TW201345096A - 結合高反射性/頻寬受限的反射器之光激升表面發射雷射 - Google Patents

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Abstract

光激升雷射結構結合反射器，其具有高反射性，且頻寬受限於中心雷射輻射波長周圍之相對窄的頻帶。在一些情況下，反射器可為3/4波長分布布拉格反射器(DBR)。

Description

結合高反射性/頻寬受限的反射器之光激升表面發射雷射
本發明係關於一種雷射結構及其操作方法。
此處揭示的實施例包括光激升雷射結構，其結合具有高反射性的反射器，且反射器的反射性頻寬受限於中心雷射輻射波長周圍之相對窄的頻帶。
一些實施例包括一雷射結構，其包括一半導體增益區，該半導體增益區係構造成以一中心雷射波長發射輻射。一光學激升源係構造成朝該增益區發射一具有一中心激升波長的激升輻射束。包括一分布布拉格(Bragg)反射器(DBR)之一第一反射器係配置在該激升輻射束中，該第一反射器具有橫跨中心點位於該中心雷射波長處之小於約60 nm之一頻寬之大於約90%的反射性。該第一反射器亦具有位於該中心激升波長處之小於約50%之一反射性。該雷射結構包括一第二反射器，其中該增益區係配置在該第一反射器及該第二反射器之 間。
該第一反射器可包括若干個層對，每一層對具有一第一層及一第二層，其中該第一層之一光學厚度為3/4的該中心雷射波長，且該第二層之一光學厚度為3/4的該中心雷射波長。在一些例子中，層對的數目大於約6。
舉例來說，該第一反射器可包括非磊晶、介電質材料的交替層或磊晶生長之半導體材料的交替層。
在一些實施方式中，該第一反射器可具有多個具有不同導熱性的部分。該第一反射器之一第一部分可具有一第一導熱性，且該第一反射器之一第二部分可具有一小於該第一導熱性的第二導熱性。舉例來說，該第一反射器的該第一部分可包括磊晶生長之半導體的交替層，且該第二部分可包括非磊晶、介電質材料。
根據一些實施態樣，該中心激升輻射波長係介於370及530 nm之間，且該中心雷射波長係位於約390至約550 nm的範圍內。該激升輻射束可以一相對於垂直該第一反射器之一表面的角度入射在該第一反射器的該表面上。舉例來說，在一些實施方式中，該角度為約25至約30度或約35至約40度，且該第一反射器在約405 nm的激升波長處具有小於約25%的反射性。在一些例子中，該激升輻射束以約43度的角度入射在該第一反射器上，且該第一反射器在約445 nm的激升波長處具有小於約25%的反射性。
該雷射增益區可包括InGaN量子井層。該第 二反射器針對該峰值激升波長及該峰值雷射波長兩者可具有大於90%的反射性。
一些實施例包括一雷射結構，其包括一半導體增益區，該半導體增益區係配置在第一及第二反射器之間，且構造成以一中心雷射波長發射輻射。該半導體增益區係藉由一激升源來光激升，該激升源係構造成以一中心激升波長朝該增益區發射一激升輻射束。包括一分布布拉格反射器(DBR)的該第一反射器係配置為近接一散熱片，該第一反射器所具有的導熱性隨著與該散熱片的距離而改變。舉例來說，該第一反射器之一第一部分具有一第一導熱性，且該第一反射器之一第二部分具有一低於該第一部分之導熱性的第二導熱性，其中該第一部分比該第二部分更接近該增益區。該第一部分可包括磊晶生長之半導體材料的交替層，且該第二部分可包括非磊晶、介電質材料的交替層。
根據一些實施例，配置在第一及第二反射器間之一半導體增益區具有一第一側及一第二側，且構造成以一中心雷射波長發射輻射。一激升源係構造成以一中心激升波長朝該增益區發射一激升輻射束。該第一反射器為一分布布拉格反射器(DBR)，其係安排為近接該增益區的該第一側，並位於該激升輻射束之中。一反射表面係配置為近接該增益區的該第二側，且在該第二反射器及該反射表面之間具有一氣隙。
定位元件可安排為調整該氣隙之一厚度。可選擇該間隙，以便該激升輻射包括多個模式，且該雷射 輻射僅具有一單一模式。在一些例子中，該反射表面為一基板殘遺之一表面，該增益區係在其上磊晶地生長。
一些實施例包括一操作雷射的方法，該雷射包括一配置在第一及第二反射器之間的半導體增益區。一反射表面係配置為近接該增益區，以致該第一及第二反射器定義一主要雷射空腔，且該反射表面及該第二反射器定義一次要光學空腔。操作一激升源來光激升該增益區，該激升源發射具有若干個輸入模式的激升輻射。可調整介於該反射表面及該第二反射器間之一間隙，直到該雷射輸出一或多個選定的輸出模式為止。可調整該反射表面及該第二反射器間的該間隙，直到該雷射輸出少於該輸入模式之數目的若干個輸出模式。舉例來說，可調整該間隙，以便該輸出模式的數目僅為一。
110‧‧‧激升輻射
130‧‧‧箭頭
140‧‧‧基板殘遺
301‧‧‧增益區的外部空腔
710‧‧‧線
720‧‧‧線
730‧‧‧線
740‧‧‧線
830‧‧‧氣隙
835‧‧‧反射表面
836‧‧‧訊號
840‧‧‧電極
850‧‧‧間隔物
910‧‧‧中心波長
920‧‧‧縱模
921‧‧‧縱模
1100‧‧‧縱模
1210‧‧‧空腔模式
1220‧‧‧雷射放光波長
1230‧‧‧光致發光光譜
第1圖為一光激升垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)的圖，其結合高反射性/頻寬受限(HR/BL)之分布布拉格反射器(DBR)；第2圖繪示用於VCSEL裝置之構造，在其中安排激升源及半導體結構，以便激升輻射束以θ≠0的角度入射在半導體結構上；第3圖為一光激升垂直外部空腔表面發射雷射(VECSEL)的圖，其結合HR/BL DBR；第4圖顯示相對用於HR/BL DBR的入射輻射波長之反射性及透射率的模擬圖，該HR/BL DBR包括8對沈積 在GaN上的SiO2/TiO2，並具有為460 nm之中心波長設計的3/4波長層厚度；第5圖顯示針對405 nm之激升波長，用於具有SiO2/TiO2層之3/4波長之HR/BL DBR(如針對第4圖敘述者)的反射性及透射率之角光譜的模擬圖；第6圖顯示針對445 nm之激升波長，用於具有SiO2/TiO2層之3/4波長之HR/BL DBR(如針對第4圖敘述者)的反射性及透射率的模擬圖；第7圖比較各種實驗結構之預測的反射性與測量得到的反射性；第8圖為VECSEL的圖，其在增益區及反射器之間包括一小氣隙；第9圖顯示藉由類似第2圖所示之VCSEL之一第一實驗雷射結構產生之雷射放光的雷射放光光譜；第10圖顯示第一實驗雷射結構之VCSEL的輸出功率；第11圖證明藉由類似第8圖所示之VECSEL之一第二實驗雷射結構所產生的雷射放光，其包括一氣隙；第12圖顯示一系統之空腔模式的模擬，該系統包括可移動的外部鏡、氣隙、薄化的GaN殘遺及磊晶側DBR；以及第13圖繪示VCSEL，其包括配置在一增益區之任一側的第一及第二反射器，其中該第一反射器具有一第一部分及一第二部分，且該第一部分的導熱性異於該第二部分的導熱性。
垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)及垂直外部空腔表面發射雷射(VECSEL)(共同表示為V(E)CSEL)由於其高品質的光譜及空間光學雷射放光特性而受到關注。在用於紫外(UV)光、藍光及綠光的III-氮化物材料系統內實現V(E)CSEL具挑戰性。此處討論的實施例包括基於III-氮化物材料的構造，其係用於形成在接近UV至藍色光譜區域中發射之小型且低成本的V(E)CSEL系統。在一些例子中，V(E)CSEL系統可包括倍頻元件，以實現將波長降至UV-C範圍。
下文所討論的實施例包括整合至光激升雷射系統中之新式分布布拉格反射器(DBR)。此處討論的DBR可與任何類型的的半導體雷射(例如，邊緣發射器或表面發射器)併用，對VCSEL或VECSEL設計特別有用。此處討論的DBR設計針對所需的V(E)CSEL雷射波長提供高反射性，並針對小型及低成本的半導體激升源提供高透明度。一些設計包括具有高反射性及有限反射性頻寬的DBR。舉例來說，下文所討論的一些DBR於中心雷射波長處之小於約60 nm的反射性頻寬中具有大於90%的反射性。這些DBR在激升輻射的中心波長處具有大於約50%的透射率。在一些例子中，具有受限於接近雷射波長之反射性頻寬的高反射性DBR係使用3/4波長厚的DBR層製成，其顯著減少DBR的反射性頻寬，並允許自由選擇激升源。使用高反射性/頻寬受限(HR/BL)的DBR可有所幫助，因為這些DBR允許將具有設定好的發射波 長之市售、高功率的半導體激升源結合在光激升雷射系統之中。
一般而言，對表面發射雷射的短增益介質來說，需要高品質鏡。用於這類裝置的DBR在雷射波長處可具有大於90%或大於95%或甚至大於99%的反射性。V(E)CSEL的光激升容許增加DBR材料的彈性，因為DBR不需要導電而可使用介電質DBR。此外，光激升可幫助吸收激升輻射，且主要在增益區產生電子及電洞對(例如，量子井)，其減少用於雷射放光的定限條件。
針對在小型化且低價的系統中實現光激升V(E)CSEL，激升源的選擇受到關注。高光學輸出功率(例如，高達1瓦特)的光學激升源為當前市售之基於GaN基半導體雷射者，其係位於405 nm及445 nm的波長體制中。不過，提供高反射性之具有相對少材料層的介電質1/4波長DBR對使用這些激升源的V(E)CSEL而言為非光學，因為1/4波長DBR具有相對寬的反射性頻寬，從而在405 nm及445 nm的波長處反射。
雖然通常可應用至基於各種材料系統的雷射，下文所討論的範例包括用於在紫外(UV)光、藍光及綠光波長處發射之基於III-氮化物材料系統之V(E)CSEL的DBR設計。所提出的DBR為所需的V(E)CSEL雷射波長提供足夠的反射性，並為激升源提供足夠的透射率。可使用各種材料及層厚度來達成例如大於95%反射性之高反射性的限制以及在雷射波長處受限的反射性頻寬，連同用於激升福射波長的足夠透射率。在一實施方式 中，高反射性/頻寬受限(HR/BL)DBR可使用3/4波長厚的材料層製成，其顯著減少DBR的反射性頻寬，並允許自由的激升構造設計。對3/4波長DBR而言，第i個DBR層的厚度係由下列方程式給定：
其中，λ l 為雷射輻射的中心(峰值)波長，且n(λ l )為層材料在雷射輻射之波長處的折射率。
在一些實施方式中，用於DBR層的材料為介電質材料組合，其具有相對高的折射率反差(例如，SiO2及TiO2)。使用這些高折射率反差材料意指可使用相對少層來達成高反射性。亦可使用具有較低折射率反差的材料，雖然將需要使用更多層來達成高反射性。DBR層的材料可包括介電質及/或半導體材料，其可磊晶地生長或非磊晶地沈積。
第1圖為一光激升垂直外部空腔表面發射雷射(VCSEL)的圖，其結合HR/BL DBR。此處討論的VCSEL及VECSEL裝置可操作如連續波(cw)雷射。第1圖的VCSEL包括一光學激升源；一第一反射器，其為HR/BL DBR；一第二反射器；以及一半導體增益區。如第1圖所指示，雷射光學空腔係由第一及第二反射器定界。增益區可包括數個量子井(QW)結構，且每一QW結構可包括一或多個量子井。增益區可藉由在基板上磊晶地生長增益區的半導體層來製成，隨後使基板薄化，留下基板殘遺140。在一些例子中，增益區可包括10個週期的InGaN雙量子井，其係藉由GaN基板上之金屬有機 氣相磊晶所沈積。雙量子井可以共振週期性增益方案安排，以便量子井的位置與雷射模式的電場圖案對準。第一反射器(HR/BL DBR)係沈積在增益區上。將GaN基板薄化，且第二反射器係直接沈積在增益區的背面之上。
舉例來說，增益區可包括多個量子井結構(例如，在基板上生長約10個週期之基於InGaN的雙量子井結構)。每一量子井結構可按順序包括下列層：一InGaN預應變層(In0.03Ga0.97N，35.3 nm厚)、一第一薄間隔物(GaN，5 nm厚)、一第一量子井(In0．18Ga0.82N，3 nm厚)、一第二薄間隔物(GaN，5 nm厚)、一第二量子井(In0．18Ga0.82N，3 nm厚)、一厚間隔物(GaN，21.7 nm厚)以及一載波限制及應變管理層(Al0.2Ga0.8N，20 nm厚)。可連同此處所討論之方法使用的額外結構及方法在共同擁有之美國專利申請案第S/N 13/427,105號中揭示，其全文內容係併入於此以供參照。
激升輻射110通過第一反射器及增益區，在增益區的量子井之中或接近此處產生電子-電洞對。電子-電洞對擴散至量子井，並再結合產生雷射輻射。雷射輻射在雷射光學空腔內受到第一及第二反射器反射，產生提供共振週期性增益的駐波。具足夠能量的雷射輻射通過第二反射器，由箭頭130指示。一些實施方式包括一可選擇的頻率轉換器(例如，非線性光學晶體，其在諧波處或在雷射輻射的和或差處產生輻射)。使用頻率轉換器，可獲得深紫外光光譜中的雷射輸出(例如，小於280 nm)。示於第1圖之可選擇的頻率轉換器可選擇性地用於 此處所述的所有實施例。如第3圖所示，當例如非線性晶體之頻率轉換器放置在VECSEL之空腔內時，倍頻可更有效率。
在一些實施例中，激升源為一氮化鎵(GaN)基的雷射二極體(或者，複數個雷射二極體)，其發射範圍為370至530 nm。舉例來說，為藍光數位播放器或投影顯示器設計的市售雷射裝置係在405 nm或445 nm處發射。這些裝置係當前可得，並可用作用於GaN基V(E)CSEL的激升源。這些激升源的輸出功率可位於0.5至10瓦特的範圍內。如第1圖所示，激升源光學可構造成提供一或多個透鏡的聚焦系統，其將激升輻射聚焦為直徑50至200 μm的激升束光點大小，達成超過50 kW/cm2的功率密度。增益區以所需波長輸出輻射束，舉例來說，位於420 nm至550 nm的範圍內。
在操作期間，增益區可變熱。為了降低熱產生所引起之性能劣化或甚至裝置損壞的可能性，可將裝置安裝在散熱片上，且第一反射器近接散熱片。散熱片可例如由銅或其他導熱材料(例如，鑽石)構成。一可選擇的第二散熱片可配置為近接第二反射器。如第1圖所示，散熱片具有一開口，以允許激升輻射進出第一反射器及增益區。或者，在散熱片對激升波長而言為光學透明的情況下(例如，透明鑽石)，便不需要散熱片中的開口。若於近接第二反射器處使用第二散熱片，第二散熱片亦具有一開口，以允許雷射輻射130的發射。在一些構造中，這些開口係在彼此上方置中。如第1圖所繪示， 在一些例子中，激升輻射束垂直第一反射器的表面入射在第一反射器上。在此構造中，激升源及半導體增益區可共軸地對準，致能結構之所有光學零件的線性安排，如第1圖所繪示。
第2圖繪示用於VCSEL裝置的另一構造，在其中安排激升源及增益區，以便自增益區輸出的激升源輻射110及輻射130並未共軸。在此安排中，激升輻射束以θ≠0的角度入射在半導體結構上。針對一給定波長改變激升輻射束的入射角度變動第一反射器的透射率/反射性特性，如在下文更詳細討論之。
第3圖繪示用於雷射結構之尚有另一可行構造。在此範例中，雷射係安排為VECSEL。第3圖所示的實施方式類似於第2圖所示之VCSEL構造的一些實施態樣，除了VECSEL包括隔開第二反射器，亦即，外部輸出耦合鏡，與增益區的外部空腔301。外部鏡可具有一曲面，以接受雷射模式的高斯光束剖面。長空腔(舉例來說，50至200 mm)允許***如非線性晶體之額外的光學部件，以用於第二諧波產生或雙折射濾光片微調雷射發射波長。在一些實施方式中，可保留在其上生長增益區的VECSEL基板，以提供用於VECSEL的結構支撐。舉例來說，基板可具有足以幫助裝置裝卸的厚度或約100 μm的厚度。在這些實施方式中，基板材料將是大能帶間隙材料，例如，GaN或其他對激升輻射與雷射輻射兩者具有高透明度的材料。在第3圖所示的構造中，散熱片不需要孔口，因為裝置係從增益區的對面激升。
如先前所提及，第1至4圖中的第一反射器包括HR/BL DBR，其可使用各種材料及層厚度製造。DBR層的材料可包括介電質及/或半導體材料，其可磊晶地生長或非磊晶地沈積。在一些例子中，HR/BL DBR可包括若干個層對，其中每一層具有如在上文之方程式1中所提出的厚度。用在HR/BL DBR中的若干個層對取決於層的材料，不過，對高折射率材料來說，可使用少至7個層對
第4圖顯示反射性410與透射率420相對於入射輻射波長的模擬圖，其係針對包括8對沈積在GaN上之SiO2/TiO2，並具有針對460 nm之中心波長設計的層厚度的HR/BL DBR。在此範例中，假設分別用於SiO2及TiO2的n(λl)=1.46及2.2，每一SiO2層具有tSiO2=3x460 nm/4x1.46=236.30 nm的厚度，且每一TiO2層具有tTiO2=3x460 nm/4x2.48=139.11 nm的厚度。如同可從第4圖所見，與用於1/4波長之SiO2/TiO2 DBR的約150 nm相比，可實現高反射性(>99%)連同約55 nm之相當窄的頻寬。此外，可從第4圖觀察到此高反射性頻帶外側的波長(例如從約400 nm至約437 nm的波長)具有大於約50%的透射率。數個波長頻帶具有大於90%的透射率。舉例來說，在垂直入射處，約435 nm、423 nm及介於405至410 nm之間的激升輻射波長呈現大於約90%的透射率。
如先前所提及，高功率InGaN雷射二極體的兩波長(405 nm及445 nm)為市售具有高達1瓦特光學輸 出功率者。下文所提供的一些範例提供可應用至這些潛在之激升輻射波長的構造，雖然此處所述之方法的實施方式並未受限於這些特定的激升輻射波長。
第5圖顯示針對405 nm之激升波長，用於具有SiO2/TiO2層之3/4波長之HR/BL DBR(如針對第4圖敘述者)的反射性510及透射率520之角光譜的模擬圖。從第5圖可見到，對0至12、29及40度的角度來說，DBR提供高透射率，使這些角度特別適於激升。第6圖顯示針對445 nm之波長，用於具有SiO2/TiO2層之3/4波長之HR/BL DBR(如針對第4圖敘述者)的反射性610及透射率620的模擬圖。3/4波長之HR/BL DBR的角光譜證明在43度的角度下之激升於445 nm處提供高透射率。
模擬結果係以實驗結構進行驗證。四分之三波長之HR/BL DBR係以約460 nm至470 nm的目標波長製成。這些實驗結構組成具有沈積在石英及BK7上之四個層對的SiO2/TiO2之3/4波長的DBR。如在第7圖中可見到的，實驗結構的結果良好地與理論預測相匹配。在第7圖中，線710顯示預測的反射性結果，線720顯示來自沈積在石英上之第一4層對DBR的實驗反射性結果，線730顯示來自沈積在石英上之第二4層對DBR的實驗反射性結果，且線740顯示來自沈積在BK7上之第二4層對DBR的實驗反射性結果。
在一些構造中，如第8圖所繪示，VECSEL結構在第二反射器及增益區之間的小氣隙可用於增強激 升源的光譜品質。第8圖的VECSEL包括一第一反射器。一般而言，第一反射器可包括任何類型的反射器。在一些實施方式中，第一反射器為HR/BL DBR，其具有在雷射輻射波長λlase處置中之相對窄的反射性頻寬。HR/BL DBR的窄反射性頻寬不會在激升波長λpump處大量地反射輻射，允許裝置藉由激升源來光激升。HR/BL DBR之相對窄的反射性(R)頻寬允許激升輻射通過第一反射器並進出增益區，而在增益區中產生的雷射輻射會反射回到雷射光學空腔。舉例來說，在使用HR/BL DBR之第一反射器的實施例中，第一反射器可包括8對SiO2/TiO2，且具有用於SiO2層之236.30 nm的層厚度及用於TiO2層之139.11 nm的層厚度。
在一些實施方式中，第二反射器可具有相對寬的反射性頻寬，並在激升輻射波長λpump及雷射輻射波長λlase的兩處具有高反射性。舉例來說，第二反射器可包括1/4波長的DBR，並具有6.5層對的SiO2/TiO2，且SiO2層具有1.47的折射率nSiO2及78 nm的厚度，而TiO2層具有2.2的折射率nTiO2及約52 nm的厚度。此DBR在460 nm的波長處置中之約150 nm的頻寬內具有大於約99%的反射性。
在共振器雷射光學空腔內設置小氣隙830可以多模式激升輻射製造VECSEL的單一模式發射。此實施例提供用於改善激升源之光譜品質的可實行方法。配置在第二反射器及增益區之間的氣隙830在雷射光學空腔中於氣隙839及增益區之間的介面處產生第三反射表 面835。反射表面835及第二反射器定義次要光學空腔，其具有比雷射光學空腔短的光學長度。次要光學空腔及(主要)雷射光學空腔形成耦合的共振器。主要及次要光學空腔間的耦合導致某些輸出模式比其他模式更為優選。若一較佳模式與增益光譜重疊，則單一模式操作變為可行(例如參見下文之第12圖中所示的模擬)。在一些實施例中，可調整反射表面835及第二反射器之間的間隔，直到裝置所輸出的雷射輻射具有比激升源之輸入模式更少的輸出模式。
在一些實施方式中，可動態地調整氣隙，以提供一或多個選定的輸出模式(例如，單一主要輸出模式)。增益區及/或第二反射器可具有電極840，其係配置在它們向內的表面上且面向彼此，並在電極840之間具有可彈性變形的間隔物850。訊號836可藉由控制系統提供給電極840，以致使向內之反射表面835與第二反射器之間的距離變化，例如，靜電地、電磁地或壓電地改變位於其間之區域的形狀。氣隙間隔或形成氣隙之反射表面間的距離可具有廣域值，例如，約一微米至數十毫米的等級。較大的氣隙允許額外的光學部件***氣隙之中。舉例來說，可將非線性晶體***氣隙之中，以用於第二諧波產生或雙折射濾光片微調雷射發射波長。
第9圖顯示藉由類似第2圖所示之VCSEL之一第一實驗雷射結構所製造之雷射放光的雷射放光光譜，該結構不包括氣隙。在第一實驗結構中，增益區(以共振週期性增益(RPG)方案安排之10個週期的InGaN雙 量子井)係生長在塊狀的GaN基板上。1/4波長的SiO2/TiO2 DBR(第一反射器)係沈積在增益區之上。GaN基板係藉由拋光來薄化至小於100 μm的厚度。包括1/4波長之SiO2/TiO2 DBR的第二反射器係沈積在經拋光的基板背面之上。第11圖展示藉由類似第8圖所示之VECSEL之一第二實驗雷射結構所製造的雷射放光，該結構在增益區及第二反射器之間包括約10 μm的氣隙830。如先前所提及，其他氣隙厚度可用來達成類似的結果。針對第二實驗結構，兩個反射器均為1/4波長的SiO2/TiO2 DBR。兩個實驗結構均以在384 nm處發射之具有約40度的入射角度之脈衝染料雷射來操作並激升。
在第一及第二實驗裝置的兩者之中，增益晶片的材料品質係藉由結構及光學特徵化方法來證實。使用高解析度X射線繞射測量結合穿透式電子顯微鏡檢查來測定針對結構性質的光學參數。控制生長製程來產生銳層介面以及避免如V型缺陷之廣延缺陷的成長。對來自原子力顯微鏡(AFM)之2 μmx2 μm的掃描而言，增益區之磊晶表面的均方根(rms)表面粗糙度經測定為0.15 nm。試樣的內部量子效率(IQE)係藉由溫度相依的光致發光測量來測定。雷射試樣的IQE超過50%。
第9圖顯示第一實驗結構的雷射發射光譜，且發射具有453.7 nm的中心波長910。多個縱模920、921係清楚可見。雷射模式的線寬小於0.1 nm。個別雷射放光模式之間的模式間隔與共振器(光學空腔)的長度相關，該長度在此情況下由薄化的GaN基板及磊晶層的 厚度構成。厚度經測定為約73 μm。
第10圖顯示在室溫下之VCSEL(第一實驗結構)的輸出功率對染料雷射的峰值激升功率。峰值激升功率係藉由測量入射在試樣上的平均激升功率以及考慮激升雷射的脈衝長度及重複頻率而加以測定。定限激升功率可測定為約0.75瓦特。針對估計約30 μm的激升光點直徑，定限激升功率約為100 kW/cm2。
第11圖顯示VECSEL的雷射放光光譜，其在GaN晶片及DBR鏡(第二實驗結構)之間具有氣隙。如可由第10圖明白的，雷射發射的光學性質顯著地改變。鑒於針對不具有氣隙之第一實驗雷射結構所記錄的多個縱模，具有氣隙之第二實驗雷射結構的光譜顯示單一支配縱模1100。此外，雷射放光波長已偏移至440 nm。兩特徵可藉由考慮半導體及空氣間的額外介面835來加以解釋。
第12圖顯示系統之空腔模式1210的模擬，該系統包括可移動的外部鏡、氣隙、薄化的GaN殘遺及磊晶側DBR。雷射放光波長1220與這些模式之一相符。作為比較，亦顯示在與用於雷射操作之相同的激發條件下，不具有第二DBR之試樣的光致發光光譜1230。如可由第12圖明白的，空腔決定雷射放光的波長，其不必與QW的峰值光致發光發射波長相符。
入射激升光子具有比雷射光子更高的能量，且激升雷射光子的能量差表示量子缺陷。激升雷射光子的能量差係從裝置的主動區以熱的方式消散。此外，熱 產生係以非輻射重合的形式從非理想的材料品質發生。介電質反射器可使用高折射率反差材料，其提供非常良好的反射性並具有相對少層。不過，介電質可呈現相對低的導熱性，且當配置在增益區及散熱片之間時，以這些介電質材料製成的反射器可阻礙從增益區致散熱片的熱傳遞。在一些實施例中，雷射結構可包括反射器，其具有隨著與增益區之距離變化的導熱性。舉例來說，反射器的導熱性可具有隨著距離變化的導熱性。舉例來說，反射器之一第一區域中的導熱性k1可異於反射器之一第二區域中的導熱性k2。這類反射器可更佳地適於達成可接受之高反射性與可接受之高導熱性的雙設計限制，高反射性可使用高折射率反差介電質來實現，而高導熱性可使用具有比介電質材料之導熱性更高之導熱性的半導體材料來實現。
第13圖繪示包括配置在增益區之任一側上之第一及第二反射器的VCSEL。在此範例中，第一反射器係近接散熱片，並包括第一及第二部分(在第13圖中分別表示為部分1及部分2)。第一部分具有與第二部分之導熱性相異的導熱性。
在一些實施方式中，第一部分可由具有相對較高之導熱性的半導體材料製成。舉例來說，第一反射器的第一部分可包括磊晶生長在增益區上的半導體材料。第二部分可由具有比半導體材料相對較低之導熱性的介電質材料製成。第一反射器的第二部分可例如藉由濺射或蒸發製程來沈積在第一反射器的第一部分上。
在一些例子中，第一部分可為磊晶生長的半導體DBR部分，包括若干個層對的GaN/AlGaN(導熱性約ksemi=1.3 W/cm-K)或其他適用的半導體材料。第二部分可為非磊晶、介電質DBR部分，例如包括數個層對的SiO2/TiO2(導熱性約kdiel=0.04W/cm-K)。舉例來說，在一些實施方式中，第一部分可包括10.5層對的GaN/Al0.2Ga0.8N，其中GaN層具有約46.8 nm的厚度，且AlGaN層具有約48.8 nm的厚度。第二部分可包括4層對的SiO2/TiO2，其中SiO2層具有約78.8 nm的厚度，且TiO2層具有約53.2 nm的厚度。
若較高導熱性的材料(例如，半導體)與較低導熱性的(例如，介電質)併用，介電質部分的總厚度降低裝置的總體熱阻。在一些實施例中，第一部分或第二部分的一或兩者可為HR/BL DBR。HR/BL DBR的第一部分可由1/4波長的GaN/AlGaN對構成，且HR/BL DBR的第二部分可由3/4波長的SiO2/TiO2層對構成。
在所述之實施方式的各種實施態樣中提供若干個值及範圍。這些值及範圍當僅視為範例，並非打算限制申請專利範圍的範圍。舉例來說，在此揭示內容中所述的實施例可實行遍及所揭示的數值範圍。此外，若干個材料經識別為適於該些實施方式的各種面向。這些材料當視為示範之用，並非打算限制申請專利範圍的範圍。
先前之各種實施例的敘述已為了說明及敘述而非限制的目的呈現。所揭示的實施例並未打算全面涵 蓋或限制所揭示之實施例的可行實施方式。鑒於上述教義，許多修改及變化是為可行。
110‧‧‧激升輻射
130‧‧‧箭頭
140‧‧‧基板殘遺

Claims (10)

  1. 一種雷射結構，其包括：一半導體增益區，其係構造成以一中心雷射波長發射輻射；一激升源，其係構造成以一中心激升波長朝該增益區發射一激升輻射束；一第一反射器，其包括一配置在該激升輻射束中的分布布拉格反射器(DBR)，該第一反射器具有橫跨中心點位於該中心雷射波長處之小於約60 nm之一頻寬之大於約90%的反射性，該第一反射器亦具有於該中心激升波長之小於約50%之一反射性；一第二反射器，其中該增益區係配置在該第一反射器及該第二反射器之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射結構，其中該第一反射器包括若干個層對，每一層對包括一第一層及一第二層，其中該第一層之光學厚度為3/4的該中心雷射波長，且該第二層之光學厚度為3/4的該中心雷射波長。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之雷射結構，其中多個層對係大於約6。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之雷射結構，其中該第一反射器包括：一第一部分，其具有第一導熱性；及一第二部分，其具有小於該第一導熱性的第二導熱性。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之雷射結構，其中該中心激升輻射波長係介於約370及約530 nm之間，且該峰值雷射波長係於約390至約550 nm的範圍內。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之雷射結構，其中該激升輻射束係以一相對於垂直該第一反射器之一表面的角度入射在該第一反射器的該表面。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之雷射結構，其中：該半導體增益區具有一第一側及一第二側；一激升源，其係構造成以一中心激升波長朝該增益區發射一激升輻射束；該第一反射器係設置為近接該增益區的該第一側，並位於該激升輻射束之中；一反射表面，其係配置為近接該增益區的該第二側；以及一氣隙，其係介於該第二反射器及該反射表面之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之雷射結構，其進一步包括定位元件，該等定位元件係構造成調整該氣隙之厚度。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之雷射結構，其中該激升雷射束包括多種模式，且該雷射輻射包括一單一模式。
  10. 一種方法，其包含以下步驟：操作一雷射，其包括一半導體增益區，該半導體 增益區係構造成以一中心雷射波長發射輻射；第一及第二反射器與一反射表面，該反射表面係配置為近接該增益區，該第一及第二反射器定義一主要雷射空腔，且該反射表面及該第二反射器定義一次要光學空腔；操作一激升源，其係構造成發射具有多個輸入模式的激升輻射，該激升輻射朝向該半導體增益區且在該半導體增益區中至少部分地被吸收；以及調整該反射表面及該第二反射器間之一間隙，直到該雷射輸出少於該輸入模式之數目的多個輸出模式。
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