一种耦合腔垂直腔面发射激光器、制备方法及其应用

1.本发明涉及半导体技术领域，具体为一种耦合腔垂直腔面发射激光器、制备方法及其应用。


背景技术：

2.垂直腔面发射激光器(vcsel)自1978年问世以来，经历了快速的发展。它具有许多传统边发射激光器难以比肩的优点，例如：体积小、阈值电流低、转换效率高、纵模单一性好、具有圆形的输出光斑、对芯片可进行在片测试，并且容易集成为大面积阵列等。基于这些优点，垂直腔面发射激光器在最近几年里快速占领了半导体激光器市场，在光通信、传感、存储等领域发挥着重要作用。而原子钟是一种先进的计时装置，其精度可以达到每2000万年误差1秒，广泛应用于全球导航系统上。原子钟传感器依赖于对碱原子(铷或铯)的光谱分析，这些碱原子存在于小型蒸汽腔室中。铯的相应光谱波长为894.6nm(d1)和852.3nm(d2)，铷为795.0nm(d1)和780.2nm(d2)。由于垂直腔面发射激光器具有低功耗和圆形输出光束的特点，使得其成为原子钟首选的光源。
3.为了提高原子钟传感器的精确度及稳定性，垂直腔面发射激光器光源必须具备与碱原子特征谱线对应的单纵模，窄的光谱线宽，基横模，以及稳定的线性偏振等特点。然而，传统结构的垂直腔面发射激光器受自身结构和制造工艺的影响，有效腔长较短，通常约为1个波长，在腔中固有光子寿命短，线宽很难达到小于20mhz的水平，对原子钟的应用造成了不良影响。
4.可见，现有的垂直腔面发射激光器由于有效腔长较短，线宽较大，将其应用在原子钟领域，会造成原子钟性能不佳，从而使其运用受限。


技术实现要素：

5.本发明旨在解决现有的垂直腔面发射激光器由于有效腔长较短，光谱线宽较大使其应用受限的问题，本发明通过设置了三组布拉格反射镜组，并引入了无源腔，把谐振腔有效腔长拓展到约8μm，增加腔内固有光子寿命，性能优异，腔长较长，线宽能达到小于20mhz的水平，比传统垂直腔面发射激光器的线宽小2个数量级以上，所能应用的领域更广。
6.本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
7.一种耦合腔垂直腔面发射激光器，所述激光器自上而下包括，第一布拉格反射镜组、氧化层、有源区、第二布拉格反射镜组、无源腔、第三布拉格反射镜组、衬底，所述第一布拉格反射镜组远离所述氧化层的一侧设有第一电极，所述无源腔靠近所述第二布拉格反射镜组的一侧的两端设有第二电极，所述第一布拉格反射镜组的反射率为99.3％～99.6％，所述第二布拉格反射镜组的反射率为70％～85％，所述第三布拉格反射镜组的反射率为99.9％。
8.可选的，所述第一布拉格反射镜组包括18～25对p型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3
～3
×
10
18
cm-3
。
9.可选的，所述第二布拉格反射镜组从下到上包括均为n型掺杂的三层结构。
10.可选的，所述三层结构从下到上包括底层、中间层及顶层，所述底层为8～12对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为0.5
×
10
18
cm-3～
1.5
×
10
18
cm-3
；所述中间层为al
0.16
ga
0.84
as层，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
～2
×
10
18
cm-3
，所述顶层为6～8对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3
～2
×
10
18
cm-3
。
11.可选的，所述第三布拉格反射镜组包括34～38对n型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3
～2
×
10
18
cm-3
。
12.可选的，所述无源腔为al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为0.8
×
10
18
cm-3
～1.2
×
13.10
18
cm-3
。
14.可选的，所述无源腔的厚度为1.5～2.25μm。
15.可选的，所述衬底为gaas衬底。
16.本发明还提供一种耦合腔垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：
17.s1、在衬底上依次外延第三布拉格反射镜组，无源腔，第二布拉格反射镜组，有源区，氧化层，第一布拉格反射镜组，得到第一预制件；
18.s2、在所述第一预制件的第一布拉格反射镜组上设置第一电极，在所述第一预制件的所述无源腔上设置第二电极，完成激光器的制作。
19.本发明还提供上述的或通过上述方法所制备的一种耦合腔垂直腔面发射激光器的应用。
20.与现有技术相比，本发明的优点在于：
21.1.本发明所涉及的一种耦合腔垂直腔面发射激光器，通过设置了三组布拉格反射镜组，并引入了无源腔，将三组布拉格反射镜组的反射率设置为不同的参数，其中底部的第三布拉格反射镜组的反射率限定为99.9％；中间第二布拉格反射镜组反射率限定为70％到85％之间；顶部的第一布拉格反射镜组反射率限定为99.3％至99.6％；使得光子在底部和中间布拉格反射镜组之间的无源腔内反复循环，无源腔内的光场要高于有源区域内的光场，增加了光子在腔内的寿命，从而使得线宽能达到小于20mhz的水平，比传统垂直腔面发射激光器的线宽小2个数量级以上。
22.由于本发明为三镜腔的结构，使激光器的有效耦合腔长度增加，可达到约8μm，冷腔线宽δλc能达到0.01397nm。本发明在激光器内部设置无源腔还能够保持模态纯度，防止除单一纵模外的所有模态发生激光，使得激光器的性能更高。
23.2.本发明所涉及的一种耦合腔垂直腔面发射激光器的制备方法，所制备的垂直腔面发射激光器性能优异，腔长较长。
24.3.本发明所涉及的一种耦合腔垂直腔面发射激光器的应用，所能应用的领域广。
附图说明
25.图1为一种耦合腔垂直腔面发射激光器的结构示意图。
26.图2为实施例1的耦合腔垂直腔面发射激光器1的折射率分布和电场分布示意图。
27.图3为实施例1的耦合腔垂直腔面发射激光器1的冷腔反射谱的半高全宽示意图。
28.附图说明：1-第一电极，2-第一布拉格反射镜组，3-氧化层，4-有源区，5-第二布拉格反射镜组，6-第二电极，7-无源腔，8-第三布拉格反射镜组，9-衬底。
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
30.因此，以下对提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施方式
31.请参阅图1，一种耦合腔垂直腔面发射激光器，所述激光器自上而下包括，第一布拉格反射镜组、氧化层、有源区、第二布拉格反射镜组、无源腔、第三布拉格反射镜组、衬底，所述第一布拉格反射镜组远离所述氧化层的一侧设有第一电极，所述无源腔靠近所述第二布拉格反射镜组的一侧的两端设有第二电极，所述第一布拉格反射镜组的反射率为99.3％～99.6％，所述第二布拉格反射镜组的反射率为70％～85％，所述第三布拉格反射镜组的反射率为99.9％。
32.可以理解的，本发明的激光器设置了三组布拉格反射镜组，并引入了无源腔，将三组布拉格反射镜组的反射率设置为不同的参数，其中底部的第三布拉格反射镜组的反射率限定为99.9％；中间第二布拉格反射镜组反射率限定为70％到85％之间；顶部的第一布拉格反射镜组反射率限定为99.3％至99.6％；使得光子在底部和中间布拉格反射镜组之间的无源腔内反复循环，无源腔内的光场要高于有源区域内的光场，增加了光子在腔内的寿命，从而使得线宽能达到小于20mhz的水平，比传统垂直腔面发射激光器的线宽小2个数量级以上。
33.同时，由于本发明为三镜腔的结构，使激光器的有效耦合腔长度增加，可达到约8μm，冷腔线宽δλc能达到0.01397nm。
34.进一步阐述其原理，由schawlow-townes激光线宽公式(见下图)可以得知，减小冷腔线宽可以降低激光线宽，而冷腔线宽可以看成是光子寿命的导数，所以增加腔内光子寿命可以有效降低激光线宽。光谱线宽可用来表示激光器的光谱纯度或相干性强弱，即为在标准工作条件下，主纵模峰值波长的幅度下降一半处光谱线两点间的波长间隔。激光器的谱线线宽主要来源于相位的波动，其中包括激光器自身的振动以及外部噪声引起的相位变化和量子起伏产生的相位变化，主要来自于自发发射引起相位波动。在阈值以上时，由于此时激光作用相对稳定，光场起伏处于稳定状态，因此自发发射速率也处于相对稳定状态。与传统vcsel相比，耦合腔vcsel中的光子寿命增加，因此“冷腔”线宽减小。由于激光线宽与冷腔线宽的平方成比例，因此由无源腔导致的冷腔线宽减少会使激光线宽呈二次递减。
35.δv＝(hv/p0)(v/λ)2(πη0n
sp
)(δλc)2(1+α2)
36.schawlow-townes激光线宽公式
37.本发明通过设置三个布拉格反射镜组、限定其具体的反射率，增加了光子的腔内寿命，同时使得线宽较窄；同时引入无源腔，使其有效腔长能够达到8μm，能达到小于20mhz的水平。解决了现有技术中垂直腔面发射激光器的腔长较短，光谱线宽较大，难以满足垂直腔面发射激光器的窄线宽的应用要求的问题。
38.此外，本发明在激光器内部设置无源腔还能够保持模态纯度，防止除单一纵模外
的所有模态发生激光，使得激光器的性能更高。
39.需要说明的是，本发明的耦合腔垂直腔面发射激光器为腔内接触。例如,本发明的某一些实施例中，中间的第二布拉格反射镜组包括三部分(上部分、中间部分及下部分)，各部分掺杂不同。
40.第二电极与第二布拉格反射镜组的下部分接触，由于第二布拉格反射镜的下部分未掺杂或轻掺杂，电流流经第二布拉格反射镜组的中间部分、上部分、有源区及顶部的第一布拉格反射镜组实现了腔内接触，此种腔内接触的设计可以降低第二布拉格反射镜组的电阻，从而提高了耦合腔垂直腔面发射激光器的整体效率。顶部的第一布拉格反射镜组可以采用类似的腔内接触设计以提升激光器的效率。
41.进一步需要说明的是，第二布拉格反射镜组的中间部分为掺杂的单一成分层，此种单一成分层的厚度需要足够大的刻蚀力度才能蚀刻到，因此在具体的刻蚀过程中，不能将这个中间掺杂的单一成分层刻蚀穿透。
42.在本发明的某一些实施例中，所述第一布拉格反射镜组包括18～25对p型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3
～3
×
10
18
cm-3
。
43.具体的，所述第一布拉格反射镜组包括20对p型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为2.5
×
10
18
cm-3
。
44.在本发明的某一些实施例中，所述第二布拉格反射镜组从下到上包括均为n型掺杂的三层结构。
45.在本发明的某一些实施例中，所述三层结构从下到上包括底层、中间层及顶层，所述底层为8～12对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为0.5
×
10
18
cm-3～
1.5
×
10
18
cm-3
；所述中间层为al
0.16
ga
0.84
as层，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
～2
×
10
18
cm-3
，所述顶层为6～8对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3
～2
×
10
18
cm-3
。
46.具体的，所述三层结构从下到上包括底层、中间层及顶层，所述底层为10对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.0
×
10
18
cm-3
；所述中间层为al
0.16
ga
0.84
as层，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3
，所述顶层为7对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.8
×
10
18
cm-3
。
47.在本发明的某一些实施例中，所述中间层的厚度为0.8～1.2μm。
48.在本发明的某一些实施例中，所述第三布拉格反射镜组包括34～38对n型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3
～2
×
10
18
cm-3
。
49.具体的，所述第三布拉格反射镜组包括35对n型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.8
×
10
18
cm-3
。
50.需要说明的是，在一些实施例中，第二布拉格反射镜组均为n型掺杂，第一布拉格反射镜组为p型掺杂；在另外一些实施例中，第一布拉格反射镜组及第二布拉格反射镜组均为p型掺杂。
51.但是这种结构的垂直腔面发射激光器有一个明显的缺点，由于p型载流子的迁移率较低，因此必须在第二布拉格反射镜组中移动较长的横向距离，这种较低的迁移率导致耦合腔垂直腔面发射激光器的整体电阻增加，从而导致效率降低。
52.需要说明的是，虽然第一布拉格反射镜组、第二布拉格反射镜组和第三布拉格反射镜组可以由折射率层的高低折射率之间的阶跃变化形成的，但这不是必需的。例如，底部
的第三布拉格反射镜组和顶部的第一布拉格反射镜组可以由抛物线变化的成分组成的，这些抛物线变化的成分可以改变载流子运输。
53.具体来说，假如每一对高低折射率的布拉格反射镜组之间，都加入渐变层，渐变层为al
x
ga
1-x
as，al
x
ga
1-x
as组分变化范围为：x＝0.9～0.12；渐变层的厚度为10～20nm。相邻的p型/n型布拉格反射层之间串联连接，会产生串联电阻，通过设置渐变层，可以使得相邻的p型布拉格反射层和/或相邻的n型布拉格反射层之间的电阻得到降低。当驱动电流必须通过中间的第二布拉格反射镜组和/或顶部的第一布拉格反射镜组时，提高了耦合腔垂直腔面发射激光器的整体效率。
54.进一步需要说明的是，本发明所述的耦合腔垂直腔表面发射激光器，其中用于形成第一布拉格反射镜组，第二布拉格反射镜组、有源区，无源腔和第三布拉格反射镜组中的每个的半导体材料基本上是晶格匹配的。第一布拉格反射镜组、第二布拉格反射镜组、有源区及第三布拉格反射镜组可以由各种il-vi或iii-v半导体材料组合而成。
55.有源区受电流激发后可以用于产生激光光束。有源区的材料包括gap、gaas、algaas、ingaas、ingaasp、inalgaas、algaassb、gan、alsb、aln、algan、alas、inp、gasb、inas、insb、hgte、hgse、znte、cds、znse、zns、zno、ga2o3、iii-v和ii-vi材料中的至少一种。
56.在本发明的某一些实施例中，所述无源腔为al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为0.5
×
10
18
cm-3
～1.5
×
10
18
cm-3
。
57.具体的，所述无源腔为al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.0
×
10
18
cm-3
。
58.在本发明的某一些实施例中，所述无源腔的厚度为1.5～2.25μm。
59.具体的，所述无源腔的厚度为2μm。
60.需要说明的是，虽然本发明实施例的第三布拉格反射镜组和无源腔采用了半导体材料，但这不是必需的。无源腔还可由具有较低光学损耗或较低温度敏感性的材料构成。例如，这些材料包括各种介电材料，如sio2，si3n4,tio2,ta2o5等。
61.在本发明的某一些实施例中，所述衬底为gaas衬底。
62.在本发明的某一些实施例中，第一电极和/或第二电极的材质为金、铜、石墨、银或锡中的任一种。
63.可以理解的是，本发明通过上述的三层结构，并调节各层的材料和掺杂浓度、厚度等，达到所述第一布拉格反射镜组的反射率为99.3％～99.6％，所述第二布拉格反射镜组的反射率为70％～85％，所述第三布拉格反射镜组为99.9％。使得光子在底部和中间布拉格反射镜组之间的无源腔内反复循环，无源腔内的光场要高于有源区域内的光场，增加了光子在腔内的寿命，从而使得线宽能达到小于20mhz的水平，从而使得激光器的性能优异。
64.本发明还提供一种耦合腔垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：
65.s1、在衬底上依次外延第三布拉格反射镜组，无源腔，第二布拉格反射镜组，有源区，氧化层，第一布拉格反射镜组，得到第一预制件；
66.s2、在所述第一预制件的第一布拉格反射镜组上设置第一电极，在所述第一预制件的所述无源腔上设置第二电极，完成激光器的制作。
67.需要说明的是，在具体的外延过程中，在已经涉及的第三布拉格反射镜组，无源腔，第二布拉格反射镜组，有源区，氧化层，第一布拉格反射镜组各层之间还存在缓冲层，根据实际的制备需求调整参数对各缓冲层进行外延，以满足实际的需求。
68.可以理解的是，本发明所涉及的一种耦合腔垂直腔面发射激光器及其制备方法，适用于多种材料体系，使器件的结构设计更灵活。
69.本发明通过衬底上依次外延各层，并上并调节各层的材料和掺杂浓度、厚度等，达到所述第一布拉格反射镜组的反射率为99.3％～99.6％，所述第二布拉格反射镜组的反射率为70％～85％，所述第三布拉格反射镜组为99.9％。从而使得激光器的性能优异。
70.在本发明的某一些实施例中，本发明的制备方法可选用金属有机化学气相沉积法(mocvd)或分子束外延法(mbe)对各层进行外延。
71.本发明的制备方法优选用金属有机化学气相沉积法(mocvd)对各层进行外延。
72.本发明还提供上述的或通过上述方法所制备的一种耦合腔垂直腔面发射激光器的应用。
73.本发明所制备的激光器输出光谱线宽能达到小于20mhz的水平，比传统垂直腔面发射激光器的线宽小2个数量级以上，具有明显的优异之处，因此具有更好的应用空间。因此所能应用的空间更大。能应用于原子钟等特殊领域中，具有优越性。
74.实施例1
75.一种耦合腔垂直腔面发射激光器1，自上而下包括，第一布拉格反射镜组、氧化层、有源区、第二布拉格反射镜组、无源腔、第三布拉格反射镜组、衬底，所述第一布拉格反射镜组远离所述氧化层的一侧设有第一电极，所述无源腔靠近所述第二布拉格反射镜组的一侧的两端设有第二电极。所述第一布拉格反射镜组的反射率为99.3％～99.6％，所述第二布拉格反射镜组的反射率为70％～85％，所述第三布拉格反射镜组为99.9％。
76.本实施例的第一布拉格反射镜组包括24对p型掺杂的
77.al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为2.5
×
10
18
cm-3
。
78.本实施例的第二布拉格反射镜组的底层为8对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为0.5
×
10
18
cm-3
；中间层为al
0.16
ga
0.84
as层，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3
，顶层为6对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3
。
79.本实施例的第三布拉格反射镜组包括34对n型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.8
×
10
18
cm-3
。
80.本实施例的无源腔为al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为0.8
×
10
18
cm-3
。
81.本实施例的无源腔的厚度为1.5μm。
82.本耦合腔垂直腔面发射激光器1的制备方法如下：
83.s1、在衬底上依次外延第三布拉格反射镜组，无源腔，第二布拉格反射镜组，有源区，氧化层，第一布拉格反射镜组，得到第一预制件；
84.s2、在所述第一预制件的第一布拉格反射镜组上设置第一电极，在所述第一预制件的所述无源腔上设置第二电极，完成耦合腔垂直腔面发射激光器1的制作。
85.在制备过程中控制耦合腔垂直腔面发射激光器各层的结构、材质、厚度符合上述的参数，使其第一布拉格反射镜组的反射率为99.3％～99.6％，第二布拉格反射镜组的反射率为70％～85％，第三布拉格反射镜组为99.9％。
86.实施例2
87.一种耦合腔垂直腔面发射激光器2，其结构与实施例1相同不再赘述，不同之处在于：
88.本实施例的第一布拉格反射镜组包括25对p型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为2.1
×
10
18
cm-3
。
89.本实施例的第二布拉格反射镜组的底层为10对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为0.58
×
10
18
cm-3
；中间层为al
0.16
ga
0.84
as层，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3
，顶层为7对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3
。
90.本实施例的第三布拉格反射镜组包括35对n型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3
。
91.本实施例的无源腔为al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为0.8
×
10
18
cm-3
。
92.本实施例的无源腔的厚度为1.8μm。
93.本耦合腔垂直腔面发射激光器2的制备方法如下：
94.s1、在衬底上依次外延第三布拉格反射镜组，无源腔，第二布拉格反射镜组，有源区，氧化层，第一布拉格反射镜组，得到第一预制件；
95.s2、在所述第一预制件的第一布拉格反射镜组上设置第一电极，在所述第一预制件的所述无源腔上设置第二电极，完成耦合腔垂直腔面发射激光器2的制作。
96.在制备过程中控制耦合腔垂直腔面发射激光器各层的结构、材质、厚度符合上述的参数，使其第一布拉格反射镜组的反射率为99.3％～99.6％，第二布拉格反射镜组的反射率为70％～85％，第三布拉格反射镜组为99.9％。
97.实施例3
98.一种耦合腔垂直腔面发射激光器3，其结构与实施例1相同不再赘述，不同之处在于：
99.本实施例的第一布拉格反射镜组包括23对p型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为2.5
×
10
18
cm-3
。
100.本实施例的第二布拉格反射镜组的底层为10对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为0.58
×
10
18
cm-3
；中间层为al
0.16
ga
0.84
as层，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3
，顶层为7对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3
。
101.本实施例的第三布拉格反射镜组包括35对n型掺杂的
102.al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3
。
103.本实施例的无源腔为al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为0.8
×
10
18
cm-3
。
104.本实施例的无源腔的厚度为2μm。
105.本耦合腔垂直腔面发射激光器3的制备方法如下：
106.s1、在衬底上依次外延第三布拉格反射镜组，无源腔，第二布拉格反射镜组，有源区，氧化层，第一布拉格反射镜组，得到第一预制件；
107.s2、在所述第一预制件的第一布拉格反射镜组上设置第一电极，在所述第一预制件的所述无源腔上设置第二电极，完成耦合腔垂直腔面发射激光器3的制作。
108.在制备过程中控制耦合腔垂直腔面发射激光器各层的结构、材质、厚度符合上述的参数，使其第一布拉格反射镜组的反射率为99.3％～99.6％，第二布拉格反射镜组的反射率为70％～85％，第三布拉格反射镜组为99.9％。
109.实施例4
110.一种耦合腔垂直腔面发射激光器4，其结构与实施例1相同不再赘述，不同之处在
于：
111.本实施例的第一布拉格反射镜组包括25对p型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为2.9
×
10
18
cm-3
。
112.本实施例的第二布拉格反射镜组的底层为9对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.2
×
10
18
cm-3
；中间层为al
0.16
ga
0.84
as层，掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3
，顶层为6对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.8
×
10
18
cm-3
。
113.本实施例的第三布拉格反射镜组包括36对n型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.8
×
10
18
cm-3
。
114.本实施例的无源腔为al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.1
×
10
18
cm-3
。
115.本实施例的无源腔的厚度为1.9μm。
116.本耦合腔垂直腔面发射激光器4的制备方法如下：
117.s1、在衬底上依次外延第三布拉格反射镜组，无源腔，第二布拉格反射镜组，有源区，氧化层，第一布拉格反射镜组，得到第一预制件；
118.s2、在所述第一预制件的第一布拉格反射镜组上设置第一电极，在所述第一预制件的所述无源腔上设置第二电极，完成耦合腔垂直腔面发射激光器4的制作。
119.在制备过程中控制耦合腔垂直腔面发射激光器各层的结构、材质、厚度符合上述的参数，使其第一布拉格反射镜组的反射率为99.3％～99.6％，第二布拉格反射镜组的反射率为70％～85％，第三布拉格反射镜组为99.9％。
120.实施例5
121.一种耦合腔垂直腔面发射激光器5，其结构与实施例1相同不再赘述，不同之处在于：
122.本实施例的第一布拉格反射镜组包括21对p型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3
。
123.本实施例的第二布拉格反射镜组的底层为11对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.3
×
10
18
cm-3
；中间层为al
0.16
ga
0.84
as层，掺杂浓度为1.3
×
10
18
cm-3
，顶层为8对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.6
×
10
18
cm-3
。
124.本实施例的第三布拉格反射镜组包括35对n型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.8
×
10
18
cm-3
。
125.本实施例的无源腔为al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.1
×
10
18
cm-3
。
126.本实施例的无源腔的厚度为2.05μm。
127.本耦合腔垂直腔面发射激光器5的制备方法如下：
128.s1、在衬底上依次外延第三布拉格反射镜组，无源腔，第二布拉格反射镜组，有源区，氧化层，第一布拉格反射镜组，得到第一预制件；
129.s2、在所述第一预制件的第一布拉格反射镜组上设置第一电极，在所述第一预制件的所述无源腔上设置第二电极，完成耦合腔垂直腔面发射激光器5的制作。
130.在制备过程中控制耦合腔垂直腔面发射激光器各层的结构、材质、厚度符合上述的参数，使其第一布拉格反射镜组的反射率为99.3％～99.6％，第二布拉格反射镜组的反射率为70％～85％，第三布拉格反射镜组为99.9％。
131.实施例6
132.一种耦合腔垂直腔面发射激光器6，其结构与实施例1相同不再赘述，不同之处在于：
133.本实施例的第一布拉格反射镜组包括24对p型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为2.55
×
10
18
cm-3
。
134.本实施例的第二布拉格反射镜组的底层为8对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为0.5
×
10
18
cm-3
；中间层为al
0.16
ga
0.84
as层，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3
，顶层为6对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3
。
135.本实施例的第三布拉格反射镜组包括35对n型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.8
×
10
18
cm-3
。
136.本实施例的无源腔为al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为0.8
×
10
18
cm-3
。
137.本实施例的无源腔的厚度为2.2μm。
138.本耦合腔垂直腔面发射激光器6的制备方法如下：
139.s1、在衬底上依次外延第三布拉格反射镜组，无源腔，第二布拉格反射镜组，有源区，氧化层，第一布拉格反射镜组，得到第一预制件；
140.s2、在所述第一预制件的第一布拉格反射镜组上设置第一电极，在所述第一预制件的所述无源腔上设置第二电极，完成耦合腔垂直腔面发射激光器6的制作。
141.在制备过程中控制耦合腔垂直腔面发射激光器各层的结构、材质、厚度符合上述的参数，使其第一布拉格反射镜组的反射率为99.3％～99.6％，第二布拉格反射镜组的反射率为70％～85％，第三布拉格反射镜组为99.9％。
142.实施例7
143.一种耦合腔垂直腔面发射激光器7，其结构与实施例1相同不再赘述，不同之处在于：
144.本实施例的第一布拉格反射镜组包括24对p型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为2.9
×
10
18
cm-3
。
145.本实施例的第二布拉格反射镜组的底层为10对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为0.58
×
10
18
cm-3
；中间层为al
0.16
ga
0.84
as层，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3
，顶层为8对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3
。
146.本实施例的第三布拉格反射镜组包括36对n型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.9
×
10
18
cm-3
。
147.本实施例的无源腔为al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为0.8
×
10
18
cm-3
。
148.本实施例的无源腔的厚度为2.25μm。
149.本耦合腔垂直腔面发射激光器7的制备方法如下：
150.s1、在衬底上依次外延第三布拉格反射镜组，无源腔，第二布拉格反射镜组，有源区，氧化层，第一布拉格反射镜组，得到第一预制件；
151.s2、在所述第一预制件的第一布拉格反射镜组上设置第一电极，在所述第一预制件的所述无源腔上设置第二电极，完成耦合腔垂直腔面发射激光器7的制作。
152.在制备过程中控制耦合腔垂直腔面发射激光器各层的结构、材质、厚度符合上述的参数，使其第一布拉格反射镜组的反射率为99.3％～99.6％，第二布拉格反射镜组的反射率为70％～85％，第三布拉格反射镜组为99.9％。
153.实施例8
154.一种耦合腔垂直腔面发射激光器8，其结构与实施例1相同不再赘述，不同之处在于：
155.本实施例的第一布拉格反射镜组包括24对p型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为2.9
×
10
18
cm-3
。
156.本实施例的第二布拉格反射镜组的底层为9对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为0.5
×
10
18
cm-3
；中间层为al
0.16
ga
0.84
as层，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3
，顶层为8对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.9
×
10
18
cm-3
。
157.本实施例的第三布拉格反射镜组包括38对n型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为2.0
×
10
18
cm-3
。
158.本实施例的无源腔为al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.2
×
10
18
cm-3
。
159.本实施例的无源腔的厚度为2.15μm。
160.本耦合腔垂直腔面发射激光器8的制备方法如下：
161.s1、在衬底上依次外延第三布拉格反射镜组，无源腔，第二布拉格反射镜组，有源区，氧化层，第一布拉格反射镜组，得到第一预制件；
162.s2、在所述第一预制件的第一布拉格反射镜组上设置第一电极，在所述第一预制件的所述无源腔上设置第二电极，完成耦合腔垂直腔面发射激光器8的制作。
163.在制备过程中控制耦合腔垂直腔面发射激光器各层的结构、材质、厚度符合上述的参数，使其第一布拉格反射镜组的反射率为99.3％～99.6％，第二布拉格反射镜组的反射率为70％～85％，第三布拉格反射镜组为99.9％。
164.实施例9
165.一种耦合腔垂直腔面发射激光器9，其结构与实施例1相同不再赘述，不同之处在于：
166.本实施例的第一布拉格反射镜组包括24对p型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3
。
167.本实施例的第二布拉格反射镜组的底层为11对al
0.92
ga
0.08
as/
168.al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.3
×
10
18
cm-3
；中间层为al
0.16
ga
0.84
as层，掺杂浓度为1.9
×
10
18
cm-3
，顶层为7对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3
。
169.本实施例的第三布拉格反射镜组包括36对n型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.9
×
10
18
cm-3
。
170.本实施例的无源腔为al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.1
×
10
18
cm-3
。
171.本实施例的无源腔的厚度为1.98μm。
172.本耦合腔垂直腔面发射激光器9的制备方法如下：
173.s1、在衬底上依次外延第三布拉格反射镜组，无源腔，第二布拉格反射镜组，有源区，氧化层，第一布拉格反射镜组，得到第一预制件；
174.s2、在所述第一预制件的第一布拉格反射镜组上设置第一电极，在所述第一预制件的所述无源腔上设置第二电极，完成耦合腔垂直腔面发射激光器9的制作。
175.在制备过程中控制耦合腔垂直腔面发射激光器各层的结构、材质、厚度符合上述的参数，使其第一布拉格反射镜组的反射率为99.3％～99.6％，第二布拉格反射镜组的反
射率为70％～85％，第三布拉格反射镜组为99.9％。
176.实施例10
177.一种耦合腔垂直腔面发射激光器10，其结构与实施例1相同不再赘述，不同之处在于：
178.本实施例的第一布拉格反射镜组包括18对p型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3
。
179.本实施例的第二布拉格反射镜组的底层为9对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为0.58
×
10
18
cm-3
；中间层为al
0.16
ga
0.84
as层，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3
，顶层为6对al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3
。
180.本实施例的第三布拉格反射镜组包括34对n型掺杂的al
0.92
ga
0.08
as/al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm-3
。
181.本实施例的无源腔为al
0.16
ga
0.84
as，掺杂浓度为0.95
×
10
18
cm-3
。
182.本实施例的无源腔的厚度为2.14μm。
183.本耦合腔垂直腔面发射激光器10的制备方法如下：
184.s1、在衬底上依次外延第三布拉格反射镜组，无源腔，第二布拉格反射镜组，有源区，氧化层，第一布拉格反射镜组，得到第一预制件；
185.s2、在所述第一预制件的第一布拉格反射镜组上设置第一电极，在所述第一预制件的所述无源腔上设置第二电极，完成耦合腔垂直腔面发射激光器10的制作。
186.在制备过程中控制耦合腔垂直腔面发射激光器各层的结构、材质、厚度符合上述的参数，使其第一布拉格反射镜组的反射率为99.3％～99.6％，第二布拉格反射镜组的反射率为70％～85％，第三布拉格反射镜组为99.9％。
187.试验例1.本发明的耦合腔垂直腔面发射激光器的折射率分布和电场分布1.1试验设计
188.选取实施例1所涉及的耦合腔垂直腔面发射激光器1，对其进行折射率分布和电场分布的分析，分析结果见图2、图3。
189.1.2结果分析
190.参见图2及图3，耦合腔垂直腔面发射激光器1的有源区域附近的模拟光场剖面，细线代表真实折射率，粗线代表谐振腔驻波。可见实施例1所涉及的耦合腔垂直腔面发射激光器1，设计用于在894.6nm处实现窄线宽。在量子阱有源区下方，有一个厚度约为2μm的al
0.16
ga
0.84
as无源腔，vcsel整体有效耦合腔长度为8μm。对于普通vcsel激光器，谐振腔冷腔线宽δλc一般大于0.2nm，对于输出光功率小于1mw的vcsel激光器，其输出光谱线宽可达到1ghz以上。
191.参见图3所示，对于耦合腔的窄线宽vcsel来说，由于增加了腔内光子循环寿命，其谐振腔冷腔线宽可以达到0.01nm以下，在输出光功率1mw的情况下，当全半导体耦合腔vcsel的δλc为0.01397nm时，通过理论计算分析激光器输出光谱线宽约可达到0.4mhz，比传统vcsel线宽小2个数量级以上。
192.综上所述，本发明所涉及的一种耦合腔垂直腔面发射激光器，通过设置了三组布拉格反射镜组，并引入了无源腔，将三组布拉格反射镜组的反射率设置为不同的参数，其中底部的第三布拉格反射镜组的反射率限定为99.9％；中间第二布拉格反射镜组反射率限定
为70％到85％之间；顶部的第一布拉格反射镜组反射率限定为99.3％至99.6％；使得光子在底部和中间布拉格反射镜组之间的无源腔内反复循环，无源腔内的光场要高于有源区域内的光场，增加了光子在腔内的寿命，从而使得线宽能达到小于20mhz的水平，比传统垂直腔面发射激光器的线宽小2个数量级以上。性能优异，腔长较长，所能应用的领域更广。解决了现有技术中垂直腔面发射激光器的腔长较短，光谱线宽较大，难以满足垂直腔面发射激光器的窄线宽的应用要求的问题。
193.以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。