具有小发散角的VCSEL激光器、芯片及用于LIDAR系统的光源的制作方法

具有小发散角的vcsel激光器、芯片及用于lidar系统的光源
1.交叉引用以及优先权申明
2.本专利申请要求在2021年09月29日提交的临时专利申请序列号为63/249,976的美国临时申请“small divergence angle vcsel with anti-reflection interface，anti-reflection layer or anti-reflection region”的优先权，上述美国临时申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明实施例涉及激光器技术领域，尤其涉及一种具有小发散角的vcsel激光器、芯片及用于lidar系统的光源。


背景技术：

4.具有小发散角的vcsel激光器(vertical cavity surface emitting laser,vcsel)可以产生比发光二极管(light-emitting diode，led)或其他非相干光源更小发散角的光束，被广泛应用于三维传感、激光雷达、光通信以及照明等应用中，可为各种应用提供小型、紧凑、高功率的激光光源。
5.传统的vcsel的发散全角通常约为20～30度，这个发散角虽能满足一些传统的应用，但对于新的应用场景而言仍相对较大，会限制三维传感器和的激光雷达探测距离、分辨率和信噪比。将vcsel的光束发散角进一步进行压缩在实际应用中有着非常迫切的需求。目前，为了压缩vcsel光束发散角，通常的手段是通过加长腔长的方法，使得vcsel发光孔内外的有效折射率差异降低，进而抑制高阶模式的产生。高阶模式的光束具有更大的发散角，因此，将高阶模式的光束抑制之后，剩下的低阶模式光束可以实现更小的发散角度。但是，加长腔长的方法会引起新的问题。把腔长加长之后，激光纵向模式的间距也会减小，vcsel的发射光谱会出现多个纵向模式，即出现多个光谱峰。这些多个光谱峰中除了我们设计的激射波长之外，还有其他不希望出现的光谱峰出现在我们设计的激射波长的一侧或两侧，这些不希望出现的光谱峰通常称为纵模。纵模的出现会导致一些潜在的问题，例如导致光源的温漂系数增大，温度稳定性降低；又例如三维传感器和的激光雷达的接收端无法识别这些纵模导致效率下降和串扰等。


技术实现要素：

6.本发明实施例提供了一种具有小发散角的vcsel激光器、芯片及用于lidar系统的光源，以极大地降低发散角的同时，还可以保持单纵模激射。
7.本发明实施例提供了一种具有小发散角的vcsel激光器，包括：
8.下布拉格反射层；
9.有源层，位于所述下布拉格反射层的一侧；
10.上布拉格反射层，位于所述有源层远离所述下布拉格反射层的一侧；
11.其中，所述有源层内或外侧附近设置有定义发光区的电流限制层；所述下布拉格
反射层与所述有源层之间和所述上布拉格反射层与所述有源层之间的至少一处设置有储光层，所述储光层用于存储光场能量；所述储光层与所述有源层之间设置有具有增透界面的增透层，所述增透层用于增大所述储光层的光场强度峰值至高于有源层的光场强度峰值。
12.可选的，所述电流限制层的个数为至少一个，所述电流限制层沿垂直于有源层的中心与最近的驻波光场的0值的光程距离小于十分之一激射波长；所述电流限制层在所述有源层外侧时，位于沿垂直于所述有源层一侧的两个波长范围内。
13.可选的，所述电流限制层沿垂直于有源层的中心与最近的驻波光场的0值位置对齐。
14.可选的，所述电流限制层包括氧化层；所述氧化层为外延生长的高al组分的algaas，其外侧被氧化区域形成绝缘的氧化铝膜层；其中，未氧化区域形成有效电流注入的发光区域。
15.可选的，沿着所述有源层指向所述储光层的方向，所述增透界面包括储光层和有源层之间的位于从低折射率到高折射率界面处的第一增透界面，和/或储光层和有源层之间的位于从高折射率到低折射率界面处的第二增透界面；
16.其中，所述第一增透界面与最近的驻波光场的峰值位置的光程距离小于十分之一激射波长；所述第二增透界面与最近的驻波光场的0值位置的光程距离小于十分之一激射波长。
17.可选的，所述第一增透界面处于驻波光场的峰值位置；所述第二增透界面处于光驻波电场的0值位置。
18.可选的，沿着有源区指向储光层的方向，所述增透层的第一增透界面，与上下布拉格反射层中相对有源层处于储光层异侧的布拉格反射层中任一低折射率进入到高折射率的界面之间的光学间距是半波长的整数倍，与上下布拉格反射层中相对有源层处于储光层同侧的布拉格反射层中任一低折射率到高折射率的界面之间的光学间距是四分之一激射波长的奇数倍；
19.增透层的第二增透界面，与上下布拉格反射层中相对有源层处于储光层异侧的布拉格反射层中任一高折射率进入到低折射率高的界面之间的光学间距是半波长的整数倍，与上下布拉格反射层中相对有源层处于储光层同侧的布拉格反射层中任一高折射率到低折射率的界面之间的光学间距是四分之一激射波长的奇数倍。
20.可选的，所述增透层包括一个增透界面，所述增透界面为第一增透界面或第二增透界面；
21.所述增透界面为所述储光层与所述有源层的接触界面，或者为所述储光层与所述有源层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面。
22.可选的，所述增透层包括两个增透界面；
23.其中一个增透界面为所述储光层与所述增透层的接触界面，或者为所述储光层与所述增透层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面；另一个增透界面为所述有源层与所述增透层的接触界面，或者为所述有源层与所述增透层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面。
24.可选的，两个增透界面分别为第一增透界面和第二增透界面；沿着垂直于所述有
源层的方向，两个增透界面之间的光学厚度为四分之一激射波长的奇数倍；
25.或者，两个增透界面均为第一增透界面，沿着垂直于所述有源层的方向，两个增透界面之间的光学厚度为二分之一激射波长的整数倍；
26.或者，两个增透界面均为第二增透界面，沿着垂直于所述有源层的方向，两个增透界面之间的光学厚度为二分之一激射波长的整数倍。
27.可选的，所述增透层包括的增透界面的个数大于或等于3，所述增透层包括第一增透界面为m个，第二增透界面为n个；m为大于或等于1的整数，n为大于或等于1的整数；第1个增透界面和第m+n个增透界面其中一个为第一增透界面，另一个为第二增透界面，所述增透层的光学厚度为四分之一激射波长的奇数倍；
28.沿着所述有源层指向所述储光层的方向，第1个增透界面为所述有源层与所述增透层的接触界面，或者为所述有源层与所述增透层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面；第2～m+n-1个增透界面为增透层中相邻的两个高低折射率子层的接触界面或高低折射率子层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面；第m+n个增透界面为所述储光层与所述增透层的接触界面，或者为所述储光层与所述增透层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面。
29.可选的，所述增透层包括的增透界面的个数大于或等于3；所述增透层包括第一增透界面为m个，第二增透界面为n个；m为大于或等于0的整数，n为大于或等于0的整数；第1个增透界面和第m+n个增透界面均为第一增透界面或均为第二增透界面，所述增透层的光学厚度为二分之一激射波长的整数倍；
30.沿着所述有源层指向所述储光层的方向，第1个增透界面为所述有源层与所述增透层的接触界面，或者为所述有源层与所述增透层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面；第2～m+n-1个增透界面为增透层中相邻的两个高低折射率子层的接触界面或高低折射率子层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面；第m+n个增透界面为所述储光层与所述增透层的接触界面，或者为所述储光层与所述增透层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面。
31.可选的，任意两个第一增透界面或者任意两个第二增透界面之间的间距为二分之一激射波长的整数倍，其中任一第一增透界面与任一第二增透界面之间的间距为四分之一激射波长的奇数倍。
32.可选的，所述第一增透界面与第二增透界面交替设置，相邻的两个增透界面之间的光学厚度为四分之一激射波长的奇数倍。
33.可选的，所述有源层的光学厚度为四分之一激射波长的奇数倍。
34.可选的，所述上布拉格反射层、下布拉格反射层、增透层以及储光层至少其中之一的材料为介质材料。
35.可选的，所述上布拉格反射层、下布拉格反射层、增透层以及储光层至少其中之一的材料为半导体材料。
36.可选的，所述有源层包括至少一个量子阱，其中每一所述量子阱沿垂直于有源层的中心与最近的驻波光场的峰值位置的光程距离小于十分之一激射波长；多于一个量子阱时，一组量子阱整体的中心位置与最近的驻波光场的峰值位置的光程距离小于十分之一激射波长。
37.可选的，所述有源层包括至少两个有源子层，每个所述有源子层包括至少一个所述量子阱，相邻两个有源子层之间用隧道结相连；所述隧道结与最近的驻波光场的0值位置的光程距离小于十分之一激射波长。
38.可选的，每一所述有源子层的至少一侧具有增透层以及储光层；每个有源区子层最多存在一个电流限制层；所述隧道结位于驻波光场的0值位置。
39.可选的，沿着垂直于所述有源层的方向，所述储光层的射折率均匀分布。
40.可选的，沿着垂直于所述有源层的方向，所述储光层的射折率高低交替分布。
41.可选的，所述储光层包括中布拉格反射层，所述中布拉格反射层包括多个光学厚度为四分之一激射波长的反射镜，多个反射镜按照高低折射率交替设置。
42.可选的，所述中布拉格反射层每个半波长周期内的折射率对比度低于下布拉格反射层和/或上布拉格反射层相应的每个半波长周期内的折射率对比度。
43.可选的，还包括一衬底，其中所述衬底位于所述下布拉格反射层远离有源层的一侧，所述衬底的材料包括gaas或si。
44.可选的，还包括一透明顶衬，其中所述透明顶衬位于所述上布拉格反射层远离有源层的一侧，所述透明顶衬的材料包括蓝宝石、石英、玻璃或透明聚合物。
45.可选的，激光的出光面或者主要出光面位于所述下布拉格反射层远离所述有源层的一侧，所述上布拉格反射层的反射率大于下布拉格反射层的反射率；
46.或者，激光的出光面或者主要出光面位于上布拉格反射层远离所述有源层的一侧，所述下布拉格反射层反射率大于上布拉格反射层的反射率。
47.可选的，还包括微透镜，所述微透镜集成于所述出光面的一侧，用于减小远场的发散角。
48.第二方面，本发明实施例公开了一种具有小发散角的vcsel激光器芯片，包括多个如第一方面任意所述的具有小发散角的vcsel激光器，多个所述具有小发散角的vcsel激光器组成面阵列排布；所述面阵列排布为规则排列，或者随机排布，或者是用于寻址的多个子阵列。
49.第三方面，本发明实施例公开了一种用于lidar系统的光源，包括至少一个如第一方面任意所述的具有小发散角的vcsel激光器或者至少一个如第二方面所述的具有小发散角的vcsel激光器芯片。
50.本发明实施例提供了一种具有小发散角的vcsel激光器、芯片及用于lidar系统的光源，包括：层叠设置的下布拉格反射层、有源层、上布拉格反射层；其中，下布拉格反射层与有源层之间和上布拉格反射层与有源层之间的至少一处设置有储光层，储光层用于增长腔长；储光层与有源层之间设置有具有增透界面的增透层，增透层用于增大储光层的光场强度至高于有源层的光场强度。本发明实施例提供的技术方案通过在储光层与有源层之间设置具有增透界面的增透层，使得储光层的光场强度高于有源区的光场强度，进而降低vcsel发光孔内外的有效折射率差异，抑制高阶模式的产生，降低了发散角；同时通过增加储光层内部的光场强度，相对于现有技术，可以减小腔长增加的幅度，进而可以改善vcsel的发射光谱会出现多个纵向模式的问题，从而实现了极大地降低发散角的同时，还可以保持单纵模激射。
附图说明
51.图1是现有技术中提供的一种具有小发散角的vcsel激光器的结构示意图；
52.图2是本发明实施例提供的一种具有小发散角的vcsel激光器的结构示意图；
53.图3是本发明实施例提供的另一种具有小发散角的vcsel激光器的结构示意图；
54.图4是本发明实施例提供的另一种具有小发散角的vcsel激光器的结构示意图；
55.图5是本发明实施例提供的另一种具有小发散角的vcsel激光器的结构示意图；
56.图6是本发明实施例提供的另一种具有小发散角的vcsel激光器的结构示意图；
57.图7是本发明实施例提供的一种在单层增透界面作用下的光场强度分布图及对应的折射率分布图；
58.图8是本发明实施例提供的另一种在单层增透界面作用下的光场强度分布图及对应的折射率分布图；
59.图9是本发明实施例提供的一种在双层增透界面作用下的光场强度分布图及对应的折射率分布图；
60.图10是本发明实施例提供的另一种在双层增透界面作用下的光场强度分布图及对应的折射率分布图；
61.图11是本发明实施例提供的一种在多层增透界面作用下的光场强度分布图及对应的折射率分布图；
62.图12是本发明实施例提供的另一种在多层增透界面作用下的光场强度分布图及对应的折射率分布图；
63.图13是本发明实施例提供的另一种在多层增透界面作用下的光场强度分布图及对应的折射率分布图；
64.图14是本发明实施例提供的一种光场强度分布图及折射率分布图；
65.图15是本发明实施例提供的另一种具有小发散角的vcsel激光器的结构示意图。
具体实施方式
66.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
67.如背景技术，目前，为了压缩vcsel光束发散角，通常的手段是通过加长腔长的方法，使得vcsel发光孔内外的有效折射率差异降低，进而抑制高阶模式的产生。高阶模式的光束具有更大的发散角，因此，将高阶模式的光束抑制之后，剩下的低阶模式光束可以实现更小的发散角度。图1是现有技术中提供的一种具有小发散角的vcsel激光器的结构示意图，参考图1，在衬底1的同一侧设置有下布拉格反射层2、有源层4和上布拉格反射层6，其中上布拉格反射层6或有源层4中包括有通过氧化电流限制层含铝组分高的algaas，(其中al的组分一般为97％以上甚至可以100％，即纯alas)。该层在高温水汽环境中会生成氧化铝材料。通过刻蚀成柱状平台结构，从侧面氧化形成绝缘的氧化铝，未氧化的部分仍然是可以导电的algaas。这样的结构可以约束电流只能通过中间的导电部分。这样形成的电流限制层一般也称作氧化层。开口位置称为氧化孔，也是为激光器的发光孔。氧化孔中间的algaas与外侧的氧化铝的折射率不同。使得vcsel发光孔内外的有效折射率产生差异。
68.有效折射率基于以下公式确定：
[0069][0070]
其中，n
eff
为有效折射率，n(z)为在z轴方向上的折射率，e2(z)为在z轴方向(即光出射方向)上的光场强度。积分范围是激光器中光场存在的范围。
[0071]
vcsel发光孔内外的有效折射率差值基于以下公式确定：
[0072]
δn
eff
＝n
1_eff-n
2_eff
[0073]
＝γ
ox
×
(n
1-n2)
[0074]
其中，δn
eff
为发光孔内外的有效折射率差值，n
1_eff
为发光孔所在区域的有效折射率，n
2_eff
为发光孔外的有效折射率，n1为含铝组分高的材料(例如al
0.98
ga
0.02
as)的折射率，n2为氧化铝的折射率。γ
ox
为氧化层的光限制因子，基于以下公式确定：
[0075][0076]
其中，l为在z轴方向上电流限制层的厚度，p为z轴方向上整个光场的厚度。
[0077]
为了压缩vcsel光束发散角，通过增设中布拉格反射层3的方式实现加长腔长，可以使得p的值变大，γ
ox
的值变小，使得发光孔内外的有效折射率差值减小，进而抑制高阶模式的产生。高阶模式的光束具有更大的发散角，因此，将高阶模式的光束抑制之后，剩下的低阶模式光束可以实现更小的发散角度。但是，加长腔长的方法会引起新的问题。把腔长加长之后，激光纵向模式的间距也会减小，vcsel的发射光谱会出现多个纵向模式，即出现多个光谱峰。这些多个光谱峰中除了我们设计的激射波长之外，还有其他不希望出现的光谱峰出现在我们设计的激射波长的一侧或两侧，这些不希望出现的光谱峰通常称为纵模。
[0078]
鉴于此，本发明实施例提供了一种具有小发散角的vcsel激光器，图2是本发明实施例提供的一种具有小发散角的vcsel激光器的结构示意图，图3是本发明实施例提供的另一种具有小发散角的vcsel激光器的结构示意图，图4是本发明实施例提供的另一种具有小发散角的vcsel激光器的结构示意图，图5是本发明实施例提供的另一种具有小发散角的vcsel激光器的结构示意图，图6是本发明实施例提供的另一种具有小发散角的vcsel激光器的结构示意图，参考图2～图6，具有小发散角的vcsel激光器包括：
[0079]
下布拉格反射层20；
[0080]
有源层30，位于下布拉格反射层20的一侧；
[0081]
上布拉格反射层40，位于有源层30远离下布拉格反射层20的一侧；；
[0082]
其中，有源层30内或外侧附近设置有定义发光区的电流限制层70；下布拉格反射层20与有源层30之间和上布拉格反射层40与有源层30之间的至少一处设置有平行于有源层30的储光层50，储光层50用于存储光场能量，储光层50与有源层30之间设置有具有增透界面的增透层60，增透层60用于增大储光层50的光场强度峰值至高于有源层30的光场强度峰值。这样储光层50起到了更加有效的储存光场能量的作用，从而用更短的腔实现了更小的光限制因子。
[0083]
具体的，下布拉格反射层20包括多个光学厚度为四分之一激射波长的反射镜，多个反射镜按照高低折射率交替设置；上布拉格反射层40包括多个光学厚度为四分之一激射
波长的反射镜，多个反射镜按照高低折射率交替设置。其中，上布拉格反射层40和下布拉格反射层20的材料可以为介质材料，具有电绝缘性，例如可以包括氮化硅、氧化硅、氧化铝或氧化钛等。上布拉格反射层40和下布拉格反射层20的材料可以为半导体材料，例如可以为gaas和algaas。参考图3、图5或图6，具有小发散角的vcsel激光器还可以包括一衬底10，衬底10位于下布拉格反射层20远离有源层30的一侧，该衬底10可以是任意适于形成激光器的材料，衬底10的材料可为gaas或si等材料。参考图4，该具有小发散角的vcsel激光器还可以为一透明顶衬10’，在形成透明顶衬10’的同时移除衬底10，透明顶衬10’位于上布拉格反射层40远离有源层30的一侧，透明顶衬10’的材料可以包括蓝宝石、石英、玻璃或透明聚合物。
[0084]
在靠近有源层30一侧的边缘处包括电流限制层70，或者在有源层30内部设置有电流限制层70。可以通过在一定的温度条件下湿法氧化高掺铝的方式，对其所在的半导体层(例如材料为铝镓砷材料)的侧壁进行氧化形成氧化层，从而形成电流限制层70。电流限制层70具有开口，开口为未被氧化的半导体层，开口用于定义出激光器的发光区。被氧化后形成的氧化铝阻抗较高，电流限制层70开口位置仍为高掺铝的铝镓砷材料，当电流进入后，电流会通过电流限制层70中的开口流向有源层30。有源层30包括至少一个量子阱，其可以包括层叠设置的量子阱复合结构，由gaas和algaas、ingaas和gaasp，或者ingaas和algaas材料层叠排列构成，用以将电能转换为光能，从而产生激光。例如量子阱组有2-5个量子阱，量子阱之间存在势垒，量子阱组外侧也存在势垒。其中每一量子阱沿垂直于有源层30的中心与最近的驻波光场的峰值位置的光程距离小于五分之一激射波长。多于一个量子阱时，一组量子阱整体的中心位置与最近的驻波光场的峰值位置的光程距离小于十分之一激射波长。优选的，量子阱中心位置和电场峰值对齐。因为量子阱是产生激光增益放大的地方，量子阱中心位置与光场最强位置对齐，可以起到更大的放大效果。其中，下布拉格反射层20与有源层30之间和上布拉格反射层40与有源层30之间至少一处设置有平行于有源层30的储光层50。图2～图4示例的画出下布拉格反射层20与有源层30之间设置有平行于有源层30的储光层50。图5示例的画出上布拉格反射层40与有源层30之间设置有平行于有源层30的储光层50。6示例的画出下布拉格反射层20与有源层30之间和上布拉格反射层40与有源层30之间均设置有平行于有源层30的储光层50。储光层50与有源层30之间设置有具有增透界面的增透层60，增透层60用于增大储光层50的光场强度峰值至高于有源层30的光场强度峰值。其中，增透层60以及储光层50的材料可以为电介质材料，增透层60以及储光层50的材料也可以为半导体材料。
[0085]
由上述公式可知，减小系数γ
ox
的值可以实现减小vcsel发光孔内外的有效折射率差值，减小系数γ
ox
的值可以通过减小其分子和增大其分子的至少一种方式可以实现。由于电流限制层70的厚度较小，而增大分母中的腔长p又会引起纵模，本发明实施例通过增大分母中的电场强度e2，即增大储光层50中的光场强度实现vcsel发光孔内外的有效折射率差异降低，进而抑制高阶模式的产生，降低了发散角。同时通过增加储光层50内部的光场强度，相对于现有技术，可以减小腔长增加的幅度，因此还可以改善vcsel的发射光谱会出现多个纵向模式的问题，从而实现了极大地降低发散角的同时，可以保持单纵模激射。避免出现光源的温漂系数增大，温度稳定性降低，三维传感器和的激光雷达的接收端无法识别这些多波长而导致的效率下降和串扰等问题。
[0086]
综上，本发明实施例提供的具有小发散角的vcsel激光器，通过在储光层与有源层
之间设置有具有增透界面的增透层，增透层用于增大储光层的光场强度峰值至高于有源层的光场强度峰值。使得储光层内部的光场强度增加，进而使得vcsel发光孔内外的有效折射率差异降低，进而抑制高阶模式的产生，降低了发散角；同时通过增加储光层内部的光场强度，还可以有效的减小激光器的有效腔长，从而增加了相邻纵模之间的波长差，实现单纵模激射，避免多波长输出。
[0087]
可选的，下布拉格反射层20可以为n型半导体层，上布拉格反射层40可以为p型半导体层；或者，下布拉格反射层20可以为p型半导体层，上布拉格反射层40可以为n型半导体层。若上布拉格反射层40与有源层30直接接触，电流限制层70可以位于上布拉格反射层40内部；若有源层30之间和上布拉格反射层40间隔有储光层50，电流限制层70位于储光层50内部。或者，若下布拉格反射层20与有源层30直接接触，电流限制层70位于下布拉格反射层20内部；若有源层30之间和下布拉格反射层20间隔有储光层50，电流限制层70位于储光层50内部。图2～图4中均示例性的画出电流限制层70位于有源层30外侧所在的位置。为了更好的限定发光区，电流限制层70位于沿垂直于有源层30一侧的两个波长范围内。当电流限制层70位于有源层30的外部，并且有源层只有一侧具有储存层50时，优选的，电流限制层70与储光层50位于有源层的相对两侧，可以进一步的降低了电流限制层的光限制因子。
[0088]
电流限制层70还可以位于有源层30内部，其中电流限制层70沿垂直于有源层的中心与最近的驻波光场的0值位置的光程距离小于十分之一激射波长，在保证了对发光区限定效果的同时，还可以保证电流限制层70所在位置的光场强度较小，可以进一步的减小电流限制层70的光限制因子，从而实现远场发散角的减小。需要说明的是，电流限制层70的个数为至少一个。不同的电流限制层70的开口大小可以一样也可以不一样，以开口最小的电流限制层70限定的发光区作为激光器的发光区。图5-6以及图15中均示例性的画出电流限制层70位于有源层30内部所在的位置。为了更好的限定发光区，沿垂直于有源层30的中心与最近的驻波光场的0值位置的光程距离小于十分之一激射波长。
[0089]
可选的，沿着有源层30指向储光层50的方向，增透界面包括储光层50和有源层30之间的位于从低折射率到高折射率界面处的第一增透界面61，和/或储光层50和有源层30之间的位于从高折射率到低折射率界面处的第二增透界面；
[0090]
其中，第一增透界面与最近的驻光电场的峰值位置的光程距离小于十分之一激射波长；第二增透界面与最近的驻波光场的0值位置的光程距离小于十分之一激射波长。
[0091]
具体的，以下布拉格反射层20与有源层30之间设置有平行于有源层30的储光层50的结构为例，图7是本发明实施例提供的一种在单层增透界面作用下的光场强度分布图及对应的折射率分布图，图8是本发明实施例提供的另一种在单层增透界面作用下的光场强度分布图及对应的折射率分布图，图9是本发明实施例提供的一种在双层增透界面作用下的光场强度分布图及对应的折射率分布图，图10是本发明实施例提供的另一种在双层增透界面作用下的光场强度分布图及对应的折射率分布图，图11是本发明实施例提供的一种在多层增透界面作用下的光场强度分布图及对应的折射率分布图，参考图7～图11，光场变强的方向y是有源层30指向储光层50的方向，沿着这个方向，将增透层60内低折射率层进入到高折射率层的界面(第一增透界面61)放在与最近的驻波光场的峰值位置的光程距离小于十分之一激射波长；将增透层60内高折射率层进入到低折射率层的界面(第二增透界面62)放在与最近的驻波光电场的0值位置的光程距离小于十分之一激射波长。按照上述设置规
律调整高低折射率层的厚度以及界面的位置，就可以保证增透层60的光场变强的方向是有源区指向储光层50的。
[0092]
优选的，将增透层60内低折射率层进入到高折射率层的界面放在驻波光场强度峰值的位置；将增透层60内高折射率层进入到低折射率层的界面放在驻波光场强度0值的地方，可以进一步的提高增透层60的透过率，增大储光层50内部的光场强度。进一步使得vcsel发光孔内外的有效折射率差异降低，抑制高阶模式的产生，降低激光的发散角。
[0093]
可选的，有源层的光学厚度为四分之一激射波长的奇数倍。
[0094]
具体的，参考图7，增透界面和增益量子阱的距离为半波长的整数倍，有源层30亦为半波长的整数倍。参考图8，增透界面和增益量子阱的距离为1/4波长的奇数倍，有源层30亦为1/4波长的奇数倍。对比图7和图8中直线l与波峰的位置关系，可以得出有源层30的光学厚度为四分之一激射波长的奇数倍时增透界面的增透效果，高于有源层30的光学厚度为半波长的整数倍时增透界面的增透效果。另外，有源层30的光学厚度设为1/4波长的奇数倍，有源层30内的光场强度相对于现有技术中有源层30的光场强度较小，因此可以减小位于靠近有源层30一侧的电流限制层70的电场强度，进而可以进一步的减小系数γ
ox
的值，实现对vcsel发光孔内外的有效折射率差值的减小，降低激光的发散角。
[0095]
可选的，请参考图7和图8，增透层60包括一个增透界面，增透界面为第一增透界面61或第二增透界面62；
[0096]
增透界面为储光层50与有源层30的接触界面，或者为储光层50与有源层30之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面。
[0097]
具体的，增透界面可以为储光层50与有源层30的接触界面，对于只包括一个增透界面的增透层60，可以理解为将储光层50与有源层30的接触界面作为增透层60，此时的增透层60的厚度为零。增透界面可以为储光层50与有源层30之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面，这里折射率渐变层可以理解为从有源层30指向储光层50的方向上，折射率从有源层30最边缘部位的折射率向着储光层50中最接近有源层30的部位的折射率渐变的膜层，设置折射率渐变层可以减小异质结导致的电阻。例如，折射率渐变层可以设置为厚度范围为10-20nm，材料为al0.1gaas到al0.8gaas的渐变层，相应的折射率也是渐变分布。可以理解为将折射率渐变层的折射率中点所在界面作为增透层60，此时的增透层60的厚度为零。若增透界面为第一增透界面61，则增透界面一侧的有源层30的折射率小于增透界面另一侧的储光层50的折射率，若增透界面为第二增透界面62，则增透界面一侧的有源层30的折射率大于增透界面另一侧的储光层50的折射率。
[0098]
可选的，请参考图9和图10，增透层60包括两个增透界面，两个增透界面分别为第一增透界面61和第二增透界面62；
[0099]
其中一个增透界面为储光层50与增透层60的接触界面，或者为储光层50与增透层60之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面；另一个增透界面为有源层30与增透层60的接触界面，或者为有源层30与增透层60之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面。
[0100]
具体的，一个增透界面为储光层50与增透层60的接触界面，另一个增透界面为有源层30与增透层60的接触界面，此时可以理解为，两个增透界面之间的区域为增透层60的所在区域，增透层60的两个界面即为增透界面，增透层60的厚度大于零。或者，一个增透界面为储光层50与增透层60之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面；另一个增透界面为
有源层30与增透层60之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面。储光层50与增透层60之间的折射率渐变层，用于减小储光层50与增透层60之间异质结导致的电阻；有源层30与增透层60之间的折射率渐变层，用于减小有源层30与增透层60之间异质结导致的电阻。此时，两个增透界面之间的区域除了包括增透层60的所在区域外，还包括部分的折射率渐变层，增透层60的两个界面不是增透界面。为了便于理解，本发明实施例以及下文的实施例中将两个增透界面之间的膜层作为增透层60。
[0101]
其中，两个增透界面分别为第一增透界面61和第二增透界面62，由于沿着有源层30指向储光层50的方向，第一增透界面61为储光层50和有源层30之间的从低折射率到高折射率的界面，第二增透界面62为储光层50和有源层30之间的从高折射率到低折射率的界面；因此，增透层60的折射率区别于储光层50和有源层30与其进行接触的部分。增透层60为单层膜，增透层60的折射率可以均大于储光层50和有源区与其进行接触的部分的折射率，也可以均小于储光层50和有源区与其进行接触的部分的折射率。当增透层60的折射率均大于储光层50和有源层30与其进行接触的部分的折射率时，位于靠近有源层30一侧的增透界面为第一增透界面61，位于靠近储光层50一侧的增透界面为第二增透界面62。当增透层60的折射率均小于储光层50和有源层30与其进行接触的部分的折射率时，位于靠近有源层30一侧的增透界面为第二增透界面62，位于靠近储光层50一侧的增透界面为第一增透界面61。本发明实施例中的增透层60包括两个增透界面，可以进一步的提高增透层60的透过率，增大储光层50内部的光场强度。进一步使得vcsel发光孔内外的有效折射率差异降低，抑制高阶模式的产生，降低激光的发散角。
[0102]
另外，沿着垂直于有源层30的方向，第一增透界面61和第二增透界面62之间的光学厚度设为四分之一激射波长的奇数倍。驻波是指频率相同、传输方向相反的两种波，沿传输线形成的一种分布状态。其中的一个波是另一个波的反射波。在两者相加的点出现波腹，在两者相减的点形成波节。在波形上，波节和波腹的位置始终是不变的，但它的瞬时值是随时间而改变的。如果这两种波的幅值相等，则波节的幅值为零。本发明实施例中激光器中的光为波节的幅值为零的驻波。由于驻波的场是固定的，同样的膜层，向任何方向移动1/4波长的奇数倍，就会有相反的效果，可以实现增反，也可以实现增透。相对于现有技术中向着有源层30反射的情况，通过设置1/4激射波长奇数倍光学厚度的增透层60，相当于移动了1/4波长的奇数倍，使得向着有源层30反射的情况变为增透的效果，即相当于向着储光层50实现反射的效果。本发明实施例中的增透层60相当于向着储光层50的反射镜，对于有源层30，相当于把光场能量抽走，将有源层30的光场能量压到了有源层30以外的储光层50结构中。优选的，第一增透界面61和第二增透界面62之间的光学厚度设为四分之一激射波长，可以在保证了增透效果的同时，还可以减小激光器的成本和厚度。
[0103]
可选的，增透层60包括两个增透界面时，两个增透界面可以分均为第一增透界面61或者均为第二增透界面62。同样的，其中一个增透界面为储光层50与增透层60的接触界面，或者为储光层50与增透层60之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面；另一个增透界面为有源层30与增透层60的接触界面，或者为有源层30与增透层60之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面。增透层60为单层膜，增透层60的折射率大小可以介于储光层50和有源区与其进行接触的部分的折射率大小的之间。需要说明的是，两个增透界面均为第一增透界面61，沿着垂直于有源层30的方向，两个增透界面之间的光学厚度为二分之一激射
波长的整数倍。或者，两个增透界面均为第二增透界面62，沿着垂直于有源层30的方向，两个增透界面之间的光学厚度为二分之一激射波长的整数倍。可以理解为，此时的增透层60的光学厚度为二分之一激射波长的整数倍。
[0104]
可选的，请参考图11，增透层60包括的增透界面的个数大于或等于3，增透层60包括第一增透界面61为m个，第二增透界面62为n个；m为大于或等于1的整数，n为大于或等于1的整数；第1个增透界面和第m+n个增透界面其中一个为第一增透界面61，另一个为第二增透界面62，增透层60的光学厚度为四分之一激射波长的奇数倍；
[0105]
沿着有源层30指向储光层30的方向，第1个增透界面为有源层30与所述增透层60的接触界面，或者为有源层30与增透层60之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面；第2～m+n-1个增透界面为增透层60中相邻的两个高低折射率子层的接触界面或高低折射率子层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面；第m+n个增透界面为所述储光层30与增透层60的接触界面，或者为储光层30与增透层60之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面。
[0106]
具体的，增透层60可以包括多个不同折率的子层，相邻的两个子层之间具有一个增透界面。第一增透界面61为m个，第二增透界面62为n个；m为大于或等于1的整数，n为大于或等于1的整数。m与n可以相等也可以不等。第1个增透界面和第m+n个增透界面分别为增透层60两侧最外侧的增透界面。第1个增透界面可以为有源层30与增透层60的接触界面，或者为有源层30与增透层60之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面；第m+n个增透界面为储光层50与增透层60的接触界面，或者为储光层50与增透层60之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面。第1个增透界面和第m+n个增透界面中，其中一个为第一增透界面61，另一个为第二增透界面62，第1个增透界面和第m+n个增透界面之间的光学厚度为四分之一激射波长的奇数倍，即增透层60的光学厚度为四分之一激射波长的奇数倍。图11中示例性的画出第一增透界面61为2个，第二增透界面62为2个，第1个增透界面为第二增透界面62，第4个增透界面为第一增透界面61。
[0107]
第2～m+n-1个增透界面为增透层60中相邻的两个高低折射率子层的接触界面或高低折射率子层之间的折射率渐变层的折射率中点所在界面。其中任意两个第一增透界面61或者任意两个第二增透界面62之间的间距为二分之一激射波长的整数倍；其中任一第一增透界面61与任一第二增透界面62之间的间距为四分之一激射波长的奇数倍。第一增透界面61和第二增透界面62可以交替设置也可以连续设置。可以理解为：相邻的两个增透界面中可以为其中一个是第一增透界面61，另一个是第二增透界面62，此时由该相邻的两个增透界面形成的子层的厚度为四分之一激射波长的奇数倍，并且折射率均小于或均大于位于其两侧的子层的折射率。相邻的两个增透界面中可以均为第一增透界面61也可以均为第二增透界面62，此时由该相邻的两个增透界面形成的子层的厚度为二分之一激射波长的整数倍，并且折射率大小介于其两侧的子层的折射率之间。本发明实施例中的增透层60包括至少三个增透界面，可以进一步的提高增透层60的透过率，增大储光层50内部的光场强度。进一步使得vcsel发光孔内外的有效折射率差异降低，抑制高阶模式的产生，降低激光的发散角。
[0108]
可选的，图12是本发明实施例提供的另一种在多层增透界面作用下的光场强度分布图及对应的折射率分布图，图13是本发明实施例提供的另一种在多层增透界面作用下的
光场强度分布图及对应的折射率分布图，参考图12～图13，所述增透层60包括的增透界面的个数大于或等于3；增透层60包括第一增透界面61为m个，第二增透界面62为n个时，设置第1个增透界面和第m+n个增透界面均为第一增透界面61或均为第二增透界面62，此时增透层60的光学厚度为二分之一激射波长的整数倍。第2～m+n-1个增透界面的设置方式可参考上述实施例，这里不再赘述。其中图11中示例性的画出中间相邻的两个增透界面中均为第一增透界面61。需要说明的是，此时m为大于或等于0的整数，n为大于或等于0的整数。也就是说，增透层60包括的增透界面可以均为第一增透界面61，或者均为第二增透界面62。
[0109]
可选的，请继续参考图11，增透层60包括m个第一增透界面61和n个第二增透界面62；第一增透界面61和第二增透界面62交替设置，相邻的两个增透界面之间的光学厚度为四分之一激射波长，图9中实施例性的画出n与m均等于2的情况。
[0110]
具体的，增透层60可以包括多个不同折率的子层，相邻的两个子层之间具有一个增透界面。相邻的两个增透界面之间的光学厚度为四分之一激射波长的奇数倍。优选的，相邻的两个增透界面之间的光学厚度设为四分之一激射波长。可以理解为，增透层60是一组厚度为1/4波长的高低反射率子层交替分布的布拉格反射层，这组布拉格反射层的相位被移动了1/4波长，相当于是反射来自储光层50的光，对于有源层30可以达到增透的效果。第一增透界面61和第二增透界面62交替设置，并且使得相邻的两个增透界面的厚度为四分之一激射波长，对于相同厚度的增透层60，可以实现增透层60包括的增透界面的个数的最大化，可以进一步的提高增透层60的透过率，增大储光层50内部的光场强度。进一步使得vcsel发光孔内外的有效折射率差异降低，抑制高阶模式的产生，降低激光的发散角。
[0111]
可选的，沿着有源区指向储光层50的方向，增透层60的第一增透界面61，和上下布拉格反射层(20、40)中相对有源层30处于储光层50异侧的布拉格反射层中任一低折射率进入到高折射率的界面之间的光学间距是半波长的整数倍，和上下布拉格反射层(20、40)中相对有源层30处于储光层50同侧的布拉格反射层中任一低折射率到高折射率的界面之间的光学间距是四分之一激射波长的奇数倍；
[0112]
增透层60的第二增透界面62，与上下布拉格反射层(20、40)中相对有源层30处于储光层50异侧的布拉格反射层中任一高折射率进入到低折射率高的界面之间的光学间距是半波长的整数倍，与上下布拉格反射层(20、40)中相对有源层30处于储光层50同侧的布拉格反射层中任一高折射率到低折射率的界面之间的光学间距是四分之一激射波长的奇数倍。
[0113]
具体的，沿着有源层30指向储光层50的方向，增透层60中任一低折射率进入到高折射率的界面，和上下布拉格反射层(20、40)中相对有源层30处于储光层50异侧的布拉格反射层中任一低折射率进入到高折射率的界面之间的光学间距是半波长的整数倍，和上下布拉格反射层(20、40)中相对有源层30处于储光层50同侧的布拉格反射层中任一低折射率到高折射率的界面之间的光学间距是1/4激射波长的奇数倍。沿着有源区指向储光层50的方向，增透层60中任一高折射率进入到低折射率的界面，与上下布拉格反射层(20、40)中相对有源层30处于储光层50异侧的布拉格反射层中任一高折射率进入到低折射率高的界面之间的光学间距是半波长的整数倍，与上下布拉格反射层(20、40)中相对有源层30处于储光层50同侧的布拉格反射层中任一折射率到低折射率的界面之间的光学间距是1/4波长的奇数倍。在此设置关系下，使得储光层50的光学厚度设为半波长的整数倍，有源层30的光学
厚度设为1/4波长的奇数倍。
[0114]
示例性的，图14是本发明实施例提供的一种光场强度分布图及折射率分布图，参考图14，以储光层50设置于下布拉格反射层20与有源层30之间，增透层60为单层膜，并且增透层60的折射率均低于两层的储光层50和有源层30的结构为例，增透层60的第一增透界面61和相对有源层30处于储光层50异侧的上布拉格反射层40中任一低折射率进入到高折射率的界面之间的光学间距d2是半波长的整数倍，即1/4激射波长的偶数倍；增透层60的第一增透界面61和相对有源层30处于储光层50同侧的下拉格反射层中任一低折射率到高折射率的界面之间的光学间距d1是1/4激射波长的奇数倍。增透层60的第二增透界面62和相对有源层30处于储光层50异侧的上布拉格反射层40中任一高折射率进入到低折射率的界面之间的光学间距d4是半波长的整数倍，即1/4激射波长的偶数倍；增透层60的第二增透界面62和相对有源层30处于储光层50同侧的下拉格反射层20中任一高折射率到低折射率的界面之间的光学间距d3是1/4激射波长的奇数倍。需要说明的是，为了体现界面之间的位置关系，图12中仅示例性的给出储光层50的光学厚度为半波长，有源层30的光源厚度为5倍的1/4激射波长。
[0115]
可选的，请参考图8、图10或图11，沿着垂直于有源层30的方向，储光层50的射折率均匀分布。由于储光层50的光学厚度设为半波长的整数倍，此时储光层50可以等效为半波谐振腔，可以使得位于两侧的下布拉格反射层20和增透层60的反射方向相反，均向着储光层50的方向反射，从而实现谐振腔内光场在激光器中最强，进一步使得vcsel发光孔内外的有效折射率差异降低，抑制高阶模式的产生，降低激光的发散角。
[0116]
可选的，请参考图7或图9，沿着垂直于有源层30的方向，储光层50的射折率高低交替分布。储光层50可以理解为中布拉格反射层。中布拉格反射层包括多个光学厚度为四分之一激射波长的反射镜，多个反射镜按照高低折射率交替设置。将储光层50的射折率设置为高低交替分布，并且使得储光层50中低折射率层进入到高折射率层的界面放在驻波光场强度峰值的位置；将储光层50内高折射率层进入到低折射率层的界面放在驻波光场强度0值的地方，可以使得储光层50将自身内部的光场强度增大。进一步使得vcsel发光孔内外的有效折射率差异降低，抑制高阶模式的产生，降低激光的发散角。
[0117]
可选的，中布拉格反射层每个半波长周期内的折射率对比度低于下布拉格反射层20和/或上布拉格反射层40相应的每个半波长周期内的折射率对比度。
[0118]
具体的，中布拉格反射层每个半波长周期内的折射率对比度低于上下布拉格反射层(20、40)相应的每个半波长周期内的折射率对比度，可以理解为：中布拉格反射层中，每个半波长周期内的高折射率与低折射率的差值或比值，小于下(上)布拉格反射层中，每个半波长周期内的高折射率与低折射率的差值或比值。中布拉格反射层每个半波长周期内的折射率对比度较低，可以避免由于对比度太高而导致较少对数的反射镜就可以把储光层50内的光场变得很强。即通过中布拉格反射层每个半波长周期内的折射率对比度较低，可以使得中布拉格反射层包括较多对数的反射镜，进而可以保证中布拉格反射层的厚度可以满足可以实现单纵模激射的同时，实现极大地降低发散角的要求。
[0119]
可选的，激光的出光面或者主要出光面位于下布拉格反射层20远离有源层30的一侧，上布拉格反射层40的反射率大于下布拉格反射层20的反射率；
[0120]
或者，激光的出光面或者主要出光面位于上布拉格反射层40远离有源层30的一
侧，下布拉格反射层20反射率大于上布拉格反射层40的反射率。
[0121]
具体的，若激光的出光面或者主要出光面位于下布拉格反射层20远离有源层30的一侧，则上布拉格反射层40包括的反射镜的总反射率大于下布拉格反射层20包括的反射镜的总反射率，使得上布拉格反射层40可以实现全反射，下布拉格反射层20可以透射出光，激光器的出光方向为有源层30指向下布拉格反射层20的方向，即激光器为背发光。若激光的出光面或者主要出光面位于上布拉格反射层40远离有源层30的一侧，则下布拉格反射层20包括的反射镜的总反射率大于上布拉格反射层40包括的反射镜的总反射率，使得下布拉格反射可以实现全反射，上布拉格反射层40可以透射出光，激光器的出光方向为有源层30指向上布拉格反射层40的方向，即激光器为顶发光。若上布拉格反射层40中和下布拉格反射层20中，反射镜的每对的折射率对比度一样，则在激光的出光面位于下布拉格反射层20远离所述有源层30的一侧时，设置上布拉格反射层40包括的反射镜对数大于下布拉格反射层20包括的反射镜对数；在激光的出光面位于上布拉格反射层40远离所述有源层30的一侧时，设置下布拉格反射层20包括的反射镜对数大于上布拉格反射层40包括的反射镜对数。可选的，还可以设置微透镜，微透镜集成于所述出光面的一侧，用于进一步的减小远场的发散角。
[0122]
可选的，图15是本发明实施例提供的另一种具有小发散角的vcsel激光器的结构示意图，参考图15，有源层30包括至少两个有源子层(图15中示例性的画出了三组，分别为31、32、33)，且相邻两个有源子层之间用隧道结80相连。每一有源子层的至少一侧具有增透层60以及储光层50，每个有源区子层最多存在一个电流限制层70。其中，隧道结80与最近的驻波光场的0值位置的光程距离小于十分之一激射波长。优选的，隧道结80位于驻波光场的0值位置。由于隧道结80具有非常高的参杂，这些参杂会产生光吸收损耗，降低发光效率，所以将其放在光场最小的地方，可以使得光损耗最小化。
[0123]
每个有源子层设置有量子阱(312/322/332)。并且在有源子层中，量子阱的两侧分别设置有n型半导体层(313/323/333)和p型半导体层(311/321/331)。在衬底10远离有源层30的一侧设置有第一电极层90，在上布拉格反射层40远离有源层30的一侧设置有第二电极层100。通过第一电极层90与第二电极层100接收外部的电信号差生电压差，实现为有源层提供电流。在多有源子层的结构中，也可以只设置一个电流限制层70，该电流限制层70位于最靠近上布拉格反射层40的有源子层中(31)。优选的，只设置一个电流限制层70，可以满足定义发光区的同时，还可以减小器件中电流限制层70的有效折射率。需要说明的是，每个有源子层中也可以包括多个量子阱。
[0124]
本发明实施例还提供了一种具有小发散角的vcsel激光器芯片，包括多个如上述实施例任意所述的具有小发散角的vcsel激光器，多个具有小发散角的vcsel激光器阵列排布或者随机排布。具有相同的技术效果，这里不再赘述。
[0125]
本发明实施例还提供了一种用于lidar(light detection and ranging，激光雷达)系统的光源，包括至少一个如上述任意实施例所述的具有小发散角的vcsel激光器或者至少一个如上述任意实施例所述的具有小发散角的vcsel激光器芯片。具有相同的技术效果，这里不再赘述。
[0126]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、
重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。