[发明专利]一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器

说明书

本申请公开了一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，包括依次设置于N面电极上表面的衬底层、N型DBR层、有源层和P型DBR层，分别构成圆柱形台面和分段柱形台面，圆柱形台面周围开设环形窗口，其底部位于N型DBR层中，其底面和侧面及位于其周围的P型DBR层的一部分上表面设置有介质薄膜电流限制层，其侧面和上表面以及上表面周围的P型DBR层的一部分上表面设置P面电极，分段柱形台面的P型DBR层的上表面位于P面电极外周部以外的区域覆盖有激光反射镜，能够在不增加器件工艺和材料生长工艺复杂程度，不使用外部温控，不影响器件性能的前提下，使其波长移动至满足应用需求的范围内，避免器成品率下降的问题。

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种激光发射方向垂直于芯片表面的新型半导体激光器，由于其独特的谐振腔结构，VCSEL具有高的调制带宽，并且十分适合与各种不同类型的光学、电子元件进行高密度集成。近年来基于VCSEL技术的微型原子传感器，如原子钟、原子磁力计、原子陀螺仪等发展很快，此类原子传感器在便携式定位导航设备中有广泛的应用前景，其主要原理是利用VCSEL发出的激光与微小型气室中的碱金属原子蒸汽相互作用，获得授时、精密测量或姿态控制所需的信号。

由于微型原子传感器的体积一般只有cm³量级，整体结构十分紧凑，因此其中采用的VCSEL器件一般采用贴片封装的方式直接与微小型原子气室接触，这就要求VCSEL工作在与气室中原子整体接近的高温环境中。对于铷原子而言，该温度一般为60-70℃，对于铯原子而言，温度可达到80-90℃。同时，要求VCSEL输出与原子能级对应的激光波长，铷原子一般对应795nm或780nm，铯原子对应894nm或852nm。在一定高温环境下精确达到指定的输出波长，对于目前的VCSEL设计与制备工艺控制提出了极高要求。以795nm VCSEL为例，其波长随温度的漂移速率一般为0.06nm/℃，因此，为在60-70℃环境下达到795nm，VCSEL的室温(25℃)发射波长应该精确控制在792.3nm-792.9nm左右，即控制在792.6±0.3nm范围内。然而，这一波长控制精度是目前的常规技术所无法达到的：VCSEL的外延材料一般采用金属有机物气相沉积(MOCVD)生长，该方法受到生长精度控制的限制，具体的，这里的外延层是多层砷化镓(GaAs)与铝镓砷(AlGaAs)组成的，一般有200-300层，每一层的厚度误差叠加到一起，导致整个外延片最后的性能不均匀，导致在一片3英寸外延片上所获得VCSEL器件的波长范围一般在±3nm以上，这意味着外延片上制备的大部分VCSEL的输出波长均偏离了微型原子传感器所要求的±0.3nm范围，这导致了器件的成品率大幅降低；此外，微型原子传感器应用要求VCSEL为单模工作，这一般是通过降低VCSEL的电流注入孔径尺寸来实现的，而电流注入孔径尺寸的降低会导致器件波长向短波移动。由于电流注入孔径制作工艺的精度有限，由其所导致的VCSEL波长漂移量是无法精确预测和控制的，这又一定程度上导致了相当一部分VCSEL的波长无法满足微型原子传感器的应用要求。

综上所述，受到材料生长和制备工艺精度的限制，VCSEL器件的波长容易偏离预定范围，导致在特定高温下难以达到所需波长，器件成品率大幅降低，单个器件成本过高，无法实现大规模应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，能够在不增加器件工艺和材料生长工艺复杂程度，不使用外部温控，不影响器件其他基本性能的前提下，使其波长移动至满足应用需求的范围内，避免器件材料生长和制备工艺对波长影响导致的成品率下降问题。