CN111613967B - 一种发射相干激光的垂直腔面发射激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种发射相干激光的垂直腔面发射激光器，包括由下至上依次层叠的第一布拉格反射镜层、发光层、第二布拉格反射镜层、相位控制层，且所述光束输出孔用于反射激光的表面为倾斜表面，以使发射相干激光的垂直腔面发射激光器发射相干激光。本申请中的垂直腔面发射激光器中设置有相位控制层，且在相位控制层中设置有光束输出孔，光束输出孔用于反射激光的表面为倾斜表面，使得激光在该倾斜表面产生双向分光，得到相干激光，即本申请中的垂直腔面发射激光器可以直接发射相干激光，有利于实现激光雷达的相干探测技术，从而避免高功率工作对垂直腔面发射激光器造成内部损伤，延长使用寿命。本申请还提供一种具有上述优点的制作方法。

Description

一种发射相干激光的垂直腔面发射激光器及其制作方法

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，特别是涉及一种发射相干激光的垂直腔面发射激光器及其制作方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称VCSEL)是一种半导体激光器，其激光垂直于芯片表面射出，易与驱动电路贴片封装集成，可以实现快速的电流响应；面发射结构出光窗口一般做成圆形对称结构，其输出圆形光斑，易于整形，降低系统光学元件要求，还具有体积小等优点。VCSEL广泛应用于医疗、传感、信息传输等领域。

为了实现多束激光的同时输出，现有的垂直腔面发射激光器可以设置为多个激光孔出光的阵列，并可以通过表面微透镜结构实现不同光束的传输方向偏转，但是，各个光束相互之间没有相位关系，属于非相干的自由空间光。由于垂直腔面发射激光器发射的是非相干光，在激光远距离探测，尤其是远距离的成像如面阵激光雷达等，需要垂直腔面发射激光器提供极高的激光功率，并通过测量各个发光点的返回时间来实现距离测算与三维成像，对发光点的输出功率要求非常高，需要极高的供电功率水平，限制了垂直腔面发射激光器的供电模块设计；同时，高的激光功率水平易导致垂直腔面发射激光器出现内部损伤，寿命降低。

因此，如何解决上述技术问题应该是本领域技术人员重点关注的。

发明内容

本申请的目的是提供一种发射相干激光的垂直腔面发射激光器及其制作方法，以使发射相干激光的垂直腔面发射激光器发射相干激光，进而为远距离激光相干探测或相干成像提供高性能相干光源。

为解决上述技术问题，本申请提供一种发射相干激光的垂直腔面发射激光器，包括：

由下至上依次层叠的第一布拉格反射镜层、发光层、第二布拉格反射镜层、相位控制层，所述相位控制层设置有光束输出孔，且所述光束输出孔用于反射激光的表面为倾斜表面，以使发射相干激光的垂直腔面发射激光器发射相干激光。

可选的，所述光束输出孔为V型光束输出孔或者梯形光束输出孔。

可选的，所述光束输出孔的数量为一个，且对应所述发光层的中心位置。

可选的，所述光束输出孔的数量为多个，且多个所述光束输出孔相互离散。

可选的，所述光束输出孔为多个条状光束输出凹槽。

可选的，所述光束输出孔为环形光束输出凹槽。

可选的，所述相位控制层为下述任一种：

砷化镓层、氮化镓层、磷化铟层、二氧化硅层、碳化硅层。

本申请还提供一种发射相干激光的垂直腔面发射激光器制作方法，包括：

在第一布拉格反射镜层的上表面形成发光层；

在所述发光层的上表面形成第二布拉格反射镜层；

在所述第二布拉格反射镜层的上表面形成相位控制层；

在所述相位控制层中制作光束输出孔，且所述光束输出孔用于反射激光的表面为倾斜表面，以使发射相干激光的垂直腔面发射激光器发射相干激光。

可选的，在所述相位控制层中制作光束输出孔包括：

采用湿法腐蚀技术或者干法刻蚀技术，在所述相位控制层中制作所述光束输出孔。

本申请所提供的发射相干激光的垂直腔面发射激光器，包括由下至上依次层叠的第一布拉格反射镜层、发光层、第二布拉格反射镜层、相位控制层，且所述光束输出孔用于反射激光的表面为倾斜表面，以使发射相干激光的垂直腔面发射激光器发射相干激光。

可见，本申请中的发射相干激光的垂直腔面发射激光器中设置有相位控制层，且在相位控制层中设置有光束输出孔，光束输出孔用于反射激光的表面为倾斜表面，使得激光在该倾斜表面产生双向分光，得到相干激光，即本申请中的发射相干激光的垂直腔面发射激光器可以直接发射相干激光，在远距离探测或者相干成像时，利用相干激光产生的干涉条纹的局部扭曲变化就可以直接推断出远距离物体的形貌，在极低的激光功率下就可以实现，降低了对发射相干激光的垂直腔面发射激光器激光输出功率的要求。由于对光源输出功率的要求降低，激光出光面承载的功率水平变小，从而使发射相干激光的垂直腔面发射激光器的工作寿命提升。此外，本申请还提供一种具有上述优点的发射相干激光的垂直腔面发射激光器制作方法。

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为本申请实施例所提供的一种发射相干激光的垂直腔面发射激光器的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的另一种发射相干激光的垂直腔面发射激光器的结构示意图；

图3为本申请所提供的另一种发射相干激光的垂直腔面发射激光器的结构示意图；

图4为发射相干激光的垂直腔面发射激光器的俯视图；

图5为本申请实施例所提供的一种相位控制层示意图；

图6为本申请实施例所提供的一种发射相干激光的垂直腔面发射激光器制作方法流程图。

具体实施方式

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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，现有的垂直腔面发射激光器输出多个光束时各个光束相互之间没有相位关系，属于非相干的自由空间光。当需要相干光时，需要提供极高的激光功率以形成相干光，相应的供电需求非常高，限制了垂直腔面发射激光器的供电模块设计；同时，高的激光功率水平易导致垂直腔面发射激光器出现内部损伤，寿命降低。

有鉴于此，本申请提供了一种发射相干激光的垂直腔面发射激光器，请参考图1和图2，图1为本申请实施例所提供的一种发射相干激光的垂直腔面发射激光器的结构示意图，图2为本申请实施例所提供的另一种发射相干激光的垂直腔面发射激光器的结构示意图，包括：

由下至上依次层叠的第一布拉格反射镜层1、发光层2、第二布拉格反射镜层3、相位控制层4，所述相位控制层4设置有光束输出孔5，且所述光束输出孔5用于反射激光的表面为倾斜表面，以使发射相干激光的垂直腔面发射激光器发射相干激光。

第一布拉格反射镜层1一般为N型布拉格反射镜，第二布拉格反射镜层3为P型布拉格反射镜。需要说明的是，发射相干激光的垂直腔面发射激光器还包括衬底、N面电极、P面电极等，其与在现有的垂直腔面发射激光器中的设置相同，本申请中不再详细说明。

光束输出孔5用于反射激光的表面为倾斜表面，使得发射相干激光的垂直腔面发射激光器内部产生的激光经过该倾斜表面时实现同一个激光光束的双向分光，得到相干激光。

需要指出的是，所述相位控制层4包括但不限于下述任一种：

砷化镓层、氮化镓层、磷化铟层、二氧化硅层、碳化硅层。

需要说明的是，本申请中对光束输出孔5的形状不做具体限定，只要是用于反射激光的表面为倾斜表面即满足要求，例如，所述光束输出孔5为V型光束输出孔5或者梯形光束输出孔5。

可选的，所述光束输出孔5的数量为一个，且对应所述发光层2的中心位置。当仅有一个光束输出孔5时，发射相干激光的垂直腔面发射激光器可以实现两束相干激光的同时输出，对应发光层2的中心位置是为了得到相干性最好的相干激光。

请参考图3和图4，图3为本申请所提供的另一种发射相干激光的垂直腔面发射激光器的结构示意图，图4为发射相干激光的垂直腔面发射激光器的俯视图。

可选的，所述光束输出孔5的数量为多个，且多个所述光束输出孔5相互离散。图3所示的发射相干激光的垂直腔面发射激光器可以形成相干的二维阵列激光输出。

请参考图5，在本申请的其他实施例中，所述光束输出孔5还可以为多个条状光束输出凹槽。其中，每个条状光束输出凹槽可以实现双光束输出，发射相干激光的垂直腔面发射激光器最终可以形成条纹状分布的激光远场。

可选的，所述光束输出孔5为环形光束输出凹槽。

本申请中的发射相干激光的垂直腔面发射激光器中设置有相位控制层4，且在相位控制层4中设置有光束输出孔5，光束输出孔5用于反射激光的表面为倾斜表面，使得激光在该倾斜表面产生双向分光，得到相干激光，即本申请中的发射相干激光的垂直腔面发射激光器可以直接发射相干激光，在远距离探测或者相干成像时，利用相干激光产生的干涉条纹的局部扭曲变化就可以直接推断出远距离物体的形貌，在极低的激光功率下就可以实现，降低了对发射相干激光的垂直腔面发射激光器激光输出功率的要求。由于对光源输出功率的要求降低，激光出光面承载的功率水平变小，从而使发射相干激光的垂直腔面发射激光器的工作寿命提升。

本申请还提供一种发射相干激光的垂直腔面发射激光器制作方法，请参见图6，该方法包括：

步骤S101：在第一布拉格反射镜层的上表面形成发光层。

步骤S102：在所述发光层的上表面形成第二布拉格反射镜层。

步骤S103：在所述第二布拉格反射镜层的上表面形成相位控制层。

可选的，当相位控制层为砷化镓层、氮化镓层、磷化铟层等半导体材料层时，可以采用化学气相沉积或者分子束外延形成相位控制层。

可选的，当相位控制层为二氧化硅层、碳化硅层等介质膜层时，可以采用溅射法或者蒸镀法形成相位控制层。

步骤S104：在所述相位控制层中制作光束输出孔，且所述光束输出孔用于反射激光的表面为倾斜表面，以使发射相干激光的垂直腔面发射激光器发射相干激光。

可选的，所述在所述相位控制层中制作光束输出孔包括：

采用湿法腐蚀技术或者干法刻蚀技术，在所述相位控制层中制作所述光束输出孔。

第一布拉格反射镜层、发光层、第二布拉格反射镜层的制备方法与现有制备过程一致，本申请中不再进行详细阐述。

本申请中的发射相干激光的垂直腔面发射激光器制作方法制得的发射相干激光的垂直腔面发射激光器中设置有相位控制层，且在相位控制层中设置有光束输出孔，光束输出孔用于反射激光的表面为倾斜表面，使得激光在该倾斜表面产生双向分光，得到相干激光，即本申请中的发射相干激光的垂直腔面发射激光器可以直接发射相干激光，在远距离探测或者相干成像时，利用相干激光产生的干涉条纹的局部扭曲变化就可以直接推断出远距离物体的形貌，在极低的激光功率下就可以实现，降低了对发射相干激光的垂直腔面发射激光器激光输出功率的要求。由于对光源输出功率的要求降低，激光出光面承载的功率水平变小，从而使发射相干激光的垂直腔面发射激光器的工作寿命提升。并且，相比现有的发射相干激光的垂直腔面发射激光器，本申请中的发射相干激光的垂直腔面发射激光器制作方法仅引入了两步工艺就实现了现有垂直腔面发射激光器激光的双相干光束输出，制备工艺简单，并且该方法可以适用于各种结构的面发射激光器件。

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。

以上对本申请所提供的发射相干激光的垂直腔面发射激光器及其制作方法进行了详细介绍。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 (9)

1.一种发射相干激光的垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：

由下至上依次层叠的第一布拉格反射镜层、发光层、第二布拉格反射镜层、相位控制层，所述相位控制层设置有光束输出孔，且所述光束输出孔用于反射激光的表面为倾斜表面，以使发射相干激光的垂直腔面发射激光器发射相干激光；其中，所述发射相干激光的垂直腔面发射激光器内部产生的激光经过所述倾斜表面时实现同一个激光光束的双向分光，得到相干激光。

2.如权利要求1所述的发射相干激光的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光束输出孔为V型光束输出孔或者梯形光束输出孔。

3.如权利要求1所述的发射相干激光的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光束输出孔的数量为一个，且对应所述发光层的中心位置。

4.如权利要求1所述的发射相干激光的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光束输出孔的数量为多个，且多个所述光束输出孔相互离散。

5.如权利要求1所述的发射相干激光的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光束输出孔为多个条状光束输出凹槽。

6.如权利要求1所述的发射相干激光的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光束输出孔为环形光束输出凹槽。

7.如权利要求1至6任一项所述的发射相干激光的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述相位控制层为下述任一种：

砷化镓层、氮化镓层、磷化铟层、二氧化硅层、碳化硅层。

8.一种发射相干激光的垂直腔面发射激光器制作方法，其特征在于，包括：

在第一布拉格反射镜层的上表面形成发光层；

在所述发光层的上表面形成第二布拉格反射镜层；

在所述第二布拉格反射镜层的上表面形成相位控制层；

在所述相位控制层中制作光束输出孔，且所述光束输出孔用于反射激光的表面为倾斜表面，以使发射相干激光的垂直腔面发射激光器发射相干激光；

其中，所述发射相干激光的垂直腔面发射激光器内部产生的激光经过所述倾斜表面时实现同一个激光光束的双向分光，得到相干激光。

9.如权利要求8所述的发射相干激光的垂直腔面发射激光器制作方法，其特征在于，在所述相位控制层中制作光束输出孔包括：

采用湿法腐蚀技术或者干法刻蚀技术，在所述相位控制层中制作所述光束输出孔。

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