CN115000809A - 一种相干阵面发射半导体激光器结构及其制备方法 - Google Patents
一种相干阵面发射半导体激光器结构及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115000809A CN115000809A CN202210580770.2A CN202210580770A CN115000809A CN 115000809 A CN115000809 A CN 115000809A CN 202210580770 A CN202210580770 A CN 202210580770A CN 115000809 A CN115000809 A CN 115000809A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- light
- emitting
- emitting laser
- laser array
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 title claims abstract description 30
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 8
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 43
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 19
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 claims description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 18
- LFEUVBZXUFMACD-UHFFFAOYSA-H lead(2+);trioxido(oxo)-$l^{5}-arsane Chemical compound [Pb+2].[Pb+2].[Pb+2].[O-][As]([O-])([O-])=O.[O-][As]([O-])([O-])=O LFEUVBZXUFMACD-UHFFFAOYSA-H 0.000 claims description 15
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 13
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 13
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 9
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 8
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 5
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 4
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 4
- 238000007747 plating Methods 0.000 claims description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 abstract description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 8
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 7
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 7
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 6
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 6
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 4
- 238000001883 metal evaporation Methods 0.000 description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 3
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- JVPLOXQKFGYFMN-UHFFFAOYSA-N gold tin Chemical compound [Sn].[Au] JVPLOXQKFGYFMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- DDFHBQSCUXNBSA-UHFFFAOYSA-N 5-(5-carboxythiophen-2-yl)thiophene-2-carboxylic acid Chemical compound S1C(C(=O)O)=CC=C1C1=CC=C(C(O)=O)S1 DDFHBQSCUXNBSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000004359 castor oil Substances 0.000 description 1
- 235000019438 castor oil Nutrition 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005686 electrostatic field Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- ZEMPKEQAKRGZGQ-XOQCFJPHSA-N glycerol triricinoleate Natural products CCCCCC[C@@H](O)CC=CCCCCCCCC(=O)OC[C@@H](COC(=O)CCCCCCCC=CC[C@@H](O)CCCCCC)OC(=O)CCCCCCCC=CC[C@H](O)CCCCCC ZEMPKEQAKRGZGQ-XOQCFJPHSA-N 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- XZWYZXLIPXDOLR-UHFFFAOYSA-N metformin Chemical compound CN(C)C(=N)NC(N)=N XZWYZXLIPXDOLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
- H01S5/125—Distributed Bragg reflector [DBR] lasers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
- H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
- H01S5/18361—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
本发明公开了一种相干阵面发射半导体激光器结构及其制备方法，在面发射半导体激光器的激光发光子单元阵列的出光面后设有外腔，面发射半导体激光器阵列的第一DBR层、有源层、第二DBR层构成第一谐振腔；外腔包括在依次设置在第一谐振腔上的通光介质层和模式选择层，模式选择层上镀有外腔反射层，外腔与面发射激光器的激光发光子单元阵列构成第二谐振腔；模式选择层相对应面发射激光器阵列的出光孔位置设有沟槽结构，沟槽内填充与沟槽外基底不同折射率的材料；面发射半导体激光器的激光发光子单元阵列产生周期分布的光场，经通光介质层和模式选择层，对面发射激光器阵列输出多阶超模激光进行模式过滤，得到密集排列相干输出的同相模激光束。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种相干阵面发射半导体激光器结构及其制备方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VESCL)是一种半导体激光器，其激光垂直于顶面射出。与传统的边发射半导体激光器相比，垂直腔面发射激光器具有光束质量好、阈值电流低、单纵模工作、易于二维列阵集成和制造成本低廉等优点，引起了人们的广泛关注。其在固体激光泵浦、医疗、光通讯等领域有着巨大的应用市场。
对于m个位置接近、光强相同的激光束，其在远场的相干重叠后得到的光强越大越好。若上述激光束互不相干，则其在远场的叠加光强是单激光束光强的m倍；若上述激光束相互相干，则其在远场的叠加光强为单激光束光强的m2倍，激光器的输出可以大大增强；因此，设计激光相干的面发射激光器以及其外腔结构等具有一定意义。
现有技术中，实现面发射激光器阵列的相干输出有许多方法，例如：使用利用偏转外腔等设计均可实现模式的选择；虽然上述设计有相应的优点，但其会增大损耗导致增益阈值提高，这会对输出光强造成一定的影响。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种相干阵面发射半导体激光器结构及其制备方法，具有密集排布激光束、提供模式选择、实现相干激光输出的优势。
本发明公开了一种相干阵面发射半导体激光器结构，包括：面发射激光器阵列和外腔；
所述面发射激光器阵列包括衬底层、第一DBR层、有源层和第二DBR层；所述第一DBR层为全反射分布布拉格反射层，所述第二DBR层为部分反射分布布拉格反射层，所述第一DBR层、有源层、第二DBR层构成第一谐振腔；
所述外腔包括在依次设置在所述第一谐振腔上的通光介质层和模式选择层，所述模式选择层上镀有外腔反射层，所述外腔与面发射激光器的激光发光子单元阵列构成第二谐振腔；
所述模式选择层相对应所述面发射激光器阵列的出光孔位置具有周期排布的沟槽结构，沟槽内填充与沟槽外不同折射率的材料。
作为本发明的进一步改进，所述面发射激光器阵列为一维或二维周期排布的发光单元构成，其发光结构为顶发射或底发射结构。
作为本发明的进一步改进，
顶发射面发射激光器阵列包括依次设置的衬底层、第一DBR层、有源层和第二DBR层；所述第二DBR层的反射率小于99.5％，使得所述第一谐振腔不能达到激射条件；
底发射面发射激光器阵列包括依次设置的第一DBR层、有源层、第二DBR层和衬底层；所述第二DBR层的反射率小于99.5％，使得第一谐振腔不能达到激射条件。
作为本发明的进一步改进，
所述通光介质层、模式选择层和外腔反射膜与所述面发射激光器阵列的出光面平行设置，所述外腔反射膜的反射率大于50％，使得面发射激光器阵列在第二谐振腔中形成激光输出；
顶发射面发射激光器阵列的外腔为在第二DBR上制备的具有一定厚度的信号光通光介质层，该外腔为面发射激光器阵列提供整数或分数倍Talbot距离的光程；
底发射面发射激光器阵列的外腔为在第二DBR上制备的具有一定厚度的信号光通光介质层，该通光介质层也可采用衬底层作为外腔，该外腔为面发射激光器阵列提供整数或分数倍Talbot距离的光程。
作为本发明的进一步改进，所述通光介质层通过键合层与所述面发射激光器阵列相连，形成晶圆级片上集成；或者，在空间中设置，形成带有空气隙的外腔结构；或者，通过CVD快速沉积方法获得外腔结构。
作为本发明的进一步改进，所述模式选择层通过化学气相沉积或键合工艺在所述通光介质层上制备基底层，在所述基底层上相对应所述面发射激光器阵列的出光孔位置具有周期排布的沟槽结构，在沟槽中填充有折射率不同于基底层的材料，使得模式选择层能够从多阶超模中筛选出同相模。
本发明还提供一种相干阵面发射半导体激光器结构的制备方法，包括：
制备周期分布的面发射激光器阵列；
在面发射激光器阵列的第二DBR层上制备键合层；
在键合层上键合通光介质层；
在通光介质层的输出端制备模式选择层；
在模式选择层后镀外腔反射层；
封装。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明面发射激光器阵列第一谐振腔出射的周期分布光束，通过外腔的模式选择层对各阶超模进行选择，得到同相模式光场，再通过外腔反射层的高反馈作用，实现高效光自注入，在第二谐振腔中产生激光振荡；本发明能够通过高效光自注入实现光模式锁定，最终经过片上集成工艺得到密集排布的相干阵激光输出。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的相干阵面发射激光器结构的结构示意图；
图2a为本发明一种实施例公开的四边形面发射激光器阵列的结构示意图；
图2b为本发明一种实施例公开的六边形形面发射激光器阵列的结构示意图；
图2c为本发明一种实施例公开的矩形面发射激光器阵列的结构示意图；
图2d为本发明一种实施例公开的一维面发射激光器阵列的结构示意图；
图2e为本发明一种实施例公开的二维Bar条面发射激光器阵列的结构示意图；
图3为本发明一种实施例公开的模式选择层的结构示意图；
图4为本发明一种实施例公开的相干阵面发射激光器的制备方法的流程图。
图中：
1、面发射激光器阵列；2、键合层；3、通光介质层；4、模式选择层；5、外腔反射层。
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。
本发明提供一种相干阵面发射半导体激光器结构及其制备方法，在面发射半导体激光器的激光发光子单元阵列的出光面后设有外腔，面发射半导体激光器阵列的第一DBR层、有源层、第二DBR层构成第一谐振腔；外腔包括在依次设置在第一谐振腔上的通光介质层和模式选择层，模式选择层上镀有外腔反射层，外腔与面发射激光器的激光发光子单元阵列构成第二谐振腔；模式选择层相对应面发射激光器阵列的出光孔位置设有沟槽结构，沟槽内填充与沟槽外基底不同折射率的材料；面发射半导体激光器的激光发光子单元阵列产生周期分布的光场，经通光介质层和模式选择层，对面发射激光器阵列输出多阶超模激光进行模式过滤，得到密集排列相干输出的同相模激光束。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
具体实施1
如图1和图2a所示，本发明提供一种顶发射四边形相干阵面发射激光器结构与制备方法，包括：面发射激光器阵列1、键合层2、通光介质层3、模式选择层4和外腔反射层5；其中：
本实施例的面发射激光器阵列1为如图2a所示的四边形顶发射面发射激光器阵列，面发射激光器阵列1的光源个数大于等于4个，每一行或者每一列光源个数n大于等于2，横纵向周期均为T＝5～1000μm，用于产生空间周期分布的光场。所述面发射激光器衬底上为第一DBR层，组成成分为AlxGa1-xAs，提供99.5％以上的反射率；第一DBR层上为有源层，有源层上为氧化限制层，氧化限制层上为第二DBR层，组成成分为AlxGa1-xAs，提供小于99.5％的反射率；对衬底层进行减薄，采用蒸镀金属的方式制备异面电极，激光从顶面电极一侧输出。
面发射激光器阵列1的第二DBR层输出端设有通光介质层3，通光介质层3的输出端设有模式选择层4。进一步，为了实现通光介质层3与面发射激光器阵列1的粘合，本发明在通光介质层3与面发射激光器阵列1之间设有键合层2；为了增加外腔输出端的反射率，本发明在模式选择层4之后镀有外腔反射层5，外腔反射层5的反射率在50％以上；为了降低谐振腔内的损耗，本发明中通光介质层3、模式选择层4和外腔反射层5与面发射激光器阵列1的出光面平行设置，键合层2表面经过研磨抛光得到均匀度在5nm以下的平整度；更进一步，面发射激光器阵列1的衬底层下可设有散热结构。
本实施例的键合层2与通光介质层3和模式选择层4基底的材料一致，可以选择透射红外光的石英晶体、蓝宝石、SiO2等。键合层2采用PECVD技术生长在面发射激光器阵列1的发光面上，键合层2的厚度为
本实施例的通光介质层3，用于传输面发射激光器阵列出射的光束，并得到衍射光场分布，进而形成Talbot子像。如图3所示，本发明的模式选择层4为具有沟槽的通光介质层，通过沉积一定厚度的透射红外光材料作为基底并在其中刻蚀出周期排布的沟槽结构，在沟槽中填充有折射率不同于基底的材料。本发明的模式选择层4对输出光束的各阶超模进行模式调制；筛选出同相模式，经过外腔反射层5反射回第一谐振腔的光束，呈现Talbot自再现像，注入进面发射激光器阵列的发光单元中，经过光注入锁定在第二谐振腔产生激光激射。
具体实施2
如图1和图2b所示，本发明提供一种底发射六边形相干阵面发射激光器结构与制备方法，包括：面发射激光器阵列1、通光介质层3、模式选择层4和外腔反射层5；其中：
本实施例的面发射激光器阵列1为如图2b所示的底发射六边形面发射激光器阵列，面发射激光器阵列1的光源个数大于等于7个，每一行或者每一列光源个数n大于等于2，发光单元最小间距为T＝5～1000μm，用于产生空间周期分布的光场。所述面发射激光器的第一DBR层，组成成分为AlxGa1-xAs，提供99.5％以上的反射率；第一DBR层上为有源层，有源层上为氧化限制层，氧化限制层上为第二DBR层，组成成分为AlxGa1-xAs，提供小于99.5％的反射率；采用蒸镀金属的方式制备同面电极，激光从衬底一侧输出。
面发射激光器阵列1的衬底层作为通光介质层3，通光介质层3的输出端设有模式选择层4。为了增加外腔输出端的反射率，本发明在模式选择层4之后镀有外腔反射层5，外腔反射层5的反射率在50％以上；为了降低谐振腔内的损耗，本发明中通光介质层3、模式选择层4和外腔反射层5与面发射激光器阵列1的出光面平行设置，并且面发射激光器阵列的衬底层表面经过研磨抛光后再在其上制备模式选择层4；更进一步，面发射激光器阵列1的非出光一侧可设有散热结构。
本实施例的通光介质层3，用于传输面发射激光器阵列出射的光束，并得到衍射光场分布，进而形成Talbot子像。如图3所示，本发明的模式选择层4为具有沟槽的通光介质层，通过沉积一定厚度的透射红外光材料作为基底并在其中刻蚀出周期排布的沟槽结构，在沟槽中填充有折射率不同于基底的材料。本实施例的模式选择层4的基底材料可以为Si3N4、GaAs、SiO2等。本发明的模式选择层4对输出光束的各阶超模进行模式调制；筛选出同相模式，经过外腔反射层5反射回第一谐振腔的光束，呈现Talbot自再现像，注入进面发射激光器阵列的发光单元中，经过光注入锁定在第二谐振腔产生激光激射。
具体实施3
如图1和图2c所示，本发明提供一种顶发射矩形相干阵面发射激光器结构与制备方法，包括：面发射激光器阵列1、通光介质层3、模式选择层4和外腔反射层5；其中：
本实施例的面发射激光器阵列1为如图2c所示的矩形顶发射面发射激光器阵列，面发射激光器阵列1的光源个数大于等于4个，每一行或者每一列光源个数n大于等于2，横向周期为Ta＝5～1000μm，纵向周期为Tb＝5～1000μm，用于产生空间周期分布的光场。所述面发射激光器衬底上为第一DBR层，组成成分为AlxGa1-xAs，提供99.5％以上的反射率；第一DBR层上为有源层，有源层上为氧化限制层，氧化限制层上为第二DBR层，组成成分为AlxGa1-xAs，提供小于99.5％的反射率；对衬底层进行减薄，采用蒸镀金属的方式制备异面电极，激光从顶面电极一侧输出
面发射激光器阵列1的第二DBR层输出端设有通光介质层3，通光介质层3的输出端设有模式选择层4。本实施例中通光介质层3与面发射激光器阵列1中间采用空气隙形成外腔结构；为了增加外腔输出端的反射率，本发明在模式选择层4之后镀有外腔反射层5，外腔反射层5的反射率在50％以上；为了降低谐振腔内的损耗，本发明中通光介质层3、模式选择层4和外腔反射层5与面发射激光器阵列1的出光面平行设置；更进一步，面发射激光器阵列1的衬底层下可设有散热结构。
本实施例的通光介质层3，用于传输面发射激光器阵列出射的光束，并得到衍射光场分布，进而形成Talbot子像。如图3所示，本发明的模式选择层4为具有沟槽的通光介质层，通过沉积一定厚度的透射红外光材料作为基底并在其中刻蚀出周期排布的沟槽结构，在沟槽中填充有折射率不同于基底的材料。本发明的模式选择层4对输出光束的各阶超模进行模式调制；筛选出同相模式，经过外腔反射层5反射回第一谐振腔的光束，呈现Talbot自再现像，注入进面发射激光器阵列的发光单元中，经过光注入锁定在第二谐振腔产生激光激射。
具体实施例4
如图1和图2d所示，本发明提供一种一维底发射相干阵面发射激光器结构与制备方法，包括：面发射激光器阵列1、通光介质层3、模式选择层4和外腔反射层5；其中：
本实施例的面发射激光器阵列1为如图2d所示的矩形顶发射面发射激光器阵列，面发射激光器阵列1的光源个数大于等于2个，周期为T＝5～1000μm，用于产生空间周期分布的光场。所述面发射激光器衬底上为第一DBR层，组成成分为AlxGa1-xAs，提供99.5％以上的反射率；第一DBR层上为有源层，有源层上为氧化限制层，氧化限制层上为第二DBR层，组成成分为AlxGa1-xAs，提供小于99.5％的反射率；对衬底层进行减薄，采用蒸镀金属的方式制备异面电极，激光从顶面电极一侧输出。
面发射激光器阵列1的第二DBR层输出端设有通光介质层3，通光介质层3的输出端设有模式选择层4。本实施例中通光介质层3与面发射激光器阵列1中间采用空气隙形成外腔结构；为了增加外腔输出端的反射率，本发明在模式选择层4之后镀有外腔反射层5，外腔反射层5的反射率在50％以上；为了降低谐振腔内的损耗，本发明中通光介质层3、模式选择层4和外腔反射层5与面发射激光器阵列1的出光面平行设置；更进一步，面发射激光器阵列1的衬底层下可设有散热结构。
本实施例的通光介质层3，用于传输面发射激光器阵列出射的光束，并得到衍射光场分布，进而形成Talbot子像。如图3所示，本发明的模式选择层4为具有沟槽的通光介质层，通过沉积一定厚度的透射红外光材料作为基底并在其中刻蚀出周期排布的沟槽结构，在沟槽中填充有折射率不同于基底的材料。本发明的模式选择层4对输出光束的各阶超模进行模式调制；筛选出同相模式，经过外腔反射层5反射回第一谐振腔的光束，呈现Talbot自再现像，注入进面发射激光器阵列的发光单元中，经过光注入锁定在第二谐振腔产生激光激射。
具体实施例5
如图1和图2e所示，本发明提供一种二维Bar条相干阵面发射激光器结构与制备方法，包括：面发射激光器阵列1、通光介质层3、模式选择层4和外腔反射层5；其中：
本实施例的面发射激光器阵列1为如图2e所示的矩形顶发射面发射激光器阵列，面发射激光器阵列1的光源个数大于等于2个，周期为T＝5～1000μm，用于产生空间周期分布的光场。所述面发射激光器衬底上为第一DBR层，组成成分为AlxGa1-xAs，提供99.5％以上的反射率；第一DBR层上为下波导限制层，下波导限制层上为有源层，有源层上为上波导限制层，上波导限制层上为第二DBR层，组成成分为AlxGa1-xAs，提供大于99.5％的反射率；
面发射激光器阵列1的输出端设有通光介质层3，通光介质层3的输出端设有模式选择层4。本实施例中通光介质层3与面发射激光器阵列1中间采用外延层作为外腔结构；为了增加外腔输出端的反射率，本发明在模式选择层4之后镀有外腔反射层5，外腔反射层5的反射率在50％以上；在外腔反射层5后设有柱面准直镜对输出光束进行准直。为了降低谐振腔内的损耗，本发明中通光介质层3、模式选择层4和外腔反射层5与面发射激光器阵列1的出光面平行设置。
本实施例的通光介质层3，用于传输面发射激光器阵列出射的光束，并得到衍射光场分布，进而形成Talbot子像。如图3所示，本发明的模式选择层4为具有沟槽的通光介质层，通过沉积一定厚度的透射红外光材料作为基底并在其中刻蚀出周期排布的沟槽结构，在沟槽中填充有折射率不同于基底的材料。本发明的模式选择层4对输出光束的各阶超模进行模式调制；筛选出同相模式，经过外腔反射层5反射回第一谐振腔的光束，呈现Talbot自再现像，注入进面发射激光器阵列的发光单元中，经过光注入锁定在第二谐振腔产生激光激射。
如图4所示，本发明提供一种上述的顶发射相干阵阵面发射激光器的制备方法，包括：
S1、制备周期分布的面发射激光器阵列1；
具体为：
将超过4单元的顶发射面发射激光器按照图2a所示排列成四边形阵列、按照图2b所示排列成六边形阵列、图2c所示排列成矩形阵列或者图2d所示排列成一维阵列，面发射激光器发光单元间距为5～1000μm，制成器件。
S2、在面发射激光器阵列1的发光面制备一层键合层2；
具体为：
采用PECVD技术，先抽底真空，达到10-7Torr后通入部分N2，并预热基板表面，然后在300度下按照比例通入SiH4和N2O进行反应，沉积完成后，生成的SiO2落在器件表面，通入N2，保证管道内无SiH4残留。
S3、在键合层2上键合外腔3；
具体为：
在键合层2和外腔3间施加强大的静电场，键合层2与阳极相接，外腔3与阴极相接，当温度升高后，玻璃中的Na离子在电场作用下向阴极迁移，并在阴极被中性化，而外腔3中固定的束缚负离子保持不动，在键合层2表面感应形成一层空间正电荷区，使得两个被键合的表面紧压在一起；
或者，将键合层2和外腔3用树脂或蓖麻油等胶间接键合；
或者，对键合层2和外腔3表面进行清洗、活化、亲水性预处理，接着在室温下进行键合，然后经450℃左右高温退火，达到最终键合强度。
S4、在外腔3上制一层模式选择层4；
具体为：
根据超模在分数或整数倍Talbot距离处的成像特点制作模式选择层，如图3所示。具体工艺为：在洁净的二氧化硅表面涂覆光刻胶，经过软烘焙、对准曝光、显影、硬烘焙，采用湿法(氢氟酸与水混合或氟化铵与水混合)或干法(平面等离子体)刻蚀二氧化硅，得到所需沟槽结构，在沟槽内填充氮化硅材料形成模式选择层。
S5、在模式选择层4的输出端上制一层反射膜5；
具体为：
用化学气相沉淀法(CVD)在通光介质层上淀积一组厚度均匀的多层光学反射膜系。
S6、封装；
具体为：
在陶瓷衬底表面预制金锡电极，将制好的面发射激光器芯片以倒装焊的方式焊接在金锡电极上，将陶瓷衬底固定在水冷散热器上，完成封装。
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 (7)
1.一种相干阵面发射半导体激光器结构，其特征在于，包括：面发射激光器阵列和外腔；
所述面发射激光器阵列包括衬底层、第一DBR层、有源层和第二DBR层；所述第一DBR层为全反射分布布拉格反射层，所述第二DBR层为部分反射分布布拉格反射层，所述第一DBR层、有源层、第二DBR层构成第一谐振腔；
所述外腔包括在依次设置在所述第一谐振腔上的通光介质层和模式选择层，所述模式选择层上镀有外腔反射层，所述外腔与面发射激光器的激光发光子单元阵列构成第二谐振腔；
所述模式选择层相对应所述面发射激光器阵列的出光孔位置具有周期排布的沟槽结构，沟槽内填充与沟槽外不同折射率的材料。
2.如权利要求1所述的相干阵面发射半导体激光器结构，其特征在于，所述面发射激光器阵列为一维或二维周期排布的发光单元构成，其发光结构为顶发射或底发射结构。
3.如权利要求2所述的相干阵面发射半导体激光器结构，其特征在于，
顶发射面发射激光器阵列包括依次设置的衬底层、第一DBR层、有源层和第二DBR层；所述第二DBR层的反射率小于99.5％，使得所述第一谐振腔不能达到激射条件；
底发射面发射激光器阵列包括依次设置的第一DBR层、有源层、第二DBR层和衬底层；所述第二DBR层的反射率小于99.5％，使得第一谐振腔不能达到激射条件。
4.如权利要求1所述的相干阵面发射半导体激光器结构，其特征在于，
所述通光介质层、模式选择层和外腔反射膜与所述面发射激光器阵列的出光面平行设置，所述外腔反射膜的反射率大于50％，使得面发射激光器阵列在第二谐振腔中形成激光输出；
顶发射面发射激光器阵列的外腔为在第二DBR上制备的具有一定厚度的信号光通光介质层，该外腔为面发射激光器阵列提供整数或分数倍Talbot距离的光程；
底发射面发射激光器阵列的外腔为在第二DBR上制备的具有一定厚度的信号光通光介质层，该通光介质层也可采用衬底层作为外腔，该外腔为面发射激光器阵列提供整数或分数倍Talbot距离的光程。
5.如权利要求1所述的相干阵面发射半导体激光器结构，其特征在于，所述通光介质层通过键合层与所述面发射激光器阵列相连，形成晶圆级片上集成；或者，在空间中设置，形成带有空气隙的外腔结构；或者，通过CVD快速沉积方法获得外腔结构。
6.如权利要求1所述的相干阵面发射半导体激光器结构，其特征在于，所述模式选择层通过化学气相沉积或键合工艺在所述通光介质层上制备基底层，在所述基底层上相对应所述面发射激光器阵列的出光孔位置具有周期排布的沟槽结构，在沟槽中填充有折射率不同于基底层的材料，使得模式选择层能够从多阶超模中筛选出同相模。
7.一种如权利要求1～6中任一项所述的相干阵面发射半导体激光器结构的制备方法，其特征在于，包括：
制备周期分布的面发射激光器阵列；
在面发射激光器阵列的第二DBR层上制备键合层；
在键合层上键合通光介质层；
在通光介质层的输出端制备模式选择层；
在模式选择层后镀外腔反射层；
封装。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210580770.2A CN115000809A (zh) | 2022-05-25 | 2022-05-25 | 一种相干阵面发射半导体激光器结构及其制备方法 |
| PCT/CN2023/087989 WO2023226610A1 (zh) | 2022-05-25 | 2023-04-13 | 一种相干阵激光器结构及制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210580770.2A CN115000809A (zh) | 2022-05-25 | 2022-05-25 | 一种相干阵面发射半导体激光器结构及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115000809A true CN115000809A (zh) | 2022-09-02 |
Family
ID=83028935
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210580770.2A Pending CN115000809A (zh) | 2022-05-25 | 2022-05-25 | 一种相干阵面发射半导体激光器结构及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115000809A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023226610A1 (zh) * | 2022-05-25 | 2023-11-30 | 北京工业大学 | 一种相干阵激光器结构及制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112310804A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-02-02 | 北京工业大学 | 一种带相位补偿层的vcsel结构及制备方法 |
| CN112332215A (zh) * | 2020-11-02 | 2021-02-05 | 北京工业大学 | 一种带有衍射光学元件vcsel芯片结构及制备方法 |
| US20210305772A1 (en) * | 2020-03-31 | 2021-09-30 | Forschungsverbund Berlin E.V. | Diode laser having reduced beam divergence |
| CN114300942A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-08 | 北京工业大学 | 一种以GaAs-OI基为外腔反馈的底发射VCSEL激光器及制备方法 |
-
2022
- 2022-05-25 CN CN202210580770.2A patent/CN115000809A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20210305772A1 (en) * | 2020-03-31 | 2021-09-30 | Forschungsverbund Berlin E.V. | Diode laser having reduced beam divergence |
| CN112310804A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-02-02 | 北京工业大学 | 一种带相位补偿层的vcsel结构及制备方法 |
| CN112332215A (zh) * | 2020-11-02 | 2021-02-05 | 北京工业大学 | 一种带有衍射光学元件vcsel芯片结构及制备方法 |
| CN114300942A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-08 | 北京工业大学 | 一种以GaAs-OI基为外腔反馈的底发射VCSEL激光器及制备方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023226610A1 (zh) * | 2022-05-25 | 2023-11-30 | 北京工业大学 | 一种相干阵激光器结构及制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Park et al. | Room-temperature GaN vertical-cavity surface-emitting laser operation in an extended cavity scheme | |
| RU2623663C2 (ru) | Поверхностно-излучающий лазерный прибор с вертикальным внешним резонатором с оптической накачкой | |
| CN1950781B (zh) | 具有集成吸收器的表面发射激光器 | |
| CN112310804A (zh) | 一种带相位补偿层的vcsel结构及制备方法 | |
| JP4624651B2 (ja) | 垂直空洞光デバイスの製造方法 | |
| JP2013541854A (ja) | 垂直外部キャビティ面発光レーザに対する光学素子 | |
| JP2004503118A (ja) | 半導体レーザ・ポンピング固体レーザ・システムに使用するｖｃｓｅｌおよび集積マイクロレンズを有するｖｃｓｅｌアレイ | |
| CN103650264A (zh) | 面发射激光器元件和原子振荡器 | |
| TWI357699B (en) | Semiconductor laser device | |
| CN115000809A (zh) | 一种相干阵面发射半导体激光器结构及其制备方法 | |
| CN112670829A (zh) | 晶圆级vcsel激光阵列结构及制备方法 | |
| JP3219823B2 (ja) | 半導体発光素子 | |
| US8576889B2 (en) | Method of producing a radiation-emitting component and radiation-emitting component | |
| TW200404395A (en) | Optically pumped radiation-emitting semiconductor-device and its production method | |
| JP3965848B2 (ja) | 光学素子、レーザアレイ、および光学素子の製造方法 | |
| WO2023226610A1 (zh) | 一种相干阵激光器结构及制备方法 | |
| US6835581B2 (en) | Method of coating optical device facets with dielectric layer and device made therefrom | |
| JP6252222B2 (ja) | 面発光レーザアレイ及びレーザ装置 | |
| US7653113B2 (en) | Pump laser integrated vertical external cavity surface emitting laser | |
| JP4360806B2 (ja) | 光学的にポンピングされる面発光型半導体レーザ装置および該装置の製造方法 | |
| CN109412019A (zh) | 延长腔面光源vcsel及其应用 | |
| US7492802B2 (en) | End pumping vertical external cavity surface emitting laser apparatus | |
| JP3606063B2 (ja) | 面発光型半導体レーザの製造方法 | |
| CN102170089A (zh) | 氮化物基半导体发光元件和封装中安装该元件的发光器件 | |
| JP2024519809A (ja) | 光電子構成要素及びレーザ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220902 |