TWI805427B - 具有小發散角的vcsel雷射器、晶片及用於lidar系統的光源 - Google Patents

具有小發散角的vcsel雷射器、晶片及用於lidar系統的光源 Download PDF

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Abstract

本發明實施例公開了一種具有小發散角的VCSEL雷射器、晶片及用於LIDAR系統的光源，雷射器包括：下布拉格反射層；有源層，位於下布拉格反射層的一側；上布拉格反射層，位於有源層遠離下布拉格反射層的一側；有源層內或外設置有電流限制層，電流限制層用於定義出發光區；其中，下布拉格反射層與有源層之間和上布拉格反射層與有源層之間至少一處設置有延腔層，延腔層內部包括至少一個共振腔，共振腔用於增大延腔層內部的光場強度。通過共振腔調整駐波電場光強分佈，降低了電流限制層的光限制因子，區別於傳統單純延長腔長減小發散角的方法，在有效的降低發散角的同時，使得腔長的增加較少，從而可以改善長腔導致的多縱模同時雷射放光的問題。

Description

具有小發散角的VCSEL雷射器、晶片及用於LIDAR系統的光源
本發明實施例涉及雷射器技術領域，例如涉及一種具有小發散角的VCSEL雷射器、晶片及用於LIDAR系統的光源。
垂直腔面發射雷射器（vertical cavity surface emitting laser, VCSEL）可以產生比發光二極管（light-emitting diode，LED）或其他非相干光源更小發散角的光束，被廣泛應用於三維感測、雷射雷達、光訊以及照明等應用中，可為各種應用提供小型、緊湊、高功率的雷射光源。
傳統的 VCSEL 的發散全角通常約為 20~30 度，這個發散角雖能滿足一些傳統的應用，但對於新的應用場景而言仍相對較大，會限制三維感測器和雷射雷達探測距離、分辨率和訊噪比。將VCSEL的光束發散角進一步進行壓縮在實際應用中有著非常迫切的需求。
本發明實施例提供了一種具有小發散角的VCSEL雷射器、晶片及用於LIDAR系統的光源。
第一方面，本發明實施例提供了一種具有小發散角的VCSEL雷射器，包括： 下布拉格反射層； 有源層，位於所述下布拉格反射層的一側； 上布拉格反射層，位於所述有源層遠離下布拉格反射層的一側；所述有源層內或外設置有電流限制層；所述電流限制層具有開口，所述開口用於定義出發光區； 其中，所述下布拉格反射層與所述有源層之間和所述上布拉格反射層與所述有源層之間至少一處設置有延腔層，所述延腔層內部包括至少一個共振腔，所述共振腔至少一個用於增大所述延腔層內部的光場強度。
第二方面，本發明實施例提供了一種具有小發散角的VCSEL雷射器晶片，包括多個如第一方面任意所述的VCSEL雷射器，多個所述具有小發散角的VCSEL雷射器組成面陣列排布；所述面陣列排布為規則排列，或者隨機排布，或者是用於尋址的多個子陣列。
第三方面，本發明實施例提供了一種用於LIDAR系統的光源，包括至少一個如第一方面任意所述的具有小發散角的VCSEL雷射器或者至少一個如第二方面所述的具有小發散角的VCSEL雷射器晶片。
下面結合圖式和實施例對本發明作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅僅用於解釋本發明，而非對本發明的限定。另外還需要說明的是，為了便於描述，圖式中僅示出了與本發明相關的部分而非全部結構。
如背景技術，傳統的 VCSEL 的發散全角通常約為 20~30 度，這個發散角雖能滿足一些傳統的應用，但對於新的應用場景而言仍相對較大，會限制三維感測器和雷射雷達探測距離、分辨率和訊噪比。相關技術中，為了壓縮VCSEL光束發散角，通常的手段是通過加長腔長的方法，使得VCSEL發光孔內外的有效折射率差異降低，進而抑制高階模式的產生。高階模式的光束具有更大的發散角，因此，將高階模式的光束抑制之後，剩下的低階模式光束可以實現更小的發散角度。圖1是相關技術中提供的一種VCSEL雷射器的結構示意圖，參考圖1，在襯底1的同一側設置有下布拉格反射層3、有源層4和上布拉格反射層6，其中上布拉格反射層6中包括有通過氧化上布拉格反射層6中含鋁組分高的材料，例如AlGaAs，而形成的電流限制層5，即將AlGaAs氧化形成了氧化鋁。使得電流限制層5所在層中，開口位置的AlGaAs與開口位置以外的氧化鋁的折射率不同。開口位置即為雷射器的發光孔，進而使得VCSEL發光孔內外的有效折射率產生差異。
有效折射率基於以下公式確定：
Figure 02_image001
其中，
Figure 02_image002
為有效折射率，
Figure 02_image004
為在z軸方向上的折射率，
Figure 02_image006
為在z軸方向上的光場強度。
VCSEL發光孔內外的有效折射率差值基於以下公式確定：
Figure 02_image008
Figure 02_image009
其中，
Figure 02_image010
為發光孔內外的有效折射率差值，
Figure 02_image012
為發光孔所在區域的有效折射率，
Figure 02_image014
為發光孔外的有效折射率，
Figure 02_image016
為含鋁組分高的材料（例如Al 0.98Ga 0.02As）的折射率，
Figure 02_image018
為氧化鋁的折射率。
Figure 02_image020
為氧化層的光限制因子，基於以下公式確定：
Figure 02_image022
其中，l為在z軸方向上電流限制層5的厚度，p為z軸方向上整個光場的厚度，n 2(z)為z軸方向上氧化鋁的折射率，可以認為是一個固定的數值，例如n 2(z)等於 n 2。
為了壓縮VCSEL光束發散角，通過增設中布拉格反射層2的方式實現加長腔長，可以使得 p的值變大 ，
Figure 02_image023
的值變小，使得發光孔內外的有效折射率差值減小，進而抑制高階模式的產生。高階模式的光束具有更大的發散角，因此，將高階模式的光束抑制之後，剩下的低階模式光束可以實現更小的發散角度。但是，加長腔長的方法會引起新的問題。把腔長加長之後，雷射縱向模式的間距也會減小，VCSEL的發射光譜會出現多個縱向模式，即出現多個光譜峰。這些多個光譜峰中除了我們設計的雷射光波長之外，還有其他不希望出現的光譜峰出現在我們設計的雷射光波長的一側或兩側，這些不希望出現的光譜峰通常稱為縱模。縱模的出現會導致一些潛在的問題，例如導致光源的溫漂係數增大，溫度穩定性降低；又例如三維感測器和雷射雷達的接收端無法識別這些縱模導致效率下降和串擾等。
鑒於此，本發明實施例提供了一種具有小發散角的VCSEL雷射器，圖2是本發明實施例提供的一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖，圖3是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖；圖4是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖；圖5是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖；圖6是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖；參考圖2至圖6，具有小發散角的VCSEL雷射器包括： 下布拉格反射層20； 有源層40，位於下布拉格反射層20的一側； 上布拉格反射層60，位於有源層40遠離下布拉格反射層20的一側；有源40層內或附近設置有電流限制層50；電流限制層50具有開口，開口用於定義出發光區； 其中，下布拉格反射層20與有源層40之間和上布拉格反射層60與有源層40之間至少一處設置有延腔層30，延腔層30內部包括至少一個共振腔70，共振腔70用於增大延腔層30內部的光場強度。
例如，下布拉格反射層20可以包括多個光學厚度為四分之一雷射光波長的反射鏡，多個反射鏡按照高低折射率交替設置；上布拉格反射層60可以包括多個光學厚度為四分之一雷射光波長的反射鏡，多個反射鏡按照高低折射率交替設置。其中，上布拉格反射層60和下布拉格反射層20的材料可以為介電材料，具有電絕緣性，例如可以包括氮化矽、氧化矽、氧化鋁或氧化鈦等。上布拉格反射層60和下布拉格反射層20的材料可以為半導體材料，例如可以為GaAs和AlGaAS。參考圖3、圖5或圖6，具有小發散角的VCSEL雷射器還可以包括一襯底10，襯底10位於下布拉格反射層20遠離有源層40的一側，該襯底10可以是任意適於形成雷射器的材料，襯底的材料可為GaAs或Si等材料。參考圖4，該具有小發散角的VCSEL雷射器還可以包括一透明頂襯10 ’，透明頂襯10 ’位於上布拉格反射層60遠離有源層40的一側，透明頂襯10 ’的材料可以包括藍寶石、石英、玻璃或透明聚合物。
在靠近有源層40一側的層的邊緣處包括電流限制層50。或者在有源層40內部設置有電流限制層50。可以通過在一定的溫度條件下濕法氧化高摻鋁的方式，對電流限制層50所在的半導體層（例如材料為鋁鎵砷材料）的側壁進行氧化形成氧化層，從而形成電流限制層50。電流限制層50具有開口，開口用於定義出雷射器的發光區。被氧化後形成的氧化鋁阻抗較高，電流限制層50開口位置仍為高摻鋁的鋁鎵砷材料，當電流進入後，電流會通過電流限制層50中的開口流向有源層40。有源層40包括至少一個量子井，其可以包括積層設置的量子井複合結構，由GaAs和AlGaAs、InGaAs和GaAsP，或者InGaAs和AlGaAs材料積層排列構成，用以將電能轉換為光能，從而產生雷射。例如量子井組有2-5個量子井，量子井之間存在勢壘，量子井組外側也存在勢壘。其中每一量子井沿垂直於有源層40方向上的中心與最近的駐波光場的峰值位置的光程距離小於五分之一雷射光波長。多於一個量子井時，一組量子井整體的中心位置與最近的駐波光場的峰值位置的光程距離小於十分之一雷射光波長。例如，量子井中心位置和電場峰值對齊。因為量子井是產生雷射增益放大的地方，量子井中心位置與光場最強位置對齊，可以起到更大的放大效果。
其中，下布拉格反射層20與有源層40之間和上布拉格反射層60與有源層40之間至少一處設置有延腔層30。圖2至圖4示例的畫出下布拉格反射層20與有源層40之間設置有平行於有源層40的延腔層30。圖5示例的畫出上布拉格反射層60與有源層40之間設置有平行於有源層40的延腔層30。圖6示例的畫出下布拉格反射層20與有源層40之間和上布拉格反射層60與有源層40之間均設置有平行於有源層40的延腔層30。延腔層30內部包括共振腔70，共振腔70用於增大其所在的延腔層30內部的光場強度。通過在延腔層30中設置共振腔70，使得延腔層30內部的光場強度增加。其中，延腔層30的材料可以為介電材料，也可以為半導體材料。
由上述公式可知，減小係數
Figure 02_image023
的值可以實現減小VCSEL發光孔內外的有效折射率差值，減小係數
Figure 02_image023
的值可以通過減小其分子和增大其分母的至少一種方式可以實現。由於電流限制層50的厚度較小，而增大分母中的腔長p又會引起縱模，本發明實施例通過增大分母中的電場強度E 2，即增大延腔層30中的光場強度實現VCSEL發光孔內外的有效折射率差異降低，進而抑制高階模式的產生，降低了發散角。同時通過增加延腔層30內部的光場強度，相對於相關技術，可以減小腔長增加的幅度，還可以改善VCSEL的發射光譜會出現多個縱向模式的問題，從而實現了極大地降低發散角的同時，實現單縱模雷射放光，避免多波長輸出。避免出現光源的溫漂係數增大，溫度穩定性降低，三維感測器和的雷射雷達的接收端無法識別多波長而導致的效率下降和串擾等問題。
綜上，本發明實施例提供的具有小發散角的VCSEL雷射器，通過在延腔層中設置共振腔，使得延腔層內部的光場強度增加，進而使得VCSEL發光孔內外的有效折射率差異降低，進而抑制高階模式的產生，降低了發散角；同時通過增加延腔層內部的光場強度，還可以有效的減小雷射器的有效腔長，從而增加了相鄰縱模之間的波長差，實現單縱模雷射放光，避免多波長輸出。從而實現了極大地降低發散角的同時，實現單縱模雷射放光，避免多波長輸出。
例如，小發散角可表示，發散角小於20度。
在一實施例中，下布拉格反射層20與上布拉格反射層60為半導體材料時，下布拉格反射層20為N型半導體層，上布拉格反射層60為P型半導體層；或者，下布拉格反射層20可以為P型半導體層，上布拉格反射層60可以為N型半導體層。在靠近有源層40一側的層的邊緣處設置有電流限制層50的雷射器中，若上布拉格反射層60與有源層40直接接觸（參考圖2），電流限制層50位於上布拉格反射層60內部；若有源層40和上布拉格反射層60之間間隔有延腔層30，電流限制層50位於有源層40內部（參考圖5、圖6）。圖2至圖4中均示例性的畫出電流限制層50位於有源層40外側所在的位置。為了更好的限定發光區，電流限制層50位於沿垂直於有源層40方向上，距離有源層40一側的兩個波長範圍內。
電流限制層50還可以位於有源層40內部，其中電流限制層50沿垂直於有源層方向上的中心與最近的駐波光場的0值位置的光程距離小於十分之一雷射光波長，在保證了對發光區限定效果的同時，還可以保證電流限制層50所在位置的光場強度較小，可以進一步的減小電流限制層50的光限制因子，從而實現遠場發散角的減小。需要說明的是，電流限制層50的個數為至少一個。不同的電流限制層50的開口大小可以一樣也可以不一樣，以開口最小的電流限制層50限定的發光區作為雷射器的發光區。
圖5、6以及圖7中均示例性的畫出電流限制層50位於有源層40內部所在的位置。為了更好的限定發光區，電流限制層50沿垂直於有源層40方向上的中心與最近的駐波光場的0值位置的光程距離小於十分之一雷射光波長。
在一實施例中，圖7是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖，參考圖7，有源層40包括至少兩組的有源子層（圖7中示例性的畫出了三組，分別為41、42、43），且每組有源子層之間用隧道結80相連。隧道結80與最近的駐波光場的0值位置的光程距離小於十分之一雷射光波長。在一實施例中，隧道結80位於駐波光場強度為0的位置，由於隧道結具有非常高的摻雜，這些摻雜會產生光吸收損耗，降低發光效率，所以將隧道結放在光場最小的地方，可以使得光損耗最小化。
每個有源子層設置有量子井（412/422/432）。並且在有源子層中，量子井的兩側分別設置有N型半導體層（413/423/433）和P型半導體層（411/421/431）。對於定義發光區的電流限制層50穿插在有源層40中的雷射器，電流限制層50位於P型半導體層（411/421/431）中。在襯底10遠離有源層40的一側設置有第一電極層90，在上布拉格反射層60遠離有源層40的一側設置有第二電極層100。通過第一電極層90與第二電極層100接收外部的電訊號產生電壓差，實現為有源層40提供電流。將電流限制層50的中心設置於位於駐波光場強度為0的地方，可以減小係數
Figure 02_image020
的值，進一步的可以實現減小VCSEL發光孔內外的有效折射率差值，降低發散角。在多有源子層的結構中，也可以只設置一個電流限制層50，該電流限制層50位於最靠近上布拉格反射層60的有源子層中（41）。在一實施例中，只設置一個電流限制層50，可以滿足定義發光區的同時，還可以減小器件中電流限制層50的有效折射率。需要說明的是，每個有源子層中也可以包括多個量子井。
在一實施例中，延腔層30內部包括的共振腔70的個數為1個，從共振腔70指向有源層40的方向上，共振腔70到有源層40的光場強度峰值逐漸減小。
例如，以圖2的結構為例，延腔層30位於下布拉格反射層20和有源層40之間，延腔層30的一側與下布拉格反射層20接觸，延腔層30的另一側與有源層40接觸。圖8是本發明實施例提供的一種光場強度分佈圖及折射率分佈圖，圖9是本發明實施例提供的另一種光場強度分佈圖及折射率分佈圖，參考圖8-圖9，從共振腔70指向有源層40的方向上，共振腔70到有源層40的光場強度峰值逐漸減小。可以理解為，本發明實施例中有源層40的作用為提供光，光的放大由共振腔70和位於共振腔70兩側的延腔層30實現。延腔層30可以包括由鋁鎵砷材料層和砷化鎵材料層兩種不同折射率的材料層積層形成，或者由高鋁組分的鋁鎵砷材料層和低鋁組分的鋁鎵砷材料層兩種不同折射率的材料層積層形成的布拉格反射層。也可以為兩種不同折射率的介電材料層積層形成。共振腔70的光學厚度設置成二分之一雷射光波長的整數倍，可以使得兩邊的布拉格反射層的反射方向相反，從而實現共振腔70腔內光場最強，從共振腔70指向有源層40的方向上，共振腔70到有源層40的光場強度逐漸減小。通過在延腔層30中設置共振腔70，使得延腔層30內部的光場強度增加，進而使得VCSEL發光孔內外的有效折射率差異降低，進而抑制高階模式的產生，降低了發散角；同時通過增加延腔層30內部的光場強度，可以減小腔長增加的幅度，進而可以改善VCSEL的發射光譜會出現多個縱向模式的問題，從而實現了極大地降低發散角的同時，可以實現單縱模雷射放光，避免多波長輸出。對於有源層40的兩側均設置有延腔層30的雷射器（例如圖6所示的雷射器結構），從有源層40兩側的共振腔70分別指向有源層40的方向上，兩側的共振腔70到有源層40的光場強度峰值逐漸減小。
另外，在本發明實施例提供的具有小發散角的VCSEL雷射器中，共振腔70腔內光場最強，從共振腔70指向有源層40的方向上，共振腔70到有源層40的光場強度逐漸減小。延腔層30中靠近有源層40的邊緣處的光場強度與有源層40中光場強度的差值較小。有源層40內的光場強度相對於相關技術中有源層40的光場強度較小，因此可以減小位於靠近有源層40一側或位於有源層40內部的電流限制層50的電場強度，進而可以進一步的減小係數
Figure 02_image020
的值，實現對VCSEL發光孔內外的有效折射率差值的減小，降低雷射的發散角。
在一實施例中，在垂直於有源層40的方向上，電流限制層50到有源層40的距離小於共振腔70到有源層40的距離。
例如，參考圖2，對於電流限制層50不位於有源層40的結構，電流限制層50到有源層40的距離小於共振腔70到有源層40的距離；參考圖5，對於電流限制層50位於有源層40內部的結構，電流限制層50到有源層40的距離小於共振腔70到有源層40的距離。可以理解為，電流限制層50位於靠近有源層40的邊緣位置，共振腔70位於靠近延腔層30中部位置，或位於延腔層30中遠離有源層40的一側。電流限制層50位於靠近有源層40的邊緣位置，可以使得電流限制層50的開口的大小與進入到有源層40的電流的區域相差較小。電流限制層50位於靠近有源層40的邊緣位置，共振腔70位於靠近延腔層30中部位置，或位於延腔層30中遠離有源層40的一側，可以加大共振腔70與有源層40光場強度的差異。在一實施例中，在垂直於有源層40的方向上，共振腔70距離有源層40的長度大於延腔層30厚度的二分之一。使得進一步的減小氧化層的光場強度，進而可以進一步的減小係數
Figure 02_image020
的值，實現對VCSEL發光孔內外的有效折射率差值的進一步的減小，降低了雷射的發散角。
在一實施例中，請繼續參考圖2至圖6，延腔層30為中布拉格反射層31； 下布拉格反射層20包括多個光學厚度為四分之一雷射光波長的反射鏡，多個反射鏡按照高低折射率交替設置； 上布拉格反射層60包括多個光學厚度為四分之一雷射光波長的反射鏡，多個反射鏡按照高低折射率交替設置； 中布拉格反射層31包括多個光學厚度為四分之一雷射光波長的反射鏡，多個反射鏡按照高低折射率交替設置。
例如，下布拉格反射層20可以包括由鋁鎵砷材料層和砷化鎵材料層兩種不同折射率的材料層積層形成，或者由高鋁組分的鋁鎵砷材料層和低鋁組分的鋁鎵砷材料層兩種不同折射率的材料層積層形成的下布拉格反射層20，每一材料層的光學厚度為四分之一雷射光波長；上布拉格反射層60可以包括由鋁鎵砷材料層和砷化鎵材料層兩種不同折射率的材料層積層形成，或者由高鋁組分的鋁鎵砷材料層和低鋁組分的鋁鎵砷材料層兩種不同折射率的材料層積層形成的上布拉格反射層60，每一材料層的光學厚度為四分之一雷射光波長。延腔層30可以包括由鋁鎵砷材料層和砷化鎵材料層兩種不同折射率的材料層積層形成，或者由高鋁組分的鋁鎵砷材料層和低鋁組分的鋁鎵砷材料層兩種不同折射率的材料層積層形成的中布拉格反射層31，每一材料層的光學厚度為四分之一雷射光波長。
下布拉格反射層20也可以由兩種不同折射率的介電材料層積層形成，每一材料層的光學厚度為四分之一雷射光波長；上布拉格反射層60可以由兩種不同折射率的介電材料層積層形成，每一材料層的光學厚度為四分之一雷射光波長。延腔層30可以包括由由兩種不同折射率的介電材料層積層形成的中布拉格反射層31，每一材料層的光學厚度為四分之一雷射光波長。
在一實施例中，中布拉格反射層31每個半波長週期內的高低折射率對比度低於下布拉格反射層20及/或上布拉格反射層60相應的每個半波長週期內的高低折射率對比度。
例如，請參考圖8，中布拉格反射層31每個半波長週期內的折射率對比度低於上下布拉格反射鏡相應的每個半波長週期內的折射率對比度，可以理解為：中布拉格反射層31中，每個半波長週期內的高折射率與低折射率的差值或比值，小於下（上）布拉格反射鏡中，每個半波長週期內的高折射率與低折射率的差值或比值。中布拉格反射層31每個半波長週期內的折射率對比度較低，可以避免由於對比度太高而導致較少對數的反射鏡就可以把共振腔70內的光場變得很強。即通過中布拉格反射層31每個半波長週期內的折射率對比度較低，可以使得中布拉格反射層31包括較多對數的反射鏡，進而可以保證中布拉格反射層31的厚度可以滿足可以實現單縱模雷射放光，避免多波長輸出同時，實現極大地降低發散角的要求。
綜上，中布拉格反射層31的厚度與中布拉格反射層31每個半波長週期內的高低折射率對比度負相關。中布拉格反射層31包括的反射鏡對數和中布拉格反射層31每個半波長週期內的高低折射率對比度有關係。對比度高（比如Al0.1GaAs/Al0.9GaAs），設置的對數可以少一些，中布拉格反射層31的厚度小一些，避免由於對比度太高而導致較少對數的放射鏡就可以把共振腔70內的光場變得很強。反之，對比度低(比如Al0.1GaAs/Al0.15GaAs)，設置的對數可以多一些，中布拉格反射層31的厚度大一些，滿足共振腔70內的光場變強的要求。延腔層30的總腔長的厚度範圍可以設置為5-20um。對於減小角度，腔長越長並且延腔層30電場強度越大效果越好，在一實施例中，可以設置腔長大於20um的長度。需要注意的是，延腔層30的厚度需要滿足避免縱模出現的要求。
在一實施例中，延腔層30包括一個共振腔70和兩組中布拉格反射層，兩組中布拉格反射層31中的一組在共振腔70和下布拉格反射層20之間，兩組中布拉格反射層31中的另一組在共振腔70與有源層40之間。可以理解為，共振腔70穿插在延腔層30的內部，將延腔層30分成了兩部分。兩部分中的一部分在共振腔70和下布拉格反射層20之間，兩部分中的另一部分在共振腔70與有源層40之間。其中，在共振腔70和下布拉格反射層20之間的中布拉格反射層31的反射率小於共振腔70與有源層40之間的中布拉格反射層31的反射率。若兩組中布拉格反射層31用相同的高低折射率交替的材料，則可以使得在共振腔70和下布拉格反射層20之間的中布拉格反射層31的週期數目少於共振腔70與有源層40之間的中布拉格反射層的週期數目，可以使得在共振腔70和下布拉格反射層20之間的中布拉格反射層31的反射率小於共振腔70與有源層40之間的中布拉格反射層的反射率，並且在垂直於有源層40的方向上，共振腔70距離有源層40的長度大於延腔層30厚度的二分之一。進而加大共振腔70與有源層40光場強度的差異。使得進一步的減小氧化層的光場強度，進而可以進一步的減小係數
Figure 02_image020
的值，實現對VCSEL發光孔內外的有效折射率差值的進一步的減小，降低了雷射的發散角。
例如，中布拉格反射層的週期性結構，是指兩種不同折射率的材料在z軸方向上進行週期性排列形成的週期性結構。布拉格結構的每個週期具有兩個層，即為一對。中布拉格反射層的週期數目，即指中布拉格反射層中的週期性結構的結構數目。
在一實施例中，共振腔70的折射率區別於中布拉格反射層31中與共振腔70接觸部分的折射率。
例如，請參考圖8，共振腔70的折射率均高於中布拉格反射層31中與共振腔70接觸部分的折射率。此時共振腔70內的光場強度最大值位於共振腔70與中布拉格反射層31的界面位置。仍以圖2所示的結構為例，參考圖9，共振腔70的折射率均低於中布拉格反射層31中與共振腔70接觸部分的折射率。此時共振腔70內的光場強度最大值位於共振腔70的中間位置。在一實施例中，共振腔70包括多個不同材料的子層。材料可以包括AlGaAs、GaAsP、InGaAs和lGaN等。
在一實施例中，雷射的出光面或者主要出光面位於下布拉格反射層20遠離有源層40的一側，上布拉格反射層60的反射率大於下布拉格反射層20的反射率； 或者，雷射的出光面或者主要出光面位於上布拉格反射層60遠離有源層40的一側，下布拉格反射層20反射率大於上布拉格反射層60的反射率。
例如，若雷射的出光面位於下布拉格反射層20遠離有源層40的一側，則上布拉格反射層60包括的反射鏡的總反射率大於下布拉格反射層20包括的反射鏡的總反射率，使得上布拉格反射層60可以實現全反射，下布拉格反射層20可以透射出光，雷射器的出光方向為有源層40指向下布拉格反射層20的方向，即雷射器為背發光。若雷射的出光面位於上布拉格反射層60遠離有源層40的一側，則下布拉格反射層20包括的反射鏡的總反射率大於上布拉格反射層60包括的反射鏡的總反射率，使得下布拉格反射層20可以實現全反射，上布拉格反射層60可以透射出光，雷射器的出光方向為有源層40指向上布拉格反射層60的方向，即雷射器為頂發光。若上布拉格反射層60中和下布拉格反射層20中，每對反射鏡（例如，每對反射鏡包括上反射鏡和下反射鏡）的折射率對比度（例如，折射率對比度可為上反射鏡的折射率與下反射鏡的折射率之間的差值的絕對值）一樣，則在雷射的出光面位於下布拉格反射層20遠離所述有源層40的一側時，設置上布拉格反射層60包括的反射鏡對數大於下布拉格反射層20包括的反射鏡對數；在雷射的出光面位於上布拉格反射層60遠離有源層40的一側時，設置下布拉格反射層20包括的反射鏡對數大於上布拉格反射層60包括的反射鏡對數。在一實施例中，還可以設置微透鏡，微透鏡集成於所述出光面的一側，用於進一步的減小遠場的發散角。
例如，圖10是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖，參考圖10，延腔層30內部包括共振腔70的個數為多個，至少一個共振腔70內的光場的最強峰值大於有源層的光場的最強峰值。
在一實施例中，延腔層30內部設置有多個光學厚度為半波整數倍的腔體，例如圖10中示例性的畫出了有三個光學厚度為半波整數倍的腔體。對於具有多個共振腔70的雷射器，其中至少一個共振腔70內的光場強度大於有源層的光場強度。圖11是本發明實施例提供的一種光場強度分佈圖及折射率分佈圖，參考圖11，有三個光學厚度為半波整數倍的腔體，其中有1個形成真正的光場強的共振腔。圖12是本發明實施例提供的另一種光場強度分佈圖及折射率分佈圖，參考圖12，圖中有五個光學厚度為半波整數倍的腔體，2個形成真正的光場強的共振腔。在一實施例中，延腔層30內設置單個半波腔（例如圖2至圖7所示結構），設置單個半波腔時，可以使得腔內的光場強度與有源層的光場強度的差值較大，進一步的實現降低發散角。
本發明實施例還提供了一種具有小發散角的VCSEL雷射器晶片，包括多個如上述實施例任意所述的具有小發散角的 VCSEL雷射器，多個具有小發散角的 VCSEL雷射器陣列排布或者隨機排布。具有相同的功效，這裡不再贅述。
在一實施例中，多個具有小發散角的VCSEL雷射器可以組成面陣列排布。
在一實施例中，面陣列排布可為用於尋址的多個子陣列。尋址表示，可以單獨點亮其中一個或多個子陣列。
例如，VCSEL雷射器可以具有600個發光點，形成20×30的發光點陣列。該VCSEL雷射器可以進一步把20×30的發光點陣列劃分為不同的子陣列，例如2×3個子陣列，每個子陣列具有10×10個發光點。每個子陣列可單獨進行控制。
本發明實施例還提供了一種用於LIDAR（Light Detection And Ranging，雷射雷達）系統的光源，包括至少一個如上述任意實施例所述的具有小發散角的VCSEL雷射器或者至少一個如上述任意實施例所述的具有小發散角的VCSEL雷射器晶片。具有相同的功效，這裡不再贅述。
上述僅為本發明的一些實施例及所運用技術原理。所屬技術領域中具有通常知識者會理解，本發明不限於這裡所述的特定實施例，對所屬技術領域中具有通常知識者來說能夠進行各種明顯的變化、重新調整和替代而不會脫離本發明的保護範圍。因此，雖然通過以上實施例對本發明進行了較為詳細的說明，但是本發明不僅僅限於以上實施例，在不脫離本發明構思的情況下，還可以包括更多其他等效實施例，而本發明的範圍由所附的請求項範圍決定。
本發明要求在2021年09月29日提交的臨時專利申請序列號為63/249,998的美國臨時申請的優先權，要求在2021年11月11日提交中國專利局、申請號為202111335318.1的中國專利申請的優先權，以上申請的全部內容通過引用結合在本發明中。
20,21:下布拉格反射層 30:延腔層 31:中布拉格反射層 40:有源層 70:共振腔
〔圖1〕是相關技術中提供的一種VCSEL雷射器的結構示意圖。 〔圖2〕是本發明實施例提供的一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖。 〔圖3〕是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖。 〔圖4〕是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖。 〔圖5〕是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖。 〔圖6〕是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖。 〔圖7〕是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖。 〔圖8〕是本發明實施例提供的一種光場強度分佈圖及折射率分佈圖。 〔圖9〕是本發明實施例提供的另一種光場強度分佈圖及折射率分佈圖。 〔圖10〕是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖。 〔圖11〕是本發明實施例提供的一種光場強度分佈圖及折射率分佈圖。 〔圖12〕是本發明實施例提供的另一種光場強度分佈圖及折射率分佈圖。
20,21:下布拉格反射層 30:延腔層 31:中布拉格反射層 40:有源層 70:共振腔

Claims (29)

  1. 一種具有小發散角的垂直腔面發射雷射器VCSEL雷射器，其特徵係包括： 下布拉格反射層(20)； 有源層(40)，位於該下布拉格反射層(20)的一側； 上布拉格反射層(60)，位於該有源層(40)遠離下布拉格反射層(20)的一側；該有源層(40)內或外設置有電流限制層(50)；該電流限制層(50)具有開口，該開口用於定義出發光區； 其中，該下布拉格反射層(20)與該有源層(40)之間和該上布拉格反射層(60)與該有源層(40)之間至少一處設置有延腔層(30)，該延腔層(30)內部包括至少一個共振腔(70)，該至少一個共振腔(70)用於增大該延腔層(30)內部的光場強度。
  2. 如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該延腔層(30)內部包括的共振腔(70)的個數為1個，從該共振腔(70)指向該有源層(40)的方向上，該共振腔(70)到該有源層(40)的光場強度峰值逐漸減小。
  3. 如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該延腔層(30)內部包括的共振腔(70)的個數為多個，多個共振腔(70)中的至少一個共振腔(70)內的光場的最強峰值大於有源層(40)的光場的最強峰值。
  4. 如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，每個共振腔(70)的光學厚度為二分之一雷射光波長的整數倍。
  5. 如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該電流限制層(50)包括氧化層；該氧化層為外延生長的高Al組分的AlGaAs，該氧化層中的外側被氧化區域形成絕緣的氧化鋁膜層；其中，該氧化層中的未氧化區域形成有效電流注入的發光區域。
  6. 如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中， 該電流限制層(50)的個數為至少一個，該電流限制層(50)與最近的駐波光場的0值位置的光程距離小於十分之一雷射光波長；該電流限制層(50)在該有源層(40)外側時，位於沿垂直於該有源層(40)方向上，距離該有源層(40)一側的兩個波長範圍內； 該有源層(40)包括至少一個量子井，其中每一該量子井與最近的駐波光場的峰值位置的光程距離小於五分之一雷射光波長；該有源層(40)包括多於一個量子井時，一組量子井整體的中心位置與最近的駐波光場的峰值位置的光程距離小於十分之一雷射光波長。
  7. 如請求項6所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中， 該電流限制層(50)位於駐波光場的峰值位置，該量子井位於駐波光場的0值位置。
  8. 如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，在垂直於該有源層(40)的方向上，該電流限制層(50)到該有源層(40)的距離小於每個共振腔(70)到該有源層(40)的距離。
  9. 如請求項8所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，在垂直於該有源層(40)的方向上，每個共振腔(70)距離該有源層(40)的長度大於該延腔層(30)厚度的二分之一。
  10. 如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中， 該延腔層(30)包括中布拉格反射層(31)； 該下布拉格反射層(20)包括多個光學厚度為四分之一雷射光波長的反射鏡，多個反射鏡按照高低折射率交替設置； 該上布拉格反射層(60)包括多個光學厚度為四分之一雷射光波長的反射鏡，多個反射鏡按照高低折射率交替設置； 該中布拉格反射層(31)包括多個光學厚度為四分之一雷射光波長的反射鏡，多個反射鏡按照高低折射率交替設置。
  11. 如請求項10所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該中布拉格反射層(31)每個半波長週期內的高低折射率對比度低於下布拉格反射層(20)相應的每個半波長週期內的高低折射率對比度，和上布拉格反射層(60)相應的每個半波長週期內的高低折射率對比度中的至少一個。
  12. 如請求項10所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該延腔層(30)包括一個共振腔(70)和兩組中布拉格反射層(31)，兩組中布拉格反射層(31)中的一組在共振腔(70)和下布拉格反射層(20)之間，兩組中布拉格反射層(31)中的另一組在共振腔(70)與有源層(40)之間。
  13. 如請求項12所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，在共振腔(70)和下布拉格反射層(20)之間的中布拉格反射層(31)的反射率小於共振腔(70)與有源層(40)之間的中布拉格反射層(31)的反射率。
  14. 如請求項13所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，兩組中布拉格反射層(31)用相同的高低折射率交替的材料，且在共振腔(70)和下布拉格反射層(20)之間的中布拉格反射層(31)的週期數目少於共振腔(70)與有源層(40)之間的中布拉格反射層(31)的週期數目。
  15. 如請求項10所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該共振腔(70)的折射率區別於中布拉格反射層(31)中與共振腔(70)接觸部分的折射率。
  16. 如請求項10所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中， 雷射的出光面位於該下布拉格反射層(20)遠離該有源層(40)的一側，該上布拉格反射層(60)的反射率大於下布拉格反射層(20)的反射率； 或者，雷射的出光面位於上布拉格反射層(60)遠離該有源層(40)的一側，該下布拉格反射層(20)的反射率大於上布拉格反射層(60)的反射率。
  17. 如請求項16所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，還包括微透鏡，該微透鏡集成於該出光面的一側，用於減小遠場的發散角。
  18. 如請求項10所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該中布拉格反射層(31)的厚度與該中布拉格反射層(31)每個半波長週期內的高低折射率對比度負相關。
  19. 如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，每個共振腔(70)包括多個不同材料的子層。
  20. 如請求項6所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該有源層(40)包括至少兩個有源子層，每個該有源子層包括至少一個該量子井，相鄰兩個有源子層之間用隧道結(80)相連；該隧道結(80)與最近的駐波光場的0值位置的光程距離小於十分之一雷射光波長。
  21. 如請求項20所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，每一該有源子層的至少一側具有該延腔層(30)以及設置於延腔層(30)內的共振腔(70)。
  22. 如請求項20所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，每個有源子層最多存在一個電流限制層(50)；該隧道結(80)位於駐波光場的0值位置。
  23. 如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該上布拉格反射層(60)、下布拉格反射層(20)以及延腔層(30)至少其中之一的材料為介電材料。
  24. 如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該上布拉格反射層(60)、下布拉格反射層(20)以及延腔層(30)至少其中之一的材料為半導體材料。
  25. 如請求項24所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中， 該下布拉格反射層(20)為N型半導體層，該上布拉格反射層(60)為P型半導體層； 或者，該下布拉格反射層(20)為P型半導體層，該上布拉格反射層(60)為N型半導體層。
  26. 如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，還包括襯底(10)，其中該襯底(10)位於該下布拉格反射層(20)遠離有源層(40)的一側，該襯底(10)的材料包括GaAs或Si。
  27. 如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，還包括透明頂襯(10 ’)，其中該透明頂襯(10 ’)位於該上布拉格反射層(60)遠離有源層(40)的一側，該透明頂襯(10 ’)的材料包括藍寶石、石英、玻璃或透明聚合物。
  28. 一種具有小發散角的 VCSEL雷射器晶片，其特徵係包括多個如請求項1至27中任一項所述之具有小發散角的 VCSEL雷射器，多個該具有小發散角的VCSEL雷射器組成面陣列排布；該面陣列排布為規則排列，或者隨機排布，或者是用於尋址的多個子陣列。
  29. 一種用於雷射雷達LIDAR系統的光源，其特徵係包括至少一個如請求項1至27中任一項所述之具有小發散角的 VCSEL雷射器或者至少一個如請求項28所述之具有小發散角的 VCSEL雷射器晶片。
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