CN104319628B - 外腔相干垂直腔面发射半导体激光器 - Google Patents

Abstract

外腔相干垂直腔面发射半导体激光器，属于激光器技术领域。解决了现有技术中相干激光器结构复杂，可靠性差的技术问题。该激光器包括从上至下依次紧密排列的P型DBR、有源区、N型DBR、衬底和N面电极，P型DBR的上表面边缘设有P面电极，P型DBR中设有具有多个氧化孔的氧化限制层；还包括由光栅和外腔组成的高对比度光栅，高对比度光栅遮挡所有出光孔及出光孔连接处；外腔的下表面固定在P型DBR的上表面上，外腔的光学厚度为二分之一波长的整数倍，外腔的材料为低折射率介质材料；光栅设定在外腔的上表面上，偏振方向平行或垂直于(110)晶向，光栅的材料为高折射率介质材料。该激光器能够实现偏振控制，且稳定性高、可靠性好。

Description

外腔相干垂直腔面发射半导体激光器

技术领域

本发明涉及一种外腔相干垂直腔面发射半导体激光器，属于激光器(VCSEL)技术领域。

背景技术

垂直腔面发射半导体激光器由于具有良好的激光稳定性、相干性和光束质量，被广泛应用于通信、印刷、泵浦源、气体检测分析、电脑光学鼠标等领域。随着这些领域的进一步发展，要求VCSEL能够实现高光强度的输出。现有技术中主要采用激光器列阵结构或者相干激光器解决这一技术问题。激光器列阵结构由多个垂直腔面发射半导体激光器依次排列组成，每个垂直腔面发射半导体激光器主要包括从下至上依次排列的N面电极、衬底、N型DBR(布拉格反射镜)、有源区、P型DBR和P面电极，其中，P型DBR中设有具有氧化孔的氧化限制层。但是，该激光器列阵结构各个台面输出的光存在两个垂直的偏振方向，为不相干光，输出光强为总光强的叠加，远场发散角大。相干激光器主要有反波导结构激光器，掩埋异质结构激光器，泄露波耦合结构激光器等。但这些激光器结构复杂，可靠性差，不便于实际应用。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中相干激光器结构复杂，可靠性差的技术问题，提供一种外腔相干垂直腔面发射半导体激光器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下。

外腔相干垂直腔面发射半导体激光器，包括从上至下依次紧密排列的P型DBR、有源区、N型DBR、衬底和N面电极，所述P型DBR的上表面边缘设有P面电极；所述P型DBR中设有具有多个氧化孔的氧化限制层；

所述激光器还包括高对比度光栅，所述高对比度光栅遮挡所有出光孔及出光孔连接处，高对比度光栅由光栅和外腔组成；所述外腔的下表面固定在P型DBR的上表面上，外腔的光学厚度为二分之一波长的整数倍，外腔的材料为低折射率介质材料；所述光栅设定在外腔的上表面上，光栅的偏振方向平行或垂直于(110)晶向，光栅的材料为高折射率介质材料；所述高折射率介质材料的折射率为低折射率介质材料的折射率的两倍以上。

进一步的，所述多个氧化孔在氧化限制层上均匀分布。

进一步的，所述外腔为长方体，光栅平行或垂直于外腔的上表面的矩形短边。

进一步的，所述P型DBR由从上至下依次排列的一层高折射率材料层和一层低折射率材料层组成，所述氧化限制层为低折射率材料层。

进一步的，所述N型DBR和衬底之间还设有缓冲层。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的外腔相干垂直腔面发射半导体激光器，在激光器外形成了高对比度光栅，高对比度光栅对每个出光孔单元的输出光形成反射效果，实现不同出光孔单元之间的锁相，达到相干的目的；相比于现有技术中的激光器，本发明的激光器不仅自身能实现偏振控制，还具有稳定性高，可靠性好的优点，可以用于大规模生产制造。

附图说明

图1为本发明外腔相干垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图，

图2为本发明外腔相干垂直腔面发射半导体激光器的P型DBR台面的俯视图；

图中：1、光栅，2、外腔，3、P面电极，4、P型DBR，5、氧化限制层，51、氧化孔，6、有源区，7、N型DBR，8、衬底，9、N面电极。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1和图2所示，本发明的外腔相干垂直腔面发射半导体激光器包括高对比度光栅、P面电极3、P型DBR4、有源区6、N型DBR7、衬底8和N面电极9。

其中，P型DBR4、有源区6、N型DBR7、衬底8和N面电极9从上至下依次紧密排列，N型DBR7和衬底8之间还可以设置有缓冲层。N型DBR7为多层结构，P型DBR4由从上至下依次紧密排列的一层高折射率材料层和一层低折射率材料层组成，低折射率材料层上设有多个氧化孔51，该层即为氧化限制层5。多个氧化孔51在氧化限制层5上均匀分布，每个氧化孔51对应一个出光单元。高对比度光栅遮挡所有出光孔和出光孔连接处，高对比度光栅由光栅1和外腔2组成，外腔2的下表面固定在P型DBR4上表面的中心区域上，且外腔2遮挡所有出光孔和出光孔连接处，外腔2的材料为低折射率介质材料，外腔2的光学厚度为二分之一波长的整数倍；光栅1固定在外腔2的上表面上，且光栅1遮挡所有出光孔和出光孔连接处，光栅1的偏振方向平行或垂直于(110)晶向，光栅1的材料为高折射率介质材料；光栅1的高折射率介质材料的折射率为外腔2的低折射率介质材料的折射率的两倍以上，光栅1和外腔2的材料不吸光。P面电极3固定在P型DBR4的上表面边缘，且靠近外腔2的边缘，不遮挡出光孔。

本实施方式中，外腔2一般采用长方体结构，上表面为矩形，光栅1平行或垂直于矩形的短边。

本实施方式中，N型DBR7为多层结构，由交替排列的高折射率材料层和低折射率材料层组成，P型DBR4由从上至下依次排列的一层高折射率材料层和一层低折射率材料层组成，按本领域技术人员公知常识，一般与有源区6接触的为低折射率材料层，与P面电极3和衬底8接触的为高折射率材料层；高折射率材料层和低折射率材料层的厚度均为四分之一光学波长：低折射率材料层的材料为高铝组分的铝镓砷材料，高折射率材料层的材料为低铝组分的铝镓砷材料，高铝组分的铝镓砷材料和低铝组分的铝镓砷材料为本领域人员公知技术。

本实施方式中，有源区6的材料一般为GaAs的化合物，厚度一般为一个光学波长，P面电极3和N面电极9的材料一般为金，厚度一般为200nm-400nm，衬底8的材料一般为GaAs。本实施方式中，各层的尺寸依据实际需要设置，优选各层的中心在同一条直线上。

本发明中，高对比度光栅位于出光面，起到对震荡光的反馈，对垂直入射到其表面的光有高反射作用。一个出光单元输出的光，经过高对比度光栅反射后，绝大部分会反射到该出光单元对应的有源区，小部分的光反射到相邻的出光单元，形成对相邻出光单元的锁相。

本发明的外腔相干垂直腔面发射半导体激光器的制备方法：

步骤一、清洗外延片，对清洗好的外延片p面第一次光刻、显影，干法刻蚀p面后出现P型DBR4台面，刻蚀深度刚好至N型DBR7的上方；

其中，外延片通过本领域技术人员公知方式可以获得，一般采用商购；

步骤二、对P型DBR4台面进行测氧化，得到具有多个氧化孔51的氧化限制层5；

步骤三、利用lift-off工艺在P型DBR4的上表面边缘生长P面电极3；

步骤四、减薄抛光衬底8，然后在衬底8的下表面上生长N面电极9；

步骤五、在P型DBR4台面的中心区域上生长一层光学厚度为出射波长的二分之一整数倍的低折射率介质材料，得到外腔2；

步骤六、在外腔2的上表面生长一层高折射率介质材料，采用ICP等干法刻蚀的方式，在胶做掩膜下刻透高折射率介质材料，去掉掩膜，得到光栅1；

步骤七、解理，测试，封装。

显然，以上实施方式的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.外腔相干垂直腔面发射半导体激光器，包括从上至下依次紧密排列的P型DBR(4)、有源区(6)、N型DBR(7)、衬底(8)和N面电极(9)，所述P型DBR(4)的上表面边缘设有P面电极(3)；

其特征在于，

所述P型DBR(4)中设有具有多个氧化孔(51)的氧化限制层(5)，每个氧化孔(51)对应一个出光单元；

所述激光器还包括高对比度光栅，所述高对比度光栅遮挡所有出光孔及出光孔连接处，高对比度光栅由光栅(1)和外腔(2)组成；

所述外腔(2)的下表面固定在P型DBR(4)的上表面上，外腔(2)的光学厚度为二分之一波长的整数倍，外腔(2)的材料为低折射率介质材料；

所述光栅(1)设定在外腔(2)的上表面上，光栅(1)的偏振方向平行或垂直于(110)晶向，光栅(1)的材料为高折射率介质材料；

所述高折射率介质材料的折射率为低折射率介质材料的折射率的两倍以上。

2.根据权利要求1所述的外腔相干垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述多个氧化孔(51)在氧化限制层(5)上均匀分布。

3.根据权利要求1所述的外腔相干垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述外腔(2)为长方体，光栅(1)平行或垂直于外腔(2)的上表面的矩形短边。

4.根据权利要求1所述的外腔相干垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述P型DBR(4)由从上至下依次排列的一层高折射率材料层和一层低折射率材料层组成，所述氧化限制层(5)为低折射率材料层。

5.根据权利要求1所述的外腔相干垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述N型DBR(7)和衬底(8)之间还设置有缓冲层。