CN104319627B - 二阶光栅相干垂直腔面发射半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二阶光栅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。该激光器包括依次排列的P面电极、P型DBR、有源区、N型DBR、衬底和N面电极，P型DBR中设有具有多个氧化孔的氧化限制层，该激光器还包括一阶光栅和二阶光栅，一阶光栅和二阶光栅的偏振方向相同，偏振方向均平行或垂直于(110)晶向，二阶光栅设定在出光面上，且遮挡所有出光孔及出光孔的连接处；一阶光栅设定在出光面上，且设置于二阶光栅的两端。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。

Description

二阶光栅相干垂直腔面发射半导体激光器

技术领域

本发明涉及一种二阶光栅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，提供一种二阶光栅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。

二阶光栅相干垂直腔面发射半导体激光器，包括依次排列的P面电极、P型DBR、有源区、N型DBR、衬底和N面电极；

所述P型DBR中设有具有多个氧化孔的氧化限制层；

所述激光器还包括一阶光栅和二阶光栅，一阶光栅和二阶光栅的偏振方向相同，所述偏振方向平行或垂直于(110)晶向，所述二阶光栅设定在出光面上，且遮挡所有出光孔及出光孔的连接处；所述一阶光栅设定在出光面上，且设置于二阶光栅的两端。

进一步的，所述出光面为P面，P型DBR、有源区、N型DBR、衬底和N面电极从上至下依次紧密排列，P面电极固定在P型DBR的上表面边缘，P型DBR的上表面刻蚀有一阶光栅和二阶光栅。

进一步的，所述出光面为N面，P面电极、P型DBR、有源区、N型DBR和衬底从下至上依次紧密排列，N面电极固定在衬底的上表面边缘，衬底的上表面刻蚀有一阶光栅和二阶光栅。

进一步的，所述二阶光栅为矩形光栅。

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，所述多个氧化孔在氧化限制层上沿直线均匀分布，所述二阶光栅为矩形光栅，二阶光栅垂直于多个氧化孔的中心连线。

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：

本发明的二阶光栅相干垂直腔面发射半导体激光器，在出光面制作二阶光栅，利用二阶光栅的水平和垂直衍射原理，实现不同出光孔之间的相互注入，形成相干，在二阶光栅外围增加高反射率的一阶光栅，减少输出光在水平方向的损耗；与现有技术相比，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为本发明二阶光栅相干垂直腔面发射半导体激光器在出光面为P面时的结构示意图；

图2为图1中的二阶光栅相干垂直腔面发射半导体激光器的一阶光栅和二阶光栅的俯视图；

图3为本发明二阶光栅相干垂直腔面发射半导体激光器在出光面为N面时的结构示意图；

图中：1、二阶光栅，2、一阶光栅，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1-3所示，本发明的二阶光栅相干垂直腔面发射半导体激光器包括二阶光栅1、一阶光栅2、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，N型DBR7和衬底8之间还可以设置有缓冲层。P型DBR4和N型DBR7均为多层结构，P型DBR4的任意一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。二阶光栅1和一阶光栅2的偏振方向相同，该偏振方向平行或垂直于(110)晶向；二阶光栅1设定在出光面上，且遮挡所有出光孔及出光孔的连接处；一阶光栅2设定在出光面上，且设置在二阶光栅2的两端，并不遮挡出光孔及出光孔的连接处。二阶光栅1和一阶光栅2可以均为矩形光栅，当多个氧化孔51在氧化限制层5上沿直线均匀分布，二阶光栅1和一阶光栅2均垂直于多个氧化孔51的中心连线。

本实施方式中，如图1所示，当出光面为P面，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，P面电极3固定在P型DBR的上表面边缘，且不遮挡出光孔，P型DBR4上表面的中心区域上刻蚀有一阶光栅2和二阶光栅1；如图3所示，当出光面为N面，P面电极3、P型DBR4、有源区6、N型DBR7和衬底8从下至上依次紧密排列，N面电极9固定在衬底8的上表面边缘，且不遮挡出光孔，衬底8上表面的中心区域上刻蚀有一阶光栅2和二阶光栅1。

本实施方式中，P型DBR4和N型DBR7均为多层结构，均由交替排列的高折射率介质材料和低折射率介质材料组成，按本领域技术人员公知常识，一般与P面电极3接触的为高折射率介质材料，与有源区6接触的为低折射率介质材料，与衬底8接触的为高折射率介质材料；高折射率介质材料和低折射率介质材料的厚度均为四分之一光学波长：低折射率介质材料为高铝组分的铝镓砷材料，高折射率介质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，二阶光栅1具有对垂直入射到其表面的光有水平和垂直方向的衍射的特征。二阶光栅1遮挡出光孔和出光孔的连接处，对出光孔输出光进行反馈。一阶光栅2和二阶光栅1的偏振方向相同，且偏振方向平行或垂直于(110)晶向，一阶光栅2位于二阶光栅1两端，对二阶光栅1水平方向衍射的光起高反射的作用，减少二阶光栅1水平衍射光的损耗。

本实施方式的二阶光栅相干垂直腔面发射半导体激光器的制备方法(以出光面为P面为例)：

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的上表面的中心区域上利用电子束直写或者纳米压印等技术直接干法刻蚀做出一阶光栅2和二阶光栅1；

步骤六、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 (7)

1.二阶光栅相干垂直腔面发射半导体激光器，包括依次排列的P面电极(3)、P型DBR(4)、有源区(6)、N型DBR(7)、衬底(8)和N面电极(9)；

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)；

所述激光器还包括一阶光栅(2)和二阶光栅(1)，一阶光栅(2)和二阶光栅(1)的偏振方向相同，所述偏振方向平行或垂直于(110)晶向；

所述二阶光栅(1)设定在出光面上，且遮挡所有出光孔及出光孔的连接处；

所述一阶光栅(2)设定在出光面上，且设置于二阶光栅(1)的两端。

2.根据权利要求1所述的二阶光栅相干垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述出光面为P面，P型DBR(4)、有源区(6)、N型DBR(7)、衬底(8)和N面电极(9)从上至下依次紧密排列，P面电极(3)固定在P型DBR(4)的上表面边缘，P型DBR(4)的上表面刻蚀有一阶光栅(2)和二阶光栅(1)。

3.根据权利要求1所述的二阶光栅相干垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述出光面为N面，P面电极(3)、P型DBR(4)、有源区(6)、N型DBR(7)和衬底(8)从下至上依次紧密排列，N面电极(9)固定在衬底(8)的上表面边缘，衬底(8)的上表面刻蚀有一阶光栅(2)和二阶光栅(1)。

4.根据权利要求1-3任何一项所述的二阶光栅相干垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述二阶光栅(1)为矩形光栅。

5.根据权利要求1-3任何一项所述的二阶光栅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。

6.根据权利要求1-3任何一项所述的二阶光栅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)上沿直线均匀分布，所述二阶光栅(1)为矩形光栅，二阶光栅(1)垂直于多个氧化孔(51)的中心连线。

7.根据权利要求1所述的二阶光栅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)之间还设有缓冲层。