[发明专利]一种异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器及制备方法

说明书

本发明公开了一种异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器及制备方法，衬底上的VCSEL芯片外延结构自衬底侧向上依次包括：N型DBR层、N型全反射DBR层、稀土元素掺杂层、N型波导层、半导体量子阱层、P型波导层、氧化层、P型全反射DBR层和P型DBR层；N型全反射DBR层、N型波导层、半导体量子阱层、P型波导层和P型全反射DBR层构成第一激光谐振腔，N型DBR层、稀土元素掺杂层、氧化层和P型DBR层构成第二激光谐振腔，第一激光谐振腔和第二激光谐振腔形成光子级联复合腔。本发明通过稀土元素掺杂层实现能级跃迁过程中能量的高效利用，提高发光效率，并实现1550nm波长的激光输出。

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器及制备方法。

背景技术

与边发射半导体激光相比，垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)具有体积小、耦合效率高、阈值电流低、调制速率高、易二维集成、单纵模工作、可在片测试和制造成本低等优点，现已成为最重要的半导体光电子器件之一，被广泛应用于光互联、光存储、光通信、激光打印、激光医疗、激光打孔等众多领域，在消费电子、5G通讯、无人机以及物联网智能服务系统等方面也发挥着重要的作用，成为了我们日常生活中各种传感器应用的基础。随着工业、军事、医疗和空间通信等领域的发展，对VCSEL也提出了高功率、高效率的需求。在光通信方面，VCSEL可以在较低的阈值电流下发射质量较高的圆形光束，成本也低于传统的分布反馈半导体激光器；为了满足长距离的光通信，要求激光器具有较高的输出功率、低色散和低损耗性能，长波段、尤其在1550nm波段的VCSEL激光器刚好满足上述要求。

目前，传统的P-N结型VCSEL激光器由于电子-空穴复合受激辐射机制的限制，发光强度和发光效率不高，平均输出功率仍处于较低的水平，尤其是长波长VCSEL激光器的研究处于初始阶段，从而限制了其的发展及应用。

发明内容

为解决现有VCSEL激光器发光强度和发光效率不高的问题，本发明提供一种异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器及制备方法，可实现能级跃迁过程中能量的高效利用，提高发光效率，并实现1550nm波长的激光输出。

本发明公开了一种异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器，包括衬底和制备在所述衬底上的VCSEL芯片外延结构，所述VCSEL芯片外延结构自衬底侧向上依次包括：N型DBR层、N型全反射DBR层、稀土元素掺杂层、N型波导层、半导体量子阱层、P型波导层、氧化层、P型全反射DBR层和P型DBR层；

所述N型全反射DBR层、N型波导层、半导体量子阱层、P型波导层和P型全反射DBR层构成第一激光谐振腔，所述N型DBR层、稀土元素掺杂层、氧化层和P型DBR层构成第二激光谐振腔，所述第一激光谐振腔和第二激光谐振腔形成光子级联复合腔。

作为本发明的进一步改进，所述第一激光谐振腔内激光产生机制为半导体材料电致发光，在注入电流的激励下，电子和空穴重新复合辐射大量光子，形成能带间的第一波长激光；所述第二激光谐振腔内激光产生机制为光致发光，所述第一波长激光作为第二激光谐振腔中的泵浦光，通过所述稀土元素掺杂层时，激发稀土元素掺杂层中的镧系金属离子的粒子能级跃迁产生第二波长激光；所述第二波长激光束通过所述第二激光谐振腔中的半反射的N型DBR层或P型DBR层输出，输出波长为1550nm。

作为本发明的进一步改进，所述N型DBR层为半反半透层、所述P型DBR层为全反射层；或者，所述P型DBR层为半反半透层、所述N型DBR层为全反射层；半反半透层对第二波长激光的反射率为50％-99.5％。

作为本发明的进一步改进，所述半导体量子阱层作为高增益有源区，所述半导体量子阱层为多量子阱结构，该包括多对半导体量子阱。

作为本发明的进一步改进，所述稀土元素掺杂层是在GaAs层中掺杂镧系元素。