[发明专利]包含多层反射器的光学设备和垂直腔面发射激光器

说明书

技术领域

本发明涉及一种包含多层反射器的光学设备。

背景技术

(垂直腔面发射激光器)

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种光学设备，能够在垂直于半导体衬底的方向上发光，这样可以容易形成二维阵列。在执行从二维阵列发射的多束的并行处理时，能够获得较高的密度和较高的速度，由此可以期望各种工业应用。例如，当垂直腔面发射激光器阵列用作电子照相印刷机的曝光源时，可以通过使用多束(multibeam)的印刷工艺的并行处理来提高印刷速度。

当前实际使用中的垂直腔面发射激光器是一种用于主要产生红外区域(0.75μm至0.85μm)激光的设备。随着振荡波长从红外区域缩短到红光区域、蓝光区域和紫外区域，能够使束斑进一步减小，由此能够获得更高的分辨率。因此，需要垂直腔面发射激光器在从红光到紫外光区域中的实际应用。

通过缩短的波长而获得的分辨率增长和使用多束的并行处理的组合可以获得很显著的效果，因此期待着其作用于包括关于印刷机的应用的各种领域。当能够在其中光纤中散射或吸收很少的1.3μm至1.5μm的波段中振荡的垂直腔面发射激光器可以投入实用时，使用阵列光纤和阵列光源能够执行远距离大容量通信。

(多层反射器)

垂直腔面发射激光器的特征在于包括在垂直于衬底的面内(in-plane)方向的方向上提供的腔体。为了实现能够在室温下连续工作的表面发射激光器，反射率为99％或更高的反射器是必须的。

要使用的这样的反射器的例子包括多层反射器，其中按照λ/4的光学厚度多次交替层压具有相互不同的折射率的两种材料。这里，λ表示从光学设备中发射出的光的波长。通过将层的厚度乘以该层材料的折射率获得光学厚度。

(近红外垂直腔面发射激光器)

对于使用已经处于实用的GaAs半导体的近红外垂直腔面发射激光器，使用半导体多层镜，其中结合了具有极高结晶度的GaAs和AlAs。此外，还使用其中将Al成分少的AlGaAs和Al成分高的AlGaAs结合用于构成层的半导体多层镜。

然而，用于通信的长波长(1.3μm至1.5μm)激光和红光(0.62μm至0.7μm)激光存在一个问题，即它们的热特性不理想或者很难实现高功率输出。

也就是说，在用于产生通信波长区域或红光区域的光的活性层中，没有能够在60℃至80℃范围的高温中充分限制活性层中电子的镀层材料。因此，随着温度的增加，大量电子从活性层中溢出，使得热特性恶化，并且很难实现高功率输出。

在垂直腔面发射激光器中，通过高热阻的半导体多层反射器将由活性层产生的热量限制在活性层的附近。

因此，不幸地，为了产生上述波长的光而使用该材料的垂直腔面发射激光器是温度特性不理想的设备。

更具体地说，长波长垂直腔面发射激光器的常规多层反射器具有以下结构，其中将光学厚度为λ/4的InGaAsP层(高折射率层)和光学厚度为λ/4的InP层(低折射率层)交替层压为大量层对。在这种情况下，用作高折射率层的InGaAsP层的热阻比用作低折射率层的InP层的热阻大约高20倍。

在这种情况下，在2006年3月47th Seiken Symposium Preprints第80-81页(Precision and Intelligence Laboratory，Tokyo Institute ofTechnology)中，讨论了一种多层反射器，其中多层反射器构成层的光学厚度不设为λ/4。

更具体地说，对于长波长垂直腔面发射激光器的多层反射器，在2006年3月47th Seiken Symposium Preprints第80-81页(Precision and Intelligence Laboratory，Tokyo Institute ofTechnology)中，公开了一种多层反射器用于减小热阻，其中将热阻小的InP层的光学厚度设为大于λ/4的值，并且将热阻大的InGaAsP层的光学厚度设为小于λ/4的值。

构成多层反射器的高折射率层和低折射率层的总的层厚度固定为λ/2的光学厚度。因此，认为热耗散效果可以得到改善，由此可以提供在其中能够防止设备温度增加的多层反射器。

(紫外光/蓝光垂直腔面发射激光器)

GaN半导体材料用于在紫外光/蓝光区域(300μm至500μm)的垂直腔面发射激光器。对于多层反射器，例如，选择之间具有较大折射率差的一对GaN材料和AlN材料。