一种两相阵vcsel激光光束控制装置及制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体激光技术领域，具体涉及一种两相阵vcsel激光光束控制装置及制备方法。
背景技术：2.与边发射半导体激光相比，垂直腔面发射激光器(vcsel)以单色性好、单纵模激射、阈值电流低、功耗低、易于二维集成、圆形光斑、易与光纤耦合、“在片”检测和成本低等优势，广泛应用于激光打印、3d感测、光通信和光存储等领域。
3.随着科学技术的不断发展，对vcsel阵列输出激光的光束质量提出了更高的要求，往往需要vcsel阵列光束具有高功率、窄线宽、高光束质量的同时,还要实现波长可调谐、波数控制、偏振精确控制等；现有的vcsel激光器难以满足该要求。
技术实现要素：4.针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种两相阵vcsel激光光束控制装置及制备方法，其能解决vcsel阵列激光光束质量差、功率低等问题，实现光束定向和高光束质量的同相模相干阵激光输出。
5.本发明公开了一种两相阵vcsel激光光束控制装置，包括：vcsel内腔层和第一液晶外腔层；
6.所述vcsel内腔层为在晶圆上生长的vcsel外延结构，所述vcsel外延结构上制备出按照一定周期性排列的发光单元；
7.所述第一液晶外腔层紧贴于所述vcsel内腔层的出光区表面作为反射层。
8.作为本发明的进一步改进，所述第一液晶外腔层可逐点寻址改变折射率对发光阵列进行光反馈，实现发光单元的互注入锁定。
9.作为本发明的进一步改进，所述第一液晶外腔层作为相位控制层，可对应调整各个vcsel发光单元位置处的相位，对vcsel激光阵列整体相位控制，实现同相模的选择，得到vcsel相干激光。
10.作为本发明的进一步改进，还包括：第二液晶外腔层；
11.所述第二液晶外腔层紧贴所述第一液晶外腔层的上方。
12.作为本发明的进一步改进，所述p型dbr层的反射率为50％-99％，无法达到激光器出光阈值。
13.作为本发明的进一步改进，所述第二液晶外腔层通过与对应发光单元处的第一液晶外腔层间沿光束路径引入的折射率梯度差，以控制光场相位而改变激光光束的出射方向，实现无透镜聚焦。
14.作为本发明的进一步改进，所述vcsel外延结构上形成有p电极和n电极，所述vcsel外延结构为阵列型顶发射或底发射结构，包括在所述衬底层上依次生长的n型dbr层、n型波导层、半导体多量子阱层、p型波导层、氧化限制层和p型dbr层。
15.作为本发明的进一步改进，
16.当所述vcsel外延结构为阵列型顶发射结构时，所述p型dbr层的中心出光区表面形成有所述第一液晶外腔层、部分表面溅射形成所述p电极、剩余部分表面沉积钝化层，所述衬底层底面形成有所述n电极；
17.当所述vcsel外延结构为阵列型底发射结构时，所述p型dbr层的中心区域溅射形成所述p电极、剩余部分表面沉积钝化层，所述衬底层底面的中心出光区表面形成有所述第一液晶外腔层、剩余表面溅射形成有所述n电极。
18.作为本发明的进一步改进，
19.当所述vcsel外延结构为阵列型顶发射结构时，所述第一液晶外腔层包括自所述p型dbr层表面依次设置的液晶层阴极、液晶层、液晶层阳极和玻璃，所述液晶层阴极与液晶层之间以及所述液晶层阳极与液晶层之间设有取向膜，所述液晶层阳极与所述p电极之间设有衬垫间隔层；
20.当所述vcsel外延结构为阵列型底发射结构时，所述第一液晶外腔层包括自所述衬底层表面依次设置的液晶层阴极、液晶层、液晶层阳极和玻璃，所述液晶层阴极与液晶层之间以及所述液晶层阳极与液晶层之间设有取向膜，所述液晶层阳极与所述n电极之间设有衬垫间隔层。
21.本发明还公开了一种两相阵vcsel激光光束控制装置的制备方法，包括：
22.生长vcsel外延结构，所述vcsel外延结构包括在所述衬底层上依次生长的n型dbr层、n型波导层、半导体多量子阱层、p型波导层、氧化限制层和p型dbr层；
23.在vcsel外延结构上制作台面、露出氧化限制层，并氧化限制层上制作氧化孔；
24.在台面结构上沉积钝化层并刻蚀出激光出光区，制作p电极和n电极；
25.在顶部或底部激光出光区上制作第一液晶外腔层；
26.在第一液晶外腔层上制备第二液晶外腔层；
27.解理封装。
28.作为本发明的进一步改进，所述制作第一液晶外腔层，包括：
29.在出光区表面沉积液晶层阴极；
30.在液晶层阴极上旋涂取向膜；
31.经光刻之后在p电极或n电极上旋涂衬垫间隔层，形成注入液晶的凹槽；
32.在玻璃或第二液晶外腔层上沉积液晶层阳极；
33.在液晶层阳极上旋涂取向膜；
34.将玻璃或第二液晶外腔层置于衬垫间隔层上方，而后在凹槽内注入液晶，形成液晶层。
35.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
36.本发明在vcsel阵列激光器的基础上贴合液晶层，通过调节电压改变液晶层折射率值，进而调整发光单元之间的相位差和光束方向，解决传统vcsel阵列激光器光束质量差的问题，实现高光束质量的同相模相干阵激光输出。
附图说明
37.图1为本发明实施例1公开的顶发射的两相阵vcsel激光光束控制装置的结构示意
图；
38.图2为本发明实施例2公开的底发射的两相阵vcsel激光光束控制装置的结构示意图；
39.图3为本发明实施例1或实施例2公开的两相阵vcsel激光光束控制装置的制备流程图；
40.图4为本发明实施例1的两相阵vcsel激光光束控制装置实现互注入反馈的示意图；
41.图5为本发明实施例1的两相阵vcsel激光光束控制装置实现光束方向可调的示意图。
42.图中：
43.1、衬底层；2、n型dbr层；3、n型波导层；4、半导体多量子阱层；5、p型波导层；6、氧化限制层；7、p型dbr层；8、钝化层；9、p电极；10、n电极；11、衬垫间隔层；12、液晶层；13、液晶层阴极；14、取向膜；15、液晶层阳极；16、玻璃。
具体实施方式
44.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
45.下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
46.本发明提供一种包括vcsel内腔层和液晶外腔层两部分的激光光束控制装置，其中，液晶层作为一种具有各向异性光学特性的材料，可在外部电场作用下改变液晶偏转方向进而影响折射率值；正是由于它的电致双折射特性，可以实现vcsel出光单元间的互注入锁定，实现同相模和异相模的选择，控制vcsel出光方向，形成vcsel阵列激光同相模相干输出。
47.本发明的光束控制装置包括vcsel内腔层、第一液晶外腔层和第二液晶外腔层，vcsel内腔层为在晶圆上生长的vcsel外延结构，vcsel外延结构上制备出按照一定周期性排列的发光单元；第一液晶外腔层紧贴于vcsel内腔层的出光区表面作为反射层，第二液晶外腔层紧贴第一液晶外腔层的上方；其中，第一液晶外腔层可逐点寻址改变折射率对发光阵列进行光反馈，实现发光单元的互注入锁定；第一液晶外腔层作为相位控制层，可对应调整各个vcsel发光单元位置处的相位，对vcsel激光阵列整体相位控制，实现同相模的选择，得到vcsel相干激光；第二液晶外腔层通过与对应发光单元处的第一液晶外腔层间沿光束路径引入的折射率梯度差，以控制光场相位而改变激光光束的出射方向，实现无透镜聚焦。
48.实施例1：
49.如图1所示，本发明提供一种顶发射的两相阵vcsel激光光束控制装置，包括vcsel内腔层和第一液晶外腔层；
50.vcsel内腔层为在晶圆上生长的vcsel外延结构，vcsel外延结构上制备出按照一定周期性排列的发光单元；其包括在gaas衬底层1上依次生长的n型dbr层2、n型波导层3、半导体多量子阱层4、p型波导层5、氧化限制层6和p型dbr层7，p型dbr层7的中心出光区表面形
成有第一液晶外腔层、部分表面溅射形成p电极9、剩余部分表面沉积sio2钝化层8，衬底层1底面形成有n电极10；
51.第一液晶外腔层包括自p型dbr层7表面依次设置的液晶层阴极13、液晶层12、液晶层阳极15和玻璃16(可选)，液晶层阴极13与液晶层12之间以及液晶层阳极15与液晶层12之间设有取向膜14，液晶层阳极15与p电极9之间设有衬垫间隔层11。
52.进一步，p型dbr层的反射率为50％-99％，无法达到激光器出光阈值；表面液晶层作为外腔反馈层的反射率为65％-99％，反馈后可以达到激光器出光阈值。
53.如图4所示，本发明的第一液晶外腔层紧贴于vcsel内腔层表面作为反射层，其可逐点寻址改变折射率对发光阵列进行光反馈，实现发光单元的互注入锁定，其中，第一液晶外腔层的折射率与相邻外部材料的折射率不同；进一步地，第一液晶外腔层作为相位控制层，可以对应调整各个vcsel发光单元位置处的相位，对vcsel激光阵列整体相位控制，实现同相模的选择，得到vcsel相干激光。其中，距离d满足相邻发光单元相干的设计，即，如图4所示。
54.进一步，如图5所示，本发明可在第一液晶外腔层的上方紧贴设有作为光束调制层的第二液晶外腔层(可替换玻璃16)，第二液晶外腔层的折射率可与在第一液晶外腔层的折射率不同，即第一液晶外腔层的折射率为n1、第二液晶外腔层的折射率为n3；通过与对应发光单元处的第一液晶外腔层间沿光束路径引入的折射率梯度差，可以控制光场相位而改变激光光束的出射方向，实现无透镜聚焦。
55.如图3所示，本发明提供一种顶发射的两相阵vcsel激光光束控制装置的制备方法，包括：
56.s1、生长外延结构
57.在gaas衬底表面依次外延生长n型dbr层、n型波导层、半导体多量子阱层、p型波导层、氧化层、p型dbr层；
58.s2、制作台面
59.首先，采用湿法腐蚀或者干法刻蚀等方法，在待加工外延片制作出台面结构。若采用刻蚀方法，刻蚀cl2/bcl3气体流量比为1：3，刻蚀功率500w，刻蚀芯片露出氧化层。其次，湿法腐蚀掉芯片上多余的sio2，清洗芯片。最后，清洗完毕后将待加工外延片用高纯度氮气吹干，确保干净以后，将片子加热烘干，待用；
60.s3、制作氧化孔
61.利用湿法选择性氧化技术，将在待加工外延片台面中的氧化层，从外侧氧化进去，形成一个氧化孔径。湿法选择性氧化过程：氧化炉升温至430℃，水温设定100℃，通微量n2，流量为1l/min，稳定20min，排除氧化炉内多余空气。20min以后，开始通n2，流量为9l/min，稳定30min。稳定30min以后，将外延片放入氧化炉进行氧化，氧化时间根据需要氧化的氧化孔径而定。氧化结束以后，等待炉温降到80℃后，取出外延片，待用；
62.s4、沉积钝化层
63.利用等离子体增强型化学气相沉积(pecvd)沉积sio2钝化层，进一步光刻并刻蚀出激光出光窗口；
64.s5、经光刻后制作金属p电极
65.待加工外延片涂上l300负性光刻胶，通过光刻显影，制作p电极的图形，然后通过
磁控溅射技术溅射等金属工艺，生长p电极金属材料；
66.将生长完p电极金属的外延片放在丙酮溶液中浸泡4～6小时，然后进行金属剥离工艺，剥离非p电极的金属，制作金属p电极；
67.s6、制作金属n电极
68.将gaas衬底研磨抛光减薄至一定厚度；
69.在减薄后的衬底上通过磁控溅射技术溅射等金属工艺，生长n电极金属材料；
70.s7、制备表面液晶层(第一液晶外腔层、或第一液晶外腔层和第二液晶外腔层)
71.在出光台面上使用pecvd沉积一层导电层作为液晶层的阴极，随之在导电层上旋涂取向膜材料，后经光刻之后在下台面的p电极上旋涂衬垫材料作为注入液晶的深凹槽；并另在玻璃上沉积导电层作为液晶层的阳极。将玻璃至于衬垫材料上方，最后在深凹槽内注入液晶并封闭；
72.s8、解理封装
73.制作好的芯片用解理划片机解理，采用热压焊等方式完成与外界供电系统电极的焊接，并完成芯片封装。
74.实施例2：
75.如图2所示，本发明提供一种底发射的两相阵vcsel激光光束控制装置，包括vcsel外延结构和第一液晶外腔层；
76.vcsel外延结构包括在gaas衬底层1上依次生长的n型dbr层2、n型波导层3、半导体多量子阱层4、p型波导层5、氧化限制层6和p型dbr层7，p型dbr层7的中心区域溅射形成p电极9、剩余部分表面沉积sio2钝化层8，衬底层1底面的中心出光区表面形成有第一液晶外腔层、剩余表面溅射形成有n电极10；
77.第一液晶外腔层包括自衬底层1表面依次设置的液晶层阴极13、液晶层12、液晶层阳极15和玻璃16(可选)，液晶层阴极13与液晶层12之间以及液晶层阳极15与液晶层12之间设有取向膜14，液晶层阳极15与n电极10之间设有衬垫间隔层11。
78.本发明的第一液晶外腔层紧贴于vcsel内腔层表面作为反射层，其可逐点寻址改变折射率对发光阵列进行光反馈，实现发光单元的互注入锁定，其中，第一液晶外腔层的折射率与相邻外部材料的折射率不同；进一步地，第一液晶外腔层作为相位控制层，可以对应调整各个vcsel发光单元位置处的相位，对vcsel激光阵列整体相位控制，实现同相模的选择，得到vcsel相干激光。其中，距离d满足相邻发光单元相干的设计，即，如图4所示。
79.进一步，本发明可在第一液晶外腔层的上方紧贴设有作为光束调制层的第二液晶外腔层，第二液晶外腔层的折射率可与在第一液晶外腔层的折射率不同，即第一液晶外腔层的折射率为n1、第二液晶外腔层的折射率为n3；通过与对应发光单元处的第一液晶外腔层间沿光束路径引入的折射率梯度差，可以控制光场相位而改变激光光束的出射方向，实现无透镜聚焦。
80.如图3所示，本发明提供一种底发射的两相阵vcsel激光光束控制装置的制备方法，包括：
81.s1、生长外延结构
82.在gaas衬底表面依次外延生长n型dbr层、n型波导层、半导体多量子阱层、p型波导层、氧化层、p型dbr层；
83.s2、制作台面
84.首先，采用湿法腐蚀或者干法刻蚀等方法，在待加工外延片制作出台面结构。若采用刻蚀方法，刻蚀cl2/bcl3气体流量比为1：3，刻蚀功率500w，刻蚀芯片露出氧化层。其次，湿法腐蚀掉芯片上多余的sio2，清洗芯片。最后，清洗完毕后将待加工外延片用高纯度氮气吹干，确保干净以后，将片子加热烘干，待用；
85.s3、制作氧化孔
86.利用湿法选择性氧化技术，将在待加工外延片台面中的氧化层，从外侧氧化进去，形成一个氧化孔径。湿法选择性氧化过程：氧化炉升温至430℃，水温设定100℃，通微量n2，流量为1l/min，稳定20min，排除氧化炉内多余空气。20min以后，开始通n2，流量为9l/min，稳定30min。稳定30min以后，将外延片放入氧化炉进行氧化，氧化时间根据需要氧化的氧化孔径而定。氧化结束以后，等待炉温降到80℃后，取出外延片，待用；
87.s4、沉积钝化层
88.利用等离子体增强型化学气相沉积(pecvd)沉积sio2钝化层，进一步光刻并刻蚀出激光出光窗口。
89.s5、制作金属p电极
90.待加工外延片涂上l300负性光刻胶，通过光刻显影，制作p电极的图形，然后通过磁控溅射技术溅射等金属工艺，生长p电极金属材料；
91.步骤六、剥离非p电极金属
92.将生长完p电极金属的外延片放在丙酮溶液中浸泡4～6小时，然后进行金属剥离工艺，剥离非p电极的金属，制作金属p电极；
93.s6、制作金属n电极
94.将gaas衬底研磨抛光减薄至一定厚度；
95.在待加工外延片背面制作n电极图形，通过磁控溅射技术溅射等金属工艺，生长n电极金属材料；
96.s7、制备表面液晶层(第一液晶外腔层、或第一液晶外腔层和第二液晶外腔层)
97.在出光面表面使用pecvd沉积一层导电层作为液晶层的阴极，随之在导电层上旋涂取向膜材料，后经光刻之后在n电极上旋涂衬垫材料作为注入液晶的深凹槽。并另在玻璃上沉积导电层作为液晶层的阳极。将玻璃至于衬垫材料上方，最后在深凹槽内注入液晶并封闭。
98.s8、解理封装
99.制作好的芯片用解理划片机解理，采用热压焊等方式完成与外界供电系统电极的焊接，并完成芯片封装。
100.本发明的优点为：
101.本发明在传统vcsel阵列激光器结合双层液晶外腔层，实现光束相位、方向和反射的调整，最终形成具有无透镜聚焦的晶圆级同相模选择功能的光束方向可调的相干阵列激光，解决传统vcsel激光器阵列光束质量差的问题。
102.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种两相阵vcsel激光光束控制装置，其特征在于，包括：vcsel内腔层和第一液晶外腔层；所述vcsel内腔层为在晶圆上生长的vcsel外延结构，所述vcsel外延结构上制备出按照一定周期性排列的发光单元；所述第一液晶外腔层紧贴于所述vcsel内腔层的出光区表面作为反射层。2.如权利要求1所述的两相阵vcsel激光光束控制装置，其特征在于，所述第一液晶外腔层可逐点寻址改变折射率对发光阵列进行光反馈，实现发光单元的互注入锁定。3.如权利要求2所述的两相阵vcsel激光光束控制装置，其特征在于，所述第一液晶外腔层作为相位控制层，可对应调整各个vcsel发光单元位置处的相位，对vcsel激光阵列整体相位控制，实现同相模的选择，得到vcsel相干激光。4.如权利要求1所述的两相阵vcsel激光光束控制装置，其特征在于，还包括：第二液晶外腔层；所述第二液晶外腔层紧贴所述第一液晶外腔层的上方。5.如权利要求1所述的两相阵vcsel激光光束控制装置，其特征在于，所述第二液晶外腔层通过与对应发光单元处的第一液晶外腔层间沿光束路径引入的折射率梯度差，以控制光场相位而改变激光光束的出射方向，实现无透镜聚焦。6.如权利要求1所述的两相阵vcsel激光光束控制装置，其特征在于，所述vcsel外延结构上形成有p电极和n电极，所述vcsel外延结构为阵列型顶发射或底发射结构，包括在所述衬底层上依次生长的n型dbr层、n型波导层、半导体多量子阱层、p型波导层、氧化限制层和p型dbr层。7.如权利要求6所述的两相阵vcsel激光光束控制装置，其特征在于，当所述vcsel外延结构为阵列型顶发射结构时，所述p型dbr层的中心出光区表面形成有所述第一液晶外腔层、部分表面溅射形成所述p电极、剩余部分表面沉积钝化层，所述衬底层底面形成有所述n电极；当所述vcsel外延结构为阵列型底发射结构时，所述p型dbr层的中心区域溅射形成所述p电极、剩余部分表面沉积钝化层，所述衬底层底面的中心出光区表面形成有所述第一液晶外腔层、剩余表面溅射形成有所述n电极。8.如权利要求7所述的两相阵vcsel激光光束控制装置，其特征在于，当所述vcsel外延结构为阵列型顶发射结构时，所述第一液晶外腔层包括自所述p型dbr层表面依次设置的液晶层阴极、液晶层、液晶层阳极和玻璃，所述液晶层阴极与液晶层之间以及所述液晶层阳极与液晶层之间设有取向膜，所述液晶层阳极与所述p电极之间设有衬垫间隔层；当所述vcsel外延结构为阵列型底发射结构时，所述第一液晶外腔层包括自所述衬底层表面依次设置的液晶层阴极、液晶层、液晶层阳极和玻璃，所述液晶层阴极与液晶层之间以及所述液晶层阳极与液晶层之间设有取向膜，所述液晶层阳极与所述n电极之间设有衬垫间隔层。9.一种如权利要求1～8中任一项所述的两相阵vcsel激光光束控制装置的制备方法，其特征在于，包括：生长vcsel外延结构，所述vcsel外延结构包括在所述衬底层上依次生长的n型dbr层、n
型波导层、半导体多量子阱层、p型波导层、氧化限制层和p型dbr层；在vcsel外延结构上制作台面、露出氧化限制层，并氧化限制层上制作氧化孔；在台面结构上沉积钝化层并刻蚀出激光出光区，制作p电极和n电极；在顶部或底部激光出光区上制作第一液晶外腔层；在第一液晶外腔层上制备第二液晶外腔层；解理封装。10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述制作第一液晶外腔层，包括：在出光区表面沉积液晶层阴极；在液晶层阴极上旋涂取向膜；经光刻之后在p电极或n电极上旋涂衬垫间隔层，形成注入液晶的凹槽；在玻璃或第二液晶外腔层上沉积液晶层阳极；在液晶层阳极上旋涂取向膜；将玻璃或第二液晶外腔层置于衬垫间隔层上方，而后在凹槽内注入液晶，形成液晶层。
技术总结本发明公开了一种两相阵VCSEL激光光束控制装置及制备方法包括：VCSEL内腔层和第一液晶外腔层；VCSEL内腔层为在晶圆上生长的VCSEL外延结构，VCSEL外延结构上制备出按照一定周期性排列的发光单元；第一液晶外腔层紧贴于VCSEL内腔层的出光区表面作为反射层。本发明在VCSEL阵列激光器的基础上贴合液晶层，通过调节电压改变液晶层折射率值，进而调整发光单元之间的相位差和光束方向，解决传统VCSEL阵列激光器光束质量差的问题，实现高光束质量的同相模相干阵激光输出。同相模相干阵激光输出。同相模相干阵激光输出。
技术研发人员：曹银花 宗梦雅 王智勇 代京京
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2022.06.22
技术公布日：2022/11/1
