CN109038216B - 一种多光束垂直腔面发射激光芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多光束垂直腔面发射激光芯片及其制作方法，垂直腔面发射激光芯片的出光区域具有第一透明层以及位于所述第一透明层表面的第二透明层；所述第一透明层具有将所述芯片的出射光分成多束光的衍射光栅；所述第二透明层具有使所述衍射光出射的多束光进行干涉加强的干涉狭缝。因此，本发明不仅可以通过衍射光栅将芯片的出射光分成多束光，实现一个垂直腔面发射激光芯片出射多束光、减小光源模组的体积的目的，而且可以通过干涉狭缝对衍射光出射的多束光进行干涉加强，以在不进行二次配光的情况下，增加出射的多束光的亮度，使得出射的多束光满足一定的亮度需求。

Description

一种多光束垂直腔面发射激光芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及光电技术领域，更具体地说，涉及一种多光束垂直腔面发射激光芯片及其制作方法。

背景技术

VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，垂直腔面发射激光)芯片，因具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉和易集成为大面积阵列等优点，而被广泛应用在光通信、光互连和光存储等领域。

但是，由于一个VCSEL芯片只能出射一束光，因此，现有的光源模组在需要多束光时，都是采用多个VCSEL芯片来发出多束光，或者，在VCSEL芯片的出射光路上设置光程较长的光栅来将一束光分成多束光，这样就会导致光源模组的体积较大，不利于实际应用的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种多光束垂直腔面发射激光芯片及其制作方法，以提供一种能够出射多个光束的VCSEL芯片，减小光源模组的体积。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多光束垂直腔面发射激光芯片，垂直腔面发射激光芯片的出光区域具有第一透明层以及位于所述第一透明层表面的第二透明层；

所述第一透明层具有将所述芯片的出射光分成多束光的衍射光栅；

所述第二透明层具有使所述衍射光出射的多束光进行干涉加强的干涉狭缝。

可选地，所述衍射光栅包括多个第一狭缝，所述干涉狭缝包括多个第二狭缝；

所述第二狭缝在所述芯片所在平面上的投影位于相邻的两个所述第一狭缝在所述芯片所在平面上的投影之间；

所述第二狭缝和所述第一狭缝在垂直于所述芯片所在平面方向上的间距等于所述芯片出射光波长的整数倍。

可选地，所述芯片包括衬底、依次位于所述衬底第一表面的N型DBR层、MQW层、P型DBR层、缓冲层和第一电极、位于所述衬底第二表面的第二电极；

其中所述第一表面和所述第二表面为所述衬底相对的两个表面，所述出光区域为所述缓冲层未被所述第一电极覆盖的区域。

可选地，所述狭缝在所述芯片所在平面上的投影的形状与所述出光区域在所述芯片所在平面上的投影的形状对应。

可选地，所述出光区域在所述芯片所在平面上的投影的形状为圆形，所述狭缝在所述芯片所在平面上的投影为圆环形；

或者，所述出光区域在所述芯片所在平面上的投影的形状为方形，所述狭缝在所述芯片所在平面上的投影为方环形。

可选地，所述透明层的材料为玻璃。

一种多光束垂直腔面发射激光芯片的制作方法，包括：

在垂直腔面发射激光芯片的出光区域形成第一透明层；

对所述第一透明层进行刻蚀，形成将所述芯片的出射光分成多束光的衍射光栅；

在所述衍射光栅的表面形成第二透明层；

对所述第二透明层进行刻蚀，形成使所述衍射光出射的多束光发生干涉加强的干涉狭缝。

可选地，在形成所述第二透明层之前，还包括：

在所述衍射光栅的表面形成第三透明层，以使所述第二狭缝和所述第一狭缝在垂直于所述芯片所在平面方向上的间距等于所述芯片出射光波长的整数倍。

可选地，所述透明层的材料为玻璃。

可选地，在形成所述第一透明层之前，还包括：

提供衬底；

在所述衬底的第一表面依次形成N型DBR层、MQW层、P型DBR层、缓冲层和第一电极；

在所述衬底的第二表面形成第二电极；

其中所述第一表面和所述第二表面为所述衬底相对的两个表面，所述出光区域为所述缓冲层未被所述第一电极覆盖的区域。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的多光束垂直腔面发射激光芯片及其制作方法，由于垂直腔面发射激光芯片的出光区域的第一透明层具有将芯片的出射光分成多束光的衍射光栅，第二透明层具有使衍射光出射的多束光进行干涉加强的干涉狭缝，因此，本发明不仅可以通过衍射光栅将芯片的出射光分成多束光，实现一个垂直腔面发射激光芯片出射多束光、减小光源模组的体积的目的，而且可以通过干涉狭缝对衍射光出射的多束光进行干涉加强，以在不进行二次配光的情况下，增加出射的多束光的亮度，使得出射的多束光满足一定的亮度需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种多光束垂直腔面发射激光芯片的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种多光束垂直腔面发射激光芯片的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种多光束垂直腔面发射激光芯片的俯视结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种多光束垂直腔面发射激光芯片的制作方法的流程图。

具体实施方式

以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。

本发明实施例提供了一种多光束垂直腔面发射激光芯片，即多光束VCSEL芯片，也就是说，本发明实施例中的VCSEL芯片能够发射多束光。

如图1和图2所示，垂直腔面发射激光芯片的出光区域具有第一透明层10以及位于第一透明层10表面的第二透明层11。其中，上述垂直腔面发射激光芯片是指外延层和电极等结构已经制作完成，但是还未封装的垂直腔面发射激光芯片。

其中，第一透明层10具有将VCSEL芯片的出射光分成多束光的衍射光栅；第二透明层11具有使衍射光栅出射的多束光进行干涉加强的干涉狭缝。

由于第一透明层10具有将VCSEL芯片的出射光分成多束光的衍射光栅，因此，可以将VCSEL芯片的出射光分成多束光，实现一个VCSEL芯片出射多束光、减小光源模组的体积的目的。由于第二透明层11具有使衍射光栅出射的多束光进行干涉加强的干涉狭缝，也就是说，衍射光栅出射的多束光会在干涉狭缝处发生干涉，且多个光束的波峰在干涉狭缝处叠加，从而使得干涉狭缝处的单束光的光强大于两束光的光强之和，因此，在不进行二次配光的情况下，可以增加出射的多个光束的亮度，使得出射的多束光满足一定的亮度需求。

如图1和图2所示，衍射光栅包括多个在第一方向X上相互间隔且平行排列的第一狭缝100，干涉狭缝包括多个在第一方向X上相互间隔且平行排列的第二狭缝110。

其中，第一狭缝100在第一方向X上的宽度以及相邻的两个第一狭缝100在第一方向X上的间距是由VCSEL芯片出射光的波长决定的，第二狭缝110在第一方向X上的宽度以及相邻的两个第二狭缝110在第一方向X上间距是由VCSEL芯片出射光的波长决定的，即第一狭缝100在第一方向X上的宽度、相邻的两个第一狭缝100在第一方向X上的间距、第二狭缝110在第一方向X上的宽度以及相邻的两个第二狭缝110在第一方向X上间距是根据VCSEL芯片出射光的波长计算得出的，以对光束的振幅或相位进行周期性空间调制。

当从相邻两个第一狭缝100出射的光线到达干涉点的光程差是光的波长的整数倍时，两束光的相位相同，就会发生干涉加强现象。以公式来描述，当衍射角θ_m满足关系(d*sinθ_m)/λ＝|m|时发生干涉加强现象，这里d为第一狭缝100的间距，即光栅常数，m是一个整数，取值为0，±1，±2，……。这种干涉加强点称为衍射极大。因此，衍射光将在衍射角为θ_m时取得极大，即：d*sinθ_m＝|m|λ，当θ_m为90度时d＝|m|λ。

本发明实施例中，第二狭缝110在VCSEL芯片所在平面上的投影位于相邻的两个第一狭缝100在VCSEL芯片所在平面上的投影之间，以使相邻的两个第一狭缝100出射的两束光在第二狭缝110处发生干涉。

并且，第二狭缝110和第一狭缝100在垂直于VCSEL芯片所在平面方向Y上的间距D等于VCSEL芯片出射光波长的整数倍，以使相邻的两个第一狭缝100出射的两束光在第二狭缝110处干涉加强。

本发明实施例中，如图1所示，VCSEL芯片包括衬底20、依次位于衬底20第一表面的N型DBR层(distributed Bragg reflector，分布式布拉格反射层)21、MQW(multiplequantum well，多量子阱)层22、氧化层23、P型DBR层24、缓冲层25和第一电极26、位于衬底20第二表面的第二电极27。其中第一表面和第二表面为衬底20相对的两个表面，出光区域为缓冲层25未被第一电极26覆盖的区域。

可选地，狭缝即第一狭缝100和第二狭缝110在VCSEL芯片所在平面上的投影的形状与出光区域在VCSEL芯片所在平面上的投影的形状对应。

如图2所示，出光区域在VCSEL芯片所在平面上的投影的形状为圆形，狭缝在VCSEL芯片所在平面上的投影为圆环形。或者，如图3所示，出光区域在VCSEL芯片所在平面上的投影的形状为方形，狭缝在VCSEL芯片所在平面上的投影为方环形。当然，本发明并不仅限于此，狭缝在VCSEL芯片所在平面上的投影的形状还可以是三角形或梯形等。

同样，在其他实施例中，第一狭缝100和第二狭缝110在VCSEL芯片所在平面上的投影的形状也可以不与出光区域在VCSEL芯片所在平面上的投影的形状对应，例如，出光区域在VCSEL芯片所在平面上的投影的形状为方形，狭缝在VCSEL芯片所在平面上的投影的形状为圆环形。本发明实施例中，VCSEL芯片所在平面与衬底20平行，与VCSEL芯片所在平面垂直也就与衬底20垂直。

本发明所提供的多光束垂直腔面发射激光芯片，由于第一透明层具有将芯片的出射光分成多束光的衍射光栅，第二透明层具有使衍射光出射的多束光进行干涉加强的干涉狭缝，因此，本发明实施例不仅可以通过衍射光栅将芯片的出射光分成多束光，实现一个垂直腔面发射激光芯片出射多束光、减小光源模组的体积的目的，而且可以通过干涉狭缝对衍射光出射的多束光进行干涉加强，以在不进行二次配光的情况下，增加出射的多束光的亮度，使得出射的多束光满足一定的亮度需求。

本发明实施例还提供了一种多光束垂直腔面发射激光芯片的制作方法，如图4所示，包括：

S101：在垂直腔面发射激光芯片的出光区域形成第一透明层；

S102：对第一透明层进行刻蚀，形成将芯片的出射光分成多束光的衍射光栅；

S103：在衍射光栅的表面形成第二透明层；

S104：对第二透明层进行刻蚀，形成使衍射光出射的多束光发生干涉加强的干涉狭缝。

其中，S101步骤中的垂直腔面发射激光芯片即VCSEL芯片是指外延层和电极等结构已经制作完成，但是还未封装的垂直腔面发射激光芯片。

在本发明的一个实施例中，在形成第二透明层之前，还包括：

在衍射光栅的表面形成第三透明层，以使第二狭缝和第一狭缝在垂直于芯片所在平面方向上的间距等于芯片出射光波长的整数倍。

本发明实施例中，在形成第一透明层之前，还包括：

提供衬底；

在衬底的第一表面依次形成N型DBR层、MQW层、P型DBR层、缓冲层和第一电极；

在衬底的第二表面形成第二电极；

其中第一表面和第二表面为衬底相对的两个表面，出光区域为缓冲层未被第一电极覆盖的区域。

下面结合图1对多光束垂直腔面发射激光芯片的具体制作过程进行说明。

在制作VCSEL芯片的过程中，先提供衬底20，该衬底20可以为硅衬底等。之后，在衬底20上进行外延生长和制作，外延层包括N型DBR层21、MQW层22、氧化层23、P型DBR层24和缓冲层25。

其中，N型DBR层21包括多组膜层，每组膜层包括一层AlAs层和一层AlGaAs层，并在垂直于衬底20的方向Y上AlAs层和AlGaAs层交替排列。P型DBR层24也包括多组膜层，每组膜层包括一层AlAs层和一层AlGaAs层，并且，在垂直于衬底20的方向Y上AlAs层和AlGaAs层交替排列。需要说明的是，N型DBR层21中的膜层组数为32，P型DBR层24中的膜层组数为20。

之后，采用湿法氧化对氧化层23进行氧化，并进行第一电极26和第二电极27的制作。其中，缓冲层25的材料为GaAs、第一电极26和第二电极27的材料为金属，如Al、Ag等。

然后，在发光区域形成第一透明层10，发光区域是指缓冲层25未被第一电极26覆盖的区域。并且，本发明实施例中的透明层的材料都为玻璃，当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，还可以采用其他的透明材料。本实施例中，第一透明层为采用旋涂玻璃的方式形成的。

之后，对第一透明层10进行刻蚀，形成多个在第一方向X上相互间隔且平行排列的第一狭缝100，即形成将VCSEL芯片的出射光分成多束光的衍射光栅。然后，在衍射光栅的表面形成第三透明层(图中未示出)，以使第二狭缝110和第一狭缝100在垂直于VCSEL芯片所在平面方向上的间距等于芯片出射光波长的整数倍。

然后，在第三透明层的表面形成第二透明层11，并对第二透明层11进行刻蚀，形成使衍射光出射的多束光发生干涉加强的干涉狭缝。

其中。第一狭缝100在第一方向X上的宽度、相邻的两个第一狭缝100在第一方向X上的间距、第二狭缝110在第一方向X上的宽度以及相邻的两个第二狭缝110在第一方向X上间距是根据VCSEL芯片出射光的波长计算得出的。也就是说，先制作完成电极等结构后，可以通过光谱仪等测量得到VCSEL芯片出射光的波长，然后根据波长计算狭缝大小以及间距等参数，然后再根据这些参数进行衍射光栅和干涉狭缝的制作。

本发明所提供的多光束垂直腔面发射激光芯片的制作方法，由于第一透明层具有将芯片的出射光分成多束光的衍射光栅，第二透明层具有使衍射光出射的多束光进行干涉加强的干涉狭缝，因此，本发明实施例不仅可以通过衍射光栅将芯片的出射光分成多束光，实现一个垂直腔面发射激光芯片出射多束光、减小光源模组的体积的目的，而且可以通过干涉狭缝对衍射光出射的多束光进行干涉加强，以在不进行二次配光的情况下，增加出射的多束光的亮度，使得出射的多束光满足一定的亮度需求。

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他实施例的不同之处，各个实施例之间相同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。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种多光束垂直腔面发射激光芯片，其特征在于，所述芯片包括衬底、依次位于所述衬底第一表面的N型DBR层、MQW层、P型DBR层、缓冲层和第一电极、位于所述衬底第二表面的第二电极；其中所述第一表面和所述第二表面为所述衬底相对的两个表面，所述芯片的出光区域为所述缓冲层未被所述第一电极覆盖的区域；

所述出光区域具有第一透明层以及位于所述第一透明层表面的第二透明层；

所述第一透明层具有将所述芯片的出射光分成多束光的衍射光栅；

所述第二透明层具有使所述衍射光出射的多束光进行干涉加强的干涉狭缝。

2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述衍射光栅包括多个第一狭缝，所述干涉狭缝包括多个第二狭缝；

所述第二狭缝在所述芯片所在平面上的投影位于相邻的两个所述第一狭缝在所述芯片所在平面上的投影之间；

所述第二狭缝和所述第一狭缝在垂直于所述芯片所在平面方向上的间距等于所述芯片出射光波长的整数倍。

3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述狭缝在所述芯片所在平面上的投影的形状与所述出光区域在所述芯片所在平面上的投影的形状对应。

4.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于，所述出光区域在所述芯片所在平面上的投影的形状为圆形，所述狭缝在所述芯片所在平面上的投影为圆环形；

或者，所述出光区域在所述芯片所在平面上的投影的形状为方形，所述狭缝在所述芯片所在平面上的投影为方环形。

5.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述透明层的材料为玻璃。

6.一种多光束垂直腔面发射激光芯片的制作方法，其特征在于，包括：

提供衬底；

在所述衬底的第一表面依次形成N型DBR层、MQW层、P型DBR层、缓冲层和第一电极；

在所述衬底的第二表面形成第二电极；

其中所述第一表面和所述第二表面为所述衬底相对的两个表面，所述芯片的出光区域为所述缓冲层未被所述第一电极覆盖的区域；

在所述出光区域形成第一透明层；

对所述第一透明层进行刻蚀，形成将所述芯片的出射光分成多束光的衍射光栅；

在所述衍射光栅的表面形成第二透明层；

对所述第二透明层进行刻蚀，形成使所述衍射光出射的多束光发生干涉加强的干涉狭缝。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述衍射光栅包括多个第一狭缝，所述干涉狭缝包括多个第二狭缝；所述第二狭缝在所述芯片所在平面上的投影位于相邻的两个所述第一狭缝在所述芯片所在平面上的投影之间；

在形成所述第二透明层之前，所述方法还包括：

在所述衍射光栅的表面形成第三透明层，以使所述第二狭缝和所述第一狭缝在垂直于所述芯片所在平面方向上的间距等于所述芯片出射光波长的整数倍。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述透明层的材料为玻璃。