集成高对比光栅的光束整形垂直腔面发射激光器及其模拟方法技术

一种集成高对比光栅的光束整形垂直腔面发射激光器及其模拟方法，所述光束整形垂直腔面发射激光器由垂直腔面发射激光器和高对比光栅组成，通过调节光栅面积和垂直腔面发射激光器的氧化孔大小获得不同形状输出光束。本发明专利技术可以实现在不借助外部光束整形系统下获得单瓣、双瓣等光束输出。

Beam shaping vertical cavity surface emitting laser with integrated high contrast grating and its simulation method

【技术实现步骤摘要】
集成高对比光栅的光束整形垂直腔面发射激光器及其模拟方法
本专利技术涉及半导体光电子领域，尤其涉及一种集成高对比光栅的光束整形垂直腔面发射激光器及其模拟方法。
技术介绍
随着半导体激光器技术的不断发展，其应用场景也日趋多元化，为了满足不同应用的需求，通常需要特殊的光束整形系统对激光器的输出光束进行光束整形。例如，在材料加工和激光医疗应用领域，需要将输出光束聚焦成尽可能对称分布的圆形光斑；在传输网络中，需要分束器对光信号进行分路/合路。垂直腔面发射激光器(Vertical-cavitysurface-emittinglasers，VCSELs)具有低成本、低功耗、易于封装好等优势，被广泛应用于数据通讯、传感等领域。相比于边发射激光器(Edge-emittinglasers.EELs)，VCSELs具有更好的光束质量，易与光纤耦合。法国国家科学研究中心在VCSEL制作完成后，通过集成微型光学机电系统(Microopticalelectromechanicalmicrosystems，MOEMS)成功将VCSEL的输出光束聚焦，但是其结构和制作工艺都非常复杂，很难获得一个高的耦合效率；加州伯克利大学设计反射率随角度变化的高对比超结构(High-contrastmetastructure，HCM)替代VCSEL上反射镜，同时作为一个光束整形器调制输出光束，获得了不同远场分布的光束输出，但是其悬空的HCM不仅制作工艺复杂，而且机械稳定性差。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种集成高对比光栅的光束整形垂直腔面发射激光器及其模拟方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。为了实现上述目的，作为本专利技术的一方面，提供了一种集成高对比光栅的光束整形垂直腔面发射激光器，包括：垂直腔面发射激光器，包括下反射镜、有源区、氧化孔及上反射镜，所述下反射镜、有源区、氧化孔及上反射镜顺次相邻设置；高对比光栅，位于所述上反射镜的与氧化孔所处表面相对一侧的另一表面上；其中，所述高对比光栅的面积和垂直腔面发射激光器的氧化孔大小能够调整以获得不同形状输出光束。其中，所述上反射镜的对数为2-4对。其中，所述高对比光栅的材料由具有高折射率差的两种材料组成，高折射率与低折射率的比值需大于2，比如Si/SiO2、GaAs/AlOx。其中，所述氧化孔大小小于光栅区域直径。其中，所述氧化孔大小接近或大于光栅区域直径，此时输出单瓣高斯光束。作为本专利技术的另一方面，提供了一种集成高对比光栅的光束整形垂直腔面发射激光器的模拟方法，包括如下步骤：结合数值和仿真与分析，设计具有高反射带的高对比光栅，反射率大于99.5％；调整高对比光栅的周期大小、占空比以及光栅厚度，实现以目标波长为中心波长的高反射带，反射率大于99.5％；将上述得到的高对比光栅集成到含2～4对上分布布拉格反射镜的垂直腔面发射激光器上，构建三维模型，进行三维仿真模拟，得到所设计的光束整形垂直腔面发射激光器的远场分布仿真结果。其中，所述仿真模拟步骤中仿真分析采用的是时域有限差分数值方法。基于上述技术方案可知，本专利技术的垂直腔面发射激光器相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：(1)本专利技术制作工艺简单，能够在不借助外部光束整形系统的前提下实现不同形状光束输出；(2)本专利技术采用的理论成熟，建立的模型易于仿真计算。附图说明图1是集成高对比光栅的光束整形垂直腔面发射激光器的结构示意图；图2是本专利技术所设计的高对比光栅的反射谱的计算结果；图3是氧化孔大小d一定时，不同光栅区域直径大小下的远场分布及其水平方向远场发散角；图4是光栅区域直径D一定时，不同氧化孔大小下的远场分布及其水平方向远场发散角。具体实施方式本专利技术公开了一种集成高对比光栅的光束整形垂直腔面发射激光器及其模拟方法，所述光束整形垂直腔面发射激光器由垂直腔面发射激光器和高对比光栅组成，通过调节光栅面积和垂直腔面发射激光器的氧化孔大小获得不同形状输出光束。本专利技术可以实现在不借助外部光束整形系统下获得单瓣、双瓣等光束输出。具体的，本专利技术提供了一种集成高对比光栅的光束整形垂直腔面发射激光器，包括：垂直腔面发射激光器，包括下反射镜、有源区、氧化孔及上反射镜，所述下反射镜、有源区、氧化孔及上反射镜顺次相邻设置；高对比光栅，位于所述上反射镜的与氧化孔所处表面相对一侧的另一表面上；其中，所述高对比光栅的面积和垂直腔面发射激光器的氧化孔大小能够调整以获得不同形状输出光束。其中，所述上反射镜的对数为2-4对。其中，所述高对比光栅的材料由具有高折射率差的两种材料组成，高折射率与低折射率的比值需大于2，优选为Si/SiO2、GaAs/AlOx。其中，所述氧化孔大小小于光栅区域直径。其中，所述氧化孔大小接近或大于光栅区域直径，此时输出单瓣高斯光束。本专利技术还提供了一种集成高对比光栅的光束整形垂直腔面发射激光器的模拟方法，包括如下步骤：结合数值和仿真与分析，设计具有高反射带的高对比光栅，反射率大于99.5％；调整高对比光栅的周期大小、占空比以及光栅厚度，实现以目标波长为中心波长的高反射带，反射率大于99.5％；将上述得到的高对比光栅集成到含2～4对上分布布拉格反射镜的垂直腔面发射激光器上，构建三维模型，进行三维仿真模拟，得到所设计的光束整形垂直腔面发射激光器的远场分布仿真结果。其中，所述仿真模拟步骤中仿真分析采用的是时域有限差分数值方法。为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。如图1所示，本专利技术涉及的一种集成高对比光栅的光束整形垂直腔面发射激光器，其由含2～4对上分布布拉格反射镜(Al0.12GaAs/Al0.9GaAs)的垂直腔面发射激光器和高对比光栅(GaAs/AlOx)组成，通过调节光栅面积和垂直腔面发射激光器的氧化孔大小获得不同形状输出光束。其中，所述高对比光栅由具有高折射率差的两种材料组成，高折射率与低折射率的比值需大于2，比如Si/SiO2、GaAs/AlOx。其中，所述氧化孔大小要小于光栅区域直径。其中，随着所述垂直腔面发射激光器的氧化孔大小的增大，输出光束逐渐由双瓣变成单瓣，当氧化孔大小接近或大于光栅区域直径时，输出单瓣高斯光束。本专利技术还公开了上述集成高对比光栅的光束整形垂直腔面发射激光器的模拟方法，包括以下步骤：第一步、结合数值和仿真与分析，设计具有高反射带的高对比光栅(GaAs/AlOx)，反射率大于99.5％；第二步、调整高对比光栅的周期大小、占空比以及光栅厚度，实现以目标波长为中心波长的高反射带，反射率大于99.5％，且所设计结构具有较大容差；计算结果如图2所示，在周期为363nm，占空比为0.74，光栅厚度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成高对比光栅的光束整形垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：/n垂直腔面发射激光器，包括下反射镜、有源区、氧化孔及上反射镜，所述下反射镜、有源区、氧化孔及上反射镜顺次相邻设置；/n高对比光栅，位于所述上反射镜的与氧化孔所处表面相对一侧的另一表面上；/n其中，所述高对比光栅的面积和垂直腔面发射激光器的氧化孔大小根据情况进行设计以获得不同形状输出光束。/n

【技术特征摘要】
1.一种集成高对比光栅的光束整形垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
垂直腔面发射激光器，包括下反射镜、有源区、氧化孔及上反射镜，所述下反射镜、有源区、氧化孔及上反射镜顺次相邻设置；
高对比光栅，位于所述上反射镜的与氧化孔所处表面相对一侧的另一表面上；
其中，所述高对比光栅的面积和垂直腔面发射激光器的氧化孔大小根据情况进行设计以获得不同形状输出光束。


2.如权利要求1所述的光束整形垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述上反射镜的对数为2-4对。


3.如权利要求1所述的光束整形垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述高对比光栅的材料由具有高折射率差的两种材料组成，高折射率与低折射率的比值需大于2，优选为Si/SiO2、GaAs/AlOx。


4.如权利要求1所述的光束整形垂直腔面发射激光器，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱平平，李明，阚强，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11