CN111224318A - 一种垂直外腔面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种垂直外腔面发射激光器，包括准直透镜；位于准直透镜第一侧的激光器发射芯片，激光器发射芯片包括由下至上依次层叠的设有第一出光口的第一电极、第一接触层、有源层、第二接触层、设有第二出光口的第二电极，且第一出光口位于准直透镜第一侧的焦面上；位于准直透镜第二侧的衍射光栅，第一侧与第二侧相背；位于激光器发射芯片远离准直透镜一侧的第一顶腔镜或者位于激光器发射芯片中的第二顶腔镜。衍射光栅具有很宽的调谐范围，可提供较平坦的一阶衍射效率，从而充分地覆盖激光器发射芯片有源层的增益谱范围，使波长调谐范围为增益谱范围，波长调谐范围变宽，且垂直外谐振腔使增益谐振腔腔长增加，光谱线宽变窄。

Description

一种垂直外腔面发射激光器
技术领域
本申请涉及半导体激光器技术领域，特别是涉及一种垂直外腔面发射激光器。
背景技术
垂直外腔面发射激光器(Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Laser，VECSEL)一种小型半导体激光器，激光垂直于半导体晶片表面发射。垂直外腔面发射激光器在使用过程中，通常需要对波长进行快速调谐。目前，广泛采用腔长调谐原理对垂直外腔面发射激光器进行调谐，对波长的调谐是通过调节外腔镜与芯片的距离，调谐范围小，其调谐范围小于发射芯片增益谱范围，整个VECSEL的波长调谐范围即为外腔镜与芯片的实际腔长调谐范围，受限于腔长调谐范围的限制，波长调谐范围有限；同时由于谐振外腔调谐范围很短，光谱线宽依然较宽。
因此，如何增加垂直外腔面发射激光器的波长调谐范围并降低光谱线宽是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种垂直外腔面发射激光器，以增加垂直外腔面发射激光器的波长调谐范围并降低光谱线宽。
为解决上述技术问题，本申请提供一种垂直外腔面发射激光器，包括：
准直透镜；
位于所述准直透镜第一侧的激光器发射芯片，所述激光器发射芯片包括由下至上依次层叠的设有第一出光口的第一电极、第一接触层、有源层、第二接触层、设有第二出光口的第二电极，且所述第一出光口位于所述准直透镜所述第一侧的焦面上；
位于所述准直透镜第二侧的衍射光栅，所述第一侧与所述第二侧相背；
位于所述激光器发射芯片远离所述准直透镜一侧的第一顶腔镜或者位于所述激光器发射芯片中的第二顶腔镜。
可选的，当包括所述第二顶腔镜时，所述第二顶腔镜为分布式布拉格反射镜或者高反射介质镜，其中，所述高反射介质镜包括层叠的多层介质膜。
可选的，当包括所述第一顶腔镜时，所述第一顶腔镜为平凹透镜。
可选的，还包括：
位于所述平凹透镜屈光面的宽带高反镀膜。
可选的，还包括：
位于所述平凹透镜与所述屈光面相对的平面的宽带减反镀膜。
可选的，还包括：
位于所述第一出光口与所述第一接触层接触表面的宽带减反镀膜。
可选的，还包括：
位于所述准直透镜表面的宽带减反镀膜。
可选的，所述准直透镜为圆形非球面透镜。
可选的，所述衍射光栅为闪耀光栅或者全息光栅。
本申请所提供的一种垂直外腔面发射激光器，包括准直透镜；位于所述准直透镜第一侧的激光器发射芯片，所述激光器发射芯片包括由下至上依次层叠的设有第一出光口的第一电极、第一接触层、有源层、第二接触层、设有第二出光口的第二电极，且所述第一出光口位于所述准直透镜所述第一侧的焦面上；位于所述准直透镜第二侧的衍射光栅，所述第一侧与所述第二侧相背；位于所述激光器发射芯片远离所述准直透镜一侧的第一顶腔镜或者位于所述激光器发射芯片中的第二顶腔镜。
可见，本申请中的垂直外腔面发射激光器包括准直透镜、激光器发射芯片、衍射光栅，以及第一顶腔镜和第二顶腔镜中的任一种顶腔镜，衍射光栅具有很宽的调谐范围，可以提供较平坦的一阶衍射效率，从而可以充分地覆盖激光器发射芯片有源层的增益谱范围，使得垂直外腔面发射激光器的波长调谐范围为增益谱范围，波长调谐范围变宽，另一方面，第一顶腔镜和第二顶腔镜中的任一种顶腔镜与衍射光栅形成垂直外谐振腔，垂直外谐振腔极大地拓展了增益谐振腔的腔长，谐振腔精细度大幅度提高，使得光谱线宽变窄。
附图说明
为了更清楚的说明本申请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申请的一些实施例，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为本申请实施例所提供的一种垂直外腔面发射激光器的结构框图；
图2为本申请实施例所提供的一种垂直外腔面发射激光器的结构示意图；
图3为本申请实施例所提供的一种激光器发射芯片的结构示意图；
图4为本申请实施例所提供的另一种激光器发射芯片的结构示意图；
图5为本申请实施例所提供的另一种激光器发射芯片的结构示意图；
图中，1.准直透镜，2.激光器发射芯片，3.衍射光栅，4.第一顶腔镜，21.第一电极，22.第一接触层，23.有源层，24.第二接触层，25.第二电极，26.第一出光口，27.第二出光口，28.第二顶腔镜。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述，目前垂直外腔面发射激光器的波长调谐是通过调节外腔镜与芯片的距离，调谐范围小，使得波长调谐范围较窄，光谱线宽较宽。
有鉴于此，本申请提供了一种垂直外腔面发射激光器，请参考图1至图3，图1为本申请实施例所提供的一种垂直外腔面发射激光器的结构示意图，图2为本申请实施例所提供的一种垂直外腔面发射激光器的结构示意图，图3为本申请实施例所提供的一种激光器发射芯片的结构示意图，该垂直外腔面发射激光器包括：
准直透镜1；
位于所述准直透镜1第一侧的激光器发射芯片2，所述激光器发射芯片2包括由下至上依次层叠的设有第一出光口26的第一电极21、第一接触层22、有源层23、第二接触层24、设有第二出光口27的第二电极25，且所述第一出光口26位于所述准直透镜1所述第一侧的焦面上；
位于所述准直透镜1第二侧的衍射光栅3，所述第一侧与所述第二侧相背；
位于所述激光器发射芯片2远离所述准直透镜1一侧的第一顶腔镜4或者位于所述激光器发射芯片2中的第二顶腔镜28。
优选地，第一侧为准直透镜具有大曲率半径屈光面的一侧。
需要说明的是，第一出光口26与第二出光口27相对设置。
可以理解的是，第一顶腔镜4和第二顶腔镜28两者中只存在一个，即当垂直外腔面发射激光器包括第一顶腔镜4时，就不包括第二顶腔镜28；当垂直外腔面发射激光器包括第二顶腔镜28时，就不包括第一顶腔镜4。
可选的，当垂直外腔面发射激光器具有所述第一顶腔镜4时，所述第一顶腔镜4为平凹透镜，此时激光器发射芯片2的结构如图3所示。
第一出光口26位于准直透镜1第一侧的焦面上，即第一出光口26与准直透镜1相对，准直透镜1的作用是将从第一出光口26发射的光准直并入射到衍射光栅3，并将衍射光栅3反馈的一阶衍射光聚焦注入到第一出光口26内，直至传输到有源层23。
衍射光栅3可以在很宽的波长范围内提供95％以上的一阶衍射效率，可以充分地覆盖激光器发射芯片2有源层23的增益谱范围，实现较宽的波长调谐范围。
需要说明的是，本实施例中对衍射光栅3不做具体限定，视情况而定。例如，所述衍射光栅3为闪耀光栅或者全息光栅。
进一步地，本实施例中对衍射光栅3的光栅角度不做具体限定，通过光栅角度的调整实现对垂直外腔面发射激光器波长的调谐。同理，本实施例中对衍射光栅3的光栅线数也不做具体限定，视垂直外腔面发射激光器的工作波段而定。同理，本实施例中对光栅周期也不做具体限定，视垂直外腔面发射激光器工作波长而定。
准直透镜1可以将第一出光口26输出的大发散角光束转换为超低发散角的准直光束，也可以将从衍射光栅3反馈的一阶衍射光转换为聚焦光束入射到第一出光口26，实现外腔光反馈。
需要指出的是，本实施例中对有源层23的结构不做具体限定，视情况而定。例如，有源层23可以为GaAs基有源层23、InP基有源层23、GaSb基有源层23、量子阱结构有源层23、量子点结构有源层23中的任一种。
具体的，第一接触层22和第二接触层24分别与第一电极21和第二电极25形成欧姆接触，作为外部驱动电流注入的低阻抗界面。外部驱动电流通过第一电极21和第二电极25注入有源层23，产生辐射光，提供垂直外腔面发射激光器所需工作波段的光增益。第二顶腔镜28提供顶面一侧的宽谱反射镜功能，辐射光从第一出光口26输出，经过准直透镜1后转化为准直光束，并入射到衍射光栅3，衍射光栅3提供利用沿原光路返回的高效率一阶衍射光(提供底面一侧的高反射镜功能)，经过准直透镜1后聚焦进入第一出光口26，直至传输至有源层23。辐射光在第二顶腔镜28和衍射光栅3之间往复振荡，形成增益谐振腔；或者第一顶腔镜4提供顶面一侧的宽谱反射镜功能，此时辐射光在第一顶腔镜4和衍射光栅3之间往复振荡，形成增益谐振腔。
本实施例中的垂直外腔面发射激光器包括准直透镜1、激光器发射芯片2、衍射光栅3，以及第一顶腔镜4和第二顶腔镜28中的任一种顶腔镜，衍射光栅3具有很宽的调谐范围，可以提供较平坦的一阶衍射效率，从而可以充分地覆盖激光器发射芯片2有源层23的增益谱范围，使得垂直外腔面发射激光器的波长调谐范围为增益谱范围，波长调谐范围变宽，另一方面，第一顶腔镜4和第二顶腔镜28中的任一种顶腔镜与衍射光栅3形成垂直外谐振腔，垂直外谐振腔极大地拓展了增益谐振腔的腔长，谐振腔精细度大幅度提高，使得光谱线宽变窄。
在本申请的一个实施例中，当垂直外腔面发射激光器包括所述第二顶腔镜28时，所述第二顶腔镜28为分布式布拉格反射镜或者反射介质镜，其中，所述高反射介质镜包括层叠的多层介质膜。
具体的，请参考图4，图4为本申请实施例所提供的另一种激光器发射芯片2的结构示意图，当第二顶腔镜28为分布式布拉格反射镜时，第二顶腔镜28位于有源层23和第二接触层24之间。
具体的，请参考图5，图5为本申请实施例所提供的另一种激光器发射芯片2的结构示意图，当第二顶腔镜28为高反射介质镜时，第二顶腔镜28位于第二电极25背离有源层23的表面。
优选地，当垂直外腔面发射激光器为长波长垂直外腔面发射激光器时，垂直外腔面发射激光器包括第一顶腔镜4，激光器发射芯片2为图2所示的结构，因为长波长垂直腔面发射激光器一般采用InP基或者GaSb基半导体材料体系，相对于常见的近红外GsAs基半导体材料体系，如果在激光器发射芯片2中包括分布式布拉格反射镜，其高低折射率差值较小，再加上工作波长较长，会导致分布式布拉格反射镜非常厚，损耗也非常大；即使在激光器发射芯片2中采用高反射介质镜也会非常厚，导致损耗大且制备困难，采用第一顶腔镜4与衍射光栅3构成垂直外谐振腔，可以完全避免上述缺点。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，垂直外腔面发射激光器还包括：
位于所述平凹透镜屈光面的宽带高反镀膜，可以有效提高光反馈效率。
进一步地，垂直外腔面发射激光器还包括：
位于所述平凹透镜与所述屈光面相对的平面的宽带减反镀膜，可以有效减少光功率损失。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，垂直外腔面发射激光器还包括：
位于所述第一出光口26与所述第一接触层22接触表面的宽带减反镀膜，以减少光在第一出光口26的菲涅尔反射，提高增益谐振腔的光传输效率。
优选地，垂直外腔面发射激光器还包括：位于所述准直透镜1表面的宽带减反镀膜，以提高光的透过率，提高增益谐振腔的光传输效率。
进一步地，在准直透镜1的两个表面均设置有宽带减反镀膜。
优选地，所述准直透镜1为圆形非球面透镜，由于激光器发射芯片2发出的光束一般是圆形对称的，圆形非球面透镜可以对光束实现非常理想的准直效果。
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。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本申请所提供的垂直外腔面发射激光器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请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申请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，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种垂直外腔面发射激光器，其特征在于，包括：
准直透镜；
位于所述准直透镜第一侧的激光器发射芯片，所述激光器发射芯片包括由下至上依次层叠的设有第一出光口的第一电极、第一接触层、有源层、第二接触层、设有第二出光口的第二电极，且所述第一出光口位于所述准直透镜所述第一侧的焦面上；
位于所述准直透镜第二侧的衍射光栅，所述第一侧与所述第二侧相背；
位于所述激光器发射芯片远离所述准直透镜一侧的第一顶腔镜或者位于所述激光器发射芯片中的第二顶腔镜。
2.如权利要求1所述的垂直外腔面发射激光器，其特征在于，当包括所述第二顶腔镜时，所述第二顶腔镜为分布式布拉格反射镜或者高反射介质镜，其中，所述高反射介质镜包括层叠的多层介质膜。
3.如权利要求1所述的垂直外腔面发射激光器，其特征在于，当包括所述第一顶腔镜时，所述第一顶腔镜为平凹透镜。
4.如权利要求3所述的垂直外腔面发射激光器，其特征在于，还包括：
位于所述平凹透镜屈光面的宽带高反镀膜。
5.如权利要求4所述的垂直外腔面发射激光器，其特征在于，还包括：
位于所述平凹透镜与所述屈光面相对的平面的宽带减反镀膜。
6.如权利要求1至5任一项所述的垂直外腔面发射激光器，其特征在于，还包括：
位于所述第一出光口与所述第一接触层接触表面的宽带减反镀膜。
7.如权利要求6所述的垂直外腔面发射激光器，其特征在于，还包括：
位于所述准直透镜表面的宽带减反镀膜。
8.如权利要求7所述的垂直外腔面发射激光器，其特征在于，所述准直透镜为圆形非球面透镜。
9.如权利要求8所述的垂直外腔面发射激光器，其特征在于，所述衍射光栅为闪耀光栅或者全息光栅。
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