CN114006261B - 一种具有圆形光斑的垂直腔面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有圆形光斑的垂直腔面发射激光器，包括水平谐振腔激光器单元，该水平谐振腔激光器单元在其表面刻蚀有双沟槽结构，双沟槽结构之间形成脊形台，双沟槽结构下方形成平板层；水平谐振腔激光器单元在其激光发射方向的端部倾斜刻蚀有一反射镜单元，该反射镜单元的刻蚀角度θ为45°，刻蚀深度由水平谐振腔激光器单元的表面开始，并至少往下延伸至所述平板层底部；脊形台在靠近反射镜单元的一端设有呈扩张状的喇叭段。本发明的反射镜单元能够将水平边发射光束有效转变为垂直面发射光束，从而有利于实现圆形光斑单模高功率垂直面发射，克服了现有技术为实现单模高功率而将氧化孔径缩小所带来的各种问题。

Description

一种具有圆形光斑的垂直腔面发射激光器
技术领域
本发明涉及半导体光电子技术领域，特别涉及一种具有圆形光斑的垂直腔面发射激光器。
背景技术
垂直腔面发射激光器（VCSEL）由于具有无需解离或蚀刻镜面工艺操作、较低的阈值电流、可获得较高的堆积密度和可多波长单片集成等特点在光通信、光互连、光中性网络和光信号处理方面有着广泛的应用。对于大多数应用来说，垂直腔面发射激光器的单一横向模式是必不可少的，因为它有利于提高与光纤的耦合效率，并消除由于模式竞争造成的噪声和不稳定性。
在激光器谐振腔中，垂直于传播方向上某一横截面上的稳定场分布叫做横模，即横截面上的光强分布。由于激光器的反射面和有源区都不是理想平面以及注入电流的影响，有源区受热发生凸透镜效应，导致腔内与基横模方向略有差异的某些光也能符合多次反射的谐振条件，于是激光器工作在多横模状态。
垂直腔面发射激光器的谐振腔的腔长约为1μm，较短的腔长使得有源区增益带宽中的一个波长满足谐振条件，因此可实现单纵模工作，然而其谐振腔横向尺寸较大，对光场的限制能力较弱，器件很难在基横模状态下工作。通常在氧化限制型垂直腔面发射激光器中，为了提高输出功率，需要扩大氧化孔径来获得更多的电流注入。然而在扩大氧化孔径的同时也相应增加了横向折射率波导的尺寸，产生更多的横向模式，导致激烈的模式竞争。
多横模损害了激光器输出的良好方向性，对聚焦非常不利，缩小器件的横向尺寸来控制器件的横向模式是最常见的实现器件基横模输出的重要方法。在氧化限制型垂直腔面发射激光器中，器件满足基横模条件时，对应的氧化孔直径约为3-5μm，伴随的最高基横模功率4.8mW。这类方法需要将器件的氧化孔直径缩小到3-5μm，制备工艺十分复杂，器件的重复性与良率都存在较大的不可控性。与此同时，较小的氧化孔径会带来大的串联电阻、发热严重、稳定性差等问题。
发明内容
本发明提供一种具有圆形光斑的垂直腔面发射激光器，其主要目的在于解决现有技术存在的问题。
本发明采用如下技术方案：
一种具有圆形光斑的垂直腔面发射激光器，包括水平谐振腔激光器单元，该水平谐振腔激光器单元在其表面刻蚀有双沟槽结构，所述双沟槽结构之间形成脊形台，双沟槽结构下方形成平板层；所述水平谐振腔激光器单元在其激光发射方向的端部倾斜刻蚀有一反射镜单元，该反射镜单元的刻蚀角度θ为45°，刻蚀深度由所述水平谐振腔激光器单元的表面开始，并至少往下延伸至所述平板层底部；所述脊形台在靠近反射镜单元的一端设有呈扩张状的喇叭段。
进一步，所述喇叭段包括依次设置于所述脊形台端部的第二脊形段和第一脊形段；所述第一脊形段和第二脊形段的高度均为H1；所述第一脊形段的长度为L1，并且L1=H1；所述第二脊形段的长度为L2，并且1μm≤L2≤20μm。第一脊形段靠近所述反射镜单元，因此其端部具有一45°的反射面，而由于其长度L1=高度H1，因此第一脊形段整体呈等腰直角三棱柱状。
更进一步，第一脊形段的下脊宽度为W1，第一脊形段的上脊宽度和第二脊形段的下脊宽度均为W2；第二脊形段的上脊宽度为W3，并且W3≤W2=W1。
作为一种设计方案，所述第二脊形段的宽度由其上脊至下脊逐渐增加，并且其两侧壁呈平直斜面状、曲面状或多级台阶面状。
作为另一种设计方案，所述第二脊形段的上脊宽度W3等于其下脊宽度W2，并且第二脊形段整体呈长方体状。
进一步，所述水平谐振腔激光器单元包括由下而上依次设置的n型接触金属层、衬底、缓冲层、n型外波导层、n型下波导层、有源层、p型上波导层和p型接触层；所述有源层由下至上依次为下限制层、量子阱层和上限制层，所述量子阱层的阱层/垒层为GaAs/AlGaAs、InGaAs/AlGaAs、InxGa1-xAsyP1-y/AlGaAs或者不同Ga/Al比例的AlInGaAs；所述n型下波导层和p型上波导层为与衬底晶格相匹配的InxGa1-xAsyP1-y材料，且所述n型下波导层与p型上波导层的带隙波长小于所述有源层的激射波长；所述喇叭段在其P型接触层上表面开窗镀增透膜。
具体地，之所以设定n型下波导层与p型上波导层的带隙波长小于有源层的激射波长，是基于带隙波长短的半导体材料不会对大于该材料带隙波长的波产生吸收这一原理，由此确保n型下波导层与p型上波导层不会对激射波长产生光吸收，而且可以起到很好的载流子限制及光波导作用。本发明提供两种具体可行的设计方案：其一，所述有源层的激射波长为980nm，所述n型下波导层与p型上波导层的带隙波长最高为810nm；其二，所述有源层的激射波长为980nm，所述n型下波导层与p型上波导层的带隙波长最高为870nm。
作为一种设计方案，所述双沟槽结构刻蚀至所述有源层以下，并且所述量子阱层至n型下波导层之间形成水平谐振腔激光器单元的肋区；肋区的参数关系为：T/H=0.2-0.35；T/W=0.4-0.7；T/L=0.01-0.15，其中：T为平板层厚度，H为肋区高度，W为脊层宽度，L为平板层宽度。
作为另一种设计方案，所述双沟槽结构未刻蚀至所述有源层，并且所述p型上波导层至n型下波导层之间形成水平谐振腔激光器单元的肋区；肋区的参数关系为：S/H=0.1-0.2；S/W=0.1-0.3；S/L=0.01-0.1，其中：S为所述量子阱层顶部与所述p型上波导层底部之间的距离，H为肋区高度，W为脊层宽度，L为平板层宽度。
为了更准确地理解肋区的相关参数，此处对肋区概念进行解释说明：肋区由平板层和脊层构成，其中平板层指的是脊形台下方至n型外波导层上方的平板结构，而脊层指的是位于平板层上方的部分脊形台。由此可知，平板层和脊层所包含的外延结构取决于双沟槽结构的刻蚀情况。在实际应用中，可通过改变双沟槽结构的位置及宽度，从而调整肋区的参数，进而确保获得对称圆形远场光斑。
更进一步，所述n型外波导层的折射率为3.0-3.15，所述n型下波导层的折射率为3.2-3.4，所述有源层的折射率为3.2-3.3，所述p型上波导层的折射率为3.0—3.3。
更进一步，所述n型外波导层的厚度为1-5μm；所述n型下波导层厚度为1-10μm，掺杂浓度为1e15-1e18cm-3；所述p型上波导层厚度为0.1μm-6μm，掺杂浓度为1e15-5e18cm-3。在实际应用中，所述n型下波导层和p型上波导层都可根据需求设计为不同厚度或者掺杂浓度的多层结构。
更进一步，所述衬底为n-GaAs衬底，所述n型外波导层为GaInP外波导层；或者所述衬底为n-InP衬底，所述n型外波导层为InP外波导层。
更进一步，还包括光栅层，所述光栅层设置于所述n型下波导层内或p型上波导层内，且光栅层为GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP、GaAs/InxGa1-xAsyP1-y/GaAs或者InxGa1- xAsyP1-y/InP结构。
更进一步，还包括介质层，所述介质层置于所述双沟槽结构的槽内壁及双沟槽结构两侧的P型接触层上方；所述P型接触金属层置于所述的脊形台的P型接触层上方。具体地，所述介质层的材料可以为SiO2、SiNx、Al2O3、半绝缘InP、半绝缘InAlAs、半绝缘GaAs、半绝缘GaInP或以上几种材料的组合；所述双沟槽结构除了内衬有介质层外，也可以用空气、金属、半绝缘材料、半导体材料或以上几种进行组合填充，从而形成二次外延结构。
更进一步，所述水平谐振腔激光器单元的前腔面为离子注入区，可以为整个腔面，也可以为腔面的1/2。
和现有技术相比，本发明产生的有益效果在于：
1、本发明创新性地在具有双沟槽结构的水平谐振腔激光器单元的激光发射方向的端部倾斜刻蚀有一45°的反射镜单元，并在双沟槽结构的脊形台端部设有呈扩张状的喇叭段，由此能够将水平边发射光束有效转变为垂直面发射光束，从而克服现有技术为了实现单模高功率的目的，将氧化孔径缩小所带来的各种问题。基于此，通过调整水平谐振腔激光器单元的各层材料和肋区参数，还能够获得对称圆形远场光斑，从而实现圆形光斑单模高功率垂直面发射。
2、本发明中的上下波导层皆采用InxGa1-xAsyP1-y材料，形成无铝腔面，提高了腔面灾变损伤阈值，并提高了半导体激光器的最高运行功率以及可靠性。并且本发明中的有源层采用AlGaAs或者AlInGaAs材料，可以对载流子进行更好的限制，减少漏电，并提高激光器的特征温度T0。另外，反射镜单元的上表面涂有AR膜，相比于出光面落在含铝有源区的传统结构的激光器，该器件的出光面不含铝，可靠性更好。
3、本发明将谐振腔内部的光场分布耦合到一层较厚的低N型掺杂的高折射率平板结构中，并利用双沟槽脊形波导结构提供较大的有效折射率差，以获得大的模式增益损耗差，从而滤除高阶横模和侧模实现单横模。板状耦合产生的模式滤波使得单模式横截面积较大，这导致大光腔腔面功率密度相对较低，进一步提高了腔面灾变损伤阈值，并获得更高的运行功率。基于此，通过改变沟槽的位置及宽度获得对称圆形远场光斑，更方便耦合至光纤。
附图说明
图1为本发明中实施例一的立体示意图。
图2为本发明中实施例一的水平谐振腔激光器单元的左视图。
图3为本发明中实施例一的水平谐振腔激光器单元的俯视图。
图4为本发明中实施例一的反射镜单元的左视图。
图5为本发明中实施例一的反射镜单元的俯视图。
图6为本发明中实施例一的水平谐振腔激光器单元的结构示意图。
图7为本发明中实施例一的肋区结构示意图。
图8为本发明中实施例一的近场光场示意图。
图9为本发明中实施例一的远场光场示意图。
图10为本发明中实施例二的水平谐振腔激光器单元的结构示意图。
图11为本发明中实施例二的肋区结构示意图。
图12为本发明中实施例二的近场光场示意图。
图13为本发明中实施例二的远场光场示意图。
图14为本发明中实施例三的立体示意图。
图15为本发明中实施例四的立体示意图。
图16为本发明中实施例五的立体示意图。
图中：
100、n型接触金属层；
101、n-GaAs衬底；
102、n-GaAs缓冲层；
103、GaInP外波导层；
104、第一n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层；
105、GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP光栅层；
106、第二n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层；
107、第三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层；
108、有源层；109、p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层；
110、p型接触层；
111、p型接触金属层；
112、介质层；
201、平板层；
202、脊层；
203、肋区；
300、n型接触金属层；
301、n-GaAs衬底；
302、n-GaAs缓冲层；
303、GaInP外波导层；
304、n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层；
305、有源层；
306、第一p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层；
307、第二p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层；
308、第三p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层；
309、p型接触层；
310、p型接触金属层；
311、介质层；
401、平板层；
402、脊层；
403、肋区。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的具体实施方式。为了全面理解本发明，下面描述到许多细节，但对于本领域技术人员来说，无需这些细节也可实现本发明。
实施例一：
如图2所示，本实施例提供一种具有圆形光斑的垂直腔面发射激光器，包括水平谐振腔激光器单元，该水平谐振腔激光器单元包括由下至上依次设置的n型接触金属层100、n-GaAs衬底101、n-GaAs缓冲层102、GaInP外波导层103、第一n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层104、GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP光栅层105、第二n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层106、第三n-InxGa1- xAsyP1-y下波导层107、有源层108、p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层109、p型接触层110和p型接触金属层111。
如图2所示，优选地，GaInP外波导层103的厚度为3200nm，用于对光场实现限制。
如图2所示，优选地，GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP光栅层105由下至上为GaInP层、InxGa1-xAsyP1-y光栅层和GaInP填充层，厚度为40nm，且InxGa1-xAsyP1-y光栅层的带隙波长为780nm。GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP光栅层105用于对激光器纵模进行选择，实现激光器的单纵模输出。
如图2所示，优选地，第一n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层104的带隙波长为780nm，厚度为500nm，掺杂原子为Si且掺杂浓度为1e18cm-3；第二n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层106的带隙波长为810nm，厚度为1000nm，掺杂原子为Si且掺杂浓度为5e17cm-3；第三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层107的带隙波长为810nm，厚度为4000nm，掺杂原子为Si且掺杂浓度为5e16cm-3。第一、二和三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层可以将有源层108的光场拉至下波导层。
如图2所示，优选地，有源层108由下至上为InxGa1-xAsyP1-y下限制层、量子阱层和InxGa1-xAsyP1-y上限制层；量子阱层为厚度为5nm的In0.2Ga0.8As阱层与厚度为6nm的Al0.2Ga0.8As垒层组成的垒/阱/垒/阱/垒/阱/垒结构，激射波长为980nm；量子阱层采用了AlGaAs垒层，可以对载流子进行更好的限制，防止载流子的泄漏，提高了激光器的特征温度T0；InxGa1-xAsyP1-y下限制层与InxGa1-xAsyP1-y上限制层带隙波长为665nm，厚度为20nm，提供了更高的势垒，对载流子进行限制。
如图2所示，优选地，p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层109的带隙波长为652nm，厚度为400nm，掺杂原子为Zn且掺杂浓度为6e17cm-3，如此可将光场有效限制在该波导层之下，从而减小光损耗。
熟知的，带隙波长短的半导体材料不会对大于该材料带隙波长的波产生吸收。本实施例中，相比于有源层108的激射波长(980nm)，n型下波导层（包括第一、二和三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层）与p型上波导层（p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层109）对应材料的带隙波长最高为810nm。因此，在本实施例中，n型下波导层与p型上波导层不会对激射波长产生光吸收，而且可以起到很好的载流子限制及光波导作用。
本实施例中n型外波导（GaInP外波导层103）的有效折射率为3.064，n型下波导层（包括第一、二和三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层）的有效折射率为3.261，有源层108的有效折射率为3.291，p型上波导层（p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层109）的有效折射率为3.064。n型外波导和p型上波导的有效折射率都小于有源层与n型下波导的折射率，而同时n型下波导的有效折射率与有源层的有效折射率相互接近，从而可以确保将光场限制在有源层与n型下波导层。
如图1和图2所示，优选地，p型接触层110为高掺杂GaAs层，可以进一步减小半导体激光器的串联电阻。
如图1、图3和图6所示，该水平谐振腔激光器单元表面刻蚀有双沟槽结构，并且双沟槽结构刻蚀至有源层108以下。具体地，p型接触层110、p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层109、有源层108、第三n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层107与第二n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层106形成双沟槽结构；还包括介质层112，且介质层112置于双沟槽结构的槽内壁及双沟槽结构两侧的P型接触层110上方。P型接触金属层111置于双沟槽结构中脊形台的P型接触层110上方。优选地，介质层112的材料为SiO2，厚度为20nm。
如图1、图3和、图6和图7所示，具体地，量子阱层、InxGa1-xAsyP1-y下限制层、GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP光栅层105与第三、二、一n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层形成肋区203，肋区203由平板层201和脊层202构成。在实际应用中，通过改变双沟槽结构的位置及宽度，可以调整器件的肋区参数，进而获得对称圆形远场光斑。其中，肋区参数包括平板层厚度T、肋区高度H、脊层宽度W和平板层宽度L。经过多次反复试验可知，当各参数之间的比值关系为：T/H=0.28，T/W=0.51，T/L=0.06，可获得近圆形远场光斑。作为其中一组最优的数据，本实施例中脊层宽度W=3μm，平板层宽度L=25μm，平板层厚度T=1.54μm，肋区高度H=5.599μm，其近圆形远场光斑近场和远场光场分别如图8和图9所示。
如图1和图2所示，具体地，该水平谐振腔激光器单元的前腔面为离子注入区，能够抑制载流子与腔面缺陷发生非辐射复合。
如图1、图4和图5所示，水平谐振腔激光器单元在其激光发射方向的端部倾斜刻蚀有一反射镜单元，该反射镜单元的刻蚀角度θ为45°，刻蚀深度由P型接触层110开始，并往下延伸至平板层201底部的GaInP外波导层103上方，刻蚀深度H2=6.2μm。脊形台在靠近反射镜单元的一端设有呈扩张状的喇叭段，并且喇叭段在其P型接触层上表面开窗镀增透（AR）膜。水平谐振腔激光器单元激射的光束至反射镜单元侧壁，水平边发射光束由于全反射转变为垂直面发射光束，从而实现圆形光斑单模高功率垂直面发射。
如图1、图4和图5所示，该喇叭段包括第一脊形段和第二脊形段，第二脊形段位于脊形台端部；第一脊形段位于第二脊形段的端部。优选地，第一脊形段和第二脊形段的高度均为H1；第一脊形段的长度为L1，并且L1=H1=4.579μm，即第一脊形段整体呈等腰直角三棱柱结构。第二脊形段的长度为L2=9.5μm。第一脊形段的下脊宽度W1=6μm，第一脊形段的上脊宽度和第二脊形段的下脊宽度W2=6μm。在本实施例中，第二脊形段的宽度由其上脊至下脊逐渐增加，且其两侧壁呈平直斜面状。具体来说，第二脊形段的上脊宽度为W3=3μm，由此可知，第二脊形段的俯视图呈等腰梯形结构。水平谐振腔激光器单元在波导中形成了单横模，但其单模的模场大于脊宽。因此，本实施例中第一脊形段的上脊宽度W2大于第二脊形段的上脊宽度W3，由此加宽了反射镜单元端部的脊层宽度，使得垂直出射的光场均匀分布，确保形成圆形光斑。
综上可知，本发明创新性地在具有双沟槽结构的水平谐振腔激光器单元的激光发射方向的端部倾斜刻蚀有一45°的反射镜单元，并在双沟槽结构的脊形台端部设有呈扩张状的喇叭段，由此能够将水平边发射光束有效转变为垂直面发射光束。通过调整水平谐振腔激光器单元的各层材料和肋区参数，则能够实现圆形光斑单模高功率垂直面发射，从而克服现有技术为了实现单模高功率的目的，将氧化孔径缩小所带来的各种问题。其具体表现在以下几个方面：
（1）本发明的波导材料采用InxGa1-xAsyP1-y材料代替AlGaAs，形成无Al腔面，提高了腔面灾变损伤阈值，而将光栅设置在无铝波导层中则实现了激光器的单纵模输出，降低了二次外延的难度。并且反射镜单元的上表面涂有AR膜，相比于出光面落在含铝有源区的传统结构的激光器，该器件的出光面不含铝，可靠性更好。
（2）有源层108采用AlGaAs垒层，可以对载流子进行更好的限制，减少漏电，并提高激光器的特征温度T0。
（3）n型下波导层采用较厚的低掺高折射率InxGa1-xAsyP1-y平板结构，将谐振腔内部的光场分布耦合到波导层平板结构中。板状耦合产生的模式滤波使得单模式横截面积较大，这导致腔面功率密度相对较低，进一步提高了腔面灾变损伤阈值，并获得更高的运行功率。双沟槽脊形波导结构提供了较大的有效折射率差，并获得大的模式增益损耗差，有利于滤除高阶横模和侧模从而实现单横模。基于此，通过控制肋区参数即可获得圆形远场光斑，更方便耦合至光纤。
（4）反射镜单元将水平边发射光束有效转变为垂直面发射光束，实现圆形光斑单模高功率垂直面发射，相比于传统的VCSEL单模功率最大只有4.8mW，该面发射半导体激光器发射功率可达几百毫瓦到几瓦。
实施例二：
如图10所示，本实施例公开了另一种具有圆形光斑的垂直腔面发射激光器，包括水平谐振腔激光器单元，该水平谐振腔激光器单元包括由下至上依次设置的n型接触金属层300、n-GaAs衬底301、n-GaAs缓冲层302、GaInP外波导层303、n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层304、有源层305、第一p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层306、第二p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层307、第三p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层308、p型接触层309、p型接触金属层310。
如图10所示，优选地，GaInP外波导303层厚度为2500nm，用于对光场实现限制。
如图10所示，优选地，n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层304的带隙波长为870nm，厚度为1300nm，掺杂原子为Si且掺杂浓度为1e17cm-3。n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层304可以将有源层305光场拉至n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层304。
如图10所示，优选地，有源层305下至上为InxGa1-xAsyP1-y下限制层、量子阱层、InxGa1-xAsyP1-y上限制层；量子阱层为厚度为5nm的In0.2Ga0.8As阱层与厚度为6nm的Al0.2Ga0.8As垒层组成的垒/阱/垒/阱/垒结构，激射波长为980nm；量子阱层采用了AlGaAs垒层，可以对载流子进行更好的限制，防止载流子的泄漏，提高了激光器的特征温度T0；InxGa1-xAsyP1-y下限制层与InxGa1-xAsyP1-y上限制层的带隙波长为665nm，厚度为20nm，提供了更高的势垒，对载流子进行限制。
如图10所示，优选地，第一p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层306的带隙波长为870nm，厚度为600nm，掺杂原子为Zn且掺杂浓度为5e16cm-3，第二p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层307的带隙波长为870nm，厚度为3000nm，掺杂原子为Zn且掺杂浓度为5e17cm-3；第三p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层308的带隙波长为652nm，厚度为400nm，掺杂原子为Zn且掺杂浓度为1e18cm-3。如此可将光场有效限制在该波导层之下，从而减小光损耗。
熟知的，带隙波长短的半导体材料不会对大于该材料带隙波长的波产生吸收。本实施例中，相比于有源层305的激射波长(980nm)，n型下波导层与p型上波导层对应材料的带隙波长最高为870nm。因此，在本实施例中，n型下波导层与p型上波导层不会对激射波长产生光吸收，而且可以起到很好的载流子限制及光波导作用。
本实施例中n型外波导层（GaInP外波导303）的有效折射率为3.064，n型下波导层（n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层304）的有效折射率为3.282，有源层的有效折射率为3.261，p型上波导层（第一、二和三p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层）的有效折射率为3.276。n型外波导的有效折射率小于有源层与n型下波导的折射率，而同时n型下波导的有效折射率、p型上波导层的有效折射率与有源层的折射率相互接近，从而可以将光场限制在有源层、n型下波导层、p型上波导层。
如图10所示，优选地，p型接触层309为高掺杂GaAs层，可以进一步减小半导体激光器的串联电阻。
如图10和图11所示，该水平谐振腔激光器单元表面刻蚀有双沟槽结构，并且双沟槽结构刻蚀未至有源层305。具体地，p型接触层309、第三p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层308、第二p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层307与第一p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层306形成双沟槽结构；还包括介质层311，且介质层311置于双沟槽结构的槽内壁及双沟槽结构两侧的P型接触层309上方。P型接触金属310层置于双沟槽结构的中间脊形台的P型接触层309上方。优选地，介质层311的材料为SiO2，厚度为20nm。
如图10和图11所示，具体地，第二p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层307、第一p-InxGa1- xAsyP1-y上波导层306、InxGa1-xAsyP1-y上限制层、量子阱层、InxGa1-xAsyP1-y下限制层与n-InxGa1-xAsyP1-y下波导层304形成肋区403，肋区403由平板层401和脊层402构成。在实际应用中，通过改变双沟槽结构的位置及宽度，可以调整器件的肋区参数，进而获得对称圆形远场光斑。其中，肋区参数包括量子阱层顶部与p型上波导层底部之间的距离S、肋区高度H、脊层宽度W和平板层宽度L。经过多次反复试验可知，当各参数之间的比值关系为：S/H=0.13，S/W=0.16，S/L=0.02，可获得近圆形远场光斑。作为其中一组最优的数据，本实施例中肋区高度H=4.608μm，平板层宽度L=25μm，脊层宽度W=4μm，量子阱层顶部与第二p-InxGa1-xAsyP1-y上波导层307底部的距离S=0.62μm，其近场和远场光场分别如图12和图13所示。
如图10和图11所示，具体地，该水平谐振腔激光器单元的前腔面为离子注入区，能够抑制载流子与腔面缺陷发生非辐射复合。
结合图1、图4、图5和图10，水平谐振腔激光器单元在其激光发射方向的端部倾斜刻蚀有一反射镜单元，该反射镜单元的刻蚀角度θ为45°，刻蚀深度由P型接触层309开始并往下延伸至双沟槽结构的平板层401底部的GaInP外波导层303上方，即刻蚀深度H2=6.2μm。脊形台在靠近反射镜单元的一端设有呈扩张状的喇叭段，并且喇叭段在其P型接触层上表面开窗镀增透（AR）膜。水平谐振腔激光器单元激射的光束至反射镜单元侧壁，水平边发射光束由于全反射转变为垂直面发射光束，从而实现圆形光斑单模高功率垂直面发射。
本实施例中的喇叭段的结构与实施例一相同，具体地，结合图1、图4、图5和图10可知，该喇叭段包括第一脊形段和第二脊形段，第二脊形段位于脊形台端部；第一脊形段位于第二脊形段的端部。优选地，第一脊形段和第二脊形段的高度均为H1；第一脊形段的长度为L1，并且L1=H1=3.5μm，即第一脊形段整体呈等腰直角三棱柱结构。第二脊形段的长度为L2=8μm。第一脊形段的下脊宽度W1=8μm，第一脊形段的上脊宽度和第二脊形段的下脊宽度W2=8μm。同样地，在本实施例中，第二脊形段的宽度由其上脊至下脊逐渐增加，且其两侧壁呈平直斜面状。具体来说，第二脊形段的上脊宽度为W3=4μm，由此可知，第二脊形段的俯视图呈等腰梯形结构。水平谐振腔激光器单元在波导中形成了单横模，但其单模的模场大于脊宽。因此，本实施例中第一脊形段的上脊宽度W2大于第二脊形段的上脊宽度W3，由此加宽了反射镜单元端部的脊层宽度，使得垂直出射的光场均匀分布，确保形成圆形光斑。
实施例一展示的结构需要对量子阱层进行刻蚀，会在暴露的量子阱层侧壁位置引入表面缺陷，这些表面缺陷在器件运行时会扩散至量子阱层中，产生非辐射中心，限制器件的可靠性。而本实施例优选地将有源层305置入平板波导内部，并减少量子阱的数量来保持光场限制因子恒定，避免对有源层305进行刻蚀，从而提高器件性能。
实施例三：
如图14所示，本实施例中第二脊形段的宽度由其上脊至下脊逐渐增加，且其两侧壁呈曲面状。由此可知，第二脊形段的俯视图大致呈弧形台状。除此之外，本实施例中水平谐振腔激光器单元的具体结构以及肋区参数等技术特征均可借鉴实施例一或实施例二来实施，在此不加赘述。
实施例四：
如图15所示，本实施例中第二脊形段的宽度由其上脊至下脊逐渐增加，且其两侧壁呈多级台阶状。由此可知，第二脊形段的俯视图大致呈多级台阶结构。除此之外，本实施例中水平谐振腔激光器单元的具体结构以及肋区参数等技术特征均可借鉴实施例一或实施例二来实施，在此不加赘述。
实施例五：
如图16所示，本实施例中第二脊形段的上脊宽度W3等于其下脊宽度W2，并且第二脊形段整体呈长方体状。由此可知，第二脊形段的俯视图大致呈长方形。除此之外，本实施例中水平谐振腔激光器单元的具体结构以及肋区参数等技术特征均可借鉴实施例一或实施例二来实施，在此不加赘述。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (9)

1.一种具有圆形光斑的垂直腔面发射激光器，其特征在于：包括水平谐振腔激光器单元，该水平谐振腔激光器单元在其表面刻蚀有双沟槽结构，所述双沟槽结构之间形成脊形台，双沟槽结构下方形成平板层；所述水平谐振腔激光器单元在其激光发射方向的端部倾斜刻蚀有一反射镜单元，该反射镜单元的刻蚀角度θ为45°，刻蚀深度由所述水平谐振腔激光器单元的表面开始，并至少往下延伸至所述平板层底部；所述脊形台在靠近反射镜单元的一端设有呈扩张状的喇叭段；所述喇叭段包括依次设置于所述脊形台端部的第二脊形段和第一脊形段；所述第一脊形段和第二脊形段的高度均为H1；所述第一脊形段的长度为L1，并且L1=H1；所述第二脊形段的长度为L2，并且8μm≤L2≤9.5μm。
2.如权利要求1所述的一种具有圆形光斑的垂直腔面发射激光器，其特征在于：第一脊形段的下脊宽度为W1，第一脊形段的上脊宽度和第二脊形段的下脊宽度均为W2；第二脊形段的上脊宽度为W3，并且W3≤W2=W1。
3.如权利要求2所述的一种具有圆形光斑的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述第二脊形段的宽度由其上脊至下脊逐渐增加，并且其两侧壁呈平直斜面状、曲面状或多级台阶面状。
4.如权利要求2所述的一种具有圆形光斑的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述第二脊形段的上脊宽度W3等于其下脊宽度W2，并且第二脊形段整体呈长方体状。
5.如权利要求1所述的一种具有圆形光斑的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述水平谐振腔激光器单元包括由下而上依次设置的n型接触金属层、衬底、缓冲层、n型外波导层、n型下波导层、有源层、p型上波导层和p型接触层；所述有源层由下至上依次为下限制层、量子阱层和上限制层，所述量子阱层的阱层/垒层为GaAs/AlGaAs、InGaAs/AlGaAs、InxGa1-xAsyP1-y/AlGaAs或者不同Ga/Al比例的AlInGaAs；所述n型下波导层和p型上波导层为与衬底晶格相匹配的InxGa1-xAsyP1-y材料，且所述n型下波导层与p型上波导层的带隙波长小于所述有源层的激射波长；所述喇叭段在其P型接触层上表面开窗镀增透膜。
6.如权利要求5所述的一种具有圆形光斑的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述双沟槽结构刻蚀至所述有源层以下，并且所述量子阱层至n型下波导层之间形成水平谐振腔激光器单元的肋区；肋区的参数关系为：T/H=0.2-0.35；T/W=0.4-0.7；T/L=0.01-0.15，其中：T为平板层厚度，H为肋区高度，W为脊层宽度，L为平板层宽度。
7.如权利要求5所述的一种具有圆形光斑的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述双沟槽结构未刻蚀至所述有源层，并且所述p型上波导层至n型下波导层之间形成水平谐振腔激光器单元的肋区；肋区的参数关系为：S/H=0.1-0.2；S/W=0.1-0.3；S/L=0.01-0.1，其中：S为所述量子阱层顶部与所述p型上波导层底部之间的距离，H为肋区高度，W为脊层宽度，L为平板层宽度。
8.如权利要求5所述的一种具有圆形光斑的垂直腔面发射激光器，其特征在于：还包括光栅层，所述光栅层设置于所述n型下波导层内或p型上波导层内，且光栅层为GaInP/InxGa1-xAsyP1-y/GaInP、GaAs/InxGa1-xAsyP1-y/GaAs或者InxGa1-xAsyP1-y/InP结构。
9.如权利要求5所述的一种具有圆形光斑的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述n型外波导层的折射率为3.0-3.15，所述n型下波导层的折射率为3.2-3.4，所述有源层的折射率为3.2-3.3，所述p型上波导层的折射率为3.0—3.3。
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