一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器
本专利技术属于半导体激光器
，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。
技术介绍
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795nmVCSEL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。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术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。本专利技术提供的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，其中，所述N型DBR层、所述有源层和所述P型DBR层分别构成圆柱形台面和位于所述圆柱形台面外周部的分段柱形台面，所述圆柱形台面的周围开设有环形窗口，所述环形窗口的底部位于所述N型DBR层中，所述环形窗口的底面和侧面及位于其周围的所述P型DBR层的一部分上表面设置有介质薄膜电流限制层，所述介质薄膜电流限制层的侧面和上表面以及上表面周围的所述P型DBR层的一部分上表面设置有P面电极，所述分段柱形台面的P型DBR层的上表面位于所述P面电极外周部以外的区域覆盖有激光反射镜，用于在注入电流时将产生热量通过所述N型DBR层传输至所述圆柱形台面的位置以控制激光的输出波长向长波移动的程度。优选的，在上述用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器中，所述分段柱形台面的数量为2个或3个。优选的，在上述用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器中，不同的所述分段柱形台面的弧度值不相等。优选的，在上述用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器中，所述激光反射镜为多层SiO2/TiO2薄膜激光反射镜。优选的，在上述用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器中，所述介质薄膜电流限制层为SiO2层、AlN层、Si3N4层、BeO层或SiC层。优选的，在上述用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器中，所述有源层为InGaAs/GaAsP、GaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAs或InGaAs/AlGaAs周期性多量子阱结构层。优选的，在上述用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器中，所述P型DBR层和所述N型DBR层均为GaAs/AlAs层。优选的，在上述用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器中，所述P面电极为Ti/Au电极或Ti/Pt/Au电极。优选的，在上述用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器中，所述N面电极为Au/Ge/Ni电极、AuGeNi/Au电极、Au/Ge电极或Pt/Au/Ge电极。优选的，在上述用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器中，所述衬底层为GaAs层、InP层或GaN层。通过上述描述可知，本专利技术提供的上述用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，由于包括依次设置于N面电极上表面的衬底层、N型DBR层、有源层和P型DBR层，其中，所述N型DBR层、所述有源层和所述P型DBR层分别构成圆柱形台面和位于所述圆柱形台面外周部的分段柱形台面，所述圆柱形台面的周围开设有环形窗口，所述环形窗口的底部位于所述N型DBR层中，所述环形窗口的底面和侧面及位于其周围的所述P型DBR层的一部分上表面设置有介质薄膜电流限制层，所述介质薄膜电流限制层的侧面和上表面以及上表面周围的所述P型DBR层的一部分上表面设置有P面电极，所述分段柱形台面的P型DBR层的上表面位于所述P面电极外周部以外的区域覆盖有激光反射镜，用于在注入电流时将产生热量通过所述N型DBR层传输至所述圆柱形台面的位置以控制激光的输出波长向长波移动的程度，因此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。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1本申请实施例提供的第一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的剖面示意图；图2为本申请实施例提供的第一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的俯视图；图3为本申请实施例提供的第二种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的示意图；图4为本申请实施例提供的第三种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的示意图。具体实施方式本专利技术的核心思想在于提供一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，能够在不增本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，其特征在于，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，其中，所述N型DBR层、所述有源层和所述P型DBR层分别构成圆柱形台面和位于所述圆柱形台面外周部的分段柱形台面，所述圆柱形台面的周围开设有环形窗口，所述环形窗口的底部位于所述N型DBR层中，所述环形窗口的底面和侧面及位于其周围的所述P型DBR层的一部分上表面设置有介质薄膜电流限制层，所述介质薄膜电流限制层的侧面和上表面以及上表面周围的所述P型DBR层的一部分上表面设置有P面电极，所述分段柱形台面的P型DBR层的上表面位于所述P面电极外周部以外的区域覆盖有激光反射镜，用于在注入电流时将产生热量通过所述N型DBR层传输至所述圆柱形台面的位置以控制激光的输出波长向长波移动的程度。

【技术特征摘要】
1.一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，其特征在于，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，其中，所述N型DBR层、所述有源层和所述P型DBR层分别构成圆柱形台面和位于所述圆柱形台面外周部的分段柱形台面，所述圆柱形台面的周围开设有环形窗口，所述环形窗口的底部位于所述N型DBR层中，所述环形窗口的底面和侧面及位于其周围的所述P型DBR层的一部分上表面设置有介质薄膜电流限制层，所述介质薄膜电流限制层的侧面和上表面以及上表面周围的所述P型DBR层的一部分上表面设置有P面电极，所述分段柱形台面的P型DBR层的上表面位于所述P面电极外周部以外的区域覆盖有激光反射镜，用于在注入电流时将产生热量通过所述N型DBR层传输至所述圆柱形台面的位置以控制激光的输出波长向长波移动的程度。2.根据权利要求1所述的用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述分段柱形台面的数量为2个或3个。3.根据权利要求2所述的用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，其特征在于，不同的所述分段柱形台面的弧度值不相等。4.根据权利要求1-3任一项所述的用于微型原子传感器的垂直腔面...

【专利技术属性】
技术研发人员：张星，钟础宇，张建伟，秦莉，宁永强，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22