CN111555115A - 一种出射相干光的vcsel阵列芯片 - Google Patents

一种出射相干光的vcsel阵列芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种出射相干光的VCSEL阵列芯片，包括VCSEL和光栅；VCSEL的衬底背面设有光栅；光栅满足光栅方程d(sinθm+sinθi)＝kλ；式中，d为光栅的周期，θi为光入射到光栅上的入射角，θm为光经光栅反射进入离1级激光单元最远的激光单元有源区处的反射角，λ为激光发射的波长，k为发射光经光栅反射的最大级次。本发明利用光栅的反射发散原理，使一级激光发射单元的出射光在光栅处形成一个小光斑，这个小光斑经光栅反射发散回去形成大光斑，这一大光斑覆盖了其它所有的二级激光发射单元，激发这些激光单元发光，发出与一级激光单元发出光相干的光，由此使得整个阵列输出相干光，实现整个激光器阵列的相干性。

Description

一种出射相干光的VCSEL阵列芯片
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种出射相干光的VCSEL(垂直腔面发射激光器)阵列芯片。
背景技术
大功率激光器在工业与国防等领域有着广泛的应用，是现代激光材料加工、激光再制造、国防安全领域中必不可少的核心组件，广泛应用于激光测距、核爆模拟、激光雷达传输、材料加工、微处理、热处理、打标定位等。大功率激光器还在医学上得到广泛应用，如手术治疗肿瘤、皮肤治疗、牙科治疗、光镇痛和光针灸、光学层析造影(OCT)等。
半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器，其体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦，其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与其单片集成；并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。阵列型半导体激光器使得大功率半导体激光器成为现实，现如今大功率半导体激光器已经达到百瓦量级。
由于半导体激光器阵列涉及多个激光器，其出射的光之间的相干性差，不能满足现实需求。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种出射相干光的VCSEL阵列芯片。
本发明公开了一种出射相干光的VCSEL阵列芯片，包括：VCSEL和光栅；
所述VCSEL的衬底背面设有所述光栅；
所述光栅满足的要求为：满足光栅方程d(sinθm+sinθi)＝kλ；
式中，d为光栅的周期，θi为光入射到光栅上的入射角，θm为光经光栅反射进入离1级激光单元最远的激光单元有源区处的反射角，λ为激光发射的波长，k为发射光经光栅反射的最大级次。
作为本发明的进一步改进，所述一级激光发射单元的出射光在所述光栅处形成一个小光斑，所述小光斑经所述光栅反射发散回去形成大光斑，所述大光斑覆盖了其它所有的二级激光发射单元，激发所述二级激光发射单元发光，发出与所述一级激光单元发出光相干的光。
作为本发明的进一步改进，所述VCSEL的衬底材料为GaAs、InP、GaN或Si。
作为本发明的进一步改进，所述VCSEL阵列芯片适用450nm-2μm波段的光。
作为本发明的进一步改进，所述VCSEL阵列芯片自上至下依次包括：P电极、P型分布式布拉格反射镜、氧化限制层、有源层、N电极、钝化层、N型分布式布拉格反射镜、衬底以及光栅；其中，
所述N电极与钝化层为同层结构，所述氧化限制层的中部形成通光孔。
作为本发明的进一步改进，所述VCSEL阵列芯片中的分布式布拉格反射镜由AlxGa(1-x)As/AlyGa(1-y)As双层结构组成。
作为本发明的进一步改进，所述VCSEL阵列芯片中的P型分布式布拉格反射镜为全反射镜，由30-40对双层结构构成，反射率达99％以上。
作为本发明的进一步改进，所述VCSEL阵列芯片中的N型分布式布拉格反射镜为半透半反镜，由5-20对双层结构构成，与光栅共同作用使得反射率达90％-95％。
作为本发明的进一步改进，VCSEL阵列芯片中光栅可以用其它表面微结构代替，如微透镜、浅浮雕、光子晶体等。
作为本发明的进一步改进，所述VCSEL阵列芯片可应用于大功率相干激光器的制备。
作为本发明的进一步改进，所述VCSEL阵列芯片可以通过时延电路使得二级发射单元后发射激光。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明利用光栅的反射发散原理，使一级激光发射单元的出射光在光栅处形成一个小光斑，这个小光斑经光栅反射发散回去形成大光斑，这一大光斑覆盖了其它所有的二级激光发射单元，激发这些激光单元发光，发出与一级激光单元发出光相干的光，由此使得整个阵列输出相干光；本发明利用光栅的反射发散效应和泵浦激发其它激光发射单元发射相干光，实现整个激光器阵列的相干性。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的出射相干光的VCSEL阵列芯片结构的正视图；
图2～4为本发明一种实施例公开的出射相干光的VCSEL阵列芯片结构的光栅作用机制的俯视图；
图5～图10为本发明一种实施例公开的出射相干光的VCSEL阵列芯片的制备方法中形成示意图。
图11为本发明的一种实施例公开的出射相干光的VCSEL阵列芯片的反射发散作用机制示意图。
图12为本发明的一种实施例公开的出射相干光的VCSEL阵列芯片的光经过光栅反射发散形成的光斑示意图。
图中：
1、P电极；2、P型分布式布拉格反射镜；3、氧化限制层；4、有源层；5、N电极；6、钝化层；7、N型分布式布拉格反射镜8、衬底；9、光栅；10、一级激光发射单元；11、一级激光发射单元的发射光发射到光栅处形成的小光斑；12、一级激光发射单元发射光经光栅反射发散回去后形成的大光斑。
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。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示，本发明提供一种出射相干光的VCSEL阵列芯片，包括：VCSEL和光栅9；其中：
本发明的VCSEL自上至下依次包括：P电极1、P型分布式布拉格反射镜2、氧化限制层3、有源层4、N电极5、钝化层6、N型分布式布拉格反射镜7、衬底8、光栅9，其中，N电极5与钝化层6为同层结构，氧化限制层3的中部形成通光孔。衬底8的顶部生长有N型分布式布拉格反射镜7；N型分布式布拉格反射镜7上生长一层阵列结构；这一阵列结构包含有源层4、氧化限制层3、P型分布式布拉格反射镜2和P电极1；有源层4上生长一层P型分布式布拉格反射镜2；有源层4与P型分布式布拉格反射镜2组成阵列单元层；氧化限制层3通过氧化工艺在有源层4上方形成；P型分布式布拉格反射镜2上溅射形成有P电极1；N型分布式布拉格反射镜7上还溅射或生长了N电极5和钝化层6；衬底7的底部(出光侧)；刻蚀形成光栅9。
本发明的VCSEL的衬底1背面设有光栅9，本发明所形成的光栅9满足的要求为：光栅9的周期满足光栅方程。即d(sinθm+sinθi)＝kλ。式中，d为光栅的周期，θi为光入射到光栅上的入射角，θm为光经光栅反射进入离1级激光单元最远的激光单元有源区处的反射角，λ为激光发射的波长，k为发射光经光栅反射的最大级次。
如图2-4所示，本发明利用光栅的反射发散原理，使一级激光发射单元10的出射光在光栅处形成一个小光斑11，小光斑11经光栅反射发散回去形成大光斑12，大光斑12覆盖了其它所有的二级激光发射单元，激发二级激光发射单元发光，发出与一级激光单元发出光相干的光。由此，可以使整个激光阵列实现相干性。
如图11所示，本发明利用光栅的反射发散原理，光照射到光栅上会反射扩散形成更大的光斑，图12所示即为光经光栅反射扩散形成的大光斑示意图。这一光斑覆盖二级激发单元，激发二级激光发射单元发光，发出与一级激光单元发出光相干的光。由此，可以使整个激光阵列实现相干性。
进一步，本发明VCSEL的衬底材料为GaAs、InP、GaN或Si。
进一步，本发明VCSEL阵列芯片适用450nm-2μm波段的光。
进一步，本发明VCSEL阵列芯片中的分布式布拉格反射镜由AlxGa(1-x)As/AlyGa(1-y)As双层结构组成。
进一步，本发明VCSEL阵列芯片中的P型分布式布拉格反射镜为全反射镜，由30-40对双层结构构成，反射率达99％以上。
进一步，本发明VCSEL阵列芯片中的N型分布式布拉格反射镜为半透半反镜，由5-20对双层结构构成，与光栅共同作用使得反射率达90％-95％。
进一步，本发明VCSEL阵列芯片中光栅可以用其它表面微结构代替，如微透镜、浅浮雕、光子晶体等。
进一步，本发明VCSEL阵列芯片可应用于大功率相干激光器的制备。
进一步，本发明VCSEL阵列芯片可以通过时延电路使得二级发射单元后发射激光。
本发明出射相干光的VCSEL阵列芯片的制备方法为：
步骤一：用等离子增强化学气相沉积法(PECVD)外延出VCSEL结构，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，之后将待加工外延片加热烘干，待用；如图5所示；
步骤二：制作台面，如图6所示；
首先，在待加工外延片上沉积或者溅射一定厚度SiO2掩膜；之后，利用光刻和刻蚀技术制作出SiO2台面掩膜，用干法刻蚀的方法在芯片上刻蚀出台面结构，用化学腐蚀发去除掉多余的SiO2，并清洗芯片。清洗完毕后将待加工外延片用高纯度氮气保护吹干，随后，将片子加热烘干，待用；
步骤三：制作氧化限制层3，如图7所示；
利用湿法选择性氧化技术，形成环状的外延片台面中的氧化限制层。氧化结束以后，取出芯片，待用；
步骤四：制作电极1和5，如图8所示
在外延片上涂上光刻胶，通过光刻显影，制作电极图形，溅射金属，剥离形成电极1和5。
步骤五：制作台面钝化层6，如图9所示；
在外延片上沉积或者溅射一定厚度的绝缘物质作为钝化层6。利用光刻、刻蚀技术露出电极1和5，以待封装；
步骤六：衬底8处理；
利用减薄技术，将衬底8减薄到合适的厚度，以待后续处理；
步骤七：制作光栅9，如图10所示；
再使用双面套刻工艺，在衬底上沉积或者溅射一定厚度SiO2掩膜，通过电子束曝光显影出衬底光栅的版图，在衬底上刻蚀出光栅，以待最后封装；
步骤八：解理封装
将芯片解理，采用热压焊的方式完成芯片的封装。
本发明的优点为：
本发明利用光栅的反射发散原理，使一级激光发射单元的出射光在光栅处形成一个小光斑，这个小光斑经光栅反射发散回去形成大光斑，这一大光斑覆盖了其它所有的二级激光发射单元，激发这些激光单元发光，发出与一级激光单元发出光相干的光，由此使得整个阵列输出相干光；本发明利用光栅的反射发散效应和泵浦激发其它激光发射单元发射相干光，实现整个激光器阵列的相干性。
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 (11)

1.一种出射相干光的VCSEL阵列芯片，其特征在于，包括：VCSEL和光栅；
所述VCSEL的衬底背面设有所述光栅；
所述光栅满足的要求为：满足光栅方程d(sinθm+sinθi)＝kλ；
式中，d为光栅的周期，θi为光入射到光栅上的入射角，θm为光经光栅反射进入离1级激光单元最远的激光单元有源区处的反射角，λ为激光发射的波长，k为发射光经光栅反射的最大级次。
2.如权利要求1所述的VCSEL阵列芯片，其特征在于，所述光栅使一级激光发射单元的出射光在光栅处形成一个小光斑，所述小光斑经所述光栅反射发散回去形成大光斑，所述大光斑覆盖了其它所有的二级激光发射单元，激发所述二级激光发射单元发光，发出与所述一级激光单元发出光相干的光。
3.如权利要求1所述的VCSEL阵列芯片，其特征在于，所述VCSEL的衬底材料为GaAs、InP、GaN或Si。
4.如权利要求1所述的VCSEL阵列芯片，其特征在于，所述VCSEL阵列芯片适用450nm-2μm波段的光。
5.如权利要求1所述的VCSEL阵列芯片，其特征在于，所述VCSEL阵列芯片自上至下依次包括：P电极、P型分布式布拉格反射镜、氧化限制层、有源层、N电极、钝化层、N型分布式布拉格反射镜、衬底以及光栅；其中，
所述N电极与钝化层为同层结构，所述氧化限制层的中部形成通光孔。
6.如权利要求5所述的VCSEL阵列芯片，其特征在于，所述VCSEL阵列芯片中的分布式布拉格反射镜由AlxGa(1-x)As/AlyGa(1-y)As双层结构组成。
7.如权利要求5所述的VCSEL阵列芯片，其特征在于，所述VCSEL阵列芯片中的P型分布式布拉格反射镜为全反射镜，由30-40对双层结构构成，反射率达99％以上。
8.如权利要求5所述的VCSEL阵列芯片，其特征在于，所述VCSEL阵列芯片中的N型分布式布拉格反射镜为半透半反镜，由5-20对双层结构构成，与光栅共同作用使得反射率达90％-95％。
9.如权利要求1所述的VCSEL阵列芯片，其特征在于，所述VCSEL阵列芯片中光栅可以用其它表面微结构代替，如微透镜、浅浮雕、光子晶体等。
10.如权利要求1所述的VCSEL阵列芯片，其特征在于，所述VCSEL阵列芯片可以通过时延电路使得二级发射单元后发射激光。
11.如权利要求1所述的VCSEL阵列芯片，其特征在于，所述VCSEL阵列芯片可应用于大功率相干激光器的制备。
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