CN110176715A - 一种激光发射器及激光发生器阵列 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光发生器，其特征在于，包括垂直腔面发射激光器及偏振透镜；所述垂直腔面发射激光器用于产生激光信号；所述激光信号通过所述垂直腔面发射激光器的出光孔射入所述偏振透镜，得到具有稳定偏振特性的出射光信号；所述偏振透镜为椭圆状偏振透镜。本申请中的椭圆状偏振透镜在长轴和短轴方向具有不同的曲率半径，在VCSEL(垂直腔面发射激光器)台面相对应于椭圆状偏振透镜长轴方向和短轴方向引进了不同大小的损耗，改变原有圆对称微透镜集成VCSEL器件出射光的偏振态，实现对垂直腔面发射激光器偏振态的选择，可在保证偏振控制效果的前提下，简化工艺流程，对刻蚀精度的要求降低。本申请同时提供了一种具有上述有益效果的激光发生器阵列。

Description

一种激光发射器及激光发生器阵列

技术领域

本申请涉及半导体激光技术领域，特别是涉及一种激光发射器及激光发生器阵列。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)与边发射激光器相比，具有单纵模输出、圆对称光斑、超低阈值电流和功率消耗等众多优点，作为低成本低的光源在光互连、光速数据传输领域已得到广泛应用。采用微纳结构将光互连用的VCSEL光谱特性由多横模不稳定偏振分布改善为单横模单偏振，其中单模特性使得VCSEL的相干度增强，而单一稳定偏振可以避免由于偏振不稳定导致VCSEL相干度降低。因此，具备单模单偏振特性的VCSEL激光器应用领域可以进一步扩展到要求VCSEL模式和偏振的光学鼠标、气体传感、原子传感等领域。

VCSEL器件谐振腔和增益介质在有源区平面内的准各向同性导致了VCSEL激光器的输出光不具备稳定的偏振特性，即使是单模VCSEL器件也存在着不稳定的线性偏振态。对于VCSEL偏振控制技术，其物理机制主要可以分为三种：各向异性增益、非圆形谐振腔、偏振依赖反射镜。各向异性增益是通过在高晶格指数的衬底上外延生长VCSEL结构，这种技术方案面临的困难是高质量晶体的生长和氧化电流限制孔的形成，并且只能在这外延片上实现一种偏振的激光器输出；哑铃形、椭圆形台面破坏了谐振腔的圆对称性从而起到控制VCSEL偏振的作用，但是这种方法实现的偏振控制效果不佳；偏振控制效果较好的方案是椭圆形表面浮雕结构或是VCSEL表面光栅结构，但是这两种方案制备过程复杂、刻蚀精度控制要求极高，使得制备成本提高。因此找到一种在保证偏振控制效果的基础上，制备工艺简单、成本低廉的垂直腔面发射激光器是本领域技术人员亟待解决的问题。

申请内容

本申请的目的是提供一种激光发射器及激光发生器阵列，以解决现有技术中偏振控制效果与成本低廉不能两全的问题。

为解决上述技术问题，本申请提供一种激光发生器，包括垂直腔面发射激光器及偏振透镜；

所述垂直腔面发射激光器用于产生激光信号；

所述激光信号通过所述垂直腔面发射激光器的出光孔射入所述偏振透镜，得到具有稳定偏振特性的出射光信号；

所述偏振透镜为椭圆状偏振透镜。

可选地，在所述激光发射器中，所述偏振透镜为所述垂直腔面发射激光器表面设置的外延层通过刻蚀得到的偏振透镜。

可选地，在所述激光发射器中，所述刻蚀为湿法化学刻蚀。

可选地，在所述激光发射器中，一个所述激光发生器包括多个所述偏振透镜，

多个所述偏振透镜同心层叠设置；

所述激光信号依次通过同心层叠设置的所述偏振透镜。

可选地，在所述激光发射器中，多个所述偏振透镜的长轴长度与短轴长度的比值不同。

可选地，在所述激光发射器中，多个所述偏振透镜的长轴方向不相同。

可选地，在所述激光发射器中，所述偏振透镜为砷化镓透镜。

可选地，在所述激光发射器中，所述偏振透镜的长轴方向与所述偏振透镜的晶向的夹角的范围为0度至180度，包括端点值。

本申请还提供了一种激光发生器阵列，所述激光阵列包括多个上述任一种所述的激光发生器。

可选地，在所述激光发生器阵列中，所述激光发生器阵列中的所述激光发生器的长轴方向与所述偏振透镜的晶向的夹角不相同。

本申请所提供的激光发生器，其特征在于，包括垂直腔面发射激光器及偏振透镜；所述垂直腔面发射激光器用于产生激光信号；所述激光信号通过所述垂直腔面发射激光器的出光孔射入所述偏振透镜，得到具有稳定偏振特性的出射光信号；所述偏振透镜为椭圆状偏振透镜。本申请中的椭圆状偏振透镜在长轴和短轴方向具有不同的曲率半径，在VCSEL(垂直腔面发射激光器)台面相对应于椭圆状偏振透镜长轴方向和短轴方向引进了不同大小的损耗，导致长轴区域和短轴区域对应的有源区量子阱具有不同大小的阈值增益，实现了有源区量子阱增益空间差异化，根据此原理可以改变原有圆对称微透镜集成VCSEL器件出射光的偏振态，实现对垂直腔面发射激光器偏振态的选择，由于本申请中的所述偏振透镜在刻蚀制作时，仅需要考虑长轴短轴的尺寸及各方向上的曲率半径，因此相比于现有技术中的控制技术，如小氧化限制孔，浅面浮雕，光子晶体等方法，不需要精确地对大面积的氧化刻蚀深度进行控制，可在保证偏振控制效果的前提下，简化工艺流程，对刻蚀精度的要求大大降低。本申请同时还提供了一种具有上述有益效果的激光发生器阵列。

附图说明

为了更清楚的说明本申请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申请的一些实施例，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为本身请提供的激光发射器的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本身请提供的激光发射器的另一种具体实施方式的结构示意图；

图3为本身请提供的激光发射器的又一种具体实施方式的结构示意图；

图4为本身请提供的激光发生器阵列的一种具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

需要预先说明的是，目前国内外提出了很多实现VCSEL横向模式控制的方案，其原理在于引进基模、高阶模式增益差或损耗差继而实现模式选择。普遍采用的实现VCSEL单横模工作的方法是把氧化限制孔做得足够小以使高阶模式截止；浅面浮雕法通过刻蚀深度的精确控制形成反相结构，增大高阶模式的镜面损耗从而选择出基模；光子晶体技术是通过在上DBR刻蚀深孔形成折射率限制而现实VCSEL的单模输出。但是这些技术制备得到的VCSEL器件同样存在着偏振不稳定性。

对VCSEL光束发散角的压缩使用最广泛的技术就是集成微透镜技术，但是目前关于微透镜VCSEL的研究主要着力点在于压缩VCSEL发散角，而忽略了微透镜对VCSEL模式和偏振特性的控制作用。在VCSEL顶部或者是底部使用不同的技术可以集成不同类型的微透镜，其最初目的在于压缩VCSEL的发散角。2001年新加坡南洋理工大学的研究人员使用聚焦离子束刻蚀技术在底发射980nm VCSEL衬底上制备的GaAs微透镜；韩国首尔大学研究人员通过限制扩散湿法化学腐蚀法制备的顶发射微透镜集成VCSEL器件；2013年N.A.Maleev等人使用磁控溅射方法生长弯曲状的TiO2/SiO2介质DBR，形成的VCSEL器件可以看作是集成了一个微透镜。因此本发明要提供一种偏振稳定性优于上述方法的激光发生器。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请的核心是提供一种激光发生器，其一种具体实施方式的结构示意图如图1所示，称其为具体实施方式一，包括垂直腔面发射激光器100及偏振透镜200；

所述垂直腔面发射激光器100用于产生激光信号；

所述激光信号通过所述垂直腔面发射激光器100的出光孔射入所述偏振透镜200，得到具有稳定偏振特性的出射光信号；

所述偏振透镜200为椭圆状偏振透镜200。

特别的，所述偏振透镜200为砷化镓透镜。

另外，所述偏振透镜200的长轴方向与所述偏振透镜200的晶向的夹角的范围为0度至180度，包括端点值，如0.0度、85.6度或180.0度中任一个。

本申请所提供的激光发生器，其特征在于，包括垂直腔面发射激光器100及偏振透镜200；所述垂直腔面发射激光器100用于产生激光信号；所述激光信号通过所述垂直腔面发射激光器100的出光孔射入所述偏振透镜200，得到具有稳定偏振特性的出射光信号；所述偏振透镜200为椭圆状偏振透镜200。本申请中的椭圆状偏振透镜200在长轴和短轴方向具有不同的曲率半径，在VCSEL(垂直腔面发射激光器100)台面相对应于椭圆状偏振透镜200长轴方向和短轴方向引进了不同大小的损耗，导致长轴区域和短轴区域对应的有源区量子阱具有不同大小的阈值增益，实现了有源区量子阱增益空间差异化，根据此原理可以改变原有圆对称微透镜集成VCSEL器件出射光的偏振态，实现对垂直腔面发射激光器100偏振态的选择，由于本申请中的所述偏振透镜200在刻蚀制作时，仅需要考虑长轴短轴的尺寸及各方向上的曲率半径，因此相比于现有技术中的控制技术，如小氧化限制孔，浅面浮雕，光子晶体等方法，不需要精确地对大面积的氧化刻蚀深度进行控制，可在保证偏振控制效果的前提下，简化工艺流程，对刻蚀精度的要求大大降低。

集成在VCSEL的垂直腔面发射激光器100出光窗口的椭圆状偏振透镜200结构，引入了不同模式的各向增益损耗和各向异性的阈值增益大小，而高阶模分布在VCSEL台面的边缘区域，而靠近VCSEL台面边缘的区域被刻蚀的深度最大，所以高阶模式的损耗最大，阈值增益最大，最不易实现高阶模式激射；基模处在VCSEL的中心区域，被刻蚀深度小，所以基模的损耗小，阈值增益最小，易实现基模激射。由于我们在VCSEL的出光口处通过刻蚀形成的是一个椭圆状偏振透镜200形貌，在制备过程中必然会导致微透镜的长轴和短轴方向不同的刻蚀深度，从而在长轴和短轴方向形成的微透镜具有不同的曲率半径。因此，可以通过不同曲率半径的椭圆状偏振透镜200在长轴和短轴方向引进不同大小的损耗，导致长轴区域和短轴区域对应的有源区量子阱具有不同大小的阈值增益，根据相对二色性因子的定义，我们可计算出集成椭圆状偏振透镜200VCSEL的偏振特性。根据以上分析可知，在出光窗口处集成椭圆状偏振透镜200可以实现VCSEL的模式控制和偏振控制。而椭圆状偏振透镜200作为一种特殊的光学元件，具有透镜压缩发散角的作用，所以集成的椭圆状偏振透镜200可以压缩VCSEL输出光束发散角。

在具体实施方式一的基础上，进一步对所述偏振透镜200的设置方式做限定，得到具体实施方式二，其结构示意图如图2所示，包括垂直腔面发射激光器100及偏振透镜200；

所述垂直腔面发射激光器100用于产生激光信号；

所述激光信号通过所述垂直腔面发射激光器100的出光孔射入所述偏振透镜200，得到具有稳定偏振特性的出射光信号；

所述偏振透镜200为椭圆状偏振透镜200；

所述偏振透镜200为所述垂直腔面发射激光器100表面设置的外延层通过刻蚀得到的偏振透镜200。

本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式具体限定了所述偏振透镜200的设置方式，其余结构均与上述具体实施方式相同，在此不再展开赘述。

本具体实施方式中直接在所述激光发射器的外延层上进行刻蚀得到所述偏振透镜200，避免引入其他结构导致的工艺复杂化，器件结构复杂化。更进一步地，所述刻蚀为湿法化学刻蚀，工艺简单，成本低，对制备设备要求不高，可显著提升生产效率。

在具体实施方式二的基础上，进一步对所述偏振透镜200做改进，得到具体实施方式三，其结构示意图如图3所示，包括垂直腔面发射激光器100及偏振透镜200；

所述垂直腔面发射激光器100用于产生激光信号；

所述激光信号通过所述垂直腔面发射激光器100的出光孔射入所述偏振透镜200，得到具有稳定偏振特性的出射光信号；

所述偏振透镜200为椭圆状偏振透镜200；

所述偏振透镜200为所述垂直腔面发射激光器100表面设置的外延层通过刻蚀得到的偏振透镜200；

一个所述激光发生器包括多个所述偏振透镜200，

多个所述偏振透镜200同心层叠设置；

所述激光信号依次通过同心层叠设置的所述偏振透镜200。

本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式具体限定了所述偏振透镜200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。

特别的，多个所述偏振透镜200的长轴长度与短轴长度的比值不同；更进一步地，多个所述偏振透镜200的长轴方向不相同。

本具体实施方式中，多个同心的所述偏振透镜200叠加集成在同一个垂直腔面发射激光器100的出光窗口表面，叠加的多个所述偏振透镜200长轴夹角可以取0°到180°任意角度值。根据所述垂直腔面发射激光器100模式和偏振状态需求，可以通过调节多个叠加椭圆状偏振透镜200的长短轴大小和椭圆状偏振透镜200长轴夹角大小，在所述出光窗口表面上引进不同的损耗大小和损耗及其增益的空间分离，实现对垂直腔面发射激光器100的模式和偏振的选择，以实现更复杂的偏振控制。

本申请还提供了一种激光发生器阵列，所述激光阵列包括多个如上述任一种所述激光发生器。

更进一步地，所述激光发生器阵列中的所述激光发生器的长轴方向与所述偏振透镜200的晶向的夹角不相同，其一种具体实施方式的结构示意图如图4所示，其中垂直腔面发射激光器100阵列中每个单元表面集成的所述偏振透镜200的长轴方向与晶向的夹角可取任意值，阵列中的每个单元上的所述偏振透镜200长轴方向可以排列组合成很多不同的所述偏振透镜200方向的垂直腔面发射激光器100阵列，实现一种不同偏振输出光的垂直腔面发射激光器100阵列，满足更多场合的需求，增加所述激光发生器阵列的使用场景。

本申请所提供的激光发生器，其特征在于，包括垂直腔面发射激光器100及偏振透镜200；所述垂直腔面发射激光器100用于产生激光信号；所述激光信号通过所述垂直腔面发射激光器100的出光孔射入所述偏振透镜200，得到具有稳定偏振特性的出射光信号；所述偏振透镜200为椭圆状偏振透镜200。本申请中的椭圆状偏振透镜200在长轴和短轴方向具有不同的曲率半径，在VCSEL(垂直腔面发射激光器100)台面相对应于椭圆状偏振透镜200长轴方向和短轴方向引进了不同大小的损耗，导致长轴区域和短轴区域对应的有源区量子阱具有不同大小的阈值增益，实现了有源区量子阱增益空间差异化，根据此原理可以改变原有圆对称微透镜集成VCSEL器件出射光的偏振态，实现对垂直腔面发射激光器100偏振态的选择，由于本申请中的所述偏振透镜200在刻蚀制作时，仅需要考虑长轴短轴的尺寸及各方向上的曲率半径，因此相比于现有技术中的控制技术，如小氧化限制孔，浅面浮雕，光子晶体等方法，不需要精确地对大面积的氧化刻蚀深度进行控制，可在保证偏振控制效果的前提下，简化工艺流程，对刻蚀精度的要求大大降低。

最后附上一种本发明提供的垂直腔面发射激光器100的制作方法，包括：

第一步：清洗垂直腔面发射激光器100外延片，用等离子增强化学气相沉积(PECVD)设备生长一定厚度厚的刻蚀掩膜层；

第二步：光刻。在已经长好掩膜的外延片上旋涂一层光刻胶，经过光刻显影步骤后形成光刻胶掩膜图案层。

第三步：使用等离子蚀刻机(ICP)刻蚀掩膜层，将在光刻胶上的图案转移到刻蚀掩膜层上；

第四步：以图案化的刻蚀掩膜层作为掩膜刻蚀垂直腔面发射激光器100外延片，将图案转移到垂直腔面发射激光器100外延片上；

第五步：去除第四步刻蚀之后的残余的刻蚀掩膜层；

第六步：使用PECVD生长一层一定厚度的化学腐蚀掩膜层；

第七步：光刻。此步骤是在第四步形成的凸台上形成一个与凸台同心的光刻胶圆孔，其直径比凸台直径小，此步骤决定了椭圆状偏振透镜200的长短轴大小和长轴方向与晶向的夹角，以及椭圆状偏振透镜200的图案。

第八步：使用ICP刻蚀圆孔里面的内未覆盖光刻胶的化学腐蚀掩膜层，漏出垂直腔面发射激光器100表面。

第九步：除去第八步中残余的光刻胶，然后把图形化的外延片放入化学刻蚀液中制备椭圆状偏振透镜200。

第十步：光刻已经制备了椭圆微透镜的外延片，把椭圆状偏振透镜200和凸台边缘的绝缘介质环用光刻胶覆盖住，然后去除光刻胶未覆盖区域的化学腐蚀掩膜层。

第十一步：去除第十一步中残余的光刻胶，然后使用负胶进行光刻，使得有椭圆状偏振透镜200的出光窗口被光刻胶覆盖住，外延片的其他部分无光刻胶覆盖；

第十二步：使用磁控溅射长P面电极，然后通过lift-off工艺把覆盖在出光窗口处的金属层去除；

第十三步：减薄衬底到一定厚度，然后进行抛光处理

第十四步：使用磁控溅射设备长N面电极。

第十五步：经过解理、测试、封装等工艺步骤后形成椭圆状偏振透镜200垂直腔面发射激光器100。

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。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的激光发射器及激光发生器阵列进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请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申请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，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光发生器，其特征在于，包括垂直腔面发射激光器及偏振透镜；

所述垂直腔面发射激光器用于产生激光信号；

所述激光信号通过所述垂直腔面发射激光器的出光孔射入所述偏振透镜，得到具有稳定偏振特性的出射光信号；

所述偏振透镜为椭圆状偏振透镜。

2.如权利要求1所述的激光发生器，其特征在于，所述偏振透镜为所述垂直腔面发射激光器表面设置的外延层通过刻蚀得到的偏振透镜。

3.如权利要求2所述的激光发生器，其特征在于，所述刻蚀为湿法化学刻蚀。

4.如权利要求1所述的激光发生器，其特征在于，一个所述激光发生器包括多个所述偏振透镜，

多个所述偏振透镜同心层叠设置；

所述激光信号依次通过同心层叠设置的所述偏振透镜。

5.如权利要求4所述的激光发生器，其特征在于，多个所述偏振透镜的长轴长度与短轴长度的比值不同。

6.如权利要求4所述的激光发生器，其特征在于，多个所述偏振透镜的长轴方向不相同。

7.如权利要求1任一项所述的激光发生器，其特征在于，所述偏振透镜为砷化镓透镜。

8.如权利要求1至7所述的激光发生器，其特征在于，所述偏振透镜的长轴方向与所述偏振透镜的晶向的夹角的范围为0度至180度，包括端点值。

9.一种激光发生器阵列，其特征在于，所述激光阵列包括多个如权利要求1至8任一项所述激光发生器。

10.如权利要求9所述的激光发生器阵列，其特征在于，所述激光发生器阵列中的所述激光发生器的长轴方向与所述偏振透镜的晶向的夹角不相同。