CN109167255A - 一种面发射激光器、面发射激光器阵列及光学扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面发射激光器，所述面发射激光器包括光子晶体区域，所述光子晶体区域包括具有孔洞的光子晶体，所述孔洞的刻蚀周期、刻蚀深度及刻蚀半径满足产生的激光频率位于所述光子晶体能带中简并的Γ2位置；所述光子晶体为三角晶格构成的矩形光子晶体；所述光子晶体内部的光子晶体腔及反馈区形成的耦合反馈腔，产生谐振的方向相同。本发明通过调整光子晶体与反馈区，使上述光子晶体腔和上述耦合反馈腔的谐振方向相同，因此可以在不借助现有技术中上下匹配的布拉格反射镜的情况下，实现高功率单模面发射输出，避免了布拉格反射镜制备过程中复杂的键合与外延生长工艺。本发明还提供了一种具有上述有益效果的面发射激光阵列和光学扫描装置。

Description

一种面发射激光器、面发射激光器阵列及光学扫描装置

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件领域，特别是涉及一种面发射激光器、面发射激光器阵列及光学扫描装置。

背景技术

近年来，随着科技的发展，垂直腔面发射激光器(vertical—cavitysurface—emittinglaser，简称vcsel)及其阵列作为一种新型半导体激光器，越来越在领域内外受到重视，它是光子学器件在集成化方面的重大突破。面发射激光器具有在片检测、易于制备二维阵列、成本低等优点，在高速光互连、城际光通讯、3D识别、光学传感等方面有着广阔的应用前景。

然而传统的垂直腔面发射激光器需要生长上下匹配的布拉格反射镜(DBR)，其外延生长过程复杂，难度高，同时还要进行低串联电阻工艺和湿法氧化限制技术的处理，这使得制备成本、成品率控制难度大，特别是在长波长上，由于材料增益问题和DBR材料兼容问题，DBR的设置难度进一步增加，致使良品率下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种面发射激光器、面发射激光器阵列及光学扫描装置，以解决现有技术中DBR生长困难，面发射激光器制作工艺复杂的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种面发射激光器，所述面发射激光器包括光子晶体区域，所述光子晶体区域包括具有孔洞的光子晶体，所述孔洞的刻蚀周期、刻蚀深度及刻蚀半径满足产生的激光频率位于所述光子晶体能带中简并的Γ2位置；

所述光子晶体为三角晶格构成的矩形光子晶体；

所述光子晶体内部的光子晶体腔及反馈区形成的耦合反馈腔，产生谐振的方向相同。

可选地，在所述面发射激光器中，所述孔洞为圆孔。

可选地，在所述面发射激光器中，所述光子晶体区域包括多个光子晶体。

可选地，在所述面发射激光器中，所述面发射激光器的出光区域的数量与所述光子晶体的数量相同。

可选地，在所述面发射激光器中，所述出光区域的形状与所述光子晶体的俯视形状相同。

可选地，在所述面发射激光器中，所述出光区域位于所述光子晶体正上方并与所述光子晶体一一对应。

可选地，在所述面发射激光器中，所述面发射激光器的电极注入区的电极，可以为共面电极或上下电极。

可选地，在所述面发射激光器中，所述面发射激光器的反馈区还包括高反射介质膜、光子晶体反射镜、布拉格反射镜或外置高反射镜中的至少一个。

本发明还提供了一种面发射激光器阵列，所述面发射激光器阵列包括上述任一种面发射激光器。

本发明还提供了一种光学扫描装置，包括：

光源单元，用于发射光束，所述光源单元包括上述的面发射激光器阵列；

偏转单元，用于偏转来自所述光源单元的光束；

扫描光学单元，用于将片状后的光束汇聚于待扫描物体的表面。

本发明所提供的面发射激光器，所述面发射激光器包括光子晶体区域，所述光子晶体区域包括具有孔洞的光子晶体，所述孔洞的刻蚀周期、刻蚀深度及刻蚀半径满足产生的激光频率位于所述光子晶体能带中简并的Γ2位置；所述光子晶体为三角晶格构成的矩形光子晶体；所述光子晶体内部的光子晶体腔及反馈区形成的耦合反馈腔，产生谐振的方向相同。本发明通过调整光子晶体与反馈区，使上述光子晶体腔和上述耦合反馈腔的谐振方向相同，因此可以在不借助现有技术中上下匹配的布拉格反射镜的情况下，实现高功率单模面发射输出，避免了布拉格反射镜制备过程中复杂的键合与外延生长工艺，简化了制作流程，提高了生产效率，同时提高了良品率。此外，由于不必再设置布拉格反射镜，本发明的面发射激光器对耦合反馈腔的种类以及电极结构的设计可以更为多样。

附图说明

为了更清楚的说明本发明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为本发明所提供的面发射激光器的一种具体实施方式的俯视结构示意图；

图2为本发明所提供的面发射激光器的另一种具体实施方式的俯视结构示意图；

图3为本发明所提供的面发射激光器的又一种具体实施方式的俯视结构示意图；

图4为本发明所提供的面发射激光器的光子晶体图案的示意图；

图5为本发明所提供的一种面发射激光器的光子晶体的能带示意图。

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方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。

本发明的核心是提供一种面发射激光器，称其为具体实施方式一，其结构示意图如图1所示，所述面发射激光器包括光子晶体区域，所述光子晶体区域包括具有孔洞6的光子晶体1，所述孔洞6的刻蚀周期、刻蚀深度及刻蚀半径满足产生的激光频率位于所述光子晶体能带中简并的Γ2位置；

所述光子晶体1为三角晶格构成的矩形光子晶体1；

所述光子晶体1内部的光子晶体腔及反馈区5形成的耦合反馈腔，产生谐振的方向相同。

上述反馈区5包括于条形波导2中，上述条形波导2包括电注入区3和反馈区5。

上述孔洞6的排列方式额结构示意图如图4所示，其中a表示相邻两个孔洞6中心间的距离，r表示空洞半径。

更进一步地，所述孔洞6为圆形孔洞6，可使制作工艺更简单。

更进一步地，所述面发射激光器的出光区域与所述光子晶体1的俯视形状相同。

更进一步地，所述面发射激光器的出光区域位于所述光子晶体1的正上方。

更进一步地，所述面发射激光器的电极注入区的电极，可以为共面电极或上下电极。

更进一步地，所述面发射激光器的反馈区5除了解理面，还包括高反射介质膜、光子晶体1反射镜、布拉格反射镜或外置高反射镜中的至少一个，举例来说，如在反馈区5的上述解理面上设置高反射介质膜，或者在上述解理面上设置高反射膜的同时，也设置外置高反射镜，进一步增强反馈区5的光反射率，提高器件的出光效率。

图5为上述光子晶体1的能带图。

本发明所提供的面发射激光器，所述面发射激光器包括光子晶体区域，所述光子晶体区域包括具有孔洞6的光子晶体1，所述孔洞6的刻蚀周期、刻蚀深度及刻蚀半径满足产生的激光频率位于所述光子晶体能带中简并的Γ2位置；所述光子晶体1为三角晶格构成的矩形光子晶体1；所述光子晶体1内部的光子晶体腔及反馈区5形成的耦合反馈腔，产生谐振的方向相同。本发明通过调整光子晶体1与反馈区5，使上述光子晶体腔和上述耦合反馈腔的谐振方向相同，因此可以在不借助现有技术中上下匹配的布拉格反射镜的情况下，实现高功率单模面发射输出，避免了布拉格反射镜制备过程中复杂的键合与外延生长工艺，简化了制作流程，提高了生产效率，同时提高了良品率。此外，由于不必再设置布拉格反射镜，本发明的面发射激光器对耦合反馈腔的种类以及电极结构的设计可以更为多样。

在具体实施方式一的基础上，对上述光子晶体1作进一步限定，得到具体实施方式二，其结构示意图如图2所示，所述面发射激光器包括光子晶体区域，所述光子晶体区域包括具有孔洞6的光子晶体1，所述孔洞6的刻蚀周期、刻蚀深度及刻蚀半径满足产生的激光频率位于所述光子晶体能带中简并的Γ2位置；

所述光子晶体1为三角晶格构成的矩形光子晶体1；

所述光子晶体1内部的光子晶体腔及反馈区5形成的耦合反馈腔，产生谐振的方向相同；

所述光子晶体区域包括多个光子晶体1。

本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，增加了上述光子晶体1的数量，其余结构均与上述具体实施方式相同，在此不再展开赘述。

更进一步地，上述光子晶体区域内的多个光子晶体1的排列方式可以为图2所示的线状排列，即多个光子晶体1排列在一条直线上；也可以如图3所示进行面状排列，即多个光子晶体1布置成方阵状，需要提醒的是，若有多个光子晶体1，为保证出光效率，所述面发射激光器也应有多个出光区域，且上述出光区域与上述光子晶体1一一对应。

在同一面发射激光器内设置多个光子晶体1，更好地利用了上述面发射激光器的内部空间，且更能保证能量被充分转换，对比具体实施方式一，提高了发光效率。

本申请进一步给出一种上述具体实施例中面发射激光器的实施方式，包括：

步骤S1：提供有源芯片。

步骤S2：在所述有源芯片上设置二氧化硅层。

步骤S3：在所述二氧化硅层上设置契合激发波长的光子晶体1图形。

在所述二氧化硅层上设置所述光子晶体1图形的手段是电子束曝光法和干法刻蚀技术。

步骤S4：以所属二氧化硅等为掩膜，对所述有源芯片进行刻蚀，得到具有所述契合激发波长的光子晶体1图形的有源芯片，称所述光子晶体1所在的区域为光子晶体区域，所述光子晶体1为三角晶格构成的矩形光子晶体1。

在以所属二氧化硅等为掩膜，对所述有源芯片进行刻蚀之前，还可以将所述二氧化硅层至于氢氟酸中，使所述光子晶体1的图形边缘变得更平滑。

更进一步地，所述氢氟酸的比例是10:1，置于氢氟酸内的时间是5秒，当然，可根据实际情况做相应调整。

对有源芯片进行的刻蚀是采用了干法刻蚀技术的刻蚀。

步骤S5：去除剩余的作为掩膜的二氧化硅。

更进一步地，所述去除工艺为使用氢氟酸漂洗。

步骤S6：制备条形波导2，并使所述光子晶体区域位于所述条形波导2。

上述条形波导2的制作工艺为紫外光刻的套刻工艺与干法刻蚀工艺。

步骤S7：设置电流隔离区4、P面金属层及N面金属层。

上述电流隔离区4的厚度为200纳米，当然，可根据实际情况做相应调整。

上述P面金属层与其他半导体材料层的接触为欧姆接触。

设置上述P面金属的具体流程为：利用光刻中的套刻工艺在光子晶体区域位置附着一层光刻胶后再利用磁控溅射工艺生长一层P面金属层。再将其置于丙酮溶液中加热并超声清洗，直至附胶层及其上金属彻底剥离露出出光孔。当然，可根据实际情况做相应调整。

上述N面金属层的制作工艺为电子束蒸发。

步骤S8：在垂直于所述条形波导2的方向上设置两个相互平行的解理面，形成可提供耦合反馈的谐振腔，所述可提供耦合反馈的谐振腔的谐振方向与上述光子晶体1内的光子晶体1谐振腔的谐振方向相同，得到所述面发射激光器。

进一步地，上述解理面是通过自然解理工艺得到的解理面。

本发明还提供了一种面发射激光阵列，上述激光阵列包括多个上述具体实施例中的面发射激光器，具体来说，上述面发射激光阵列为上述多个面发射激光器平铺在同一表面上，出光面朝向同一方向，其他结构请参考现有技术，在此不做赘述。

本发明还提供了一种光学扫描装置，包括：

光源单元，用于发射光束，所述光源单元包括上述面发射激光器阵列；偏转单元，用于偏转来自所述光源单元的光束；扫描光学单元，用于将片状后的光束汇聚于待扫描物体的表面。其他结构请参考现有技术，在此不做赘述。

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。

以上对本发明所提供的一种面发射激光器、面发射激光器阵列及光学扫描装置进行了详细介绍。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 (10)

1.一种面发射激光器，其特征在于，所述面发射激光器包括光子晶体区域，所述光子晶体区域包括具有孔洞的光子晶体，所述孔洞的刻蚀周期、刻蚀深度及刻蚀半径满足产生的激光频率位于所述光子晶体能带中简并的Γ2位置；

所述光子晶体为三角晶格构成的矩形光子晶体；

所述光子晶体内部的光子晶体腔及反馈区形成的耦合反馈腔，产生谐振的方向相同。

2.如权利要求1所述的面发射激光器，其特征在于，所述孔洞为圆孔。

3.如权利要求1所述的面发射激光器，其特征在于，所述光子晶体区域包括多个光子晶体。

4.如权利要求3所述的面发射激光器，其特征在于，所述面发射激光器的出光区域的数量与所述光子晶体的数量相同。

5.如权利要求4所述的面发射激光器，其特征在于，所述出光区域的形状与所述光子晶体的俯视形状相同。

6.如权利要求5所述的面发射激光器，其特征在于，所述出光区域位于所述光子晶体正上方并与所述光子晶体一一对应。

7.如权利要求1所述的面发射激光器，其特征在于，所述面发射激光器的电极注入区的电极，可以为共面电极或上下电极。

8.如权利要求1所述的面发射激光器，其特征在于，所述面发射激光器的反馈区还包括高反射介质膜、光子晶体反射镜、布拉格反射镜或外置高反射镜中的至少一个。

9.一种面发射激光器阵列，其特征在于，所述面发射激光器阵列包括多个如权利要求1至8任一项所述的面发射激光器。

10.一种光学扫描装置，其特征在于，包括：

光源单元，用于发射光束，所述光源单元包括如权利要求9所述的面发射激光器阵列；

偏转单元，用于偏转来自所述光源单元的光束；

扫描光学单元，用于将片状后的光束汇聚于待扫描物体的表面。