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CN102132466B - 基于半导体二极管激光器的场耦合阵列、线阵和堆栈提供高功率高亮度激光的光电系统 - Google Patents

基于半导体二极管激光器的场耦合阵列、线阵和堆栈提供高功率高亮度激光的光电系统 Download PDF

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CN102132466B CN2009801329422A CN200980132942A CN102132466B CN 102132466 B CN102132466 B CN 102132466B CN 2009801329422 A CN2009801329422 A CN 2009801329422A CN 200980132942 A CN200980132942 A CN 200980132942A CN 102132466 B CN102132466 B CN 102132466B
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Abstract

公开一种具有宽纵向波导和宽横向波导的半导体二极管激光器，其发射单纵模和单横模窄束的激光。纵向波导包括耦合腔结构，其中在放置在第一腔的激活介质中产生的光泄漏到第二腔中并返回。相位匹配条件控制单纵模的选择。多带横向波导优选地包括具有由多带的选择性泵浦产生的横向光学缺陷的横向光子带晶体。该方法允许单横模的选择，其与剩余的横向光模相比具有较高的光束缚因子和/或较低的吸收损失和/或较低的泄漏损失。这使得从大面积场耦合激光器阵列产生单横模激光成为可能。由单晶片上的多个场耦合激光器阵列和一组外反射镜组成的激光器系统使超宽场耦合激光器线阵能够发射单纵向光模和单横向光模的相干的激光。由在不同晶片上的多个超宽场耦合激光器线阵和一组外反射镜组成的激光器系统使超宽场耦合激光器堆栈能够发射单纵向光模和单横向光模的相干的激光。这允许基于半导体二极管激光器实现超高功率超高亮度的激光器系统。

Description

基于半导体二极管激光器的场耦合阵列、线阵和堆栈提供高功率高亮度激光的光电系统
相关申请的参考 
这是于2006年6月16日提交的题目为“EXTERNAL CAVITY OFTOELECTRONIC DEVICE”的美国专利申请11/453,980、于2007年1月3日提交的题目为“OPTOELECTRONIC DEVICE AND METHOD OF MAKING SAME”的美国专利申请11/648,551及于2007年6月6日提交的题目为“OPTOELECTRONIC DEVICE AND METHOD OF MAKING SAME”的PCT专利申请PCT/IB2007/004283的部分继续申请。前述申请由此在此通过引用并入。 
本发明涉及半导体光电器件领域。更特别地，本发明涉及具有窄光束发散的高功率高亮度的半导体二极管激光器及基于其的阵列、线阵和堆栈。 
发明领域
相关技术描述 
对于包括但不限于焊接、材料加工、投影电视、频率变化等的许多应用来说，存在对高功率半导体二极管激光器的需要。对于这些应用来说，高功率和高亮度(在单位立体角发射的功率)非常重要。 
传统的现有技术的边发射激光器具有严重的局限性。首先，输出功率受到激变性的光学镜片损坏的限制，且包括端面(facet)钝化、锌扩散(zinc diffusion)、或质子轰击的所有技术改进仍然在光功率密度上存在局限性。 为了通过保持相同的功率密度来实现更高的功率，需要使用大面积激光器。然而，从大面积激光器产生激光通常为多模的且还受到使激光辐射不可聚焦的光束丝化(beam filamentation)的影响。 
使用半导体二极管激光器作为用于泵浦固态激光器的泵浦源是非常昂贵的。因此，在本领域中需要允许高功率窄光束发散单纵模单横模产生激光的半导体二极管激光器。本申请公开一种能够使所需解决方案可行的方法。 
关于现有技术激光器，应该注意以下内容。为了确保在单纵模内产生激光发生(lasing)，通常使用具有窄纵向波导的激光器。图1(a)示意性地示出具有窄纵向波导103的现有技术大面积边发射激光器100的截面图。对于窄波导，我们意思是其厚度不超过真空中所发射的激光的波长的三倍的波导。图1(a)中的窄波导103夹在底披覆层102和顶披覆层109之间。激光器100通常外延地生长在优选为n-掺杂的基板101上。然后底披覆层102优选为n-掺杂的，且顶披覆层109优选为p-掺杂的。波导103优选包括一n-掺杂部分104、一未掺杂或弱n-掺杂部分105、一未掺杂的激活区106、一未掺杂或弱p-掺杂部分107、及一p-掺杂部分108。激活区包括双异质结构、一个或多个量子阱、一层或多层量子线、一层或多层量子点、或前述的任意组合。当施加正向偏压113时，激活区产生光。经由装配在基板101的背侧的底部n-型接触件111和优选装配在生长在顶披覆层109的顶部的重p-掺杂接触层110上的顶部p-型接触件112施加偏压。为了确保激光115从前端面116射出而不从后端面117射出，由多层电介质结构形成的抗反射涂层优选沉积在前端面116上，且由多层电介质结构形成的高反射涂层优选沉积在后端面117上。 
图1(b)示意性地示出从关于边发射激光器100的端面看的视图。通过选择性蚀刻在顶披覆层109上形成脊带118，且顶部接触件119仅保持在该脊的顶部上。为了确保高输出功率，通常制造大面积激光器，其中脊带的宽度约为50微米或更大。 
尽管窄波导通常仅能支持一种纵向光模，但在激光辐射中可存在多个横向光模。图2(a)示意性地示出从关于激光器100的端面看的视图，其 示意性地示出基横模221和一个高阶横模222。由于多模激光作用，来自大面积激光器的激光辐射的光束质量较低。另外，可能发生使光束质量更加恶化并使激光束不可聚焦的丝化。 
已提出了不同的方法来稳定横模，尤其在大面积激光器中，通过选择性蚀刻和过生长来稳定横模，其导致谐振-抗引导(resonant-antiguided)的阵列(所谓的ROW阵列)和反谐振反射光波导(ARROW)概念。这些方法中的一种在图2(b)中示出，其中引入波导中的电介质插入物231以稳定横向光模。图2(b)示意性地示出从现有技术边发射激光器200的端面看的视图，其中外来材料的插入物231被引入到波导中。这些插入物能够具有低于或高于波导的折射率的折射率，且它们用来稳定从激光器发射的光模的横向场。这样的方法包括复杂且昂贵的技术步骤，即蚀刻和过生长，并且实际上不能阻止多模激光作用。 
传统的划算的多带处理也不能够使单模运行可行。此外，如果使用具有窄波导的传统的激光器结构，如图3(a)所示，光场在各带下单独地成为局部的。图3(a)示意性地示出从具有多个脊318的现有技术边发射激光器300的端面看的视图。顶接触件通常装配在脊上。激活区内的注入电流分布(profile)取决于特定电流扩散分布。典型地，激活区内的光学增益在脊带的下面产生，且在激活区的其他部分，激活介质保持吸收。在纵方向上窄的波导内的横向光模在各脊带下产生，如同321示意性示出的一样。在相邻的脊带下产生的横向光模不重叠。这妨碍单个相干光场的形成，并因此导致所发射的激光的丝化，且没有可能期望的在亮度或可聚焦性方面的益处。 
因此，在本领域中存在对于大面积无丝的、具有窄横向光束发散的单横模激光器的强烈需求。利用本发明解决上述问题是可能的。 
发明内容
本发明公开一种提供高功率窄束单纵模单横模激光的半导体光电系统。 
在本发明的一个实施方式中，提出一种运行在单横模中达到有效的横向输出孔径的半导体光电器件。该器件基于作为有效宽纵向波导运行的多层外延结构，其使纵向近场能够延伸到超过光在真空中的波长的三倍的大小。在一个优选的实施方式中，在宽纵向波导内的单纵向光模的选择基于相位匹配效应。纵向波导包括两个由反射器连接的耦合腔。光在置于第一薄腔内的激活区产生，并部分地泄漏到第二厚腔内，从第二腔的背侧反射并返回到激活区，此处其与在第一腔内传播的光进行干涉。仅对于使器件的单纵模运行可行的一种纵模满足相位匹配条件，并因此，满足相长干涉。在一个实施方式中，第二厚腔只是一个优选地具有如镜的背侧的基板。在另一个实施方式中，第二腔是一厚的外延生长层或一多层结构。 
在宽单模纵向波导的顶部上，通过局部蚀刻顶披覆层形成多带图形。在一组实施方式中，仅一部分带被泵浦，且仅在该泵浦的带下的激活介质的部分中产生光增益。在激活介质的泵浦区中产生的光在横向平面内泄漏到邻近的区域，被反射回来并与沿着泵浦区中的带传播的光进行干涉。仅对于使大面积器件的单横模运行可行的一种纵模满足相位匹配条件，并因此，满足相长干涉。 
在另一组实施方式中，通过在表现周期性或准周期性脊的阵列的器件的顶披覆层的顶部上蚀刻来形成横向光子带晶体。与周期性分布的偏差，所谓的光学缺陷被引入，这能够局部化(localize)横向光模。由一个或几个比其余的脊宽、或包括附加的选择性沉积的电介质层的脊能够形成这样的局部化的光学缺陷。优选地选择光学缺陷的强度使得仅有一个光模，优选为基光模，在光学缺陷处被局部化并从光学缺陷衰减掉，而其余的光模遍及整个横向光子带晶体延伸。于是，对于基横向光模，在增益区的横向光模的光束缚因子要远远大于其他横模，这使得从大面积器件产生单横模激光可行。 
在又一组实施方式中，通过选择性地将电流仅注入到光子晶体结构部分内的光产生层而不将电流注入到该结构的其余部分来形成特定的光学缺陷。在光学缺陷内的光产生层部分中产生光增益，且电流没有注入到其余部分的光产生层中。 
泄漏区能够另外形成在横向光子带晶体的两侧。横向光模被区别在泄漏损失和/或吸收损失。取决于设计，在具体选择横向光子带晶体和横向光学缺陷时，能够或者在提供三波瓣横向远场图形的基光模中或者在一个提供对称的两波瓣远场图形的高阶横向光模中获得单横模光辐射。横向光子带晶体靠近其边缘的一部分的具体选择能够提高横模在泄漏损失方面的区分度。 
优选的实施方式将横向光子带晶体与提供纵向光模的大空间纵向延伸的外延结构的特定设计相结合。这确保具有单纵模、低纵向光束发散、单横模及低横向光束发散的光的辐射。 
另外组的实施方式涉及允许使用超宽横向波导并获得激光辐射的超高功率的激光器系统。公开了一种激光器系统，其包括至少两个具有超宽光波导的光电器件，其中波导优选地比光在真空中的波长的五倍宽，以及至少一个外反射镜。各光电器件优选地发射单光模的光。光电器件能够单独地作为增益芯片、发光二极管、或超辐射发光二极管(superluminescent light emitting diode)运行。光电器件还可单独地作为每一个均发射一个或多个光模的激光的二极管激光器运行，但是由不同的光电器件发射的光没有光耦合。至少一个外反射镜为系统的组合光模提供正反馈，使得系统发射单模激光。各光电器件的宽波导是高度优选的以确保器件的有效耦合。另外，由各光电器件发射的光的远场图形应该优选地包含两个窄的边波瓣，以确保相邻的器件的有效的光耦合。 
在本发明的一套实施方式中，系统包括在单晶片上的光电器件的阵列，其中各器件发射具有低横向光束发散的单横模的光，以及外反射镜的阵列。系统运行在边发射几何结构中。每个光电器件能够被实现为具有横向宽波导、横向张开的波导、或横向光子带晶体的器件。在本发明的一个实施方式中，各光电器件均作为增益芯片运行。各器件均包括一横向光子带晶体。增益芯片优选地发射单横模的光，其中所发射的光具有三波瓣横向远场图形。从各对相邻的增益芯片的边波瓣射出的光射在单个镜子上，因此提供在由不同的增益芯片发射的光之间的光耦合。选择增益芯片的阵列和外反射镜的阵列使得系统发射带有窄横向光束发散具有单波瓣远场图形的单横模的激光。系统中的各光电器件的宽横向波导和厚纵向波导两者是优选的以确保由各器件发射的光的有效耦合及单模相干的激光的形成。该方法允许制造能够产生超高功率超高亮度的激光的超宽场耦合激光器线阵。 
在本发明的另一个实施方式中，各光电器件发射单横模的光，其中所发射的光具有两波瓣横向远场图形。选择镜的阵列使得系统能够发射单横向光模的激光，该发射的激光也具有两波瓣横向远场图形。 
在本发明的又一个实施方式中，在由各光电器件发射的光之间的反馈由在横向波导的整个宽度之上延伸的一个或两个外反射镜来提供。 
本发明的再一个实施方式是可能的，其中激光器系统包括几个均制作在分离的外延晶片上的线阵，以及耦合由同一晶片上的光电器件发射的光和由相邻的晶片上的光电器件发射的光的外反射镜的阵列。选择器件和外反射镜使得激光器系统提供遍及所有的线阵延伸的单横向光模的激光。 
本发明的又一个实施方式包括一激光器系统，其包括每一个均制作在分开的外延晶片上的几个线阵的堆栈，以及耦合由同一晶片上的光电器件发射的光和由相邻的晶片上的光电器件发射的光的外反射镜的阵列。选择器件和外反射镜使得激光器系统提供遍及整个堆栈延伸的单横向光模的相干的激光。该方法允许制造能够产生超高功率超高亮度的激光的场耦合激光堆栈。 
所公开的激光器系统允许获得超高输出功率和超高输出功率密度，其对于包括但不限于焊接、材料加工、投影电视、频率变换(包括内腔式频率变换)、远程通信应用等的许多应用来说是非常重要的。 
另外，光电调制器元件能够用于本公开的激光器中，其中在波导的一部分中的折射率调制导致所发射的光的频率调制，即，导致所发射的激光的波长调制。该方法能够提供有效的散斑减少。 
本发明提供了一种半导体光电器件，包括： 
a)纵向波导，还包括 
i)第一腔； 
ii)第一反射器，其位于所述第一腔的第一侧； 
iii)第二反射器，其位于所述第一腔的与所述第一反射器相对的第二侧； 
iv)至少一个第二腔，其位于所述第二反射器的与所述第一腔相对的一侧；以及 
v)至少一个第三反射器，其位于所述第二腔的与所述第一腔相对的一侧；以及 
b)光产生元件，当施加正向偏压、将注入电流注入所述光产生层时，所述光产生元件能够产生光增益，其中， 
所述光产生层位于从以下位置构成的组中选择的一位置： 
i)在所述第一腔内的一位置，或 
ii)在所述第一反射器内的一位置，或 
iii)在所述第二反射器内的一位置，或 
iv)在所述第一腔和所述第一反射器之间的边界处的一位置；或 
v)在所述第一腔和所述第二反射器之间的边界处的一位置；及 
c)基板，其中所述纵向波导和所述基板的相对定位从三种备选方案中选择： 
i)所述第二腔是所述基板，且所述第三反射器是所述基板的后表面； 
ii)所述第二腔是单层或多层的外延结构，且所述第三反射器是所述基板；以及 
iii)所述第二腔是单层或多层的外延结构，且所述第三反射器是单层或多层的外延结构；以及所述基板位于邻近所述纵向波导；以及 
d)横向波导，其形成在所述纵向波导上与所述基板相对的侧上，其中所述横向波导晶体确保在横向平面中的两个方向的至少一个上的折射率调制； 
e)将所述注入电流注入到所述光产生元件的装置； 
其中，在所述光产生元件中产生的光在所述第一腔内传播并经由所述第二反射器部分地泄漏到所述第二腔；且 
其中，泄漏到所述第二腔的光在所述第二腔内传播，被所述第三反射器反射；在所述第二腔内传播并经由所述第二反射器返回到所述第一腔；且 
其中，在所述第一腔内传播的光和从所述第二腔返回的光之间发生干涉；且 
其中，相位匹配条件确定一个所选的纵向光模或几个所选的纵向光模；且 
其中，所述纵向波导是具有超过光在真空中的波长的三倍的厚度的宽波导；且 
其中，光功率的主要部分在所述一个或几个所选的纵向光模中发射；且 
其中，所述主要部分在80％以上；且 
其中，所述横向波导是具有超过光在真空中的波长的五倍的宽度的宽波导；且 
其中，选择所述横向波导使得在一个所选的横向光模中或在几个所选的横向光模中发射光功率的主要部分，且 
其中，所述主要部分在80％以上。 
在本发明所提供的半导体光电器件中，将注入电流注入到光产生元件的装置可包括一组接触件，包括： 
i)一底接触件，其位于基板的背侧； 
ii)一顶接触件，其装配在纵向波导的与基板相对的一侧上；其中顶接触件由包括以下方法的方法中的一种来装配： 
A)选择性装配顶接触件； 
B)将顶接触件装配在纵向波导的整个顶表面上； 
其中，当施加正向偏压时，一组接触件提供注入电流到光产生层。所述的半导体光电器件可从下列项构成的组中选择： 
a)发光二极管； 
b)超辐射发光二极管； 
c)增益芯片，以及 
d)二极管激光器。 
一个或几个所选的纵向光模可以是一个所选的纵向光模。 
一个所选的纵向光模可以是基纵向光模。 
一个或几个所选的横向光模可以是一个所选的横向光模。 
一个所选的横向光模可以是基横向光模。 
横向波导还可以包括： 
i)至少一个泵浦区； 
其中，当施加正向偏压时，在至少一个泵浦区中的光产生元件中产生光增益；以及 
ii)至少一个未泵浦区； 
其中，同样当施加正向偏压时，在至少一个未泵浦区中的光产生元件保持吸收。 
返回到第一腔的处在一个或几个所选的横向光模中的光可以与至少一个泵浦区重叠，其比处在其余横向光模中的光更强。 
沿着在至少一个泵浦区内的横向波导传播的光和在横向平面内泄漏到至少一个未泵浦区、反射回来并返回到至少一个泵浦区的光之间的相位匹配条件对于一个或几个所选的横向光模可被满足。 
横向光波导还可以包括： 
i)横向光子带晶体，其形成在纵向波导的顶部上，其中横向光子带晶体确保在横向平面内两个方向中的至少一个上的折射率调制；及 
ii)横向光子带晶体的光学缺陷。 
在横向平面内两个方向中的至少一个上的折射率调制可以是在一个方向上的调制。 
在一个方向上的调制可以是周期性调制。 
周期性调制可以由从以下项构成的组中选择的方式来提供： 
a)形成脊带的周期性序列； 
b)在脊带的顶部上沉积金属接触件； 
c)在脊带之间沉积电介质； 
d)选择性扩散杂质； 
e)选择性离子植入； 
f)选择性对器件进行退火； 
g)a)到f)的任意组合和重复。 
单横向光模可相对于其他横向光模在从以下项构成的特征组中选择的特征方面具有优势： 
a)较大的光束缚因子； 
b)较大的增益； 
c)较小的泄漏损失； 
d)较小的吸收损失； 
e)a)到d)的任意组合。 
所述的半导体光电器件还可以包括： 
k)泄漏池，其形成在纵向波导的顶部上，至少在自具有显著地泵浦的中央部的横向光子带晶体的一侧上。 
泄漏池可以由从以下项构成的组中选择的方式形成： 
a)形成没有接触件的宽脊； 
b)使用质子或离子轰击从而在泄漏池下产生一电绝缘区域，其中注入电流不流过光产生层。 
在一个方向上的折射率调制可除了横向光子带晶体的至少一个区域 外是周期性的，其中特别选择区域以提高除了单横向光模外的所有横向光模的泄漏损失。 
单横向光模可以是基横向光模。 
基横向光模的横向远场图形可以是主要单波瓣图形，其中所发射的光功率的至少80％集中在单波瓣内。 
单横向光模可以是高阶横向光模。 
高阶横向光模的远场图形可以是主要两波瓣图形，其中所发射的光功率的至少80％集中在两波瓣内。 
半导体二极管激光器可作为用于内腔式频率变换系统的初级光源运行。 
在横向平面内的两个方向的至少一个上的折射率调制可以是在两个方向上的调制，且其中半导体光电器件可以作为波长稳定的分布反馈激光器运行。 
所述的半导体光电器件，还可包括： 
i)光电调制器元件，当将一额外的偏压施加到光电调制器元件时，该光电调制器元件能够调制所发射的激光的波长。 
对所发射的激光的波长的调制可用于散斑减少。 
半导体光电器件可作为波长稳定的半导体二极管激光器运行。 
本发明还提供了一种半导体激光器系统，包括： 
a)半导体光电器件的阵列，其还包括至少两个半导体光电器件； 
其中从以下项构成的组中选择所述半导体光电器件的阵列： 
i)一维阵列， 
其中所述一维阵列限定所述阵列的一个方向；以及 
ii)二维阵列， 
其中所述二维阵列限定所述阵列的两个方向；且 
其中所述半导体光电器件能够发光；且 
其中所述半导体光电器件的阵列发光，使得由所述至少两个半导体光电器件中的第一个发射的光与由所述至少两个半导体光电器件中的第二个发射的光不相干；以及 
b)至少一个外反射镜； 
其中选择所述半导体光电器件的阵列和所述至少一个外反射镜使得所述半导体激光器系统发射限定在所述半导体光电器件的阵列的所述一个方向或所述两个方向上的处在单光模中的相干的激光。 
本发明还提供的半导体激光器系统中，至少两个半导体光电器件中的至少一个半导体光电器件可在半导体光电器件的阵列的一个方向或两个方向上具有宽输出光孔径； 
其中宽输出光孔径可以是所发射的光在真空中的波长的至少五倍。 
半导体光电器件的阵列可以是半导体光电器件的一维阵列。 
在阵列的一个方向上处在相干的光模中的相干的激光的远场图形可从以下项构成的组中选择： 
A)单波瓣远场图形， 
其中输出光功率的至少80％集中在单波瓣内； 
B)两波瓣远场图形， 
其中输出光功率的至少80％集中在两波瓣内；以及 
C)三波瓣远场图形， 
其中输出光功率的至少80％集中在三波瓣内。 
在阵列的一个方向上的单波瓣内或在阵列的一个方向上的两个单波瓣中的每个内或在阵列的一个方向上的三个单波瓣中的每个内处在单光模中的相干的激光的光束发散可以不超过两度， 
其中光束发散可被限定为半峰全宽。 
半导体光电器件的阵列可以是半导体光电器件的二维阵列。 
处在单光模中的相干的激光的远场图形可从以下项构成的组中选择： 
A)单模远场图形； 
其中输出光功率的至少80％集中在单波瓣内；以及 
B)多模远场图形，其还从以下项构成的组中选择： 
I)两波瓣远场图形； 
II)三波瓣远场图形； 
III)四波瓣远场图形；以及 
IV)六波瓣远场图形； 
其中输出光功率的至少80％集中在I)到IV)的数目的波瓣内。 
在阵列的两个方向中的每个上的单波瓣内或在阵列的两个方向中的每个上的多波瓣远场图形的数目的波瓣中的每个内处在单光模中的相干的激光的光束发散可不超过两度， 
其中光束发散被限定为半峰全宽。 
至少两个半导体光电器件中的至少一个半导体光电器件可从以下项构成的组中选择： 
A)边发射半导体光电器件；以及 
B)面发射半导体光电器件。 
边发射半导体光电器件还可从以下项构成的组中选择： 
I)边发射发光二极管， 
II)边发射超辐射发光二极管， 
III)边发射增益芯片， 
IV)边发射二极管激光器， 
V)边发射倾斜腔二极管激光器，以及 
VI)分布反馈边发射二极管激光器。 
面发射半导体光电器件还可从以下项构成的组中选择： 
I)面发射发光二极管， 
II)面发射谐振腔发光二极管， 
III)面发射超辐射发光二极管， 
IV)面发射谐振腔超辐射发光二极管， 
V)面发射增益芯片， 
VI)垂直腔面发射激光器， 
VII)倾斜腔面发射激光器。 
边发射半导体光电器件还可包括： 
a)纵向波导，其还包括： 
i)第一腔； 
ii)第一反射器，其位于第一腔的第一侧； 
iii)第二反射器，其位于第一腔的与第一反射器相对的第二侧； 
iv)至少一个第二腔，其位于第二反射器的与第一腔相对的一侧；以及 
v)至少一个第三反射器，其位于第二腔的与第一腔相对的一侧；以及 
b)光产生元件，当施加正向偏压、将注入电流注入光产生层时，光产生元件能够产生光增益，其中 
光产生层位于从以下位置构成的组中选择的一位置中： 
i)在第一腔内的一位置，或 
ii)在第一反射器内的一位置，或 
iii)在第二反射器内的一位置，或 
iv)在第一腔和第一反射器之间的边界处的一位置，或 
v)在第一腔和第二反射器之间的边界处的一位置；以及 
c)基板，其中纵向波导和基板的相对定位从三种备选方案中选择： 
i)第二腔是基板，且第三反射器是基板的后表面； 
ii)第二腔是单层或多层的外延结构，且第三反射器是基板；以及 
iii)第二腔是单层或多层的外延结构，且第三反射器是单层或多层的外延结构；以及基板位于邻近纵向波导；以及 
d)横向波导，其形成在纵向波导上与基板相对的侧上，其中横向波导晶体确保在横向平面的两个方向中的至少一个上的折射率调制； 
e)将注入电流注入到光产生元件的装置； 
其中装置包括一组接触件，还包括： 
i)底接触件，其位于基板的背侧上； 
ii)顶接触件，其装配在纵向波导的与基板相对的一侧上； 
其中在光产生元件中产生的光在第一腔内传播并经由第二反射器部分地泄漏到第二腔；且 
其中泄漏到第二腔的光在第二腔内传播，被第三反射器反射；在第二腔内传播并经由第二反射器返回到第一腔；且 
其中在第一腔内传播的光和从第二腔返回的光之间发生干涉；且 
其中相位匹配条件确定一个所选的纵向光模或几个所选的纵向光模；且 
其中纵向波导是具有超过光在真空中的波长的三倍的厚度的宽波导；且 
其中在一个或几个所选的纵向光模中发射光功率的主要部分；且 
其中主要部分在80％以上；且 
其中横向波导是具有超过光在真空中的波长的五倍的宽度的宽波导；且 
其中选择横向波导使得在一个所选的横向光模中或在几个所选的横向光模中发射光功率的主要部分；且 
其中主要部分在80％以上。 
在横向平面内两个方向中的至少一个上的折射率的调制可由从以下项构成的组中选择的方式来提供： 
i)形成脊带的序列； 
ii)在脊带的顶部上沉积金属接触件； 
iii)在脊带之间沉积电介质； 
iv)选择性地扩散杂质； 
v)选择性地离子植入； 
vi)选择性地对器件进行退火； 
vii)i)到vi)的任意组合和重复。 
在横向平面内两个方向中的至少一个上的折射率调制可以是在一个方向上的调制。 
在一个方向上的调制可以是还包括横向光学缺陷的周期性横向光子带晶体。 
横向光学缺陷可由从以下项构成的方式的组中选择的方式来形成： 
I)形成能够局部化横向光模的横向平面内的折射率分布；以及 
II)通过将电流注入到在顶部横向波导部分内的光产生层，选择性泵浦横向波导。 
横向光子带晶体可由一周期性序列的脊形成；以及 
横向光学缺陷可包括比横向光子带晶体的脊宽的至少一个脊。 
一个或几个所选的纵向光模可以是一个所选的纵向光模。 
一个所选的纵向光模可以是基纵向光模。 
一个或几个所选的横向光模可以是一个所选的横向光模。 
一个所选的横向光模可以是基横向光模。 
一个所选的横向光模可相对于其他横向光模在从以下项构成的特征组中选择的特征方面具有优势： 
a)较大的光束缚因子； 
b)较大的模式增益； 
c)较小的泄漏损失； 
d)较小的吸收损失； 
e)a)到d)的任意组合。 
横向波导还可包括：泄漏池，其形成在顶披覆层的顶部上，至少在自具有显著地泵浦的中央部的横向光子带晶体的一侧上。 
泄漏池可由从以下项构成的组中选择的方式形成： 
a)形成没有接触件的宽脊； 
b)使用质子或离子轰击从而在泄漏池下产生一电绝缘区域，其中注入电流不流过光产生层。 
基横向光模的横向远场图形可以是主要单波瓣图形，其中在基横向光模中由至少一个光电器件发射的光功率的至少80％集中在单波瓣内。 
单横向光模可以是高阶横向光模。 
高阶横向光模的横向远场图形可以是主要两波瓣图形，其中在单横向光模中由至少一个光电器件发射的光功率的至少80％集中在两波瓣内。 
形成半导体光电器件的阵列的所有半导体光电器件可位于单个外延晶片上。 
形成半导体光电器件的阵列的所有半导体光电器件可位于至少两个不同的外延晶片上。 
位于至少两个不同的外延晶片上的形成半导体光电器件的阵列的所有半导体光电器件可位于一个几何平面内。 
至少两个不同的外延晶片中的第一个和至少两个不同的外延晶片中的第二个可形成堆栈。 
在横向平面内两个方向中的至少一个上的折射率调制可以是在两个方向上的调制，以及 
半导体光电器件可发射波长稳定的光，使得半导体激光器系统作为波长稳定的激光器系统运行。 
所述的半导体激光器系统可作为用于频率变换系统的初级光源运行。 
频率变换系统可以是内腔式频率变换系统。 
本发明另外提供了一种半导体光电器件，包括： 
a)纵向波导，其还包括 
i)第一腔； 
ii)第一反射器，其位于所述第一腔的第一侧； 
iii)第二反射器，其位于所述第一腔的与所述第一反射器相对的第二侧； 
iv)至少一个第二腔，其位于所述第二反射器的与所述第一腔相对的一侧；以及 
v)至少一个第三反射器，其位于所述第二腔的与所述第一腔相对的一侧；以及 
b)光产生元件，当施加正向偏压、将注入电流注入所述光产生层时，所述光产生元件能够产生初级光，其中 
所述光产生层位于从以下位置构成的组中选择的一位置中： 
i)在所述第一腔内的一位置，或 
ii)在所述第一反射器内的一位置，或 
iii)在所述第二反射器内的一位置，或 
iv)在所述第一腔和所述第一反射器之间的边界处的一位置；或 
v)在所述第一腔和所述第二反射器之间的边界处的一位置；以及 
c)基板，其中所述纵向波导和所述基板的相对定位从三种备选方案中选择： 
i)所述第二腔是所述基板，且所述第三反射器是所述基板的后表面； 
ii)所述第二腔是单层或多层的外延结构，且所述第三反射器是 所述基板；以及 
iii)所述第二腔是单层或多层的外延结构，且所述第三反射器是单层或多层的外延结构；以及所述基板位于邻近所述纵向波导；以及 
d)非线性元件，其能够用于频率变换； 
e)将所述注入电流注入到所述光产生元件的装置， 
其中所述装置包括一组接触件，还包括： 
i)底接触件，其位于所述基板的背侧上； 
ii)顶接触件，其装配在所述纵向波导的与所述基板相对的一侧上； 
其中所述能够用于频率变换的非线性元件是包括所述纵向波导的至少一层材料。 
本发明另外提供的半导体光电器件中，在经由产生的初级光的频率变换获得的波长处纵向波导的至少一个光模可具有低损失，使得半导体光电器件能够发射在经由频率变换获得的波长处的光。 
所述的半导体光电器件还可包括： 
f)后端面； 
g)前端面； 
h)在后端面上用于初级光的高反射涂层； 
k)在前端面上用于初级光的高反射涂层； 
l)沉积在后端面上的、针对在经由产生的初级光的频率变换获得的波长处的光的高反射涂层。 
经由产生的初级光的频率变换获得的波长可以是产生的初级光的二次谐波的波长。 
附图简述 
图1(a)为现有技术传统边发射激光器的示意性截面图。 
图1(b)为从现有技术传统边发射激光器的端面看的示意图。 
图2(a)为从现有技术示出多模行为的边发射激光器的端面看的示意图。 
图2(b)为从现有技术边发射激光器的端面看的示意图，所述激光器包括具有不同的折射率的插入物以用于稳定横向光场。 
图3(a)为在具有窄纵向波导的传统边发射激光器的顶部上的脊带阵列。 
图3(b)为在具有宽纵向波导的传统边发射激光器的顶部上的脊带阵列，其中在各带下产生的光场重叠，产生遍及整个激光器结构的相干横向光场。 
图4(a)为具有到基板的光模的强泄漏的边发射激光器的示意图。 
图4(b)为图4(a)的结构的折射率分布。 
图5(a)示出基于泄漏到基板并从基板的背侧反射的光模采用对于纵向光模的相位匹配效应的器件的示意图。 
图5(b)更加详细地示出图5(a)的器件的示意图。 
图5(c)利用可能的处理布局之一的实例示出图5(b)中的器件的示意图。 
图6(a)示出对应于说明本发明的装置的波长-稳定运行的两个耦合腔的倾斜的光模的色散律曲线。 
图6(b)示出图5(b)的器件的发射光谱的示意性表示。 
图6(c)示出图5(b)的器件的远场图形的示意性表示。 
图7示出采用对于运行在允许单波瓣纵向远场图形的外腔几何结构中的纵膜的相位匹配效应的激光器的示意性表示。 
图8示出采用对于在包括两个耦合腔的外延结构中的纵向光模的相位匹配效应的器件的示意图。 
图9示出采用对于在多层外延结构中的纵向光模的相位匹配效应的器 件的示意图。 
图10(a)示出根据本发明的一个实施方式的器件的示意性截面图，其示出为基横向光模实现的相位匹配条件。 
图10(b)示出图10(a)的器件的透视图。 
图11(a)示出根据本发明的一个实施方式的器件的示意性截面图，其示出对于高阶横向光模不实现相位匹配条件。 
图11(b)示出图11(a)的器件的透视图，其示出对于高阶横向光模不实现相位匹配条件。 
图12(a)示出根据本发明的另一个实施方式从关于两带器件的端面看的示意图。 
图12(b)示出图12(a)的器件的示意性俯视图，其图解对于横向光模的相位匹配效应。 
图13示出实现对于横向光模的相位匹配效应的多带器件的示意性俯视图。 
图14(a)示意性地示出根据本发明的又一个实施方式的从包括横向光子带晶体的器件的端面看的视图。 
图14(b)示意性地示出图14(a)的器件的透视图。 
图15(a)示意性地示出关于包含光学缺陷的图14(a)的横向光子带晶体的有效的一维折射率分布。 
图15(b)示意性地示出图15(a)的有效的一维分布中的基横向光模和高阶横向光模的空间分布。 
图16为根据本发明的一个实施方式的由带脊形成的横向光子带晶体的俯视图，其中通过选择性泵浦某个区域而不泵浦该区域的外部来形成横向光子带晶体中的光学缺陷。 
图17为根据图16的实施方式的具有横向光子带晶体的边发射激光器的透视图，其中横向光子带晶体具有通过选择性泵浦某个区域来形成的光学缺陷。 
图18(a)为根据本发明的实施方式之一的横向光子带晶体，其中金属接触件装配在脊带的顶部上。 
图18(b)为根据本发明的实施方式之一的横向光子带晶体，其中电介质沉积在接触衬垫之间。 
图18(c)为根据本发明的实施方式之一的横向光子带晶体，其中金属沉积在电介质的顶部上，形成跨过整个顶表面的金属接触件。 
图18(d)为根据本发明的实施方式之一的横向光子带晶体，其中在接触件退火时金属沉积物覆盖整个顶表面。 
图19(a)为根据本发明的实施方式之一的横向光子带晶体的边缘，其中未泵浦的宽脊带形成用于自横向光子带晶体部分(泵浦的和显著泵浦的)的模式泄漏的介质。 
图19(b)为根据本发明的实施方式之一的横向光子带晶体的边缘，其中将质子或离子轰击用于阻止电流扩散并形成用于自横向PBC部分(泵浦的和显著泵浦的)的模式泄漏的未泵浦区。 
图20(a)为根据本发明的实施方式之一的横向光子带晶体的有效的一维折射率分布，其中光模泄漏到相邻区域。 
图20(b)为根据本发明的实施方式之一的横向光子带晶体的有效的一维折射率分布，其中在光子带晶体的边缘处的层的具体设计提高模在泄漏损失上的选择性。 
图21为本发明的实施方式之一的横向光子带晶体的两个横向光模的有效的一维折射率分布和空间分布。 
图22为图21的两个横向光模的横向远场分布。 
图23为根据本发明的实施方式之一的横向光子带晶体的有效的一维折射率分布和反对称横向光模的空间电场强度分布。 
图24为图23的有效折射率分布和图23的反对称横向光模的空间强度分布。 
图25为图22和23的横向光模的横向远场分布。 
图26(a)为根据本发明的实施方式之一从边发射激光器的端面看的视图，在边发射激光器的顶部上形成有具有泄漏区的横向光子带晶体。 
图26(b)为图26(a)的激光器的俯视图。仅横向光子带晶体结构的中央部分被泵浦或显著地泵浦。 
图27(a)示出根据本发明的又一个实施方式的用于产生波长稳定的光的装置的示意图，其中在腔的材料中发生二次谐波产生，且优选地发射在二次谐波处的光。 
图27(b)示出图27(a)的实施方式的器件的两个耦合腔的色散曲线的示意图。 
图28为根据本发明的实施方式之一的具有二维横向光子带晶体的激光器的俯视图，其中在纵向上的带的调制用于稳定波长。仅横向光子带晶体结构的中央部分被泵浦或显著地泵浦。 
图29为根据本发明的实施方式之一的具有二维横向光子带晶体的激光器的俯视图，其中在纵向上的带的调制用于稳定波长，且调制的带形成倾斜的二维图形。仅光子带晶体结构的中央部分被泵浦或显著地泵浦。 
图30为具有横向光子带晶体的张开设计(flared design)的激光器的俯视图。仅光子带晶体结构的中央部分被泵浦或显著地泵浦。 
图31为示出根据本发明的一个实施方式的基于横向光子带晶体的未耦合的增益芯片的阵列的透视图的示意图。 
图32为示出根据本发明的另一个实施方式的包括形成在单线阵上的增益芯片的阵列和形成所发射的激光的单横模的外反射镜的阵列的系统的透视图的示意图。 
图33为示出根据本发明的又一个实施方式的包括形成在单线阵上的增益芯片的阵列和形成所发射的激光的单横模的外反射镜的阵列的系统的透视图的示意图。 
图34为示出根据本发明的再一个实施方式的包括形成在单线阵上的增益芯片的阵列和形成所发射的激光的单横模的外反射镜的阵列的系统 的透视图的示意图。 
图35为示出根据本发明的另一个实施方式的包括形成在单激光器线阵上的增益芯片的阵列和形成所发射的激光的单横模的两个外反射镜的系统的透视图的示意图。 
图36为示出根据本发明的又一个实施方式的包括多个线阵的横向阵列和形成所发射的激光的单横模的外反射镜的阵列的系统的透视图的示意图。 
图37为示出根据本发明的又一个实施方式的包括多个线阵的堆栈和形成所发射的激光的单模的外反射镜的阵列的系统的透视图的示意图。 
图38为示出根据本发明的再一个实施方式的包括增益芯片的二维阵列(其每一个均具有宽输出光孔径)和形成所发射的激光的单横模的外反射镜的系统的透视图的示意图。 
图39为根据本发明的又一个实施方式的采用用于减少散斑的、所发射的激光的波长的光电调制的激光器的示意性截面图。 
图40为图39的实施方式的激光器的俯视图。 
发明详述 
与图3(a)相比，图3(b)示出不同的情况。激光器350包含在纵方向上宽的波导353。这意味着该波导优选地比真空中所产生的激光的波长宽三倍以上。例如，使波导具有10微米的宽度。这能够比得上相邻的脊368的中心之间的横向距离。在这种情形下，在各脊的下面所产生的光场的分布具有近似于圆形371的形状，且在相邻的脊的下面所产生的光场能够重叠。于是，能够在激光器上产生相干的横向光场。 
通常妨碍使用宽纵向波导的严重障碍与从宽波导产生激光常常是多模的事实有关。为了确保从宽纵向波导产生单纵模的激光，必须实施特别的新思想。由本发明的发明人在于2006年6月16日提交的、题目为“EXTERNAL CAVITY OPTOELECTRONIC DEVICE”的共同待决的专利 申请11/453,980，于2007年1月3日提交的、题目为“OPTOELECTRONIC DEVICE AND METHOD OF MAKING SAME”的美国专利申请11/648,551中提出了这种思想，而这些申请在此通过引用被并入。 
图4示出确保从宽波导产生单纵模激光的装置。器件使用泄漏波导，其中在置于波导内的激活区中产生的光基本上泄漏到基板或泄漏到第二波导、或第二腔，被反射回来，并返回到激活区。图4(a)示意性地示出边发射激光器的光学结构400。器件包括基板401、波导403、顶披覆层429、及顶接触层409。波导403还包括窄的底披覆层422、及波导403的中央部420，其中该中央部420包含层424、激活区425、及层426。图4(b)示意性地示出图4(a)的结构的折射率分布图。 
底披覆层422的厚度的减小导致泄漏损失的增大，因为光模到基板的隧穿变得更强。波导的中央部420的厚度的减小也导致泄漏损失的增大，因为光模被挤出波导。层424和426的折射率n2的减小也导致泄漏损失的增大和泄漏角 
Figure BPA00001317531400121
的增大。在一更加复杂的波导结构中，泄漏角由基板401的折射率和光模的有效折射率之间的关系控制。 
图5(a)示出由本发明的发明人在2006年6月16日提交的、题目为“EXTERNAL CAVITY OPTOELECTRONIC DEVICE”的共同待决的专利申请US 11/453,980公开的激光器500的示意图。器件包括基板401、波导403、及顶披覆层429。在波导内产生的光沿着波导传播，其由虚线504示意性地示出。沿着波导传播的光泄漏到基板401，通过基板传播，从基板的后表面531反射回来，并返回到波导403。基板内的光形成倾斜的光模、或斜波534。由于通常在50到300微米的范围的基板厚度远远超出波导403的厚度，输出光主要从基板射出来。输出光在两个纵向波瓣545上射出。 
图5(b)更详细地示出器件500的示意图。基板401由任意Ⅲ-V半导体材料或Ⅲ-V半导体合金形成。例如，GaAs、InP、GaSb。取决于所期望的激光辐射的发射波长，通常使用GaAs或InP。可选地，蓝宝石、SiC或[111]-Si用作GaN基激光器的基板，即，激光器结构，其层由GaN、AlN、InN、或这些材料的合金形成。基板401优选掺杂n-型、或施主杂质。可 能的施主杂质包括但不限于S、Se、Te，和两性杂质如Si、Ge、Sn，其中后者在如下技术条件下引入，即它们主要地被并到阳离子亚晶格中以用作施主杂质。 
n-掺杂的底披覆层422由与基板401晶格匹配或近似晶格匹配的材料形成，对产生的光是透明的，且掺杂有施主杂质。在GaAs基板401的情形中，n-掺杂披覆层优选由GaAlAs合金形成。 
波导420的n-掺杂层424由与基板401晶格匹配或近似晶格匹配的材料形成，对产生的光是透明的，且掺杂有施主杂质。在GaAs基板的情形中，波导的n-掺杂层424优选由Al含量低于n-掺杂披覆层422的Al含量的GaAlAs合金形成。 
波导420的p-掺杂层426由与基板401晶格匹配或近似晶格匹配的材料形成，对产生的光是透明的，且掺杂有受主杂质。优选地，波导的p-掺杂层426由与n-掺杂层424相同的材料形成，但是掺杂有受主杂质。可能的受主杂质包括但不限于Be、Mg、Zn、Cd、Pb、Mn和两性杂质如Si、Ge、Sn，其中后者在如下这样的技术条件下引入，即它们主要地被并到阴离子亚晶格中并用作受主杂质。 
p-掺杂披覆层429由与基板401晶格匹配或近似晶格匹配的材料形成，对产生的光是透明的，且掺杂有受主杂质。 
p-接触层409优选由与基板晶格匹配或近似晶格匹配的材料形成，对产生的光是透明的，且掺杂有受主杂质。掺杂水平优选高于p-披覆层429的掺杂水平。 
金属接触件511和512优选由多层的金属结构形成。金属n-接触件511优选由包括但不限于结构Ni-Au-Ge的结构形成。金属p-接触件512优选由包括但不限于结构Ti-Pt-Au的结构形成。 
一窗口形成在基板的背侧上，在该窗口中没有沉积底部或n-接触件511，且背部基板表面是如镜的。 
限制层425由与基板401晶格匹配或近似晶格匹配的材料形成，对产生的光是透明的，且可以是未掺杂的或弱掺杂的。激活区优选放置在限制 层425内，优选由任何插入物形成，插入物的能带隙窄于层422、424、426和429的能带隙。可能的激活区包括但不限于双异质结构，量子阱、量子线、量子点的单层或多层系统，或其任意组合。在GaAs-基板上的器件的情形中，激活区的实例包括但不限于InAs、In1-xGaxAs、InxGa1-x-yAlyAs、InxGa1-xAs1-yNy或类似材料的插入物的系统。 
高反射涂层517优选地装配在器件的后端面上，且抗反射涂层516优选地装配在器件的前端面上。 
器件运行如下。当施加正向偏压时，激活区产生增益。在泄漏波导420中产生的光504泄漏到基板401。基板内的光以一定的泄漏角 
Figure BPA00001317531400141
传播534到基板表面的平面。光从基板的背部表面531反射回来。因此，除了波导的中央部420(其中420可被视为第一腔)外，第二腔形成在泄漏波导420和基板的背部表面531之间。由于基板的厚度远远超出光在真空中的波长(优选的光的波长范围在300nm到3μm之间)，光在基板内的传播遵循几何光学定律。因此，为了允许来自基板的光经由端面射出，有必要使泄漏角 低于半导体-空气界面处的全内反射角。然后，光经过前端面射出(545)，优选地形成具有窄波瓣的两波瓣远场图形。 
如果基板的背部表面被抛光，光反射回激活区层且没有损失光的重要部分。即使来自波导420的额定泄漏损失高，阈值电流密度也是低的。此外，从基板回到波导403的光与仅沿着波导403传播的光504干涉。当保持相位匹配条件时，在波导403内传播的光和从基板返回的光之间的相长干涉发生。仅在某些波长处满足相位匹配条件，这导致波长选择性。在不同的方法中，基板的背侧可能会被涂覆，可能会应用蚀刻以能够进行波长调整，能够沉积光栅以进一步提高波长稳定性或使光通过基板的光栅耦出(outcouple)可行，等等。一个或几个涂层可以沉积在基板的背部表面上以保护表面的如镜的质量。 
图5(c)使用可能的处理布局之一的实例示出具有自基板表面的反射的器件的示意图，其中，底n-型接触件511的选择性沉积使背部基板表面531的某些部分未被覆盖，从而形成如镜的半导体/空气界面，使光从基板的背侧的如镜的反射可行。 
当沿着波导403传播的光504和泄漏到基板、在基板内传播534、从基板的背部表面531反射回来并返回到激活区425的光之间的相位匹配条件满足时，器件500产生激光发生。这仅对于所选的纵向光模和所选的波长发生，其使得单纵模运行和波长选择操作可行。 
图6(a)示出波长选择的原理。波导420和基板401都可被认为是腔，其每一个限制光模。限制在各个腔内的光模通过与处在光模中的光的波长和模的有效倾角相关的色散定律来描述。限制在波导420内的光模的波长，作为模式角(mode angle) 的函数，通过图6(a)中的实曲线来描述。限制在基板内的光模的波长，作为模式角 
Figure BPA00001317531400152
的函数，通过虚曲线给出。在两曲线的交点处满足器件500的相位匹配条件。由于基板401的厚度远远超出波导420的厚度，在图5(a)中基板401的光模之间的间距小于波导420的模之间的间距。激光器500在满足相位匹配条件的一个或几个所选的波长处产生激光，并因此，相长干涉和正反馈发生。即，在图5(a)中有波长λ1、λ2和λ3。在图6(b)中也示出激光辐射的光谱。如果仅有一个所选的波长与发光器件500的发光光谱重叠，激光器将产生波长稳定的激光。 
在限制在波导420内的光模和基板401的模之间的相互作用确定整个器件500的光模，且因此确定激光辐射的远场图形。图6(c)中示意性地示出远场图形。一般来讲，远场图形包含两个从基板产生的窄波瓣和一来自波导420的广角谱。如果把窄远场作为目标，波导420和泄漏角 
Figure BPA00001317531400153
优选以这样的方式进行设计，即确保大部分光功率在窄波瓣内发射。优选地，超过80％的总光功率在窄波瓣内发射。 
如果仅以单波瓣发射作为目标，这能够通过采用外反射镜来实现。图7示出使能在单个窄纵向波瓣内的激光发射的装置700的示意图。首先，激光器500发射具有两波瓣远场545的光。相应地，两个聚光镜741和742将光反射回到546端面。一个镜子741可被选择为半透明的以允许激光射出745，其具有单波瓣远场。装置700包括边发射器件500、在端面707和镜子741之间的第一腔、在端面707和镜子742之间的第二腔、不透明的聚光镜742和半透明的聚光镜741。 
由本发明的发明人在2007年1月3日提交的、题目为“OPTOELECTRONIC DEVICE AND METHOD OF MAKING SAME”的共同待决的专利申请11/648,551中教导了从宽纵向波导产生单模纵向激光的一种备选方案，该申请在此通过引用被并入。代替将光泄漏到基板，采用将光泄漏到第二腔中。图8示意性地示出包括被中间披覆层850隔开的第一腔853和第二腔803的激光器800。第一腔853因此以顶披覆层858和中间披覆层850作为边界。第二腔以底披覆层802和中间披覆层850作为边界。激活区856被置于第一腔853内。器件800优选生长在n-掺杂基板801上。底披覆层802、第二腔803、中间披覆层850和层854优选为n-掺杂的。层857和顶披覆层858优选为p-掺杂的。重p-掺杂的p-接触层409被置于顶披覆层858的顶部上。底n-型接触件811沉积在基板的背侧上。顶p-型接触件512沉积在p-接触层409的顶部上。 
当施加正向偏压113时激活区856产生光。在激活区内产生的光从第一腔853穿过中间披覆层850泄漏到第二腔803，在第二腔803内传播，从底披覆层802反射回来，并返回到第一腔853。当只在第一腔853内传播的光和泄漏到第二腔803并返回的光之间满足相位匹配条件时产生激光。类似于图6(a)，在当限制在第一腔853内的光模的色散曲线和限制在第二腔803内的光模的色散曲线相交时的这样的波长和有效角度处满足相位匹配条件。图8示出第一腔853内的斜光模870和第二腔803内的斜光模820。两个腔的光模之间的相互作用导致在整个器件800内的组合光模的形成。第一腔853优选不超过光在真空中的波长的三倍，而第二腔803宽得多，且能够达到10到30微米的典型尺寸。第二腔的这种扩大导致在两个窄纵向波瓣内的激光发射845。 
类似于图7，使用一外反射镜，获得在单个窄纵向波瓣内的激光是可能的。 
为了提高纵向光模的选择性，可以使用多腔器件。图9示意性地示出生长在基板901上的激光器900，并且其包括底披覆层902、其中放置有激活区的第一腔853、及顶披覆层858。一组被中间披覆层950隔开的腔940置于第一腔853和底披覆层902之间。在置于第一腔853中的激活区 内产生的光在腔853内传播(904)，从该腔泄漏并在附加的腔940和附加的披覆层950之间的界面处经历多次反射。在纵模内产生激光发生，对于纵模满足相位匹配条件。一组附加的腔940和披覆层950的设计允许对已经由图8中的器件800提供的纵模选择性的提高。 
因此，在由本发明的发明人于2006年6月16日提交的、题目为“EXTERNAL CATITY OPTOELECTRONIC DEVICE”的共同待决的专利申请US11/453,980，以及于2007年1月3日提交的、题目为“OPTOELECTRONIC DEVICE AND METHOD OF MAKING SAME”的US11/648,551(而这些申请在此通过引用被并入)公开的激光器允许从有效宽的纵向波导产生激光的选择性的单纵模。该模式选择基于仅对于一种纵模满足的相位匹配条件。光模的纵向延伸能够达到10微米或更多。该方法允许类似于图3(b)的多带激光器的制造，其中在相邻的带下产生的光场重叠。这潜在地允许自多带激光器的相干的横向光模的形成。 
可以用单个一般形式描述在图5、8和9中示出的具有宽纵向波导的器件中的单纵模选择的机制。纵向波导包括第一反射器、第一腔、第二反射器、第二腔和第三反射器。在该描述中，作为第一反射器的顶披覆层和作为第三反射器的底披覆层可被视为波导的部分。优选将激活介质放置在第一腔。在激活介质中产生的光在第一腔内传播并部分地泄漏到第二腔。光在第二腔内传播，从第三反射器反射，传播回并返回到第一腔。在第一腔中，仅在第一腔内传播的光和从第二腔返回的光之间发生干涉。当满足相位匹配条件时，相长干涉发生，其确定产生激光的纵向光模。因此，相位匹配效应允许获得从宽纵向波导产生的单纵模激光。另外，它允许器件的波长稳定运行。 
提供单模运行的纵向波导的另一种实现包括耦合的腔几何结构，其中将激活介质引入第一腔中，而第二腔位于第一腔的与基板相对的一侧。可选地，激活介质可以放在包围腔的反射器之一中或腔与反射器中的一个之间的边界上。 
提供单模运行的宽纵向波导的又一种实现包括耦合的腔几何结构，其中激活介质位于反射器中的一个和腔之间的边界上。 
提供单模运行的宽纵向波导的再一种实现包括耦合的腔几何结构，其中第二腔是外延地生长在基板上的单层或多层结构，而第三反射器只是基板。 
采用纵向光模的相位匹配效应并因此提供单纵模的选择的宽纵向波导是本发明的所有实施方式的基础。通过在横向平面内引入特定的横向波导能够显著地扩大这种方法的优势。 
单纵模宽波导允许多带器件，其中在相邻的带下面产生的光场重叠，如图3(b)所示。然而，在大面积激光器中这种相干的横向光场通常是多模的。此外，在结构中与非线性光学效应结合的不可避免的弱的非一致性能够再次导致丝化。因此，虽然纵方向上的宽波导允许获得相干的光场，但有对于横向光场的有效控制另外的装置是必要的。 
图10(a)示意性地示出从根据本发明的一个实施方式的激光器1000的端面看的视图。示出了基板401、底披覆层1002和纵向波导1003。为了简化没有示出顶披覆层。在结构的顶部形成脊带1018。一旦施加注入电流，其仅流过激活区的一部分。因此，激活介质1004包含产生光增益的泵浦区1041，和未泵浦的吸收区1042。由于一定程度的电流扩散，泵浦区1041可以比脊带1018略宽。 
纵向光模中的光通过基板传播，从基板的背部表面531反射回来，并返回到激活区。相位匹配条件还强烈依赖于光的横向光模。图10(a)示出处在基横模中的光的传播，对于其，在横向平面内的有效模式角小，且光传播的投影路径近似平行于脊。然后，在激活介质的泵浦部分产生的光返回到激活介质的泵浦部分，如同光路1080示意性地示出一样。对于这样的光，相位匹配条件发生。 
图10(b)示意性地示出器件1000的透视图，其再次示出处在基横向光模中的光路径。 
图11(a)示意性地示出同样的器件1000，但是关注于处在高阶横模中的光的传播。光路径1181从激活介质1004的泵浦部分1041开始，但是当光返回到激活区时，它到达未泵浦部分1042。对于该光，不存在相位匹 配条件。 
图11(b)示意性地示出器件1000的透视图，其示出处在高阶横向光模中的光路径。 
图12(a)示意性地示出根据本发明的另一个实施方式的激光器1200(从端面看的视图)。在该器件的顶部上制造两个脊。接触件1219沉积在第一脊1218的顶部上，而没有接触件沉积在第二脊1268的顶部上。 
图12(b)示意性地示出器件1200的俯视图，其示出处在横向光模中的光的传播。光在第一脊1218的下面的激活介质中产生。光沿着脊1230传播，并部分地泄漏(1280)到横向平面中。由于与平坦的表面相比，第二脊1268造成折射率分布的扰动，泄漏的光1280被反射回来并返回到第一脊1218下的激活区。对于某些横向光模满足在光1230和1280之间的相位匹配条件，而对于其他模式不满足，因此提供横向光模的选择性。 
图13示意性地示出根据本发明的又一个实施方式的激光器1300的俯视图。在该器件的顶部上形成多个脊。一个脊1318具有在其顶部上的接触件，且其下的激活区被泵浦。其他脊1368没有接触件，且其下的激活区没有被泵浦。在激活区的泵浦部分产生的光部分地沿着脊1330传播，并且部分地泄漏出并被相邻的脊1370反射回来并返回。对于某些横向光模满足相位匹配条件而对于其他横向光模不满足，这允许横向光模的选择，并且最终允许器件的单横向光模运行。为了确保窄横向光束发散，横向波导应该相当宽，优选地宽于光在真空中的波长的五倍。 
本发明的又一个实施方式采用用于有效选择横向光模的横向光子带晶体的概念。这扩展由本发明的发明人公开在较早的专利中的纵向光子带晶体的方法，该较早的专利为2001年9月4日提交、2004年10月12日出版、题目为“SEMICONDUCTOR LASER BASED ON THE EFFECT OF PHOTONIC BAND GAP CRYSTAL-MEDIATED FILTRATION OF HIGHER MODES OF LASER RADIATION AND METHOD OF MAKING THE SAME”的美国专利6,804,280。横向光子带晶体优选为在表面上产生的周期性图形，其中在与横向平面内的光的传播方向垂直的横向方向发生周期性调制。该表面的周期性调制产生折射率分布的周期性调制。此外，引入 光学缺陷，其中在该光学缺陷内周期性被打破。优选选择光学缺陷使得能够局部化(localize)激光辐射的横向光模。更具体地，选择光学缺陷的强度使得仅有一种模式，优选为基模被局部化在光学缺陷处并从该缺陷衰减掉，其中所有高阶横模遍及整个横向光子带晶体延伸。 
存在不同的方式来产生局部化的光学缺陷。图14(a)示出一种可能性。激光器1400包括相同的脊1418的周期性阵列和一个宽于其他脊的脊1428。稍宽的脊产生能够局部化横向光模的局部化的光学缺陷。 
图14(b)示意性地示出同一器件1400的透视图。 
图15(a)和15(b)示出横向光模的选择的机制。由简单的一维模型能够示出本公开的横向光子带晶体的基本特性。纵向波导限定纵向光模，且光模的有效折射率是横向平面内的“y”坐标的函数。因此，在横向平面的一维分布中的光模模拟三维结构中的横向光模的实际行为。精确的模型需要求解二维或三维Maxwell方程。 
图15(a)示意性地示出有效折射率的一维分布，示出作为比高折射率的相邻区域宽的高折射率的中央区域实现的光学缺陷。这模拟图14(a)和14(b)中示出的较宽的中央脊。图15(b)示意性地示出处在基横模和一个高阶横模中的光场的空间分布。具体地，绘制了电场强度的绝对值。图14(b)示出基横向光模局部化在光学缺陷处并从光学缺陷衰减掉，而高阶模遍及整个横向光子带晶体延伸。相应地，在光学缺陷处的基横向光模的强度高于高阶横向光模的强度。于是，如果接触件仅装配在中央脊1428上，则仅在中央脊下的区域，即光学缺陷的区域中泵浦激活区。相应地，光学增益仅发生在光学缺陷内，且在增益区中的基横向光模的光束缚因子高于所有高阶横向光模的光束缚因子。这促进包含由脊形成的横向光子带晶体的激光器的单横模激光的产生。因此，采用在共同未决的专利申请，即于2006年6月16日提交的、题目为“EXTERNAL CAVITY OPTOELECTRONIC DEVICE”的美国专利申请11/453,980和于2007年1月3日提交的、题目为“OPTOELECTRONIC DEVICE AND METHOD OF MAKING SAME”的美国专利申请11/648,551中公开的纵模选择的概念，与由于横向光子带晶体的横模选择相结合，允许从大面积激光器中有效地 产生单纵模单横模的激光。这使得具有单纵模单横模横向光束具有窄纵向发散和窄横向发散的高功率半导体二极管激光器可行。因此，带的宽阵列能够在单相干横向光模下产生激光。该器件能够被称为场耦合激光器阵列。 
在本发明的不同的实施方式中，将注入电流施加到光学缺陷的区域中的几个脊。在另一实施方式中，光学缺陷由几个脊形成。在又一实施方式中，光学缺陷由一个或几个比剩余的脊高的脊形成。在另一实施方式中，电介质选择性地沉积在一个或几个形成能够局部化基横向光模的光学缺陷的脊上。且又一个实施方式使用横向光子晶体中的光学缺陷的各种实现是可能的，其中这样的光学缺陷能够局部化基横向光模。 
另一组实施方式采用横向光子带晶体，其中所有脊的形状和宽度都是相同的，且光学缺陷仅通过选择性泵浦激活介质来形成。图16示意性地示出根据本发明的又一个实施方式的激光器1600的俯视图。在激光器结构的顶部上制造带的周期性阵列。优选将接触件装配在所有的带上。然而，只有某个区域1610被泵浦，即，只对特定组的带1615施加正向偏压，或者，至少该区域被显著地泵浦，即，在中央区域1610的光增益高于相邻的区域1620。相邻的区域1620没有被泵浦，即，没有将正向偏压施加到带1625。于是复合电流大部分流过特定组的带1615，且光增益主要产生在泵浦区的激活介质中。因此，光至少主要产生在泵浦区，且光模能够泄漏出泵浦区到未泵浦或弱泵浦区或多个区。 
图17示意性地示出与图16中相同的激光器的透视图，其中只有一部分带被泵浦。 
图18(a)到(d)表示本发明的不同的可能的实施方式。图18(a)示出激光器或增益芯片的中央泵浦部分，其中金属接触件沉积在脊带的顶部上。图18(b)示出一激光器，其中电介质另外沉积在接触衬垫之间。图18(c)示出一激光器，其中沉积的金属形成覆盖脊带和电介质插入物的连续接触件。图18(d)涉及一激光器，其中金属沉积在脊带的顶部上，并退火。于是金属接触件覆盖整个表面。 
高阶模的过滤通过将发射从显著泵浦的中央部分泄漏到器件的显著 未泵浦的边缘部分或多个部分来实现。我们注意到边缘部分能够通过接触件和披覆层中的电流扩散或通过由于光在厚波导结构内的传播导致的光泵浦来部分地泵浦。然而，由于不太有效的泵浦或较明显的吸收或散射，在边缘区域的总增益在器件的这个部分是较低的，这是重要的。 
图19(a)示出根据本发明的实施方式之一的激光器1900的顶表面上的带结构的边缘。端带1930具有或者较大的宽度或者较大的高度，或者两者，以提供光模的有效泄漏。由于较强的吸收或较弱的泵浦，横向光子带晶体结构的边带1920与中央部分1910相比具有较低的增益。 
图19(b)示出根据本发明的又一个实施方式的激光器的顶部上的带结构的边缘。金属接触件覆盖整个表面。离子或质子轰击用于阻止电流扩散到激活介质的某些区域。因此，离子或质子轰击形成未泵浦区，其中光模泄漏。图19(b)还示出用在该具体的实施方式中的电介质插入物。 
脊带、电介质插入物、金属接触件等形成介质的电介质函数的特定分布。脊和金属接触件的特定形状、电介质插入物、经受离子和质子轰击的区域确定电流扩散的特定分布。不均匀的电流扩散导致激活介质的不均匀的泵浦。因此，激活介质可包含较强或较弱的泵浦区。电流有助于激活介质的电介质函数。例如，超过透明阈值电流密度的电流密度在激活介质内局部地产生光增益，即，电介质函数的虚部变为负， 
Imε＜0                         (1a) 
激活介质的未泵浦区保持吸收，即 
Imε＞0                         (1b) 
由于电介质函数的实部和虚部通过Kramers-Kronig关系互相联系，不均匀的泵浦还导致电介质函数的实部的空间调制，且因此，导致折射率的调制。该调制另外也有助于由带形状强制(modulation forced by stripes shape)的调制。 
此外，如果带的阵列是理想周期性的，如图16所示，则一些带的选择性泵浦和其他带的不泵浦是光学缺陷的唯一原因。图16中的泵浦区起到横向光子带晶体中的光学缺陷的作用。 
这里应该注意金属接触件也可沉积在未泵浦的脊带上。这样做的目的之一是控制光学缺陷的强度。为了获得窄横向光束，需要在大距离之上在横向方向“y”扩展的光模。如果有效折射率的调制不是非常强烈(如果结构的泵浦区和未泵浦区的差别不是太大，这能够实现)，则能够做到这点。在所有的带上沉积金属接触件的第二个目的是选择性地增强金属接触件中光模的吸收性，这在图18(d)的实施方式中尤其明显。 
在本发明的另一个实施方式中，金属接触件仅沉积在泵浦区的带上。我们注意到通过定位接触件和电介质层，可以不同地影响不同横模内的增益和损失。例如，当脊之间的区域被强烈地泵浦时，由于较高的光束缚因子，主要的单波瓣基模将产生激光。相反地，在带之间的区域被弱泵浦的情况下，将选择带有振荡强度分布的高阶模，其具有在带之间的区域中的结点，用于产生激光。在两种情况下，将由横向光子带晶体泄漏效应去除不需要的寄生横模。 
几个另外的实施方式，其中通过选择性泵浦具体形成横向光子带晶体，示出光学缺陷是如何能够允许横向光模的有效过滤的。通过简单的一维模型能够再次图解横向光模选择的原理。图20(a)示意性地示出在横向平面中的“y”方向上的有效折射率分布2000。光学缺陷2010能够局部化横向光模，其从光学缺陷泄漏到左手边和右手边上的泄漏区2020。 
图20(b)涉及本发明的又一个实施方式。其示意性地示出在横向平面中的“y”方向上的有效折射率分布2050。缺陷是具有较高和较低的折射率的交替层的周期序列。周期性在缺陷的边缘处被有意打破，其中，层2085具有不同的、优选比遍及整个光学缺陷的相应层的厚度小的厚度。在图20(b)的具体实施方式中，在光学缺陷的边缘处具有较小的折射率的层比光学缺陷的其余地方具有相同折射率的层薄。能够完成过渡层的具体选择以提高光模在泄漏损失方面的选择性。 
图21示意性地示出在“y”横向方向的有效折射率分布(上部面板)和两种光模的空间分布(下部面板)。结构的中央部分由于较高的泵浦或较低的损失而具有显著较高的光增益。图中绘制了电场强度的绝对值。对于折射率的一维分布计算的光模模拟实际结构的横向光模。基横模比高阶 模在泄漏区具有较低的光场强度，因此说明基模的较低的泄漏损失。 
图22示出图21的两种光模的横向远场分布。在基模内发射的光的整体强度的96％集中在窄中心波瓣内。因此，横向光模的有效选择性能够允许在具有窄单波瓣远场的单横向光模下产生激光。由于横向光子带晶体的宽度能够适宜地在100到300微米，横向远场图形包含极其窄的波瓣，半峰全宽在1度以下。 
取决于脊带的特定形状，本发明的另一个实施方式是可能的，其中电流扩散分布具有这样的形状以致在脊带下的激活介质的部分被泵浦，而带之间的激活介质的部分没有被泵浦而因此吸收。因此，其强度在吸收区不会消失的横向光模将呈现高吸收损失。图23示出一个高阶反对称横向光模，其在所有吸收区具有电场的结点。画出有效折射率分布(上部面板)和电场强度分布(底部面板)。该模没有吸收，且在该反对称模式下产生激光将发生。 
图24示出有效折射率分布(与图23中相同)和反对称横向光模的强度分布。 
图25示出反对称光模的远场分布。实际上，反对称模的整个远场强度集中在两个对称的窄波瓣内。该模的一特定的优势在于对称的两波瓣图形是可聚焦的。 
更高阶的模具有更高些的泄漏损失且将被过滤掉。然而，为了设计这样的结构，应作出这样的折射率分布，即实际的高阶模本身不会被滤掉且将其泄漏损失设计得合理地低。 
图26(a)示意性地示出从激光器2600的端面看的视图，其带有通过带的周期性阵列产生的横向光子带晶体且在其左手边和右手边具有光模能够泄漏其中的宽泄漏区2630。优选将中央区域2610泵浦，而区域2620优选为仅弱泵浦或不泵浦。 
图26(b)示意性地示出同样的结构2600的俯视图。 
基于耦合的腔几何结构中的相位匹配效应的在本发明的激光器内的纵向光模的选择的物理机制允许一种新的用于二次谐波发生的全外延装 置，其不包括任何外反射镜或外部的光学非线性晶体。图27(a)示意性地示出根据本发明的又一个实施方式的用于产生波长稳定的激光辐射的装置2700。装置2700外延地生长在基板2701上，且包括第一反射器2758、第一腔2753、第二反射器2750、第二腔2703和第三反射器2702。本实施方式中的反射器被实现为渐逝反射器(evanescent reflector)，或仅为披覆层。 
装置2700如下运行。当施加正向偏压113时，位于第一腔2753内的激活区2756产生光增益。光在由激活区2756的增益光谱确定的光谱区中产生。腔2753的材料是非线性光学材料，其能够产生光的高次谐波。优选地，腔2753的材料能够产生光的二次谐波。因此，如果激活区2756产生在波长λ1处的光的一次谐波，该光能够部分地或完全地转化为处于在波长λ2＝0.5λ1处的二次谐波的光。非线性光学特性在大部分传统的半导体材料中是存在的，尤其在III-V半导体材料或III-V半导体合金中，包括但不限于GaAs、AlAs、InP、GaP、GaSb、GaN、AlN、以及这些材料的合金。由于III-V半导体材料的主体(bulk)对称性不包括反演(inversion)中心，这些材料能够产生光的二次谐波。装置2700的除了激活区2756之外的所有层都由对于光的一次和二次谐波透明的材料形成。然而，优选由量子阱、量子线、量子点或其组合形成的激活区2756，当产生处于在波长λ1处的一次谐波的光时，其通常吸收处于在波长λ2＝0.5λ1处的二次谐波的光的二次谐波。这妨碍从传统的光电器件中提取光的二次谐波。 
装置2700克服了该问题。如下选择腔2753和2703，及反射器2758、2750和2702。单独限制在第一腔2753内的光模的色散曲线(示出作为倾角 的函数的波长)在图27(b)中描述为虚线2771。该模式对应这样一种情况：其中渐逝反射器2750是足够厚的使得第一腔2753和第二腔2703之间不产生相互作用。单独限制在第二腔2703内的光模的色散曲线在图27(b)中描述为虚线2772。曲线2771和2772在点2775相交。如果反射器2750具有中等或小的厚度，则限制在两个腔内的光模之间的相互作用产生，导致色散曲线的反交叉(anti-crossing)。由实线2776和2777示出的色散曲线涉及在耦合的腔2753和2703内的结合的光模。由激活区2756 产生的光的一次谐波的波长被标记为λ1。优选地选择装置2700使得结合的光模的色散曲线2777在一次谐波的波长λ1处位于接近涉及隔离的第一腔2053的光模的色散曲线2771。这意味着该光模主要位于第一腔2053内。在二次谐波的波长λ2＝0.5λ处，两个光模存在于装置2700内，第一模具有有效角 且第二模具有有效角 
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结合的光模的色散曲线2776在二次谐波的波长λ2＝0.5λ1处接近于涉及隔离的第二腔2703的光模的色散曲线2772。这意味着在二次谐波的波长处的第二结合的光模主要位于第二腔2703内。然后该模仅被激活区2756弱吸收。在光的二次谐波的波长处的两个结合的光模之间的有效选择能够以下述方式中的一种来实现。 
第一种选择方法如下。在较大的有效角处的结合的光模的空间分布，即，关于色散曲线2776的第二结合的光模的分布具有比关于色散曲线2777的模的分布小的数目的光场，即电场(用于横电模)或磁场(用于横磁模)的结点。尽管在光的二次谐波的波长处的第二模主要位于第二腔内的事实，但是由于在光的二次谐波处的两结合的模的不同的结点位置，一次谐波处的光到二次谐波处的第一光模的非线性变换系数优选为显著小于光到二次谐波处的第二光模的变换的非线性变换系数。 
第二种选择方法基于在二次谐波的波长处的模之一的光场的结点中定位激活区2756。于是该模不被激活区2756吸收。由于第一模具有比二次谐波处的第二模大数目的结点，于是优选地选择第一模。 
第三种选择方法基于在二次谐波的波长处的两种光模的相长干涉和相消干涉的不同条件。优选地选择装置2700使得对于在光的二次谐波处的第二模，产生激光所需要的相位匹配发生，而对于在光的二次谐波的第一模不发生。这些方法的组合可用于选择在不被激活区2756吸收的二次谐波处的光模。能够引入三个或更多的耦合腔。一个或多个、或所有的反射器能够实现为多层干涉反射器(MIR)。 
装置2700优选具有沉积在前端面上的抗反射涂层2712和沉积在后端面上的抗反射涂层2711。这两个涂层都减小或阻止一次谐波处的光的发射。此外，优选地用于光的二次谐波的高反射涂层2761沉积在后端面上，以确保二次谐波处的光的发射2745仅穿过前端面。 
装置2700优选地产生二次谐波处的波长稳定的激光。另一种实施方式是可能的，其中装置产生二次谐波处的激光，而激光不是波长稳定的。 
如果结构外延地生长在邻位的或高折射率基板上，则能够增强III-V半导体的非线性光学效应。然后激活区的量子插入物能够形成量子线或点的阵列，而不仅是量子阱。 
本发明的激光器的操作原理，其包括基于相位匹配标准的对纵向光模的选择，还包括波长选择性，如图6(a)和6(b)所示。表面图案化允许增强波长选择性。图28示出具有由带状脊形成的横向二维光子带晶体的激光器2800的俯视图。在与光的横向传播垂直的横向(“y”)方向上的调制包括强泵浦区2810、弱泵浦或未泵浦区2820、和泄漏区2830。在纵向(“x”)方向上的周期性调制包括带的间断2840，且该调制产生分布反馈。二维横向光子带晶体允许单横模波长稳定的产生激光，带有增强的波长选择性。 
图29示出根据本发明的又一个实施方式的具有横向二维光子带晶体的激光器2900的俯视图。在与光的横向传播垂直的横向(“y”)方向上的调制包括强泵浦区2910、弱泵浦或未泵浦区2920、和泄漏区2930。带的间断2940的序列形成非(像图28中的)矩形的，而是形成为倾斜的图形。再次，二维横向光子带晶体允许单横模波长稳定的产生激光，具有增强的波长选择性。选择倾角以获得较好的波长选择性。 
图30示出激光器3000的俯视图，其中脊图形是张开的。在窄部分3080内的横向光子带晶体允许单横模产生激光，且该模传播到横向光子带晶体是宽的部分3090，其允许高功率单横模运行。横向光子带晶体的中央部分3010优选为强泵浦的，而相邻的区域3020优选为未泵浦或弱泵浦的。区域3030为未泵浦的泄漏区。 
本发明的另一个实施方式是可能的，其中，在横向光子带晶体的形成中使用的处理不仅包括顶披覆层，而且还包括波导的一部分。在本发明的又一个实施方式中，多层结构作为顶披覆层操作，且在形成横向光子带晶体的过程中选择性地蚀刻该多层结构。在所有这些情况中可以限定顶披覆层使得i)所有的处理仅影响顶披覆层，且波导保持原样，及ii)顶披覆层 可以为单外延层，或一多层结构。 
在该限定下，激活介质位于波导内且不受顶披覆层的处理的影响。另一个实施方式是可能的，其中激活介质被蚀刻穿透。这在量子阱激光器的情况中是不适宜的，因为蚀刻产生高缺陷密度，其中缺陷作为严重恶化器件的光学性能的非辐射复合的中心。在量子点激光器的情况中，可以将激活介质蚀刻穿透，而器件仍可以运行。因此，可以将本公开的器件描述为其中激活区或者位于波导内，或者位于顶披覆层内的器件。 
还可以将纵向光模的纵向延伸限定为集中90％的光功率的距离。 
虽然上述实施方式允许获得具有窄横向光束发散的、大面积、单横模激光器，但这些方法具有一定的局限性。激光器越大，横向光子带晶体越大，横向光模的数目越大，且模式识别越弱。此外，对于超大面积的激光器，出现对于技术容限的非常高的要求。除了所选的横向光子带晶体的光学缺陷外，不可避免的带的宽度和深度的变化可能产生光模的寄生局部化电势(parasitic localization potential)，因此使器件的运行恶化。实际可行的是具有泵浦的激光区域达到200-300微米的激光器。这种大面积激光器、或场耦合的激光器阵列能够发射具有达到10W连续波运行的输出功率的单模激光。 
为了实现在具有窄横向光束发散的单横模中甚至更高的输出功率，需要具有甚至更宽的泵浦区的激光器或激光器系统。本发明的进一步的实施方式集中在解决该问题。根据本发明的一个实施方式，图31的示意图示出基于横向光子带晶体的未耦合的激光器的激光器线阵3100的透视图。激光器在单外延晶片上被处理。在激光器结构的顶部上制造横向光子带晶体。横向光子带晶体包括至少两个被未泵浦的泄漏区分开的泵浦区。图31示出第一泵浦区3110和第二泵浦区3160。该结构优选包括多个泵浦区，优选至少五个。两个相邻的泵浦区的每一个均被一未泵浦的泄漏区分开。在图31示出未泵浦的泄漏区中的两个3120和3170。在与第二泵浦区相对的一侧与第一泵浦区相邻的区域也优选为未泵浦的泄漏区。在与第一泵浦区相对的一侧与最后一个泵浦区相邻的区域也优选为未泵浦的泄漏区。 
当激光器阵列运行时，在相邻的未泵浦区的背景上的各泵浦区起着横 向光子带晶体中的光学缺陷的作用，且各泵浦区域发射单横向光模的光。由于本发明的激光器的纵向远场通常包含两个纵向波瓣，如图5和图8中所示，且单个场耦合阵列的横向远场通常包含三个横向波瓣(如图22中所示)，泵浦的场耦合阵列，3110、3160及其他中的每一个在六波瓣内发射光。这在图31中示出。关于由场耦合激光器阵列3110发射的激光，投影到(xy)平面上的发射光束形成三条线。中心线3115通过指向下的中心光束3114和指向上的中心光束3116的投影形成。一条边线3112通过指向下的边光束3111和指向上的边光束3113的投影形成。另一条边线3118通过指向下的边光束3117和指向上的边光束3119的投影形成。 
类似地，场耦合激光器阵列3160在六波瓣内发射激光。投影到(xy)平面上的发射光束形成三条线。中心线3165通过指向下的中心光束3164和指向上的中心光束3166的投影形成。一条边线3162通过指向下的边光束3161和指向上的边光束3163的投影形成。另一条边线3168通过指向下的边光束3167和指向上的边光束3169的投影形成。 
然而，由不同的泵浦区，即3110和3160产生的光场不耦合。其意味着虽然各泵浦区发射激光的单横向光模，但作为整体的线阵运行在多模状态下，类似于丝化的情形。从在图31中示出的激光器线阵3100比从像图17中所示的单个激光器获得更高的功率是可能的。然而，从激光器线阵3100发射的光将不是单模的。为了从整个阵列获得单横模的光，需要另外的装置。 
根据本发明的另一个实施方式，图32示出包括形成在单个激光器线阵3100上的增益芯片的阵列和外反射镜的阵列的系统3200的透视图的示意图。放置外反射镜使得在远场图形的边波瓣内从相邻的泵浦区发射的光射在同一反射镜上。在图32中，在边波瓣3117内由第一泵浦区3110发射的光和在边波瓣3161内由第二泵浦区发射的光射在一组外反射镜中的同一外反射镜3251上。由于各个增益芯片的阵列在纵方向上向上和向下发射光，系统3200包括两组外反射镜。下面的一组外反射镜3251耦合由增益芯片的相邻阵列向下发射的光。例如，自下面组的反射镜中的一个3251耦合在边波瓣3117内由阵列3110向下发射的光和在边波瓣3161内由阵列 3160向下发射的光。上面的一组外反射镜3252耦合由增益芯片的相邻阵列向上发射的光。例如，自上面组的反射镜中的一个3252耦合在边波瓣3119内由阵列3110向上发射的光和在边波瓣3163内由阵列3160向上发射的光。 
优选设置形成图32的线阵的各增益芯片使得没有外反射镜时，损失相当高，且各增益芯片不作为激光器而是作为发光二极管运行。在本发明的优选实施方式中，这通过在阵列的前表面上沉积抗反射涂层来实现。抗反射涂层增大关于中心波瓣、或边波瓣、或两者的光输出损失。优选地选择外反射镜使得它们对于以一倾角射在镜子上的光来说为不透明的或仅弱透明的，其中倾角指的是各单个泵浦区的远场图形的边波瓣。外反射镜优选地由多层电介质结构形成。 
外反射镜结合两种功能。首先，镜子减小光输出损失。再次，镜子提供在相邻的泵浦区之间的正反馈。优选地，选择镜子使得正反馈发生，且光输出损失显著减小，使得仅对于是对于由增益芯片构成的整个线阵的横向基光模的一横向光模，总增益胜过总损失。因此，包括增益芯片的阵列与外反射镜的阵列结合的系统能够发射达到非常高的输出功率的单横向光模的相干的激光。由于阵列提供非常窄的横向远场，其还提供非常高的输出功率密度。 
因此，发射单相干的横向光模的激光的激光器线阵3200可视为场耦合激光器线阵。 
图32的实施方式的激光器线阵可由多个增益芯片构成。唯一的局限性在于所有的增益芯片形成在单外延晶片上。因此，关于图32的实施方式的激光器阵列的总宽度的固有局限性由外延晶片的直径来设置。对于三英寸的晶片，该直径大约为7.6厘米。因此，限定图32的实施方式的激光器阵列的优选宽度达到10厘米是可能的。这样的尺寸的场耦合激光器线阵能够发射输出功率达到100W连续波运行的激光，因此实现超高功率超高亮度的激光器系统。 
在本发明的又一个实施方式中，在各增益芯片的顶部上的横向光子带晶体是二维光子带晶体。在光传播的方向上的横向周期性充当分布反馈，因此提高所发射的激光的波长稳定性。 
根据本发明的又一个实施方式，图33示出包括激光器线阵3100和外反射镜的阵列的系统3300的透视图的示意图。其包括一组聚光镜3353，且由各增益芯片的阵列以向上的方向发射的光射在聚光镜3353上并反射回阵列。因此，在波瓣3113、3116和3119内由阵列3110发射的光以及在波瓣3613、3616和3619内由阵列3160发射的光射在聚光镜3353上并反射回到增益芯片。由增益芯片的相邻阵列以向下的方向发射的光由一组外反射镜3251耦合。因此，如图33中所示，在边波瓣3117内由阵列3110发射的光和在边波瓣3161内由阵列3160发射的光射在该组的同一外反射镜3251上。因此，形成单横向光模发射激光的场耦合激光器线阵。 
根据本发明的又一个实施方式，图34示出的示意图示出包括形成在单个线阵3401上的增益芯片的阵列和外反射镜3451、3452的阵列的系统3400的透视图。增益芯片的阵列3401在单个外延晶片上进行处理，因此图34示出一个线阵。横向光子带晶体制造在激光器结构的顶部上。横向光子带晶体包括至少两个被未泵浦的泄漏区分开的泵浦区。图34示出第一泵浦区3410和第二泵浦区3460。该结构优选包括多个泵浦区，优选至少五个。两个相邻的泵浦区的每一个被一未泵浦的泄漏区分开。在图34中示出未泵浦的泄漏区中的两个3420和3470。与第一泵浦区相邻在与第二泵浦区相对的一侧的区域也优选为未泵浦的泄漏区。与最后一个泵浦区相邻在与第一泵浦区相对的一侧的区域也优选为未泵浦的泄漏区。 
当增益芯片的阵列运行时，在相邻的未泵浦区的背景上的各泵浦区起着横向光子带晶体中的光学缺陷的作用，且各泵浦区发射处在单横向光模中的光。脊之间的间隙，尤其是脊之间的激活区的部分充当吸收器。于是由图34中的分开的泵浦区形成的各激光器发射在图23的振荡横向光模中的光，其具有图25的两波瓣横向远场图形。由于本发明的激光器的纵向远场通常包含两个纵向波瓣，如图5和图8中所示，泵浦的场耦合阵列，3410、3460及其他中的每一个以四波瓣发射光。这在图34中示出。关于由场耦合激光器阵列3410发射的激光，其在指向下的边波瓣3411内发射光，在指向上的边波瓣3413内发射光，在指向下的边波瓣3417内发射光， 在指向上的边波瓣3419内发射光。 
类似地，场耦合激光器阵列3460也在四波瓣内发射激光。其在指向下的边波瓣3461内发射光，在指向上的边波瓣3463内发射光，在指向下的边波瓣3467内发射光，在指向上的边波瓣3469内发射光。 
该系统3400包含两组外反射镜。放置第一组的外反射镜3451使得在指向下的边波瓣内从相邻的泵浦区发射的光撞击同一镜子。在图34中，在边波瓣3417内由第一泵浦区3410发射的光和在边波瓣3461内由第二泵浦区3460发射的光射在来自组3451的同一外反射镜上。 
放置第二组的外反射镜3452使得在指向上的边波瓣内从相邻的泵浦区发射的光射在同一镜子上。在图34中，在边波瓣3419内由第一泵浦区3410发射的光和在边波瓣3463内由第二泵浦区3460发射的光射在来自组3452的同一外反射镜上。 
优选设置形成图34的线阵3400的各增益芯片使得没有外反射镜时，损失相当高，且各增益芯片不作为激光器而是作为发光二极管运行。在图34的本发明的实施方式中，这通过在激光器阵列的前端面上沉积抗反射涂层来实现。将第一组外反射镜的外反射镜3451选择为对于以对应于各单泵浦区的远场图形的边波瓣的角度射在外反射镜上的斜光来说是半透明的。外反射镜优选由多层电介质结构形成。透过外反射镜3451的光示出为光束3431、3481、3437、3489。将第二组外反射镜3452选择为不透明的，使得没有光穿过镜子3452。镜子3452提供相邻的泵浦区之间的附加的光耦合。 
外反射镜减小光输出损失并提供相邻的泵浦区之间的可见光的耦合。优选地，选择镜子使得正反馈发生，且光输出损失显著减小使得仅对于遍及整个激光器阵列延伸的单横向光模而言，总增益胜过总损失。这是振荡的横向光模，且该模的横向远场图形是两波瓣图形。因此，包括增益芯片的阵列和外反射镜的阵列的系统能够发射达到非常高的输出功率的单横向光模的相干的激光。由于增益芯片的阵列在两个波瓣中的每个提供非常窄的横向远场，其还提供非常高的输出功率密度。 
在本发明的另一个实施方式中，引入一组聚光镜使得向上发射的各光束被反射回对应的增益芯片。由相邻的增益芯片向下发射的光束被外反射镜光耦合。 
在本发明的又一个实施方式中，耦合向下发射的光的外反射镜和耦合向上发射的光的外反射镜都是半透明的，使得整个激光器线阵在四波瓣内发射光。 
根据本发明的又一个实施方式，图35示出的示意图示出包括形成在单激光器线阵3501上的增益芯片的阵列和两个外反射镜3551和3552的系统3500的透视图。增益芯片被处理在单外延晶片上，因此，图35示出一个线阵。横向光子带晶体制造在结构的顶部上。横向光子带晶体包括至少两个被未泵浦的泄漏区分开的泵浦区。图35中示出两个泵浦区3110和3160。系统3500优选包括多个泵浦区，优选至少五个。两个相邻的泵浦区的每一个被一未泵浦的泄漏区分开。示出两个未泵浦区3120和3170。与第一泵浦区相邻在与第二泵浦区相对的一侧的区域也优选为未泵浦的泄漏区。与最后一个泵浦区相邻在与第一泵浦区相对的一侧的区域也优选为未泵浦的泄漏区。 
当增益芯片的阵列运行时，在相邻的未泵浦区的背景上的各泵浦区起着横向光子带晶体中的光学缺陷的作用，且各泵浦区发射横向光模的光。 
类似于图32的实施方式，由各泵浦区发射的光的远场包含六个波瓣。在三波瓣内向下发射的光射在第一外反射镜3551上。其在图35中示出，在三波瓣内由第一泵浦区3110向下发射的光3111、3114和3117，以及在三波瓣内由第二泵浦区3160向下发射的光3161、3164和3167射在第一外反射镜3551上。在指向上的三波瓣内发射的光射在第二外反射镜3552上。其在图35中示出，在指向上的三波瓣内由第二泵浦区3160发射的光3113、3116和3119，以及在指向上的三波瓣内由第二泵浦区3160发射的光3163、3166和3169射在第二外反射镜3552上。 
优选地第一外反射镜3551和第二外反射镜3552都被延伸使得从激光器线阵3500上的各泵浦区发射的光射在外反射镜中的一个上。优选设置形成图35的阵列的各增益芯片使得没有外反射镜时，损失足够高，且各 增益芯片不作为激光器而是作为发光二极管运行。在图35的本发明的实施方式中，这通过在阵列的前端面上沉积抗反射涂层来实现。 
优选地选择第一外反射镜3551使得对于以一倾角射在镜子上的光而言，其为不透明的或仅弱透明的，其中倾角指的是各单个泵浦区的远场图形的边波瓣，例如，边波瓣3111、3117、3611、3617，且对于以正入射撞击的光3114和3164而言是半透明的。光束3114部分地透过(3534)外反射镜3551。光束3164部分地透过(3584)外反射镜3551。外反射镜3551优选由多层电介质结构形成。 
优选地选择第二外反射镜3552使得其对于以一倾角(其中，倾角指的是各单泵浦区的远场图形的边波瓣，例如，边波瓣3113、3119、3163、3169)射在镜子上的光，和对于以正入射撞击的光3116和3166而言均为不透明的。外反射镜3552优选由多层结构形成。 
外反射镜结合两种功能。首先，镜子减小光输出损失。再次，镜子提供在相邻的泵浦区之间的正反馈。优选地，选择镜子使得正反馈发生，且光输出损失显著减小使得仅对于是对于激光器的整个阵列的横向基光模的单横向光模而言，总增益胜过总损失。因此，包括增益芯片的阵列和一外反射镜的系统能够发射达到非常高的输出功率的单横向光模的相干的激光。由于阵列提供非常窄的横向远场，其还提供非常高的输出功率密度。外反射镜3551和3552的具体选择允许从场耦合的激光器线阵3500获得单波瓣发射。 
根据本发明的另一个实施方式，图36示出的示意图示出包括激光器的多个线阵的阵列和形成所发射的激光的单横模的外反射镜的阵列的系统3600的透视图。图36的实施方式的系统包括多个，至少两个线阵，其每一个还包括形成在独立的外延晶片上的激光器阵列。各激光器线阵类似于图32的实施方式。 
在图36中示出两个线阵3601和3602。在第一阵列3601上，示出两个泵浦区3110和3160及两个未泵浦区3120和3170。泵浦区3110在三波瓣内向下发射光3111、3114和3117，并在三波瓣内向上发射光3113、3116和3119。泵浦区3160在指向下的三波瓣内发射光3161、3164和3167并在指向上的三波瓣内发射光3163、3166和3169。 
在向下的边波瓣内从相邻的泵浦区发射的光经由外反射镜3251耦合。其在图36中示出，在边波瓣3117内从泵浦区3110发射的光和在边波瓣3161内从泵浦区3160发射的光射在同一外反射镜3251上。 
在向上的边波瓣内从相邻的泵浦区发射的光经由外反射镜3252耦合。其在图36中示出，在边波瓣3119内从泵浦区3110发射的光和在边波瓣3163内从泵浦区3160发射的光射在同一外反射镜3252上。 
类似地，在第二阵列3602上，示出两个泵浦区3610和3660及两个未泵浦区3620和3670。泵浦区3610在指向下的三波瓣内发射光3611、3614和3617，和在指向上的三波瓣内发射光3613、3616和3619。泵浦区3660在指向下的三波瓣内发射光3661、3664和3667及在指向上的三波瓣内发射光3663、3666和3669。 
在向下的边波瓣内从相邻的泵浦区发射的光经由外反射镜3651耦合。其在图36中示出，在边波瓣3617内从泵浦区3610发射的光和在边波瓣3661内从泵浦区3660发射的光射在同一外反射镜3651上。 
在向上的边波瓣内从相邻的泵浦区发射的光经由外反射镜3652耦合。其在图36中示出，在边波瓣3619内从泵浦区3610发射的光和在边波瓣3663内从泵浦区3660发射的光射在同一外反射镜3652上。 
除了耦合由同一线阵上的相邻的泵浦区发射的光的外反射镜之外，系统3600还包括耦合由位于不同但相邻的线阵上的泵浦区发射的光的外反射镜。在图36中，示出两个耦合由第一线阵上的一个泵浦区发射的光和由第二线阵上的一个泵浦区发射的光的外反射镜。在向下的边波瓣3167内由第一线阵3601上的泵浦区3160发射的光和在向下的边波瓣3611内由第二线阵3602上的泵浦区3610发射的光射在同一外反射镜3691上。在向上的边波瓣3169内由第一线阵3601上的泵浦区3160发射的光和在向上的边波瓣3613内由第二线阵3602上的泵浦区3610发射的光射在同一外反射镜3692上。 
选择外反射镜使得正反馈发生，且光输出损失显著减小使得仅对于单 横向光模(其是对于包括多个线阵的整个系统的横向基光模)而言，总增益胜过总损失。因此，系统能够发射达到非常高的输出功率的单横向光模的相干的激光。由于激光器线阵的系统提供非常窄的横向远场，其还提供非常高的输出功率密度。 
图36的实施方式的激光器阵列的总宽度不再受单外延晶片的直径的限制。这样的阵列的延伸能够达到10米或更长。这种系统能够发射达到1kW连续波运行的输出功率的单纵模单横模的激光。 
根据本发明的又一个实施方式，图37示出的示意图示出包括增益芯片的多个线阵的堆栈和形成所发射的激光的单纵模单横模的外反射镜的阵列的系统3700的透视图。图37的实施方式的系统3700包括多个、至少两个线阵，其每个还包括形成在独立的外延晶片上的增益芯片的阵列。图37中示出两个线阵3701和3702。增益芯片的每个阵列类似于图33的实施方式。在第一线阵3701上，示出两个泵浦区3110和3160及两个未泵浦区3120和3170。在第二线阵3702上，示出两个泵浦区3710和3760，及两个未泵浦区3720和3770。由各增益芯片在向上的方向上发射的光射在聚光镜上并反射回来。在向下的边波瓣内由相邻的芯片发射的光射在同一外反射镜上，因此提供相邻的芯片之间的光耦合。 
除了耦合由同一线阵上的相邻的泵浦区发射的光的外反射镜之外，系统3700还包括特定所选的耦合由位于不同的、但形成堆栈的相邻的线阵上的泵浦区发射的光的外反射镜。在图37中，示出耦合由第一线阵上的一个泵浦区发射的光和由第二线阵上的一个泵浦区发射的光的两个外反射镜3781和3786。示意性地示出连接两个相邻的线阵3701和3702的光的光路径3777。选择外反射镜使得正反馈发生且光输出损失显著减小，使得仅对于单光模而言总增益胜过总损失。这对于包括形成堆栈的多个线阵的整个系统优选地是横向基光模和纵向基光模。因此，该系统能够发射达到非常高的输出功率的处在单光模中的相干的激光。这种堆栈能够发射输出功率达到1kW连续波运行的单纵模单横模的激光。由于激光堆栈提供超窄的横向远场以及超窄的窄纵向远场，它还提供非常高的输出功率密度，使得超高亮度的激光器系统可行。 
本发明的另外的实施方式是可能的，其中激光器线阵的多个堆栈通过另外的组的外反射镜在横向平面内进一步光耦合。该实施方式结合图36和37的实施方式。激光器系统能够发射达到甚至更高的输出功率的单光模的相干的激光。 
在本发明的另一个实施方式中，形成激光器系统的各光电器件还包括由横向张开的波导形成的横向光子带晶体，如在图30的实施方式中所描述的。另外一组外反射镜提供整个系统的基横向光模的正反馈，因此允许系统发射相干的单横模激光。 
本发明的再一个实施方式是可能的，其中各增益芯片发射不处在单横向光模中而是处在多个横模中的光。不同的横向光模具有不同的光射在外反射镜上的有效角。选择外反射镜使得反射性对于撞击的光的入射角敏感，且足够用于产生激光的正反馈仅对于激光器系统的一种横向光模发生。 
应该再次强调，在带和横过整个激光器结构且再者横过激光器的整个阵列且再者横过激光器线阵的整个阵列的相干的光场的形成之间的有效相互作用优选地需要发射单纵向光模的光的宽纵向波导。在到目前为止所描述的实施方式中，纵向波导包括至少两个耦合腔，且纵模选择应归于仅对于一种纵向光模满足的相位匹配条件。本发明的其他实施方式是可能的，其中宽纵向波导仅仅是一大的光学腔，其具有优选大于光在在真空中的波长的三倍的厚度并具有高折射率，腔被夹在底披覆层和顶披覆层之间，其中两个披覆层的折射率都低于腔的折射率。底披覆层确保纵向光模的有效衰减使得其在基板内具有可忽略的强度。基板从与波导相对的一侧与底披覆层接近。底接触件安装在基板的背侧，其与底披覆层相对。通过包括选择性蚀刻的光蚀刻、电介质和/或金属的沉积、退火等方式将横向光子带晶体形成在顶披覆层上。 
在本发明的又一个实施方式中，各增益芯片的宽纵向波导发射处在多个纵向光模中的光，且由外反射镜提供单纵模的选择。 
本发明的再一个实施方式是可能的，其中用于横向光子带晶体的形成的处理不仅包括顶披覆层，而且包括波导的一部分。在本发明的又一个实 施方式中，一多层结构作为顶披覆层运行，且在形成横向光子带晶体的过程中选择性地蚀刻该多层结构。在所有这些情况中，可以将顶披覆层限定使得i)所有的处理仅影响顶披覆层，而波导保持原样，及ii)顶披覆层可以为单外延层，或一多层结构。 
在该限定下，激活介质位于波导内且不受顶披覆层的处理的影响。又一个实施方式是可能的，其中激活介质被蚀刻穿透。这在量子阱激光器的情形中是不适宜的，因为蚀刻产生高缺陷密度，其中缺陷充当严重恶化器件的光学性能的非辐射复合的中心。在量子点激光器的情形中，激活介质能够被蚀刻穿透，而器件仍然可以运行。因此，可以将本公开的器件描述为激活区位于波导内，或者位于顶披覆层内的器件。 
还可以将纵向光模的纵向延伸限定为集中90％的光功率的距离。 
在本发明的再一个实施方式中，外反射镜或多个外反射镜光耦合非一维而是二维的增益芯片的阵列。图38示出的示意图示出包括二维的增益芯片的阵列3810(其每个具有宽的输出光孔径3840)和一外反射镜3870的系统的透视图。优选地输出光孔径比在真空中所发射的光的波长宽三倍。可将增益芯片实现为堆叠的激光器线阵的阵列。在另一个实施方式中，可将增益芯片实现为垂直腔面发射激光器。在又一个实施方式中，可将增益芯片实现为谐振腔发光二极管。 
选择增益芯片和外反射镜使得对于产生激光所必须的正反馈仅对于阵列的一种光模发生。这促进从非常宽的增益芯片的阵列中产生单模激光。 
因此，包括增益芯片的阵列和一外反射镜的系统能够发射达到非常高的输出功率的单横向光模的相干的激光。由于增益芯片的阵列提供非常窄的横向远场，其还提供非常高的输出功率密度。 
在本发明的另一个实施方式中，形成阵列的各增益芯片作为超辐射发光二极管运行。在本发明的又一个实施方式中，各增益芯片作为二极管激光器运行。在后一个实施方式中，外反射镜或外反射镜的阵列提供正反馈，使得仅对于整个系统的一种光模而言产生最小的光损失，因此提供产生单 光模的激光。 
在本发明的又一个实施方式中，设置多个外反射镜使得产生激光仅在二维增益芯片的阵列的单模中发生。 
在本发明的又一个实施方式中，系统包括垂直腔面发射激光器的一维阵列、或谐振腔发光二极管的一维阵列、以及外反射镜的阵列，所有被选择使得系统提供单模激光。 
在本发明的又一个实施方式中，增益芯片的多线阵的二维阵列包括堆叠在纵方向上的线阵。外反射镜的阵列优选地包括放置在位于相邻线阵的平面之间的平面内的外反射镜。对于该实施方式，使单纵模的选择可行的宽纵向波导也是优选的。还是优选的，各光电器件发射具有两波瓣或三波瓣纵向远场图形的光，以确保位于相邻的平面内的光电器件之间的有效耦合。 
在由本发明的发明人于2003年2月19日提交的、2005年8月9日出版的、题目为“APPARATUS FOR AND METHOD OF FREQUENCY CONVERSION”的美国专利6,928,099(其中该专利在此通过引用被并入)中，一种具有宽纵向波导的激光器被建议用作内腔式频率变换系统中的初级(primary)光源。优点是使用窄束在非线性晶体中获得高光功率密度。对于基于横向光子带晶体的本公开的窄横向光束激光器也存在同样的优点。因此，基于横向光子带晶体的单横模激光器能够作为内腔式频率变换系统中的初级光源有效运行。 
提供纵向和横向的窄束的高功率二极管激光器和激光器系统能够用作投影电视的红-绿-蓝(RGB)模块的光源。在这种情形下，电视中的高功率窄束激光器的应用的主要问题之一是余留散斑。为了获得用于电视的高质量的光源，用于减少散斑的某些装置具有高度的重要性。本发明建议使用光电效应来减少散斑。图39的实施方式的激光器4000附加地包括一光电调制器。激光器4000外延地生长在基板4001上，且包括底披覆层4002、波导4003、顶披覆层4008和接触层。波导还包括激活区4006和调制器区4056。底接触件4011装配在基板4001的背侧。 
激光器4000包括激活部4080和调制器部4070。这两个部分由通过蚀刻接触层和部分蚀刻顶披覆层形成的沟槽4040分开。顶接触件分开地装配在这两个部分中。接触件4012装配在激活部4080的接触层4009上，以及接触件4062装配在调制器部4070的接触层4059上。 
器件4000运行如下。在激活部4080，将正向偏压4013施加到激活介质。在调制器部4070，将反向偏压4063施加到激活介质。选择调制器4056使得在反向偏压下由于光电效应折射率被调制。于是，对应于Fabri-Perot谐振器的谐振波长的纵向光模的波长也变化。激光器在这样的电流下运行使得通过在产生激光的波长处的吸收饱和效应使调制器部足够透明。调制在调制器部的偏置电压导致所发射的激光的波长的频率调制。所发射的激光的相干性保持高，导致有效的频率变换，并因此，导致有效地产生绿和蓝光信号。同时，在非线性晶体的波长可接受范围内的波长的变化将导致由于眼平均效应(eye-averaging effect)的激光散斑效应的相应减小。 
为了提高输出激光功率，能够在具有宽纵向波导和耦合腔几何结构(其使得与基于横向光子带晶体的横模选择相结合的基于相位匹配条件的纵模选择可行)的激光器中采用图40示出的概念。图40示意性地示出包括光电调制器的激光器4100的俯视图，其示出在激光器的顶部上的横向光子带晶体，其中4110是泵浦部，4120标记未泵浦部，及4130指示边泄漏区。该实施方式的激光器允许高功率单纵模单横模运行，且同时允许有效的散斑减少。 
在本发明的又一个实施方式中，附加的一组外延层形成调制器部。优选地，由多量子阱形成调制器，其中在零偏压下的激子吸收峰被确定自对应于所发射的激光的波长的质子能量的高能(短波长)侧。于是，当施加反向偏压时，发生光电效应。在量子阱内，光电效应自身表现为量子限制斯塔克效应。调制器的折射率的变化导致所发射的激光的波长的频率调制，这导致散斑减少。 
本发明的另一个实施方式是可能的，其中，横向光子带晶体和光学缺陷形成在发光二极管的顶表面上，且通过选择性泵浦激活介质来形成光学缺陷。如果合理地选择横向光子带晶体和光学缺陷，来自发光二极管的单横模辐射是可能的。 
且本发明的又一个实施方式是可能的，其中发光二极管作为超辐射发光二极管运行。 
作为发光二极管或超辐射发光二极管运行的光电器件通常运行在多模状态。优选的纵模的选择和优选的横模的选择也能够在该情形下发生，这意味着所发射的光功率的主要部分发射在该优选的模式中。如果在优选的光模内发射总光功率的至少80％，则模式选择可被视为一种有效的选择。 
应该理解本发明的某些特征，为了清楚其在独立的实施方式的背景下被描述，也可以组合在一单个实施方式中的方式来提供。相反地，本发明的不同的特征，为了简洁其在单个实施方式的背景下被描述，也可分开提供或在任何合适的子组合中被提供。 
在本说明书中提到的所有的出版物、专利和专利申请在此均通过引入到说明书中被合并在其全部中，在相同的程度上，好像各单独的出版物、专利或专利申请被具体地且单独地表明在此通过引用被并入一样。另外，在本申请中任何参考文献的引用或标识(identification)不应被解释为承认这样的参考文献可用于作为本发明的现有技术。 
虽然相对于本发明的示例性实施方式说明并描述了本发明，本领域技术人员应该理解的是，可以在其中和另外作出前述的和不同的其他变化、省略和增加，而不背离本发明的精神和范围。因此，本发明不应被理解为限制于上面提出的具体实施方式，而是包括所有可能的能够包含在所包含的范围内的实施方式及相对于在所附权利要求中陈述的特征的实施方式的等同物。 

Claims (18)

1.一种半导体光电器件，包括：
a)纵向波导，还包括
i)第一腔(420，853)；
ii)第一反射器(429，858)，其位于所述第一腔的第一侧；
iii)第二反射器(422，850)，其位于所述第一腔的与所述第一反射器相对的第二侧；
iv)至少一个第二腔(401，803)，其位于所述第二反射器的与所述第一腔相对的一侧；以及
v)至少一个第三反射器(531，802)，其位于所述第二腔的与所述第一腔相对的一侧；以及
b)光产生元件(425，856)，其具有光产生层，当施加正向偏压、将注入电流注入所述光产生层时，所述光产生元件能够产生光增益，其中，
所述光产生层位于从以下位置构成的组中选择的一位置：
i)在所述第一腔内的一位置，或
ii)在所述第一反射器内的一位置，或
iii)在所述第二反射器内的一位置，或
iv)在所述第一腔和所述第一反射器之间的边界处的一位置；或
v)在所述第一腔和所述第二反射器之间的边界处的一位置；以及
c)基板(401，801)，其中所述纵向波导和所述基板的相对定位从三种备选方案中选择：
i)所述第二腔是所述基板，且所述第三反射器是所述基板的后表面；
ii)所述第二腔是单层或多层的外延结构，且所述第三反射器是所述基板；以及
iii)所述第二腔是单层或多层的外延结构，且所述第三反射器是单层或多层的外延结构；以及所述基板邻近所述纵向波导定位；以及
d)将所述注入电流注入到所述光产生元件的装置(113)；
其中，在所述光产生元件中产生的光在所述第一腔内传播并经由所述第二反射器部分地泄漏到所述第二腔；且
其中，泄漏到所述第二腔的光在所述第二腔内传播，被所述第三反射器反射；在所述第二腔内传播并经由所述第二反射器返回到所述第一腔；且
其中，在所述第一腔内传播的光和从所述第二腔返回的光之间发生干涉；且
其中，相位匹配条件确定一个所选的纵向光模或几个所选的纵向光模；且
其中，所述纵向波导是具有超过光在真空中的波长的三倍的厚度的宽波导；且
其中，光功率的主要部分在所述一个或几个所选的纵向光模中发射；且
其中，所述主要部分在80％以上；
其特征在于
e)横向波导(1018，1218，1318，1368，1428，1418，1615，1625，2010，2020，2610，2620，2810，2820，2910，2920，3010，3020)，其形成在所述纵向波导上与所述基板相对的侧上，其中所述横向波导确保在横向平面中的两个方向的至少一个上的折射率调制；
其中，所述横向波导是具有超过光在真空中的波长的五倍的宽度的宽波导；且
其中，选择所述横向波导使得在一个所选的横向光模中或在几个所选的横向光模中发射光功率的主要部分，且
其中，所述主要部分在80％以上。
2.根据权利要求1所述的半导体光电器件，其从下列项构成的组中选择：
a)发光二极管；
b)增益芯片，以及
c)二极管激光器。
3.根据权利要求2所述的半导体光电器件，其中所述发光二极管是超辐射发光二极管。
4.根据权利要求1所述的半导体光电器件，其中一个或几个所选的纵向光模是单纵向光模。
5.根据权利要求1所述的半导体光电器件，其中一个或几个所选的横向光模是单横向光模。
6.根据权利要求1所述的半导体光电器件，其中所述横向波导还包括：
i)至少一个泵浦区(1318，1610，2610，2810，2910，3010)；
其中，当施加正向偏压时，在所述至少一个泵浦区中的所述光产生元件中产生光增益；以及
ii)至少一个未泵浦区(1368，1620，2620，2820，2920，3020)；
其中，同样当施加正向偏压时，在所述至少一个未泵浦区中的光产生元件保持吸收。
7.根据权利要求6所述的半导体光电器件，其中沿着在所述至少一个泵浦区内的所述横向波导传播的光和在所述横向平面内泄漏到所述至少一个未泵浦区、反射回来并返回到所述至少一个泵浦区的光之间的相位匹配条件对于一个或几个所选的横向光模被满足。
8.根据权利要求1所述的半导体光电器件，其中所述横向波导还包括：
i)横向光子带晶体，其形成在所述纵向波导的顶部上，其中所述横向光子带晶体确保在所述横向平面内两个方向中的至少一个上的折射率调制；以及
ii)所述横向光子带晶体的光学缺陷。
9.根据权利要求8所述的半导体光电器件，其中在所述横向平面内两个方向中的至少一个上的所述折射率调制是在一个方向上的调制。
10.根据权利要求9所述的半导体光电器件，其中所述在一个方向上的调制是周期性调制。
11.根据权利要求10所述的半导体光电器件，其中所述周期性调制由从以下项构成的组中选择的方式来提供：
a)形成脊带的周期性序列；
b)在脊带的顶部上沉积金属接触件；
c)在脊带之间沉积电介质；
d)选择性扩散杂质；
e)选择性离子植入；
f)选择性对所述器件进行退火；
g)a)到f)的任意组合和重复。
12.根据权利要求5所述的半导体光电器件，其中所述单横向光模相对于其他横向光模在从以下项构成的特征组中选择的特征方面具有优势：
a)较大的光束缚因子；
b)较大的增益；
c)较小的泄漏损失；
d)较小的吸收损失；
e)a)到d)的任意组合。
13.根据权利要求9所述的半导体光电器件，还包括：
k)泄漏池(1930，2630，2830，2930，3030)，其形成在所述纵向波导的顶部上，至少在自具有显著地泵浦的中央部的所述横向光子带晶体的一侧上。
14.根据权利要求13所述的半导体光电器件，其中所述泄漏池由从以下项构成的组中选择的方式形成：
a)形成没有接触件(2630，2830，2930，3030)的宽脊；
b)使用质子或离子轰击从而在所述泄漏池(1930)下产生一电绝缘区域，其中注入电流不流过所述光产生层。
15.根据权利要求9所述的半导体光电器件，其中一个或几个所选的横向光模是单横向光模，在所述横向平面内的所述方向上的所述折射率调制除了所述横向光子带晶体的至少一个区域外是周期性的，其中特别选择所述区域以提高除了所述单横向光模外的所有横向光模的泄漏损失。
16.根据权利要求5所述的半导体光电器件，其中所述单横向光模选自两种可能，包括：
A)所述单横向光模是基横向光模，
其中所述基横向光模的横向远场图形主要是单波瓣图形，
其中所发射的光功率的至少80％集中在所述单波瓣内；以及
B)所述单横向光模是高阶横向光模，
其中所述高阶横向光模的远场图形主要是两波瓣图形，
其中所发射的光功率的至少80％集中在所述两波瓣内。
17.根据权利要求2所述的半导体光电器件，其中所述半导体光电器件是半导体二极管激光器，其作为用于内腔式频率变换系统的初级光源运行。
18.根据权利要求2所述的半导体光电器件，其作为波长稳定的半导体二极管激光器运行。
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