CN113258438B - 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，属于激光器技术领域，包括VCSEL激光芯片，VCSEL激光芯片包括衬底层、第一反射镜以及激光发射单元阵列；与VCSEL激光芯片间隔设置的等离子体辐射层，且在等离子体辐射层一面上刻画有与激光发射单元阵列相对应的等离子体辐射栅，另一面设有反射层；第一激光发射单元垂直向等离子辐射层发射激光，使得等离子体辐射栅的自由电子发生集体振荡，激发出表面等离激元，表面等离激元在等离子体辐射栅和等离子体辐射层之间振荡传播，表面等离激元在反射层的作用下，以倏逝波形式垂直于等离子体辐射层表面方向传播，并激发第二激光发射单元发光，发出相干光。

Description

一种出射相干光的VCSEL阵列芯片
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种出射相干光的VCSEL阵列芯片。
背景技术
随着技术的不断发展和突破，半导体激光器正向发射波长更短、发射功率更大、超小型、长寿命的方向发展，以满足各种应用的需要，产品种类日益丰富。在激光加工、3D打印、激光雷达、激光测距、军事、医疗和生命科学等方面也得到了大量应用。另外，通过耦合进光纤进行传输，大功率直接半导体激光器在切割和焊接领域得到了广泛应用。
垂直腔面发射激光器相比于边发射激光器，有很多优势。比如阈值电流低，可以单纵模工作，圆形对称光斑，易于二维集成，无光学灾难性损伤等。而激光器阵列由于可以获得较高功率，被广泛地应用于工业加工、泵浦源等领域，但是，随着科技发展，越来越多的领域对高光束质量、高亮度、窄线宽、高相干度的高功率激光的需求不断增长。
一般的垂直腔面发射激光器阵列，由于不能够实现线阵中各个出光单元间的光子相互注入，因而不存在相干性，这就导致了出射激光线宽较宽，模式特性差，远场发散角大，亮度低，限制了其应用。由于垂直腔面发射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。
因此需要研制出一种出射相干光的激光器阵列芯片来实现高功率、高相干性的特性。
发明内容
针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种出射相干光的VCSEL阵列芯片。
为实现上述目的，本发明提供一种出射相干光的VCSEL阵列芯片，包括：
VCSEL激光芯片，所述VCSEL激光芯片从上至下包括衬底层、第一反射镜以及激光发射单元阵列，每个所述激光发射单元与所述第一反射镜接触边缘设有N电极，其端面边缘设有P电极，且在所述激光发射单元上与所述P电极不接触的位置设有第一钝化层，在所述第一反射镜上与所述N电极不接触的位置设有第二钝化层；
与所述VCSEL激光芯片间隔设置的等离子体辐射层，且在所述等离子体辐射层一面上刻画有与所述激光发射单元阵列相对应的等离子体辐射栅，另一面上设有反射层；
其中，所述激光发射单元从上至下依次包括有源层、氧化限制层和第二反射镜，所述氧化限制层的中间设有通光孔，且所述激光发射单元阵列中包括第一激光发射单元和第二激光发射单元，所述第一激光发射单元在所述第一反射镜上增加增反膜，所述第二激光发射单元在所述第二反射镜上增加增反膜，使得所述第一激光发射单元垂直向所述等离子辐射层发射激光，使得所述等离子体辐射栅的自由电子发生集体振荡，激发出表面等离激元，所述表面等离激元在所述等离子体辐射栅和所述等离子体辐射层之间震荡传播，且所述表面等离激元在所述反射层的作用下，以倏逝波形式垂直于所述等离子体辐射层表面方向传播，并激发所述第二激光发射单元发光，发出相干光。
优选的是，所述第一反射镜为AlxGa(1-x)As/AlyGa(1-y)As双层结构的N型分布式布拉格反射镜，反射率为99％-99.5％。
优选的是，所述第一反射镜的对数为5至20对。
优选的是，所述第二反射镜为AlxGa(1-x)As/AlyGa(1-y)As双层结构的P型分布式布拉格反射镜，反射率为99％-99.5％。
优选的是，所述第二反射镜的对数为5至20对。
优选的是，所述衬底层的材料包括GaAs、InP、GaN或Si。
优选的是，所述激光发射单元阵列在所述第一反射镜上呈环形排列，所述等离子体辐射栅为环形等离子体辐射栅。
优选的是，所述反射层的材料包括Au、Ag或Al，且所述反射层的底面设有等离子衬底层。
优选的是，通过时延电路使得所述第二激光发射单元发射激光。
优选的是，应用于大功率相干激光器的制备。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过在激光发射单元阵列位置处间隔设有等离子体辐射栅，将第一激光发射单元激活发射出垂直向等离子辐射层发射激光，使得等离子体辐射栅的自由电子发生集体振荡，激发出表面等离激元，表面等离激元在等离子体辐射栅和等离子体辐射层之间振荡传播，且表面等离激元在反射层的作用下，以倏逝波形式垂直于等离子体辐射层表面方向传播，并激发所述第二激光发射单元发光，发出相干光，使得出射光之间的相干性更好。
附图说明
图1为本发明一种出射相干光的VCSEL阵列芯片的正视图；
图2为本发明一种出射相干光的VCSEL阵列芯片的三维结构图；
图3-1至3-10为本发明一种出射相干光的VCSEL阵列芯片的制备流程示意图；
图4为本发明一种出射相干光的VCSEL阵列芯片的原理示意图；
图5为本发明一种出射相干光的VCSEL阵列芯片的光激发表面等离激元作用机制示意图。
附图标记：
1、衬底层；2、第一反射镜；3、第一钝化层；4、第二钝化层；5、有源层；6、氧化限制层；7、第二反射镜；8、P电极；9、N电极；10、等离子体辐射层；11、等离子体辐射栅；12、等离子衬底层；13、上支撑层；14、下支撑层；15、第一激光发射单元；16、第二激光发射单元。
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。
下面结合附图1-5对本发明做进一步的详细描述：
如图1-3所示，本发明提供一种出射相干光的VCSEL阵列芯片，包括：
VCSEL激光芯片，VCSEL激光芯片从上至下包括衬底层1、第一反射镜2以及激光发射单元阵列，每个激光发射单元与第一反射镜2接触边缘设有N电极9，其端面边缘设有P电极8，且在激光发射单元上与P电极8不接触的位置设有第一钝化层3，在第一反射镜2上与N电极9不接触的位置设有第二钝化层4；
具体地，在第一反射镜2上刻蚀形成激光发射单元阵列，且激光发射单元阵列在第一反射镜2上呈环形排列。衬底层1的材料包括GaAs、InP、GaN或Si。P电极8呈环形结构。
与VCSEL激光芯片间隔设置的等离子体辐射层10，且在等离子体辐射层10一面上刻画有与激光发射单元阵列相对应的等离子体辐射栅11，另一面上设有反射层；
具体地，等离子体辐射栅11为环形等离子体辐射栅，与激光发射单元阵列相对应。
其中，激光发射单元从上至下依次包括有源层5、氧化限制层6和第二反射镜7，氧化限制层6的中间设有通光孔，且激光发射单元阵列中包括第一激光发射单元15和第二激光发射单元16，第一激光发射单元15在第一反射镜2上增加增反膜，第二激光发射单元16在第二反射镜7上增加增反膜，使得第一激光发射单元15垂直向等离子辐射层发射激光，使得等离子体辐射栅11的自由电子发生集体振荡，激发出表面等离激元，表面等离激元在等离子体辐射栅11和等离子体辐射层10之间震荡传播，且表面等离激元在反射层的作用下，以倏逝波形式垂直于等离子体辐射层10表面方向传播，并激发第二激光发射单元16发光，发出相干光。
进一步地，第一反射镜2为AlxGa(1-x)As/AlyGa(1-y)As双层结构的N型分布式布拉格反射镜，反射率为99％-99.5％，第一反射镜2的对数为5至20对。第一反射镜2为半反半透镜，在第一反射镜2对应的下方位置增加增反膜，使得反射率达到99.9％。第二反射镜7为AlxGa(1-x)As/AlyGa(1-y)As双层结构的P型分布式布拉格反射镜，反射率为99％-99.5％。第二反射镜7的对数为5至20对。第二反射镜7为半反半透镜，在第二反射镜7对应的上方位置增加增反膜，使得反射率达到99.9％。
参照图2，反射层的材料包括Au、Ag或Al，等离子体辐射层10的材料为金属材料，反射层的底面设有等离子衬底层12，等离子衬底层12的材料为半导体材料。
在本实施例中，第一激光发射单元15为一个，且处于激光发射单元阵列的中心，其余为第二激光发射单元16，如图4所示。
通过上述结构使得VCSEL激光芯片发出相干光，且为了保证等离子体辐射栅11与激光发射单元阵列相对应，可以将VCSEL激光芯片和等离子体辐射层10之间固定连接，是通过透明的二氧化硅连接，即在VCSEL激光芯片上设有上支撑层13，在等离子体辐射层10设有下支撑层14，但是本发明不仅仅只是通过这一种方式，还可以通过其他常规方式连接，例如支撑柱等其他连接结构。
另外，本发明中适用450nm-2μm波段的光。
进一步地，本发明通过时延电路使得第二激光发射单元16发射激光。
再进一步地，本发明应用于大功率相干激光器的制备。
参照图3，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激光芯片，将待清洗的VCSEL激光芯片按照RCA标准清洗，清洗完毕后将VCSEL激光芯片用高纯度氮气保护吹干，之后将待加工VCSEL激光芯片加热烘干，待用；如图3-1；
步骤二：在待加工VCSEL激光芯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在VCSEL激光芯片上刻蚀出激光发射单元阵列结构，用化学腐蚀发去除掉多余的SiO2，并清洗VCSEL激光芯片。清洗完毕后将待加工VCSEL激光芯片用高纯度氮气保护吹干，随后，将片子加热烘干，待用；如图3-2；
步骤三：利用湿法选择性氧化技术，使得每个激光发射单元的环状结构内形成氧化限制层6；如图3-3；
步骤四：在上述VCSEL激光芯片上涂上光刻胶，通过光刻显影，制作电极图形，溅射金属，剥离形成P电极8和N电极9；如图3-4；
步骤五：在VCSEL激光芯片上沉积或者溅射一定厚度的透明绝缘物质作为钝化层，并利用光刻、刻蚀技术露出电极形成第一钝化层3和第二钝化层4；如图3-5；
步骤六：在等离子衬底层12上，一面涂覆反射层，另一面用电子束曝光技术对50nm的金属材料进行蒸发过程，生成了等离子层9；如图3-6；
步骤七：等离子层9上，用电子束曝光技术对50nm的等离子层910进行蒸发和剥离过程，形成等离子体辐射栅11；如图3-7；
步骤八：在VCSEL激光芯片的第一激光发射单元的N型分布式布拉格反射镜对应的衬底位置涂覆增反膜；
步骤九：在VCSEL激光芯片和等离子体辐射栅11上分别沉积或者溅射一定厚的的二氧化硅，二氧化硅厚度分别超出台面高度和辐射栅高度50nm，并且使用CMP(化学机械抛光)技术将二氧化硅打磨平整；如图3-8和3-9；
步骤十：在VCSEL激光芯片和等离子体辐射栅11的二氧化硅表面滴加0.1ml去离子水，将VCSEL激光芯片倒扣在等离子体辐射栅11上，利用分子间吸引力，使得等离子体辐射栅11与VCSEL激光芯片相结合；如图3-10。
上述制作方法中只是提供了一种通过二氧化硅使得等离子体辐射栅11与激光发射单元阵列间隔对应设置的结构，但是不发明不仅仅可以通过这一种方式来实现上述结构。
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 (10)

1.一种出射相干光的VCSEL阵列芯片，其特征在于，包括：
VCSEL激光芯片，所述VCSEL激光芯片从上至下包括衬底层、第一反射镜以及激光发射单元阵列，每个所述激光发射单元与所述第一反射镜接触边缘设有N电极，其端面边缘设有P电极，且在所述激光发射单元上与所述P电极不接触的位置设有第一钝化层，在所述第一反射镜上与所述N电极不接触的位置设有第二钝化层；
与所述VCSEL激光芯片间隔设置的等离子体辐射层，且在所述等离子体辐射层一面上刻画有与所述激光发射单元阵列相对应的等离子体辐射栅，另一面上设有反射层；
其中，所述激光发射单元从上至下依次包括有源层、氧化限制层和第二反射镜，所述氧化限制层的中间设有通光孔，且所述激光发射单元阵列中包括第一激光发射单元和第二激光发射单元，所述第一激光发射单元在所述第一反射镜上增加增反膜，所述第二激光发射单元在所述第二反射镜上增加增反膜，使得所述第一激光发射单元垂直向所述等离子辐射层发射激光，使得所述等离子体辐射栅的自由电子发生集体振荡，激发出表面等离激元，所述表面等离激元在所述等离子体辐射栅和所述等离子体辐射层之间震荡传播，且所述表面等离激元在所述反射层的作用下，以倏逝波形式垂直于所述等离子体辐射层表面方向传播，并激发所述第二激光发射单元发光，发出相干光。
2.如权利要求1所述的一种出射相干光的VCSEL阵列芯片，其特征在于，所述第一反射镜为AlxGa(1-x)As/AlyGa(1-y)As双层结构的N型分布式布拉格反射镜，反射率为99％-99.5％。
3.如权利要求2所述的一种出射相干光的VCSEL阵列芯片，其特征在于，所述第一反射镜的对数为5至20对。
4.如权利要求1所述的一种出射相干光的VCSEL阵列芯片，其特征在于，所述第二反射镜为AlxGa(1-x)As/AlyGa(1-y)As双层结构的P型分布式布拉格反射镜，反射率为99％-99.5％。
5.如权利要求4所述的一种出射相干光的VCSEL阵列芯片，其特征在于，所述第二反射镜的对数为5至20对。
6.如权利要求1所述的一种出射相干光的VCSEL阵列芯片，其特征在于，所述衬底层的材料包括GaAs、InP、GaN或Si。
7.如权利要求1所述的一种出射相干光的VCSEL阵列芯片，其特征在于，所述激光发射单元阵列在所述第一反射镜上呈环形排列，所述等离子体辐射栅为环形等离子体辐射栅。
8.如权利要求1所述的一种出射相干光的VCSEL阵列芯片，其特征在于，所述反射层的材料包括Au、Ag或Al，且所述反射层的底面设有等离子衬底层。
9.如权利要求1所述的一种出射相干光的VCSEL阵列芯片，其特征在于，通过时延电路使得所述第二激光发射单元发射激光。
10.如权利要求1所述的一种出射相干光的VCSEL阵列芯片，其特征在于，应用于大功率相干激光器的制备。
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