CN111162450A - 一种长波长垂直腔面发射半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长波长垂直腔面发射半导体激光器，包括下波导层；位于下波导层表面的短波发光区；位于短波发光区背向下波导层一侧表面的上波导层；位于上波导层背向下波导层一侧表面的长波发光区；位于长波发光区背向下波导层一侧表面的上光子晶体层；上光子晶体层设置有多个散射柱以形成光子晶体，散射柱沿厚度方向从上光子晶体层背向下波导层一侧表面延伸至上波导层。短波发光区可以产生波长较短的光线并在水平方向上震荡以产生短波长激光。该短波长激光会作为泵浦激光，通过延伸至上波导层的光子晶体传输至长波发光区以激发长波发光区产生长波光线并形成长波长激光出射，使激光器具有较低电阻的同时，具有较好的散热性能。

Description

一种长波长垂直腔面发射半导体激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种长波长垂直腔面发射半导体激光器。

背景技术

垂直腔面发射半导体(VCSEL)激光器是一种垂直表面出光的半导体激光器，它具有优越的光斑分布，动态单纵模工作以及可承载高的功率密度等独特优势。目前，受材料体系的限制，在可见光及近红外短波波段(≤1100nm)的VCSEL激光器结构及性能均较为成熟，并在医疗、加工、照明等领域有着极其广泛的应用。

然而，长波长VCSEL激光器，尤其是波长在1550nm附近的VCSEL激光器，在远距离光通信、3D感知、激光雷达等应用中具有非常广阔的应用前景。由于该波段范围的VCSEL激光器无法采用常规的氧化工艺制备电流和光学限制孔径，并且其分布布拉格反射镜(DBR)材料对所用的晶格匹配材料折射率差很小，导致其DBR厚度非常厚，严重影响其工作时的散热特性，并大幅增加了VCSEL的电阻。因此，目前的长波长1550nm，或者更长波段的VCSEL激光器制备工艺非常复杂，难以进行大规模产业化，并且输出功率仅有mW左右，严重限制了其在上述领域中的应用。所以如何提供一种电阻低、散热佳的长波长垂直腔面发射半导体激光器是本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种长波长垂直腔面发射半导体激光器，具有更低电阻的同时具有更好的散热性能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种长波长垂直腔面发射半导体激光器，包括：

下波导层；

位于所述下波导层表面的短波发光区；

位于所述短波发光区背向所述下波导层一侧表面的上波导层；

位于所述上波导层背向所述下波导层一侧表面的长波发光区；

位于所述长波发光区背向所述下波导层一侧表面的上光子晶体层；所述上光子晶体层设置有多个散射柱以形成光子晶体，所述散射柱沿厚度方向从所述上光子晶体层背向所述下波导层一侧表面延伸至所述上波导层。

可选的，所述长波发光区的尺寸小于所述短波发光区的尺寸。

可选的，所述长波发光区沿水平方向呈圆形；所述上光子晶体层覆盖所述长波发光区背向所述下波导层一侧表面。

可选的，所述散射柱以所述上光子晶体层的圆心为中心规则分布；所述光子晶体沿水平方向呈中心对称图形。

可选的，相邻所述散射柱之间呈正三角形分布。

可选的，所述散射柱朝向所述下波导层一侧表面与所述上波导层朝向所述下波导层一侧表面之间具有预设距离，所述预设距离大于零。

可选的，所述散射柱沿水平方向所呈形状为以下任意一种：

圆形、方形、正三角形。

可选的，所述散射柱为空气柱。

可选的，所述下波导层的侧壁、所述短波发光区的侧壁以及所述上波导层的侧壁均设置有反射膜。

可选的，所述上波导层背向所述下波导层一侧表面设置有至少两个长波发光区；相邻所述长波发光区相互隔离；

任一所述长波发光区背向所述下波导层一侧表面均设置有所述上光子晶体层，任一所述上光子晶体层均设置有所述散射柱以形成光子晶体。

本发明所提供的一种长波长垂直腔面发射半导体激光器，包括下波导层；位于下波导层表面的短波发光区；位于短波发光区背向下波导层一侧表面的上波导层；位于上波导层背向下波导层一侧表面的长波发光区；位于长波发光区背向下波导层一侧表面的上光子晶体层；上光子晶体层设置有多个散射柱以形成光子晶体，散射柱沿厚度方向从上光子晶体层背向下波导层一侧表面延伸至上波导层。

短波发光区可以产生波长较短的光线，该短波光线会在下波导层以及上波导层内传输并在水平方向上震荡以产生短波长激光。该短波长激光会作为泵浦激光，通过延伸至上波导层的光子晶体传输至长波发光区以激发长波发光区产生长波光线，该长波光线会在光子晶体内往复振荡以形成长波长激光出射。通过短波发光区以及光子晶体的设置可以实现自泵浦的长波长激光出射，可以避免布拉格反射镜的设置，从使得长波长垂直腔面发射半导体激光器具有较低电阻的同时，具有较好的散热性能。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种长波长垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图；

图2为图1的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的一种具体的长波长垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图；

图4为图3的俯视结构示意图。

图中：1.下波导层、2.短波发光区、3.上波导层、4.长波发光区、5.上光子晶体层、6.散射柱、7.光子晶体、8.反射膜。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种长波长垂直腔面发射半导体激光器。在现有技术中，需要设置非常厚的DBR以实现激光的产生。但是由于DBR厚度非常厚，会严重影响其工作时的散热特性，并大幅增加了VCSEL的电阻。

而本发明所提供的一种长波长垂直腔面发射半导体激光器，包括下波导层；位于下波导层表面的短波发光区；位于短波发光区背向下波导层一侧表面的上波导层；位于上波导层背向下波导层一侧表面的长波发光区；位于长波发光区背向下波导层一侧表面的上光子晶体层；上光子晶体层设置有多个散射柱以形成光子晶体，散射柱沿厚度方向从上光子晶体层背向下波导层一侧表面延伸至上波导层。

短波发光区可以产生波长较短的光线，该短波光线会在下波导层以及上波导层内传输并在水平方向上震荡以产生短波长激光。该短波长激光会作为泵浦激光，通过延伸至上波导层的光子晶体传输至长波发光区以激发长波发光区产生长波光线，该长波光线会在光子晶体内往复振荡以形成长波长激光出射。通过短波发光区以及光子晶体的设置可以实现自泵浦的长波长激光出射，可以避免布拉格反射镜的设置，从使得长波长垂直腔面发射半导体激光器具有较低电阻的同时，具有较好的散热性能。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1以及图2，图1为本发明实施例所提供的一种长波长垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图；图2为图1的俯视结构示意图。

参见图1以及图2，在本发明实施例中，长波长垂直腔面发射半导体激光器包括下波导层1；位于所述下波导层1表面的短波发光区2；位于所述短波发光区2背向所述下波导层1一侧表面的上波导层3；位于所述上波导层3背向所述下波导层1一侧表面的长波发光区4；位于所述长波发光区4背向所述下波导层1一侧表面的上光子晶体层5；所述上光子晶体层5设置有多个散射柱6以形成光子晶体7，所述散射柱6沿厚度方向从所述上光子晶体层5背向所述下波导层1一侧表面延伸至所述上波导层3。

上述短波发光区2用于产生波长小于1100nm的短波光线，上述下波导层1以及上波导层3分别位于短波发光区2的两侧以形成类三明治型结构，在工作时短波发光区2所产生的短波光线会在上波导层3以及下波导层1内传输，并水平方向上振荡以产生短波激光。有关下波导层1、短波发光区2以及上波导层3的具体结构以及具体材质可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

上述长波发光区4位于上波导层3背向下波导层1一侧表面，该长波发光区4用于产生长波光线，例如波长在1550nm左右的长波光线。有关长波发光区4的具体结构以及具体材质可以参考现有技术中长波长VCSEL激光器中发光区的结构以及材质，在此不再进行赘述。

上述长波发光区4背向下波导层1一侧表面设置有上光子晶体层5，该上光子晶体层5主要用于保护长波发光区4不易受到损害，同时与上述上波导层3以及长波发光区4形成类三明治型结构，保证长波发光区4产生的长波光线可以发生振荡产生长波激光。

上述上光子晶体层5设置有多个散射柱6以形成光子晶体7，散射柱6的轴线通常会垂直于上光子晶体层5背向下波导层1一侧表面，该散射柱6会从上光子晶体层5背向下波导层1一侧表面一致延伸至上波导层3。由于散射柱6的设置会形成光子晶体7，上述散射柱6的折射率与散射柱6穿过的膜层，例如上光子晶体层5、长波发光区4和上波导层3的折射率并不相同，且散射柱6会在水平方向上呈周期状规则分布，以形成光子晶体7。

需要说明的是，在本发明实施例中设置有散射柱6的区域即形成光子晶体7，即上光子晶体层5、长波发光区4和上波导层3中设置散射柱6，以及散射柱6延伸的区域即形成有光子晶体7。其中位于上波导层3中的上光子晶体7会将短波发光区2产生的短波激光传输至长波发光区4作为泵浦激光，产生长波光线。具体的，上述长波光线具体会在光子晶体7内振荡以形成长波激光，并通过光子晶体7射出长波长垂直腔面发射半导体激光器。此时上述上波导层3也可称为光耦合层，以实现光耦合作用。

在本发明实施例中对于散射柱6具体的形状并不做具体限定，该散射柱6具体可以为圆柱、三棱柱、长方体等等均可，视具体情况而定；同时，在本发明实施例中对于相邻散射柱6之间分布的形状同样不做具体限定，相邻散射柱6之间可以按正三角形排列、正方形排列、长方形排列均可，在本发明实施例中不做具体限定。相应的，在本发明实施例中通常对散射柱6具体的折射率不做具体限定，视具体情况而定。

具体的，在本发明实施例中，所述长波发光区4的尺寸小于所述短波发光区2的尺寸。通常情况下，在上波导层3背向下波导层1一侧表面形成有台阶面，以限制长波发光区4的尺寸，定义长波长激光输出的区域。若不将长波发光区4的尺寸限制到小于短波发光区2的尺寸，会使得整个长波发光区4都会对其下方的短波振荡激光形成过材料吸收，从而影响短波激光作为泵浦光的正常工作。相应的，为了保证彭浦光的正常工作，在本发明实施例中会将长波发光区4的尺寸限制到小于短波发光区2的尺寸。

具体的，在本发明实施例中，所述长波发光区4沿水平方向呈圆形；所述上光子晶体层5覆盖所述长波发光区4背向所述下波导层1一侧表面。通常情况下，将上述长波发光区4沿水平方向的结构限制呈圆形，可以便于形成长波长圆形激光的射出；相应的，上述上光子晶体层5会覆盖长波发光区4背向下波导层1一侧表面，使得上光子晶体层5沿水平方向的结构具体也呈圆形。

具体的，在本发明实施例中，所述散射柱6以所述上光子晶体层5的圆心为中心规则分布；所述光子晶体7沿水平方向呈中心对称图形。上述散射柱6具体可以以上光子晶体层5的圆心为中心呈规则分布，从而使得光子晶体7的中心同样位于上光子晶体层5的圆心。进而使得长波长激光可以从上光子晶体层5的圆心射出。此时，上述光子晶体7沿水平方向会呈重新对称图形，该光子晶体7沿水平方向的中心会与上光子晶体层5的圆心重合。

具体的，在本发明实施例中，相邻所述散射柱6之间呈正三角形分布。使得相邻散射柱6之间呈正三角形分布，可以使得散射柱6以上光子晶体层5的圆心为中心，呈正六边形分布，以形成水平方向呈正六边形的光子晶体7，形成近似圆形的长波长激光光斑。

作为优选的，在本发明实施例中，所述散射柱6朝向所述下波导层1一侧表面与所述上波导层3朝向所述下波导层1一侧表面之间具有预设距离，所述预设距离大于零。即在本发明实施例中，散射柱6不会延伸至上波导层3朝向下波导层1一侧表面，从而避免引入过大的光学损耗，影响水平振荡的短波激光振荡。可以理解的是，散射柱6在上波导层3的贯穿深度，即光子晶体7在上波导层3的贯穿深度决定了可以耦合进入长波发光区4的短波长激光的光强强度。

具体的，在本发明实施例中，所述散射柱6沿水平方向所呈形状为以下任意一种：圆形、方形、正三角形。将散射柱6的结构设置成上述结构可以保证光子晶体7良好的性能。当然，在本发明实施例中对散射柱6的具体结构不做具体限定，视具体情况而定。具体的，在本发明实施例中，所述散射柱6可以具体为空气柱。即上述散射柱6具体可以为在上光子晶体层5背向下波导层1一侧表面设置延伸至上波导层3的深孔而形成的空气柱。当然，在本发明实施例中对于散射柱6具体的材质以及折射率不做具体限定，视具体情况而定。

具体的，在本发明实施例中，所述下波导层1的侧壁、所述短波发光区2的侧壁以及所述上波导层3的侧壁均设置有反射膜8。设置反射膜8可以保证由短波发光区2所产生的短波光线会在水平方向上，在反射膜8之间振荡以形成短波激光。即该反射膜8用于限制激光在短波激光器内部振荡而不会发射到外部空间，保证短波激光器内部具有高的功率有关反射膜8的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

本发明实施例所提供的一种长波长垂直腔面发射半导体激光器，包括下波导层1；位于下波导层1表面的短波发光区2；位于短波发光区2背向下波导层1一侧表面的上波导层3；位于上波导层3背向下波导层1一侧表面的长波发光区4；位于长波发光区4背向下波导层1一侧表面的上光子晶体层5；上光子晶体层5设置有多个散射柱6以形成光子晶体7，散射柱6沿厚度方向从上光子晶体层5背向下波导层1一侧表面延伸至上波导层3。

短波发光区2可以产生波长较短的光线，该短波光线会在下波导层1以及上波导层3内传输并在水平方向上震荡以产生短波长激光。该短波长激光会作为泵浦激光，通过延伸至上波导层3的光子晶体7传输至长波发光区4以激发长波发光区4产生长波光线，该长波光线会在光子晶体7内往复振荡以形成长波长激光出射。通过短波发光区2以及光子晶体7的设置可以实现自泵浦的长波长激光出射，可以避免布拉格反射镜的设置，从使得长波长垂直腔面发射半导体激光器具有较低电阻的同时，具有较好的散热性能。

有关本发明所提供的一种长波长垂直腔面发射半导体激光器的具体结构将在下述发明实施例中做详细介绍。

请参考图3以及图4，图3为本发明实施例所提供的一种具体的长波长垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图；图4为图3的俯视结构示意图。

区别于上述发明实施例，本发明实施例是在上述发明实施例的基础上，进一步的对长波长垂直腔面发射半导体激光器的结构进行具体限定。其余内容已在上述发明实施例中进行了详细介绍，在此不再进行赘述。

参见图3以及图4，在本发明实施例中，所述上波导层3背向所述下波导层1一侧表面设置有至少两个长波发光区4；相邻所述长波发光区4相互隔离；任一所述长波发光区4背向所述下波导层1一侧表面均设置有所述上光子晶体层5，任一所述上光子晶体层5均设置有所述散射柱6以形成光子晶体7。

上述每一个长波发光区4，以及相应的上光子晶体层5散射柱6构成了多个发光点，从而实现了长波长发光阵列的制备，而上述多个发光点共用同一个由下波导层1、短波发光区2以及上波导层3所构成的短波激光器。具体的，上述多个长波发光区4均位于上波导层3背向下波导层1一侧表面，且相邻长波发光区4之间相互隔离，以避免长波光线之间相互干扰。任一长波发光区4背向下波导层1一侧表面均设置有上光子晶体层5，并且每个上光子晶体层5均设置有延伸至上波导层3的散射柱6以在每个发光点内形成可以将短波激光传输至每个长波发光区4的光子晶体7。其中，每个发光点均可以向外发射长波激光。在设置有多个发光点的同时，可以使得由下波导层1、短波发光区2以及上波导层3所构成的短波激光器具有更长的振荡长度，从而可以提供更高的激光强度，从而可以同时泵浦多个不同的长波长发光区。在本发明实施例中对于长波发光区4即相关结构的具体数量不做具体限定，视具体情况而定。

本发明实施例所提供的一种长波长垂直腔面发射半导体激光器，通过设置多个长波长发光区以及相应的结构，可以形成长波长垂直腔面发射半导体激光阵列。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种长波长垂直腔面发射半导体激光器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本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 (10)

1.一种长波长垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，包括：

下波导层；

位于所述下波导层表面的短波发光区；

位于所述短波发光区背向所述下波导层一侧表面的上波导层；

位于所述上波导层背向所述下波导层一侧表面的长波发光区；

位于所述长波发光区背向所述下波导层一侧表面的上光子晶体层；所述上光子晶体层设置有多个散射柱以形成光子晶体，所述散射柱沿厚度方向从所述上光子晶体层背向所述下波导层一侧表面延伸至所述上波导层。

2.根据权利要求1所述的长波长垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述长波发光区的尺寸小于所述短波发光区的尺寸。

3.根据权利要求2所述的长波长垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述长波发光区沿水平方向呈圆形；所述上光子晶体层覆盖所述长波发光区背向所述下波导层一侧表面。

4.根据权利要求3所述的长波长垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述散射柱以所述上光子晶体层的圆心为中心规则分布；所述光子晶体沿水平方向呈中心对称图形。

5.根据权利要求4所述的长波长垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，相邻所述散射柱之间呈正三角形分布。

6.根据权利要求1所述的长波长垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述散射柱朝向所述下波导层一侧表面与所述上波导层朝向所述下波导层一侧表面之间具有预设距离，所述预设距离大于零。

7.根据权利要求6所述的长波长垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述散射柱沿水平方向所呈形状为以下任意一种：

圆形、方形、正三角形。

8.根据权利要求7所述的长波长垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述散射柱为空气柱。

9.根据权利要求1所述的长波长垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述下波导层的侧壁、所述短波发光区的侧壁以及所述上波导层的侧壁均设置有反射膜。

10.根据权利要求2至9任一项权利要求所述的长波长垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述上波导层背向所述下波导层一侧表面设置有至少两个长波发光区；相邻所述长波发光区相互隔离；

任一所述长波发光区背向所述下波导层一侧表面均设置有所述上光子晶体层，任一所述上光子晶体层均设置有所述散射柱以形成光子晶体。

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