CN215119533U

CN215119533U - 一种高光电转换率的垂直腔面激光器

Info

Publication number: CN215119533U
Application number: CN202120476836.4U
Authority: CN
Inventors: 高润珍
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-03-04
Filing date: 2021-03-04
Publication date: 2021-12-10
Anticipated expiration: 2031-03-04

Abstract

本实用新型涉及一种高光电转换率的垂直腔面激光器，包括箱体，箱体上表面四周分别与角垫下表面粘合，箱体上表面分别开设有通孔，通孔内安装有第一电极接触层，第一电极接触层上表面延伸至箱体上表面并与第二电极接触层电性连接，第一电极接触层内侧安装有透射镜，安装底座上表面与激光器本体锡焊连接，激光器本体包括衬底、保护膜、上叠层和下叠层。本高光电转换率的垂直腔面激光器，透射镜采用布拉格光栅实现纵模振荡和光放大，出光面改为为异质结的生长方向出光，大大增加了出光面积，发热功率以及散热性都得到大幅改善，输出波长在很宽的范围内可以调节，得到重复频率非常高的锁模脉冲输出，提高光电转换率，提高了工作效率。

Description

一种高光电转换率的垂直腔面激光器

技术领域

本实用新型涉及垂直腔面激光器技术领域，尤其是一种高光电转换率的垂直腔面激光器。

背景技术

垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL，又译垂直共振腔面射型激光)是一种半导体，其激光垂直于顶面射出，与一般用切开的独立芯片制程，激光由边缘射出的边射型激光有所不同。

在制作的过程中，VCSEL比边射型激光多了许多优点。边射型激光需要在制作完成后才可进行测试。若一个边射型激光无法运作，不论是因为接触不良或者是物质成长的品质不好，都会浪费制作过程与物质加工的处理时间。然而VCSEL可以在制造的任何过程中，测试其品质并且作问题处理，因为VCSEL的激光是垂直于反应区射出，与边射型激光平行于反应区射出相反，所以可以同时有数万个VCSEL在一个三英寸大的砷镓芯片上被处理。此外，既使VCSEL在制造的过程需要较多的劳动与较精细的材料，生产结果是可被控制的及更多可被预期的。

CN201880079276.X公开了一种垂直腔面发射激光器，该VCSEL包括第一电触点、第二电触点以及光学谐振器，激光器做成的条形结构或平板结构，并采用沿平行波导或者说是异质结界面的端面出光，这要使得内部发热功率很高，在大功率工作条件下很容易烧毁，不能满足垂直腔面发射激光器的高光电转换，使用寿命短。

边发射半导体激光器广泛应用于工业、医疗以及国防等多个领域，也是固体激光器泵浦和光纤激光器泵浦的普遍选择。然而众所周知，在高功率密度下，边发射半导体激光器的发射腔面容易产生光学灾变性损坏(COD)，这是导致高功率边发射半导体激光器性能下降的一个致命因素。相比之下，垂直腔面发射激光器(VCSEL)中则没有COD，因为其增益区是嵌入到外延结构中的，因此也不会暴露在外界环境中。此外，在边发射半导体激光器中，与边发射结相连的光波导的面积相对较小，从而导致其比VCSEL具有更高的功率密度。通常，一个典型的边发射激光器的故障率(FIT率定义为每10亿个器件工作小时中所出现的故障数)为500或更高。相比之下，VCSEL的FIT率为10或更小。一个使用VCSEL作泵浦源的系统，其使用寿命至少要比用边发射激光器作泵浦源长50倍。

实用新型内容

鉴于上述状况，有必要提供一种高光电转换率的垂直腔面激光器，透射镜采用布拉格光栅实现纵模振荡和光放大，出光面改为为异质结的生长方向出光，大大增加了出光面积，发热功率以及散热性都得到大幅改善，输出波长在很宽的范围内可以调节，得到重复频率非常高的锁模脉冲输出，提高光电转换率，提高了工作效率。

一种高光电转换率的垂直腔面激光器，包括箱体，箱体上表面四周分别与角垫下表面粘合，箱体上表面分别开设有通孔，通孔内安装有第一电极接触层，第一电极接触层上表面延伸至箱体上表面并与第二电极接触层电性连接，第一电极接触层内侧安装有透射镜，箱体内壁下表面设置有安装底座，安装底座上表面与激光器本体锡焊连接，激光器本体包括衬底、保护膜、上叠层和下叠层。

进一步的，衬底下表面设置有第一焊料层，衬底上表面与下叠层固定连接，下叠层上表面设置有第二焊料层，上叠层外包裹有保护膜，保护膜上表面与电极环卡扣连接，电极环两端分别与第一电极接触层电性连接。

进一步的，上叠层包括第一限制层、有源层、第二限制层、第一上叠层体、第三限制层、第二上叠层体和复合接触层，第一上叠层体由第一上层和第二上层构成，第二上叠层体由第三上层和第四上层构成。

进一步的，第一限制层上表面设置为有源层，第二限制层覆盖有源层，第一上叠层体和第二上叠层体之间设置有第三限制层，复合接触层覆盖有第二上叠层体，上叠层和保护膜构成柱体，柱体凹处与第二电极接触层电性连接。

进一步的，第一上层和第二上层分别相间构成第一上叠层体，第一上层折射率高于第二上层折射率，第三上层和第四上层分别相间构成第二上叠层体，第三上层折射率高于第四上层折射率。

进一步的，下叠层由第一下层和第二下层构成，第一下层折射率高于第二下层折射率，第一下层和第二下层相间构成下叠层。

进一步的，透射镜为凹面镜，内侧呈半球面腔，与激光器本体呈垂直设置。

进一步的，衬底可以为蓝宝石衬底、硅衬底、玻璃衬底、陶瓷衬底或碳化硅衬底，衬底可以掺杂N型掺杂衬底、P型掺杂衬底以及半绝缘衬底。

进一步的，出光方向上的谐振实现光放大类似DBR激光器的结构，采用布拉格光栅实现纵模振荡和光放大。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型提出的一种高光电转换率的垂直腔面激光器，透射镜采用布拉格光栅实现纵模振荡和光放大，出光面改为为异质结的生长方向出光，大大增加了出光面积，发热功率以及散热性都得到大幅改善。

2.本实用新型提出的一种高光电转换率的垂直腔面激光器，激光器本体嵌入到外延结构中的，不会暴露在外界环境中，避免产生光学灾变性损坏。

3.本实用新型提出的一种高光电转换率的垂直腔面激光器，通过不同折射率的上层和下层的波长，交替地排列以允许分布式布拉格反射，缩小光波导的面积，提高功率密度，输出波长在很宽的范围内可以调节，得到重复频率非常高的锁模脉冲输出，提高光电转换率，提高了工作效率。

附图说明

图1是本实用新型实施例的整体结构立体图；

图2是本实用新型实施例的激光器本体结构立体图；

图3是本实用新型实施例的整体结构侧视剖视图；

图4是本实用新型实施例的激光器本体结构侧视剖视图；

图5是本实用新型实施例的第一上叠层体剖视图；

图6是本实用新型实施例的第二上叠层体剖视图；

图7是本实用新型实施例的第一下叠层体剖视图。

图中：1、箱体；11、角垫；12、第一电极接触层；13、第二电极接触层；14、透射镜；15、安装底座；2、激光器本体；21、衬底；22、保护膜；23、上叠层；231、第一限制层；232、有源层；233、第二限制层；234、第一上叠层体；2341、第一上层；2342、第二上层；235、第三限制层；236、第二上叠层体；2361、第三上层；2362、第四上层；237、复合接触层；24、下叠层；241、第一下层；242、第二下层；25、第一焊料层；26、第二焊料层；27、电极环。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型的一种高光电转换率的垂直腔面激光器进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参见图1-7，本实用新型实施例的一种高光电转换率的垂直腔面激光器，包括箱体1，箱体1上表面四周分别与角垫11下表面粘合，有效的保护的第一电极接触层12和第二电极接触层13的磨损，箱体1上表面分别开设有通孔，通孔内安装有第一电极接触层12，第一电极接触层12上表面延伸至箱体1上表面并与第二电极接触层13电性连接，第一电极接触层12内侧安装有透射镜14，透射镜14为凹面镜，内侧呈半球面腔，与激光器本体2呈垂直设置，出光方向上的谐振实现光放大类似DBR激光器的结构，采用布拉格光栅实现纵模振荡和光放大，出光面改为为异质结的生长方向出光，大大增加了出光面积，发热功率以及散热性都得到大幅改善，箱体1内壁下表面设置有安装底座15，安装底座15上表面与激光器本体2锡焊连接，激光器本体2嵌入到外延结构中的，不会暴露在外界环境中，避免产生光学灾变性损坏，激光器本体2包括衬底21、保护膜22、上叠层23和下叠层24，衬底21可以为蓝宝石衬底、硅衬底、玻璃衬底、陶瓷衬底或碳化硅衬底，衬底21可以掺杂N型掺杂衬底、P型掺杂衬底以及半绝缘衬底，在衬底21上形成布拉格反射镜，在所选择的波长处反射率可以达到99.5％以上，衬底21下表面设置有第一焊料层25，衬底21上表面与下叠层24固定连接，下叠层24上表面设置有第二焊料层26，上叠层23包括第一限制层231、有源层232、第二限制层233、第一上叠层体234、第三限制层235、第二上叠层体236和复合接触层237，第一限制层231上表面设置为有源层232，第二限制层233覆盖有源层232，第一上叠层体234和第二上叠层体236之间设置有第三限制层235，复合接触层237覆盖有第二上叠层体236，上叠层23和保护膜22构成柱体，柱体凹处与第二电极接触层13电性连接，第一上叠层体234由第一上层2341和第二上层2342构成，第一上层2341包括含有Al和Ga来作为III族元素的第一半导体区域以及围绕第一半导体区域的第一绝缘体区域。第一绝缘体区域由第一半导体区域的构成元素的氧化物构成。该氧化物从柱体的侧表面朝向柱体的内部延伸，以到达第一半导体区域。第二上层2342包括含有Al和Ga来作为III族元素的第二半导体区域以及围绕第二半导体区域的第二绝缘体区域。第二绝缘体区域由第二半导体区域的构成元素的氧化物构成。该氧化物从柱体的侧表面朝向柱体的内部延伸，以到达第二半导体区域。到达第一半导体区域的氧化物的深度和到达第二半导体区域的氧化物的深度与第一半导体区域和第二半导体区域的Al组分有关。第二上叠层体236由第三上层2361和第四上层2362构成，第三上层2361包括含有Al和Ga来作为III族元素的第一半导体区域以及围绕第一半导体区域的第一绝缘体区域。第一绝缘体区域由第一半导体区域的构成元素的氧化物构成。该氧化物从柱体的侧表面朝向柱体的内部延伸，以到达第一半导体区域。第四上层2362包括含有Al和Ga来作为III族元素的第二半导体区域以及围绕第二半导体区域的第二绝缘体区域。第二绝缘体区域由第二半导体区域的构成元素的氧化物构成。该氧化物从柱体的侧表面朝向柱体的内部延伸，以到达第二半导体区域。到达第一半导体区域的氧化物的深度和到达第二半导体区域的氧化物的深度是与第一半导体区域和第二半导体区域的Al组分有关的。第一上层2341和第二上层2342分别相间构成第一上叠层体234，第一上层2341折射率高于第二上层2342折射率，第三上层2361和第四上层2362分别相间构成第二上叠层体236，第三上层2361折射率高于第四上层2362折射率，上叠层23外包裹有保护膜22，保护膜22上表面与电极环27卡扣连接，电极环27两端分别与第一电极接触层12电性连接，下叠层24由第一下层241和第二下层242构成，第一下层241包括含有Al和Ga来作为III族元素的第一半导体区域，并且如果可能的话进一步包括围绕第一半导体区域的第一绝缘体区域。第一绝缘体区域由第一半导体区域的构成元素的氧化物构成。该氧化物从柱体的侧表面朝向柱体的内部延伸，以到达第一半导体区域。第二下层242包括含有Al和Ga来作为III族元素的第二半导体区域，并且如果可能的话进一步包括围绕第二半导体区域的第二绝缘体区域。第二绝缘体区域由第二半导体区域的构成元素的氧化物构成。该氧化物从柱体的侧表面朝向柱体的内部延伸，以到达第二半导体区域。到达第一半导体区域的氧化物的深度和到达第二半导体区域的氧化物的深度是与第一半导体区域和第二半导体区域的Al组分有关的。第一下层241折射率高于第二下层242折射率，第一下层241和第二下层242相间构成下叠层24，通过不同折射率的上层和下层的波长，交替地排列以允许分布式布拉格反射，缩小光波导的面积，提高功率密度，由于垂直腔面激光器的结构类似于固体激光器，由于半导体材料的特点，输出波长在很宽的范围内可以调节，且半导体芯片很薄，因此激光腔可以做的非常短，得到重复频率非常高的锁模脉冲输出，提高光电转换率，提高了工作效率。

综上所述，本高光电转换率的垂直腔面激光器，透射镜14采用布拉格光栅实现纵模振荡和光放大，出光面改为为异质结的生长方向出光，大大增加了出光面积，发热功率以及散热性都得到大幅改善，激光器本体2嵌入到外延结构中的，不会暴露在外界环境中，避免产生光学灾变性损坏，通过不同折射率的上层和下层的波长，交替地排列以允许分布式布拉格反射，缩小光波导的面积，提高功率密度，由于半导体材料的特点，输出波长在很宽的范围内可以调节，且半导体芯片很薄，因此激光腔可以做的非常短，得到重复频率非常高的锁模脉冲输出，提高光电转换率，提高了工作效率。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims

1.一种高光电转换率的垂直腔面激光器，包括箱体(1)，其特征在于：箱体(1)上表面四周分别与角垫(11)下表面粘合，箱体(1)上表面分别开设有通孔，通孔内安装有第一电极接触层(12)，第一电极接触层(12)上表面延伸至箱体(1)上表面并与第二电极接触层(13)电性连接，第一电极接触层(12)内侧安装有透射镜(14)，箱体(1)内壁下表面设置有安装底座(15)，安装底座(15)上表面与激光器本体(2)锡焊连接，激光器本体(2)包括衬底(21)、保护膜(22)、上叠层(23)和下叠层(24)。

2.如权利要求1所述的一种高光电转换率的垂直腔面激光器，其特征在于：衬底(21)下表面设置有第一焊料层(25)，衬底(21)上表面与下叠层(24)固定连接，下叠层(24)上表面设置有第二焊料层(26)，上叠层(23)外包裹有保护膜(22)，保护膜(22)上表面与电极环(27)卡扣连接，电极环(27)两端分别与第一电极接触层(12)电性连接。

3.如权利要求2所述的一种高光电转换率的垂直腔面激光器，其特征在于：上叠层(23)包括第一限制层(231)、有源层(232)、第二限制层(233)、第一上叠层体(234)、第三限制层(235)、第二上叠层体(236)和复合接触层(237)，第一上叠层体(234)由第一上层(2341)和第二上层(2342)构成，第二上叠层体(236)由第三上层(2361)和第四上层(2362)构成。

4.如权利要求3所述的一种高光电转换率的垂直腔面激光器，其特征在于：第一限制层(231)上表面设置为有源层(232)，第二限制层(233)覆盖有源层(232)，第一上叠层体(234)和第二上叠层体(236)之间设置有第三限制层(235)，复合接触层(237)覆盖有第二上叠层体(236)，上叠层(23)和保护膜(22)构成柱体，柱体凹处与第二电极接触层(13)电性连接。

5.如权利要求4所述的一种高光电转换率的垂直腔面激光器，其特征在于：第一上层(2341)和第二上层(2342)分别相间构成第一上叠层体(234)，第一上层(2341)折射率高于第二上层(2342)折射率，第三上层(2361)和第四上层(2362)分别相间构成第二上叠层体(236)，第三上层(2361)折射率高于第四上层(2362)折射率。

6.如权利要求5所述的一种高光电转换率的垂直腔面激光器，其特征在于：下叠层(24)由第一下层(241)和第二下层(242)构成，第一下层(241)折射率高于第二下层(242)折射率，第一下层(241)和第二下层(242)相间构成下叠层(24)。

7.如权利要求6所述的一种高光电转换率的垂直腔面激光器，其特征在于：透射镜(14)为凹面镜，内侧呈半球面腔，与激光器本体(2)呈垂直设置。

8.如权利要求7所述的一种高光电转换率的垂直腔面激光器，其特征在于：衬底(21)可以为蓝宝石衬底、硅衬底、玻璃衬底、陶瓷衬底或碳化硅衬底，衬底(21)可以掺杂N型掺杂衬底、P型掺杂衬底以及半绝缘衬底。

9.如权利要求8所述的一种高光电转换率的垂直腔面激光器，其特征在于：出光方向上的谐振实现光放大类似DBR激光器的结构，采用布拉格光栅实现纵模振荡和光放大。