CN113258441B - 基于hcg的相干光垂直腔面发射激光器及激光器阵列 - Google Patents

基于hcg的相干光垂直腔面发射激光器及激光器阵列 Download PDF

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CN113258441B
CN113258441B CN202110628337.7A CN202110628337A CN113258441B CN 113258441 B CN113258441 B CN 113258441B CN 202110628337 A CN202110628337 A CN 202110628337A CN 113258441 B CN113258441 B CN 113258441B
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Abstract

本申请公开了一种基于HCG的相干光垂直腔面发射激光器及激光器阵列，其中激光器包括垂直腔面发射激光器主体，垂直腔面发射激光器主体包括至少一个激光出射窗口，各激光出射窗口的范围内，间隔并排设置有两个以上第一高对比度光栅，任意两相邻第一高对比度光栅之间设置有第二高对比度光栅，第二高对比度光栅的反射光相位大于第一高对比度光栅的反射光相位。第二高对比度光栅的反射光相位大于第一高对比度光栅的反射光相位，使得第一高对比度光栅所覆盖区域内的部分光场会向第二高对比度光栅所覆盖区域横向传播，即第二高对比度光栅起到了耦合的作用，使与其相邻的两个发光区域连接起来，从而发出相干光。

Description

基于HCG的相干光垂直腔面发射激光器及激光器阵列
技术领域
本发明一般涉及激光器技术领域，具体涉及一种基于HCG的相干光垂直腔面发射激光器及激光器阵列。
背景技术
随着激光发射模组的研究深入以及应用需求的拓展，三维成像和传感成为目前研究的焦点。越来越多的产品例如激光雷达、结构光人脸识别和手势识别等都迅速出现在无人驾驶汽车上、移动设备上，走进大家的日常生活中。
目前业内主要采用的激光器是垂直腔面发射激光（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser；VCSEL）器，其基本结构是由上下两个DBR（Distributed BraggReflector；布拉格反射器）和有源层这三部分组成。上下两个DBR与有源层构成谐振腔。有源层由量子阱组成，作为VCSEL的核心部分，决定着VCSEL的阈值增益、激射波长等重要参数。
由于VCSEL具有体积小、寿命长、阈值电流低等优势，目前已经广泛应用于高速光通芯片、数据中心、光学层析造影（Optical Coherence Tomography；OCT），结构光等。除此之外，得益于其垂直方向发射激光的特性，VCSEL非常适合用于制作二维激光阵列，从而实现大功率激光。然而VCSEL激光器阵列中，各个VCSEL都是独立的，其出射光互不相干，不能满足相干光出射的需求。
发明内容
本申请期望提供一种基于高对比度光栅（High Contrast Grating；HCG）的相干光垂直腔面发射激光器及激光器阵列，用于解决现有垂直腔面发射激光器或垂直腔面发射激光器阵列不能满足相干光出射需求的问题。
第一方面，本发明提供一种基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器，包括：
垂直腔面发射激光器主体，所述垂直腔面发射激光器主体包括至少一个激光出射窗口，各所述激光出射窗口的范围内，垂直于激光出射方向，间隔并排设置有三个以上第二高对比度光栅，任意两相邻所述第二高对比度光栅之间设置有第一高对比度光栅，所述第二高对比度光栅的反射光相位大于所述第一高对比度光栅的反射光相位。
作为可实现方式，所述第二高对比度光栅的宽度大于等于其四个光栅周期，且满足以下关系式：
W=m*λ/2；
其中，W为所述第二高对比度光栅的宽度，m为奇数，λ为所述第一高对比度光栅所覆盖区域向所述第二高对比度光栅所覆盖区域泄露的激光的横向波的波长。
作为可实现方式，所述垂直腔面发射激光器主体包括层叠设置的第一反射器层、有源层、第二反射器层及间隔层；
所述第一高对比度光栅及所述第二高对比度光栅设置有所述间隔层上；
所述第二反射器层与所述第一高对比度光栅共计提供98%以上的反射率；
所述第二反射器层与所述第二高对比度光栅共计提供80%以上的反射率。
作为可实现方式，所述第一反射器层与所述有源层之间，和/或，所述有源层与所述第二反射器层之间设置有电流局限层，所述电流局限层具有界定激光出射窗口的非氧化区，以及围绕所述非氧化区的氧化区。
作为可实现方式，所述第一反射器层与所述有源层之间，和/或，所述有源层与所述第二反射器层之间设置有电流局限层，所述电流局限层具有界定激光出射窗口的非质子/离子注入区，以及围绕所述非质子/离子注入区的质子/离子注入区。
第二方面，本发明提供一种基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器阵列，包括：
垂直腔面发射激光器阵列主体，所述垂直腔面发射激光器阵列主体包括两个以上激光出射窗口，垂直于激光出射方向，交替并排设置有三个以上第二高对比度光栅，任意两相邻所述第二高对比度光栅之间设置有第一高对比度光栅，所述第一高对比度光栅与所述激光出射窗口一一对应设置，且各所述第一高对比度光栅完全覆盖对应的所述激光出射窗口，所述第二高对比度光栅位于两相邻所述激光出射窗口之间，所述第二高对比度光栅的反射光相位大于所述第一高对比度光栅的反射光相位。
作为可实现方式，所述第二高对比度光栅的宽度大于等于其四个光栅周期，且满足以下关系式：
W=m*λ/2；
其中，W为所述第二高对比度光栅的宽度，m为奇数，λ为所述第一高对比度光栅所覆盖区域向所述第二高对比度光栅所覆盖区域泄露的激光的横向波的波长。
作为可实现方式，所述垂直腔面发射激光器阵列主体包括层叠设置的第一反射器层、有源层、第二反射器层及间隔层；
所述第一高对比度光栅及所述第二高对比度光栅设置有所述间隔层上；
所述第二反射器层与所述第一高对比度光栅共计提供98%以上的反射率；
所述第二反射器层与所述第二高对比度光栅共计提供80%以上的反射率。
作为可实现方式，所述第一反射器层与所述有源层之间，和/或，所述有源层与所述第二反射器层之间设置有电流局限层，所述电流局限层具有界定激光出射窗口的非氧化区，以及围绕所述非氧化区的氧化区。
作为可实现方式，所述第一反射器层与所述有源层之间，和/或，所述有源层与所述第二反射器层之间设置有电流局限层，所述电流局限层具有界定激光出射窗口的非质子/离子注入区，以及围绕所述非质子/离子注入区的质子/离子注入区。
上述方案，通过设置反射光相位不同的第一高对比度光栅和第二高对比度光栅，且第二高对比度光栅的反射光相位大于第一高对比度光栅的反射光相位，使得第一高对比度光栅所覆盖区域内的部分光场会向第二高对比度光栅所覆盖区域横向传播，即第二高对比度光栅起到了耦合的作用，使与其相邻的两个发光区域或激光出射窗口连接起来，从而发出相干光。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明第一实施例提供的基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器的示意图；
图2为本发明第二实施例提供的基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器阵列的示意图；
图3为本发明第三实施例提供的基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器阵列的示意图；
图4为本发明第四实施例提供的第一高对比度光栅与第二高对比度光栅的排布示意图；
图5为本发明第五实施例提供的第一高对比度光栅与第二高对比度光栅的排布示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的界定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请（图示仅为示意图，图中大小和比例关系并不代表实际的大小和比例关系）。
如图1所示，本发明提供一种基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器，包括：
垂直腔面发射激光器主体，所述垂直腔面发射激光器主体包括至少一个激光出射窗口8，图1中仅示例性的示出了一个激光出射窗口8，当然，在其他示例中，还可以设置多个激光出射窗口8，形成激光出射窗口8阵列，多个激光出射窗口8的排布方式可以是规律的，也可以是随机的。各所述激光出射窗口8的范围内，垂直于激光出射方向，间隔并排设置有三个以上第二高对比度光栅15，任意两相邻所述第二高对比度光栅14之间设置有第一高对比度光栅14，也就是说在同一个激光出射窗口8的范围内，顺次交替设置第一高对比度光栅14和第二高对比度光栅15，图1中仅示例性的示出了交替设置了三个第二高对比度光栅15和两个第一高对比度光栅14，即任意第一高对比度光栅14的两侧均分别设置有第二高对比度光栅15。在其他示例中，根据实际需要可以交替设置其它数量的第一高对比度光栅14和第二高对比度光栅15。所述第二高对比度光栅15的反射光相位大于所述第一高对比度光栅14的反射光相位。
各所述第一高对比度光栅14的参数（例如但不限于周期、反射率等）可以相同，也可以不同，各所述第二高对比度光栅15参数可以相同，也可以不同。
上述方案，通过设置反射光相位不同的第一高对比度光栅14和第二高对比度光栅15，且第二高对比度光栅15的反射光相位大于第一高对比度光栅14的反射光相位，使得第一高对比度光栅14所覆盖区域内的部分光场会向第二高对比度光栅15所覆盖区域横向传播，即第二高对比度光栅15起到了耦合的作用，使与其相邻的两个发光区域连接起来，从而发出相干光。能极大降低该基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器的远场发散角，最小可以接近衍射极限，具有极高的发光亮度。
作为可实现方式，所述第二高对比度光栅15的宽度大于等于其四个光栅周期，也即至少具有四个光栅条，图1中仅示例性的示出了第二高对比度光栅15具有四个光栅条，且第二高对比度光栅15还需要满足以下关系式：
W=m*λ/2；
其中，W为所述第二高对比度光栅15的宽度，m为奇数，λ为所述第一高对比度光栅14所覆盖区域向所述第二高对比度光栅15所覆盖区域泄露的激光的横向波的波长。其中，λ由第一高对比度光栅14的尺寸大小、第一高对比度光栅14和第二高对比度光栅15的反射光相位差、激光波长、激光器结构及其各层材料的平均折射率等参数决定。
这里所指的第二高对比度光栅15的宽度是光栅条并排设置方向上的尺寸。
作为可实现方式，所述垂直腔面发射激光器主体包括层叠设置的第一反射器层3、有源层4、第二反射器层6及间隔层9；
所述第一高对比度光栅14及所述第二高对比度光栅15设置有所述间隔层9上；
所述第二反射器层6与所述第一高对比度光栅14共计提供98%以上的反射率；其决定了该基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器的阈值增益、激射波长、偏振性、发光效率等重要参数。
所述第二反射器层6与所述第二高对比度光栅15共计提供80%以上的反射率。
第一反射器层3与第二反射器层6均可以为DBR。
作为可实现方式，所述第一反射器层3与所述有源层4之间，和/或，所述有源层4与所述第二反射器层6之间设置有电流局限层（也可称为氧化层5），所述电流局限层具有界定激光出射窗口8的非氧化区，以及围绕所述非氧化区的氧化区。电流可以流经非氧化区，而氧化区处于绝缘状态。
作为可实现方式，所述第一反射器层3与所述有源层4之间，和/或，所述有源层4与所述第二反射器层6之间设置有电流局限层，所述电流局限层具有界定激光出射窗口8的非质子/离子注入区，以及围绕所述非质子/离子注入区的质子/离子注入区。通过质子注入或离子注入的方式，将激光出射窗口8之外的区域形成绝缘的质子/离子注入区，而非质子/离子注入区是导电的区域，电流可以流经非质子/离子注入区。
具体地，基于图1给出的示例性结构，该基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器，包括层叠设置的N型电极1、N型电极接触层2、第一反射器层3（此示例中第一反射器层3为N型反射器层）、有源层4、氧化层5、第二反射器层6（此示例中第二反射器层6为P型反射器层）间隔层9、光栅层10和P型电极11。间隔层9具有氧化区域12（间隔区域）和非氧化区域（非间隔区域），光栅层10对应于氧化区域12的位置设置有光栅槽13，光栅槽13自光栅层10背离间隔层9一侧，延伸至间隔层9的内部，通过控制光栅槽13的宽度和/或距离,以形成顺次交替排布的第一高对比度光栅14及第二高对比度光栅15，且第二高对比度光栅15的反射光相位大于第一高对比度光栅14的反射光相位。为了对电流进行局限，以提高该基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器的出光效率，在有源层4的至少一侧或中部形成有氧化层5，在该示例中，氧化层5设置在有源层4的顶面，氧化层5包括氧化区域7和未氧化区域，氧化区域7环绕未氧化区域，未氧化区域用于界定激光出射窗口8。该高对比度光栅垂直腔面发射激光器设置多个发光区域，即多个激光出射窗口8的情况下，通过设置氧化层5使得各发光区所流经的电流均匀，因此发光区的亮度一致性高，提高了该基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器的品质。
第二方面，如图2所示，本发明提供一种基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器阵列，包括：
垂直腔面发射激光器阵列主体，所述垂直腔面发射激光器阵列主体包括两个以上激光出射窗口8，其中，图2中仅示例性的显示了两个激光出射窗口8，垂直于激光出射方向，交替并排设置有三个以上第二高对比度光栅15，任意两相邻所述第二高对比度光栅15之间设置有第一高对比度光栅14，所述第一高对比度光栅14与所述激光出射窗口8一一对应设置，且各所述第一高对比度光栅14完全覆盖对应的所述激光出射窗口8，所述第二高对比度光栅15位于两相邻所述激光出射窗口8之间，图2中仅示例性的示出了交替设置了三个第二高对比度光栅15和两个第一高对比度光栅14，即任意第一高对比度光栅14的两侧均分别设置有第二高对比度光栅15。在其他示例中，根据实际需要可以交替设置其它数量的第一高对比度光栅14和第二高对比度光栅15。所述第二高对比度光栅15的反射光相位大于所述第一高对比度光栅14的反射光相位。
该示例与上述示例的主要区别是，激光出射窗口8范围内只设置第一高对比度光栅14，而第二高对比度光栅15位于两相邻所述激光出射窗口8之间。
上述方案，通过设置反射光相位不同的第一高对比度光栅14和第二高对比度光栅15，且第二高对比度光栅15的反射光相位大于第一高对比度光栅14的反射光相位，使得第一高对比度光栅14所覆盖区域内的部分光场会向第二高对比度光栅15所覆盖区域横向传播，即第二高对比度光栅15起到了耦合的作用，使与其相邻的两个激光出射窗口8连接起来，从而发出相干光。能极大降低该基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器阵列的远场发散角，最小可以接近衍射极限，具有极高的发光亮度。
作为可实现方式，所述第二高对比度光栅15的宽度大于等于其四个光栅周期，且满足以下关系式：
W=m*λ/2；
其中，W为所述第二高对比度光栅15的宽度，m为奇数，λ为所述第一高对比度光栅14所覆盖区域向所述第二高对比度光栅15所覆盖区域泄露的激光的横向波的波长。
作为可实现方式，所述垂直腔面发射激光器主体包括层叠设置的第一反射器层3、有源层4、第二反射器层6及间隔层9；
所述第一高对比度光栅14及所述第二高对比度光栅15设置有所述间隔层9上；
所述第二反射器层6与所述第一高对比度光栅14共计提供98%以上的反射率；
所述第二反射器层6与所述第二高对比度光栅15共计提供80%以上的反射率。
作为可实现方式，所述第一反射器层3与所述有源层4之间，和/或，所述有源层4与所述第二反射器层6之间设置有电流局限层，所述电流局限层具有界定激光出射窗口8的非氧化区8，以及围绕所述非氧化区8的氧化区7。
作为可实现方式，所述第一反射器层3与所述有源层4之间，和/或，所述有源层4与所述第二反射器层6之间设置有电流局限层，所述电流局限层具有界定激光出射窗口8的非质子/离子注入区，以及围绕所述非质子/离子注入区的质子/离子注入区。
具体地，基于图2给出的示例性结构，该基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器阵列，包括层叠设置的N型电极1、N型电极接触层2、第一反射器层3（此示例中第一反射器层3为N型反射器层）、有源层4、氧化层5、第二反射器层6（此示例中第二反射器层6为P型反射器层）间隔层9、光栅层10和P型电极11。间隔层9具有氧化区域（间隔区域）和非氧化区域（非间隔区域），光栅层10对应于氧化区域的位置设置有光栅槽，光栅槽自光栅层10背离间隔层9一侧，延伸至间隔层9的内部，通过控制光栅槽的宽度和/或距离,以形成顺次交替排布的第一高对比度光栅14及第二高对比度光栅15，且第一高对比度光栅14与激光出射窗口8一一对应设置，各第一高对比度光栅14完全覆盖对应的激光出射窗口8，第二高对比度光栅15位于两相邻激光出射窗口8之间，另外第二高对比度光栅15的反射光相位大于第一高对比度光栅14的反射光相位。为了对电流进行局限并形成激光器阵列，以提高该基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器阵列的出光效率，在有源层4的至少一侧或中部形成有氧化层5，在该示例中，氧化层5设置在有源层4的顶面，氧化层5包括氧化区域7和两个未氧化区域，氧化区域7环绕未氧化区域，各未氧化区域用于界定一个激光出射窗口8，当然，根据实际需要，还可以设置其它数量的未氧化区域，以以界定更多的激光出射窗口8，激光出射窗口8可以规律排布，也可以随机排布。通过设置氧化层5使得各发光区所流经的电流均匀，因此发光区的亮度一致性高，提高了该基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器阵列的品质。
另参见图3，其与图2示例的主要区别在于，通过离子或质子注入的方式，在电流局限层上形成用于界定激光出射窗口8的非质子/离子注入区，以及围绕所述非质子/离子注入区的质子/离子注入区16。
上述图2、图3的示例中，光栅层10均是采用了交替设置的两个第一高对比度光栅14和三个第二高对比度光栅15。当然，根据实际需要，还可以如图4、图5所示，光栅层10还可以交替设置更多数量的第一高对比度光栅14和第二高对比度光栅15。
需要理解的是，上文如有涉及术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，界定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.一种基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
垂直腔面发射激光器主体，所述垂直腔面发射激光器主体包括至少一个激光出射窗口，各所述激光出射窗口的范围内，垂直于激光出射方向，间隔并排设置有三个以上第二高对比度光栅，任意两相邻所述第二高对比度光栅之间设置有第一高对比度光栅，所述第二高对比度光栅的反射光相位大于所述第一高对比度光栅的反射光相位；
所述第二高对比度光栅的宽度大于等于其四个光栅周期，且满足以下关系式：
W=m*λ/2；
其中，W为所述第二高对比度光栅的宽度，m为奇数，λ为所述第一高对比度光栅所覆盖区域向所述第二高对比度光栅所覆盖区域泄露的激光的横向波的波长。
2.根据权利要求1所述的基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述垂直腔面发射激光器主体包括层叠设置的第一反射器层、有源层、第二反射器层及间隔层；
所述第一高对比度光栅及所述第二高对比度光栅设置有所述间隔层上；
所述第二反射器层与所述第一高对比度光栅共计提供98%以上的反射率；
所述第二反射器层与所述第二高对比度光栅共计提供80%以上的反射率。
3.根据权利要求2所述的基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一反射器层与所述有源层之间，和/或，所述有源层与所述第二反射器层之间设置有电流局限层，所述电流局限层具有界定激光出射窗口的非氧化区，以及围绕所述非氧化区的氧化区。
4.根据权利要求2所述的基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一反射器层与所述有源层之间，和/或，所述有源层与所述第二反射器层之间设置有电流局限层，所述电流局限层具有界定激光出射窗口的非质子/离子注入区，以及围绕所述非质子/离子注入区的质子/离子注入区。
5.一种基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，包括：
垂直腔面发射激光器阵列主体，所述垂直腔面发射激光器阵列主体包括两个以上激光出射窗口，垂直于激光出射方向，交替并排设置有三个以上第二高对比度光栅，任意两相邻所述第二高对比度光栅之间设置有第一高对比度光栅，所述第一高对比度光栅与所述激光出射窗口一一对应设置，且各所述第一高对比度光栅完全覆盖对应的所述激光出射窗口，所述第二高对比度光栅位于两相邻所述激光出射窗口之间，所述第二高对比度光栅的反射光相位大于所述第一高对比度光栅的反射光相位；
所述第二高对比度光栅的宽度大于等于其四个光栅周期，且满足以下关系式：
W=m*λ/2；
其中，W为所述第二高对比度光栅的宽度，m为奇数，λ为所述第一高对比度光栅所覆盖区域向所述第二高对比度光栅所覆盖区域泄露的激光的横向波的波长。
6.根据权利要求5所述的基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，
所述垂直腔面发射激光器阵列主体包括层叠设置的第一反射器层、有源层、第二反射器层及间隔层；
所述第一高对比度光栅及所述第二高对比度光栅设置有所述间隔层上；
所述第二反射器层与所述第一高对比度光栅共计提供98%以上的反射率；
所述第二反射器层与所述第二高对比度光栅共计提供80%以上的反射率。
7.根据权利要求6所述的基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，所述第一反射器层与所述有源层之间，和/或，所述有源层与所述第二反射器层之间设置有电流局限层，所述电流局限层具有界定激光出射窗口的非氧化区，以及围绕所述非氧化区的氧化区。
8.根据权利要求6所述的基于高对比度光栅的相干光垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，所述第一反射器层与所述有源层之间，和/或，所述有源层与所述第二反射器层之间设置有电流局限层，所述电流局限层具有界定激光出射窗口的非质子/离子注入区，以及围绕所述非质子/离子注入区的质子/离子注入区。
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