CN114336285A - 稀土掺杂的光子级联vcsel激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稀土掺杂的光子级联VCSEL激光器，该激光器为半导体衬底上制备的具有稀土掺杂半导体层的VCSEL芯片外延结构，包括激光谐振腔和稀土掺杂高增益有源区，两者形成光子级联复合腔，激光谐振腔内的激光产生机制形成电致发光，在注入电流的激励下，电子和空穴重新复核辐射大量光子，形成能带间的第一波长激光；当第一波长激光得到预设强度时，激发稀土掺杂高增益有源区中掺杂的金属离子的粒子能级从而跃迁产生第二波长激光，形成光致发光，使得第一波长激光被完全吸收，激光器只发出第二波长激光。通过本发明的技术方案，实现了能级跃迁过程中能量的高效利用，提高了发光效率，并实现了窄线宽激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种稀土掺杂的光子级联VCSEL激光器。
背景技术
与边发射半导体激光相比，垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL，Vertical-CavitySurface-Emitting Laser)具有体积小、耦合效率高、阈值电流低、调制速率高、易二维集成、单纵模工作、可在片测试和制造成本低等优点，现已成为最重要的半导体光电子器件之一，被广泛应用于光互联、光存储、激光打印、激光医疗、激光打孔等众多领域，并且逐渐成为高速光通讯与光互联网络的主要光源之一，在消费电子、5G通讯、无人机以及物联网智能服务系统等方面也发挥着重要的作用，成为了我们日常生活中各种传感器应用的基础，可预见VCSEL在未来数据网络时代具有更大的应用前景与竞争力。随着工业、军事、医疗和空间通信等领域的发展，对VCSEL也提出了更高功率、更高效率的需求。目前，传统的P-N结型VCSEL激光器由于电子-空穴复合受激辐射机制的限制，发光强度和发光效率不高，平均输出功率仍处于较低的水平，从而限制了其的发展及应用。
稀土离子由于受到未充满的外壳电子层的保护，具有稳定的发光性能、较长的荧光寿命、较大的反斯托克斯位移以及明锐的发光峰等优势。稀土离子是许多激光材料、稀磁半导体材料、非线性光学材料以及纳米发光材料中的激活离子，它们作为杂质掺入材料后对材料的微观结构、电性质、光磁性质等有着极其重要的影响。稀土元素掺杂型工作物质具有高掺杂浓度和高量子转换效率的特点，能够很大的减少所需工作物质长度、降低泵浦功率和非线性效应，能够满足对高功率激光输出的要求。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种稀土掺杂的光子级联VCSEL激光器，该发明能解决传统VCSEL激光器发光强度和发光效率不高的问题，从而实现能级跃迁过程中能量的高效利用，提高发光效率，并实现窄线宽激光输出。
为实现上述目的，本发明提供了一种稀土掺杂的光子级联VCSEL激光器，该激光器为半导体衬底上制备的具有稀土掺杂半导体层的VCSEL芯片外延结构，所述外延结构包括激光谐振腔和稀土掺杂高增益有源区；
所述激光谐振腔和所述稀土掺杂高增益有源区形成光子级联复合腔，所述激光谐振腔内的激光产生机制形成电致发光，在注入电流的激励下，电子和空穴重新复核辐射大量光子，形成能带间的第一波长激光；
当所述第一波长激光得到预设强度时，激发所述稀土掺杂高增益有源区中掺杂的金属离子的粒子能级从而跃迁产生第二波长激光，形成光致发光，使得所述第一波长激光被完全吸收，所述激光器只发出第二波长激光。
在上述技术方案中，优选地，所述金属离子属于四能级系统或三能级系统。
在上述技术方案中，优选地，所述VCSEL芯片为单管型VCSEL芯片或阵列型VCSEL芯片，所述VCSEL芯片的结构为顶发射结构或底发射结构。
在上述技术方案中，优选地，所述激光谐振腔包括N型全反射DBR层、N型波导层、所述稀土掺杂高增益有源区、P型波导层和P型全反射DBR层；
所述N型全反射DBR层和所述P型全反射DBR层对所述第一波长激光全反射；
所述N型全反射DBR层对所述第二波长激光全反射，所述P型全反射DBR层对所述第二波长激光半反射半透射，反射率为3％～99.5％。
在上述技术方案中，优选地，稀土掺杂高增益有源区中掺杂金属离子的粒子的方式为金属砷化物或磷化物在有源区外延生长。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过打破传统P-N结型VCSEL激光器的电子-空穴复合受激辐射机制，在传统半导体激光器材料内通过离子注入或外延生长技术掺杂各种所需稀土离子，实现电子-空穴复合受激辐射机制与粒子能级系统跃迁辐射机制相互作用的光子级联型发光新体制，通过稀土离子掺杂的上转换材料可实现低能量光子到高能量光子的转化，解决了传统VCSEL激光器发光强度和发光效率不高的问题，从而实现了能级跃迁过程中能量的高效利用，提高了发光效率，并实现了窄线宽激光输出。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的顶发射结构的稀土掺杂的光子级联VCSEL激光器的结构示意图；
图2为本发明一种实施例公开的底发射结构的稀土掺杂的光子级联VCSEL激光器的结构示意图。
图中，各组件与附图标记之间的对应关系为：
11.N型全反射DBR层，12.N型波导层，13.稀土掺杂高增益有源区，14.P型波导层，15.P型全反射DBR层，16.衬底。
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。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
根据本发明提供的一种稀土掺杂的光子级联VCSEL激光器，该激光器为半导体衬底上制备的具有稀土掺杂半导体层的VCSEL芯片外延结构，外延结构包括激光谐振腔和稀土掺杂高增益有源区；
激光谐振腔和稀土掺杂高增益有源区形成光子级联复合腔，激光谐振腔内的激光产生机制形成电致发光，在注入电流的激励下，电子和空穴重新复核辐射大量光子，形成能带间的第一波长激光；
当第一波长激光得到预设强度时，激发稀土掺杂高增益有源区中掺杂的金属离子的粒子能级从而跃迁产生第二波长激光，形成光致发光，使得第一波长激光被完全吸收，激光器只发出第二波长激光。
在该实施例中，通过打破传统P-N结型VCSEL激光器的电子-空穴复合受激辐射机制，在传统半导体激光器材料内通过离子注入或外延生长技术掺杂各种所需稀土离子，实现电子-空穴复合受激辐射机制与粒子能级系统跃迁辐射机制相互作用的光子级联型发光新体制，通过稀土离子掺杂的上转换材料可实现低能量光子到高能量光子的转化，解决了传统VCSEL激光器发光强度和发光效率不高的问题，从而实现了能级跃迁过程中能量的高效利用，提高了发光效率，并实现了窄线宽激光输出。
具体地，电致发光机制下形成第一波长激光，在第一波长激光的激发下，稀土掺杂高增益有源区中的金属离子的粒子能级跃迁，在光致发光机制下产生第二波长激光，实现低能量光子到高能量光子的转化，提高了发光效率。
在上述实施例中，优选地，金属离子属于四能级系统或三能级系统。
在上述实施例中，优选地，VCSEL芯片为单管型VCSEL芯片或阵列型VCSEL芯片，VCSEL芯片的结构为顶发射结构或底发射结构。
如图1所示，在上述实施例中，优选地，顶发射结构的激光谐振腔，在衬底16上由下至上依次设置有N型全反射DBR层11、N型波导层12、稀土掺杂高增益有源区13、P型波导层14和P型全反射DBR层15。
如图2所示，在上述实施例中，优选地，底发射结构的激光谐振腔，在衬底16上由下至上依次设置P型全反射DBR层15、P型波导层14、稀土掺杂高增益有源区13、N型波导层12和N型全反射DBR层11。
其中，在上述顶发射结构和底发射结构两种不同结构的激光谐振腔中，P型全反射DBR层15、P型波导层14以及N型波导层12、N型全反射DBR层11，P型和N型结构两者均可更靠近衬底16，两者谁上谁下均可，即，顶发射结构也可为在衬底16上由下至上依次设置P型全反射DBR层15、P型波导层14、稀土掺杂高增益有源区13、N型波导层12和N型全反射DBR层11，底发射结构也可为在衬底16上由下至上依次设置N型全反射DBR层11、N型波导层12、稀土掺杂高增益有源区13、P型波导层14和P型全反射DBR层15。
在上述实施例中，N型全反射DBR层11和P型全反射DBR层15对第一波长激光全反射，反射率在99.9％以上；
N型全反射DBR层11对第二波长激光全反射，反射率在99.9％以上，P型全反射DBR层15对第二波长激光半反射半透射，反射率为3％～99.5％。
在该实施例中，激光谐振腔中还可设置氧化层，氧化层中制作氧化孔。
在上述实施例中，优选地，稀土掺杂高增益有源区13中掺杂金属离子的粒子的方式为金属砷化物或磷化物在有源区外延生长。
在上述实施例中，优选地，VCSEL芯片底部制备有金刚石层或其他高导热系数材料层，用于提高芯片的散热性能。
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 (5)
1.一种稀土掺杂的光子级联VCSEL激光器，其特征在于，该激光器为半导体衬底上制备的具有稀土掺杂半导体层的VCSEL芯片外延结构，所述外延结构包括激光谐振腔和稀土掺杂高增益有源区；
所述激光谐振腔和所述稀土掺杂高增益有源区形成光子级联复合腔，所述激光谐振腔内的激光产生机制形成电致发光，在注入电流的激励下，电子和空穴重新复核辐射大量光子，形成能带间的第一波长激光；
当所述第一波长激光得到预设强度时，激发所述稀土掺杂高增益有源区中掺杂的金属离子的粒子能级从而跃迁产生第二波长激光，形成光致发光，使得所述第一波长激光被完全吸收，所述激光器只发出第二波长激光。
2.根据权利要求1所述的稀土掺杂的光子级联VCSEL激光器，其特征在于，所述金属离子属于四能级系统或三能级系统。
3.根据权利要求1所述的稀土掺杂的光子级联VCSEL激光器，其特征在于，所述VCSEL芯片为单管型VCSEL芯片或阵列型VCSEL芯片，所述VCSEL芯片的结构为顶发射结构或底发射结构。
4.根据权利要求3所述的稀土掺杂的光子级联VCSEL激光器，其特征在于，所述激光谐振腔包括N型全反射DBR层、N型波导层、所述稀土掺杂高增益有源区、P型波导层和P型全反射DBR层；
所述N型全反射DBR层和所述P型全反射DBR层对所述第一波长激光全反射；
所述N型全反射DBR层对所述第二波长激光全反射，所述P型全反射DBR层对所述第二波长激光半反射半透射，反射率为3％～99.5％。
5.根据权利要求4所述的稀土掺杂的光子级联VCSEL激光器，其特征在于，所述稀土掺杂高增益有源区中掺杂金属离子的粒子的方式为金属砷化物或磷化物在有源区外延生长。
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- 2021-12-30 CN CN202111655802.2A patent/CN114336285A/zh active Pending
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