CN112490851B - 上下电极旋错布置的垂直腔面发射半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

上下电极旋错布置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。现有器件的电流注入均匀性较差，器件串联电阻较大。本发明其特征在于，旋错上电极位于欧姆接触层上表面，旋错下电极位于衬底下表面，旋错上电极、旋错下电极的主体部分都呈圆环形，所述圆环形的几何中心与激光器轴线上一点重合；沿圆环形主体部分的外圆或者内圆等弧度间隔分布形状、数量均相同的扩展部分，旋错上电极、旋错下电极之间在所述圆环形的圆周方向上旋错二分之一所述弧度布置。本发明能够通过提高器件的电流注入均匀性和减小器件串联电阻，提高发射的涡旋空心光的光强均匀性，减少器件发热，提高发光效率。

Description

上下电极旋错布置的垂直腔面发射半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种上下电极旋错布置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。
背景技术
涡旋光是具有螺旋型相位波前和相位奇点的光束，在传播过程中波前会以传播方向为轴、以螺旋的方式绕行传播。可以利用涡旋光场的轨道角动量以及暗中空特性，在光学微操控中用涡旋光捕获、控制和旋转微观粒子，以及使用涡旋光存储数据，进行信息的编码、解码、记录和传输，测量物体的微小形变。而涡旋空心光中心光强为零的区域较大，其暗中空特性更强。涡旋空心光除了具有涡旋光的用途外，在材料处理、超分辨显微镜、量子密码和量子通信等领域也有其用途。
专利号为ZL201811252788.X提供了一项名为“能够发射涡旋空心光的垂直腔面发射半导体激光器”的技术方案，在该技术方案中，如图1、图2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；欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3以及有源增益区5层叠在一起构成一个具有空心部分的圆柱区域，该圆柱区域的内径为85μm～95μm、外径为115μm～125μm；氧化物限制层4的形状为环形，所述环形的宽度为3μm～5μm，所述环形的外径与所述圆柱区域的外径尺寸相同；在所述圆柱区域的空心部分的下面有高阻区9，高阻区9的底面与下分布布拉格反射镜6接触，高阻区9的顶面的高度高于上分布布拉格反射镜3的内镜面、低于上分布布拉格反射镜3的外镜面；与现有技术相比，该方案其特征在于，上电极1位于欧姆接触层2上表面边缘的局部区域，下电极8位于衬底7下表面边缘的局部区域，上电极1的几何中心、下电极8的几何中心的连线与激光器轴线相交。正是由于这一结构特征，使得该技术方案在获得涡旋空心光方面取得较好的技术效果。不过，该结构特点同时也使得该方案存在固有不足。例如，上下电极只制作于器件上下对角方向的局部区域，在上下电极之间电流绕行高阻区9，由此可知，虽然发生在有源增益区的电流注入产生旋转注入效应，但是，在有源增益区各处电流注入并不均匀，所发射的涡旋空心光的光束各部分光强并不均匀，光束质量不高。再如，同样是由于电流需沿上下方向对角线流动，还得绕行高阻区9，电流路径长；从横向看，上下电极的横向距离w较大，如图2所示，而横向电阻在串联电阻中占比较大，因此，该方案串联电阻较大，发热变得严重，器件发光效率降低。
发明内容
为了提高垂直腔面发射半导体激光器输出的涡旋空心光的光强均匀性，减轻器件发热，我们发明了一种上下电极旋错布置的垂直腔面发射半导体激光器，通过提高器件的电流注入均匀性和减小器件串联电阻克服现有技术的不足，实现发明目的。
在本发明之上下电极旋错布置的垂直腔面发射半导体激光器中，如图3所示，自上而下依次是欧姆接触层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；欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3以及有源增益区5层叠在一起构成一个具有空心部分10的圆柱区域；在所述圆柱区域的空心部分10的下面有高阻区9；其特征在于，旋错上电极11位于欧姆接触层2上表面，旋错下电极12位于衬底7下表面，旋错上电极11、旋错下电极12的主体部分13都呈圆环形，如图3～图7所示，所述圆环形的几何中心位于激光器轴线上；沿圆环形主体部分13的外圆或者内圆等弧度间隔分布形状、数量均相同的扩展部分14，如图3～图5所示，旋错上电极11、旋错下电极12之间在所述圆环形的圆周方向上旋错二分之一所述弧度布置。
由于旋错上电极11、旋错下电极12的位置、形状方面的原因，在旋错上电极11、旋错下电极12的主体部分13之间，电流注入方式与该领域通常的垂直腔面发射半导体激光器不无不同，注入电流e向有源增益区5注入十分均匀，如图3所示，但不足以激发涡旋光。而在在旋错上电极11、旋错下电极12的扩展部分14之间，情况出现了本发明预期的效果，自旋错上电极11扩展部分14向有源增益区5注入的电流会流向旋错下电极12最接近的扩展部分14，由于该最接近的扩展部分14与所述旋错上电极11扩展部分14之间相互在主体部分13圆环形的圆周方向上旋错一个弧度，如图3～图5所示，电流则不再以大致直线的方式流动，其路径为一条曲线，从起点到终点扭转相同弧度，涡旋光由此产生。当然，高阻区9的存在，以及旋错上电极11、旋错下电极12的主体部分13均为圆环形，本发明之激光器发射的涡旋光一定是涡旋空心光。
并且，本发明同样取得了与现有“能够发射涡旋空心光的垂直腔面发射半导体激光器”的一个相同附带技术效果，由于不管是旋错上电极11还是旋错下电极12，其若干个扩展部分14等弧度间隔分布，再加上旋错上电极11、旋错下电极12相对旋错二分之一所述弧度，因此，与旋错上电极11的任何一个扩展部分14最接近的旋错下电极12的扩展部分14都有两个，且距离相同，所以，自旋错上电极11某一个扩展部分14向有源增益区5注入的电流会分为两路，一路为左旋注入电流el，另一路为右旋注入电流er，如图3所示，这意味着激发的涡旋光的涡旋方向也有两个，因此，本发明之激光器发射的涡旋光束具有两个轨道角动量，光的截面能量密度更加均匀，这样的涡旋空心光在光学微操控中操作更准确，在其他应用中能够承载更多的信息。
至此，可见本发明其技术效果在于，在发射涡旋空心光的前提下，由于旋错上电极11、旋错下电极12的主体部分13均呈圆环形，各自的扩展部分14虽然有多个，但是，上下电极上的多个扩展部分14等弧度间隔分布，同时，由于上下电极的形状、结构均相同，虽然旋错上电极11、旋错下电极12之间在所述圆环形的圆周方向上旋错二分之一所述弧度布置，从整体上看，器件结构一致性很高，最后的效果表现在电流注入的一致性上，所发射的涡旋空心光的光强分布势必均匀。有关光强的一个附带技术效果也出现了，本发明在电流注入过程中，除了自旋错上电极11主体部分13开始的电流注入外，还自多个扩展部分14进行电流注入，而现有“能够发射涡旋空心光的垂直腔面发射半导体激光器”由于其只在欧姆接触层2上表面、衬底7下表面的局部区域分别制作上电极1、下电极8，电流注入相当于在两点进行，所以，本发明发射的涡旋空心光的总光强至少在理论上不小于现有技术。
本发明其技术效果还在于，不管是左旋注入电流el，还是右旋注入电流er，其从横向看，如图3～图5所示，上下电极的扩展部分14的横向距离w′要比现有“能够发射涡旋空心光的垂直腔面发射半导体激光器”上下电极的横向距离w小得多，如图2所示，因此，本发明器件串联电阻明显下降，发热情况明显改善，发光效率明显提高。伴随还有一个附带技术效果，即由于串联电阻的减小，电子所受阻力减小，电子所具有的轨道角动量将会增大，光束将具有更好的涡旋性。
附图说明
图1是现有能够发射涡旋空心光的垂直腔面发射半导体激光器结构剖视示意图。图2是现有能够发射涡旋空心光的垂直腔面发射半导体激光器结构立体示意图。图3是本发明之上下电极旋错布置的垂直腔面发射半导体激光器结构立体示意图，该图同时还是本发明器件电流注入形态示意图，该图兼作为摘要附图。图4、图5是本发明之上下电极旋错布置的垂直腔面发射半导体激光器上下电极旋错布置示意图，图4中的旋错上电极、旋错下电极各有4个扩展部分且位于主体部分的内圆上，图5中的旋错上电极、旋错下电极各有3个扩展部分且位于主体部分的外圆上。图6、图7是本发明之上下电极旋错布置的垂直腔面发射半导体激光器中的旋错上电极或者旋错下电极的另外两种结构示意图，图6中的旋错上电极或者旋错下电极具有3个扩展部分且位于主体部分的内圆上，图7中的旋错上电极或者旋错下电极具有4个扩展部分且位于主体部分的外圆上。
具体实施方式
在本发明之上下电极旋错布置的垂直腔面发射半导体激光器中，旋错上电极11、旋错下电极12的扩展部分14的数量均为3个或者4个，旋错上电极11或者旋错下电极12的具体结构包括以下四种：4个扩展部分14位于主体部分13的内圆上，如图4所示；3个扩展部分14位于主体部分13的外圆上，如图5所示；3个扩展部分14位于主体部分13的内圆上，如图6所示；4个扩展部分14位于主体部分13的外圆上，如图7所示。当扩展部分14的数量为4个时，间隔1/2π弧度分布，旋错上电极11、旋错下电极12之间旋错1/4π弧度，如图4所示；当扩展部分14的数量为3个时，间隔2/3π弧度分布，旋错上电极11、旋错下电极12之间旋错1/3π弧度，如图5所示。旋错上电极11的主体部分13与旋错下电极12的主体部分13的尺寸相同。

Claims (4)

1.上下电极旋错布置的垂直腔面发射半导体激光器，自上而下依次是欧姆接触层(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)；欧姆接触层(2)、上分布布拉格反射镜(3)以及有源增益区(5)层叠在一起构成一个具有空心部分(10)的圆柱区域；在所述圆柱区域的空心部分(10)的下面有高阻区(9)；其特征在于，旋错上电极(11)位于欧姆接触层(2)上表面，旋错下电极(12)位于衬底(7)下表面，旋错上电极(11)、旋错下电极(12)的主体部分(13)都呈圆环形，所述圆环形的几何中心位于激光器轴线上；沿圆环形主体部分(13)的外圆或者内圆等弧度间隔分布形状、数量均相同的扩展部分(14)，旋错上电极(11)、旋错下电极(12)之间在所述圆环形的圆周方向上旋错二分之一所述弧度布置。
2.根据权利要求1所述的上下电极旋错布置的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，旋错上电极(11)、旋错下电极(12)的扩展部分(14)的数量均为3个或者4个，旋错上电极(11)、旋错下电极(12)的具体结构包括以下四种：4个扩展部分(14)位于主体部分(13)的内圆上；3个扩展部分(14)位于主体部分(13)的外圆上；3个扩展部分(14)位于主体部分(13)的内圆上；4个扩展部分(14)位于主体部分(13)的外圆上。
3.根据权利要求1所述的上下电极旋错布置的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，当扩展部分(14)的数量为4个时，间隔
Figure FDA0003593983060000011
弧度分布，旋错上电极(11)、旋错下电极(12)之间旋错
Figure FDA0003593983060000012
弧度；当扩展部分(14)的数量为3个时，间隔
Figure FDA0003593983060000013
弧度分布，旋错上电极(11)、旋错下电极(12)之间旋错
Figure FDA0003593983060000014
弧度。
4.根据权利要求1所述的上下电极旋错布置的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，旋错上电极(11)的主体部分(13)与旋错下电极(12)的主体部分(13)的尺寸相同。
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