CN115764547A - 一种激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光装置，该激光装置包括阵列设置的VCSEL激光芯片，每个VCSEL激光芯片至少包括两个发光单元，每个发光单元由一个阳极控制，所有的发光单元均共用一个阴极，每个发光单元具有一个发光孔；其中，每个阳极通过P型电极层与发光单元电性连接，阴极通过N型电极层与所有的发光单元电性连接；且相邻的两个阳极的顶部相互靠近设置，底部相互远离设置，以使相邻的两个阳极之间形成有间隙，阴极位于该间隙内；本发明的一颗激光芯片至少集成两个可独立工作的高速VCSEL激光发光孔，这两个发光孔有不同的阳极电极控制，共享相同的阴极电极，VCSEL的数据传输速率大于6Gb/s，且VCSEL激光芯片其中一个发光孔的失效不会影响另一个发光孔的正常工作。

Description

一种激光装置

技术领域

本发明涉及激光通信技术领域，更具体地，涉及到一种激光装置。

背景技术

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)，以砷化镓半导体材料为基础研制，有别于LED(发光二极管)和EEL(Edge Emitting Laser,边发射激光器)等其他光源，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，广泛应用与光通信，光互连，光存储等领域。

现有技术中，VCSEL激光芯片只有1个发光孔，一旦该发光孔的失效，造成VCSEL激光芯片无法及时传输光信号，需要重新更换，增加激光装置的维护成本。

因此，需要提出一种激光装置，以解决上述技术问题中的VCSEL芯片中的一个发光孔的失效，影响整个的激光装置的正常工作的技术问题。

发明内容

本发明提供一种激光装置，能够解决目前VCSEL芯片中的一个发光孔的失效，影响整个的激光装置的正常工作的技术问题。

为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：

本发明提供一种激光装置，所述激光装置包括阵列设置的VCSEL激光芯片，每个所述VCSEL激光芯片至少包括两个发光单元，每个发光单元由一个阳极控制，所有的发光单元均共用一个阴极，每个发光单元具有一个发光孔；其中，每个所述阳极通过P型电极层与所述发光单元电性连接，所述阴极通过N型电极层与所有的所述发光单元电性连接；且相邻的两个阳极的顶部相互靠近设置，底部相互远离设置，以使相邻的两个阳极之间形成有间隙，所述阴极位于该间隙内。

根据本发明一可选实施例，所述阳极为圆形和长圆形的叠加结构，所述阴极为长圆形。

根据本发明一可选实施例，所述发光单元包括衬底、位于所述衬底之上的VCSEL激光芯片，所述VCSEL激光芯片包括位于所述衬底之上的第一反射层和所述N型电极层、位于所述第一反射层之上的半导体有源层、位于所述半导体有源层之上的氧化限制层、位于所述氧化限制层之上的第二反射层、以及位于所述第二反射层之上的所述P型电极层；

其中，所述半导体有源层包括MQW多量子阱层。

根据本发明一可选实施例，所述第一反射层为N型布拉格反射层，所述第二反射层为P型布拉格反射层。

根据本发明一可选实施例，所述P型电极层在所述发光孔对应位置设置有开口。

根据本发明一可选实施例，所述衬底的材料为GaAs、GaN和lnP中任意一种；所述氧化限制层的材料为AlGaAs。

根据本发明一可选实施例，所述第二反射层至所述衬底之间还设置第一过孔和第二过孔，所述第一过孔和所述第二过孔内均填充有绝缘保护层，所述绝缘保护层的材料为氧化硅或氮化硅中的一种材料。

根据本发明一可选实施例，每个所述VCSEL激光芯片包括一个第一阴极、对称设置在所述第一阴极两侧的第一阳极和第二阳极，所述第一阳极的倾斜方向朝向所述第一阴极，所述第二阳极的倾斜方向也朝向所述第一阴极。

根据本发明一可选实施例，所述第一阳极和所述第二阳极的顶部相互靠近设置，所述VCSEL激光芯片对应所述第一阳极和所述第二阳极的顶部位置的下方分别设置有第一发光单元和第二发光单元。

根据本发明一可选实施例，所述第一发光单元和所述第二发光单元之间的中心距为50um至250um。

本发明的有益效果：本发明提供一种激光装置，该激光装置包括阵列设置的VCSEL激光芯片，每个VCSEL激光芯片至少包括两个发光单元，每个发光单元由一个阳极控制，所有的发光单元均共用一个阴极，每个发光单元具有一个发光孔；其中，每个阳极通过P型电极层与发光单元电性连接，阴极通过N型电极层与所有的发光单元电性连接；且相邻的两个阳极的顶部相互靠近设置，底部相互远离设置，以使相邻的两个阳极之间形成有间隙，阴极位于该间隙内；相比于现有技术，本发明的一颗激光芯片至少集成两个可独立工作的高速VCSEL激光发光孔，这两个发光孔由不同的阳极电极控制，共享相同的阴极电极，VCSEL的数据传输速率大于6Gb/s，且VCSEL激光芯片其中一个发光孔的失效不会影响另一个发光孔的正常工作。

附图说明

为了更清楚地说明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供一种激光装置结构示意图。

图2为本申请提供一种激光装置中的一个VCSEL激光芯片的结构示意图。

图3为本申请提供一种激光装置中的一个VCSEL激光芯片的剖切线示意图。

图4和图5为图3中的A-B的截面示意图。

图6至图9为VCSEL激光芯片制备过程中的结构流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明针对现有技术中的VCSEL激光芯片只有1个发光孔，一旦该发光孔的失效，造成VCSEL激光芯片无法及时传输光信号，需要重新更换，增加激光装置的维护成本的技术问题，本实施例能够解决该缺陷。

本发明提供一种激光装置，该激光装置包括阵列设置的VCSEL激光芯片，每个所述VCSEL激光芯片至少包括两个发光单元，每个发光单元由一个阳极控制，所有的发光单元均共用一个阴极，每个发光单元具有一个发光孔；其中，每个所述阳极通过P型电极层与所述发光单元电性连接，所述阴极通过N型电极层与所有的所述发光单元电性连接；且相邻的两个阳极的顶部相互靠近设置，底部相互远离设置，以使相邻的两个阳极之间形成有间隙，所述阴极位于该间隙内。相比于现有技术，本发明中的一颗激光芯片集成两个可独立工作的高速VCSEL激光发光孔，这两个发光孔有不同的阳极电极控制，共享相同的阴极电极，VCSEL的数据传输速率>6Gb/s，且VCSEL激光芯片其中一个发光孔的失效不会影响另一个发光孔的正常工作，不需要重新更换，降低激光装置的维护成本。

详细地，如图1所示，本申请提供一种激光装置结构示意图。所述激光装置10包括阵列设置的VCSEL激光芯片，VCSEL激光芯片的出光垂直腔面发射，多个VCSEL激光芯片的发光点构成的二维阵列，因而具有很高的光学输出功率。这种高功率VCSEL激光装置有着诸多优异的特性，包括极高的可靠性、高温工作稳定性、光学均匀分布、波长温漂小等，从而正在逐渐成为未来高功率半导体通信激光器发展的重要方向。

VCSEL激光芯片的阵列包括VCSEL激光芯片11、VCSEL激光芯片12、VCSEL激光芯片13…VCSEL激光芯片1n，VCSEL激光芯片11、VCSEL激光芯片12、VCSEL激光芯片13和VCSEL激光芯片1n均至少包括两个发光单元，每个发光单元具有一个发光孔。

图2结合图1，以VCSEL激光芯片11为例，所述VCSEL激光芯片11至少包括两个发光单元，例如发光单元112和发光单元113。每个发光单元由一个阳极控制，所有的发光单元均共用一个阴极；发光单元112由阳极121控制，发光单元113由阳极122控制，发光单元112和发光单元113共用一个阴极123。其中，每个所述阳极通过P型电极层与所述发光单元电性连接，所述阴极通过N型电极层与所有的所述发光单元电性连接。

在VCSEL激光芯片11内，相邻的两个阳极的顶部相互靠近设置，底部相互远离设置，以使相邻的两个阳极之间形成有间隙，所述阴极位于该间隙内。本实施例中的每个所述VCSEL激光芯片包括一个第一阴极123、对称设置在所述第一阴极123两侧的第一阳极121和第二阳极122，第一阳极121和第二阳极122为倾斜设置，所述第一阳极121的倾斜方向朝向所述第一阴极123，所述第二阳极122的倾斜方向也朝向所述第一阴极123。第一阳极121和第二阳极122的顶部相互靠近设置，底部相互远离设置，以使第一阳极121和第二阳极122之间形成有间隙，所述阴极123位于该间隙内。

第一阳极121和第二阳极122均为圆形和长圆形的叠加结构，阴极123为长圆形。所述第一阳极121和所述第二阳极122的顶部相互靠近设置，所述VCSEL激光芯片11对应所述第一阳极121和所述第二阳极122的顶部位置的下方分别设置有第一发光单元112和第二发光单元113。

所述第一发光单元112和所述第二发光单元113均为圆形、椭圆形、三角形、四边形、五边形、六边形或其他不规则形状，且所述第一发光单元112和所述第二发光单元113之间的中心距为50um至250um，本实施例中的所述第一发光单元112和所述第二发光单元113均优选为圆形。

图3为本申请提供一种激光装置中的一个VCSEL激光芯片的剖切线示意图。如图3所示，剖切线A-B沿第一阳极121的轴心线弯折至第一阴极123上。

图4为图3中的A-B的一种截面示意图。所述发光单元110包括衬底111、位于所述衬底111之上的VCSEL激光芯片，所述VCSEL激光芯片包括位于所述衬底111之上的第一反射层114和所述N型电极层115、位于所述第一反射层115之上的半导体有源层116、位于所述半导体有源层116之上的氧化限制层117、位于所述氧化限制层117之上的第二反射层118、以及位于所述第二反射层118之上的所述P型电极层119；其中，所述半导体有源层116包括MQW多量子阱层，所述氧化限制层117的材料为AlGaAs，所述P型电极层119在对应发光孔位置还设置有开口1191。

所述第二反射层118至所述衬底111之间还设置第一过孔和第二过孔，所述第一过孔和所述第二过孔内均填充有绝缘保护层，所述绝缘保护层的材料为氧化硅或氮化硅中的一种材料，例如，所述第一过孔内均填充有第一绝缘保护层141，所述第二过孔内均填充有第二绝缘保护层142，第二绝缘保护层142还贴合于P型电极层119的底部和所述VCSEL激光芯片的侧面设置。

本实施例中的所述第一反射层114和所述第二反射层118分别包括由不同折射率材料的交替层组成的叠加膜层，该叠加膜层形成分布式布拉格反射器，交替层的材料选择取决于所需激光的工作波长。在本申请的另一个具体的示例中，所述第一反射层114和所述第二反射层118可以由高铝含量的AlGaAs和低铝含量的AlGaAs的交替层形成。值得一提的是，交替层的光学厚度等于或约等于激光工作波长的1/4。特别地，在本申请实施例中，所述第一反射层114为N型布拉格反射层，即，N-DBR；所述第二反射层118为P型布拉格反射层，即，P-DBR。所述第一反射层114和所述第二反射层118用于形成谐振腔，使得光波在两层之间来回反射，同时决定特定波长的光波形成激光振荡。

半导体有源层116被夹设在所述第一反射层114和所述第二反射层118之间，半导体有源层用于为来回反射的光波提供增益以实现光放大，其中，光子在被激发后在所述协振腔内来回反射不断重复放大以形成激光振荡，从而形成了激光，激光从发光单元110的顶面出射的。

在操作过程中，将操作电压施加到所述VCSEL激光器10的N型电极层115和P型电极层119以在半导体结构中产生电流，在被导通后，电流被形成于所述半导体有源层116上方的氧化限制层117限制流向，其最终被导入半导体有源层116的中间区域，以使得在半导体有源层116的中间区域产生激光。

所述氧化限制层117具有较高的电阻率，使得载流子流入半导体有源层的并限制在中间区域，且所述氧化限制层117的折射率较低以对光子进行横向限制，载流子和光学横向限制增加了半导体有源层116内的载流子和光子的密度，提高了在所述半导体有源层116内产生光的效率。限制注入电流，提高电流密度，同时也限制VCSEL发光区域。

进一步地，在本申请实施例中，所述衬底111的制成材料选自GaAs、GaN和lnP中任意一种，其允许波长范围在300nm至1500mm的激光透过。优选地，所述衬底111由GaAs材料制成，其可以是未掺杂的，可以是N型掺杂的(例如，掺杂了Si)，也可以是P型掺杂的(例如，掺杂了Zn)。由GaAs材料制成的所述衬底111对特定波长的激光(例如，980nm波段的激光)的吸收损耗非常小，甚至可以忽略。因此，当激光在所述内腔内振荡并从所述第一反射层114射出并在所述衬底111内传播的过程中，激光在所述衬底111内几乎没有发生吸收损耗。

图5为图3中的A-B的另一种截面示意图。本实施例中的发光单元的截面上不包含P型电极层119和N型电极层115，所述发光单元包括衬底111、位于所述衬底111之上的VCSEL激光芯片，所述VCSEL激光芯片包括位于所述衬底111之上的第一反射层114、位于所述第一反射层115之上的半导体有源层116、位于所述半导体有源层116之上的氧化限制层117、以及位于所述氧化限制层117之上的第二反射层118。

依据上述实施例的激光装置，本发明还提供一种激光装置的制备方法，所述方法包括：

步骤S10，如图6所示，提供一衬底，在衬底之上制备第一反射层，在所述第一反射层之上制备半导体有源层，在所述半导体有源层之上制备第二反射层，从第二反射层向衬底方向上开设第一过孔141’和第二过孔142’，同时露出AlGaAs氧化层，再对氧化层进行氧化，发光单元周围的AlGaAs层氧化后实现对电流和光子的限制。

步骤S20，如图7所示，所述第一过孔141’内均填充有第一绝缘保护层141，第一绝缘保护层141还贴合于第一过孔141’和第二过孔142’之间结构的表面，所述第二过孔142’内均填充有第二绝缘保护层142，第二绝缘保护层142还贴合于远离第二过孔142’的结构的表面。氧化后，对被刻蚀部分镀绝缘保护层，使侧面绝缘，同时防止在后续过程中氧化层进一步向内氧化，影响谐振腔体积，造成激光特性突变。

步骤S30，如图8所示，在第二反射层之上制备P型电极层119，P型电极层119上发光孔的位置设置有开口1191，用做空穴的注入。该P型电极层119通过打线和控制IC相连接。

步骤S40，如图9所示，在衬底111的缺口处制备N型电极层115，用做电子的注入，该N型电极层115通过打线和控制IC相连接。其中，具体地，所述阳极通过P型电极层119与发光单元的半导体有源层电性连接，所述阴极通过N型电极层115与所述发光单元的半导体有源层连接。

综上，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种激光装置，其特征在于，包括阵列设置的VCSEL激光芯片，每个所述VCSEL激光芯片至少包括两个发光单元，每个发光单元由一个阳极控制，所有的发光单元均共用一个阴极，每个发光单元具有一个发光孔；

其中，每个所述阳极通过P型电极层与所述发光单元电性连接，所述阴极通过N型电极层与所有的所述发光单元电性连接；且相邻的两个阳极的顶部相互靠近设置，底部相互远离设置，以使相邻的两个阳极之间形成有间隙，所述阴极位于该间隙内。

2.如权利要求1所述的激光装置，其特征在于，所述阳极为圆形和长圆形的叠加结构，所述阴极为长圆形。

3.如权利要求2所述的激光装置，其特征在于，所述发光单元包括衬底、位于所述衬底之上的VCSEL激光芯片，所述VCSEL激光芯片包括位于所述衬底之上的第一反射层和所述N型电极层、位于所述第一反射层之上的半导体有源层、位于所述半导体有源层之上的氧化限制层、位于所述氧化限制层之上的第二反射层、以及位于所述第二反射层之上的所述P型电极层；

其中，所述半导体有源层包括MQW多量子阱层。

4.如权利要求3所述的激光装置，其特征在于，所述第一反射层为N型布拉格反射层，所述第二反射层为P型布拉格反射层。

5.如权利要求3所述的激光装置，其特征在于，所述P型电极层在所述发光孔对应位置设置有开口。

6.如权利要求3所述的激光装置，其特征在于，所述衬底的材料为GaAs、GaN和lnP中任意一种；所述氧化限制层的材料为AlGaAs。

7.如权利要求3所述的激光装置，其特征在于，所述第二反射层至所述衬底之间还设置第一过孔和第二过孔，所述第一过孔和所述第二过孔内均填充有绝缘保护层，所述绝缘保护层的材料为氧化硅或氮化硅中的一种材料。

8.如权利要求1所述的激光装置，其特征在于，每个所述VCSEL激光芯片包括一个第一阴极、对称设置在所述第一阴极两侧的第一阳极和第二阳极，所述第一阳极的倾斜方向朝向所述第一阴极，所述第二阳极的倾斜方向也朝向所述第一阴极。

9.如权利要求8所述的激光装置，其特征在于，所述第一阳极和所述第二阳极的顶部相互靠近设置，所述VCSEL激光芯片对应所述第一阳极和所述第二阳极的顶部位置的下方分别设置有第一发光单元和第二发光单元。

10.如权利要求9所述的激光装置，其特征在于，所述第一发光单元和所述第二发光单元之间的中心距为50um至250um。

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