CN110600995B - 一种高功率外腔半导体激光器 - Google Patents

一种高功率外腔半导体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高功率外腔半导体激光器，外腔VCSEL阵列面光源由多个VCSEL阵列光源构成，VCSEL阵列光源的P型外延层为多膜全反射P型外延层，VCSEL阵列光源的N型外延层为多膜部分反射N型外延层，N型外延层的反射率为50‑90％；外腔VCSEL阵列面光源安装在凹面反射镜的凹面上，45°斜角圆柱反射镜的中部开有凹槽，凸面外腔反射镜安装在凹槽内且正对外腔VCSEL阵列面光源。本发明利用凹面反射镜、多膜全反射P型外延层、多膜部分反射N型外延层和凸面外腔反射镜构成耦合谐振腔；利用耦合谐振腔对光束的反馈调节作用，控制不同传输模式的损耗，抑制高阶模式，实现阵列单元间的相位锁定，从而提高输出光束的光束质量。

Description

一种高功率外腔半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种高功率外腔半导体激光器。
背景技术
高功率垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)以其体积小、耦合效率高、阈值电流低、调制速率高、易二维集成、单纵模工作、可在片测试和制造成本低等优点成为最重要的半导体光电子器件之一。高功率VCSEL不仅在在激光打印、激光医疗、激光打孔、焊接加工等领域有着广泛应用，而且广泛应用于激光雷达、激光瞄准、激光武器、激光测距、激光打靶、激光制导、激光夜视、激光雷达、激光引信、激光武器和激光对抗等军事领域。
目前广泛使用的高功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)的横模普遍为高阶模，其存在光斑不均匀，光强分布分散，光束发散角大，光束质量差等问题，从而给应用过程造成诸多不便。
发明内容
针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种高功率外腔半导体激光器，来提高VCSEL激光器光束质量。
本发明公开了一种高功率外腔半导体激光器，包括：凹面反射镜、外腔VCSEL阵列面光源、45°斜角圆柱反射镜和凸面外腔反射镜；
所述外腔VCSEL阵列面光源由多个VCSEL阵列光源构成，所述VCSEL阵列光源的P型外延层为多膜全反射P型外延层，所述VCSEL阵列光源的N型外延层为多膜部分反射N型外延层，所述N型外延层的反射率为50-90％；
所述外腔VCSEL阵列面光源安装在所述凹面反射镜的凹面上，所述45°斜角圆柱反射镜的中部开有凹槽，所述凸面外腔反射镜安装在所述凹槽内且正对所述外腔VCSEL阵列面光源；
所述外腔VCSEL阵列面光源的激光经所述凸面外腔反射镜反射至所述凹面反射镜，经所述凹面反射镜竖直反射至所述45°斜角圆柱反射镜，经所述45°斜角圆柱反射镜后水平输出。
作为本发明的进一步改进，还包括：微透镜阵列；
所述微透镜阵列位于所述外腔VCSEL阵列面光源的出光一侧，用于调节所述外腔VCSEL阵列面光源的激光均匀出射。
作为本发明的进一步改进，所述外腔VCSEL阵列面光源由多个所述VCSEL阵列光源矩阵排布形成，所述VCSEL阵列光源由多个VCSEL光源和压焊点矩阵排布形成。
作为本发明的进一步改进，所述凹槽为四棱台凹槽，用于适配所述外腔VCSEL阵列面光源的光束形状。
作为本发明的进一步改进，所述VCSEL阵列光源包括自上而下依次层叠设置的P电极、所述P型外延层、氧化限制层、有源层、所述N型外延层、衬底层和N电极，所述N电极为出光侧。
作为本发明的进一步改进，所述多膜全反射P型外延层为AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs多膜全反射P型外延层，所述多膜部分反射N型外延层为AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs多膜部分反射N型外延层。
作为本发明的进一步改进，所述P型外延层的DBR对数为28-30，所述N型外延层的DBR对数为10-12。
作为本发明的进一步改进，所述凹面反射镜的凹面半径与凸面外腔反射镜的凸面半径为R，所述凸面外腔反射镜与所述凹面反射镜的距离为R/2。
作为本发明的进一步改进，所述凹面反射镜和45°斜角圆柱反射镜通过水冷进行散热。
作为本发明的进一步改进，所述45°斜角圆柱反射镜和凸面外腔反射镜安装在光学支架上。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的高功率外腔半导体激光器利用凹面反射镜、多膜全反射P型外延层、多膜部分反射N型外延层和凸面外腔反射镜构成耦合谐振腔；利用耦合谐振腔对光束的反馈调节作用，控制不同传输模式的损耗，抑制高阶模式，实现阵列单元间的相位锁定，从而提高高功率垂直腔面发射半导体激光阵列输出光束的光束质量。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的高功率外腔半导体激光器的结构示意图；
图2为图1中外腔VCSEL阵列面光源的结构示意图；
图3为图2中VCSEL阵列光源的结构示意图；
图4为图3中VCSEL阵列光源的层结构示意图；
图5为本发明一种实施例公开的高功率外腔半导体激光器的制备方法的流程图。图中：
1、凹面反射镜；2、外腔VCSEL阵列面光源；3、微透镜阵列；4、45°斜角圆柱反射镜；5、凸面外腔反射镜；6、光束；7、P电极；8、P型外延层；9、氧化限制层；10、有源层；11、N型外延层；12、衬底层；13、N电极；201、VCSEL光源；202、压焊点。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供一种高功率外腔半导体激光器，外腔VCSEL阵列面光源由多个VCSEL阵列光源构成，VCSEL阵列光源的P型外延层为多膜全反射P型外延层，VCSEL阵列光源的N型外延层为多膜部分反射N型外延层，N型外延层的反射率为50-90％；外腔VCSEL阵列面光源安装在凹面反射镜的凹面上，45°斜角圆柱反射镜的中部开有凹槽，凸面外腔反射镜安装在凹槽内且正对外腔VCSEL阵列面光源。本发明利用凹面反射镜、多膜全反射P型外延层、多膜部分反射N型外延层和凸面外腔反射镜构成耦合谐振腔；利用耦合谐振腔对光束的反馈调节作用，控制不同传输模式的损耗，抑制高阶模式，实现阵列单元间的相位锁定，从而提高输出光束的光束质量。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示，本发明提供一种高功率外腔半导体激光器，包括：凹面反射镜1、外腔VCSEL阵列面光源2、微透镜阵列3、45°斜角圆柱反射镜4和凸面外腔反射镜5；其中：
本发明的凹面反射镜1用于安装外腔VCSEL阵列面光源2以及反射凸面外腔反射镜5的出射光。
本发明的外腔VCSEL阵列面光源2安装在凹面反射镜1的凹面上；本发明的外腔VCSEL阵列面光源2由多个VCSEL阵列光源矩阵排布形成，VCSEL阵列光源由多个VCSEL光源和压焊点矩阵排布形成。如图2所示，本发明的外腔VCSEL阵列面光源2包括25个VCSEL阵列光源，嵌套阵列的尺寸为D1*D1，D1＝37.5mm；相邻VCSEL阵列光源的间距D2＝2.5mm。如图3所示，本发明的VCSEL阵列光源包括410个VCSEL光源201和10个压焊点202，VCSEL阵列光源的尺寸为d1*d1，d1＝5mm；VCSEL光源201的直径d2＝250μm，VCSEL光源201的行间距d3＝250μm，VCSEL光源201的列间距d4＝216μm，台面直径200μm。
如图4所示，本发明的VCSEL阵列光源包括自上而下依次层叠设置的P电极7、P型外延层8、氧化限制层9、有源层10、N型外延层11、衬底层12、N电极13。背面P电极7、P型外延层8、限制层9、有源层10、N型外延层11、衬底层12、N电极13，P电极7为背光侧，N电极13为出光侧。本发明的P型外延层8为AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs多膜全反射P型外延层，N型外延层11为AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs多膜部分反射N型外延层；具体的，本发明的P型外延层8为高掺杂的Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As多膜全反射DBR外延结构，DBR对数为28-30，反射率为99.99％；述N型外延层11为高掺杂的Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As多膜部分反射DBR外延结构，DBR对数为10-12，反射率为50-90％，优选反射率为80-90％；衬底层12采用半绝缘的GaAs半导体衬底层，衬底厚度10-30μm；P型外延层8刻蚀台面直径250μm，刻蚀台面高度3.8-4.3μm，露出氧化层；氧化限制层9为Al0.98Ga0.02As半导体材料，氧化限制层9的氧化孔直径200μm；背面P电极7材料为Ti/Pt/Au＝30/50/150nm；N金属电极材料为AuGeNi/Au＝50/300nm。
本发明的微透镜阵列3位于外腔VCSEL阵列面光源的出光一侧，微透镜尺寸与VCSEL阵列光源发光面积相对应，用于调节外腔VCSEL阵列面光源的激光均匀出射。
本发明的45°斜角圆柱反射镜4相对应凹面反射镜1的凹面设置，45°斜角圆柱反射镜4的中部开有凹槽，由于外腔VCSEL阵列面光源2发射的光束为垂直光束，在其设置在凹面反射镜1的凹面上时，其发射的光束为棱台光束；为了配合外腔VCSEL阵列面光源的棱台光束，本发明设计斜角圆柱反射镜4的凹槽为四棱台凹槽，倾斜角度θ2＝30-80°，确保发射光束和反射光束损耗降到最低。进一步，45°斜角圆柱反射镜4的反射率在98％-99％以上，切角θ1＝45°，实现光束输出。
本发明的凸面外腔反射镜5安装在45°斜角圆柱反射镜4的四棱台凹槽内且正对外腔VCSEL阵列面光源2，凹面反射镜1和凸面外腔反射镜5形成谐振腔；凹面反射镜5的凹面半径与凸面外腔反射镜的凸面半径为R，凸面外腔反射镜5与凹面反射镜1的距离为R/2；具体为，本发明凹面反射镜1的镜面圆半径为80mm；凸面外腔反射镜5位于外腔VCSEL阵列面光源2出光一侧与凹面反射镜1距离为40mm处。凹面反射镜1和凸面外腔反射镜5形成谐振腔，实现激光经过凸面外腔反射镜5反射到凹面反射镜1后平行输出。进一步，凹面反射镜1和凸面外腔反射镜5的反射率为98％-99％以上。
为了使得凸面外腔反射镜5和45°斜角圆柱反射镜4的位置保持固定，高功率外腔半导体激光器还包括光学支架，凸面外腔反射镜5和45°斜角圆柱反射镜4的位置通过光学支架设置于外腔VCSEL阵列面光源2的出光侧。光学支架上设置有凸面外腔反射镜5和45°斜角圆柱反射镜位置4的安装槽。凹面反射镜1和45°斜角圆柱反射镜4通过水冷进行散热。
本发明的高功率外腔半导体激光器使用时，外腔VCSEL阵列面光源2的激光经微透镜阵列3校正后经凸面外腔反射镜5反射至凹面反射镜1，经凹面反射镜1竖直反射至45°斜角圆柱反射镜4，经45°斜角圆柱反射镜4后水平输出。
如图5所示，本发明提供一种高功率外腔半导体激光器的制备方法，包括：
步骤一：将待清洗的VCSEL按照RCA标准清洗，清洗完毕后将芯片用高纯度氮气保护吹干，确保干净以后将片子加热烘干。
步骤二：在外延片上沉积1μmSiO2掩膜，光刻显影得到台面结构图形。
步骤三：干法ICP刻蚀出SiO2台面掩膜，将VCSEL外延片，按照RCA标准清洗光刻胶，清洗完毕后将芯片用高纯度氮气保护吹干，确保干净以后将片子加热烘干。
步骤四：利用干法ICP刻蚀出外延片台面，Cl2/BCl3气体流量比为1:3，露出氧化层，将VCSEL外延片，按照RCA标准清洗SiO2掩膜，清洗完毕后将芯片用高纯度氮气保护吹干，确保干净以后将片子加热烘干。
步骤五：利用湿法选择性氧化技术，将VCSEL器件台面中的氧化层，从外侧氧化进去，形成一个氧化孔径，目的是在有源层上方形成可以限制载流子以及光场的限制孔。首先将氧化炉升温至430℃，水温设定90℃，通微量氮气，流量为1L/min，稳定30min后，开始通氮气，流量为9L/min，稳定30min后，放入外延片进行氧化。
步骤六：光刻显影P电极，通过磁控溅射技术溅射P金属电极、背面N金属电极和pad电极，P金属电极材料为Ti/Pt/Au＝30/50/150nm，N金属电极AuGeNi/Au＝50/300nm进行P电极金属剥离。
步骤七：沉积400nm氮化硅增透膜和钝化层。
步骤八：光刻显影Pad电极，利用RAC标准清洗氮化硅钝化层；通过磁控溅射技术溅射P金属电极Au＝100nm，剥离电极。
步骤九：430℃，15s快速退火合金。
步骤十：制作的芯片用解理划片机解理成芯片阵列，采用热压焊的方式焊接到铜管座上，完成引线。
步骤十一：将封装的芯片阵列贴片到凹面反射镜1上。
步骤十二：芯片阵列微透镜安装、调试与固定。
步骤十二：VCSEL阵列与凸面外腔反射镜5、45°斜角圆柱反射镜4安装、调试与固定。
本发明的优点为：
本发明的高功率外腔半导体激光器利用凹面反射镜、多膜全反射P型外延层、多膜部分反射N型外延层和凸面外腔反射镜构成耦合谐振腔；利用耦合谐振腔对光束的反馈调节作用，控制不同传输模式的损耗，抑制高阶模式，实现阵列单元间的相位锁定，从而提高高功率垂直腔面发射半导体激光阵列输出光束的光束质量。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高功率外腔半导体激光器，其特征在于，包括：凹面反射镜、外腔VCSEL阵列面光源、45°斜角圆柱反射镜和凸面外腔反射镜；
所述外腔VCSEL阵列面光源由多个VCSEL阵列光源构成，所述VCSEL阵列光源的P型外延层为多膜全反射P型外延层，所述VCSEL阵列光源的N型外延层为多膜部分反射N型外延层，所述N型外延层的反射率为50-90％；
所述外腔VCSEL阵列面光源安装在所述凹面反射镜的凹面上，所述45°斜角圆柱反射镜的中部开有凹槽，所述凸面外腔反射镜安装在所述凹槽内且正对所述外腔VCSEL阵列面光源；所述凹面反射镜的凹面半径与凸面外腔反射镜的凸面半径为R，所述凸面外腔反射镜与所述凹面反射镜的距离为R/2；
所述外腔VCSEL阵列面光源的激光经所述凸面外腔反射镜反射至所述凹面反射镜，经所述凹面反射镜竖直反射至所述45°斜角圆柱反射镜，经所述45°斜角圆柱反射镜后水平输出；
所述高功率外腔半导体激光器的制备方法，包括：
步骤一：将待清洗的VCSEL按照RCA标准清洗，清洗完毕后将芯片用高纯度氮气保护吹干，确保干净以后将片子加热烘干；
步骤二：在外延片上沉积1μmSiO2掩膜，光刻显影得到台面结构图形；
步骤三：干法ICP刻蚀出SiO2台面掩膜，将VCSEL外延片，按照RCA标准清洗光刻胶，清洗完毕后将芯片用高纯度氮气保护吹干，确保干净以后将片子加热烘干；
步骤四：利用干法ICP刻蚀出外延片台面，Cl2/BCl3气体流量比为1:3，露出氧化层，将VCSEL外延片，按照RCA标准清洗SiO2掩膜，清洗完毕后将芯片用高纯度氮气保护吹干，确保干净以后将片子加热烘干；
步骤五：利用湿法选择性氧化技术，将VCSEL器件台面中的氧化层，从外侧氧化进去，形成一个氧化孔径，目的是在有源层上方形成可以限制载流子以及光场的限制孔；首先将氧化炉升温至430℃，水温设定90℃，通微量氮气，流量为1L/min，稳定30min后，开始通氮气，流量为9L/min，稳定30min后，放入外延片进行氧化；
步骤六：光刻显影P电极，通过磁控溅射技术溅射P金属电极、背面N金属电极和pad电极，P金属电极材料为Ti/Pt/Au＝30/50/150nm，N金属电极AuGeNi/Au＝50/300nm进行P电极金属剥离；
步骤七：沉积400nm氮化硅增透膜和钝化层；
步骤八：光刻显影Pad电极，利用RAC标准清洗氮化硅钝化层；通过磁控溅射技术溅射P金属电极Au＝100nm，剥离电极；
步骤九：430℃，15s快速退火合金；
步骤十：制作的芯片用解理划片机解理成芯片阵列，采用热压焊的方式焊接到铜管座上，完成引线；
步骤十一：将封装的芯片阵列贴片到凹面反射镜上；
步骤十二：芯片阵列微透镜安装、调试与固定；
步骤十三：VCSEL阵列与凸面外腔反射镜、45°斜角圆柱反射镜安装、调试与固定。
2.如权利要求1所述的高功率外腔半导体激光器，其特征在于，还包括：微透镜阵列；
所述微透镜阵列位于所述外腔VCSEL阵列面光源的出光一侧，用于调节所述外腔VCSEL阵列面光源的激光均匀出射。
3.如权利要求1所述的高功率外腔半导体激光器，其特征在于，所述外腔VCSEL阵列面光源由多个所述VCSEL阵列光源矩阵排布形成，所述VCSEL阵列光源由多个VCSEL光源和压焊点矩阵排布形成。
4.如权利要求3所述的高功率外腔半导体激光器，其特征在于，所述凹槽为四棱台凹槽，用于适配所述外腔VCSEL阵列面光源的光束形状。
5.如权利要求1所述的高功率外腔半导体激光器，其特征在于，所述VCSEL阵列光源包括自上而下依次层叠设置的P电极、所述P型外延层、氧化限制层、有源层、所述N型外延层、衬底层和N电极，所述N电极为出光侧。
6.如权利要求1或5所述的高功率外腔半导体激光器，其特征在于，所述多膜全反射P型外延层为AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs多膜全反射P型外延层，所述多膜部分反射N型外延层为AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs多膜部分反射N型外延层。
7.如权利要求6所述的高功率外腔半导体激光器，其特征在于，所述P型外延层的DBR对数为28-30，所述N型外延层的DBR对数为10-12。
8.如权利要求1所述的高功率外腔半导体激光器，其特征在于，所述凹面反射镜和45°斜角圆柱反射镜通过水冷进行散热。
9.如权利要求1所述的高功率外腔半导体激光器，其特征在于，所述45°斜角圆柱反射镜和凸面外腔反射镜安装在光学支架上。
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