CN210074424U - 一种长波长垂直腔面发射半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种长波长垂直腔面发射半导体激光器，从下至上依次包括DBR反射镜、下电流注入层、发光区、上电流注入层和反射光栅，其中DBR反射镜与反射光栅会相对设置，而反射光栅的反射光波长与DBR反射镜的反射光波长相同，且反射光栅的反射率小于DBR反射镜的反射率。此时，发光区位于反射光栅以及DBR反射镜之间区域所产生的光线会在反射光栅与DBR反射镜之间振荡从而产生激光，并且光线会从反射光栅射出半导体激光器，上述反射光栅的位置即半导体激光器中出光孔的位置。由于反射光栅的结构简单且制备工艺简单，可以降低激光器的制备成本。

Description

一种长波长垂直腔面发射半导体激光器

技术领域

本实用新型涉及半导体激光器技术领域，特别是涉及一种长波长垂直腔面发射半导体激光器。

背景技术

垂直腔面发射半导体激光器即VCSEL激光器，是一种垂直表面出光的半导体激光器，它具有阈值低，发散角小，激光功率密度高，易于单片集成，热稳定性好等优点，在医疗、传感、显示技术、信息存储、空间通讯和卫星导航上有着极其重要的应用。由于长波长的VCSEL激光器在远距离通信、气体传感、激光雷达等高端应用中有着非常广阔的前景，目前对于如何提高长波长VCSEL激光器的制备效率，降低制备难度是近年来关注的热点。

长波长的VCSEL激光器通常采用InP基材料组成，这类材料无法采用近红外波段VCSEL通用的侧氧化工艺来制备发光孔。目前通用的方法是在发光区附近制备具有极高掺杂浓度的隧道结导电层，并通过刻蚀的方法先将隧道结导电层进行刻蚀，将隧道结导电层保留下来一部分，然后再在其上方继续生长发光区材料层。生长完发光区材料层后，再在发光区上方制备多层薄膜组成的光学反射镜。这样的话，发光区的发光孔位置就由高掺杂的隧道结导电层所处的位置来决定。因此，在该工艺中涉及到超高掺杂浓度的材料制备工艺、发光区的二次外延工艺这两个难度非常大的制备工艺。高掺杂极易引起材料内部缺陷，影响可靠性，并且掺杂原子对光有强的吸收作用，高掺杂的隧道结材料层的位置必须精准控制在振荡光的驻波节点位置，几个纳米的位置偏差就会引起激光器的吸收系数大幅增加，使其出光性能急剧衰减。因此，目前长波长的VCSEL激光器受限于上述制备工艺，开发难度非常大，制造成本极其高昂，迫切需要一种简单实用的方法来解决长波长VCSEL激光器出光孔制备难题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种长波长垂直腔面发射半导体激光器，可以简单的制备出长波长VCSEL激光器。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种长波长垂直腔面发射半导体激光器，包括：

DBR反射镜；

位于所述DBR反射镜表面的下电流注入层；

位于所述下电流注入层背向所述DBR反射镜一侧表面的发光区；

位于所述发光区背向所述DBR反射镜一侧表面的上电流注入层；

位于所述上电流注入层背向所述DBR反射镜一侧表面预设出光区域的反射光栅；所述反射光栅的反射光波长与所述DBR反射镜的反射光波长相同，所述反射光栅的反射率小于所述DBR反射镜的反射率。

可选的，所述反射光栅的反射率的取值范围为95％至99％，包括端点值。

可选的，所述下电流注入层背向所述DBR反射镜一侧表面具有台阶面，所述台阶面设置有下电极；所述上电流注入层背向所述DBR反射镜一侧表面设置有上电极。

可选的，所述发光区为量子阱发光区或量子点发光区。

可选的，所述下电流注入层背向所述DBR反射镜一侧表面设置有至少两个所述发光区，相邻所述发光区之间相互隔离；任一所述发光区背向所述DBR反射镜一侧表面均设置有对应的所述上电流注入层；任一所述上电流注入层背向所述DBR反射镜一侧表面的出光区域均设置有对应的所述反射光栅。

可选的，所述上电流注入层背向所述DBR反射镜一侧表面设置有至少两个相互隔离的所述反射光栅，相邻所述反射光栅之间的距离不大于所述上电流注入层中电流的扩散距离；相邻所述反射光栅之间的距离不大于所述下电流注入层中电流的扩散距离。

本实用新型所提供的一种长波长垂直腔面发射半导体激光器，从下至上依次包括DBR反射镜、下电流注入层、发光区、上电流注入层和反射光栅，其中DBR反射镜与反射光栅会相对设置，而反射光栅的反射光波长与DBR反射镜的反射光波长相同，且反射光栅的反射率小于DBR反射镜的反射率。此时，发光区位于反射光栅以及DBR反射镜之间区域所产生的光线会在反射光栅与DBR反射镜之间振荡从而产生激光，并且由于反射光栅的反射率小于DBR反射镜的反射率，光线会从反射光栅射出半导体激光器，上述反射光栅的位置即半导体激光器中出光孔的位置。由于反射光栅的结构简单且制备工艺简单，可以极大的简化长波长VCSEL激光器出光孔的制备，从而降低长波长VCSEL激光器的制备成本。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例所提供的一种长波长垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例所提供的一种具体的长波长垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例所提供的另一种具体的长波长垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图。

图中：1.DBR反射镜、2.下电流注入层、3.发光区、4.上电流注入层、5.反射光栅、6.下电极、7.上电极。

具体实施方式

本实用新型的核心是提供一种长波长垂直腔面发射半导体激光器。在现有技术中，长波长的VCSEL激光器通常采用InP基材料组成，这类材料无法采用近红外波段VCSEL通用的侧氧化工艺来制备发光孔。目前通用的方法是在发光区附近制备具有极高掺杂浓度的隧道结导电层，并通过刻蚀的方法先将隧道结导电层进行刻蚀，将隧道结导电层保留下来一部分，然后再在其上方继续生长发光区材料层。生长完发光区材料层后，再在发光区上方制备多层薄膜组成的光学反射镜。这样的话，发光区的发光孔位置就由高掺杂的隧道结导电层所处的位置来决定。因此，在该工艺中涉及到超高掺杂浓度的材料制备工艺、发光区的二次外延工艺这两个难度非常大的制备工艺。高掺杂极易引起材料内部缺陷，影响可靠性，并且掺杂原子对光有强的吸收作用，高掺杂的隧道结材料层的位置必须精准控制在振荡光的驻波节点位置，几个纳米的位置偏差就会引起激光器的吸收系数大幅增加，使其出光性能急剧衰减。因此，目前长波长的VCSEL激光器受限于上述制备工艺，开发难度非常大，制造成本极其高昂。

而本实用新型所提供的一种长波长垂直腔面发射半导体激光器，从下至上依次包括DBR反射镜、下电流注入层、发光区、上电流注入层和反射光栅，其中DBR反射镜与反射光栅会相对设置，而反射光栅的反射光波长与DBR反射镜的反射光波长相同，且反射光栅的反射率小于DBR反射镜的反射率。此时，发光区位于反射光栅以及DBR反射镜之间区域所产生的光线会在反射光栅与DBR反射镜之间振荡从而产生激光，并且由于反射光栅的反射率小于DBR反射镜的反射率，光线会从反射光栅射出半导体激光器，上述反射光栅的位置即半导体激光器中出光孔的位置。由于反射光栅的结构简单且制备工艺简单，可以极大的简化长波长VCSEL激光器出光孔的制备，从而降低长波长VCSEL激光器的制备成本。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通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，都属于本实用新型保护的范围。

请参考图1，图1为本实用新型实施例所提供的一种长波长垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图。

参见图1，在本实用新型实施例中，长波长垂直腔面发射半导体激光器包括DBR反射镜1；位于所述DBR反射镜1表面的下电流注入层2；位于所述下电流注入层2背向所述DBR反射镜1一侧表面的发光区3；位于所述发光区3背向所述DBR反射镜1一侧表面的上电流注入层4；位于所述上电流注入层4背向所述DBR反射镜1一侧表面预设出光区域的反射光栅5；所述反射光栅5的反射光波长与所述DBR反射镜1的反射光波长相同，所述反射光栅5的反射率小于所述DBR反射镜1的反射率。

上述DBR反射镜1通常是由多层不同反射率的膜层相互按周期堆叠而成，有关DBR反射镜1的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。在本实用新型实施例中，DBR反射镜1具有预设的反射光波长，即DBR反射镜1对于预设波长的光线具有极高的反射率，该预设波长的光线即半导体激光器所能产生激光的波长。

上述下电流注入层2位于DBR反射镜1表面，该下电流注入层2通常用于向发光区3注入载流子。有关下电流注入层2的具体材质可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

上述发光区3位于下电流注入层2背向DBR反射镜1一侧表面，而上电流注入层4位于发光区3背向DBR反射镜1一侧表面。此时，下电流注入层2与上电流注入层4会相对设置，下电流注入层2与上电流注入层4会夹住发光区3，从而构成一类三明治结构。上电流注入层4通常用于向发光区3注入载流子，而发光区3可以产生激光。具体的，由下电流输入层传输的载流子与上电流注入层4传输的载流子会在发光区3内发生耦合，从而产预设波长的光线。需要说明的是，下电流输入层传输的载流子与上电流注入层4传输的载流子的性质通常相反。有关发光区3以及上电流注入层4的具体结构以及具体材质可以参考现有技术，在此不再进行赘述。通常情况下，在本实用新型实施例中所述发光区3通常为量子阱发光区3或量子点发光区3。即该发光区3的结构为量子阱结构或量子点结构均可，在本实用新型实施例中不做具体限定。当然，在本实用新型实施例中对于发光区3的具体结构并不做具体限定，只要能产生预设波长的光线即可。

上述反射光栅5位于上电流注入层4背向DBR反射镜1一侧表面的预设出光区域，通常情况下在上电流输入层表面划分有出光区域和非出光区域，其中出光区域即半导体激光器中出光孔的预设位置，而在非出光区域中，不会有激光从上述非出光区域中射出半导体激光器。具体的，上述反射光栅5仅设置在上电流注入层4表面预先划分的出光区域。上述反射光栅5与DBR反射镜1会相对设置，而位于反射光栅5与DBR反射镜1之间区域的发光区3所产生的光线会在反射光栅5与DBR反射镜1之间发生振荡从而产生激光。需要说明的是，上述反射光栅5也是一种对特定波长光线具有极高反射率的结构，有关反射光栅5的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

具体的，上述反射光栅5的反射光波长与DBR反射镜1的反射光波长需要相同，通常也需要等于发光区3所发出光线的波长，以保证光线可以在反射光栅5于DBR反射镜1之间发生振荡。同时，上述反射光栅5的反射率需要小于DBR反射镜1的反射率，以保证激光最终可以从反射光栅5射出半导体激光器。具体的，在本实用新型实施例中，上述反射光栅5的反射率的取值范围通常为95％至99％，包括端点值。即反射光栅5的反射率可以恰好为95％或99％，以及其中间的任意数值，当然，在本实用新型实施例中DBR反射镜1的反射率需要大于反射光栅5的反射率。

通常情况下，在本实用新型实施例中所述下电流注入层2背向所述DBR反射镜1一侧表面具有台阶面，所述台阶面设置有下电极6；所述上电流注入层4背向所述DBR反射镜1一侧表面设置有上电极7。

上述下电极6需要与下电流注入层2电连接，而上电极7需要与上电流注入层4电连接，从而便于操作人员通过上电极7以及下电极6向发光区3注入电流。具体的，上述发光区3的尺寸会小于下电流注入层2的尺寸，从而在下电流注入层2背向DBR反射镜1一侧表面形成有台阶面，而在该台阶面设置有下电极6，以使下电极6与下电流注入层2相互接触形成电连接。而上述上电极7通常设置在上电流注入层4背向DBR反射镜1一侧表面，通常是设置在上电流注入层4背向DBR反射镜1一侧表面的非出光区域，以与上电流注入层4相互接触形成电连接。在使用过程中，操作人员会通过上电极7以及下电极6向半导体激光器供电，以将载流子注入发光区3产生光线，该光线会在反射光栅5以及DBR反射镜1之间发生振荡，所形成的激光会从反射光栅5射出半导体激光器。

本实用新型实施例所提供的一种长波长垂直腔面发射半导体激光器，从下至上依次包括DBR反射镜1、下电流注入层2、发光区3、上电流注入层4和反射光栅5，其中DBR反射镜1与反射光栅5会相对设置，而反射光栅5的反射光波长与DBR反射镜1的反射光波长相同，且反射光栅5的反射率小于DBR反射镜1的反射率。此时，发光区3位于反射光栅5以及DBR反射镜1之间区域所产生的光线会在反射光栅5与DBR反射镜1之间振荡从而产生激光，并且由于反射光栅5的反射率小于DBR反射镜1的反射率，光线会从反射光栅5射出半导体激光器，上述反射光栅5的位置即半导体激光器中出光孔的位置。由于反射光栅5的结构简单且制备工艺简单，可以极大的简化长波长VCSEL激光器出光孔的制备，从而降低长波长VCSEL激光器的制备成本。

有关本实用新型所提供的一种长波长垂直腔面发射半导体激光器的具体结构将在下述实用新型实施例中做详细介绍。

请参考图2，图2为本实用新型实施例所提供的一种具体的长波长垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图。

区别于上述实用新型实施例，本实用新型实施例是在上述实用新型实施例的基础上，进一步的对长波长垂直腔面发射半导体激光器的结构进行具体限定。其余内容已在上述实用新型实施例中进行了详细介绍，在此不再进行赘述。

参见图2，在本实用新型实施例中，所述下电流注入层2背向所述DBR反射镜1一侧表面设置有至少两个所述发光区3，相邻所述发光区3之间相互隔离；任一所述发光区3背向所述DBR反射镜1一侧表面均设置有对应的所述上电流注入层4；任一所述上电流注入层4背向所述DBR反射镜1一侧表面的出光区域均设置有对应的所述反射光栅5。

在本实用新型实施例中，长波长垂直腔面发射半导体激光器具有多个发光点，其中图2所示结构以两个发光点为例。当然在本实用新型实施例中可以设置更多的发光点以形成任意数量发光点的长波长VCSEL列阵结构。具体的，在本实用新型实施例中，下电流注入层2背向DBR反射镜1一侧表面设置有至少两个所述发光区3，即多个发光点共用一个下电流注入层2，相应的多个发光点通常也会共用位于下电流注入层2表面的下电极6。

在本实用新型实施例中，每个发光区3背向DBR反射镜1一侧表面均设置有对应的上电流注入层4，而每个上电流注入层4背向DBR反射镜1一侧表面均设置有对应的反射光栅5。而除去共用的下电流注入层2之外，每一个由发光区3、上电流注入层4以及反射光栅5堆叠的结构均构成一发光点可以发射激光。即本实用新型实施例所提供的长波长垂直腔面发射半导体激光器相当于由多个小长波长垂直腔面发射半导体激光器构成，其中多个小长波长垂直腔面发射半导体激光器共用同一个DBR反射镜1以及共用同一个下电流注入层2。

需要说明的是，上述相邻的光区之间需要相互隔离，以确保相邻发光点之间不会出现电流串扰。相应的，上述每一个上电流注入层4表面通常需要设置至少一个上电极7，以保证每个发光点可以使用。

本实用新型实施例所提供的一种长波长垂直腔面发射半导体激光器，通过设置多个相互隔离的发光区3，并在各个发光区3表面依次设置上电流注入层4和反射光栅5，可以在一个长波长垂直腔面发射半导体激光器中集成多个发光点，从而形成长波长垂直腔面发射半导体激光阵列。

有关本实用新型所提供的一种长波长垂直腔面发射半导体激光器的具体结构将在下述实用新型实施例中做详细介绍。

请参考图3，图3为本实用新型实施例所提供的另一种具体的长波长垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图。

区别于上述实用新型实施例，本实用新型实施例是在上述实用新型实施例的基础上，进一步的对长波长垂直腔面发射半导体激光器的结构进行具体限定。其余内容已在上述实用新型实施例中进行了详细介绍，在此不再进行赘述。

参见图3，在本实用新型实施例中，所述上电流注入层4背向所述DBR反射镜1一侧表面设置有至少两个相互隔离的所述反射光栅5，相邻所述反射光栅5之间的距离不大于所述上电流注入层4中电流的扩散距离；相邻所述反射光栅5之间的距离不大于所述下电流注入层2中电流的扩散距离。

在本实用新型实施例中，一共在上电流注入层4背向DBR反射镜1一侧表面设置有至少两个相互隔离的反射光栅5，上述每一个反射光栅5即对应一个发光点，而上述发光点会共用DBR反射镜1、下电流注入层2、发光区3以及上电流注入层4。此时，由于不同发光点之间共用发光区3，相当于上述发光点之间没有相互隔离，发光区3所产生的光线会在不同发光点之间传播。

此时在本实用新型实施例中，发光区3产生的光线不仅会在DBR反射镜1与不同的反射光栅5之间震荡，在横向上也有一定比例的光线在相邻发光点之间传输。此时在DBR反射镜1与不同的反射光栅5之间震荡的激光会相互锁定，实现同相位的振荡，最终形成相位相同的两束相干激光输出。相应的，本实用新型实施例所提供的半导体激光器可以形成任意数量发光点的长波长VCSEL相干列阵。

需要说明的是，在本实用新型实施例中，相邻反射光栅5之间的距离需要不大于上电流注入层4中电流的扩散距离；同时相邻反射光栅5之间的距离需要不大于下电流注入层2中电流的扩散距离。将相邻反射光栅5之间距离限制在上述范围内，可以以保证两个反射光栅5下方均有电稳定的电流注入，从而可以实现激光振荡，保证输出相位相同的多束相干激光。

本实用新型实施例所提供的一种长波长垂直腔面发射半导体激光器，通过仅在上电流输入层表面设置多个反射光栅5，并控制相邻反射光栅5之间的距离，可以实现输出相位相同的多束相干激光，从而构成长波长VCSEL相干列阵。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本实用新型所提供的一种长波长垂直腔面发射半导体激光器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种长波长垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，包括：

DBR反射镜；

位于所述DBR反射镜表面的下电流注入层；

位于所述下电流注入层背向所述DBR反射镜一侧表面的发光区；

位于所述发光区背向所述DBR反射镜一侧表面的上电流注入层；

位于所述上电流注入层背向所述DBR反射镜一侧表面预设出光区域的反射光栅；所述反射光栅的反射光波长与所述DBR反射镜的反射光波长相同，所述反射光栅的反射率小于所述DBR反射镜的反射率。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述反射光栅的反射率的取值范围为95％至99％，包括端点值。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述下电流注入层背向所述DBR反射镜一侧表面具有台阶面，所述台阶面设置有下电极；所述上电流注入层背向所述DBR反射镜一侧表面设置有上电极。

4.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，所述发光区为量子阱发光区或量子点发光区。

5.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的半导体激光器，其特征在于，所述下电流注入层背向所述DBR反射镜一侧表面设置有至少两个所述发光区，相邻所述发光区之间相互隔离；任一所述发光区背向所述DBR反射镜一侧表面均设置有对应的所述上电流注入层；任一所述上电流注入层背向所述DBR反射镜一侧表面的出光区域均设置有对应的所述反射光栅。

6.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的半导体激光器，其特征在于，所述上电流注入层背向所述DBR反射镜一侧表面设置有至少两个相互隔离的所述反射光栅，相邻所述反射光栅之间的距离不大于所述上电流注入层中电流的扩散距离；相邻所述反射光栅之间的距离不大于所述下电流注入层中电流的扩散距离。

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