一种集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器及其制造方法

本发明涉及激光器，尤其涉及一种集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器及其制造方法。

背景技术：

1、垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，可缩写为vcsel)的谐振腔不同于边发射端面解理制备，而是通过布拉格反射镜形成，这使得激光沿着材料外延方向即垂直于衬底方向出射。由于其具有高光束质量、单纵模激射、低阈值电流密度、片上测试、易于二维阵列集成等优点广泛应用于光互联、光通讯、激光打印、人脸识别、激光雷达等领域。

2、但是，现有的垂直腔面发射激光器的谐振腔长太短，导致自身的线宽较宽，进而导致垂直腔面发射激光器在很多高端应用领域受到限制。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器及其制造方法，用于增大垂直腔面发射激光器的谐振腔长，减小垂直腔面发射激光器的线宽，进而扩大垂直腔面发射激光器的应用范围。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器，该集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器包括：基底、第一垂直腔面发射激光单元、第二垂直腔面发射激光单元和横向光学谐振腔结构。上述第一垂直腔面发射激光单元和第二垂直腔面发射激光单元沿平行于基底表面的方向形成在基底上。第一垂直腔面发射激光单元和第二垂直腔面发射激光单元对应的激光传输方向相反，且基底对应第二垂直腔面发射激光单元的部分设有贯穿的透光通道；透光通道的通道口为集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器的激光出射口。上述横向光学谐振腔结构形成在第一垂直腔面发射激光单元和第二垂直腔面发射激光单元上。横向光学谐振腔结构具有至少两个全反射界面，以将第一垂直腔面发射激光单元发射的激光经至少两次反射耦合至第二垂直腔面发射激光单元。

3、采用上述技术方案的情况下，在本发明提供的集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器处于工作状态下，第一垂直腔面发射激光单元发出的激光进入到横向光学谐振腔结构内，并在横向光学谐振腔结构具有的至少两个全反射界面的反射作用下耦合至第二垂直腔面发射激光单元。因第二垂直腔面发射激光单元和第一垂直腔面发射激光单元对应的激光传输方向相反，并且至少贯穿基底对应的第二垂直腔面发射激光单元部分的透光通道，其通道口为集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器的激光出射口，故耦合至第二垂直腔面发射激光单元内的激光可以经透光通道并由底面发射的方式射出。由上述内容可知，本发明提供的集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器发射的激光可以是由第一垂直腔面发射激光单元和第二垂直腔面发射激光单元同时产生受激辐射所形成；或者本发明提供的集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器发射的激光也可以是由第一垂直腔面发射激光单元产生的受激辐射为泵浦源经横向光学谐振腔结构传输至第二垂直腔面发射激光单元后基于光泵浦原理所产生的激光。在上述情况下，可以理解的是，本发明提供的集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器发射的部分激光不仅能够在第一垂直腔面发射激光单元和第二垂直腔面发射激光单元对应的纵向谐振腔的放大作用下提高光子数密度，还能够在横向光学谐振腔结构的放大作用下进一步提高光子数密度；换句话说，本发明提供的集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器的光学谐振腔的总长度等于上述纵向谐振腔的长度与横向光学谐振腔结构的长度之和，从而增大了垂直腔面发射激光器的光学谐振腔的总长度。基于此，因垂直腔面发射激光器的光学谐振腔的总长度与垂直腔面发射激光器的光谱线宽成反比，故增大垂直腔面发射激光器的光学谐振腔的总长度可以降低垂直腔面发射激光器的光谱宽度，进而扩大垂直腔面发射激光器在量子传感、气体检测和数据通讯等领域的应用范围。

4、第二方面，本发明还提供了一种集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器的制造方法，该集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器的制造方法包括：首先，提供一基底。接下来，沿平行于基底表面的方向，在基底上形成第一垂直腔面发射激光单元和第二垂直腔面发射激光单元；第一垂直腔面发射激光单元和第二垂直腔面发射激光单元对应的激光传输方向相反。接下来，在第一垂直腔面发射激光单元和第二垂直腔面发射激光单元上形成横向光学谐振腔结构；横向光学谐振腔结构具有至少两个全反射界面，以将第一垂直腔面发射激光单元发射的激光经至少两次反射耦合至第二垂直腔面发射激光单元。接下来，至少在基底对应第二垂直腔面发射激光单元的部分形成贯穿的透光通道。

5、本发明中第二方面及其各种实现方式的有益效果，可以参考第一方面及其各种实现方式中的有益效果分析，此处不赘述。

技术特征：

1.一种集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器，其特征在于，包括：基底、第一垂直腔面发射激光单元、第二垂直腔面发射激光单元和横向光学谐振腔结构；

2.根据权利要求1所述的集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器，其特征在于，所述第一垂直腔面发射激光单元和所述第二垂直腔面发射激光单元均包括依次层叠设置的n型布拉格反射镜层、有源层和p型布拉格反射镜层；所述集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器具有的两个发射镜中的一者为所述第一垂直腔面发射激光单元包括的所述n型布拉格反射镜层、另一者为所述第二垂直腔面发射激光单元包括的所述n型布拉格反射镜层；所述第二垂直腔面发射激光单元包括的所述n型布拉格反射镜层的反射率小于所述第一垂直腔面发射激光单元包括的n型布拉格反射镜层的反射率；

3.根据权利要求2所述的集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器，其特征在于，所述第一垂直腔面发射激光单元包括的p型布拉格反射镜层与所述第二垂直腔面发射激光单元包括的p型布拉格反射镜层相互绝缘。

4.根据权利要求2或3所述的集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器，其特征在于，所述第一垂直腔面发射激光单元和所述第二垂直腔面发射激光单元还均包括电流限制层；所述电流限制层设置在所述有源层与所述n型布拉格反射镜层之间，和/或，所述电流限制层设置在所述有源层与所述p型布拉格反射镜层之间；

5.根据权利要求2或3所述的集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器，其特征在于，所述第一垂直腔面发射激光单元和所述第二垂直腔面发射激光单元一体成型；

6.根据权利要求2或3所述的集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器，其特征在于，在所述第一垂直腔面发射激光单元中，所述n型布拉格反射镜层的对数大于所述p型布拉格反射镜层的对数；

7.根据权利要求1～3任一项所述的集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器，其特征在于，所述横向光学谐振腔结构具有选模光栅。

8.根据权利要求7所述的集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器，其特征在于，所述选模光栅的宽度大于等于1nm、且小于等于2000nm，所述选模光栅的周期大于等于1nm、且小于等于5000nm。

9.根据权利要求1～3任一项所述的集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器，其特征在于，所述横向光学谐振腔结构具有两个全反射界面；每个所述全反射界面与水平面之间的夹角为45°，且两个所述全反射界面中的一者与所述第一垂直腔面发射激光单元的出光口相对、另一者与第二垂直腔面发射激光单元的入光口相对；

10.一种集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器的制造方法，其特征在于，包括：

11.根据权利要求10所述的集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器的制造方法，其特征在于，所述沿平行于基底表面的方向，在所述基底上形成第一垂直腔面发射激光单元和第二垂直腔面发射激光单元，包括：

12.根据权利要求11所述的集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器的制造方法，其特征在于，所述沿所述基底的厚度方向，在基底对应所述第一垂直腔面发射激光单元和所述第二垂直腔面发射激光单元的区域上均至少形成依次层叠设置的n型布拉格反射镜层、有源层和p型布拉格反射镜层后，所述在所述第一垂直腔面发射激光单元和所述第二垂直腔面发射激光单元上形成横向光学谐振腔结构前，所述集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器的制造方法还包括：

13.根据权利要求11或12所述的集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器的制造方法，其特征在于，所述沿所述基底的厚度方向，在基底对应所述第一垂直腔面发射激光单元和所述第二垂直腔面发射激光单元的区域上均至少形成依次层叠设置的n型布拉格反射镜层、有源层和p型布拉格反射镜层包括：沿所述基底的厚度方向，在基底上形成层叠设置的n型布拉格反射镜层、预形成层、有源层和p型布拉格反射镜层；所述预形成层位于所述有源层沿厚度方向的一侧或两侧；

14.根据权利要求11或12所述的集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器的制造方法，其特征在于，所述沿所述基底的厚度方向，在基底对应所述第一垂直腔面发射激光单元和所述第二垂直腔面发射激光单元的区域上均至少形成依次层叠设置的n型布拉格反射镜层、有源层和p型布拉格反射镜层包括：

15.根据权利要求10所述的集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器的制造方法，其特征在于，所述在所述第一垂直腔面发射激光单元和所述第二垂直腔面发射激光单元上形成横向光学谐振腔结构，包括：

16.根据权利要求11所述的集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器的制造方法，在所述第一垂直腔面发射激光单元和所述第二垂直腔面发射激光单元上形成横向光学谐振腔结构后，所述至少在所述基底对应所述第二垂直腔面发射激光单元的部分形成贯穿的透光通道前，所述集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器的制造方法还包括：

技术总结
本发明公开一种集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器及其制造方法，涉及激光器技术领域，以增大垂直腔面发射激光器的谐振腔长，减小其线宽。所述集成横向扩展腔的窄线宽面发射激光器包括：基底、第一垂直腔面发射激光单元、第二垂直腔面发射激光单元和横向光学谐振腔结构。第一垂直腔面发射激光单元和第二垂直腔面发射激光单元对应的激光传输方向相反，基底对应第二垂直腔面发射激光单元的部分设有贯穿的透光通道。横向光学谐振腔结构形成在第一垂直腔面发射激光单元和第二垂直腔面发射激光单元上。横向光学谐振腔结构具有至少两个全反射界面，以将第一垂直腔面发射激光单元发射的激光经至少两次反射耦合至第二垂直腔面发射激光单元。

技术研发人员：荀孟,王一诺,潘冠中,孙昀
受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22