CN104247174B - 光学泵浦垂直外腔表面发射激光设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学泵浦垂直外腔表面发射激光设备，该设备包括至少一个VECSEL（200）和若干泵浦激光二极管（300）。所述泵浦激光二极管（300）被布置成通过在镜元件（400）处反射泵浦辐射（310）而光学地泵浦VECSEL（200）的有源区（108）。镜元件（400）布置在VECSEL（200）的光轴（210）上并且被设计成将泵浦辐射（310）聚集在有源区（108）中并且同时形成VECSEL（200）的外部镜。所提出的设备避免了泵浦激光器的相对于VECSEL的有源区的耗时的调节，并且允许激光设备的非常紧凑的设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学泵浦垂直外腔表面发射激光设备，该设备包括至少一个垂直外腔表面发射激光器（VECSEL）和若干泵浦激光二极管，其中所述泵浦激光二极管被布置成通过在镜元件处反射泵浦辐射而光学地泵浦VECSEL的有源区。垂直外腔表面发射激光器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阵列布置和圆形波束形状。
背景技术
VECSEL典型地包括在层序列中形成的有源区和第一端镜以及被布置成与层序列分离且形成激光器的外腔的第二端镜。在标准设置中，外腔由非常庞大且需要有关调节的宏观光学元件组成。通过从晶片实现外部光学部件并且将该晶片接合到承载层序列的典型地为GaAs晶片的晶片，有可能并行地制造数千微型VECSEL并且在晶片上直接测试它们，比如VCSEL（垂直腔表面发射激光二极管）。
已知的光学泵浦VECSEL需要单独地安装泵浦激光器并且将其与VECSEL的谐振器或者腔体对准。这需要耗时的生产和庞大的模块。
US 2010/0014547 A1公开了一种用于固态激光介质的纵向泵浦的设备。该设备包括安装在激光介质的冷却设备侧面的若干泵浦激光二极管。激光二极管发射的泵浦辐射通过若干抛物镜朝固态激光介质的端面之一反射。在该设备中，若干抛物镜必须精确对准，以便在固态激光介质的入口处实现泵浦辐射的希望的强度分布。
发明内容
本发明的目的是提供一种允许更容易地对准泵浦光学器件并且可以在紧凑设计中实现的光学泵浦垂直外腔表面发射激光设备。
这个目的利用依照权利要求1的光学泵浦垂直外腔表面发射激光设备来实现。该设备的有利实施例是从属权利要求的主题，或者在说明书的后续部分和优选实施例中加以描述。
所提出的光学泵浦垂直外腔表面发射激光设备包括作为光学泵浦半导体盘形激光器的至少一个VECSEL以及若干泵浦激光二极管，优选地垂直腔表面发射激光二极管（VCSEL）。VECSEL可以以已知的方式设计，并且包括至少形成VECSEL的第一端镜和有源区的叠层。与该叠层分离地布置的第二端镜形成激光器的外腔。在提出的激光设备的设计中，泵浦激光二极管被布置成通过在镜元件处反射泵浦辐射而光学地泵浦VECSEL的有源区。该镜元件布置在VECSEL的光轴上，并且被设计成将泵浦辐射聚集在有源区中并且同时形成VECSEL的第二端镜。该镜元件因此在一个单一元件中结合了两个功能。
本发明的垂直外腔表面发射激光设备使用适当设计的镜元件，该镜元件将泵浦光定向到VECSEL的有源区中，并且同时充当与第一镜一起形成VECSEL谐振器的外部镜。因此，泵浦光斑自动地与VECSEL谐振器的光模对准。通过将VECSEL的有源区的光学泵浦区域设计得足够大（大截面垂直于光轴），可以实现泵浦激光二极管的高达100μm的对准公差。所提出的设计允许泵浦激光二极管的布置将基本上平行于光轴的泵浦辐射朝镜元件定向，这允许实现设备的非常紧凑的设计。泵浦激光二极管优选地通过可以在晶片级测试的VCSEL阵列实现并且提供良好的效率。此外，在本发明的一个有利的实施例中，泵浦激光二极管与VECSEL叠层集成在相同的芯片上。这在提供出色的亮度的同时降低了激光设备的制造成本和维度。
在相同芯片上集成VCSEL阵列和VECSEL允许在该芯片上制造来源于相同层序列的这些激光器。为此目的，应用公共层结构，其中形成VCSEL的层序列通过蚀刻停止层与形成VECSEL叠层的层序列分离。然后，VCSEL和VECSEL通过经由一个或几个蚀刻过程对层序列适当地结构化而形成。
也可能将泵浦激光二极管和VECSEL集成在单独的芯片上，这些芯片然后可以安装在公共基板或者散热器上。这样的布置也提供了激光设备的设计非常紧凑的优点。
形成VECSEL的外部镜的镜元件可以以本领域中已知的相同方式安装在VECSEL的层序列上。也可能在单独的晶片上形成若干镜元件并且然后与VCSEL阵列一起将该晶片接合到包括VECSEL叠层中的若干个的晶片。然后，将接合的晶片分成包括所提出的激光设备的单个芯片。可替换地，这两个晶片可以首先分成单个芯片，并且这些单个的芯片然后可以组合以实现所提出的激光设备。另一种可能性是直接将镜元件集成到包括VECSEL层序列的芯片或晶片上。
所述镜元件优选地包括形成外部镜的中心区以及被设计成将泵浦辐射反射到VECSEL的有源区的外部区。为此目的，该镜元件优选地被制造成自由形态的光学器件，允许实现该镜元件的中心区和外部区中的反射镜表面的几乎任何形状。优选地完全围绕中心区的外部区可以被设计成在VECSEL的有源区中生成与激光器的希望的光模的形状匹配的泵浦辐射的任何希望的强度分布。取决于VECSEL的发射侧，镜元件的主体可以由适当的材料，例如由金属、涂敷的玻璃或者涂敷的塑料形成。在金属主体的情况下，镜元件的反射表面可以由该金属，例如由抛光铝形成。在玻璃或者塑料主体的情况下，镜表面由本领域中已知的适当金属或者电介质涂层形成。
本发明的这些和其他方面根据下文描述的实施例将是清楚明白的，并且将参照这些实施例进行阐述。
附图说明
在下文中，通过实例结合附图进一步详细地描述所提出的固态激光设备。这些图示出：
图1 所提出的激光设备的第一实例；
图2 用于制造所提出的激光设备的层序列的实例；
图3 在对图2的层序列结构化之后所提出的激光设备的VECSEL和VCSEL的示例性设计；
图4 所提出的激光设备的第二实例；
图5 所提出的激光设备的另一实施例的细节；
图6 所提出的激光设备的另一实施例的细节；
图7 所提出的激光设备的部分的第三实例；
图8 所提出的激光设备的实例的顶视图；
图9 所提出的激光设备的另一实例的顶视图；以及
图10 所提出的激光设备的另一实例。
具体实施方式
图1-3示出了所提出的激光设备及其制造的第一实例。在该实例中，泵浦激光二极管是与VECSEL 200集成在相同芯片120上的VCSEL 300。VCSEL 300被布置成围绕VECSEL200。在该实施例中，所有半导体激光器都是如图1中所示的顶部发射激光器。包含至少两个径向镜区域410、420的镜元件400（自由形态光学器件）排列在半导体芯片120前面。在该实施例中，镜元件400由光学透明主体形成，包括面向半导体芯片120的第一表面401以及第二表面402。第一表面401被涂敷以便提供用于VECSEL 200的激光操作的充分反射率（R(λVECSEL) = 80 – 99,5%）以及VCSEL 300的泵浦光的尽可能高的反射（R(λVCSEL) > 95%,优选地> 99%）。表面401被划分成具有不同形状的两个区域。
r<R2的中心区410形成外部VECSEL镜并且通常为球面镜，该球面镜具有被设计成在距离为L的VECSEL 200的有源区中产生基模尺寸w0的曲率半径。r ≥ R2的外部区420被设计成将VCSEL 300的辐射310反射到VECSEL 200的有源区中。该外部区420可以形成为具有等于2L的曲率半径的抛物镜。R2近似等于垂直于VECSEL 200的光轴210的VECSEL 200截面的半径R1，并且应当大于镜元件400平面内VECSEL激光辐射的模尺寸，但是也应当足够小以便收集VCSEL的所有光。
由图1可见，VCSEL 200发射的泵浦辐射310由镜元件400的外部区420定向到VECSEL 200的有源区以便光学地泵浦该激光。由于泵浦激光二极管300和镜元件400的这种布置，实现了激光设备的非常紧凑的设计。泵浦激光器相对于VECSEL的耗时的调节是不必要的，因为泵浦辐射通过镜元件400的反射表面的几何形状而自动地集中到VECSEL 200的有源区中。
VCSEL阵列和VECSEL也可以在由不同的外延晶片制成并且接合到相同的基板或者散热器的单独的芯片上形成，并且然后与光学元件400组合。这促进了晶片结构，但是增加了安装努力和模块尺寸。
图2和图3示意性地示出了制造图1的激光设备的一种方式。为此目的，如图2中所示的层序列外延生长在晶片衬底上。举例而言，针对n掺杂衬底描述了用于外延侧发射VECSEL的结构。用于p掺杂衬底和/或衬底侧发射的叠层可以容易地由此导出。该实施例的结构包括从衬底500开始：
- 蚀刻停止层101（可选），其允许以后移除衬底500以便更好地散热；该蚀刻停止层在不移除衬底500的情况下也可以省略；
- 具有高掺杂浓度的n掺杂电流分布层102（可选）；
- n掺杂DBR 103（分布式布拉格反射器），其后来形成VCSEL的端镜（R ≥ 99,9%）；
- 本领域中已知的VCSEL的有源区104（例如3个量子阱、电流限制层和氧化物孔径）；
- p掺杂DBR 105，其后来形成用于VCSEL的外耦合镜（R近似为99%）；
- 用于相位匹配（半导体-空气）帽盖层106，已知用于顶部发射VCSEL；
- 蚀刻停止层100，其将VCSEL叠层与VECSEL层序列分离；
- 未掺杂DBR 107（可选），其后来形成VECSEL的第一端镜；
- 从本领域已知的VECSEL的有源区108（驻波反节点中的若干量子阱，具有势垒层，RPG结构（RPG：谐振周期增益），针对阱内泵浦或者势垒泵浦优化，……）；以及
- 帽盖层109，具有到空气或者标准具层，用于谐振增强或者波长稳定化。
由DBR 103和105形成的VCSEL的谐振波长λVCSEL被选择成稍短于VECSEL有源区108的发射波长λVECSEL。在势垒泵浦的情况下，λVCSEL必须比λVECSEL短几十纳米。
仅在应当至少部分地移除衬底500的情况下，才需要蚀刻停止层101和电流分布层102。如果VECSEL波长处于p-DBR 105的阻带内，但是不完全等于103与105之间的VCSEL腔体的谐振波长，则未掺杂DBR 107是不必要的。在这种情况下，p-DBR 105形成VECSEL的第一端镜。然而，附加的未掺杂DBR 107可以降低VECSEL中的光损耗，但是与此同时，VECSEL的热阻通过该附加层而增大。
在生长这样的层结构之后，柱被向下蚀刻至蚀刻停止层100，形成VECSEL 200的具有直径2*R1的区域。然后，移除蚀刻停止层100以便暴露帽盖层106。在下一步骤中，通过台面蚀刻、氧化、沉积p环接触等等紧靠VECSEL区域处理一个或几个VCSEL 300。P接触也可以实现为用于倒装芯片安装的通过衬底的过孔（via）。
图3中绘出了这些处理步骤的结果。金属接触（n接触）330沉积在衬底500的n侧。
可替换地，可以通过从衬底侧向下蚀刻至蚀刻停止层101而移除衬底500。然后，将金属接触330沉积在n层102上。
在该处理之后，将晶片分成单个芯片120且n侧向下焊接在散热器上。
所提出的激光设备的镜元件400可以以任何适当的方式设计以便实现希望的功能。中心区410也可以形成为用于VECSEL 200的模定形或者模选择的自由形态的镜。如图4中示意性所示，外部区420也可以例如实现为充当对各VCSEL的辐射束310准直或者向下聚焦的较小镜阵列的自由形态的镜421。在另一个实施例中，自由形态的镜421可以从各VCSEL300产生不同的泵浦光斑直径以便将得到的总泵浦剖面定形为任何希望的剖面，例如高斯剖面。
镜元件400的第二表面402对于VECSEL波长而言可以是AR涂敷的，并且可以是平面、球面以便对VECSEL激光束准直或者聚焦，或者甚至是第二自由形态的表面以便对VECSEL激光束进一步定形。
第一表面401对于泵浦辐射的波长以及VECSEL激光辐射的波长而言可以是平面并且AR涂敷的，并且第二表面402可以包括要反射涂敷的两个区域410和420。然后，镜元件400也可以晶片级集成到半导体芯片。
两个区域410和420也可以在光学元件400的两个相对侧上实现，这两侧上具有不同的涂层。
如图6中所示，微透镜430可以在VCSEL 300顶部形成以便对VCSEL泵浦辐射束准直或者将它们聚焦在VECSEL 200的有源区上。图6仅仅示出了所提出的设备的VCSEL 300顶部的微透镜的细节。
图5示出了在移除图3的衬底之后实现的实施例。在移除衬底之后，也可以在VECSEL 200的区域下方移除层101-106，并且填充高度导热的材料502，例如Cu、Au或Ag，以便更好地散热。
具有VECSEL和泵浦VCSEL的芯片也可以以不同的顺序实现，具有底部发射VCSEL。图7中示出了一个实例。附图标记表示与图2中相同的层。再一次地，到VECSEL 200的区域的热过孔填充像金属那样的高度导热的材料502是可能的，以便更好地对该区域散热。在该实例中，将整个芯片120焊接（焊料503）到基板或者散热器501。
图8示出了图1的所提出的激光设备的一个实例的顶视图。在该顶视图中，可以识别具有不同VCSEL 300的泵浦激光器阵列，其围绕VECSEL 200。用于电接触的接合焊盘340布置在芯片的侧面区域上。
若干VECSEL 200也可以在单个芯片上实现，该芯片具有与每个VECSEL 200相应的泵浦VCSEL 300。这示意性地示于图9的顶视图中。具有其相应的泵浦VCSEL 300和接合线350的每个VECSEL 200包括将每个泵阵列的辐射定向到相应VECSEL 200的镜元件。镜元件400在图9中示意性地由虚线表示。泵浦区域可以是可单独寻址的，以便实现可以用于印刷、打标记或者类似应用的可寻址光学泵浦VECSEL阵列。
图10示出了所提出的激光设备的另一实施例。在该实施例中，VCSEL 300的层序列（层103-106）在通过蚀刻停止层100和n掺杂电流分布层102分离的VECSEL的层序列（层107-109）的顶部上形成。P接触320通过环接触在VCSEL 300上实现。用于n接触的另一接合焊盘340在电流分布层102上形成。VECSEL的层序列布置在光学透明的热扩散层504上，该层可以例如由钻石、蓝宝石或者SiC制成。该层安装在散热器501上，其包括通孔505，该通孔允许通过散热器501的通孔505实现VECSEL的激光发射220。利用该设计，镜元件400可以由光学不透明材料形成，例如由金属形成。形成VECSEL的外部镜的中心区410对于λVECSEL而言是HR（高反射率）涂敷的并且外部区420对于λVCSEL而言是HR涂敷的。
尽管在所述附图和前面的描述中已经详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的；本发明并不限于所公开的实施例。例如，所述镜元件可以具有用于实现希望的功能的任何形状，并且不限于球形或者抛物形状。此外，VCSEL和VECSEL的层结构并不限于所公开的序列。泵浦激光器和VECSEL也可以在不同的晶片或衬底上制造，其然后组合到所提出的设备。除了实例中所示的元件和层之外，另外的元件或层可以是所提出的激光设备的部分。例如，在层100与层109之间或者在层109顶部集成功能VECSEL元件是可能的，例如用于纵模选择的标准具，用于偏振稳定的偏振层，用于横模选择的孔径，用于锁模的可饱和吸收器，等等。本领域技术人员在实施要求保护的本发明时，根据对于所述附图、本公开内容以及所附权利要求书的研究，应当能够理解并实施所公开实施例的其他变型。在权利要求书中，措词“包括/包含”并没有排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”并没有排除复数。在相互不同的从属权利要求中记载特定技术措施这一事实并不意味着这些技术措施的组合不可以加以利用。特别地，设备的所有权利要求都可以自由组合。权利要求中的任何附图标记都不应当被视为限制了本发明的范围。
附图标记列表
100 蚀刻停止层
101 蚀刻停止层
102 电流分布层
103 n掺杂DBR
104 VCSEL的有源区
105 p掺杂DBR
106 帽盖层
107 未掺杂DBR
108 VECSEL的有源区
109 帽盖层
120 半导体芯片
200 VECSEL
210 光轴
220 VECSEL激光发射
300 VCSEL
310 泵浦辐射
320 p接触
330 n接触
340 接合焊盘
350 接合线
400 镜元件（自由形态的光学器件）
401 镜元件的第一表面
402 镜元件的第二表面
410 中心区
420 外部区
421 特殊形状的外部区
430 微透镜
500 衬底
501 基板/散热器
502 金属
503 焊料
504 光学透明热扩散器
505 通孔
Claims (12)
1.一种光学泵浦垂直外腔表面发射激光设备，包括至少一个垂直外腔表面发射激光器（200）和若干泵浦激光二极管（300），
所述垂直外腔表面发射激光器（200）包括
- 叠层，其至少形成垂直外腔表面发射激光器（200）的第一端镜（107，105）和有源区（108），以及
- 第二端镜（410），其形成垂直外腔表面发射激光器（200）的外腔，
所述泵浦激光二极管（300）被布置成通过在镜元件（400）处反射泵浦辐射（310）而光学地泵浦所述有源区（108），
其中所述镜元件（400）布置在垂直外腔表面发射激光器（200）的光轴（210）上，并且被设计成将所述泵浦辐射（310）聚集在有源区（108）中并且同时形成垂直外腔表面发射激光器（200）的第二端镜（410），其中泵浦激光二极管（300）被布置成朝镜元件（400）定向基本上平行于光轴（210）的泵浦辐射，使得泵浦激光二极管（300）提供的泵浦光斑自动地与垂直外腔表面发射激光器（200）的光模对准。
2.依照权利要求1的设备，
其中所述泵浦激光二极管（300）为垂直腔表面发射激光器。
3.依照权利要求1或2的设备，
其中所述泵浦激光二极管（300）在第一芯片上形成，并且垂直外腔表面发射激光器（200）的所述叠层在第二芯片上形成，所述第一和第二芯片安装在公共基板或者散热器（501）上。
4.依照权利要求2的设备，
其中所述垂直腔表面发射激光器以及垂直外腔表面发射激光器（200）的所述叠层在相同芯片上形成。
5.依照权利要求4的设备，
其中所述垂直腔表面发射激光器以及垂直外腔表面发射激光器（200）的所述叠层起源于芯片上的相同层序列（100，103-109）。
6.依照权利要求5的设备，
其中所述层序列（100，103-109）包括形成垂直腔表面发射激光器的层结构的第一层序列（103-106）以及形成垂直外腔表面发射激光器（200）的叠层的层结构的第二层序列（107-109），所述第一和第二层序列通过蚀刻停止层（100）分离。
7.依照权利要求1的设备，
其中所述镜元件（400）包括形成所述第二端镜的中心区（410）以及被设计成将所述泵浦辐射（310）反射和聚集到垂直外腔表面发射激光器（200）的有源区（108）中的外部区（420，421）。
8.依照权利要求7的设备，
其中所述中心区和所述外部区以不同的曲率形成。
9.依照权利要求1的设备，
其中所述镜元件（400）的所述外部区（420，421）被设计成在垂直外腔表面发射激光器（200）的有源区（108）中生成泵浦辐射（310）的强度分布，所述强度分布与垂直外腔表面发射激光器（200）的激光模式匹配。
10.依照权利要求1的设备，
其中所述镜元件（400）的所述中心区（410）被设计成在垂直外腔表面发射激光器（200）中生成不具有高斯强度剖面的激光模式。
11.依照权利要求1的设备，
其中所述镜元件（400）的主体由对于垂直外腔表面发射激光器（200）的激光辐射光学透明的材料制成。
12.依照权利要求1的设备，
其中所述泵浦激光二极管（300）被布置成朝所述镜元件（400）发射基本上平行于垂直外腔表面发射激光器（200）的光轴（210）的所述泵浦辐射（310）。
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