CN109103748A - 一种垂直腔面发射激光器阵列及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直腔面发射激光器阵列及其制作方法，激光器阵列包括衬底、第一周期性层叠镜面结构、发光层和第二周期性层叠镜面结构，由所述第二周期性层叠镜面结构形成若干以阵列形式排布的呈台状的出光单元；在所述出光单元上设置有用于调控出射光的透镜，若干所述出光单元至少包括对应出光单元设置的透镜中心轴与该出光单元中心轴不重合的出光单元。对应出光单元制作的透镜能够偏转出光单元的出光方向，能够实现调控垂直腔面激光器阵列输出激光的出光方向。

Description

一种垂直腔面发射激光器阵列及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体光电技术领域，特别是涉及一种垂直腔面发射激光器阵列及其制作方法。

背景技术

垂直腔面发射半导体激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)的出光方向垂直于其外延平面，因此易于实现大规模集成而形成高功率面阵输出，在激光照明、激光显示及面阵激光雷达领域具有广阔的应用。

目前的VCSEL阵列由数百个出光单元组成，对VCSEL阵列的光束处理需要先对每个出光单元进行单独处理后，再采用外部透镜组对处理过的光束进行后处理，以达到实际应用的目的。由于VCSEL阵列单个出光单元的出光窗口只有数十微米，因此常规在出光单元窗口外粘接透镜的方式对于具有数百个乃至上千个出光单元的VCSEL阵列是非常难以实现的。

采用光刻或者刻蚀技术在VCSEL阵列的出光单元窗口制备微透镜结构可以有效实现对单元光束的初步处理，为后端的外部光学透镜组进行光束精细处理提供了便利，该技术也是本领域近年来研究的热点。然而，现有方案在VCSEL阵列的出光单元窗口制作的微透镜结构，仅用于压缩出光单元输出光束的发散角，各出光单元出光方向都严格垂直于芯片表面，在大规模VCSEL阵列上应用也只能实现光束发散角压缩的效果，获得的微透镜集成VCSEL阵列其激光输出方向仍严格垂直于芯片表面。然而，在一些应用场景中，需要VCSEL阵列输出激光的出光方向能够满足特定要求，而上述方案的VCSEL阵列并不能实现。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种垂直腔面发射激光器阵列，对应出光单元制作的透镜能够偏转出光单元的出光方向，能够实现调控垂直腔面激光器阵列输出激光的出光方向。本发明还提供一种垂直腔面发射激光器阵列制作方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种垂直腔面发射激光器阵列，包括衬底、第一周期性层叠镜面结构、发光层和第二周期性层叠镜面结构，由所述第二周期性层叠镜面结构形成若干以阵列形式排布的呈台状的出光单元；

在所述出光单元上设置有用于调控出射光的透镜，若干所述出光单元至少包括对应出光单元设置的透镜中心轴与该出光单元中心轴不重合的出光单元。

优选的，若干所述出光单元包括位于中间区域的出光单元以及位于中间区域周围的出光单元，位于中间区域的出光单元上设置的透镜中心轴与该出光单元中心轴重合，位于周围的出光单元上设置的透镜中心轴处于该出光单元中心轴偏离中间区域一侧。

优选的，若干所述出光单元包括位于中间区域的出光单元以及位于中间区域周围的出光单元，位于中间区域的出光单元上设置的透镜中心轴与该出光单元中心轴重合，位于周围的出光单元上设置的透镜中心轴处于该出光单元中心轴靠向中间区域一侧。

优选的，若干所述出光单元的透镜中心轴均与出光单元中心轴不重合，各所述出光单元的透镜中心轴位于对应出光单元中心轴的同一侧。

优选的，若干所述出光单元以方形阵列排布、或者若干所述出光单元以三角形阵列排布，或者若干所述出光单元以间隔点阵式排布。

优选的，所述出光单元的形状为圆形台状、矩形台状或者方形台状。

优选的，所述第一周期性层叠镜面结构包括AlGaAs、GaN、AlGaInP、InGaAsP或者GaSb，所述第二周期性层叠镜面结构包括AlGaAs、GaN、AlGaInP、InGaAsP或者GaSb，所述发光层包括AlGaAs、GaN、AlGaInP、InGaAsP或者GaSb。

一种垂直腔面发射激光器阵列制作方法，包括：

依次制作衬底、第一周期性层叠镜面结构、发光层和第二周期性层叠镜面结构，并将所述第二周期性层叠镜面结构制作成若干以阵列形式排布的呈台状的出光单元；

在所述出光单元上制作形成光学介质层；

将具有透镜图案的掩膜板放置到所述光学介质层上，掩膜板的透镜图案中心轴与对应出光单元的中心轴不重合；

对所述出光单元上的光学介质层进行刻蚀，使所述光学介质层形成透镜。

优选的，所述光学介质层包括二氧化硅或者氮化硅、半导体材料或者有机材料，半导体材料包括AlGaAs、InGaAs或者AlGaN。

由上述技术方案可知，本发明所提供的垂直腔面发射激光器阵列，包括衬底、第一周期性层叠镜面结构、发光层和第二周期性层叠镜面结构，由第二周期性层叠镜面结构形成若干以阵列形式排布的呈台状的出光单元，发光层产生的光经过第一周期性层叠镜面结构和第二周期性层叠镜面结构往复多次振荡后，形成激光由各出光单元发射出。

在出光单元上设置有用于调控出射光的透镜，若干出光单元至少包括对应出光单元设置的透镜中心轴与该出光单元中心轴不重合的出光单元，由于透镜中心轴与出光单元中心轴不重合，由出光单元出射的光经过透镜后不会沿出光单元中心轴方向传播，而会偏转，通过合理设置各出光单元的透镜，能够实现调控垂直腔面激光器阵列输出激光的出光方向。

本发明提供的一种垂直腔面发射激光器阵列制作方法，能够达到上述有益效果。

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为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器阵列的纵向截面示意图；

图2为本发明一种实施方式提供的一种垂直腔面发射激光器阵列的俯视图；

图3为本发明又一种实施方式提供的一种垂直腔面发射激光器阵列的俯视图；

图4为本发明又一种实施方式提供的一种垂直腔面发射激光器阵列的俯视图；

图5为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器阵列制作方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器阵列，包括衬底、第一周期性层叠镜面结构、发光层和第二周期性层叠镜面结构，由所述第二周期性层叠镜面结构形成若干以阵列形式排布的呈台状的出光单元；

在所述出光单元上设置有用于调控出射光的透镜，若干所述出光单元至少包括对应出光单元设置的透镜中心轴与该出光单元中心轴不重合的出光单元。

其中，第一周期性层叠镜面结构和第二周期性层叠镜面结构是由两种不同折射率的光学介质材料周期交替的层状结构，对工作波段内光具有较高的反射率。发光层产生的光经过第一周期性层叠镜面结构和第二周期性层叠镜面结构往复多次振荡后，形成激光由各出光单元发射出。

在出光单元上设置有用于调控出射光的透镜，若干出光单元至少包括对应出光单元设置的透镜中心轴与该出光单元中心轴不重合的出光单元，由于透镜中心轴与出光单元中心轴不重合，由出光单元出射的光经过透镜后不会沿出光单元中心轴方向传播，而会偏转，通过合理设置各出光单元的透镜，能够实现调控垂直腔面激光器阵列输出激光的出光方向。

下面结合附图和具体实施方式对本实施例垂直腔面发射激光器阵列进行详细说明。

请参考图1，图1为本实施例提供的一种垂直腔面发射激光器阵列的纵向截面示意图，由图可看出，本实施例垂直腔面发射激光器阵列包括衬底10、第一周期性层叠镜面结构11、发光层13和第二周期性层叠镜面结构12。衬底10、第一周期性层叠镜面结构11、发光层13和第二周期性层叠镜面结构12依次层叠。

第一周期性层叠镜面结构11或者第二周期性层叠镜面结构12可采用半导体光学介质材料制作，第一周期性层叠镜面结构或者第二周期性层叠镜面结构可以是分布布拉格反射镜。示例性的，第一周期性层叠镜面结构11可以包括AlGaAs或者AlGaN，也可采用应变型多元材料AlGaInP、InGaAsP或者GaSb。第二周期性层叠镜面结构12可以包括AlGaAs或者AlGaN，也可采用应变型多元材料AlGaInP、InGaAsP或者GaSb。但不限于此，在本发明其它实施例中第一周期性层叠镜面结构或者第二周期性层叠镜面结构也可采用其它光学材料，也都在本发明保护范围内。

可选的，发光层13可以包括AlGaAs或者AlGaN，也可采用应变型多元材料AlGaInP、InGaAsP或者GaSb。但不限于此，在本发明其它实施例中发光层也可采用其它光学材料，也都在本发明保护范围内。

本激光器阵列由第二周期性层叠镜面结构12出射光，由第二周期性层叠镜面结构12形成若干呈台状的出光单元100，若干出光单元100以阵列形式排布。

在出光单元100上设置有用于调控出射光的透镜14，若干出光单元至少包括对应出光单元设置的透镜中心轴与该出光单元中心轴不重合的出光单元101。请参考图1所示，对于出光单元101，其上的透镜14中心轴与出光单元101中心轴不重合，由出光单元101出射的光经过透镜14后不沿出光单元101中心轴方向传播，而发生了偏转，实现了对出光单元出光方向的偏转控制。

在具体实施时，可以通过设计透镜中心轴相对于出光单元中心轴的偏离方向和偏离距离，来控制出光单元发出光的偏转方向。进一步的，在实际应用中，可以根据实际应用需求来设计垂直腔面激光器阵列中各出光单元上透镜的偏心排布。

可选的，在一种实施方式中，若干出光单元包括位于中间区域的出光单元以及位于中间区域周围的出光单元，位于中间区域的出光单元上设置的透镜中心轴与该出光单元中心轴重合，位于周围的出光单元上设置的透镜中心轴处于该出光单元中心轴偏离中间区域一侧。本实施方式提供的垂直腔面激光器阵列，布置的出光单元阵列及透镜阵列实现了使出光单元阵列出射的光发散。

示例性的，请参考图2所示，图2为本实施方式提供的一种垂直腔面发射激光器阵列的俯视图，本激光器阵列以包括以方形阵列排布的3×3个出光单元为例说明。由图可看出，位于中间区域的出光单元其中心轴与其透镜中心轴重合，该出光单元发出的光沿出光单元中心轴方向射出。位于周围的出光单元101，其透镜14中心轴与该出光单元中心轴不重合，其透镜中心轴处于该出光单元中心轴偏离中间区域一侧。比如具体的，位于中间区域左侧的出光单元，其透镜中心轴位于该出光单元中心轴左侧，该出光单元的出光方向偏向左侧；位于中间区域右侧的出光单元，其透镜中心轴位于该出光单元中心轴右侧，该出光单元的出光方向偏向右侧。从而对于出光单元阵列整体，输出激光呈现出发散效果。

本实施方式提供的垂直腔面激光器阵列能够实现扩大输出激光的发散角，对于激光补光照明以及固态雷达等应用场景，激光器的发散角必须足够大才能实现宽的照明面积，本激光器阵列能够满足该应用需求。

可选的，在又一种实施方式中，若干出光单元包括位于中间区域的出光单元以及位于中间区域周围的出光单元，位于中间区域的出光单元上设置的透镜中心轴与该出光单元中心轴重合，位于周围的出光单元上设置的透镜中心轴处于该出光单元中心轴靠向中间区域一侧。本实施方式提供的垂直腔面激光器阵列，布置的出光单元阵列及透镜阵列实现了使出光单元阵列出射的光汇聚。

示例性的，请参考图3所示，图3为本实施方式提供的一种垂直腔面发射激光器阵列的俯视图，本激光器阵列以包括以方形阵列排布的3×3个出光单元为例说明。由图可看出，位于中间区域的出光单元其中心轴与其透镜中心轴重合，该出光单元发出的光沿出光单元中心轴方向出射。位于周围的出光单元101，其透镜14中心轴与该出光单元101中心轴不重合，其透镜中心轴处于该出光单元中心轴靠向中间区域一侧。比如具体的，位于中间区域左侧的出光单元，其透镜中心轴位于该出光单元中心轴右侧，该出光单元的出光方向偏向中间区域；位于中间区域右侧的出光单元，其透镜中心轴位于该出光单元中心轴左侧，该出光单元的出光方向偏向中间区域。从而对于出光单元阵列整体，输出激光呈现出汇聚效果。

可选的，在又一种实施方式中，若干所述出光单元的透镜中心轴均与出光单元中心轴不重合，各所述出光单元的透镜中心轴位于对应出光单元中心轴的同一侧。本实施方式提供的垂直腔面激光器阵列，布置的出光单元阵列及透镜阵列实现了使出光单元阵列出射的光偏向同一侧。

示例性的，请参考图4所示，图4为本实施方式提供的一种垂直腔面发射激光器阵列的俯视图，本激光器阵列以包括以方形阵列排布的3×3个出光单元为例说明。由图可看出，各出光单元101的透镜14中心轴位于对应出光单元101中心轴的同一侧，都位于对应出光单元101中心轴的右侧，通过设置各出光单元透镜中心轴相对出光单元中心轴的偏离方向一致，偏离距离一致，使得各出光单元出光方向都一致，从而实现激光器阵列输出激光的出光方向单向偏转。在实际应用时可以根据应用需求设定透镜中心轴相对于出光单元中心轴的偏离方向和偏离距离，来控制所有出光单元的出光方向。对于近距离的雷达探测场景需要激光器阵列能够实现有一定角度的偏离以避免直射带来人眼损伤，本激光器阵列能够满足该应用需求。

进一步的，本实施例垂直腔面发射激光器阵列，若干出光单元可以是以方形阵列排布、或者若干出光单元以三角形阵列排布，或者若干出光单元以间隔点阵式排布，或者也可以是以其它阵列形式排布，在实际应用中可以根据应用需求灵活设置。

进一步的，所述出光单元的形状可以是圆形台状、矩形台状或者方形台状。但不限于此，也可以是其它台状，也都在本发明保护范围内。

本实施例垂直腔面发射激光器阵列，通过出光单元上设置的透镜能够调控出光单元的出光方向，能够实现对高密度集成的激光器阵列上各出光单元出光方向的分别控制，能够根据对光的调控要求布置各出光单元的透镜，本方案简单易行，有助于降低高密度垂直腔面发射激光器阵列后端光束处理系统的复杂性以及成本。

相应的，请参考图5，本发明实施例还提供一种垂直腔面发射激光器阵列制作方法，包括以下步骤：

S20：依次制作衬底、第一周期性层叠镜面结构、发光层和第二周期性层叠镜面结构，并将所述第二周期性层叠镜面结构制作成若干以阵列形式排布的呈台状的出光单元。

S21：在所述出光单元上制作形成光学介质层。

在具体实施时，光学介质层包括但不限于半导体材料、二氧化硅(SiO2)或者氮化硅(Si3N4)，半导体材料可以是AlGaAs、InGaAs或者AlGaN，但不限于此，也可以是其它半导体材料，也都在本发明保护范围内。光学介质层还可以是有机材料，有机材料包括但不限于全聚合物SU8或者BCB。

S22：将具有透镜图案的掩膜板放置到所述光学介质层上，掩膜板的透镜图案中心轴与对应出光单元的中心轴不重合。

S23：对所述出光单元上的光学介质层进行刻蚀，使所述光学介质层形成透镜。

可以看出，本实施例提供的垂直腔面发射激光器阵列制作方法，首先依次制作衬底、第一周期性层叠镜面结构、发光层和第二周期性层叠镜面结构，并将所述第二周期性层叠镜面结构制作成若干以阵列形式排布的呈台状的出光单元，然后在所述出光单元上制作形成光学介质层，再将具有透镜图案的掩膜板放置到光学介质层上，掩膜板的透镜图案中心轴与对应出光单元中心轴不重合，进一步对出光单元上的光学介质层进行刻蚀，使光学介质层形成透镜。

本实施例垂直腔面发射激光器阵列制作方法，在出光单元上制作的透镜，其中心轴与对应出光单元中心轴不重合，由出光单元出射的光经过透镜后不会沿出光单元中心轴方向传播，而会偏转，通过合理布置激光器阵列各出光单元的透镜，能够实现调控垂直腔面激光器阵列输出激光的出光方向。

以上对本发明所提供的一种垂直腔面发射激光器阵列及其制作方法进行了详细介绍。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 (9)

1.一种垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，包括衬底、第一周期性层叠镜面结构、发光层和第二周期性层叠镜面结构，由所述第二周期性层叠镜面结构形成若干以阵列形式排布的呈台状的出光单元；

在所述出光单元上设置有用于调控出射光的透镜，若干所述出光单元至少包括对应出光单元设置的透镜中心轴与该出光单元中心轴不重合的出光单元。

2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，若干所述出光单元包括位于中间区域的出光单元以及位于中间区域周围的出光单元，位于中间区域的出光单元上设置的透镜中心轴与该出光单元中心轴重合，位于周围的出光单元上设置的透镜中心轴处于该出光单元中心轴偏离中间区域一侧。

3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，若干所述出光单元包括位于中间区域的出光单元以及位于中间区域周围的出光单元，位于中间区域的出光单元上设置的透镜中心轴与该出光单元中心轴重合，位于周围的出光单元上设置的透镜中心轴处于该出光单元中心轴靠向中间区域一侧。

4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，若干所述出光单元的透镜中心轴均与出光单元中心轴不重合，各所述出光单元的透镜中心轴位于对应出光单元中心轴的同一侧。

5.根据权利要求1-4任一项所述的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，若干所述出光单元以方形阵列排布、或者若干所述出光单元以三角形阵列排布，或者若干所述出光单元以间隔点阵式排布。

6.根据权利要求1-4任一项所述的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，所述出光单元的形状为圆形台状、矩形台状或者方形台状。

7.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，所述第一周期性层叠镜面结构包括AlGaAs、GaN、AlGaInP、InGaAsP或者GaSb，所述第二周期性层叠镜面结构包括AlGaAs、GaN、AlGaInP、InGaAsP或者GaSb，所述发光层包括AlGaAs、GaN、AlGaInP、InGaAsP或者GaSb。

8.一种垂直腔面发射激光器阵列制作方法，其特征在于，包括：

依次制作衬底、第一周期性层叠镜面结构、发光层和第二周期性层叠镜面结构，并将所述第二周期性层叠镜面结构制作成若干以阵列形式排布的呈台状的出光单元；

在所述出光单元上制作形成光学介质层；

将具有透镜图案的掩膜板放置到所述光学介质层上，掩膜板的透镜图案中心轴与对应出光单元的中心轴不重合；

对所述出光单元上的光学介质层进行刻蚀，使所述光学介质层形成透镜。

9.根据权利要求8所述的垂直腔面发射激光器阵列制作方法，其特征在于，所述光学介质层包括二氧化硅、氮化硅、半导体材料或者有机材料，半导体材料包括AlGaAs、InGaAs或者AlGaN。