CN109346922B - 一种输出均匀偏振光的微型激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种输出均匀偏振光的微型激光器及其制备方法，激光器包括P面电极、P面分布布拉格反射镜、N面分布布拉格反射镜、衬底层和N面电极，所述P面分布布拉格反射镜表面制作有亚波长的金属光栅，金属光栅与P面电极相连，金属光栅的周期小于垂直腔面发射激光器的波长；所述衬底层表面为球面；衬底层朝向N面电极的一侧刻蚀有DOE层。本发明无需光束整形系统，只需要通过工艺设计以及利用器件本身的特性，即可输出平顶的偏振光，此激光器结构简单、体积紧凑微小，造价低廉，可以高度集成在某些设备中，具有非常重要的应用前景。

Description

一种输出均匀偏振光的微型激光器及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种输出均匀偏振光的微型激光器及其制备方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器（VCSEL）有着半导体激光器的一切优点，也有着普通半导体激光器不具备的特点，比如体积小尺寸一般小于1mm×1mm×0.5mm、寿命长、单纵模激光输出、激光光斑呈圆形、易于实现二维面阵集成等。但是由于VCSEL有着柱对称的波导结构，正交偏振的每个横模都双重简并，从而两个正交偏振光的偏振方向有可能有着任意的方向角，并且这两个偏振方向没有主次之分，横模特性完全相同，所以其输出光很难有一个稳定的偏振方向。通过偏振控制可以实现VCSEL只激射某一偏振方向的光，而偏振控制的关键就是打破两个正交偏振光同等的增益状态，为了实现偏振控制的目的，目前已经研究出多种方法，这些方法大致可以分为三类：外加偏振光反馈、施加外部应力以及植入非均匀增益。偏振稳定的VCSEL有着众多的应用，比如激光显示、激光通信以及目标探测等。

将偏振稳定的VCSEL用作目标探测时，可以通过测定目标反射光的偏振度，对目标的特性进行分析。但是由于垂直腔面发射激光器的横向光场强度分布是中间能量密度高，周围越远离中心能量密度越低的高斯型分布特点，这种特点有利于激光在传播过程中保持光场的相对稳定，然而却对目标的探测带来了影响，由于VCSEL的输出光是高斯型的，照射目标后反射回来的光强会出现光强分布不均匀的现象， 当目标反射光线经过接收光学系统进入到探测器上时，就会出现有些地方会光强出现饱和或者太弱而难以探测的现象，这将会影响对目标信息的准确获取，因此需要将高斯偏振光束整形成均匀的偏振光，以提高探测器对目标信息探测的准确率。

目前针对VCSEL的高斯光束整形方法有很多种，比如：微透镜整列法，外置衍射光学元件法（DOE），但是这些方法在应用在VCSEL器件的整形中时，得到的整形激光器的整体的尺寸往往会大大超过VCSEL的体积，而且无法同时满足实现均匀光束与偏振控制的双重目的。

微透镜阵列法主要通过对激光波前的分割再叠加的方式进行光束的整形，此方法一般应用在多横模激光器上，而且微透镜阵列中不同微透镜之间存在空隙，这会造成激光整形系统的光能利用率低，效率不高的缺点。外置衍射光学元件法是通过额外的衍射光学元件对激光光束整形，此方法对衍射光学元件的装配精度提出非常高的要求，而且由于激光器本身体积非常小更加增加了装配的难度，而且整个整形系统的体积将大大超过激光器本身的体积。

垂直腔面发射激光器通常结构是：包括P面电极、电流引导层、P面分布布拉格反射镜、高铝层、钝化层、氧化限制层、有源区、N面分布布拉格反射镜、缓冲层、衬底层和N面电极。1、偏振不稳定：由于VCSEL有着柱对称的波导结构，正交偏振的每个横模都双重简并，从而两个正交偏振光的偏振方向有可能有着任意的方向角，并且这两个偏振方向没有主次之分，横模特性完全相同，其输出光很难有一个稳定的偏振方向，所以存在着偏振不稳定的问题；2、体积大：由于现有的方法是需要通过额外的光学元件对激光光束整形，整形系统需要利用特定的支架将光学元件固定，因此整形系统的体积将大大超过激光器本身的体积；3、由于现有的方法需要对外置的光学元件进行设计与装配，而且激光器体积非常小，增加了装配的难度，结构复杂。

发明内容：

本发明要提供一种输出均匀偏振光的微型激光器及其制备方法，以克服现有技术存在的偏振不稳定、体积大和结构复杂的问题。

为达到本发明的目的，本发明采用的技术方案是：

一种输出均匀偏振光的微型激光器，包括P面电极、P面分布布拉格反射镜、N面分布布拉格反射镜、衬底层和N面电极，所述P面分布布拉格反射镜表面制作有亚波长的金属光栅，金属光栅与P面电极相连，金属光栅的周期小于垂直腔面发射激光器的波长；所述衬底层表面为球面；衬底层朝向N面电极的一侧刻蚀有DOE层。

上述金属光栅的材料为Au。

一种输出均匀偏振光的微型激光器的制备方法，依次包括以下步骤：

步骤一、半导体激光器芯片的生长：

步骤二、台面制造：

步骤三、氧化限制层的制作：

步骤四、钝化层制作：

步骤五、金属光栅制作：

步骤501、在P-DBR表面蒸镀一层Au膜，所述Au膜的厚度为光栅的厚度；

步骤502、对所述Au膜进行双光束曝光，然后进行刻蚀，刻蚀出光栅条；

步骤六、P面电极制作：

步骤601、利用光刻工艺将台面的光栅进行保护，台面金属光栅上涂抹的光刻胶厚度大于μm，尺寸略小于台面尺寸；

步骤602、在台面上蒸镀Ti-Pt-Au合金层作为P面电极，合金层厚度为0.3~0.5μm；

步骤603、采用lift-off工艺将台面光栅上的Ti-Pt-Au合金层进行去除，漏出金属光栅层

步骤七、衬底曲率表面制作

利用选择湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺在衬底层刻蚀出一定曲率的表面

步骤八、DOE制作

根据所得DOE的相位分布，进行量化后，利用离子刻蚀所述衬底表面刻蚀出DOE层；

步骤九、N面电极的制作：

步骤801、采用真空镀膜设备在半导体衬底中的底部蒸镀Ge-Au-Ni合金层，通过lift-off工艺，将DOE层表面的电极层进行去除；其中，所述Ge-Au-Ni结构的厚度为0.5μm～2μm；

步骤 802、采用退化处理设备对所述Ge-Au-Ni结构进行退火处理，形成N面电极。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、本发明无需光束整形系统，只需要通过工艺设计以及利用器件本身的特性，即可输出平顶的偏振光，此激光器结构简单、体积紧凑微小，造价低廉，可以高度集成在某些设备中，具有非常重要的应用前景。

2、本发明没有采取任何光学器件，直接在原来的激光器芯片部件上进行加工后就可以实现偏振稳定均匀光束的需求，对激光器进行整形，无需装调，因此，此激光器可以满足短周期、大批量的生产。

3、本发明的激光输出圆环形光斑，因此非常容易与光纤直接耦合，耦合效率大于90%。

附图说明：

图1是本发明激光器截面结构原理图。

图中，1-金属光栅、2-P面电极、3-钝化层、4-电流引导层、5-P面分布布拉格反射镜（P-DBRs）、6-氧化限制层、7-高铝层、8-有源层、9-N面分布布拉格反射镜（N-DBRs）、10-缓冲层、11-衬底层、12-N面电极、13-DOE层。

具体实施方式：

以下将结合附图和实施例对本发明进行详细地说明。

本发明的工作原理是：本发明在P面制作亚波长金属光栅，通过亚波长金属光栅对两个偏振方向的增益进行不同程度的反馈，从而打破两个偏振方向的均衡的状态，从而控制其偏振方向。通过算法设计满足VCSEL匀化条件的衍射相位分布，然后直接在衬底层表面刻蚀DOE，通过对VCSEL输出的偏振稳定高斯光束的相位进行控制，实现了在保留VCSEL小体积优势的条件下，从而实现偏振稳定的匀化光束。

参见图1，一种输出均匀偏振光的微型激光器，包括P面电极2、P面分布布拉格反射镜5、N面分布布拉格反射镜9、衬底层11和N面电极12，所述P面分布布拉格反射镜4表面制作有亚波长的金属光栅1，金属光栅1与P面电极相连，金属光栅1的周期小于垂直腔面发射激光器的波长；所述衬底层11表面为球面；衬底层11朝向N面电极12的一侧刻蚀有DOE层13。

所述金属光栅1的方向与其中一个偏振方向平行；

所述金属光栅1的材料为Au；

所述DOE层13为衍射光学元件直接刻蚀在衬底层上；

所述衬底层11表面处理成曲率在200μm~400μm面，目的是对高斯光束的发散角进行压缩，使得DOE的加工难度减小；

本发明激光器的具体制作流程包括以下步骤：

步骤一、半导体激光器芯片的生长：

步骤101、选择初始半导体衬底；其中，所述初始半导体衬底的厚度为500μm～800μm，材料优选为GaN、GaAs、以及InP等；

步骤102、采用半导体生长方法在所述初始半导体衬底的上表面外延生长与所述初始半导体衬底的结构相同的缓冲层10；其中，所述缓冲层10的厚度为20nm～2μm；

步骤103、采用所述半导体生长方法在缓冲层10的上表面由下至上生长多周期对的第一折射材料层，形成N型分布式布拉格反射镜层9，且所述N型分布式布拉格反射镜层9与缓冲层10晶格相匹配；其中，所述第一折射材料层的周期对数为18～32，每周期对所述第一折射材料层为高低折射率层；

步骤104、采用所述半导体生长方法在N型分布式布拉格反射镜层9的上表面生长多周期量子阱结构，形成有源区8；其中，所述有源区8的厚度为预先设定的激光器波长的光学厚度，所述量子阱结构的周期为2～8组；

步骤105、采用所述半导体生长方法在有源区7的上表面生长高铝层7；其中，所述高铝层7的厚度为10nm～50nm；

步骤106、所述半导体生长方法在高铝层7的上表面由下至上依次生长多周期对的第二折射材料层，形成P型分布式布拉格反射镜层5，完成半导体激光器芯片的生长；其中，所述第二折射材料层的周期对数为22～40，每周期对所述第二折射材料层为高低折射率层；所述P型分布式布拉格反射镜层5的反射率大于所述N型分布式布拉格反射镜层9的反射率。

步骤107、采用所述半导体生长方法在P型分布式布拉格反射镜层5上表面生长电流引导层（4），所述电流引导层4的厚度为10~50nm。

步骤二、台面制造：

采用光刻机对高铝层上部进行一次刻蚀，形成刻蚀台面，刻蚀的深度是穿过高铝层。

步骤三、氧化限制层的制作：

将芯片放入温度为420℃的氧化室内；将流量为1L/min～2L/min的氮气通过加热温度为95℃以上的去离子水，携带水蒸气的氮气进入恒温的氧化室内，对一次刻蚀后的半导体激光器芯片进行湿法氧化10min～70min，高铝层圆周边缘部分别形成氧化限制层6；

步骤四、钝化层制作：

步骤401、将芯片放入磁控溅射设备中溅射二氧化硅，溅射二氧化硅层厚度为200nm。

步骤402、利用光刻机将台面顶部的二氧化硅层进行刻蚀去除。

步骤五、金属光栅制作：

步骤501、在P-DBR5表面蒸镀一层Au膜，所述Au膜的厚度为光栅的厚度。

步骤502、对所述Au膜进行双光束曝光，然后进行刻蚀，刻蚀出光栅条。

步骤六、P面电极制作：

步骤601、利用光刻工艺将台面的光栅进行保护，台面金属光栅上涂抹的光刻胶厚度大于1μm，尺寸略小于台面尺寸。

步骤602、在台面上蒸镀Ti-Pt-Au合金层作为P面电极2，合金层厚度为0.3~0.5μm；

步骤603、采用lift-off工艺将台面光栅上的Ti-Pt-Au合金层进行去除，漏出金属光栅层；

步骤七、衬底层11曲率表面制作

利用选择湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺在衬底层刻蚀出曲率为200μm~400μm的表面；

步骤八、DOE制作

根据所得DOE的相位分布，进行量化后，利用离子刻蚀所述衬底层11表面刻蚀出DOE层13。

步骤九、N面电极的制作：

步骤801、采用真空镀膜设备在半导体衬底层11中的底部蒸镀Ge-Au-Ni合金层，通过lift-off工艺，将DOE层13表面的电极层进行去除；其中，所述Ge-Au-Ni结构的厚度为0.5μm～2μm；

步骤 802、采用退化处理设备对所述Ge-Au-Ni结构进行退火处理，形成N面电极12。

Claims (2)

1.一种输出均匀偏振光的微型激光器，包括P面电极（2）、P面分布布拉格反射镜（5）、N面分布布拉格反射镜（9）、衬底层（11）和N面电极（12），其特征在于：所述P面分布布拉格反射镜（4）表面制作有亚波长的金属光栅（1），金属光栅（1）与P面电极相连，金属光栅（1）的周期小于垂直腔面发射激光器的波长；所述衬底层（11）表面为球面；衬底层（11）朝向N面电极（12）的一侧刻蚀有DOE层（13）；

所述金属光栅（1）的材料为Au。

2.一种输出均匀偏振光的微型激光器的制备方法，其特征在于：依次包括以下步骤：

步骤一、半导体激光器芯片的生长：

步骤二、台面制造：

步骤三、氧化限制层的制作：

步骤四、钝化层制作：

步骤五、金属光栅制作：

步骤501、在P面分布布拉格反射镜（5）表面蒸镀一层Au膜，所述Au膜的厚度为光栅的厚度；

步骤502、对所述Au膜进行双光束曝光，然后进行刻蚀，刻蚀出光栅条；

步骤六、P面电极制作：

步骤601、利用光刻工艺将台面的光栅进行保护，台面金属光栅上涂抹的光刻胶厚度大于1μm，尺寸略小于台面尺寸；

步骤602、在台面上蒸镀Ti-Pt-Au合金层作为P面电极（2），合金层厚度为0.3~0.5μm；

步骤603、采用lift-off工艺将台面光栅上的Ti-Pt-Au合金层进行去除，漏出金属光栅层

步骤七、衬底曲率表面制作

利用选择湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺在衬底层刻蚀出一定曲率的表面

步骤八、DOE制作

根据所得DOE的相位分布，进行量化后，利用离子刻蚀所述衬底层（11）表面刻蚀出DOE层（13）；

步骤九、N面电极的制作：

步骤801、采用真空镀膜设备在衬底层（11）中的底部蒸镀Ge-Au-Ni合金层，通过lift-off工艺，将DOE层（13）表面的电极层进行去除；其中，所述Ge-Au-Ni结构的厚度为0.5μm～2μm；

步骤 802、采用退化处理设备对所述Ge-Au-Ni结构进行退火处理，形成N面电极（12）。

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