[发明专利]具有窄激光发射角度的多模垂直腔面发射激光器

说明书

技术领域

本发明涉及一种垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)，尤其是涉及一种模控制的VCSEL。

背景技术

在短距离光纤通信领域，利用作为激光源的VCSEL和作为传输路径的多模光纤进行传输的传输速度在可用水平上已经达到了百米距离以上10Gb/s。

VCSEL发射的多模（横模）激光在与多模光纤相应的本征模耦合时可在多模光纤内传播。由于传播速率的变化取决于本征模，所以接收到的信号波形可能被破坏，VCSEL的此种特性被称为“模式色散特性”。当使用多模光纤时，短距离光纤通信的传输性能（速度及距离）受VCSEL的“模式色散特性”的限制。

要降低模式色散及提高传输性能，则需要减小光纤中传播的激光的各个模式的传播延迟之间的差别。为了减小上述差别，则需要确定激光的传播模式以使最大传播延迟与最小传播延迟之间的差别减小。美国专利公告号为US2007/0153861的专利文献公开了一种VCSEL，其在上镜堆叠层的中央设置一凸起，称为镜延展。该凸起的设置增加了上镜堆叠层的反射率，因此具有凸起的中心区的反射率比边缘区的反射率要高。所以，位于中间区的具有高电场强度的低阶模比位于边缘区的具有高电场强度的高阶模更容易振荡。

然而，为了得到理想的多种振荡波长，需要限制基谐模或低阶模的振荡及促进高阶模的振荡。例如，名为“高速率、短程光学互连的改进多模光纤”的非专利文献，出自国际光学工程学会报，2008年第7134卷,71341L-1的图2（参见图1），作者Y.Sun,R.Lingle,G.Oulundsen,A.H.McCurdy,D.S.Vaidya,D.Mazzarese,T.Irujo，其显示了对于不同振荡波长的本征模与传播延迟（模式延迟）之间的关系。当波长为850nm时，1阶至9阶本征模的传播延迟随着阶的增加而减小，而大于9阶的本征模的传播延迟随着阶的增加而增大。当波长大于850nm时，如990nm或1300nm，传播延迟随着阶的增加而单调递增。因此，假如波长为850nm时，与在1阶至10阶本征模中传播光的情形相比，仅在7阶至10阶本征模中传播激光能减小最大传播延迟和最小传播延迟之间的差别（即减小模式色散）。也就是说，通过限制1阶至6阶低阶模的振荡及促进高阶模的振荡可降低模式色散。对于大于850nm的波长，与在1阶至10阶本征模中传播光的情形相比，以同样的方法也能减小最大传播延迟和最小传播延迟之间的差别（即减小模式色散）。

美国公告专利号为US2007/0217472的专利文献公开了一种VCSEL，其在分布式布拉格反射镜（distributed Bragg reflecting mirror,DBR）的中央之光发射面设有一凹部，该凹部与活性层重叠。DBR镜的中心区的堆叠镜层数较少，因此其反射率较边缘区低。基于此结构，位于边缘区的具有高电场强度的高阶模比位于中心区的具有高电场强度的低阶模更容易振荡。

然而，根据透镜（凹透镜）原理，DBR镜在光发射面的凹陷结构使得VCSEL发射的激光具有大的发射角度，会引起光散射及增加其在与光纤耦合时的损耗。

因此，亟待一种既限制低阶模振荡又减小激光发射角度的VCSEL，以克服上述缺陷。

本发明的目的在于提供一种VCSEL，能限制低阶模的振荡且减小激光发射的角度。

发明内容

本发明的一种垂直腔面发射半导体激光器，包括一半导体多层膜和一保护膜。所述半导体多层膜包括一下分布式布拉格反射镜、一上分布式布拉格反射镜以及位于所述下分布式布拉格反射镜和所述上分布式布拉格反射镜之间的用以产生激光的活性层，所述激光从所述上分布式布拉格反射镜发出。所述保护膜覆盖于所述上分布式布拉格反射镜之上以允许由所述上分布式布拉格反射镜发出的所述激光穿过。所述保护膜具有一中心区和一边缘区，所述中心区包括位于所述保护膜的一凸点，所述凸点通过所述活性层的中点沿所述半导体多层膜的层体层叠方向向所述保护膜突出而形成，所述边缘区环绕所述中心区，所述中心区具有相对所述边缘区向所述激光发射的方向突出的一凸起。所述垂直腔面发射半导体激光器满足下列关系式：

dp×n=(N/2)×λ,及

dc×n=dp×n+(1/4+M/2)×λ，

其中，

λ为真空中所述激光的波长；

dc为所述保护膜的中心区的膜厚度；

dp为所述保护膜的边缘区的膜厚度；