[发明专利]基于超表面的垂直腔面发射激光器及其制作方法

说明书

本发明公开了一种基于超表面结构的垂直腔面发射激光器，其包括宽带下反射镜、增益介质和基于超表面结构的窄带上反射镜；宽带反射镜反射谱、增益介质发光光谱和超表面反射镜窄带反射波长三者重叠，首先通过泵浦源对增益介质进行激励，再由宽带反射镜和基于超表面结构的窄带反射镜构成垂直谐振腔形成受激辐射光放大，进而实现垂直腔面的激光发射。本发明还公开了一种制作方法，包括：基底材料上宽带反射镜的设计与制备；增益介质的结构设计与外延生长；基于超表结构的窄带反射镜的设计和制备；最终得到基于超表面结构的垂直腔面发射激光器。该垂直腔面发射激光器结构简单紧凑，与现有半导体激光器的加工工艺兼容，制备工艺简单，单纵模且稳定性好。

技术领域

本发明属于半导体激光器件微纳制造领域，更具体地，涉及一种基于超表面结构的垂直腔面发射激光器及其制作方法。

背景技术

1977年Kenichi Tga教授等人首次提出了垂直腔面发射激光器(Vertical CavitySurface-Emitting Laser，VCSEL)的概念，主要的提出思想是缩短腔的长度来获得单纵模输出的半导体激光器，提高光的通信能力。VCSEL是光从垂直于半导体衬底表面方向出射的一种新型半导体激光器，具有单纵模、发散角小、阈值低、调制速率高、圆形对称光斑、耦合效率高、体积小、可在片测试、价格便宜等诸多优点。从20世纪90年代初期开始，VCSEL的研究得到了飞速发展，用于不同领域的VCSEL也不断地被研制出来，不同波长的VCSEL主要包括630nm～670nm、750nm～780nm、850nm、980nm、1310nm的发展都不近相同，其中850nm、980nm的VCSEL发展很迅速，已经进入了商业化阶段。垂直腔面发射激光器VECSEL以其优良的激光特性，在光时钟、光通讯、激光雷达、激光彩色显示、高速激光打印、高密度光存储，超快激光、非线性光学等越来越多的领域获得了应用。但是传统的垂直腔面发射激光器仍存在着制备工艺复杂、出光功率小、单模稳定性差等缺点，尤其针对InP体系长波长的垂直腔面激光器面临着所需分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflection，DBR)对数过多导致串联电阻过大的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于超表面结构的垂直腔面发射激光器及其制作方法，由此解决传统的垂直腔面发射激光器需要生长较厚的上、下布拉格反射镜层，存在制备工艺复杂、出光功率小、单模稳定性差等的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于超表面结构的垂直腔面发射激光器，包括：增益介质、位于所述增益介质下表面的宽带反射镜及位于所述增益介质上表面的窄带反射镜；

其中，所述宽带反射镜的反射谱、所述增益介质的发光光谱和所述窄带反射镜的反射谱三者具备重叠关系；

所述窄带反射镜的表面为具有亚波长、无衍射效应的周期性结构的超表面结构；

所述窄带反射镜与所述宽带反射镜形成垂直谐振腔，以实现基于超表面结构的垂直腔面发射激光器。

优选地，所述超表面结构上制备有若干个拼接的微纳图形阵列，每个所述微纳图形阵列为多个相同的微纳图形周期排布构成，通过调控所述微纳图形阵列中微纳图形的尺寸和周期改变单个微纳图形阵列的反射波长。

优选地，所述窄带反射镜通过所述超表面结构的面内微谐振机制实现对目标波长的反射，非目标波长的透射，且所述窄带反射镜的反射波长范围与所述增益介质的发光波长及所述垂直腔面发射激光器的激射波长重叠。

优选地，所述宽带反射镜的反射谱、所述增益介质的发光光谱和所述窄带反射镜的反射谱三者具备重叠关系为：

所述增益介质的发光波长与所述基于超表面结构的窄带反射镜的反射波长重叠，且所述增益介质的发光波长处于所述宽带反射镜的反射谱范围内。