[发明专利]稀土掺杂的光子级联VCSEL激光器

说明书

本发明公开了一种稀土掺杂的光子级联VCSEL激光器，该激光器为半导体衬底上制备的具有稀土掺杂半导体层的VCSEL芯片外延结构，包括激光谐振腔和稀土掺杂高增益有源区，两者形成光子级联复合腔，激光谐振腔内的激光产生机制形成电致发光，在注入电流的激励下，电子和空穴重新复核辐射大量光子，形成能带间的第一波长激光；当第一波长激光得到预设强度时，激发稀土掺杂高增益有源区中掺杂的金属离子的粒子能级从而跃迁产生第二波长激光，形成光致发光，使得第一波长激光被完全吸收，激光器只发出第二波长激光。通过本发明的技术方案，实现了能级跃迁过程中能量的高效利用，提高了发光效率，并实现了窄线宽激光输出。

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种稀土掺杂的光子级联VCSEL激光器。

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，Vertical-CavitySurface-Emitting Laser)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、激光打印、激光医疗、激光打孔等众多领域，并且逐渐成为高速光通讯与光互联网络的主要光源之一，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，可预见VCSEL在未来数据网络时代具有更大的应用前景与竞争力。随着工业、军事、医疗和空间通信等领域的发展，对VCSEL也提出了更高功率、更高效率的需求。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，从而限制了其的发展及应用。

稀土离子由于受到未充满的外壳电子层的保护，具有稳定的发光性能、较长的荧光寿命、较大的反斯托克斯位移以及明锐的发光峰等优势。稀土离子是许多激光材料、稀磁半导体材料、非线性光学材料以及纳米发光材料中的激活离子，它们作为杂质掺入材料后对材料的微观结构、电性质、光磁性质等有着极其重要的影响。稀土元素掺杂型工作物质具有高掺杂浓度和高量子转换效率的特点，能够很大的减少所需工作物质长度、降低泵浦功率和非线性效应，能够满足对高功率激光输出的要求。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种稀土掺杂的光子级联VCSEL激光器，该发明能解决传统VCSEL激光器发光强度和发光效率不高的问题，从而实现能级跃迁过程中能量的高效利用，提高发光效率，并实现窄线宽激光输出。

为实现上述目的，本发明提供了一种稀土掺杂的光子级联VCSEL激光器，该激光器为半导体衬底上制备的具有稀土掺杂半导体层的VCSEL芯片外延结构，所述外延结构包括激光谐振腔和稀土掺杂高增益有源区；

所述激光谐振腔和所述稀土掺杂高增益有源区形成光子级联复合腔，所述激光谐振腔内的激光产生机制形成电致发光，在注入电流的激励下，电子和空穴重新复核辐射大量光子，形成能带间的第一波长激光；

当所述第一波长激光得到预设强度时，激发所述稀土掺杂高增益有源区中掺杂的金属离子的粒子能级从而跃迁产生第二波长激光，形成光致发光，使得所述第一波长激光被完全吸收，所述激光器只发出第二波长激光。

在上述技术方案中，优选地，所述金属离子属于四能级系统或三能级系统。

在上述技术方案中，优选地，所述VCSEL芯片为单管型VCSEL芯片或阵列型VCSEL芯片，所述VCSEL芯片的结构为顶发射结构或底发射结构。

在上述技术方案中，优选地，所述激光谐振腔包括N型全反射DBR层、N型波导层、所述稀土掺杂高增益有源区、P型波导层和P型全反射DBR层；

所述N型全反射DBR层和所述P型全反射DBR层对所述第一波长激光全反射；

所述N型全反射DBR层对所述第二波长激光全反射，所述P型全反射DBR层对所述第二波长激光半反射半透射，反射率为3％～99.5％。