CN103181040A - 用于垂直外部腔体表面发射激光器的光学元件 - Google Patents

用于垂直外部腔体表面发射激光器的光学元件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于VECSEL或VECSEL阵列的光学元件。该光学元件由衬底(200)形成，该衬底至少在光学辐射的波长区域中是透明的。衬底(200)的第一界面包括一个或若干个弯曲区域，其形成集成在衬底(200)中的光学透镜或光学透镜阵列(220)的一部分。衬底(200)还包括一个或若干个光学反射镜(210)，其形成于衬底(200)的与第一界面相对的第二界面上或者嵌在衬底(200)中。光学反射镜(210)布置和设计成往回反射入射在第一或第二界面上的光学辐射的一部分。光学反射镜(210)是平坦反射镜，或者是曲率半径不同于弯曲区域(220)的曲率半径的弯曲反射镜。该光学元件允许制作具有高亮度的VECSEL或VECSEL阵列，而在制作期间不需要附加调整。VECSEL布置在距光学反射镜(210)一距离(L)处，且这等于外部腔体的程度。光学透镜的ROC可以选择为ROC=L/2，并且对于光学反射镜，ROC>L。腔体长度可以由单片分隔物(120)调整。

Description

用于垂直外部腔体表面发射激光器的光学元件
技术领域
本发明涉及一种由衬底形成的光学元件，该衬底至少在光学辐射的波长区域中是透明的，所述衬底的第一界面包括一个或若干个(several)弯曲区域，该一个或若干个弯曲区域形成集成于所述衬底中的光学透镜或光学透镜阵列的一部分。本发明还涉及一种垂直外部腔体表面发射激光器(VECSEL)，这种光学元件布置在该激光器的发射侧。
背景技术
VECSEL是最有希望的高亮度激光源之一并且与边缘发射器相比提供了许多优点，比如可寻址2D阵列布置和圆形束形状。在标准设置中，外部腔体由非常庞大且需要复杂调整的宏观光学元件构成。通过在晶片上实现外部光学部件并且将此晶片结合到承载VECSEL的半导体部件的GaAs晶片，有可能并行地制造成千上万个微VECSEL并且直接在比如VCSEL(垂直腔体表面发射激光器)的晶片上测试它们。G.A.Keeler等人“Single Transverse Mode Operation of Electrically Pumped Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Lasers with Micromirrors”, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 17, No. 3, March 2005, pp 522-524描述了使用微成型工艺在玻璃衬底上制作微反射镜，该衬底随后利用指数匹配的光学环氧树脂而结合到GaAs晶片。这种微VECSEL表现出良好性能(M2接近1)。
VECSEL的外部腔体由结合在半导体晶片上的光学透明衬底上的球形反射镜限定。为了按比例增大功率，若干VECSEL可以布置在阵列中。由于热原因，安置许多小器件而不是安置少数大器件。小的有源直径并且因此小的束腰意味着高发散角度，从而减小了这种阵列的亮度。为了降低发散角度，可以使用微透镜阵列，其准直每个VECSEL的辐射并且因而降低束参数乘积且增加VECSEL阵列的亮度。但是，如果使用堆叠的光学透明晶片，则此透镜阵列需要或者在芯片级或在晶片级的附加调整步骤。
发明内容
本发明的目的是提供用于制作VECSEL或VECSEL阵列的手段，其增大VECSEL的亮度而在制作期间不需要附加调整步骤。
此目的是利用根据权利要求1的光学元件来实现。权利要求6描述包括这种光学元件的VECSEL(阵列)。此光学元件或VECSEL阵列的有利实施例为从属权利要求的主题或者在说明书的后续部分中描述。
所提出的光学元件由衬底形成，该衬底至少在光学辐射的波长范围内的波长区域中是透明的。在本专利申请中，光学辐射是指在红外(IR)、可见(VIS)和紫外(UV)波长范围中的电磁辐射。衬底必须仅仅在这样的波长区域中是透明的，其中该光学元件被设计用于其的相应VECSEL在该波长区域中发射激光辐射。衬底的第一界面包括一个或若干个弯曲区域，该一个或若干个弯曲区域形成集成在衬底中的光学透镜(对于一个弯曲区域的情形)或者光学透镜阵列(特别是多个微透镜)的一部分。衬底还包括一个或若干个光学反射镜，该一个或若干个光学反射镜形成于衬底的与第一界面相对的第二界面上，或者在基本上平行于第一界面的平面中嵌在衬底中。该一个或若干个光学反射镜布置和设计成往回反射入射在第一或第二界面上的在所述波长区域中的光学辐射的一部分。该布置是这样的，使得以90°角入射的所述波长区域中的光学辐射将被相应光学反射镜部分地往回反射，而其余部分穿过在衬底中形成在反射镜后面的透镜。为此，反射镜的反射率优选地在期望波长区域中介于30%和99.5%。该一个或若干个光学反射镜是平坦反射镜，或者是曲率半径不同于形成光学透镜的该一个或若干个弯曲区域的曲率半径的弯曲反射镜。
使用这种光学元件作为VECSEL或VECSEL阵列的一部分，其中光学元件的反射镜形成VECSEL的外部反射镜，穿过反射镜的激光辐射可以被光学透镜准直并且因而允许VECSEL的更高的亮度。
本发明因而建议在单个衬底上，优选地在玻璃衬底上使用VECSEL的外部反射镜和准直透镜的组合。这种光学元件例如可以按照下述方式制作。在第一步骤中，例如通过玻璃成型、UV成型或RIE转移(RIE：反应离子蚀刻)，在衬底上形成微透镜，特别是球形微透镜。将反射涂层应用在透镜上，该反射涂层的表面随后将用作VECSEL的外部微反射镜。反射涂层也可以仅仅覆盖表面的一部分，即，可以被图案化。这可以用于往回反射该辐射的仅仅特殊角区域，例如用于模式选择。在第二步骤中，在第一微透镜的底部上，即，在微反射镜的底部上形成具有不同曲率半径(ROC)的球形或者非球形微透镜。选择此另外微透镜的表面的ROC，使得穿过微反射镜的来自VECSEL的光将被准直。在VECSEL的制作期间，这种光学元件不需要用于微透镜的附加调整步骤。因此，制作工艺被简化。
在有利实施例中，光学元件包括可以在VECSEL阵列中例如在晶片上使用的微反射镜和微透镜阵列。可以利用不同技术将光学元件应用到承载VECSEL的半导体部件的衬底(载体衬底)。例如可以将光学元件结合、胶合或焊接到例如半导体衬底的此载体衬底，或者结合、胶合或焊接到形成VECSEL的半导体部件的层堆叠。
VECSEL例如可以包括布置在第一DBR(分布式布拉格反射器)和第二DBR之间的光学增益介质。两个DBR形成内部激光腔体。第二DBR对于在激光腔体中谐振的激光辐射是部分透明的。第二DBR可以具有这样的反射率，其在没有外部反射镜时不允许第一DBR和第二DBR之间的激射，或者也可以具有这样的反射率，其在没有外部反射镜时允许内部激光腔体中的激射。DBR和增益介质可以由在半导体衬底，特别是GaAs衬底上恰当设计的层堆叠按已知方式形成。对于穿过半导体衬底发射的VECSEL的情形，形成外部反射镜的光学元件随后被附着到此衬底，该衬底对于在此情形中所生成的激光辐射必须是光学透明的。用于操作VECSEL所必要的电连接也可以按已知方式形成。
替代直接将光学元件附着到载体衬底的表面，还可能使用各分隔物，该分隔物安装在载体衬底的表面上或者紧挨着激光器安装，光学元件随后被附着到该分隔物。分隔物也可以首先被应用到光学元件的表面，或者可以在光学元件的制作期间集成在此表面中。在这种实施例中，空气间隙保留在光学元件的表面和层堆叠之间。另外，透明分隔物层也可以被应用在光学元件和载体衬底之间。这种层也可以在此元件的制作期间已经形成于光学元件的表面上。替代将光学元件附着到载体衬底，光学元件(对于外延侧发射的VECSEL或者载体衬底被移除的VECSEL的情形)也可以被应用到第二DBR，或者应用到下方VECSEL堆叠的另一结构，例如应用到中间层，或者当省略第二DBR时应用在有源区域上的层上。VECSEL的层堆叠可以按本领域中已经知晓的不同方式制作。
在优选实施例中，光学元件的反射镜是弯曲反射镜，特别是凹反射镜，并且在形成微透镜的光学元件的第一界面上，该弯曲区域的曲率半径被选择为准直由VECSEL发射的激光辐射。优选地，反射镜的ROC大于微透镜的弯曲区域的ROC。然而，微透镜也可以设计成实现另一束成形效果。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将显见并得到阐述。
附图说明
参考附图，下述示例性实施例示出所提出的光学元件和VECSEL阵列的示例而不限制由权利要求限定的保护范围。各图示出：
图1a：与现有技术的解决方案相比，安装在VECSEL阵列上的光学元件的第一示例；
图2a：所提出的光学元件的第二示例；
图3：具有所提出的光学元件的VECSEL阵列的示例；
图4a：具有所提出的光学元件的VECSEL阵列的另一示例。
具体实施方式
图1示出具有本发明的光学元件的VECSEL阵列的实施例与现有技术的解决方案的对比。图1A描述现有技术的VECSEL阵列，其中外部反射镜形成于光学透明衬底200上，该光学透明衬底附着到光学透明载体衬底120，VECSEL的半导体层堆叠110结合或生长在该光学透明载体衬底120上。此构造类似于穿过载体衬底发射激光辐射的所谓背侧或底部发射VCSEL。通过将表面加工为球形(或者非球形)形状(反射镜表面210)并且在此表面上涂敷反射层，形成位于衬底200上的外部反射镜。该表面的所得到的弯曲区域的曲率半径(ROC)满足条件ROC>L，L为这些外部凹反射镜到VECSEL的增益区域的距离。
在VCSEL领域中已知的是，使用微透镜阵列从而准直这种阵列的VCSEL 111的激光发射。这些微透镜形成于光学透明衬底200中，该光学透明衬底的表面被表面加工成球形(或者非球形)形状(透镜表面220)，从而提供形成微透镜的一部分的弯曲区域，如图1B所示。
图1C示出所提出的VECSEL阵列的示例，该VECSEL阵列具有集成的根据本发明的光学元件。该光学元件包括光学透明衬底200，该光学透明衬底具有：集成的微反射镜，其由具有反射涂层的球形(或者非球形)形状的表面(反射镜表面210)形成；以及集成的微透镜，其由衬底表面(透镜表面220)的球形(或者非球形)形状在微反射镜顶部上形成。
为了实现光学元件的这种结构，衬底200的表面被加工成具有若干弯曲区域，该弯曲区域具有球形或非球形形状(反射镜表面210)。衬底由在期望波长区域中是光学透明的适当材料制成，例如由玻璃、砷化镓、硅等制成。当使用玻璃衬底时，反射镜表面210的球形形状可以通过例如玻璃成型、RIE转移、机加工或热压印来实现。还可能在衬底上应用不同材料并且将此不同材料形成为期望形状，例如通过UV复制或者通过利用喷射工艺而沉积聚合物。反射镜表面210的球形形状的ROC被选择为充当球形反射镜，该球形反射镜形成在距离L处具有增益介质的VECSEL的激光腔体的端部反射镜其中之一。通常此外部球形反射镜的ROC大于L，优选地约为2L。反射涂层被应用在反射镜表面210上以提供期望在期望波长区域中的反射率R，该反射率典型地介于30%和99.5%。在下一个步骤中，在所述波长区域中是光学透明的材料沉积在反射镜表面210上(即，在反射镜表面210的涂层上)，并且成形为具有比反射镜表面210的ROC小的不同ROC的球形透镜表面220。透镜表面220的确切ROC由准直条件确定，并且对于其材料的折射率约为1.5的情形，该ROC近似为L/2。透镜表面也可以具有非球形形状从而使像差最小化，类似于对于所有透镜所公知的情形。透镜表面220可以被抗反射涂敷从而优化光学元件的性能。VECSEL的半导体层堆叠110可以按照本领域中已经知晓的方式设计。对于图1C和后面图3和4的情形，半导体层堆叠布置在光学透明载体衬底120上，类似于衬底侧发射的VCSEL的情形那样，并且光学元件被附着到此载体衬底。技术人员明显可见，层堆叠也可以生长或安装在布置在层堆叠的相对侧的载体衬底上。光学元件随后直接或经由一个或若干个中间层或各分隔物而附着到该层堆叠。光学元件也可以被安装在紧挨着激光器放置的各分隔物上，例如安装在载具上或热沉上，或者如果载体衬底被移除，直接安装在外延层堆叠上。
在反射镜表面210和透镜表面220之间形成的准直透镜的材料可以不同于衬底200的材料或形成反射镜的材料。一种有利实施例包括用于形成衬底200和反射镜表面210的成型玻璃晶片，以及在反射涂层顶部上用于形成微透镜表面220的聚合物材料。尽管反射镜表面210被示为具有凹的形式，但是在本发明的所有实施例中，反射镜也可以是平坦反射镜。这种情况下，透镜表面220为光学元件的唯一弯曲表面。
在可替换实施例中，如图2所示，反射镜也可以形成于衬底200的一个界面上，这是通过适当的反射镜涂层以及在适用情况下通过对此界面或此侧的适当成形而形成的。图2示出形成于这样的界面上的凹反射镜表面211，该界面和与微透镜的球形表面220的界面相对。然而，通过应用反射涂层到衬底200的平坦界面，也可以将反射镜211形成为平坦反射镜。
图3示出本发明的VECSEL阵列的实施例，其中具有微反射镜(反射镜表面211)和微透镜(透镜表面220)的光学元件经由各分隔物结构310被附着到VECSEL载体衬底120。图4示出这样的实施例，其中替代各分隔物结构310，透明分隔物层311被布置在光学元件和承载VECSEL的半导体层堆叠110的载体衬底120之间。
在权利要求中，措词“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词"一"(“a”或“an”)不排除多个。在互不相同的从属权利要求中陈述措施的纯粹事实不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的附图标记不应解读为限制这些权利要求的范围。尽管实施例总是示出一个微反射镜对应于一个微透镜，一个布置在另一个上，但是也可以有可能形成一个更大的微透镜，其覆盖布置在穿过一个微反射镜的辐射束路径中的若干微反射镜或若干微透镜。这样的布置对于VECSEL或VECSEL阵列的特殊应用会是有利的。
附图标记列表：
110    VECSEL的半导体层堆叠
111     VCSEL
120    载体衬底
200    透明衬底
210    反射镜表面
211    反射镜表面
220    透镜表面
310    分隔物
311    分隔物层。

Claims (9)

1.一种由衬底(200)形成的光学元件，该衬底至少在光学辐射的波长区域中是透明的，
所述衬底(200)的第一界面包括一个或若干个弯曲区域(220)，该一个或若干个弯曲区域形成集成于所述衬底(200)中的光学透镜或光学透镜阵列的一部分，
所述衬底(200)还包括一个或若干个光学反射镜(210)，该一个或若干个光学反射镜形成于所述衬底(200)的与所述第一界面相对的第二界面上或者嵌在所述衬底(200)中，
所述一个或若干个光学反射镜(210)布置和设计成往回反射入射在所述第一或第二界面上的在所述波长区域中的光学辐射的一部分，
其中所述一个或若干个光学反射镜(210)是平坦反射镜，或者是曲率半径不同于所述一个或若干个弯曲区域(220)的曲率半径的弯曲反射镜。
2.根据权利要求1的光学元件，
其中所述光学反射镜由位于该第一或第二界面上或者位于该光学元件的内界面上的连续或图案化反射涂层形成。
3.权利要求1或2的光学元件，
其中分隔物结构或各分隔物元件(310)附着到所述衬底(200)的第一或第二界面，或者集成在该衬底中。
4.权利要求1或2的光学元件，
其中在所述波长区域中是光学透明的分隔物层(311)被应用到所述衬底(200)的第一或第二界面。
5.一种VECSEL或VECSEL阵列，包括根据权利要求1或2的光学元件，
其中所述一个或若干个光学反射镜(210)形成所述VECSEL的扩展的反射镜或者所述VECSEL阵列的扩展的反射镜。
6.根据权利要求5的VECSEL或VECSEL阵列，
其中在该VECSEL或VECSEL阵列在其中发射激光辐射的波长区域中，所述光学反射镜(210)具有反射率R≥30%。
7.根据权利要求5的VECSEL或VECSEL阵列，
其中该光学反射镜(210)是曲率半径大于所述弯曲区域的曲率半径的弯曲反射镜。
8.根据权利要求5的VECSEL或VECSEL阵列，
其中所述弯曲区域的曲率半径选择为使得所述光学透镜准直由VECSEL或VECSEL阵列通过所述光学反射镜(210)发射的激光辐射。
9.根据权利要求5的VECSEL或VECSEL阵列，
其中所述光学元件直接或经由各分隔物(310)或经由分隔物层(311)被附着到所述VECSEL或VECSEL阵列，所述分隔物层(311)在VECSEL或VECSEL阵列在其中发射激光辐射的波长区域中是光学透明的。
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