具有小发散角的VCSEL激光器、芯片及用于LIDAR系统的光源技术方案

本发明专利技术公开了一种具有小发散角的VCSEL激光器、芯片及用于LIDAR系统的光源，激光器包括：有源层，以及位于有源层相对两侧的下布拉格反射层和上布拉格反射层；其中，下布拉格反射层与有源层之间和上布拉格反射层与有源层之间的至少一处设置有储光层，储光层用于储存驻波光场能量；储光层与有源层之间设置有具有增透界面的增透层，增透层用于增大储光层的光场强度峰值至高于有源层的光场强度峰值。通过增透层调整驻波光场强度分布，降低了电流限制层的光限制因子，区别于传统单纯延长腔长减小发散角的方法，在有效的降低发散角的同时，使得腔长的增加相对较少，从而可以避免长腔导致的多纵模同时激射的问题。的多纵模同时激射的问题。的多纵模同时激射的问题。

【技术实现步骤摘要】
具有小发散角的VCSEL激光器、芯片及用于LIDAR系统的光源
[0001]交叉引用以及优先权申明
[0002]本专利申请要求在2021年09月29日提交的临时专利申请序列号为63/249,976的美国临时申请“Small divergence angle VCSEL with anti
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reflection interface，anti
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reflection layer or anti
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reflection region”的优先权，上述美国临时申请的全部内容通过引用并入本文。


[0003]本专利技术实施例涉及激光器
，尤其涉及一种具有小发散角的VCSEL激光器、芯片及用于LIDAR系统的光源。

技术介绍

[0004]具有小发散角的VCSEL激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)可以产生比发光二极管(light
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emitting diode，LED)或其他非相干光源更小发散角的光束，被广泛应用于三维传感、激光雷达、光通信以及照明等应用中，可为各种应用提供小型、紧凑、高功率的激光光源。
[0005]传统的VCSEL的发散全角通常约为20～30度，这个发散角虽能满足一些传统的应用，但对于新的应用场景而言仍相对较大，会限制三维传感器和的激光雷达探测距离、分辨率和信噪比。将VCSEL的光束发散角进一步进行压缩在实际应用中有着非常迫切的需求。目前，为了压缩VCSEL光束发散角，通常的手段是通过加长腔长的方法，使得VCSEL发光孔内外的有效折射率差异降低，进而抑制高阶模式的产生。高阶模式的光束具有更大的发散角，因此，将高阶模式的光束抑制之后，剩下的低阶模式光束可以实现更小的发散角度。但是，加长腔长的方法会引起新的问题。把腔长加长之后，激光纵向模式的间距也会减小，VCSEL的发射光谱会出现多个纵向模式，即出现多个光谱峰。这些多个光谱峰中除了我们设计的激射波长之外，还有其他不希望出现的光谱峰出现在我们设计的激射波长的一侧或两侧，这些不希望出现的光谱峰通常称为纵模。纵模的出现会导致一些潜在的问题，例如导致光源的温漂系数增大，温度稳定性降低；又例如三维传感器和的激光雷达的接收端无法识别这些纵模导致效率下降和串扰等。

技术实现思路

[0006]本专利技术实施例提供了一种具有小发散角的VCSEL激光器、芯片及用于LIDAR系统的光源，以极大地降低发散角的同时，还可以保持单纵模激射。
[0007]本专利技术实施例提供了一种具有小发散角的VCSEL激光器，包括：
[0008]下布拉格反射层；
[0009]有源层，位于所述下布拉格反射层的一侧；
[0010]上布拉格反射层，位于所述有源层远离所述下布拉格反射层的一侧；
[0011]其中，所述有源层内或外侧附近设置有定义发光区的电流限制层；所述下布拉格
反射层与所述有源层之间和所述上布拉格反射层与所述有源层之间的至少一处设置有储光层，所述储光层用于存储光场能量；所述储光层与所述有源层之间设置有具有增透界面的增透层，所述增透层用于增大所述储光层的光场强度峰值至高于有源层的光场强度峰值。
[0012]可选的，所述电流限制层的个数为至少一个，所述电流限制层沿垂直于有源层的中心与最近的驻波光场的0值的光程距离小于十分之一激射波长；所述电流限制层在所述有源层外侧时，位于沿垂直于所述有源层一侧的两个波长范围内。
[0013]可选的，所述电流限制层沿垂直于有源层的中心与最近的驻波光场的0值位置对齐。
[0014]可选的，所述电流限制层包括氧化层；所述氧化层为外延生长的高Al组分的AlGaAs，其外侧被氧化区域形成绝缘的氧化铝膜层；其中，未氧化区域形成有效电流注入的发光区域。
[0015]可选的，沿着所述有源层指向所述储光层的方向，所述增透界面包括储光层和有源层之间的位于从低折射率到高折射率界面处的第一增透界面，和/或储光层和有源层之间的位于从高折射率到低折射率界面处的第二增透界面；
[0016]其中，所述第一增透界面与最近的驻波光场的峰值位置的光程距离小于十分之一激射波长；所述第二增透界面与最近的驻波光场的0值位置的光程距离小于十分之一激射波长。
[0017]可选的，所述第一增透界面处于驻波光场的峰值位置；所述第二增透界面处于光驻波电场的0值位置。
[0018]可选的，沿着有源区指向储光层的方向，所述增透层的第一增透界面，与上下布拉格反射层中相对有源层处于储光层异侧的布拉格反射层中任一低折射率进入到高折射率的界面之间的光学间距是半波长的整数倍，与上下布拉格反射层中相对有源层处于储光层同侧的布拉格反射层中任一低折射率到高折射率的界面之间的光学间距是四分之一激射波长的奇数倍；
[0019]增透层的第二增透界面，与上下布拉格反射层中相对有源层处于储光层异侧的布拉格反射层中任一高折射率进入到低折射率高的界面之间的光学间距是半波长的整数倍，与上下布拉格反射层中相对有源层处于储光层同侧的布拉格反射层中任一高折射率到低折射率的界面之间的光学间距是四分之一激射波长的奇数倍。
[0020]可选的，所述增透层包括一个增透界面，所述增透界面为第一增透界面或第二增透界面；
[0021]所述增透界面为所述储光层与所述有源层的接触界面，或者为所述储光层与所述有源层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面。
[0022]可选的，所述增透层包括两个增透界面；
[0023]其中一个增透界面为所述储光层与所述增透层的接触界面，或者为所述储光层与所述增透层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面；另一个增透界面为所述有源层与所述增透层的接触界面，或者为所述有源层与所述增透层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面。
[0024]可选的，两个增透界面分别为第一增透界面和第二增透界面；沿着垂直于所述有
源层的方向，两个增透界面之间的光学厚度为四分之一激射波长的奇数倍；
[0025]或者，两个增透界面均为第一增透界面，沿着垂直于所述有源层的方向，两个增透界面之间的光学厚度为二分之一激射波长的整数倍；
[0026]或者，两个增透界面均为第二增透界面，沿着垂直于所述有源层的方向，两个增透界面之间的光学厚度为二分之一激射波长的整数倍。
[0027]可选的，所述增透层包括的增透界面的个数大于或等于3，所述增透层包括第一增透界面为m个，第二增透界面为n个；m为大于或等于1的整数，n为大于或等于1的整数；第1个增透界面和第m+n个增透界面其中一个为第一增透界面，另一个为第二增透界面，所述增透层的光学厚度为四分之一激射波长的奇数倍；
[0028]沿着所述有源层指向所述储光层的方向，第1个增透界面为所述有源层与所述增透层的接触界面，或者为所述有源层与所述增透层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面；第2～m+n
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1个增透界面为增透本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有小发散角的VCSEL激光器，其特征在于，包括：下布拉格反射层；有源层，位于所述下布拉格反射层的一侧；上布拉格反射层，位于所述有源层远离所述下布拉格反射层的一侧；其中，所述有源层内或所述有源层外侧附近设置有定义发光区的电流限制层；所述下布拉格反射层与所述有源层之间和所述上布拉格反射层与所述有源层之间的至少一处设置有储光层，所述储光层用于存储光场能量；所述储光层与所述有源层之间设置有具有增透界面的增透层，所述增透层用于增大所述储光层的光场强度峰值至高于有源层的光场强度峰值。2.根据权利要求1所述的具有小发散角的VCSEL激光器，其特征在于，所述电流限制层的个数为至少一个，所述电流限制层沿垂直于有源层的中心与最近的驻波光场的0值的光程距离小于十分之一激射波长；所述电流限制层在所述有源层外侧时，位于沿垂直于所述有源层一侧的两个波长范围内。3.根据权利要求2所述的具有小发散角的VCSEL激光器，其特征在于，所述电流限制层沿垂直于有源层的中心与最近的驻波光场的0值位置对齐。4.根据权利要求1所述的具有小发散角的VCSEL激光器，其特征在于，所述电流限制层包括氧化层；所述氧化层为外延生长的高Al组分的AlGaAs，其外侧被氧化区域形成绝缘的氧化铝膜层；其中，未氧化区域形成有效电流注入的发光区域。5.根据权利要求1所述的具有小发散角的VCSEL激光器，其特征在于，沿着所述有源层指向所述储光层的方向，所述增透界面包括储光层和有源层之间的位于从低折射率到高折射率界面处的第一增透界面，和/或储光层和有源层之间的位于从高折射率到低折射率界面处的第二增透界面；其中，所述第一增透界面与最近的驻波光场的峰值位置的光程距离小于十分之一激射波长；所述第二增透界面与最近的驻波光场的0值位置的光程距离小于十分之一激射波长。6.根据权利要求5所述的具有小发散角的VCSEL激光器，其特征在于，所述第一增透界面处于驻波光场的峰值位置；所述第二增透界面处于光驻波电场的0值位置。7.根据权利要求5所述的具有小发散角的VCSEL激光器，其特征在于，沿着有源区指向储光层的方向，所述增透层的第一增透界面，与上下布拉格反射层中相对有源层处于储光层异侧的布拉格反射层中任一低折射率进入到高折射率的界面之间的光学间距是半波长的整数倍，与上下布拉格反射层中相对有源层处于储光层同侧的布拉格反射层中任一低折射率到高折射率的界面之间的光学间距是四分之一激射波长的奇数倍；增透层的第二增透界面，与上下布拉格反射层中相对有源层处于储光层异侧的布拉格反射层中任一高折射率进入到低折射率高的界面之间的光学间距是半波长的整数倍，与上下布拉格反射层中相对有源层处于储光层同侧的布拉格反射层中任一高折射率到低折射率的界面之间的光学间距是四分之一激射波长的奇数倍。8.根据权利要求5所述的具有小发散角的VCSEL激光器，其特征在于，所述增透层包括一个增透界面，所述增透界面为第一增透界面或第二增透界面；所述增透界面为所述储光层与所述有源层的接触界面，或者为所述储光层与所述有源
层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面。9.根据权利要求5所述的具有小发散角的VCSEL激光器，其特征在于，所述增透层包括两个增透界面；其中一个增透界面为所述储光层与所述增透层的接触界面，或者为所述储光层与所述增透层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面；另一个增透界面为所述有源层与所述增透层的接触界面，或者为所述有源层与所述增透层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面。10.根据权利要求9所述的具有小发散角的VCSEL激光器，其特征在于，两个增透界面分别为第一增透界面和第二增透界面；沿着垂直于所述有源层的方向，两个增透界面之间的光学厚度为四分之一激射波长的奇数倍；或者，两个增透界面均为第一增透界面，沿着垂直于所述有源层的方向，两个增透界面之间的光学厚度为二分之一激射波长的整数倍；或者，两个增透界面均为第二增透界面，沿着垂直于所述有源层的方向，两个增透界面之间的光学厚度为二分之一激射波长的整数倍。11.根据权利要求5所述的具有小发散角的VCSEL激光器，其特征在于，所述增透层包括的增透界面的个数大于或等于3；所述增透层包括第一增透界面为m个，第二增透界面为n个；m为大于或等于1的整数，n为大于或等于1的整数；第1个增透界面和第m+n个增透界面其中一个为第一增透界面，另一个为第二增透界面，所述增透层的光学厚度为四分之一激射波长的奇数倍；沿着所述有源层指向所述储光层的方向，第1个增透界面为所述有源层与所述增透层的接触界面，或者为所述有源层与所述增透层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面；第2～m+n
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1个增透界面为增透层中相邻的两个高低折射率子层的接触界面或高低折射率子层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面；第m+n个增透界面为所述储光层与所述增透层的接触界面，或者为所述储光层与所述增透层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面。12.根据权利要求5所述的具有小发散角的VCSEL激光器，其特征在于，所述增透层包括的增透界面的个数大...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁栋，张成，
申请(专利权)人：常州纵慧芯光半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：