CN113451884A - 一种垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，包括激光器谐振腔结构；激光器谐振腔结构包括叠层设置的激光腔、衬底和外腔谐振腔；沿激光光束的出射方向，垂直腔面发射激光器的有效腔长包括激光腔的厚度、衬底的厚度和外腔谐振腔的厚度；激光光束的出射方向与衬底指向外腔谐振腔的方向平行。解决了现有技术中垂直腔面发射激光器的腔长较短，光谱线宽较大，影响激光器的器件性能和稳定性，难以满足垂直腔面发射激光器的窄线宽应用要求的技术问题。

Description

一种垂直腔面发射激光器及其制备方法
技术领域
本发明实施例涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种垂直腔面发射激光器及其制备方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL，又译垂直共振腔面射型激光)是一种半导体，其出射激光垂直于顶面射出。传统的VCSEL由于腔长范围较短，通常在1.5微米左右，其光谱线宽(Full Width at Half Maxima，简称FWHM)较大，即FWHM>100MHz，影响激光器的器件性能和稳定性，难以满足垂直腔面发射激光器的窄线宽应用要求。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，解决了现有技术中垂直腔面发射激光器的腔长较短，光谱线宽较大，影响激光器的器件性能和稳定性，难以满足垂直腔面发射激光器的窄线宽应用要求的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种垂直腔面发射激光器，包括激光器谐振腔结构；
所述激光器谐振腔结构包括叠层设置的激光腔、衬底和外腔谐振腔；
沿激光光束的出射方向，所述垂直腔面发射激光器的有效腔长包括所述激光腔的厚度、所述衬底的厚度和所述外腔谐振腔的厚度；所述激光光束的出射方向与所述衬底指向所述外腔谐振腔的方向平行。
可选的，沿所述激光光束的出射方向，所述衬底与所述外腔谐振腔的接触面为曲面，所述外腔谐振腔的腔面为曲面。
可选的，沿所述激光光束的出射方向，所述衬底与所述外腔谐振腔的接触面为平面，所述外腔谐振腔的腔面为平面。
可选的，所述外腔谐振腔包括至少两层反射膜，相邻两层所述反射膜的折射率不同；
所述反射膜用于对满足所述垂直腔面发射激光器的工作波长的激光光束进行反射。
可选的，所述垂直腔面发射激光器的光谱线宽为FWHM，FWHM＜10MHz。
可选的，所述衬底的厚度为L1，80μm≤L1≤300μm；所述有效腔长为L’，100μm≤L’≤300μm。
可选的，所述外腔谐振腔的材料包括GaP、GaAs、AlGaAs、InGaAs,、InGaAsP、AlGaInAs、GaN、AlSb、AlN、AlGaN、AlAs、InP、GaSb、InAs、InSb、HgTe、HgSe、ZnTe、CdS、ZnSe、ZnS、ZnO、Ga2O3、III-V半导体材料和II-VI半导体材料中的至少一种；
所述外腔谐振腔的材料包括SiN、SiO2、SiOxN1-x、TiO2、TaO和HfO2材料中的至少一种。
可选的，沿所述激光光束的出射方向，所述激光腔包括顶部布拉格反射器谐振腔、有源区和底部布拉格反射器谐振腔；
所述有源区用于产生所述激光光束。
可选的，所述垂直腔面发射激光器还包括第一驱动电极、第二驱动电极和钝化层；
所述第一驱动电极和所述第二驱动电极用于对所述有源区提供驱动电流；所述钝化层用于隔离所述第一驱动电极和所述第二驱动电极。
第二方面，本发明实施例提供了一种垂直腔面发射激光器的制备方法，用于制备第一方面提供的垂直腔面发射激光器，包括制备激光器谐振腔结构；
制备激光器谐振腔结构，包括：
提供衬底，在所述衬底的一侧制备激光腔；
在所述衬底远离所述激光腔的一侧制备外腔谐振腔；沿激光光束的出射方向，所述垂直腔面发射激光器的有效腔长包括所述激光腔的厚度、所述衬底的厚度和所述外腔谐振腔的厚度；所述激光光束的出射方向与所述衬底指向所述外腔谐振腔平行。
本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器，与传统的VCSEL的激光器谐振腔结构不同，本发明通过在衬底远离激光腔的一侧设置外腔谐振腔，使得激光器谐振腔结构包括叠层设置的激光腔、衬底和外腔谐振腔，沿激光光束的出射方向，垂直腔面发射激光器的有效腔长包括所述激光腔的厚度、衬底的厚度和外腔谐振腔的厚度，起到增加VCSEL的有效腔长，减少VCSEL光谱线宽的作用，显著提升VCSEL的器件性能和可靠性，扩展了VCSEL的应用范围。
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，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种垂直腔面发射激光器的剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。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获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。
实施例
本发明实施例提供一种垂直腔面发射激光器。图1为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的剖面结构示意图。如图1所示，垂直腔面发射激光器包括激光器谐振腔结构1；激光器谐振腔结构1包括叠层设置的激光腔11、衬底12和外腔谐振腔13；沿激光光束的出射方向(如图1中S方向所示)，垂直腔面发射激光器的有效腔长L’包括激光腔的厚度L2、衬底的厚度L1和外腔谐振腔的厚度L3；激光光束的出射方向与衬底12指向外腔谐振腔13的方向平行。
示例性的，激光器的谱线线宽由Schawlow-Townes公式决定，Schawlow-Townesr如下：
Figure BDA0003139489960000041
Figure BDA0003139489960000042
其中，ΔvST是激光器的光谱线宽，α是线宽展宽因子，h为普朗克常量，v为光的频率，P0是输出光功率，ηp是粒子数反转因子，η0是光输出耦合效率，Δν冷是激光器冷腔的线宽，ng是光波的群速度，τ是光在谐振腔中往返一次的能量损耗百分比，c是真空光速，L是激光器谐振腔的腔长。
结合公式(1)和(2)，激光器的光谱线宽ΔvST与激光器谐振腔的腔长L成反比，当增加腔长，可以减小激光器的线宽。基于上述的分析，结合图1所示，本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器包括激光器谐振腔结构1，激光器谐振腔结构1包括叠层设置的激光腔11、衬底12和外腔谐振腔13。激光腔11用于产生激光光束，通过在衬底12的一侧增设外腔谐振腔13，在激光光束的出射方向上(如图1中S方向所示)，使得垂直腔面发射激光器的有效腔长L’包括激光腔的厚度L2、衬底的厚度L1和外腔谐振腔的厚度L3，即L’＝L1+L2+L3。采用该结构，在满足激光振荡的条件下，激光光束可以在激光腔11、衬底12和外腔谐振腔13形成的激光器谐振腔结构1内激励放大，增加了VCSEL的有效腔长，减小了VCSEL光谱线宽。
综上，本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器，与传统的VCSEL的激光器谐振腔结构不同，本发明通过在衬底远离激光腔的一侧设置外腔谐振腔，使得激光器谐振腔结构包括叠层设置的激光腔、衬底和外腔谐振腔，沿激光光束的出射方向，垂直腔面发射激光器的有效腔长包括激光腔的厚度、衬底的厚度和外腔谐振腔的厚度，起到增加有效腔长，减少VCSEL光谱线宽的作用，显著提升了VCSEL的器件性能和可靠性，扩展了VCSEL的应用范围。
可选的，如图1所示，沿激光光束的出射方向，衬底12与外腔谐振腔13的接触面为曲面，外腔谐振腔13的腔面为曲面。
示例性的，如图1所示，沿激光光束的出射方向(如图中S方向所示)，设置衬底12与外腔谐振腔13的接触面为曲面，外腔谐振腔13的腔面为曲面，例如，衬底12和外腔谐振腔13形成微透镜结构，如图中虚线部分所示。采用曲面结构，可以减小光束的发散角，起到聚焦激光光束的作用。在满足VCSEL激光振荡的条件下，可有效聚焦出射光束，提高激光光束的出光效率；同时，采用谐振腔内部聚焦激光光束的方式，可以减少外部激光聚焦光学器件的数量，例如，减少在激光出射端设置准直聚焦透镜的数量，从而达到降低VCSEL的生产成本的目的。
可选的，图2为本发明实施例提供的另一种垂直腔面发射激光器的剖面结构示意图。如图2所示，沿激光光束的出射方向，衬底12与外腔谐振腔13的接触面为平面，外腔谐振腔13的腔面为平面(如图2中虚框中所示)。
示例性的，如图2所示，沿激光光束的出射方向(如图2中S方向)，设置衬底12与外腔谐振腔13的接触面为平面，外腔谐振腔13腔面为平面，在满足垂直腔面发射激光器激光振荡的条件下，可有效降低激光器谐振腔结构1的制备工艺，提高VCSEL的生产效率，降低生产成本。
在上述实施例的基础上，结合图1和图2所示，外腔谐振腔13包括至少两层反射膜，相邻两层反射膜的折射率不同；反射膜用于对满足垂直腔面发射激光器的工作波长的激光光束进行反射。
示例性的，外腔谐振腔13包括分布式布拉格反射器(Distributed BraggReflector，DBR)，设置外腔谐振腔13包括至少两层反射膜，利用膜层的反射率大小与折射率大小相关，设置相邻两层反射膜的折射率不同。例如，叠层设置30-50对折射率不同的膜层，不同折射率的膜层交互周期性的堆叠在一起，当激光光束经过这些不同折射率的膜层时，由于各膜层反射的光因相位角的改变发生干涉叠加，得到强烈反射光，从而有效提高VCSEL的出光效率。
可选的，外腔谐振腔的材料包括GaP、GaAs、AlGaAs、InGaAs,、InGaAsP、AlGaInAs、GaN、AlSb、AlN、AlGaN、AlAs、InP、GaSb、InAs、InSb、HgTe、HgSe、ZnTe、CdS、ZnSe、ZnS、ZnO、Ga2O3、III-V半导体材料和II-VI半导体材料中的至少一种；外腔谐振腔的材料包括SiN、SiO2、SiOxN1-x、TiO2、TaO和HfO2材料中的至少一种。通过选择外腔谐振腔的材料，合理设置各个膜层的折射率，满足VCSEL的出射光束的出光效率。
在上述实施例的基础上，结合图1和图2所示，可选的，衬底12的厚度为L1，80≤L1≤300μm；有效腔长为L’，100≤L’≤300μm。
示例性的，通过合理设置衬底12的材料和厚度，在提高衬底12的透过率的情况下，可以增加VCSEL的有效腔长L’。其中，衬底11的材料包括GaP、GaAs、AlGaAs、InGaAs、InGaAsP、AlGaInAs、GaN、AlSb、AlN、AlGaN、AlAs、InP、GaSb、InAs、InSb、HgTe、HgSe、ZnTe、CdS、ZnSe、ZnS、ZnO、Ga2O3、III-V半导体材料和II-VI半导体材料中的任意一种或两种以上的组合。衬底12的厚度为L1，VCSEL的有效腔长为L’，例如，80μm≤L1≤300μm，100μm≤L’≤300μm。结合Schawlow-Townes公式，相比现有技术中，有效腔长L’增加，可有效减小VCSEL的光谱线宽，优化VCSEL的窄线宽特性。
可选的，垂直腔面发射激光器的光谱线宽为FWHM，FWHM＜10MHz。
示例性的，垂直腔面发射激光器的光谱线宽为FWHM，即吸收谱带高度最大处高度为一半(有时也取1/e)时谱带的全宽，也即峰值高度一半时的透射峰宽度。本实施例通过增加有效腔长，使得FWHM减少到10MHz以下，满足多种窄线宽光源的应用，例如，可作为原子钟中的激光源、相干光通信中的光源等。
在上述实施例的基础上，结合图1和图2所示，可选的，沿激光光束的出射方向(如图中S方向所示)，激光腔11包括顶部布拉格反射器谐振腔(P-DBR)111、有源区(MQW)112和底部布拉格反射器谐振腔(n-DBR)113；有源区(MQW)112用于产生激光光束。
示例性的，结合图1和图2所示，沿激光光束的出射方向(如图中S方向所示)，激光腔11包括顶部布拉格反射器谐振腔(P-DBR)111、有源区(MQW)112和底部布拉格反射器谐振腔(n-DBR)113。有源区112用于产生激光光束，为了进一步提高VCSEL的激射效率，可以采用多量子阱(Multiple Quantum Well，MQW)结构。有源区112的材料包括GaP、GaAs、AlGaAs、InGaAs、InGaAsP、AlGaInAs、GaN、AlSb、AlN、AlGaN、AlAs、InP、GaSb、InAs、InSb、HgTe、HgSe、ZnTe、CdS、ZnSe、ZnS、ZnO、Ga2O3、III-V和II-VI材料中的至少一种。顶部分布布拉格反射器(p-DBR)111和底部分布布拉格反射器(n-DBR)113的材料包括GaP、GaAs、AlGaAs、InGaAs、InGaAsP、AlGaInAs、GaN、AlSb、AlN、AlGaN、AlAs、InP、GaSb、InAs、InSb、HgTe、HgSe、ZnTe、CdS、ZnSe、ZnS、ZnO、Ga2O3、III-V和II-VI材料中的至少一种。通过合理选择顶部布拉格反射器谐振腔(P-DBR)111、有源区(MQW)112和底部布拉格反射器谐振腔(n-DBR)113的材料，可以有效提高VCSEL的激射效率和出光效率。
在上述实施例的基础上，结合图1和图2所示，可选的，垂直腔面发射激光器还包括第一驱动电极14、第二驱动电极15和钝化层16；第一驱动电极14和第二驱动电极15用于对有源区(MQW)112提供驱动电流；钝化层16用于隔离第一驱动电极14和第二驱动电极15。
示例性的，第一驱动电极14和第二驱动电极15的材料可以包括Ni、Ti、Pd、Pt、Au、Al、Cr、TiN、ITO、AuGe、AuGeNi和IGZO中的任意一种或两种以上的组合。通过第一驱动电极14和第二驱动电极15向有源区(MQW)112提供驱动电流，激发有源区(MQW)112产生激光光束。为了避免发生短路，设置钝化层16隔离第一驱动电极14和第二驱动电极15之间设置。
可选的，垂直腔面发射激光器还包括N型欧姆接触层17和P型欧姆接触层18。示例性的，结合图1和图2所示，在激光器谐振腔结构1的有效发光区内，N型欧姆接触层17分别与衬底12和底部布拉格反射器谐振腔(n-DBR)113接触，P型欧姆接触层分别与第一驱动电极14和顶部布拉格反射器谐振腔(p-DBR)111接触，N型欧姆接触层17和P型欧姆接触层18可以促进驱动电流的输入和输出，提高驱动电流注入效率，从而提高VCSEL的激射效率。需要说明的是，根据激光腔11的结构，N型欧姆接触层17和P型欧姆接触层18的位置也可以互换，这里不做限制。
基于同一个发明构思，本发明实施例还提供了一种垂直腔面发射激光器的制备方法，用于制备权利上述实施例提供的垂直腔面发射激光器，制备方法包括制备激光器谐振腔结构；
制备激光器谐振腔结构，包括：
提供衬底，在衬底的一侧制备激光腔；
在衬底远离激光腔的一侧制备外腔谐振腔；沿激光光束的出射方向，垂直腔面发射激光器的有效腔长包括激光腔的厚度、衬底的厚度和外腔谐振腔的厚度；激光光束的出射方向与衬底指向外腔谐振腔平行。
示例性的，提供衬底材料，例如，选择GaAs材料作为衬底材料，在现有技术基础上，在衬底一侧采用一次外延生产的方式，制备激光腔；对衬底远离激光腔的一侧进行减薄抛光干燥处理后，采用二次外延生长的方式制备外腔谐振腔。通过合理设计激光腔的厚度、衬底的厚度和外腔谐振腔的厚度在激光光束的出射方向的厚度，可有效增加VCSEL的有效腔长，达到减少激光光谱线宽的目的。
综上，采用本发明实施例提供的制备方法制备垂直腔面发射激光器，得到VCSEL的有效腔长较大，光谱线宽较窄，显著提升半导体激光器的器件性能和可靠性，可作为原子钟中的激光源、相干光通信中的光源等。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，本发明的各个实施方式的特征可以部分地或者全部地彼此耦合或组合，并且可以以各种方式彼此协作并在技术上被驱动。对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括激光器谐振腔结构；
所述激光器谐振腔结构包括叠层设置的激光腔、衬底和外腔谐振腔；
沿激光光束的出射方向，所述垂直腔面发射激光器的有效腔长包括所述激光腔的厚度、所述衬底的厚度和所述外腔谐振腔的厚度；所述激光光束的出射方向与所述衬底指向所述外腔谐振腔的方向平行。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，沿所述激光光束的出射方向，所述衬底与所述外腔谐振腔的接触面为曲面，所述外腔谐振腔的腔面为曲面。
3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，沿所述激光光束的出射方向，所述衬底与所述外腔谐振腔的接触面为平面，所述外腔谐振腔的腔面为平面。
4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述外腔谐振腔包括至少两层反射膜，相邻两层所述反射膜的折射率不同；
所述反射膜用于对满足所述垂直腔面发射激光器的工作波长的激光光束进行反射。
5.根据权利要求1所述的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的光谱线宽为FWHM，FWHM＜10MHz。
6.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述衬底的厚度为L1，80μm≤L1≤300μm；所述有效腔长为L’，100μm≤L’≤300μm。
7.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述外腔谐振腔的材料包括GaP、GaAs、AlGaAs、InGaAs,、InGaAsP、AlGaInAs、GaN、AlSb、AlN、AlGaN、AlAs、InP、GaSb、InAs、InSb、HgTe、HgSe、ZnTe、CdS、ZnSe、ZnS、ZnO、Ga2O3、III-V半导体材料和II-VI半导体材料中的至少一种；
所述外腔谐振腔的材料包括SiN、SiO2、SiOxN1-x、TiO2、TaO和HfO2材料中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，沿所述激光光束的出射方向，所述激光腔包括顶部布拉格反射器谐振腔、有源区和底部布拉格反射器谐振腔；
所述有源区用于产生所述激光光束。
9.根据权利要求8所述的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还包括第一驱动电极、第二驱动电极和钝化层；
所述第一驱动电极和所述第二驱动电极用于对所述有源区提供驱动电流；所述钝化层用于隔离所述第一驱动电极和所述第二驱动电极。
10.一种垂直腔面发射激光器的制备方法，用于制备权利要求1-9任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
制备激光器谐振腔结构；
制备激光器谐振腔结构，包括：
提供衬底，在所述衬底的一侧制备激光腔；
在所述衬底远离所述激光腔的一侧制备外腔谐振腔；沿激光光束的出射方向，所述垂直腔面发射激光器的有效腔长包括所述激光腔的厚度、所述衬底的厚度和所述外腔谐振腔的厚度；所述激光光束的出射方向与所述衬底指向所述外腔谐振腔平行。
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