本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器。

背景技術(shù)：

垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)是一種激光發(fā)射方向垂直于芯片表面的新型半導(dǎo)體激光器，由于其獨(dú)特的諧振腔結(jié)構(gòu)，VCSEL具有高的調(diào)制帶寬，并且十分適合與各種不同類型的光學(xué)、電子元件進(jìn)行高密度集成。近年來(lái)基于VCSEL技術(shù)的微型原子傳感器，如原子鐘、原子磁力計(jì)、原子陀螺儀等發(fā)展很快，此類原子傳感器在便攜式定位導(dǎo)航設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用前景，其主要原理是利用VCSEL發(fā)出的激光與微小型氣室中的堿金屬原子蒸汽相互作用，獲得授時(shí)、精密測(cè)量或姿態(tài)控制所需的信號(hào)。

由于微型原子傳感器的體積一般只有cm³量級(jí)，整體結(jié)構(gòu)十分緊湊，因此其中采用的VCSEL器件一般采用貼片封裝的方式直接與微小型原子氣室接觸，這就要求VCSEL工作在與氣室中原子整體接近的高溫環(huán)境中。對(duì)于銣原子而言，該溫度一般為60-70℃，對(duì)于銫原子而言，溫度可達(dá)到80-90℃。同時(shí)，要求VCSEL輸出與原子能級(jí)對(duì)應(yīng)的激光波長(zhǎng)，銣原子一般對(duì)應(yīng)795nm或780nm，銫原子對(duì)應(yīng)894nm或852nm。在一定高溫環(huán)境下精確達(dá)到指定的輸出波長(zhǎng)，對(duì)于目前的VCSEL設(shè)計(jì)與制備工藝控制提出了極高要求。以795nm VCSEL為例，其波長(zhǎng)隨溫度的漂移速率一般為0.06nm/℃，因此，為在60-70℃環(huán)境下達(dá)到795nm，VCSEL的室溫(25℃)發(fā)射波長(zhǎng)應(yīng)該精確控制在792.3nm-792.9nm左右，即控制在792.6±0.3nm范圍內(nèi)。然而，這一波長(zhǎng)控制精度是目前的常規(guī)技術(shù)所無(wú)法達(dá)到的：VCSEL的外延材料一般采用金屬有機(jī)物氣相沉積(MOCVD)生長(zhǎng)，該方法受到生長(zhǎng)精度控制的限制，具體的，這里的外延層是多層砷化鎵(GaAs)與鋁鎵砷(AlGaAs)組成的，一般有200-300層，每一層的厚度誤差疊加到一起，導(dǎo)致整個(gè)外延片最后的性能不均勻，導(dǎo)致在一片3英寸外延片上所獲得VCSEL器件的波長(zhǎng)范圍一般在±3nm以上，這意味著外延片上制備的大部分VCSEL的輸出波長(zhǎng)均偏離了微型原子傳感器所要求的±0.3nm范圍，這導(dǎo)致了器件的成品率大幅降低；此外，微型原子傳感器應(yīng)用要求VCSEL為單模工作，這一般是通過(guò)降低VCSEL的電流注入孔徑尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而電流注入孔徑尺寸的降低會(huì)導(dǎo)致器件波長(zhǎng)向短波移動(dòng)。由于電流注入孔徑制作工藝的精度有限，由其所導(dǎo)致的VCSEL波長(zhǎng)漂移量是無(wú)法精確預(yù)測(cè)和控制的，這又一定程度上導(dǎo)致了相當(dāng)一部分VCSEL的波長(zhǎng)無(wú)法滿足微型原子傳感器的應(yīng)用要求。

綜上所述，受到材料生長(zhǎng)和制備工藝精度的限制，VCSEL器件的波長(zhǎng)容易偏離預(yù)定范圍，導(dǎo)致在特定高溫下難以達(dá)到所需波長(zhǎng)，器件成品率大幅降低，單個(gè)器件成本過(guò)高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器，能夠在不增加器件工藝和材料生長(zhǎng)工藝復(fù)雜程度，不使用外部溫控，不影響器件其他基本性能的前提下，使其波長(zhǎng)移動(dòng)至滿足應(yīng)用需求的范圍內(nèi)，避免器件材料生長(zhǎng)和制備工藝對(duì)波長(zhǎng)影響導(dǎo)致的成品率下降問(wèn)題。

本發(fā)明提供的一種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器，包括依次設(shè)置于N面電極上表面的襯底層、N型DBR層、有源層和P型DBR層，其中，所述N型DBR層、所述有源層和所述P型DBR層分別構(gòu)成圓柱形臺(tái)面和位于所述圓柱形臺(tái)面外周部的分段柱形臺(tái)面，所述圓柱形臺(tái)面的周圍開(kāi)設(shè)有環(huán)形窗口，所述環(huán)形窗口的底部位于所述N型DBR層中，所述環(huán)形窗口的底面和側(cè)面及位于其周圍的所述P型DBR層的一部分上表面設(shè)置有介質(zhì)薄膜電流限制層，所述介質(zhì)薄膜電流限制層的側(cè)面和上表面以及上表面周圍的所述P型DBR層的一部分上表面設(shè)置有P面電極，所述分段柱形臺(tái)面的P型DBR層的上表面位于所述P面電極外周部以外的區(qū)域覆蓋有激光反射鏡，用于在注入電流時(shí)將產(chǎn)生熱量通過(guò)所述N型DBR層傳輸至所述圓柱形臺(tái)面的位置以控制激光的輸出波長(zhǎng)向長(zhǎng)波移動(dòng)的程度。

優(yōu)選的，在上述用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器中，所述分段柱形臺(tái)面的數(shù)量為2個(gè)或3個(gè)。

優(yōu)選的，在上述用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器中，不同的所述分段柱形臺(tái)面的弧度值不相等。

優(yōu)選的，在上述用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器中，所述激光反射鏡為多層SiO₂/TiO₂薄膜激光反射鏡。

優(yōu)選的，在上述用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器中，所述介質(zhì)薄膜電流限制層為SiO₂層、AlN層、Si₃N₄層、BeO層或SiC層。

優(yōu)選的，在上述用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器中，所述有源層為InGaAs/GaAsP、GaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAs或InGaAs/AlGaAs周期性多量子阱結(jié)構(gòu)層。

優(yōu)選的，在上述用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器中，所述P型DBR層和所述N型DBR層均為GaAs/AlAs層。

優(yōu)選的，在上述用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器中，所述P面電極為Ti/Au電極或Ti/Pt/Au電極。

優(yōu)選的，在上述用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器中，所述N面電極為Au/Ge/Ni電極、AuGeNi/Au電極、Au/Ge電極或Pt/Au/Ge電極。

優(yōu)選的，在上述用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器中，所述襯底層為GaAs層、InP層或GaN層。

通過(guò)上述描述可知，本發(fā)明提供的上述用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器，由于包括依次設(shè)置于N面電極上表面的襯底層、N型DBR層、有源層和P型DBR層，其中，所述N型DBR層、所述有源層和所述P型DBR層分別構(gòu)成圓柱形臺(tái)面和位于所述圓柱形臺(tái)面外周部的分段柱形臺(tái)面，所述圓柱形臺(tái)面的周圍開(kāi)設(shè)有環(huán)形窗口，所述環(huán)形窗口的底部位于所述N型DBR層中，所述環(huán)形窗口的底面和側(cè)面及位于其周圍的所述P型DBR層的一部分上表面設(shè)置有介質(zhì)薄膜電流限制層，所述介質(zhì)薄膜電流限制層的側(cè)面和上表面以及上表面周圍的所述P型DBR層的一部分上表面設(shè)置有P面電極，所述分段柱形臺(tái)面的P型DBR層的上表面位于所述P面電極外周部以外的區(qū)域覆蓋有激光反射鏡，用于在注入電流時(shí)將產(chǎn)生熱量通過(guò)所述N型DBR層傳輸至所述圓柱形臺(tái)面的位置以控制激光的輸出波長(zhǎng)向長(zhǎng)波移動(dòng)的程度，因此能夠在不增加器件工藝和材料生長(zhǎng)工藝復(fù)雜程度，不使用外部溫控，不影響器件其他基本性能的前提下，使其波長(zhǎng)移動(dòng)至滿足應(yīng)用需求的范圍內(nèi)，避免器件材料生長(zhǎng)和制備工藝對(duì)波長(zhǎng)影響導(dǎo)致的成品率下降問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第一種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器的剖面示意圖；

圖2為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第一種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器的俯視圖；

圖3為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第二種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器的示意圖；

圖4為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第三種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器的示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的核心思想在于提供一種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器，能夠在不增加器件工藝和材料生長(zhǎng)工藝復(fù)雜程度，不使用外部溫控，不影響器件其他基本性能的前提下，使其波長(zhǎng)移動(dòng)至滿足應(yīng)用需求的范圍內(nèi)，避免器件材料生長(zhǎng)和制備工藝對(duì)波長(zhǎng)影響導(dǎo)致的成品率下降問(wèn)題。

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第一種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器如圖1和圖2所示，圖1為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第一種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器的剖面示意圖，圖2為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第一種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器的俯視圖。該激光器包括依次設(shè)置于N面電極1上表面的襯底層2、N型DBR層3、有源層4和P型DBR層5，其中的DBR即分布布拉格反射鏡(distributed bragg reflector)，其中，所述N型DBR層3、所述有源層4和所述P型DBR層5分別構(gòu)成圓柱形臺(tái)面和位于所述圓柱形臺(tái)面外周部的分段柱形臺(tái)面，所述圓柱形臺(tái)面的周圍開(kāi)設(shè)有環(huán)形窗口，其中，所述環(huán)形窗口用于電流注入，所述環(huán)形窗口的底部位于所述N型DBR層3中，所述環(huán)形窗口的底面和側(cè)面及位于其周圍的所述P型DBR層5的一部分上表面設(shè)置有介質(zhì)薄膜電流限制層6，所述介質(zhì)薄膜電流限制層6的側(cè)面和上表面以及上表面周圍的所述P型DBR層5的一部分上表面設(shè)置有P面電極7，所述分段柱形臺(tái)面的P型DBR層5的上表面位于所述P面電極7外周部以外的區(qū)域覆蓋有激光反射鏡8，這是一種多層結(jié)構(gòu)，其作用是通過(guò)反射來(lái)阻止這部分的激光發(fā)射出來(lái)，優(yōu)選的層數(shù)可以為8-10層，其用于在注入電流時(shí)將產(chǎn)生熱量通過(guò)所述N型DBR層3傳輸至所述圓柱形臺(tái)面的位置以控制激光的輸出波長(zhǎng)向長(zhǎng)波移動(dòng)的程度。

通過(guò)P面電極7注入的電流受到介質(zhì)薄膜電流限制層6的限制，分別注入到圓柱形臺(tái)面和分段柱形臺(tái)面中，其中圓柱形臺(tái)面中的有源層4在注入電流作用下產(chǎn)生自發(fā)輻射并在N型DBR層3與P型DBR層5構(gòu)成諧振腔的作用下發(fā)射激光，分段柱形臺(tái)面中的有源層4在注入電流作用下也能通過(guò)N型DBR層3與P型DBR層5構(gòu)成的諧振腔發(fā)射激光，但均被多層介質(zhì)薄膜反射鏡8反射。分段柱形臺(tái)面由于注入電流的流過(guò)產(chǎn)生的焦耳熱將使其溫度上升，并通過(guò)熱串?dāng)_使圓柱形臺(tái)面中的有源層4溫度上升，通過(guò)控制分段柱形臺(tái)面結(jié)構(gòu)的注入電流，可以控制圓柱形臺(tái)面結(jié)構(gòu)中有源層4溫度上升的速度，進(jìn)而調(diào)節(jié)其激光波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向漂移的量。需要重點(diǎn)說(shuō)明的是，利用上述結(jié)構(gòu)中的分段柱形臺(tái)面結(jié)構(gòu)，在無(wú)需外部加熱的前提下自己給自己加熱，提高溫度，使波長(zhǎng)移動(dòng)到符合要求的位置。

通過(guò)上述描述可知，本申請(qǐng)實(shí)施例提供的上述第一種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器，由于包括依次設(shè)置于N面電極上表面的襯底層、N型DBR層、有源層和P型DBR層，其中，所述N型DBR層、所述有源層和所述P型DBR層分別構(gòu)成圓柱形臺(tái)面和位于所述圓柱形臺(tái)面外周部的分段柱形臺(tái)面，所述圓柱形臺(tái)面的周圍開(kāi)設(shè)有環(huán)形窗口，所述環(huán)形窗口的底部位于所述N型DBR層中，所述環(huán)形窗口的底面和側(cè)面及位于其周圍的所述P型DBR層的一部分上表面設(shè)置有介質(zhì)薄膜電流限制層，所述介質(zhì)薄膜電流限制層的側(cè)面和上表面以及上表面周圍的所述P型DBR層的一部分上表面設(shè)置有P面電極，所述分段柱形臺(tái)面的P型DBR層的上表面位于所述P面電極外周部以外的區(qū)域覆蓋有激光反射鏡，用于在注入電流時(shí)將產(chǎn)生熱量通過(guò)所述N型DBR層傳輸至所述圓柱形臺(tái)面的位置以控制激光的輸出波長(zhǎng)向長(zhǎng)波移動(dòng)的程度，因此能夠在不增加器件工藝和材料生長(zhǎng)工藝復(fù)雜程度，不使用外部溫控，不影響器件其他基本性能的前提下，使其波長(zhǎng)移動(dòng)至滿足應(yīng)用需求的范圍內(nèi)，避免器件材料生長(zhǎng)和制備工藝對(duì)波長(zhǎng)影響導(dǎo)致的成品率下降問(wèn)題。

本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第二種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器，是在上述第一種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器的基礎(chǔ)上，還包括如下技術(shù)特征：

所述分段柱形臺(tái)面的數(shù)量為2個(gè)或3個(gè)。

參考圖3，圖3為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第二種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器的示意圖，可見(jiàn)該激光器利用了3個(gè)分段柱形臺(tái)面，需要說(shuō)明的是，可以通過(guò)分段的多少，來(lái)控制溫度上升的步長(zhǎng)，也就是精度，一般來(lái)說(shuō)，分段越多，則控制精度越高。當(dāng)然這里并沒(méi)有對(duì)分段數(shù)量進(jìn)行限制，可以根據(jù)具體需要來(lái)設(shè)置不同的分段數(shù)量。

本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第三種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器，是在上述第二種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器的基礎(chǔ)上，還包括如下技術(shù)特征：

不同的所述分段柱形臺(tái)面的弧度值不相等。

參考圖4，圖4為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第三種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器的示意圖，可以看出，在這種情況下，介質(zhì)薄膜電流限制層6被分成弧度不相等的三部分，也就是說(shuō)，無(wú)論是否將其等分還是不等分，均能實(shí)現(xiàn)本申請(qǐng)實(shí)施例的對(duì)激光器加熱的目的。

本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第四種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器，是在上述第一種至第三種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器中任一種的基礎(chǔ)上，還包括如下技術(shù)特征：

所述激光反射鏡為多層SiO₂/TiO₂薄膜激光反射鏡。

需要說(shuō)明的是，這種制作在分段柱形臺(tái)面上端的多層SiO₂/TiO₂薄膜激光反射鏡具有較高的反射率，可防止分段環(huán)形臺(tái)面在電流驅(qū)動(dòng)下向外發(fā)射激光，避免對(duì)激光器性能產(chǎn)生不利影響。

本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第五種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器，是在上述第四種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器的基礎(chǔ)上，還包括如下技術(shù)特征：

所述介質(zhì)薄膜電流限制層為SiO₂層、AlN層、Si₃N₄層、BeO層或SiC層，這些材質(zhì)均能夠起到有效的絕緣作用。

本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第六種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器，是在上述第五種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器的基礎(chǔ)上，還包括如下技術(shù)特征：

所述有源層為InGaAs/GaAsP、GaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAs或InGaAs/AlGaAs周期性多量子阱結(jié)構(gòu)層，當(dāng)然這些僅是優(yōu)選方案，還可以采用其他材質(zhì)形成的結(jié)構(gòu)，此處并不做限制。

本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第七種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器，是在上述第六種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器的基礎(chǔ)上，還包括如下技術(shù)特征：

所述P型DBR層和所述N型DBR層均為GaAs/AlAs層，當(dāng)然這只是其中一個(gè)優(yōu)選方案，還可以采用其他材質(zhì)，此處并不限制。

本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第八種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器，是在上述第七種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器的基礎(chǔ)上，還包括如下技術(shù)特征：

所述P面電極為Ti/Au電極或Ti/Pt/Au電極，當(dāng)然這只是其中的優(yōu)選方案，還可以采用其他材質(zhì)，此處并不限制。

本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第九種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器，是在上述第八種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器的基礎(chǔ)上，還包括如下技術(shù)特征：

所述N面電極為Au/Ge/Ni電極、AuGeNi/Au電極、Au/Ge電極或Pt/Au/Ge電極，當(dāng)然這只是其中的優(yōu)選方案，還可以采用其他材質(zhì)，此處并不限制。

本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第十種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器，是在上述第九種用于微型原子傳感器的垂直腔面發(fā)射激光器的基礎(chǔ)上，還包括如下技術(shù)特征：

所述襯底層為GaAs層、InP層或GaN層，當(dāng)然這只是其中的優(yōu)選方案，還可以采用其他材質(zhì)，此處并不限制。

對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開(kāi)的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。