稀土掺杂VCSEL外腔反馈相干阵激光器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种稀土掺杂VCSEL外腔反馈相干阵激光器及其制备方法，激光器包括衬底和衬底上所制备的具有稀土元素掺杂层的VCSEL芯片外延结构，VCSEL芯片外延结构中，第一激光谐振腔和第二激光谐振腔形成光子级联复合腔，第一激光谐振腔产生第一波长激光，第一波长激光作为第二激光谐振腔中的泵浦光；第二激光谐振腔中稀土元素掺杂层中掺杂的稀土元素离子在第一波长激光的激发下产生第二波长荧光；第二波长荧光进入第三激光谐振外腔后再进入第二激光谐振腔，形成外腔互注入反馈，并由第三激光谐振外腔输出相干阵第二波长激光。通过本发明专利技术的技术方案，输出窄线宽高光束质量的相干阵激光，提高了发光效率，提高了激光光束质量。提高了激光光束质量。提高了激光光束质量。

【技术实现步骤摘要】
稀土掺杂VCSEL外腔反馈相干阵激光器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体激光器
，尤其涉及一种稀土掺杂VCSEL外腔反馈相干阵激光器以及一种稀土掺杂VCSEL外腔反馈相干阵激光器的制备方法。

技术介绍

[0002]与边发射半导体激光相比，垂直腔面发射激光器(VCSEL)以单色性好、单纵模激射、阈值电流低、功耗低、易于二维集成、圆形光斑、易与光纤耦合、“在片”检测和成本低等优势，广泛应用于激光打印、3D感测、光通信和光存储等领域。目前，传统的P
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N结型阵列VCSEL激光器由于电子
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空穴复合受激辐射机制的限制和没有确定的位相关系，普遍存在发光强度和发光效率不高，远场分布空间特性较差，能量分布很分散、光束质量差、横模多为高阶模等问题，从而限制了其的发展及应用。
[0003]稀土离子由于受到未充满的外壳电子层的保护，具有稳定的发光性能、较长的荧光寿命、较大的反斯托克斯位移以及明锐的发光峰等优势。稀土离子是许多激光材料、稀磁半导体材料、非线性光学材料以及纳米发光材料中的激活离子，它们作为杂质掺入材料后对材料的微观结构、电性质、光磁性质等有着极其重要的影响。
[0004]外腔锁相是在VCSEL芯片外部采用某种装置或器件，使VCSEL芯片各发光单元出射光的位相之间建立某种固定关系，实现锁相运行，改善器件的光束质量。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术提供了一种稀土掺杂VCSEL外腔反馈相干阵激光器及其制备方法，通过在传统半导体激光器材料内掺杂所需稀土元素，实现电子
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空穴复合受激辐射机制与粒子能级系统跃迁辐射机制相互作用的光子级联型发光新体制，通过稀土离子掺杂的上转换材料可实现低能量光子到高能量光子的转化，解决传统VCSEL激光器发光强度和发光效率不高的问题，从而实现能级跃迁过程中能量的高效利用，提高发光效率；通过增加光学谐振外腔建立发光单元间确定的位相关系，提高激光光束质量，解决传统阵列半导体激光器远场分布空间特性较差、能量分布很分散、光束质量差等问题，最后输出窄线宽高光束质量的相干阵激光。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种稀土掺杂VCSEL外腔反馈相干阵激光器，包括衬底和所述衬底上所制备的具有稀土元素掺杂层的VCSEL芯片外延结构，所述VCSEL芯片外延结构包括第一激光谐振腔、第二激光谐振腔和第三激光谐振外腔；
[0007]所述第一激光谐振腔和所述第二激光谐振腔形成光子级联复合腔，所述第一激光谐振腔在电流激励下能够产生第一波长激光，所述第一波长激光作为所述第二激光谐振腔中的泵浦光；
[0008]所述第二激光谐振腔中包括所述稀土元素掺杂层，所述稀土元素掺杂层中掺杂的稀土元素离子在所述第一波长激光的激发下产生第二波长荧光；
[0009]所述第二波长荧光由所述第二激光谐振腔进入所述第三激光谐振外腔后再进入
所述第二激光谐振腔，形成外腔互注入反馈，并由所述第三激光谐振外腔输出相干阵第二波长激光。
[0010]在上述技术方案中，优选地，所述VCSEL芯片外延结构包括由所述衬底向上依次外延的N型DBR层、N型全反射DBR层、N型波导层、稀土元素掺杂层、半导体多量子阱层、P型波导层、氧化层、P型全反射DBR层和P型DBR层，以及所述衬底底部的光模式损耗层和半反半透层。
[0011]在上述技术方案中，优选地，所述N型全反射DBR层、所述N型波导层、所述半导体多量子阱层、所述P型波导层和所述P型全反射DBR层构成所述第一激光谐振腔；
[0012]所述N型DBR层、所述稀土元素掺杂层、所述氧化层和所述P型DBR层构成所述第二激光谐振腔；
[0013]所述衬底、所述光模式损耗层和所述半反半透层构成所述第三激光谐振外腔。
[0014]在上述技术方案中，优选地，所述第一激光谐振腔的激光产生机制为电致发光，在注入电流的激励下，电子和空穴重新复合辐射大量光子，形成能带间的所述第一波长激光；
[0015]所述N型全反射DBR层和所述P型全反射DBR层对所述第一波长激光全反射。
[0016]在上述技术方案中，优选地，所述第二激光谐振腔的激光产生机制为光致发光，所述稀土元素掺杂层中掺杂的稀土元素离子在所述第一波长激光的激发下，粒子能级跃迁产生第二波长荧光；
[0017]所述第二激光谐振腔中，所述N型DBR层为全反射层、所述P型DBR层为半反半透层，或者所述N型DBR层为半反半透层、所述P型DBR层为全反射层；
[0018]全反射层对所述第二波长荧光全反射，半反半透层对所述第二波长荧光的反射率为50％～90％；
[0019]所述第二波长荧光在通过所述第二激光谐振腔中的半反半透层后，进入所述第三激光谐振外腔，通过所述第三激光谐振外腔的半反半透层后，再进入第二激光谐振腔形成外腔互注入反馈。
[0020]在上述技术方案中，优选地，所述稀土元素掺杂层掺杂有镧系元素离子，掺杂种类为单独掺杂一种元素或按一定比例掺杂多种元素；
[0021]所述稀土元素掺杂层的掺杂方法包括离子注入掺杂、外延生长掺杂和离子溶液掺杂。
[0022]在上述技术方案中，优选地，所述稀土元素掺杂层的外延生长掺杂方式为GaAs层和X
y
As
z
层交替生长，其中，X为镧系元素中的一种。
[0023]在上述技术方案中，优选地，所述光模式损耗层由带有一定凹凸结构的透红外光学材料制成，位于所述第三激光谐振腔中所述半反半透层的内侧；
[0024]所述第二波长荧光通过所述光模式损耗层可损耗高阶模式、使低阶模式的光进入所述第二激光谐振腔内形成振荡。
[0025]在上述技术方案中，优选地，所述半反半透层对所述第二波长荧光的反射率为50％～90％。
[0026]本专利技术还提出一种如上述技术方案中任一项公开的稀土掺杂VCSEL外腔反馈相干阵激光器的制备方法，包括：
[0027]在衬底表面依次外延生长以制备得到VCSEL芯片外延结构，其中的稀土元素掺杂
层以注入稀土离子、外延生长或离子溶液掺杂方式形成；
[0028]在所述VCSEL芯片外延结构上制作台面结构；
[0029]在所述VCSEL芯片外延结构中的氧化层上制作氧化孔；
[0030]在所述VCSEL芯片外延结构表面进行光刻后制作金属N电极；
[0031]剥离非N电极的金属；
[0032]在所述VCSEL芯片外延结构表面进行光刻后制作金属P电极；
[0033]剥离非P电极的金属；
[0034]在所述衬底另一表面制备光学谐振外腔；
[0035]针对制作完成的芯片进行解理和封装。
[0036]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：通过打破传统P
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N结型VCSEL激光器的电子
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空穴复合受激辐射机制，在传统半导体激光器材料内掺杂所需稀土元素，实现电子
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种稀土掺杂VCSEL外腔反馈相干阵激光器，包括衬底和所述衬底上所制备的具有稀土元素掺杂层的VCSEL芯片外延结构，其特征在于，所述VCSEL芯片外延结构包括第一激光谐振腔、第二激光谐振腔和第三激光谐振外腔；所述第一激光谐振腔和所述第二激光谐振腔形成光子级联复合腔，所述第一激光谐振腔在电流激励下能够产生第一波长激光，所述第一波长激光作为所述第二激光谐振腔中的泵浦光；所述第二激光谐振腔中包括所述稀土元素掺杂层，所述稀土元素掺杂层中掺杂的稀土元素离子在所述第一波长激光的激发下产生第二波长荧光；所述第二波长荧光由所述第二激光谐振腔进入所述第三激光谐振外腔后再进入所述第二激光谐振腔，形成外腔互注入反馈，并由所述第三激光谐振外腔输出相干阵第二波长激光。2.根据权利要求1所述的稀土掺杂VCSEL外腔反馈相干阵激光器，其特征在于，所述VCSEL芯片外延结构包括由所述衬底向上依次外延的N型DBR层、N型全反射DBR层、N型波导层、稀土元素掺杂层、半导体多量子阱层、P型波导层、氧化层、P型全反射DBR层和P型DBR层，以及所述衬底底部的光模式损耗层和半反半透层。3.根据权利要求2所述的稀土掺杂VCSEL外腔反馈相干阵激光器，其特征在于，所述N型全反射DBR层、所述N型波导层、所述半导体多量子阱层、所述P型波导层和所述P型全反射DBR层构成所述第一激光谐振腔；所述N型DBR层、所述稀土元素掺杂层、所述氧化层和所述P型DBR层构成所述第二激光谐振腔；所述衬底、所述光模式损耗层和所述半反半透层构成所述第三激光谐振外腔。4.根据权利要求3所述的稀土掺杂VCSEL外腔反馈相干阵激光器，其特征在于，所述第一激光谐振腔的激光产生机制为电致发光，在注入电流的激励下，电子和空穴重新复合辐射大量光子，形成能带间的所述第一波长激光；所述N型全反射DBR层和所述P型全反射DBR层对所述第一波长激光全反射。5.根据权利要求3所述的稀土掺杂VCSEL外腔反馈相干阵激光器，其特征在于，所述第二激光谐振腔的激光产生机制为光致发光，所述稀土元素掺杂层中掺杂的稀土元素离子在所述第一波长激光的激发下，粒子能级跃迁产生第二波长荧光；所述第二激光谐振腔中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王智勇，代京京，宗梦雅，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：