CN111029903B - 能够实现粒子的非对称囚禁的垂直腔面发射半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

能够实现粒子的非对称囚禁的垂直腔面发射半导体激光器属于半导体激光器技术领域。现有能够发射非圆空心光的垂直腔面发射半导体激光器其结构复杂。本发明在欧姆接触层、上分布布拉格反射镜以及有源增益区形成的圆柱形实体的中心部分设置一个以离子注入方式形成的齐顶高阻区，所述齐顶高阻区呈近似圆柱状，齐顶高阻区的顶面与欧姆接触层的顶面平齐，齐顶高阻区的底面与下分布布拉格反射镜的内镜面接触；遮挡成形层位于齐顶高阻区的顶面位置，遮挡成形层的尺度在能够覆盖齐顶高阻区的顶面与能够使上电极内孔留有空间之间，遮挡成形层的形状为非圆几何图形，遮挡成形层厚度、材质与上电极相同。本发明器件结构简单，制作工艺也简单。

Description

能够实现粒子的非对称囚禁的垂直腔面发射半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种能够实现粒子的非对称囚禁的垂直腔面发射半导体激光器，能够发出非圆空心光，用于粒子的非对称囚禁，属于半导体激光器技术领域。
背景技术
空心激光束(Hollow LaserBeam,HLB)是一种在传播方向上中心光强为零的环状光束，也称为空心光或者暗中空光(Takahiro Kuga,Yoshio Torii,Noritsugu Shiokawa,et al.Novel Optical Trap ofAto6ms with aDoughnutBeam[J].Phys Rev Lett，1997,78:4713～4716)。空心光的应用之一是作为光学镊子(光钳)，用于囚禁微观粒子，也就是粒子的光学囚禁。光学囚禁是一种非接触式的粒子操控，其优点是可实现连续操作、无污染，对粒子的影响较小。衡量微观粒子光学囚禁稳定性的主要标准为梯度力的轴向分力能否抵消散射力，并且，梯度力是否远远大于散射力。光学囚禁有对称与非对称之分。对称光学囚禁的优点是容易聚焦高斯光阱，粒子装载容易，缺点是装载的粒子碰撞损耗较大，光子散射速率较高，装载的粒子密度较低，囚禁寿命较短，对三维不规则粒子的囚禁稳定性较差。非对称光学囚禁则能够克服对称光学囚禁的缺点。经过理论研究和实践验证，采用非圆空心光，如椭圆空心光，能够实现粒子的非对称囚禁，囚禁效果要好于采用圆空心光所进行的对称囚禁。
为了获得非圆空心光，在现有技术中有两种方式。
一种是光源外获得方式，也就是在光源外以某种光学的方式获得，例如，将两束偏振方向相互垂直的线偏振光分别通过相位板调制后进行强度叠加，得到椭圆空心光(陈国钧,周巧巧,纪宪明,印建平.用线偏振光产生可调矢量椭圆空心光束[J],物理学报,2014,63(08):132～139.)；再如，一种由三棱镜产生的空心椭圆高斯光的方案，通过控制三棱镜的折射率和入射角，影响椭圆空心激光束的偏心率和阶模式数(ChengliangZhao,XuanhuiLu,LiguangWang.Hollow elliptical Gaussian beams generatedby atriangularprism[J],Optics&Laser Technology,2008；40:575～580)。光源外获得方式其不足之处在于，产生非圆空心光的装置从整体上讲结构松散，调试繁琐，对原始光的质量要求高，所获得的非圆空心光的不稳定，光强不均匀。
另一种是光源内获得方式，也就是由原始光源直接发出非圆空心光。例如，申请号为201510396482.1的一件中国发明专利申请公开的“一种椭圆环形窗口半导体激光器”，该激光器能够输出椭圆空心光，不过该激光器也有其不足，主要是器件结构复杂，进而导致器件制作工艺复杂。而原本的垂直腔面发射半导体激光器其结构如图1所示，自上而下依次是上电极1、欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3、氧化物限制层4、有源增益区5、下分布布拉格反射镜6、衬底7、下电极8；上电极1、氧化物限制层4的形状为内径相同或者接近的环形；环形上电极1内孔成为出光窗口；欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3以及有源增益区5是一个圆柱形实体；上分布布拉格反射镜3通过环形氧化物限制层4内孔与有源增益区5相接。结构简单，制作工艺也较为简单，只是自出光窗口发出的激光为圆形实心高斯光束，如图1、图2所示。
发明内容
为了能够简单地实现垂直腔面发射半导体激光器的非圆空心光发光，我们发明了一种能够实现粒子的非对称囚禁的垂直腔面发射半导体激光器。
本发明之能够实现粒子的非对称囚禁的垂直腔面发射半导体激光器其结构组成自上而下依次是上电极1、欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3、氧化物限制层4、有源增益区5、下分布布拉格反射镜6、衬底7、下电极8，如图3、图4所示，上电极1、氧化物限制层4的形状为内径相同或者接近的环形，上电极1的环形内孔成为出光窗口；欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3以及有源增益区5是一个圆柱形实体；上分布布拉格反射镜3通过氧化物限制层4的环形内孔与有源增益区5相接；其特征在于，所述圆柱形实体的中心部分是一个以离子注入方式形成的齐顶高阻区9，所述齐顶高阻区9呈近似圆柱状，齐顶高阻区9的顶面与欧姆接触层2的顶面平齐，齐顶高阻区9的底面与下分布布拉格反射镜6的内镜面接触；齐顶高阻区9的高度为4μm～10μm、直径为85μm～95μm，所述圆柱形实体的直径为115μm～125μm，所述上电极1、氧化物限制层4的环形的外径与所述圆柱形实体的直径相同，所述上电极1、氧化物限制层4的环形的宽度为3μm～5μm；遮挡成形层10位于齐顶高阻区9的顶面位置，遮挡成形层10的尺度在能够覆盖齐顶高阻区9的顶面与能够使上电极1内孔留有空间之间，遮挡成形层10的形状为非圆几何图形，遮挡成形层10厚度、材质与上电极1相同。
本发明其技术效果在于，器件结构简单，因为，与现有垂直腔面发射半导体激光器相比，只是在其圆柱形实体的中心区域制作了一个齐顶高阻区9，在齐顶高阻区9的顶面位置制作了一个遮挡成形层10；制作工艺也简单，所述齐顶高阻区9是在所述圆柱形实体的中心区域以离子注入方式形成，所述遮挡成形层10则是与上电极1同步制作完成，只是随后采用光刻工艺将遮挡成形层10与环形上电极1之间的金属层去除即可。
本发明其技术效果还在于，本发明之能够实现粒子的非对称囚禁的垂直腔面发射半导体激光器在工作时，电流从上电极1注入，经过欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3、氧化物限制层4的环形内孔进入有源增益区5，由于齐顶高阻区9的存在，且齐顶高阻区9呈近似的圆柱状，另外，由于环形上电极1与环形氧化物限制层4的限制，激光器谐振腔应该呈环柱形，在有源增益区5中电子和空穴的复合产生受激辐射放射，在所述呈环柱形的激光器谐振腔振荡，最终器件是以大致的圆形空心光方式出光；不过，由于在齐顶高阻区9的顶面位置设有呈非圆几何图形的遮挡成形层10，尽管空心光的外圈看上去呈圆形，但是，从光强分布看，所述大致的圆形空心光因此而成形为非圆空心光。
在此需要额外说明的是，看似通过改变齐顶高阻区9的形状，使其成为非圆柱体形状，似乎就能得到非圆空心光，实际并非如此。因为，离子注入工艺并不是一项精细加工工艺，加工出的齐顶高阻区9不论是其顶面还是其区域分布，很难呈现为预期形状，例如，说是齐顶高阻区9呈近似圆柱状，实际上可能是倒置的圆台状，再如，齐顶高阻区9的顶面可能没有清晰边界，即使模糊但还可能极不规则，更谈不上顶面的形状了。因此，要想通过改变空心光的内圈形状获得非圆空心光，只有另寻途径。于是，遮挡成形层10的作用显现出来。制作遮挡成形层10的工艺是光刻工艺，该工艺能够实现精细加工，一切问题迎刃而解。
附图说明
图1是现有发射圆形实心高斯光束的垂直腔面发射半导体激光器结构及发光形态剖视主视示意图。
图2是现有发射圆形实心高斯光束的垂直腔面发射半导体激光器结构及发光形态俯视示意图。
图3是本发明之能够实现粒子的非对称囚禁的垂直腔面发射半导体激光器结构及发光形态剖视主视示意图。
图4是本发明之能够实现粒子的非对称囚禁的垂直腔面发射半导体激光器结构及发光形态俯视示意图，在该图中遮挡成形层为椭圆形，该图同时作为摘要附图。
图5是本发明之能够实现粒子的非对称囚禁的垂直腔面发射半导体激光器结构及发光形态俯视示意图，在该图中遮挡成形层为梅花形。
具体实施方式
本发明之能够实现粒子的非对称囚禁的垂直腔面发射半导体激光器其结构组成自上而下依次是上电极1、欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3、氧化物限制层4、有源增益区5、下分布布拉格反射镜6、衬底7、下电极8，如图3、图4所示。上电极1制作材料为Ti/Pt/Au，先分层制作，再合金化处理；欧姆接触层2的材质为GaAs；上分布布拉格反射镜3的制作材料为P型Al0.1Ga0.9As/Al0.8Ga0.2As；氧化物限制层4的材质为Al2O3；有源增益区5的制作材料为GaAs/AlGaAs；下分布布拉格反射镜6的制作材料为N型Al0.1Ga0.9As/Al0.8Ga0.2As；衬底7的材质为GaAs；下电极8的制作材料为Au/Ge/Ni，先分层制作，再合金化处理。上电极1、氧化物限制层4的形状为内径相同或者接近的环形，上电极1的环形内孔成为出光窗口；欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3以及有源增益区5是一个圆柱形实体；上分布布拉格反射镜3通过氧化物限制层4的环形内孔与有源增益区5相接。所述圆柱形实体的中心部分是一个以离子注入方式形成的齐顶高阻区9，如注入氢离子，所述齐顶高阻区9呈近似圆柱状，齐顶高阻区9的顶面与欧姆接触层2的顶面平齐，齐顶高阻区9的底面与下分布布拉格反射镜6的内镜面接触；齐顶高阻区9的高度为4μm～10μm、直径为85μm～95μm，所述圆柱形实体的直径为115μm～125μm，所述上电极1、氧化物限制层4的环形的外径与所述圆柱形实体的直径相同，所述上电极1、氧化物限制层4的环形的宽度为3μm～5μm。遮挡成形层10位于齐顶高阻区9的顶面位置，遮挡成形层10的尺度在能够覆盖齐顶高阻区9的顶面与能够使上电极1内孔留有空间之间，遮挡成形层10的形状为非圆几何图形，遮挡成形层10厚度、材质与上电极1相同。所述非圆几何图形为椭圆形或者梅花形，如图4、图5所示；采用光刻工艺加工出具有椭圆形或者梅花形的遮挡成形层10。

Claims (1)

1.一种能够实现粒子的非对称囚禁的垂直腔面发射半导体激光器，其结构组成自上而下依次是上电极（1）、欧姆接触层（2）、上分布布拉格反射镜（3）、氧化物限制层（4）、有源增益区（5）、下分布布拉格反射镜（6）、衬底（7）、下电极（8），上电极（1）、氧化物限制层（4）的形状为内径相同或者接近的环形，上电极（1）的环形内孔成为出光窗口；欧姆接触层（2）、上分布布拉格反射镜（3）以及有源增益区（5）是一个圆柱形实体；上分布布拉格反射镜（3）通过氧化物限制层（4）的环形内孔与有源增益区（5）相接；其特征在于，所述圆柱形实体的中心部分是一个以离子注入方式形成的齐顶高阻区（9），所述齐顶高阻区（9）呈近似圆柱状，齐顶高阻区（9）的顶面与欧姆接触层（2）的顶面平齐，齐顶高阻区（9）的底面与下分布布拉格反射镜（6）的内镜面接触；齐顶高阻区（9）的高度为4μm~10μm、直径为85μm~95μm，所述圆柱形实体的直径为115μm~125μm，所述上电极（1）、氧化物限制层（4）的环形的外径与所述圆柱形实体的直径相同，所述上电极（1）、氧化物限制层（4）的环形的宽度为3μm~5μm；遮挡成形层（10）位于齐顶高阻区（9）的顶面位置，遮挡成形层（10）的尺度在能够覆盖齐顶高阻区（9）的顶面与能够使上电极（1）内孔留有空间之间，遮挡成形层（10）的形状为非圆几何图形，遮挡成形层（10）厚度、材质与上电极（1）相同；
所述非圆几何图形为椭圆形或者梅花形；采用光刻工艺加工出具有椭圆形或者梅花形的遮挡成形层（10）。
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