人:宾奥普迪克斯股份有限公司