应用于芯片级原子钟与原子磁力计的干涉型VCSEL激光器的制作方法

本发明涉及半导体激光器技术，尤其涉及一种可应用于芯片级原子钟与原子磁力计的干涉型VCSEL激光器。

背景技术：

芯片原子光学器件的发展得益于可调制单频微型半导体激光器技术，即需要一种能够同时满足窄线宽、低功耗、可调制、单模态的光源来激发碱金属原子。垂直腔面发射激光器(VCSEL)因其窄线宽、低功耗、高调制效率、小体积和易集成等特征，使得原子光学领域向微型化和低功耗方向发展成为可能，进而VCSEL在芯片级原子光学器件研制中被广泛采用。

2014年5月长春光机所在国内研制出碱金属原子光学传感技术的795nm和894nm VCSEL激光器，可作为核心光源用于芯片级原子钟、原子磁力计、原子陀螺仪等碱金属原子传感器。国内外芯片级原子钟的发展现状可以看出小体积、低功耗和易集成的半导体激光器在原子光学仪器向小体积、低功耗方面发展起着重要的作用。

VCSEL激光器可以工作在能够调制到铷或铯原子的Dl或者D2共振波长的单频率状态上。相关的跃迁波长(在真空中)对铯原子来说是D1线894.6nm和D2线852.4nm，对于铷原子来说是D1线795nm和D2线780.2nm。如果有效的VCSEL不可能冷却，那么VCSEL的工作温度必须选择在原子钟工作的最大温度以上环境。例如，如果原子钟的工作温度是0℃～70℃，那么VCSEL的工作温度可能要选择在85℃。如果VCSEL的温度只能够在正负5℃的范围内变化，那么VCSEL的波长必须精确到正负0.3nm(假设通常VCSEL的调节系数是0.06nm/℃)。因此原子钟控制系统需要恒定电路驱动，温度控制系统，增加了系统复杂度，且稳定性差。

如何研制出小型集成化、低成本、窄线宽、工作在原子共振波长且对温度和电流变化不敏感的激光光源，以减少芯片级原子光学器件的系统复杂度并提高稳定性，成为近期的热点问题和挑战。并且这一直是技术难题，国际上尚没有这种专用技术，也没有相关产品的对应报道。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供一种小型集成化、低成本、窄线宽、工作在原子共振波长且对温度和电流变化不敏感的干涉型VCSEL激光器。

本发明的思路是将滤光和外腔反馈功能以镀膜方式集成在VCSEL激光芯片上，实现干涉型VCSEL激光器的小型集成化、窄线宽、工作在原子共振波长且对温度和电流变化不敏感。

为此，本发明提供一种应用于芯片级原子钟与原子磁力计的干涉型VCSEL激光器，所述激光包括由依次设置的P极、P光栅、增益区、N光栅和N极组成的VCSEL激光芯片，在所述P极的输出光端面设置滤光/反馈薄膜组，所述滤光/反馈薄膜组包括多层高折射率材料-低折射率材料薄膜，以及设置在所述输出光端面远端的部分反射膜；所述VCSEL激光芯片输出的相干光束经所述滤光/反馈薄膜组选频率得到单波长光束，该单波长光束被所述部分反射膜部分反射，反射光在由所述VCSEL激光芯片的输出光端面与滤光/反馈薄膜组构成的谐振腔中振荡、放大至超过振荡阈值，使所述部分反射膜的透射光作为输出激光。

在本发明中，这种滤光/反馈薄膜组起到超窄带滤光的功能和稳定输出激光中心波长作用，从而压窄激光线宽；VCSEL激光芯片和滤光/反馈薄膜组集成一体化提高激光器结构稳定性，从而使激光输出波长对温度和电流变化不敏感；而且可以在膜系设计时通过调整参数使输出激光波长与原子跃迁谱线共振。

在本发明中，高折射率材料-低折射率材料薄膜的数量是为10层～100层，滤光带宽为0.1nm～2nm。本领域技术人员可依据膜系设计，根据波长需求确认具体的高折射率材料-低折射率材料薄膜层数。膜系设计为现有技术，如参考浙江大学出版社的《现代光学薄膜技术》。

在本发明中，所述部分反射膜的反射率范围30％～95％，不同的反射率对应不同的激光输出功率。本领域技术人员可以根据输出激光功率需求选择相应的反射率参数，只要满足输出激光功率条件，都可以实现本发明的方案。

作为一种优选的实施方式，所述的高折射率材料-低折射率材料例如但不限于选自ZnS-MgF2、TiO2-SiO2、Si-SiO2或TiO2-Nb2O5，它们通过常规镀膜的方式构造在VCSEL激光芯片的输出光端面。本领域技术人员可根据折射率要求，选择具有适当折射率的材料实现本发明。

本发明将VCSEL激光芯片和多层兼具滤光和外腔反馈功能于一体的滤光/反馈薄膜组集成一体化，通过镀膜工艺获得一种小型集成化、窄线宽的激光器，其具有结构简单、生产低成本、高抗干扰性、窄线宽特性，因此适用于芯片级原子光学器件并实现批量生产。

【附图说明】

图1是本发明的可用于芯片级原子钟与原子磁力计的干涉型VCSEL激光器结构示意图；

其中，1—P极，2—P光栅，3—增益区，4—N光栅，5—N极，6—高折射率材料；7—低折射率材料；8—部分反射膜；9—输出激光。

图2是本发明的滤光/反馈薄膜组，设计在795nm通带时的带宽测试结果；其中滤光带宽为0.4nm。

【具体实施方式】

以下实施例用于非限制性地解释本发明的技术方案。

实施例1

如图1所示的干涉型VCSEL激光器，包括VCSEL激光芯片和滤光/反馈薄膜组。

VCSEL激光芯片包括依次设置的P极、P光栅、增益区、N光栅和N极。常规VCSEL激光芯片的结构及生产方法属于本领域的现有技术，在此不做赘述。

在本实施例中，根据现有技术进行膜系设计，设计要求为输出激光中心波长为795nm±2nm，模宽小于0.4nm，透过率大于90％。以VCSEL激光芯片的输出光端面作为基底，在基底上镀上60层滤光薄膜组，其中深颜色表示为高折射率材料层，具体选用TiO2-Nb2O5的混合物，其折射率为2.255；浅颜色为低折射率材料层，具体选用SiO2，其折射率为1.48。高折射率和低折射率的镀膜厚度分别为106.7nm和162.5nm。然后在最远端的滤光薄膜组外通过镀膜设置透光率为50％的部分反射膜。

这样，VCSEL激光芯片发出的相干光束经过多层具有滤光作用的TiO2与Nb2O5的混合物-SiO2薄膜被选频而成为单波长光束，该单波长光束作为入射光，部分经部分反射膜反射回VCSEL激光芯片，部分透过部分反射膜成为输出激光。

被部分反射膜反射的单波长光束沿原路返回到VCSEL激光芯片时，此时VCSEL激光芯片输出光端面与部分反射膜构成谐振腔，反射光在该谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，从而使得透过部分反射膜的光束直接输出作为输出激光。

通过在VCSEL激光芯片的输出光端面镀TiO2与Nb2O5的混合物-SiO2薄膜，使VCSEL激光芯片发出的相干光束被选频为单波长光，经部分反射膜部分反射后在谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，透过部分反射膜的光束直接输出作为输出激光。这种通过复合镀膜实现谐振腔与VCSEL激光芯片的集成实现了激光光源结构的紧凑性，从而有效减少激光光源体积小，大幅降低激光器的线宽。

图2是本实施例的激光器设计在795nm通带时的带宽测试结果。中心波长为795nm，其可调谐波长范围是783nm-797nm，出射波长正好795nm，滤光带宽为0.4nm，出射光透过率为99％，显著优于现有技术。

本发明的可用于芯片级原子钟与原子磁力计的干涉型VCSEL激光器的体积通常只有毫米量级，因此能够应用于芯片级原子光学器件并实现批量生产。它克服了传统干涉滤光片外腔半导体激光器中激光二极管、干涉滤光片和外腔腔镜必须分立的思想束缚，创造性地将VCSEL激光芯片和多层兼具滤光和外腔反馈功能于一体的薄膜集成一体化。

另一方面，在本发明中，这种多层兼具滤光和外腔反馈功能于一体的滤光/反馈薄膜组作为激光外腔并起到准直和选频的作用，进而压窄激光线宽，VCSEL激光芯片和滤光/反馈薄膜组集成一体化提高激光器结构稳定性，从而使激光输出波长对温度和电流变化不敏感；而且可以在膜系设计时通过调整参数使输出激光波长与原子跃迁谱线共振。进而实现微型化的毫米长度的窄线宽相干激光光源的批量制备，解决了长期以来困扰本领域技术人员的芯片级原子光学器件线宽较宽和稳定性较差的问题，为许多对激光线宽及其稳定性有较高要求的应用提供了小型集成化、低成本、高抗干扰性、窄线宽更稳定的激光器。