谐振腔、激光单元、激光器以及激光雷达的制作方法

1.本发明涉及激光器领域，特别涉及一种谐振腔、激光单元、激光器和激光雷达。


背景技术：

2.激光雷达是一种常用的测距传感器，具有探测距离远、分辨率高、受环境干扰小等特点，广泛应用于智能机器人、无人机、无人驾驶等领域。近年来，自动驾驶技术发展迅速，激光雷达作为其距离感知的核心传感器，已不可或缺。激光器，作为激光雷达核心部件之一，其性能的好坏对激光雷达的性能有着的很大的影响。
3.传统的垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，简称vcsel)通常包括n型掺杂衬底上依次外延生长的下层布拉格反射镜(distributed bragg reflector，简称dbr)、有源区、电流限制层以及上层dbr。其中，电流由电极经电流限制层注入有源区；有源区的材料受激发光，在上层dbr和下层dbr所构成的谐振腔中谐振，形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束。
4.vcsel中，为了提高整体增益以实现高功率输出，有源区往往设置为多个层叠的多量子阱(multi quantum wells，mqws)结构；同时为了提高电流密度、降低电流分散效应，相邻多量子阱结构之间设置电流限制层以驱使电流向中心位置集中。
5.但是，既包括电流限制层，又具有多个多量子阱结构的谐振腔结构在发光时，容易出现高阶模被激发、所产生激光发散角较大的问题。


技术实现要素：

6.本发明解决的问题是提供一种谐振腔、激光单元、激光器和激光雷达，以抑制高阶模、控制激光发散角。
7.为解决上述问题，本发明提供一种谐振腔，包括：第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜相对间隔设置，所述第一反射镜指向第二反射镜的方向与电流方向一致；有源结构，所述有源结构位于所述第一反射镜和所述第二反射镜之间；所述有源结构包括多个功能叠层，所述功能叠层包括发光层；沿所述第一反射镜指向第二反射镜的方向，所述多个功能叠层依次排列，并分别为第1功能叠层、第2功能叠层
……
第n功能叠层，其中n为所述有源结构中功能叠层的数量，至少所述第1功能叠层和所述第n功能叠层还包括：电流限制层；同一功能叠层中，所述电流限制层和所述发光层之间的距离为传导间距；所述第1功能叠层的传导间距大于所述第n功能叠层的传导间距。
8.可选的，第1功能叠层的传导间距与第n功能叠层的传导间距的光程差是所述有源结构产生的光线半波长的整数倍。
9.可选的，所述整数大于等于2。
10.可选的，每个所述叠层均包括沿电流方向依次设置的电流限制层和发光层。
11.可选的，沿所述第1功能叠层指向第2功能叠层的方向，所述传导间距减小。
12.可选的，所述第1功能叠层的传导间距大于所述第2功能叠层的传导间距。
13.可选的，第n功能叠层的传导间距小于第n-1功能叠层的传导间距。
14.可选的，第1功能叠层、第2功能叠层、
……
、第x功能叠层中任意一个的传导间距大于第x+1功能叠层、第x+2功能叠层、
……
、第n功能叠层中任意一个的传导间距。
15.可选的，所述第1功能叠层的传导间距大于0.75λ，其中λ为所述有源结构产生光线的波长。
16.可选的，所述第n功能叠层的传导间距小于0.75λ，其中λ为所述有源结构产生光线的波长。
17.可选的，所述发光层为量子阱结构。
18.可选的，所述第一反射镜为p型掺杂的反射镜；所述第二反射镜为n型掺杂的反射镜。
19.相应的，一种激光雷达，包括：谐振腔，所述谐振腔为本发明的谐振腔；第一电极，所述第一电极与所述谐振腔电连接；第二电极，所述第二电极与所述谐振腔电连接。
20.可选的，所述第一电极包括：贯穿所述第一电极的开口；所述电流限制层包括：导电区域和填充于所述导电区域之间的绝缘区域，其中所述导电区域沿电流方向贯穿所述电流限制层；所述导电区域在所述第一电极表面的投影在所述开口的范围内。
21.可选的，所述第一电极为p电极；所述第二电极为n电极。
22.而且，本发明还提高一种激光单元，包括：激光单元，所述激光单元为本发明的激光单元。
23.可选的，所述激光器为垂直腔面发射激光器。
24.可选的，所述激光器为顶发射垂直腔面发射激光器或背发射垂直腔面发射激光器。
25.此外，本发明还提高一种激光雷达，包括：光源，所述光源包括本发明的激光器。
26.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
27.本发明技术方案中，所述第1功能叠层的传导间距大于第n功能叠层的传导间距。增大所述第1功能叠层的传导间距，能够延长从第1功能叠层的电流限制层至发光层的电流路径，使电流向中心区域的扩散更充分，从而有效抑制电流限制层绝缘区域和导电区域边界位置处的电流集聚效应；缩小所述第n功能叠层的传导间距，缩短第n功能叠层的电流限制层至发光层的电流路径，从而改善电流扩散效应，增加中心区域的电流密度；边界位置处电流集聚效应的抑制和中心区域电流密度的增加，都能够有效增加基模强度、抑制高阶模的激发，能够有效减小激光的发散角。
附图说明
28.图1是一种vcsel单元的剖面结构示意图；
29.图2是一种包括多结的多量子阱结构的vcsel单元的剖面结构示意图；
30.图3是图2所示vcsel单元中有源区内光强分布示意图；
31.图4是两种vcsel单元中有源区内基模和高阶模叠加后的光强分布示意图；
32.图5是图2所示vcsel单元中处于电流上游的第5多量子阱结构22e1内的电流分布情况；
33.图6是图2所示vcsel单元中处于电流下游的第1多量子阱结构22a1内的电流分布
情况；
34.图7是本发明谐振腔一实施例的剖面结构示意图；
35.图8是本发明谐振腔另一实施例的剖面结构示意图；
36.图9是图8所示谐振腔实施例中第一反射镜和第二反射镜之间所形成驻波的波形示意图；
37.图10是图8所示谐振腔实施例中处于电流上游第1功能叠层101的发光层121内的电流分布情况；
38.图11是图8所示谐振腔实施例中处于电流下游第5功能叠层105的发光层125内的电流分布情况；
39.图12是本发明激光单元另一实施例的剖面结构示意图。
具体实施方式
40.由背景技术可知，既包括电流限制层，又具有多个多量子阱结构的谐振腔结构在发光时，由于电流分布不均匀，容易出现高阶模被激发、所产生激光发散角较大的问题。现结合一种谐振腔的结构分析其高阶模激发、激光发散角大问题的原因：
41.参考图1，示出了一种vcsel单元的剖面结构示意图。
42.所述vcsel激光芯片包括多个vcsel单元。如图1所示，环形上电极15和下电极16之间，所述vcsel单元的器件结构包括：依次外延生长于衬底10上的下层dbr 11、有源区12、电流限制层13以及上层dbr 14。各个外延层由金属有机化合物气相沉积(metal-organic chemical vapour deposition，mocvd)技术在衬底10上外延生长获得。
43.每个vcsel单元中，电流经上电极15注入所述有源区12；所述有源区12的材料受激发光，在上层dbr 14和下层dbr 11所构成的谐振腔中谐振，形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束。图1示出的是一种正面出光vcsel单元，其中，上层dbr 14的周期数较少，反射率略低于下层dbr 11，使大部分光从上层dbr 14向上透射出去，成为可用的激光。
44.为了提高总体增益，实现高功率输出，每个vcsel单元的有源区中会设置多结的多量子阱结构，或称为多结vcsel，如图2所示。图2即示出了包括多结的多量子阱结构的vcsel单元的剖面结构示意图。为降低电流分散效应，有源区中相邻两个多量子阱结构之间设置电流限制层，以使电流向中心位置集中。
45.如图2所示的vcsel单元，所述有源区包括多个多量子阱结构，第1多量子阱结构22a1、第2多量子阱结构22b1、第3多量子阱结构22c1、第4多量子阱结构22d1以及第5多量子阱结构22e1。相邻两个多量子阱结构之间设置电流限制层，即第1多量子阱结构22a1和第2多量子阱结构22b1之间的第1电流限制层22a2、第2多量子阱结构22b1和第3多量子阱结构22c1之间的第2电流限制层22b2、第3多量子阱结构22c1和第4多量子阱结构22d1之间的第3电流限制层22c2、第4多量子阱结构22d1和第5多量子阱结构22e1之间的第4电流限制层22d2以及第5多量子阱结构22e1和所述上电极25之间的第5电流限制层22e2。
46.此外，图2中，上电极25为p型电极，下电极26为n型电极，因此图2所示vcsel单元中，电流沿上电极25指向下电极26的方向(如图2中箭头i所示)流动。为了更好的限制流入各个多量子阱结构的电流，通常将电流限制层设置在各个多量子阱结构朝向p型电极的一侧，即各电流限制层位于各多量子阱结构朝向上电极25的一侧。
47.图2所示的vcsel结构的有源区内，通常多量子阱结构与电流限制层的分布是均匀的，也就是说，不同多量子阱结构与相对应的电流限制层之间的距离l是均匀，即l1＝l2＝l3＝l4＝l5，而且相邻多量子阱结构之间的距离也是均匀的，即d1＝d2＝d3＝d4。但是经研究发现，这种均匀的结构会使电流在有源区内的分布不均匀，从而出现vcsel单元的高阶模被激发，激光器发散角增大，进而限制了激光器的应用。
48.结合参考图3和图4，其中图3示出了图2所示vcsel单元中有源区内基模和高阶模的光强分布示意图，图4示意出两种vcsel单元中有源区内基模和高阶模叠加后的光强分布示意图。其中横坐标为垂直上电极25指向下电极26方向的平面内与vcsel单元几何中心之间的距离r，纵坐标表示归一化的光强i。图3中，图线31表示图2所示vcsel单元中有源区内基模的光强分布示意图，图线32表示图2所示vcsel单元中有源区内高阶模的光强分布示意图；图4中图线41表示图2所示vcsel单元中有源区内所产生光强分布示意图。
49.vcsel单元发出的光是以vcsel单元几何中心为圆心、横截面为圆形光的光束，发散角是根据光强由中心最强值减弱至1/e2处的光斑尺寸而获得的。理想状态的光应为基模光斑，即vcsel单元几何中心相对应的光斑中心处的光为最强，向边缘迅速减弱。这种情况下容易获得比较小的发散角。电流在有源区的分布优选为强度随距离变化曲线符合基模强度曲线的形状，可使得有源区发出基模的光。
50.但是如图3和图4所示，图2所示vcsel单元中的有源区发出的光具有多个模态，每个模态的光强基本服从于高斯分布。其中，基模的光在vcsel单元几何中心处最强，向两侧逐渐减弱。如图3所示，一个高阶模在远离vcsel单元几何中心的位置处最强(如图3中圈32内所示)。但是基模与高阶模叠加以后，所述vcsel单元整体产生的光线在偏离几何中心的地方存在另外的发光较强的区域(如图4中箭头t1所示区域)。
51.参考图5和图6，其中图5是图2所示vcsel单元中处于电流上游的第5多量子阱结构22e1内的电流分布情况，图6是图2所示vcsel单元中处于电流下游的第1多量子阱结构22a1内的电流分布情况。
52.图中，横坐标为垂直上电极25指向下电极26方向的平面内与vcsel单元几何中心之间的距离(单位：μm)，纵坐标表示多量子阱结构内总电流密度(单位：104a/cm2)；此外，图中垂直横轴的虚线表示相对应电流限制层中导电区域和绝缘区域的边界位置(即图2中虚线a1a2所示位置)。
53.如图5和图6所示，第1多量子阱结构22a1内和第5多量子阱结构22e1内，vcsel单元几何中心位置处的电流密度较高，而且随着与几何中心之间距离的增大，电流密度逐渐减小。
54.但是如图5所示，电流路径上游的第5多量子阱结构22e1中，电流在导电区域和绝缘区域的边界位置处存在聚集效应，而且在该位置处电流密度甚至超过了几何中心位置处的电流密度。在远离几何中心超过导电区域和绝缘区域的边界位置处1μm处，电流密度从2
×
104a/cm2降至接近零的水平。如图6所示，电流路径下游的第1多量子阱结构22a1中，存在更明显的电流扩散效应，即电流扩散至电流限制层部分，在超过导电区域和绝缘区域的边界位置处1μm处，电流密度从1
×
104a/cm2降至接近零的水平。
55.顶面发光vcsel单元通常采用n型衬底，与衬底相连的下电极26为n型电极，下电极26接地，上电极25为p型电极连接电源的正极。其中上电极25的形状为环形。
56.为了提高vcsel单元几何中心位置处的电流密度，电流限制层中绝缘区域的尺寸较大，导电区域的尺寸较小；另一方面为了防止遮挡光线出射，p型电极的宽度较小，因此在谐振腔内，电流限制层的绝缘区域的宽度一般会大于上电极25的宽度。电流自上电极25流出，经电流限制层，向vcsel单元几何中心扩散经有源区后，从下电极26导出。这样的路径使得电流容易在路径上最顶部的电流限制层，如第五电流限制层22e2的边缘聚集，并且经过多个多量子阱结构后继续向谐振腔边缘扩散(第1电流限制层22a2与第1多量子阱结构22a1之间)，从而造成了图5所示的电流聚集效应和图6所示的电流扩散效应。
57.继续结合图3所示，由于电流限制层中导电区域和绝缘区域的边界位置处的电流密度较高，容易在该位置处激发光强较大的高阶模，从而使得vcsel单元所产生的光线为基模和高阶模的叠加，使得在偏离中心位置出现光强较大的现象，使得光斑继续向外围扩散，进而出现发散角变大的问题。
58.为解决所述技术问题，本发明提供一种谐振腔，包括：第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜相对间隔设置，所述第一反射镜指向第二反射镜的方向与电流方向一致；有源结构，所述有源结构位于所述第一反射镜和所述第二反射镜之间；所述有源结构包括多个功能叠层，所述功能叠层包括发光层；沿所述第一反射镜指向第二反射镜的方向，所述多个功能叠层依次排列，并分别为第1功能叠层、第2功能叠层
……
第n功能叠层，其中n为所述有源结构中功能叠层的数量，至少所述第1功能叠层和所述第n功能叠层还包括：电流限制层；同一功能叠层中，所述电流限制层和所述发光层之间的距离为传导间距；所述第1功能叠层的传导间距大于所述第n功能叠层的传导间距。
59.本发明技术方案中，增大所述第1功能叠层的传导间距，能够延长从第1功能叠层的电流限制层至发光层的电流路径，使电流向中心区域的扩散更充分，从而有效抑制电流限制层绝缘区域和导电区域边界位置处的电流集聚效应；缩小所述第n功能叠层的传导间距，缩短第n功能叠层的电流限制层至发光层的电流路径，从而改善电流扩散效应，增加中心区域的电流密度；电流限制层绝缘区域和导电区域的边界位置处电流集聚效应的抑制，和vcsel单元几何中心区域电流密度的增加，都能够有效增加基模强度、抑制高阶模的激发，能够有效减小激光的发散角。
60.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
61.参考图7，示出了本发明谐振腔一实施例的剖面结构示意图。
62.所述谐振腔包括：
63.第一反射镜110和第二反射镜140，所述第一反射镜110和所述第二反射镜140相对间隔设置，所述第一反射镜110指向第二反射镜140的方向与电流方向一致；有源结构(图中未标示)，所述有源结构位于所述第一反射镜110和所述第二反射镜140之间；所述有源结构包括多个功能叠层，所述功能叠层包括发光层；沿所述第一反射镜110指向第二反射镜140的方向，所述多个功能叠层依次排列，并分别为第1功能叠层101、第2功能叠层102、
……
、第n功能叠层，其中n为所述有源结构中功能叠层的数量，至少所述第1功能叠层和所述第n功能叠层还包括：电流限制层；同一功能叠层中，所述电流限制层和所述发光层之间的距离为传导间距；所述第1功能叠层101的传导间距大于所述第n功能叠层的传导间距。
64.在所述有源结构中设置传导间距不均匀的功能叠层，一方面，增大所述第1功能叠
层101的传导间距以使电流注入方向的功能叠层的传导间距更大，能够延长从第1功能叠层101的电流限制层131至发光层121的电流路径，使电流向中心区域的扩散更充分，从而有效抑制电流限制层绝缘区域和导电区域边界位置处的电流集聚效应；另一方面，缩小所述第n功能叠层的传导间距以使电流导出方向的功能叠层的传导间距更小，能够缩短第n功能叠层的电流限制层至发光层的电流路径，从而改善电流扩散效应，增加中心区域的电流密度；边界位置处电流集聚效应的抑制和中心区域电流密度的增加，都能够有效增加基模强度、抑制高阶模的激发，能够有效减小激光的发散角。
65.需要说明的是，本实施例中，所述谐振腔为垂直腔面发射激光器的谐振腔。
66.还需要说明的是，本发明技术方案中，材料膜层之间的间距是指材料膜层中线之间的间距。因此所述传导间距是指同一功能叠层中，电流限制层中线与发光层中线之间的间距。
67.下面结合附图详细说明本发明技术方案的实施例。
68.相对间隔设置的所述第一反射镜110和所述第二反射镜140分别作为谐振腔的两个腔镜，光线在所述第一反射镜110和所述第二反射镜140之间来回传播。
69.本发明一些实施例中，所述第一反射镜110和所述第二反射镜140为布拉格反射镜(distributed bragg reflector，简称dbr)，所述第一反射镜110和所述第二反射镜140均包括高折射率薄膜和低折射率薄膜，高折射率薄膜和低折射率薄膜交替设置。相邻的高折射率薄膜和低折射率薄膜构成一个周期。分布式布拉格反射镜的反射率与其中高低折射率薄膜的周期数相关。例如，所述第一反射镜110和所述第二反射镜140可以为依次交替排列的al
x
ga
1-x
as/al
1-y
gayas薄膜，其中x和y的取值可以不同。
70.为了保证谐振腔的增益，所述第一反射镜110和所述第二反射镜140必须具有相当的周期数以满足高反射率的要求。而且为了保证出射激光具有窄线宽，光线经所述第一反射镜110和所述第二反射镜140多次反射之后，在所述谐振腔内形成驻波。因此，所述第一反射镜110和所述第二反射镜140需要具有相当的反射率。
71.本实施例中，所述第二反射镜140的反射率大于或等于99.9％，所述第二反射镜140的周期数大于或等于30，以满足谐振腔高反射率的要求；所述第一反射镜110的反射率大于或等于98％，所述第一反射镜110的周期数大于或等于11。保证第一反射镜110和第二反射镜140的整体周期数量，能够保证所述第一反射镜110和所述第二反射镜140达到高反射率要求以构成谐振腔，能够保证所述谐振腔的增益，保证发光强度。
72.需要说明的是，本实施例中，所述第一反射镜110的反射率低于所述第二反射镜140，因此所述第二反射镜140指向第一反射镜110的方向与激光出射方向一致。具体的，所述第二反射镜140的反射率达到99.9％以上，以尽量避免所产生的激光透过所述第二反射镜140而造成光能损耗。
73.还需要说明的是，由于所述第一反射镜110指向所述第二反射镜140的方向与电流一致，因此所述第一反射镜110为p型掺杂的反射镜，所述第二反射镜140为n型掺杂的反射镜。
74.所述有源结构(图中未标示)内具有能够实现粒子数反转的增益介质，产生受激辐射放大作用。
75.所述有源结构包括多个功能叠层。沿所述第一反射镜110指向第二反射镜140的方
向，所述多个功能叠层依次排列，并分别为第1功能叠层、第2功能叠层
……
第n功能叠层，其中n为所述有源结构中功能叠层的数量。
76.具体的，如图7所示，所述有源结构包括5个功能叠层，沿第一反射镜110指向第二反射镜140的方向，依次分别为第1功能叠层101、第2功能叠层102、第3功能叠层103、第4功能叠层104以及第5功能叠层105。
77.至少所述第1功能叠层101和所述第n功能叠层102还包括：电流限制层。本发明一些实施例中，所述电流限制层位于同一功能叠层中的所述发光层和所述第一反射镜之间，即所述电流限制层指向同一功能叠层中的所述发光层的方向与电流方向一致。
78.本实施例中，第1功能叠层101包括发光层131和电流限制层131，所述电流限制层131和所述发光层121沿电流方向i(即第一反射镜110指向第二反射镜140方向)依次设置；所述第5功能叠层105包括发光层135和电流限制层135，所述电流限制层135和所述发光层125沿电流方向i依次设置。
79.如图7所示，所述电流限制层131与所述发光层121之间的距离为第1功能叠层101的传导间距l1；所述电流限制层135与所述发光层125之间的距离为第5功能叠层105的传导间距l5。第1功能叠层101的传导间距大于第5功能叠层105的传导间距，即，l1＞l5。
80.在所述有源结构中设置传导间距不均匀的功能叠层，一方面，可以增大所述第1功能叠层101的传导间距l1，以使起始电流注入方向(即电流上游)的功能叠层的传导间距更大，能够延长从第1功能叠层101的电流限制层131至发光层121的电流路径，使电流向中心区域的扩散更充分，从而有效抑制电流限制层绝缘区域和导电区域边界位置处的电流集聚效应；另一方面，可以缩小所述第n功能叠层的传导间距以使电流导出方向(即电流下游)的功能叠层的传导间距更小，能够缩短第n功能叠层的电流限制层至发光层的电流路径，从而改善电流扩散效应，增加中心区域的电流密度；边界位置处电流集聚效应的抑制和中心区域电流密度的增加，都能够有效增加基模强度、抑制高阶模的激发，能够有效减小激光的发散角。
81.需要说明的是，本实施例中，相邻发光层之间的间距相等，即如图7所示，第1功能叠层101的发光层和第2功能叠层102的发光层之间的间距d1、第2功能叠层102的发光层和第3功能叠层103的发光层之间的间距d2、第3功能叠层103的发光层和第4功能叠层104的发光层之间的间距d3以及第4功能叠层104的发光层和第5功能叠层105的发光层之间的间距d4相等，即d1＝d2＝d3＝d4。参考图8，示出了本发明谐振腔另一实施例的剖面结构示意图。
82.所述谐振腔包括：第一反射镜110和第二反射镜140，所述第一反射镜110和所述第二反射镜140相对间隔设置，所述第一反射镜110指向第二反射镜140的方向与电流方向一致；有源结构(图中未标示)，所述有源结构位于所述第一反射镜110和所述第二反射镜140之间；所述有源结构包括多个功能叠层，每个所述功能叠层包括沿电流方向依次设置的电流限制层和发光层，所述电流限制层和所述发光层之间的距离为传导间距；沿所述第一反射镜110指向第二反射镜140的方向，所述多个功能叠层依次排列，并分别为第1功能叠层101、第2功能叠层102、
……
、第n功能叠层，其中n为所述有源结构中功能叠层的数量；所述第1功能叠层101的传导间距大于所述第n功能叠层的传导间距。
83.在所述有源结构中设置传导间距不均匀的功能叠层，一方面，增大所述第1功能叠层101的传导间距以使电流注入方向的功能叠层的传导间距更大，能够延长从第1功能叠层
101的电流传导层131至发光层121的电流路径，使电流向中心区域的扩散更充分，从而有效抑制电流限制层绝缘区域和导电区域边界位置处的电流集聚效应；另一方面，缩小所述第n功能叠层的传导间距以使电流导出方向的功能叠层的传导间距更小，能够缩短第n功能叠层的电流传导层至发光层的电流路径，从而改善电流扩散效应，增加中心区域的电流密度；边界位置处电流集聚效应的抑制和中心区域电流密度的增加，都能够有效增加基模强度、抑制高阶模的激发，能够有效减小激光的发散角。
84.所述有源结构(图中未标示)内具有能够实现粒子数反转的增益介质，产生受激辐射放大作用。
85.所述有源结构包括多个功能叠层。沿所述第一反射镜110指向第二反射镜140的方向，所述多个功能叠层依次排列，并分别为第1功能叠层、第2功能叠层
……
第n功能叠层，其中n为所述有源结构中功能叠层的数量。
86.具体的，如图8所示，所述有源结构包括5个功能叠层，沿第一反射镜110指向第二反射镜140的方向，依次分别为第1功能叠层101、第2功能叠层102、第3功能叠层103、第4功能叠层104以及第5功能叠层105。
87.每个所述功能叠层包括沿电流方向依次设置的电流限制层和发光层。
88.所述电流限制层适宜于对电流的分布范围进行限制，抑制电流分散效应，从而增大有源结构内发光区域的电流密度以提高增益。本发明一些实施例中，所述电流限制层包括：导电区域和所述导电区域之外的绝缘区域，其中所述导电区域沿电流方向贯穿所述电流限制层。
89.所述发光层内具有增益介质，能够在电压的泵浦下产生受激辐射放大作用。本发明一些实施例中，所述发光层为量子阱结构，即所述发光层是由窄带隙及宽带隙两种材料薄膜交替生长所形成的量子阱结构。本实施例中，所述发光层为多量子阱结构，即所述发光层包括多组量子阱结构。例如，当所述谐振腔为940nm激光器的谐振腔时，所述量子阱结构为ingaas/gaas量子阱结构或ingaas/gaasp量子阱结构。
90.具体的，如图8所示，本实施例中，所述有源结构中，第1功能叠层101包括沿电流方向i(即第一反射镜110指向第二反射镜140方向)依次设置的第1电流限制层131和第1发光层121，第2功能叠层102包括沿电流方向i依次设置的第2电流限制层132和第2发光层122，第3功能叠层103包括沿电流方向i依次设置的第3电流限制层133和第3发光层123，第4功能叠层104包括沿电流方向i依次设置的第4电流限制层134和第4发光层124，第5功能叠层105包括沿电流方向i依次设置的第5电流限制层135和第5发光层125。
91.每个所述功能叠层中，所述电流限制层和所述发光层之间的距离为传导间距l。具体的，如图8所示，所述第1电流限制层131和所述第1发光层121之间的间距为所述第1功能叠层101的传导间距l1；所述第2电流限制层132和所述第2发光层122之间的间距为所述第2功能叠层102的传导间距l2；所述第3电流限制层133和所述第3发光层123之间的间距为所述第3功能叠层103的传导间距l3；所述第4电流限制层134和所述第4发光层124之间的间距为所述第4功能叠层104的传导间距l4；所述第5电流限制层135和所述第5发光层125之间的间距为所述第5功能叠层105的传导间距l5。
92.需要说明的是，本发明技术方案中，材料膜层之间的间距是指材料膜层中线之间的间距。因此所述传导间距是指同一功能叠层中，电流限制层中线与发光层中线之间的间
距。
93.所述第1功能叠层的传导间距l1大于所述第n功能叠层的传导间距。具体的，如图8所示，所述第1功能叠层的传导间距l1大于所述第5功能叠层的传导间距l5。
94.在所述有源结构中设置传导间距不均匀的功能叠层，一方面，可以增大所述第1功能叠层101的传导间距，以使起始电流注入方向的功能叠层的传导间距更大，能够延长从第1功能叠层101的电流限制层131至发光层121的电流路径，使电流向中心区域的扩散更充分，从而有效抑制电流限制层绝缘区域和导电区域边界位置处的电流集聚效应；另一方面，可以缩小所述第n功能叠层的传导间距以使电流导出方向的功能叠层的传导间距更小，能够缩短第n功能叠层的电流限制层至发光层的电流路径，从而改善电流扩散效应，增加中心区域的电流密度；边界位置处电流集聚效应的抑制和中心区域电流密度的增加，都能够有效增加基模强度、抑制高阶模的激发，能够有效减小激光的发散角。
95.需要说明的是，本实施例中，相邻发光层之间的间距相等，即如图8所示，第1功能叠层101的发光层和第2功能叠层102的发光层之间的间距d1、第2功能叠层102的发光层和第3功能叠层103的发光层之间的间距d2、第3功能叠层103的发光层和第4功能叠层104的发光层之间的间距d3以及第4功能叠层104的发光层和第5功能叠层105的发光层之间的间距d4相等，即d1＝d2＝d3＝d4。
96.需要说明的是，所述有源结构所产生的光线在第一反射镜110和所述第二反射镜140之间来回反射，来回反射的光线会发生干涉，从而在谐振腔内形成驻波(如图9所示)，其中驻波各点的振幅并不相等，振幅为零的位置称之为波节，振幅最大的位置为波腹。其中，相邻两个波腹之间的距离、相邻两个波节之间的距离均为λ/2。
97.由于驻波波腹处的振幅最大，相对应的，光波在波腹位置处的电场强度最大，光波的光强最大，因此所述发光层位于所述驻波的波腹位置，以使所述发光层所产生光线实现最大程度的谐振放大。另一方面，所述电流限制层的绝缘区域一般为氧化物(例如，al
1-x
ga
x
o，x≧0)，氧化物对光线会有吸收作用而容易造成谐振腔损耗较大，因此所述电流限制层位于所述驻波的波节位置，以降低所述电流限制层对光的吸收和损耗。
98.所以，相邻两个发光层之间的距离、相邻两个电流限制层之间的距离都应该满足以下关系：
[0099][0100]
其中，λ为所述发光层所产生光线的中心波长，n为所述发光层材料对波长为λ光线的折射率，n为正整数，也就是说，相邻两个发光层之间的光程、相邻两个电流限制层之间的光程，都应该是有源结构所产生光线的半波长的整数倍。
[0101]
增大所述第1功能叠层101的传导间距l1，或减小所述第n功能叠层的传导间距，都能够使所述有源结构的多个功能叠层具有不均匀的传导间距，因此所述第1功能叠层101的传导间距l1的增大量和所述第n功能叠层的传导间距的减小量中的任意一个，都应该满足上述关系，即所述第1功能叠层101的传导间距l1的增大量和所述第n功能叠层的传导间距的减小量中的任意一个均应该是所产生光线半波长的整数倍，也就是说，所述功能叠层中传导间距改变所引起的光程差是所产生光线半波长的整数倍，即：
[0102][0103]
其中，λ为所述发光层所产生光线的中心波长，n为所述发光层材料对波长为λ光线的折射率，n为正整数。
[0104]
所以，所述第1功能叠层的传导间距与所述第n功能叠层的传导间距的光程差是所述有源结构产生的光线半波长的整数倍。如图8所示，本实施例中，所述第1功能叠层101的传导间距l1与所述第5功能叠层105的传导间距l5的光程差是所述有源结构产生的光线半波长的整数倍，即：
[0105][0106]
其中，λ为所述发光层所产生光线的中心波长，n为所述发光层材料对波长为λ光线的折射率，n为正整数。
[0107]
具体的，为了更好的抑制边界位置处的电流集聚效应，增加中心区域的电流密度，所述第1功能叠层的传导间距与所述第n功能叠层的传导间距的光程差是所述有源结构产生的光线半波长的整数倍中，所述整数大于等于2，也就是说，所述第1功能叠层的传导间距与所述第n功能叠层的传导间距的光程差是所述有源结构产生的光线半波长的2倍以上。
[0108]
作为一个具体实施例，第2～第n-1的各功能叠层的传导间距为0.75λ，所述第1功能叠层101的传导间距l1和所述第n功能叠层的传导间距均偏离0.75λ，从而形成非均匀分布的有源结构，具体的，所述第1功能叠层的传导间距l1大于0.75λ，其中λ为所述有源结构产生光线的波长；所述第n功能叠层的传导间距小于0.75λ，其中λ为所述有源结构产生光线的波长。
[0109]
一方面在电流路径上有使电流更充分的向vcsel单元几何中心扩散，另一方面抑制电流路径下游的电流扩散效应，从而提高几何中心电流密度、减小远离几何中心位置的电流密度，最终达到抑制高阶模激发、减小所产生激光发散角的目的。
[0110]
本发明一些实施例中，沿所述第1功能叠层指向第2功能叠层的方向，所述传导间距减小，也就是说，沿电流i的方向，依次排列的各个功能叠层中的传导间距减小。
[0111]
如图8所示，本实施例中，所述第1功能叠层的传导间距l1大于所述第2功能叠层的传导间距l2，即增大所述第1功能叠层101的传导间距以使电流注入方向的功能叠层的传导间距更大，延长从第1功能叠层101的电流限制层131至发光层121的电流路径，使电流向中心区域的扩散更充分以抑制边界位置处的电流集聚效应。
[0112]
而且，第n功能叠层的传导间距小于第n-1功能叠层的传导间距。本实施例中，n＝5，也就是说，第5功能叠层的传导间距l5小于第4功能叠层的传导间距l4，即缩小所述第n功能叠层的传导间距以使电流导出方向的功能叠层的传导间距更小，缩短第n功能叠层的电流限制层至发光层的电流路径，改善电流扩散效应以增加中心区域的电流密度。
[0113]
所以，如图8所述，本实施例中，第1功能叠层的传导间距l1、第2功能叠层的传导间距l2、第3功能叠层的传导间距l3、第4功能叠层的传导间距l4至第5功能叠层的传导间距l5依次减小，即l1》l2》l3》l4》l5。
[0114]
使多个功能叠层的传导间距依次减小的做法仅为一示例。此外，本发明一些实施
例中，第1功能叠层、第2功能叠层、
……
、第x功能叠层中任意一个的传导间距大于第x+1功能叠层、第x+2功能叠层、
……
、第n功能叠层中任意一个的传导间距。
[0115]
例如，本发明一些实施例中，可以仅增大所述第1功能叠层的传导间距，不改变其他功能叠层的传导间距，即l1》l2＝l3＝
…
＝ln；本发明另一些实施例中，也可以仅减小所述第n功能叠层的传导间距，不改变其他功能叠层的传导间距，即l1＝l2＝l3＝
…
＝ln-1》ln。也可以增大第1功能叠层的传导间距，同时减小第n功能叠层的传导间距，即l1＞l2＝l3＝
…
＝l(n-1)》ln。增大电流路径上游的第1功能叠层的传导间距与减小电流路径下游的第n功能叠层的传导间距，都能够改善有源结构内电流分布，能够抑制高阶模被激发，减小所产生激光的发散角。
[0116]
此外，本发明另一些实施例中，可以增大电流路径上游的多个功能叠层的传导间距。以所述有源结构包括5个功能叠层为例进行说明，也可以仅增大第1功能叠层和第2功能叠层的传导间距，即l1＝l2》l3＝l4＝l5；或者仅增大第1功能叠层、第2功能叠层和第3功能叠层的传导间距，即l1＝l2＝l3》l4＝l5；或者仅增大第1功能叠层、第2功能叠层、第3功能叠层和第4功能叠层的传导间距，即l1＝l2＝l3＝l4》l5。
[0117]
结合参考图10和图11，其中图10是图8所示谐振腔实施例中处于电流上游第1功能叠层101的发光层121内的电流分布情况；图11是图8所示谐振腔实施例中处于电流下游第5功能叠层105的发光层125内的电流分布情况。
[0118]
图中，横坐标为发光层内与几何中心之间的距离(单位：μm)，纵坐标表示发光层内的总电流密度(单位：104a/cm2)；此外，图中垂直横轴的虚线表示相对应电流限制层中导电区域和绝缘区域的边界位置(即图8中虚线a1a2所示位置)。
[0119]
如图10所示，增大第1功能叠层的传导间距l1后，在电流限制层中导电区域和绝缘区域边界相对应的位置，发光层内的电流密度降低至1.5
×
104a/cm2，与几何中心位置处电流密度接近，表示在发光区内电流分布更加均匀，边界位置的电流集中效应得以改善。
[0120]
如图11所示，减小第n功能叠层的传导间距ln后，在电流限制层中导电区域和绝缘区域边界相对应的位置，发光层内的电流密度减小，电流向边界位置处的扩散效应减弱，几何中心处电流密度提高了约0.15
×
104a/cm2。
[0121]
结合参考图4，其中横坐标为垂直上电极25指向下电极26方向的平面内与vcsel单元几何中心之间的距离r，纵坐标表示光强i。图4中图线42表示图8所示谐振腔有源结构内所产生光强分布示意图。由此可见，基模光增强、高阶模光减弱，所述谐振腔整体产生的光线在偏离几何中心的地方发光强度减弱(如图4中箭头t2所示区域)，光束发散角减小。
[0122]
相应的，本发明还提供一种激光单元。
[0123]
参考图8，示出了本发明激光单元一实施例的剖面结构示意图。所述激光单元包括：谐振腔，所述谐振腔为本发明的谐振腔；与所述谐振腔电连接的第一电极150和第二电极160。
[0124]
需要说明的是，本实施例中，所述激光单元为垂直腔面发射激光器的激光单元。
[0125]
具体的，所述谐振腔的具体技术方案参考前述谐振腔的实施例，本发明在此不再赘述。增大所述第1功能叠层的传导间距，能够延长从第1功能叠层的电流限制层至发光层的电流路径，使电流向中心区域的扩散更充分，从而有效抑制电流限制层绝缘区域和导电区域边界位置处的电流集聚效应；缩小所述第n功能叠层的传导间距，缩短第n功能叠层的
电流限制层至发光层的电流路径，从而改善电流扩散效应，增加中心区域的电流密度；边界位置处电流集聚效应的抑制和中心区域电流密度的增加，都能够有效增加基模强度、抑制高阶模的激发，能够有效减小激光的发散角。
[0126]
所述第一电极150和所述第二电极160分别实现所述谐振腔与外部电路的连接以实现所述谐振腔的供电。
[0127]
本发明一些实施例中，所述第一电极150和所述第二电极160通过分别与反射镜电连接以实现与谐振腔的电连接。如图8所述，所述第一电极150与所述第一反射镜110电连接，所述第二电极160与所述第二反射镜140电连接。
[0128]
因此，为了保证电流的单一流向，所述第一电极150和所述第二电极160的导电类型需要与所连接的反射镜的导电类型保持一致。如图8所示，所述第一电极150的导电类型与所述第一反射镜110的导电类型相同；所述第二电极160的导电类型与所述第二反射镜140的导电类型相同。
[0129]
本实施例中，所述第一反射镜110为p型掺杂的反射镜；所述第二反射镜140为n型掺杂的反射镜，所以所述第一电极150为p电极；所述第二电极160为n电极。
[0130]
本实施例中，所述第二反射镜140指向所述第一反射镜110的方向与激光出射方向一致，因此所述第一电极150包括：贯穿所述第一电极150的开口。如图8所示，所述电流限制层的导电区域在所述第一电极150表面的投影在所述开口的范围内，以避免电极遮挡光线出射。
[0131]
参考图12，示出了本发明激光单元另一实施例的剖面结构示意图。
[0132]
本实施例与前述实施例不同之处在于，本实施例中，所述激光单元为背发光的激光单元。所述激光单元包括：本发明的谐振腔以及与所述谐振腔电连接的第一电极250和第二电极260。
[0133]
所述谐振腔为本发明的谐振腔。所述谐振腔的具体技术方案参考前述谐振腔的实施例，本发明在此不再赘述。所述谐振腔包括依次位于衬底200上的第一反射镜(图中未标示)、有源结构、第二反射镜240；其中所述有源结构包括沿第一反射镜指向第二反射镜240的第1功能叠层的电流限制层231和发光层221、第2功能叠层的电流限制层232和发光层222、第3功能叠层的电流限制层233和发光层223、第4功能叠层的电流限制层234和发光层224以及第5功能叠层的电流限制层235和发光层225。
[0134]
需要说明的是，本实施例中，所述第一反射镜包括沿指向有源结构依次设置的第一反射部211和第二反射部212，其中，所述第一反射部211的材料为本征材料(即所述第一反射部211的材料为未掺杂材料)，所述第二反射部212的材料为掺杂材料，所述第一反射部211和所述第二反射部212之间设置有电流传导层213以实现有源结构与外部电流的电连接。
[0135]
还需要说明的是，本实施例中，所述第一反射镜的第二反射部212的材料为p型掺杂材料，所述第二反射镜240的材料为n型掺杂材料，因此与所述第一反射镜电连接的第一电极250为p电极，与所述第二反射镜240电连接的第二电极为n电极。
[0136]
此外，如图12所示，本发明一些实施例中，所述垂直光线出射方向的平面内，所述激光单元包括：核心区201和延伸区202，所述谐振腔位于所述核心区201内。
[0137]
所述电流传导层213延伸至所述延伸区202内，所述第一电极250位于所述延伸区
202的电流传导层213朝向所述第二反射镜240的表面；所述第二电极260位于所述第二反射镜240的表面。第二电极260的形状可以为平面或圆盘状。所述电流传导层213能够实现电流的横向传导，因此这种结构能够使第一电极250和第二电极260朝向同侧，以降低后续电路连接的难度。
[0138]
此外，所述电流传导层213还可以作为形成所述谐振腔过程中的刻蚀停止层，即形成所述谐振腔的过程中，刻蚀步骤停止在所述电流传导层213表面或者所述电流传导层213内。因此如图12所示，所述延伸区202的电流传导层213的厚度小于或等于所述核心区201的电流传导层213的厚度，所述电流传导层213朝向所述有源结构的表面呈平面或阶梯状。
[0139]
在本发明的另一实施例中，所述第一反射镜的第二反射部212的材料为n型掺杂材料，所述第二反射镜240的材料为p型掺杂材料，因此与所述第一反射镜电连接的第一电极250为n电极，与所述第二反射镜240电连接的第二电极为p电极。
[0140]
此时，电流由第二电极260流向第一电极250，有源结构包括沿电流方向依次设置的第1功能叠层的电流限制层和发光层、第2功能叠层的电流限制层和发光层、第3功能叠层的电流限制层和发光层、第4功能叠层的电流限制层和发光层以及第5功能叠层的电流限制层和发光层(图中未示出)。
[0141]
此外，本发明还提供一种激光器，具体包括：激光单元，所述激光单元为本发明的激光单元。
[0142]
由于所述激光单元为本发明的激光单元，因此，所述激光单元的具体技术方案参考前述激光单元的实施例，本发明在此不再赘述。
[0143]
本实施例中，所述激光器为垂直腔面发射激光器。具体的，所述激光器为顶发射垂直腔面发射激光器或背发射垂直腔面发射激光器。
[0144]
所述谐振腔的有源结构中功能叠层的传导间距为非均匀分布：增大所述第1功能叠层的传导间距，能够延长从第1功能叠层的电流限制层至发光层的电流路径，使电流向中心区域的扩散更充分，从而有效抑制电流限制层绝缘区域和导电区域边界位置处的电流集聚效应；缩小所述第n功能叠层的传导间距，缩短第n功能叠层的电流限制层至发光层的电流路径，从而改善电流扩散效应，增加中心区域的电流密度；边界位置处电流集聚效应的抑制和中心区域电流密度的增加，都能够有效增加基模强度、抑制高阶模的激发，能够有效减小激光的发散角。
[0145]
此外，本发明还提供一种激光雷达，具体包括：光源，所述光源包括本发明的激光器。
[0146]
由于本发明激光器的谐振腔能够抑制边界位置处电流集聚效应，能够增加中心区域电流密度，因此所述谐振腔的基模强度较大，高阶模激发被抑制，所以所述激光器所产生激光的发散角较小。
[0147]
综上，增大所述第1功能叠层的传导间距，能够延长从第1功能叠层的电流限制层至发光层的电流路径，使电流向中心区域的扩散更充分，从而有效抑制电流限制层绝缘区域和导电区域边界位置处的电流集聚效应；缩小所述第n功能叠层的传导间距，缩短第n功能叠层的电流限制层至发光层的电流路径，从而改善电流扩散效应，增加中心区域的电流密度；边界位置处电流集聚效应的抑制和中心区域电流密度的增加，都能够有效增加基模强度、抑制高阶模的激发，能够有效减小激光的发散角。
[0148]
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。