CN112310804A - 一种带相位补偿层的vcsel结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带相位补偿层的VCSEL结构及制备方法，该激光器将周期分布的激光器产生的光场，经Talbot外腔和相位补偿单元，对同相模和反相模进行相位补偿，得到同相位输出的激光束。在二维二极管激光阵列的发光面设有Talbot激光外腔，Talbot激光外腔的输出端设有相位补偿膜；Talbot激光外腔的厚度d为：
式中，ZT为Talbot距离，N为正整数；相位补偿膜相对应Talbot激光外腔输出端同相模的位置处设有沟槽结构。本发明通过相位补偿膜的沟槽结构使相对相位增加π/4，最终相位与二维二极管激光阵列中初始相位为0的二极管激光器输出相位相同。本发明能够对反相模进行相位补偿，得到同相位输出光束，且工艺过程简单，易于制作。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种带相位补偿层的VCSEL结构及制备方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VESCL)是一种半导体激光器，其激光垂直于顶面射出。与传统的边发射半导体激光器相比，垂直腔面发射激光器具有光束质量好、阈值电流低、单纵模工作、易于二维列阵集成和制造成本低廉等优点，引起了人们的广泛关注。其在固体激光泵浦、医疗、光通讯等领域有着巨大的应用市场。
对于m个位置接近、光强相同的激光束，其在远场的相干重叠后得到的光强越大越好。若上述激光束为一维分布且互不相干，则其在远场的叠加光强是单激光束光强的m倍。若上述激光束相互相干，则其在远场的叠加光强为单激光束光强的m2倍，激光器的输出可以大大增强；因此，设计激光相干的VCSEL以及其外腔结构等具有一定意义。
现有技术中，实现二极管激光器阵列的同相模输出有许多方法，例如：使用模式选择镜、利用偏转外腔等设计均可实现模式的选择，选择出同相模、输出得到同相位的相干光。虽然上述都有相应的优点，但其均会抑制反相模的输出，或者使反相模的损耗变得非常大，这会对输出光强造成一定的影响。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种带相位补偿层的VCSEL结构及制备方法，具有输出同相光、光强损耗小的特点。
本发明公开了一种带相位补偿层的VCSEL结构，包括顶发射VCSEL阵列；
所述顶发射VCSEL阵列的顶部设有Talbot激光外腔，所述Talbot激光外腔的输出端设有相位补偿膜；
所述Talbot激光外腔的厚度d为：
式中，ZT为Talbot距离，N为正整数；
所述相位补偿膜相对应所述Talbot激光外腔输出端同相模的位置处设有沟槽结构，所述沟槽结构的深度a为：
式中，λ为激光波长，n0为所述相位补偿膜的折射率。
作为本发明的进一步改进，顶发射VCSEL阵列中单个光源排布方式为二维周期性排布。
作为本发明的进一步改进，所述Talbot激光外腔与所述二维二极管激光阵列之间设有键合层，所述Talbot激光外腔与所述相位补偿膜之间设有反射膜。
作为本发明的进一步改进，所述顶发射VCSEL阵列、键合层、Talbot激光外腔、反射膜和相位补偿膜平行设置；所述反射膜的反射率为50％-99％，所述键合层的厚度为
作为本发明的进一步改进，所述顶发射VCSEL阵列的背面设有散热片。
作为本发明的进一步改进，所述相位补偿膜为相位光栅或刻蚀微结构，所述相位补偿膜的沟槽结构朝向所述二维二极管激光阵列的发光面。
本发明还公开了一种上述VCSEL结构的制备方法，包括：
构建周期分布的二维二极管激光阵列；
在所述二维二极管激光阵列的发光面镀一层键合层；
在所述键合层上键合Talbot激光外腔；
在所述Talbot激光外腔的输出端上制一层反射膜；
在所述反射膜上制一层相位补偿膜；
封装。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
DLA中相对相位为0的二极管激光器发出的激光束在进入相位补偿膜前相对相位为0，经过相位补偿膜后相对相位不改变，二维二极管激光阵列中相对相位为π的二极管激光器发出的激光束进入相位补偿膜前相对相位为-π/4；本发明通过相位补偿膜的沟槽结构使相对相位增加π/4，最终相位与二维二极管激光阵列中初始相位为0的二极管激光器输出相位相同。本发明能够对反相模进行相位补偿，得到同相位输出光束，且工艺过程简单，易于制作。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的带相位补偿层的VCSEL结构的结构示意图；
图2a为本发明一种实施例公开的四方形二维二极管激光阵列的结构示意图；
图2b为本发明一种实施例公开的斜角形二维二极管激光阵列的结构示意图；
图2c为本发明一种实施例公开的矩形二维二极管激光阵列的结构示意图；
图3为本发明一种实施例公开的相位补偿膜的结构示意图；
图4为本发明一种实施例公开的具有相位补偿的垂直腔面发射激光器的制备方法的流程图。
图中：
1、二维二极管激光阵列；2、键合层；3、Talbot激光外腔；4、反射膜；5、相位补偿膜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
具体实施1
如图1所示，本发明提供一种带相位补偿层的VCSEL结构与制备方法，包括：二维二极管激光阵列1、Talbot激光外腔3和相位补偿膜5；其中，
二维二极管激光阵列1的发光面设有Talbot激光外腔3，Talbot激光外腔3的输出端设有相位补偿膜5。进一步，为了实现Talbot激光外腔3与二维二极管激光阵列1的安装，本发明在Talbot激光外腔3与二维二极管激光阵列1之间设有键合层2；为了增加Talbot激光外腔输出端的反射率，本发明在Talbot激光外腔3与相位补偿膜5之间设有反射膜4；即，本发明沿激光发射方向，依次设有相平行的二维二极管激光阵列1、键合层2、Talbot激光外腔3、反射膜4和相位补偿膜5；更进一步，二维二极管激光阵列1的背面可设有散热片。
本发明的二维二极管激光阵列1用于产生空间周期分布的光场，二维二极管激光阵列1的光源个数为80-100个，每一行或者每一列光源个数n大于等于2，相邻光源之间的间距为5～1000μm。本发明的二维二极管激光阵列1可为多种形式的阵列结构，如图2a所示的四方形二维二极管激光阵列、如图2b所示的斜角形二维二极管激光阵列和如图2c所示的矩形二维二极管激光阵列。进一步，二维二极管激光阵列1发射光束方式为顶发射，顶发射结构采用金属作为阳极，阴极为半透明材质，光从顶电极一侧输出。
本发明的键合层2与Talbot激光外腔3和相位补偿膜5的材质一致，选择可以透射近红外光的石英晶体、蓝宝石、GaAs等，优选为二氧化硅薄膜；其中，石英晶体波导管的折射率n＝1.46，透射波长限4.5μm；蓝宝石折射率n＝1.68，透射波长限5.5μm；GaAs折射率n＝3.34，透射波长限18μm。键合层2采用PECVD技术生长在二维二极管激光阵列1的发光面上。进一步，键合层的厚度为
本发明的Talbot激光外腔3用于产生有效的激光振荡，并能够自成像；Talbot激光外腔锁相VCSEL需要同相模、反相模都能振荡，所以光在外腔内的一个来回为一个Talbot距离ZT的N倍(N为正整数)，所以Talbot激光外腔3的的厚度d为：
式中，ZT为Talbot距离，N为正整数。
Talbot激光外腔3的设计为N个半Talbot距离，即光在外腔中一个来回为N个Talbot距离，使得反相模的光在反射膜处的相位相对同相模有π/4的变化，而返回初始光场DLA的同相模、反相模光均无相位变换，成像无位置改变，产生振荡。
本发明的Talbot距离ZT由二维二极管激光阵列1的阵列结构以及Talbot激光外腔3的折射率决定，即：
当二维二极管激光阵列为图2a所示的四方形二维二极管激光阵列时，横纵向周期均为T；
Talbot距离ZT为：
式中，n为Talbot激光外腔的折射率。
本发明的相位补偿膜5对输出光束的反相模进行相位补偿，得到同相模同相位的输出光束；DLA中相对相位为0的二极管激光器发出的激光束在进入相位补偿膜前相对相位为0，经过相位补偿膜后相对相位不改变，二维二极管激光阵列中相对相位为π的二极管激光器发出的激光束进入相位补偿膜前相对相位为-π/4；本发明的目的为：通过相位补偿膜来使相对相位增加π/4，最终相位与二维二极管激光阵列中初始相位为0的二极管激光器输出相位相同。为达到上述目的，如图3所示，本发明在相位补偿膜5相对应Talbot激光外腔输出端同相模的位置处设有沟槽结构，沟槽结构的深度a为：
式中，λ为激光波长，n0为相位补偿膜的折射率。
进一步，本发明相位补偿膜5为相位光栅或刻蚀微结构，相位补偿膜5的沟槽结构朝向二维二极管激光阵列1的发光面，沟槽位置对应同相模成像位置，台阶位置对应反相模成像位置。
基于上述结构，本发明激光器的相位补偿原理为：
选择厚度d满足N倍二分之一Talbot距离的波导管(Talbot激光外腔3)，相位补偿膜5紧贴波导管出射端，使得二维二极管激光阵列1的Talbot效应自成像呈现在相位补偿膜5上；由于二维二极管激光阵列1发出的光线，在二分之一Talbot距离平面上，同相模位置会有半个周期的偏移，而相位与初始没有发生变化；反相模没有发生偏移，但是其相位相差了π/4；因此，只需设置相位补偿膜5的折射率n0，厚度a，满足
即可实现相位补偿。
具体实施2
如图1所示，本发明提供一种带相位补偿层的VCSEL结构与制备方法，包括：二维二极管激光阵列1、Talbot激光外腔3和相位补偿膜5；其中，
二维二极管激光阵列1的发光面设有Talbot激光外腔3，Talbot激光外腔3的输出端设有相位补偿膜5。进一步，为了实现Talbot激光外腔3与二维二极管激光阵列1的安装，本发明在Talbot激光外腔3与二维二极管激光阵列1之间设有键合层2；为了增加Talbot激光外腔输出端的反射率，本发明在Talbot激光外腔3与相位补偿膜5之间设有反射膜4；即，本发明沿激光发射方向，依次设有相平行的二维二极管激光阵列1、键合层2、Talbot激光外腔3、反射膜4和相位补偿膜5；更进一步，二维二极管激光阵列1的背面可设有散热片。
本发明的二维二极管激光阵列1用于产生空间周期分布的光场，二维二极管激光阵列1的光源个数为80-100个，每一行或者每一列光源个数n大于等于2，相邻光源之间的间距为5～1000μm。本发明的二维二极管激光阵列1可为多种形式的阵列结构，如图2a所示的四方形二维二极管激光阵列、如图2b所示的斜角形二维二极管激光阵列和如图2c所示的矩形二维二极管激光阵列。进一步，二维二极管激光阵列1发射光束方式为顶发射，顶发射结构采用金属作为阳极，阴极为半透明材质，光从顶电极一侧输出。
本发明的键合层2与Talbot激光外腔3和相位补偿膜5的材质一致，选择可以透射近红外光的石英晶体、蓝宝石、GaAs等，优选为二氧化硅薄膜；其中，石英晶体波导管的折射率n＝1.46，透射波长限4.5μm；蓝宝石折射率n＝1.68，透射波长限5.5μm；GaAs折射率n＝3.34，透射波长限18μm。键合层2采用PECVD技术生长在二维二极管激光阵列1的发光面上。进一步，键合层的厚度为
本发明的Talbot激光外腔3用于产生有效的激光振荡，并能够自成像；Talbot激光外腔锁相VCSEL需要同相模、反相模都能振荡，所以光在外腔内的一个来回为一个Talbot距离ZT的N倍(N为正整数)，所以Talbot激光外腔3的的厚度d为：
式中，ZT为Talbot距离，N为正整数。
Talbot激光外腔3的设计为N个半Talbot距离，即光在外腔中一个来回为N个Talbot距离，使得反相模的光在反射膜处的相位相对同相模有π/4的变化，而返回初始光场DLA的同相模、反相模光均无相位变换，成像无位置改变，产生振荡。
本发明的Talbot距离ZT由二维二极管激光阵列1的阵列结构以及Talbot激光外腔3的折射率决定，即：
当二维二极管激光阵列为图2b所示的斜角形二维二极管激光阵列时，横向周期为Tx，纵向周期为Ty；
Talbot距离ZT为：
式中，
n为Talbot激光外腔的折射率。
本发明的相位补偿膜5对输出光束的反相模进行相位补偿，得到同相模同相位的输出光束；DLA中相对相位为0的二极管激光器发出的激光束在进入相位补偿膜前相对相位为0，经过相位补偿膜后相对相位不改变，二维二极管激光阵列中相对相位为π的二极管激光器发出的激光束进入相位补偿膜前相对相位为-π/4；本发明的目的为：通过相位补偿膜来使相对相位增加π/4，最终相位与二维二极管激光阵列中初始相位为0的二极管激光器输出相位相同。为达到上述目的，如图3所示，本发明在相位补偿膜5相对应Talbot激光外腔输出端同相模的位置处设有沟槽结构，沟槽结构的深度a为：
式中，λ为激光波长，n0为相位补偿膜的折射率。
进一步，本发明相位补偿膜5为相位光栅或刻蚀微结构，相位补偿膜5的沟槽结构朝向二维二极管激光阵列1的发光面，沟槽位置对应同相模成像位置，台阶位置对应反相模成像位置。
基于上述结构，本发明激光器的相位补偿原理为：
选择厚度d满足N倍二分之一Talbot距离的波导管(Talbot激光外腔3)，相位补偿膜5紧贴波导管出射端，使得二维二极管激光阵列1的Talbot效应自成像呈现在相位补偿膜5上；由于二维二极管激光阵列1发出的光线，在二分之一Talbot距离平面上，同相模位置会有半个周期的偏移，而相位与初始没有发生变化；反相模没有发生偏移，但是其相位相差了π/4；因此，只需设置相位补偿膜5的折射率n0，厚度a，满足
即可实现相位补偿。
具体实施3
如图1所示，本发明提供一种带相位补偿层的VCSEL结构与制备方法，包括：二维二极管激光阵列1、Talbot激光外腔3和相位补偿膜5；其中，
二维二极管激光阵列1的发光面设有Talbot激光外腔3，Talbot激光外腔3的输出端设有相位补偿膜5。进一步，为了实现Talbot激光外腔3与二维二极管激光阵列1的安装，本发明在Talbot激光外腔3与二维二极管激光阵列1之间设有键合层2；为了增加Talbot激光外腔输出端的反射率，本发明在Talbot激光外腔3与相位补偿膜5之间设有反射膜4；即，本发明沿激光发射方向，依次设有相平行的二维二极管激光阵列1、键合层2、Talbot激光外腔3、反射膜4和相位补偿膜5；更进一步，二维二极管激光阵列1的背面可设有散热片。
本发明的二维二极管激光阵列1用于产生空间周期分布的光场，二维二极管激光阵列1的光源个数为80-100个，每一行或者每一列光源个数n大于等于2，相邻光源之间的间距为5～1000μm。本发明的二维二极管激光阵列1可为多种形式的阵列结构，如图2a所示的四方形二维二极管激光阵列、如图2b所示的斜角形二维二极管激光阵列和如图2c所示的矩形二维二极管激光阵列。进一步，二维二极管激光阵列1发射光束方式为顶发射，顶发射结构采用金属作为阳极，阴极为半透明材质，光从顶电极一侧输出。
本发明的键合层2与Talbot激光外腔3和相位补偿膜5的材质一致，选择可以透射近红外光的石英晶体、蓝宝石、GaAs等，优选为二氧化硅薄膜；其中，石英晶体波导管的折射率n＝1.46，透射波长限4.5μm；蓝宝石折射率n＝1.68，透射波长限5.5μm；GaAs折射率n＝3.34，透射波长限18μm。键合层2采用PECVD技术生长在二维二极管激光阵列1的发光面上。进一步，键合层的厚度为
本发明的Talbot激光外腔3用于产生有效的激光振荡，并能够自成像；Talbot激光外腔锁相VCSEL需要同相模、反相模都能振荡，所以光在外腔内的一个来回为一个Talbot距离ZT的N倍(N为正整数)，所以Talbot激光外腔3的的厚度d为：
式中，ZT为Talbot距离，N为正整数。
Talbot激光外腔3的设计为N个半Talbot距离，即光在外腔中一个来回为N个Talbot距离，使得反相模的光在反射膜处的相位相对同相模有π/4的变化，而返回初始光场DLA的同相模、反相模光均无相位变换，成像无位置改变，产生振荡。
本发明的Talbot距离ZT由二维二极管激光阵列1的阵列结构以及Talbot激光外腔3的折射率决定，即：
当二维二极管激光阵列为图2c所示的矩形二维二极管激光阵列时，横向周期为Ta，纵向周期为Tb；
Talbot距离ZT为：
式中，
为Talbot距离所需的系数。
本发明的反射膜4的反射率为50％-95％，优选为50％-90％。
本发明的相位补偿膜5对输出光束的反相模进行相位补偿，得到同相模同相位的输出光束；DLA中相对相位为0的二极管激光器发出的激光束在进入相位补偿膜前相对相位为0，经过相位补偿膜后相对相位不改变，二维二极管激光阵列中相对相位为π的二极管激光器发出的激光束进入相位补偿膜前相对相位为-π/4；本发明的目的为：通过相位补偿膜来使相对相位增加π/4，最终相位与二维二极管激光阵列中初始相位为0的二极管激光器输出相位相同。为达到上述目的，如图3所示，本发明在相位补偿膜5相对应Talbot激光外腔输出端同相模的位置处设有沟槽结构，沟槽结构的深度a为：
式中，λ为激光波长，n0为相位补偿膜的折射率。
进一步，本发明相位补偿膜5为相位光栅或刻蚀微结构，相位补偿膜5的沟槽结构朝向二维二极管激光阵列1的发光面，沟槽位置对应同相模成像位置，台阶位置对应反相模成像位置。
基于上述结构，本发明激光器的相位补偿原理为：
选择厚度d满足N倍二分之一Talbot距离的波导管(Talbot激光外腔3)，相位补偿膜5紧贴波导管出射端，使得二维二极管激光阵列1的Talbot效应自成像呈现在相位补偿膜5上；由于二维二极管激光阵列1发出的光线，在二分之一Talbot距离平面上，同相模位置会有半个周期的偏移，而相位与初始没有发生变化；反相模没有发生偏移，但是其相位相差了π/4；因此，只需设置相位补偿膜5的折射率n0，厚度a，满足
即可实现相位补偿。
如图4所示，本发明提供一种上述的垂直腔面发射激光器的制备方法，包括：
S1、构建周期分布的二维二极管激光阵列1；
具体为：将80-100个顶发射的二极管激光器按照图2a所示排列成四方形阵列或者按照图2b所示排列成斜角阵列，二极管激光器间距为5～1000μm，制成基板。
S2、在二维二极管激光阵列1的发光面镀一层键合层2；
具体为：采用PECVD技术，先抽底真空，达到10-7Torr后通入部分N2，并预热基板表面，然后在300度下按照710sccm：170sccm的比例通入SiH4和N2O进行反应，沉积完成后，生成的SiO2落在基板表面，通入N2，保证管道内无SiH4残留。
S3、在键合层2上键合Talbot激光外腔3；
具体为：
在键合层2和Talbot激光外腔3间施加强大的静电场，键合层2与阳极相接，Talbot激光外腔3与阴极相接，当温度升高后，玻璃中的Na离子在电场作用下向阴极迁移，并在阴极被中性化，而Talbot激光外腔3中固定的束缚负离子保持不动，在键合层2表面感应形成一层空间正电荷区，使得两个被键合的表面紧压在一起；
或者，将键合层2和Talbot激光外腔3用树脂或蓖麻油等胶间接键合；
或者，对键合层2和Talbot激光外腔3表面进行清洗、活化、亲水性预处理，接着在室温下进行键合，然后经1000℃左右高温退火，达到最终键合强度。
S4、在Talbot激光外腔3的输出端上制一层反射膜4；
具体为：用化学气相沉淀法(CVD)在波导管后淀积一层均匀厚度的金属电介质反射膜。
S5、在反射膜4上制一层相位补偿膜5；
具体为：根据同相模和反相模在半Talbot距离处的成像特点制作相位光栅或微结构，如图3所示，要求相位补偿单元与二维二极管激光阵列周期相同，保证相位补偿单元沟槽位置对应同相模成像位置，台阶位置对应反相模成像位置。若用微结构，在洁净的二氧化硅表面涂覆光刻胶，经过软烘焙、对准曝光、显影、硬烘焙，采用湿法(氢氟酸与水混合或氟化铵与水混合)或干法(平面等离子体)刻蚀二氧化硅，得到所需微结构。
S6、封装；
具体为：将制好的激光阵列安装在陶瓷衬底表面，并在封装体上安装金属散热条，完成激光阵列封装。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种带相位补偿层的VCSEL结构，其特征在于，包括顶发射VCSEL阵列；
所述顶发射VCSEL阵列的顶部设有Talbot激光外腔，所述Talbot激光外腔的输出端设有相位补偿膜；
所述Talbot激光外腔的厚度d为：
式中，ZT为Talbot距离，N为正整数；
所述相位补偿膜相对应所述Talbot激光外腔输出端同相模的位置处设有沟槽结构，所述沟槽结构的深度a为：
式中，λ为激光波长，n0为所述相位补偿膜的折射率。
2.如权利要求1所述的VCSEL结构，其特征在于，顶发射VCSEL阵列中单个光源排布方式为二维周期性排布。
3.如权利要求1所述的VCSEL结构，其特征在于，所述Talbot激光外腔与所述二维二极管激光阵列之间设有键合层，所述Talbot激光外腔与所述相位补偿膜之间设有反射膜。
4.如权利要求4所述的VCSEL结构，其特征在于，所述顶发射VCSEL阵列、键合层、Talbot激光外腔、反射膜和相位补偿膜平行设置；所述反射膜的反射率为50％-99％，所述键合层的厚度为
5.如权利要求1所述的VCSEL结构，其特征在于，所述顶发射VCSEL阵列的背面设有散热片。
6.如权利要求1所述的VCSEL结构，其特征在于，所述相位补偿膜为相位光栅或刻蚀微结构，所述相位补偿膜的沟槽结构朝向所述二维二极管激光阵列的发光面。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的VCSEL结构的制备方法，其特征在于，包括：
构建周期分布的二维二极管激光阵列；
在所述二维二极管激光阵列的发光面镀一层键合层；
在所述键合层上键合Talbot激光外腔；
在所述Talbot激光外腔的输出端上制一层反射膜；
在所述反射膜上制一层相位补偿膜；
封装。
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