TWI805428B

TWI805428B - 具有小發散角的vcsel雷射器、晶片及用於lidar系統的光源

Info

Publication number: TWI805428B
Application number: TW111124363A
Authority: TW
Inventors: 梁棟; 張成
Original assignee: 大陸商常州縱慧芯光半導體科技有限公司
Priority date: 2021-09-29
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2023-06-11
Also published as: CN115882334B; TW202315249A; WO2023050739A1; CN115882334A

Abstract

本發明實施例公開了一種具有小發散角的VCSEL雷射器、晶片及用於LIDAR系統的光源，雷射器包括：有源層，以及位於有源層相對兩側的下布拉格反射層和上布拉格反射層；其中，下布拉格反射層與有源層之間和上布拉格反射層與有源層之間的至少一處設置有儲光層，儲光層用於儲存駐波光場能量；儲光層與有源層之間設置有具有增透界面的增透層，增透層用於增大儲光層的光場強度峰值至高於有源層的光場強度峰值。

Description

具有小發散角的VCSEL雷射器、晶片及用於LIDAR系統的光源

本發明實施例涉及雷射器技術領域，例如涉及一種具有小發散角的VCSEL雷射器、晶片及用於LIDAR系統的光源。

具有小發散角的VCSEL雷射器（vertical cavity surface emitting laser, 垂直腔面發射雷射器）可以產生比發光二極管（light-emitting diode，LED）或其他非相干光源更小發散角的光束，被廣泛應用於三維感測、雷射雷達、光通訊以及照明等應用中，可為各種應用提供小型、緊凑、高功率的雷射光源。

傳統的 VCSEL 的發散全角通常約為 20~30 度，這個發散角雖能滿足一些傳統的應用，但對於新的應用場景而言仍相對較大，會限制三維感測器和雷射雷達的探測距離、分辨率和訊噪比。將VCSEL的光束發散角進一步進行壓縮在實際應用中有著非常迫切的需求。

本發明實施例提供了一種具有小發散角的VCSEL雷射器、晶片及用於LIDAR系統的光源。

本發明實施例提供了一種具有小發散角的VCSEL雷射器，包括：下布拉格反射層；有源層，位於所述下布拉格反射層的一側；上布拉格反射層，位於所述有源層遠離所述下布拉格反射層的一側；其中，所述有源層內或外側設置有定義發光區的電流限制層；所述下布拉格反射層與所述有源層之間和所述上布拉格反射層與所述有源層之間的至少一處設置有儲光層，所述儲光層用於存儲光場能量；所述儲光層與所述有源層之間設置有具有增透界面的增透層，所述增透層用於增大所述儲光層的光場強度峰值至高於有源層的光場強度峰值。

第二方面，本發明實施例公開了一種具有小發散角的VCSEL雷射器晶片，包括多個如第一方面任意所述的具有小發散角的VCSEL雷射器，多個所述具有小發散角的VCSEL雷射器組成面陣列排布；所述面陣列排布為規則排列，或者隨機排布，或者是用於尋址的多個子陣列。

第三方面，本發明實施例公開了一種用於LIDAR系統的光源，包括至少一個如第一方面任意所述的具有小發散角的VCSEL雷射器或者至少一個如第二方面所述的具有小發散角的VCSEL雷射器晶片。

下面結合圖式和實施例對本發明作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅僅用於解釋本發明，而非對本發明的限定。另外還需要說明的是，為了便於描述，圖式中僅示出了與本發明相關的部分而非全部結構。

相關技術中，為了壓縮VCSEL光束發散角，通常的手段是通過加長腔長的方法，使得VCSEL發光孔內外的有效折射率差異降低，進而抑制高階模式的產生。高階模式的光束具有更大的發散角，因此，將高階模式的光束抑制之後，剩下的低階模式光束可以實現更小的發散角度。圖1是相關技術中提供的一種VCSEL雷射器的結構示意圖，參考圖1，在襯底1的同一側設置有下布拉格反射層2、有源層4和上布拉格反射層6，其中上布拉格反射層6或有源層4中包括有含鋁組分高的AlGaAs（其中Al的組分一般為97%以上甚至可以為100%，即純AlAs），可通過氧化AlGaAs形成電流限制層。該層在高溫水汽環境中會生成氧化鋁材料。通過蝕刻成柱狀平臺結構，從側面氧化形成絕緣的氧化鋁，未氧化的部分仍然是可以導電的AlGaAs。這樣的結構可以約束電流只能通過中間的導電部分。這樣形成的電流限制層5一般也稱作氧化層。開口位置稱為氧化孔，也是為雷射器的發光孔。氧化孔中間的AlGaAs與外側的氧化鋁的折射率不同。使得VCSEL發光孔內外的有效折射率產生差異。

有效折射率基於以下公式確定：

其中，

為有效折射率，

為在z軸方向上的折射率，

為在z軸方向（即光出射方向）上的光場強度。積分範圍是雷射器中光場存在的範圍。

VCSEL發光孔內外的有效折射率差值基於以下公式確定：

其中，

為發光孔內外的有效折射率差值，

為發光孔所在區域的有效折射率，

為發光孔外的有效折射率，

為含鋁組分高的材料（例如Al _0.98Ga _0.02As）的折射率，

為氧化鋁的折射率。

為氧化層的光限制因子，基於以下公式確定：

；其中， l為在z軸方向上電流限制層的厚度， p為z軸方向上整個光場的厚度，

為z軸方向上氧化鋁的折射率，可以認為是一個固定的數值，例如

等於

。

為了壓縮VCSEL光束發散角，通過增設中布拉格反射層3的方式實現加長腔長，可以使得 p的值變大，

的值變小，使得發光孔內外的有效折射率差值減小，進而抑制高階模式的產生。高階模式的光束具有更大的發散角，因此，將高階模式的光束抑制之後，剩下的低階模式光束可以實現更小的發散角度。但是，加長腔長的方法會引起新的問題。把腔長加長之後，雷射縱向模式的間距也會減小，VCSEL的發射光譜會出現多個縱向模式，即出現多個光譜峰。這些多個光譜峰中除了我們設計的雷射光波長之外，還有其他不希望出現的光譜峰出現在我們設計的雷射光波長的一側或兩側，這些不希望出現的光譜峰通常稱為縱模。

另外地，縱模的出現會導致一些潛在的問題，例如導致光源的溫漂係數增大，溫度穩定性降低；又例如三維感測器和雷射雷達的接收端無法識別這些縱模導致效率下降和串擾等。

鑒於此，本發明實施例提供了一種具有小發散角的VCSEL雷射器，圖2是本發明實施例提供的一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖，圖3是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖，圖4是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖，圖5是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖，圖6是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖，參考圖2~圖6，具有小發散角的VCSEL雷射器包括：下布拉格反射層20；有源層30，位於下布拉格反射層20的一側；上布拉格反射層40，位於有源層30遠離下布拉格反射層20的一側；其中，有源層30內或外側附近設置有定義發光區的電流限制層70；下布拉格反射層20與有源層30之間和上布拉格反射層40與有源層30之間的至少一處設置有平行於有源層30的儲光層50，儲光層50用於存儲光場能量，儲光層50與有源層30之間設置有具有增透界面的增透層60，增透層60用於增大儲光層50的光場強度峰值至高於有源層30的光場強度峰值。這樣儲光層50起到了更加有效的儲存光場能量的作用，從而用更短的腔實現了更小的光限制因子。

例如，下布拉格反射層20包括多個光學厚度為四分之一雷射光波長的反射鏡，多個反射鏡按照高低折射率交替設置；上布拉格反射層40包括多個光學厚度為四分之一雷射光波長的反射鏡，多個反射鏡按照高低折射率交替設置。其中，上布拉格反射層40和下布拉格反射層20的材料可以為介質材料，具有電絕緣性，例如可以包括氮化矽、氧化矽、氧化鋁或氧化鈦等。上布拉格反射層40和下布拉格反射層20的材料可以為半導體材料，例如可以為GaAs和AlGaAs。參考圖3、圖5或圖6，具有小發散角的VCSEL雷射器還可以包括一襯底10，襯底10位於下布拉格反射層20遠離有源層30的一側，該襯底10可以是任意適於形成雷射器的材料，襯底10的材料可為GaAs或Si等材料。參考圖4，該具有小發散角的VCSEL雷射器還可以設置一透明頂襯10’，在形成透明頂襯10’的同時移除襯底10，透明頂襯10’位於上布拉格反射層40遠離有源層30的一側，透明頂襯10’的材料可以包括藍寶石、石英、玻璃或透明聚合物。

在靠近有源層30一側的層的邊緣處包括電流限制層70，或者在有源層30內部設置有電流限制層70。可以通過在一定的溫度條件下濕法氧化高摻鋁的方式，對電流限制層70所在的半導體層（例如材料為鋁鎵砷材料）的側壁進行氧化形成氧化層，從而形成電流限制層70。電流限制層70具有開口，開口為未被氧化的半導體層，開口用於定義出雷射器的發光區。被氧化後形成的氧化鋁阻抗較高，電流限制層70開口位置仍為高摻鋁的鋁鎵砷材料，當電流進入後，電流會通過電流限制層70中的開口流向有源層30。有源層30包括至少一個量子井，其可以包括積層設置的量子井複合結構，由GaAs和AlGaAs、InGaAs和GaAsP，或者InGaAs和AlGaAs材料積層排列構成，用以將電能轉換為光能，從而產生雷射。例如量子井組有2-5個量子井，量子井之間存在勢壘，量子井組外側也存在勢壘。其中每一量子井沿垂直於有源層30方向上的中心與最近的駐波光場的峰值位置的光程距離小於五分之一雷射光波長。多於一個量子井時，一組量子井整體的中心位置與最近的駐波光場的峰值位置的光程距離小於十分之一雷射光波長。例如，量子井中心位置和電場峰值對齊。因為量子井是產生雷射增益放大的地方，量子井中心位置與光場最強位置對齊，可以起到更大的放大效果。其中，下布拉格反射層20與有源層30之間和上布拉格反射層40與有源層30之間至少一處設置有平行於有源層30的儲光層50。圖2~圖4示例的畫出下布拉格反射層20與有源層30之間設置有平行於有源層30的儲光層50。圖5示例的畫出上布拉格反射層40與有源層30之間設置有平行於有源層30的儲光層50。圖6示例的畫出下布拉格反射層20與有源層30之間和上布拉格反射層40與有源層30之間均設置有平行於有源層30的儲光層50。儲光層50與有源層30之間設置有具有增透界面的增透層60，增透層60用於增大儲光層50的光場強度峰值至高於有源層30的光場強度峰值。其中，增透層60以及儲光層50的材料可以為電介質材料，增透層60以及儲光層50的材料也可以為半導體材料。

由上述公式可知，減小係數

的值可以實現減小VCSEL發光孔內外的有效折射率差值，減小係數

的值可以通過減小其分子和增大其分母的至少一種方式可以實現。由於電流限制層70的厚度較小，而增大分母中的腔長p又會引起縱模，本發明實施例通過增大分母中的電場強度E ²，即增大儲光層50中的光場強度實現VCSEL發光孔內外的有效折射率差異降低，進而抑制高階模式的產生，降低了發散角。同時通過增加儲光層50內部的光場強度，相對於相關技術，可以減小腔長增加的幅度，因此還可以改善VCSEL的發射光譜會出現多個縱向模式的問題，從而實現了極大地降低發散角的同時，可以保持單縱模雷射放光。避免出現光源的溫漂係數增大，溫度穩定性降低，三維感測器和的雷射雷達的接收端無法識別這些多波長而導致的效率下降和串擾等問題。

綜上，本發明實施例提供的具有小發散角的VCSEL雷射器，通過在儲光層與有源層之間設置有具有增透界面的增透層，增透層用於增大儲光層的光場強度峰值至高於有源層的光場強度峰值。使得儲光層內部的光場強度增加，進而使得VCSEL發光孔內外的有效折射率差異降低，進而抑制高階模式的產生，降低了發散角；同時通過增加儲光層內部的光場強度，還可以有效的減小雷射器的有效腔長，從而增加了相鄰縱模之間的波長差，實現單縱模雷射放光，避免多波長輸出。

例如，儲光層用於增長腔長。

例如，小發散角可表示，發散角小於20度。

在一實施例中，下布拉格反射層20可以為N型半導體層，上布拉格反射層40可以為P型半導體層；或者，下布拉格反射層20可以為P型半導體層，上布拉格反射層40可以為N型半導體層。若上布拉格反射層40與有源層30直接接觸，電流限制層70可以位於上布拉格反射層40內部；若有源層30和上布拉格反射層40之間間隔有儲光層50，電流限制層70位於儲光層50內部。或者，若下布拉格反射層20與有源層30直接接觸，電流限制層70位於下布拉格反射層20內部；若有源層30和下布拉格反射層20之間間隔有儲光層50，電流限制層70位於儲光層50內部。圖2~圖4中均示例性的畫出電流限制層70位於有源層30外側所在的位置。為了更好的限定發光區，電流限制層70位於沿垂直於有源層30方向上，距離有源層30一側的兩個波長範圍內。參考圖3，當電流限制層70位於有源層30的外部，並且有源層30只有一側具有儲存層50時，例如，電流限制層70與儲光層50位於有源層30的相對兩側，可以進一步的降低了電流限制層70的光限制因子。

電流限制層70還可以位於有源層30內部，其中電流限制層70沿垂直於有源層方向（例如，z軸方向）上的中心與最近的駐波光場的0值位置的光程距離小於十分之一雷射光波長，在保證了對發光區限定效果的同時，還可以保證電流限制層70所在位置的光場強度較小，可以進一步的減小電流限制層70的光限制因子，從而實現遠場發散角的減小。需要說明的是，電流限制層70的個數為至少一個。不同的電流限制層70的開口大小可以一樣也可以不一樣，以開口最小的電流限制層70限定的發光區作為雷射器的發光區。圖5-6以及圖15中均示例性的畫出電流限制層70位於有源層30內部所在的位置。為了更好的限定發光區，電流限制層70沿垂直於有源層30方向上的中心與最近的駐波光場的0值位置的光程距離小於十分之一雷射光波長。

在一實施例中，沿著有源層30指向儲光層50的方向，增透界面包括儲光層50和有源層30之間的位於從低折射率到高折射率界面處的第一增透界面61，及/或儲光層50和有源層30之間的位於從高折射率到低折射率界面處的第二增透界面；其中，第一增透界面與最近的駐波光場的峰值位置的光程距離小於十分之一雷射光波長；第二增透界面與最近的駐波光場的0值位置的光程距離小於十分之一雷射光波長。

例如，以下布拉格反射層20與有源層30之間設置有平行於有源層30的儲光層50的結構為例，圖7是本發明實施例提供的一種在單層增透界面作用下的光場強度分布圖及對應的折射率分布圖，圖8是本發明實施例提供的另一種在單層增透界面作用下的光場強度分布圖及對應的折射率分布圖，圖9是本發明實施例提供的一種在雙層增透界面作用下的光場強度分布圖及對應的折射率分布圖，圖10是本發明實施例提供的另一種在雙層增透界面作用下的光場強度分布圖及對應的折射率分布圖，圖11是本發明實施例提供的一種在多層增透界面作用下的光場強度分布圖及對應的折射率分布圖，參考圖7~圖11，光場變強的方向Y是有源層30指向儲光層50的方向，沿著這個方向，將增透層60內低折射率層進入到高折射率層的界面（第一增透界面61）放在與最近的駐波光場的峰值位置的光程距離小於十分之一雷射光波長；將增透層60內高折射率層進入到低折射率層的界面（第二增透界面62）放在與最近的光駐波電場的0值位置的光程距離小於十分之一雷射光波長。按照上述設置規律調整高低折射率層的厚度以及界面的位置，就可以保證增透層60的光場變強的方向是有源區30指向儲光層50的。

在一實施例中，將增透層60內低折射率層進入到高折射率層的界面放在駐波光場強度峰值的位置；將增透層60內高折射率層進入到低折射率層的界面放在駐波光場強度0值的地方，可以進一步的提高增透層60的透過率，增大儲光層50內部的光場強度。進一步使得VCSEL發光孔內外的有效折射率差異降低，抑制高階模式的產生，降低雷射的發散角。

在一實施例中，有源層的光學厚度為四分之一雷射光波長的奇數倍。

例如，參考圖7，增透界面和增益量子井的距離為半波長的整數倍，有源層30亦為半波長的整數倍。參考圖8，增透界面和增益量子井的距離為1/4波長的奇數倍，有源層30亦為1/4波長的奇數倍。對比圖7和圖8中直線L與波峰的位置關係，可以得出有源層30的光學厚度為四分之一雷射光波長的奇數倍時增透界面的增透效果，高於有源層30的光學厚度為半波長的整數倍時增透界面的增透效果。另外，有源層30的光學厚度設為1/4波長的奇數倍，有源層30內的光場強度相對於相關技術中有源層30的光場強度較小，因此可以減小位於靠近有源層30一側的電流限制層70的電場強度，進而可以進一步的減小係數

的值，實現對VCSEL發光孔內外的有效折射率差值的減小，降低雷射的發散角。

圖7中，波浪、上方的橫線分別表示的物理量是光場強度和折射率。

在一實施例中，請參考圖7和圖8，增透層60包括一個增透界面，增透界面為第一增透界面61或第二增透界面62；增透界面為儲光層50與有源層30的接觸界面，或者為儲光層50與有源層30之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面。

例如，增透界面可以為儲光層50與有源層30的接觸界面，對於只包括一個增透界面的增透層60，可以理解為將儲光層50與有源層30的接觸界面作為增透層60，此時的增透層60的厚度為零。增透界面可以為儲光層50與有源層30之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面，這裡折射率漸變層可以理解為從有源層30指向儲光層50的方向上，折射率從有源層30最邊緣部位的折射率向著儲光層50中最接近有源層30的部位的折射率漸變的膜層，設置折射率漸變層可以減小異質結導致的電阻。例如，折射率漸變層可以設置為厚度範圍為10-20nm，材料為Al0.1GaAs到Al0.8GaAs的漸變層，相應的折射率也是漸變分布。可以理解為將折射率漸變層的折射率中點所在界面作為增透層60，此時的增透層60的厚度為零。若增透界面為第一增透界面61，則增透界面一側的有源層30的折射率小於增透界面另一側的儲光層50的折射率，若增透界面為第二增透界面62，則增透界面一側的有源層30的折射率大於增透界面另一側的儲光層50的折射率。

在一實施例中，請參考圖9和圖10，增透層60包括兩個增透界面，兩個增透界面分別為第一增透界面61和第二增透界面62；其中一個增透界面為儲光層50與增透層60的接觸界面，或者為儲光層50與增透層60之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面；另一個增透界面為有源層30與增透層60的接觸界面，或者為有源層30與增透層60之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面。

例如，一個增透界面為儲光層50與增透層60的接觸界面，另一個增透界面為有源層30與增透層60的接觸界面，此時可以理解為，兩個增透界面之間的區域為增透層60的所在區域，增透層60的兩個界面即為增透界面，增透層60的厚度大於零。或者，一個增透界面為儲光層50與增透層60之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面；另一個增透界面為有源層30與增透層60之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面。儲光層50與增透層60之間的折射率漸變層，用於減小儲光層50與增透層60之間異質結導致的電阻；有源層30與增透層60之間的折射率漸變層，用於減小有源層30與增透層60之間異質結導致的電阻。此時，兩個增透界面之間的區域除了包括增透層60的所在區域外，還包括部分的折射率漸變層，增透層60的兩個界面不是增透界面。為了便於理解，本發明實施例以及下文的實施例中將兩個增透界面之間的膜層作為增透層60。

例如，儲光層50與增透層60之間的折射率漸變層，可為獨立於儲光層50與增透層60存在的層，也可為從屬於儲光層50與增透層60的層（例如，折射率漸變層的一半屬於儲光層50，折射率漸變層的另一半屬於增透層60），但不限於此。

例如，有源層30與增透層60之間的折射率漸變層，可為獨立於有源層30與增透層60存在的層，也可為從屬於有源層30與增透層60的層（例如，折射率漸變層的一半屬有源層30，折射率漸變層的另一半屬於增透層60），但不限於此。

其中，兩個增透界面分別為第一增透界面61和第二增透界面62，由於沿著有源層30指向儲光層50的方向，第一增透界面61為儲光層50和有源層30之間的從低折射率到高折射率的界面，第二增透界面62為儲光層50和有源層30之間的從高折射率到低折射率的界面；因此，增透層60的折射率區別於儲光層50和有源層30與增透層60進行接觸的部分（例如，有源區30由多個不同的層組成，有源層30與增透層60進行接觸的部分是指，有源層30中與增透層60進行接觸的一部分）。增透層60為單層膜，增透層60的折射率可以均大於儲光層50和有源區與增透層60進行接觸的部分的折射率，也可以均小於儲光層50和有源區與增透層60進行接觸的部分的折射率。當增透層60的折射率均大於儲光層50和有源層30與增透層60進行接觸的部分的折射率時，位於靠近有源層30一側的增透界面為第一增透界面61，位於靠近儲光層50一側的增透界面為第二增透界面62。當增透層60的折射率均小於儲光層50和有源層30與增透層60進行接觸的部分的折射率時，位於靠近有源層30一側的增透界面為第二增透界面62，位於靠近儲光層50一側的增透界面為第一增透界面61。本發明實施例中的增透層60包括兩個增透界面，可以進一步的提高增透層60的透過率，增大儲光層50內部的光場強度。進一步使得VCSEL發光孔內外的有效折射率差異降低，抑制高階模式的產生，降低雷射的發散角。

另外，沿著垂直於有源層30的方向，第一增透界面61和第二增透界面62之間的光學厚度設為四分之一雷射光波長的奇數倍。駐波是指頻率相同、傳輸方向相反的兩種波，沿傳輸線形成的一種分布狀態。其中的一個波是另一個波的反射波。在兩者相加的點出現波腹，在兩者相減的點形成波節。在波形上，波節和波腹的位置始終是不變的，但它的瞬時值是隨時間而改變的。如果這兩種波的幅值相等，則波節的幅值為零。本發明實施例中雷射器中的光為波節的幅值為零的駐波。由於駐波的場是固定的，同樣的膜層，向任何方向移動 1/4波長的奇數倍，就會有相反的效果，可以實現增反，也可以實現增透。相對於相關技術中向著有源層30反射的情况，通過設置1/4雷射光波長奇數倍光學厚度的增透層60，相當於移動了 1/4波長的奇數倍，使得向著有源層30反射的情况變為增透的效果，即相當於向著儲光層50實現反射的效果。本發明實施例中的增透層60相當於向著儲光層50的反射鏡，對於有源層30，相當於把光場能量抽走，將有源層30的光場能量壓到了有源層30以外的儲光層50結構中。在一實施例中，第一增透界面61和第二增透界面62之間的光學厚度設為四分之一雷射光波長，可以在保證了增透效果的同時，還可以減小雷射器的成本和厚度。

在一實施例中，增透層60包括兩個增透界面時，兩個增透界面可以分均為第一增透界面61或者均為第二增透界面62。同樣的，其中一個增透界面為儲光層50與增透層60的接觸界面，或者為儲光層50與增透層60之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面；另一個增透界面為有源層30與增透層60的接觸界面，或者為有源層30與增透層60之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面。增透層60為單層膜，增透層60的折射率大小可以介於儲光層50和有源區與其進行接觸的部分的折射率大小的之間。需要說明的是，兩個增透界面均為第一增透界面61，沿著垂直於有源層30的方向，兩個增透界面之間的光學厚度為二分之一雷射光波長的整數倍。或者，兩個增透界面均為第二增透界面62，沿著垂直於有源層30的方向，兩個增透界面之間的光學厚度為二分之一雷射光波長的整數倍。可以理解為，此時的增透層60的光學厚度為二分之一雷射光波長的整數倍。

在一實施例中，請參考圖11，增透層60包括的增透界面的個數大於或等於3，增透層60包括第一增透界面61為m個，第二增透界面62為n個；m為大於或等於1的整數，n為大於或等於1的整數；第1個增透界面和第m+n個增透界面其中一個為第一增透界面61，另一個為第二增透界面62，增透層60的光學厚度為四分之一雷射光波長的奇數倍；沿著有源層30指向儲光層30的方向，第1個增透界面為有源層30與所述增透層60的接觸界面，或者為有源層30與增透層60之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面；第2~m+n-1個增透界面為增透層60中相鄰的兩個高低折射率子層的接觸界面或高低折射率子層之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面；第m+n個增透界面為所述儲光層30與增透層60的接觸界面，或者為儲光層30與增透層60之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面。

例如，增透層60可以包括多個不同折率的子層，相鄰的兩個子層之間具有一個增透界面。第一增透界面61為m個，第二增透界面62為n個；m為大於或等於1的整數，n為大於或等於1的整數。m與n可以相等也可以不等。第1個增透界面和第m+n個增透界面分別為增透層60兩側最外側的增透界面。第1個增透界面可以為有源層30與增透層60的接觸界面，或者為有源層30與增透層60之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面；第m+n個增透界面為儲光層50與增透層60的接觸界面，或者為儲光層50與增透層60之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面。第1個增透界面和第m+n個增透界面中，其中一個為第一增透界面61，另一個為第二增透界面62，第1個增透界面和第m+n個增透界面之間的光學厚度為四分之一雷射光波長的奇數倍，即增透層60的光學厚度為四分之一雷射光波長的奇數倍。圖11中示例性的畫出第一增透界面61為2個，第二增透界面62為2個，第1個增透界面為第二增透界面62，第4個增透界面為第一增透界面61。

第2~m+n-1個增透界面為增透層60中相鄰的兩個高低折射率子層的接觸界面或高低折射率子層之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面。其中任意兩個第一增透界面61或者任意兩個第二增透界面62之間的間距為二分之一雷射光波長的整數倍；其中任一第一增透界面61與任一第二增透界面62之間的間距為四分之一雷射光波長的奇數倍。第一增透界面61和第二增透界面62可以交替設置也可以連續設置。可以理解為：相鄰的兩個增透界面中可以為其中一個是第一增透界面61，另一個是第二增透界面62，此時由該相鄰的兩個增透界面形成的子層的厚度為四分之一雷射光波長的奇數倍，並且折射率均小於或均大於位於其兩側的子層的折射率。相鄰的兩個增透界面中可以均為第一增透界面61也可以均為第二增透界面62，此時由該相鄰的兩個增透界面形成的子層的厚度為二分之一雷射光波長的整數倍，並且折射率大小介於其兩側的子層的折射率之間。本發明實施例中的增透層60包括至少三個增透界面，可以進一步的提高增透層60的透過率，增大儲光層50內部的光場強度。進一步使得VCSEL發光孔內外的有效折射率差異降低，抑制高階模式的產生，降低雷射的發散角。

在一實施例中，圖12是本發明實施例提供的另一種在多層增透界面作用下的光場強度分布圖及對應的折射率分布圖，圖13是本發明實施例提供的另一種在多層增透界面作用下的光場強度分布圖及對應的折射率分布圖，參考圖12~圖13，所述增透層60包括的增透界面的個數大於或等於3；增透層60包括第一增透界面61為m個，第二增透界面62為n個時，設置第1個增透界面和第m+n個增透界面均為第一增透界面61或均為第二增透界面62，此時增透層60的光學厚度為二分之一雷射光波長的整數倍。第2~m+n-1個增透界面的設置方式可參考上述實施例，這裡不再贅述。其中圖13中示例性的畫出中間相鄰的兩個增透界面中均為第一增透界面61。需要說明的是，此時m為大於或等於0的整數，n為大於或等於0的整數。也就是說，增透層60包括的增透界面可以均為第一增透界面61，或者均為第二增透界面62。

在一實施例中，請繼續參考圖11，增透層60包括m個第一增透界面61和n個第二增透界面62；第一增透界面61和第二增透界面62交替設置，相鄰的兩個增透界面之間的光學厚度為四分之一雷射光波長，圖11中實施例性的畫出n與m均等於2的情况。

例如，增透層60可以包括多個不同折率的子層，相鄰的兩個子層之間具有一個增透界面。相鄰的兩個增透界面之間的光學厚度為四分之一雷射光波長的奇數倍。在一實施例中，相鄰的兩個增透界面之間的光學厚度設為四分之一雷射光波長。可以理解為，增透層60是一組厚度為1/4波長的高低反射率子層交替分布的布拉格反射層，這組布拉格反射層的相位被移動了1/4波長，相當於是反射來自儲光層50的光，對於有源層30可以達到增透的效果。第一增透界面61和第二增透界面62交替設置，並且使得相鄰的兩個增透界面的厚度為四分之一雷射光波長，對於相同厚度的增透層60，可以實現增透層60包括的增透界面的個數的最大化，可以進一步的提高增透層60的透過率，增大儲光層50內部的光場強度。進一步使得VCSEL發光孔內外的有效折射率差異降低，抑制高階模式的產生，降低雷射的發散角。

在一實施例中，沿著有源區30指向儲光層50的方向，增透層60的第一增透界面61，和上下布拉格反射層（20、40）中相對有源層30處於儲光層50異側的布拉格反射層中任一低折射率進入到高折射率的界面之間的光學間距是半波長的整數倍，和上下布拉格反射層（20、40）中相對有源層30處於儲光層50同側的布拉格反射層中任一低折射率到高折射率的界面之間的光學間距是四分之一雷射光波長的奇數倍；增透層60的第二增透界面62，與上下布拉格反射層（20、40）中相對有源層30處於儲光層50異側的布拉格反射層中任一高折射率進入到低折射率的界面之間的光學間距是半波長的整數倍，與上下布拉格反射層（20、40）中相對有源層30處於儲光層50同側的布拉格反射層中任一高折射率到低折射率的界面之間的光學間距是四分之一雷射光波長的奇數倍。

例如，沿著有源層30指向儲光層50的方向，增透層60中任一低折射率進入到高折射率的界面，和上下布拉格反射層（20、40）中相對有源層30處於儲光層50異側的布拉格反射層中任一低折射率進入到高折射率的界面之間的光學間距是半波長的整數倍，和上下布拉格反射層（20、40）中相對有源層30處於儲光層50同側的布拉格反射層中任一低折射率到高折射率的界面之間的光學間距是1/4雷射光波長的奇數倍。沿著有源區30指向儲光層50的方向，增透層60中任一高折射率進入到低折射率的界面，與上下布拉格反射層（20、40）中相對有源層30處於儲光層50異側的布拉格反射層中任一高折射率進入到低折射率的界面之間的光學間距是半波長的整數倍，與上下布拉格反射層（20、40）中相對有源層30處於儲光層50同側的布拉格反射層中任一高折射率到低折射率的界面之間的光學間距是1/4波長的奇數倍。在此設置關係下，使得儲光層50的光學厚度設為半波長的整數倍，有源層30的光學厚度設為1/4波長的奇數倍。

示例性的，圖14是本發明實施例提供的一種光場強度分布圖及折射率分布圖，參考圖14，以儲光層50設置於下布拉格反射層20與有源層30之間，增透層60為單層膜，並且增透層60的折射率均低於兩層的儲光層50和有源層30的結構為例，增透層60的第一增透界面61和相對有源層30處於儲光層50異側的上布拉格反射層40中任一低折射率進入到高折射率的界面之間的光學間距D2是半波長的整數倍，即1/4雷射光波長的偶數倍；增透層60的第一增透界面61和相對有源層30處於儲光層50同側的下拉格反射層中任一低折射率到高折射率的界面之間的光學間距D1是1/4雷射光波長的奇數倍。增透層60的第二增透界面62和相對有源層30處於儲光層50異側的上布拉格反射層40中任一高折射率進入到低折射率的界面之間的光學間距D4是半波長的整數倍，即1/4雷射光波長的偶數倍；增透層60的第二增透界面62和相對有源層30處於儲光層50同側的下拉格反射層20中任一高折射率到低折射率的界面之間的光學間距D3是1/4雷射光波長的奇數倍。需要說明的是，為了體現界面之間的位置關係，圖14中僅示例性的給出儲光層50的光學厚度為半波長，有源層30的光源厚度為5倍的1/4雷射光波長。

在一實施例中，請參考圖8、圖10或圖11，沿著垂直於有源層30的方向，儲光層50的折射率均勻分布。由於儲光層50的光學厚度設為半波長的整數倍，此時儲光層50可以等效為半波共振腔，可以使得位於兩側的下布拉格反射層20和增透層60的反射方向相反，均向著儲光層50的方向反射，從而實現共振腔內光場在雷射器中最強，進一步使得VCSEL發光孔內外的有效折射率差異降低，抑制高階模式的產生，降低雷射的發散角。

例如，均勻分布可理解為在該區域的折射率為一個固定的數值。例如，儲光層50只包含一層恆定折射率的材料。

在一實施例中，請參考圖7或圖9，沿著垂直於有源層30的方向，儲光層50的折射率高低交替分布。儲光層50可以理解為中布拉格反射層。中布拉格反射層包括多個光學厚度為四分之一雷射光波長的反射鏡，多個反射鏡按照高低折射率交替設置。將儲光層50的折射率設置為高低交替分布，並且使得儲光層50中低折射率層進入到高折射率層的界面放在駐波光場強度峰值的位置；將儲光層50內高折射率層進入到低折射率層的界面放在駐波光場強度0值的地方，可以使得儲光層50將自身內部的光場強度增大。進一步使得VCSEL發光孔內外的有效折射率差異降低，抑制高階模式的產生，降低雷射的發散角。

在一實施例中，中布拉格反射層每個半波長週期內的折射率對比度低於下布拉格反射層20及/或上布拉格反射層40相應的每個半波長週期內的折射率對比度。

例如，中布拉格反射層每個半波長週期內的折射率對比度低於上下布拉格反射層（20、40）相應的每個半波長週期內的折射率對比度，可以理解為：中布拉格反射層中，每個半波長週期內的高折射率與低折射率的差值或比值，小於下（上）布拉格反射層中，每個半波長週期內的高折射率與低折射率的差值或比值。中布拉格反射層每個半波長週期內的折射率對比度較低，可以避免由於對比度太高而導致較少對數的反射鏡就可以把儲光層50內的光場變得很強。即通過中布拉格反射層每個半波長週期內的折射率對比度較低，可以使得中布拉格反射層包括較多對數的反射鏡，進而可以保證中布拉格反射層的厚度可以滿足可以實現單縱模雷射放光的同時，實現極大地降低發散角的要求。

在一實施例中，雷射的出光面或者主要出光面位於下布拉格反射層20遠離有源層30的一側，上布拉格反射層40的反射率大於下布拉格反射層20的反射率；或者，雷射的出光面或者主要出光面位於上布拉格反射層40遠離有源層30的一側，下布拉格反射層20反射率大於上布拉格反射層40的反射率。

例如，若雷射的出光面或者主要出光面位於下布拉格反射層20遠離有源層30的一側，則上布拉格反射層40包括的反射鏡的總反射率大於下布拉格反射層20包括的反射鏡的總反射率，使得上布拉格反射層40可以實現全反射，下布拉格反射層20可以透射出光，雷射器的出光方向為有源層30指向下布拉格反射層20的方向，即雷射器為背發光。若雷射的出光面或者主要出光面位於上布拉格反射層40遠離有源層30的一側，則下布拉格反射層20包括的反射鏡的總反射率大於上布拉格反射層40包括的反射鏡的總反射率，使得下布拉格反射可以實現全反射，上布拉格反射層40可以透射出光，雷射器的出光方向為有源層30指向上布拉格反射層40的方向，即雷射器為頂發光。若上布拉格反射層40中和下布拉格反射層20中，每對反射鏡（例如，每對反射鏡包括上反射鏡和下反射鏡）的折射率對比度（例如，折射率對比度可為上反射鏡的折射率與下反射鏡的折射率之間的差值的絕對值）一樣，則在雷射的出光面位於下布拉格反射層20遠離所述有源層30的一側時，設置上布拉格反射層40包括的反射鏡對數大於下布拉格反射層20包括的反射鏡對數；在雷射的出光面位於上布拉格反射層40遠離所述有源層30的一側時，設置下布拉格反射層20包括的反射鏡對數大於上布拉格反射層40包括的反射鏡對數。在一實施例中，還可以設置微透鏡，微透鏡集成於所述出光面的一側，用於進一步的減小遠場的發散角。

在一實施例中，圖15是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖，參考圖15，有源層30包括至少兩個有源子層（圖15中示例性的畫出了三組，分別為31、32、33），且相鄰兩個有源子層之間用隧道結80相連。每一有源子層的至少一側具有增透層60以及儲光層50，每個有源區子層最多存在一個電流限制層70。其中，隧道結80與最近的駐波光場的0值位置的光程距離小於十分之一雷射光波長。例如，隧道結80位於駐波光場的0值位置。由於隧道結80具有非常高的參雜，這些參雜會產生光吸收損耗，降低發光效率，所以將其放在光場最小的地方，可以使得光損耗最小化。

每個有源子層設置有量子井（312/322/332）。並且在有源子層中，量子井的兩側分別設置有N型半導體層（313/323/333）和P型半導體層（311/321/331）。在襯底10遠離有源層30的一側設置有第一電極層90，在上布拉格反射層40遠離有源層30的一側設置有第二電極層100。通過第一電極層90與第二電極層100接收外部的電訊號產生電壓差，實現為有源層提供電流。在多有源子層的結構中，也可以只設置一個電流限制層70，該電流限制層70位於最靠近上布拉格反射層40的有源子層中（31）。在一實施例中，只設置一個電流限制層70，可以滿足定義發光區的同時，還可以減小器件中電流限制層70的有效折射率。需要說明的是，每個有源子層中也可以包括多個量子井。

本發明實施例還提供了一種具有小發散角的VCSEL雷射器晶片，包括多個如上述實施例任意所述的具有小發散角的VCSEL雷射器，多個具有小發散角的VCSEL雷射器陣列排布或者隨機排布。具有相同的功效，這裡不再贅述。

本發明實施例還提供了一種用於LIDAR（Light Detection And Ranging，雷射雷達）系統的光源，包括至少一個如上述任意實施例所述的具有小發散角的VCSEL雷射器或者至少一個如上述任意實施例所述的具有小發散角的VCSEL雷射器晶片。具有相同的功效，這裡不再贅述。

在一實施例中，多個具有小發散角的VCSEL雷射器可以組成面陣列排布。

在一實施例中，面陣列排布可為用於尋址的多個子陣列。尋址表示，可以單獨點亮其中一個或多個子陣列。

例如，VCSEL雷射器可以具有600個發光點，形成20×30的發光點陣列。該VCSEL雷射器可以進一步把20×30的發光點陣列劃分為不同的子陣列，例如2×3個子陣列，每個子陣列具有10×10個發光點。每個子陣列可單獨進行控制。

注意，上述僅為本發明的一些實施例及所運用技術原理。所屬技術領域中具有通常知識者會理解，本發明不限於這裡所述的特定實施例，對所屬技術領域中具有通常知識者來說能夠進行各種明顯的變化、重新調整和替代而不會脫離本發明的保護範圍。因此，雖然通過以上實施例對本發明進行了較為詳細的說明，但是本發明不僅僅限於以上實施例，在不脫離本發明構思的情况下，還可以包括更多其他等效實施例，而本發明的範圍由所附的申請專利範圍決定。

本發明要求在2021年09月29日提交的臨時專利申請序列號為63/249,976的美國臨時申請的優先權，要求在2021年11月11日提交中國專利局、申請號為202111333713.6的中國專利申請的優先權，以上申請的全部內容通過引用結合在本發明中。

20: 下布拉格反射層 30: 有源層 40: 上布拉格反射層 50: 儲光層 60: 增透層 61: 第一增透界面 62: 第二增透界面 D1,D2,D3,D4:光學間距

〔圖1〕是相關技術中提供的一種VCSEL雷射器的結構示意圖。〔圖2〕是本發明實施例提供的一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖。〔圖3〕是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖。〔圖4〕是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖。〔圖5〕是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖。〔圖6〕是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖。〔圖7〕是本發明實施例提供的一種在單層增透界面作用下的光場強度分布圖及對應的折射率分布圖。〔圖8〕是本發明實施例提供的另一種在單層增透界面作用下的光場強度分布圖及對應的折射率分布圖。〔圖9〕是本發明實施例提供的一種在雙層增透界面作用下的光場強度分布圖及對應的折射率分布圖。〔圖10〕是本發明實施例提供的另一種在雙層增透界面作用下的光場強度分布圖及對應的折射率分布圖。〔圖11〕是本發明實施例提供的一種在多層增透界面作用下的光場強度分布圖及對應的折射率分布圖。〔圖12〕是本發明實施例提供的另一種在多層增透界面作用下的光場強度分布圖及對應的折射率分布圖。〔圖13〕是本發明實施例提供的另一種在多層增透界面作用下的光場強度分布圖及對應的折射率分布圖。〔圖14〕是本發明實施例提供的一種光場強度分布圖及折射率分布圖。〔圖15〕是本發明實施例提供的另一種具有小發散角的VCSEL雷射器的結構示意圖。

Claims

一種具有小發散角的垂直腔面發射雷射器VCSEL雷射器，其特徵係包括：下布拉格反射層(20)；有源層(30)，位於該下布拉格反射層(20)的一側；上布拉格反射層(40)，位於該有源層(30)遠離該下布拉格反射層(20)的一側；其中，該有源層(30)內或該有源層(30)外側設置有定義發光區的電流限制層(70)；該下布拉格反射層(20)與該有源層(30)之間和該上布拉格反射層(40)與該有源層(30)之間的至少一處設置有儲光層(50)，該儲光層(50)用於存儲光場能量；該儲光層(50)與該有源層(30)之間設置有具有增透界面的增透層(60)，該增透層(60)用於增大該儲光層(50)的光場強度峰值至高於有源層(30)的光場強度峰值。
如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該電流限制層(70)的個數為至少一個，該電流限制層(70)在沿垂直於有源層(30)方向上的中心與最近的駐波光場的0值的光程距離小於十分之一雷射光波長；該電流限制層(70)在該有源層(30)外側時，位於沿垂直於該有源層(30)方向上，距離該有源層(30)一側的兩個波長範圍內。
如請求項2所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該電流限制層(70)在沿垂直於有源層(30)方向上的中心與最近的駐波光場的0值位置對齊。
如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該電流限制層(70)包括氧化層；該氧化層為外延生長的高Al組分的AlGaAs，該氧化層中的外側被氧化區域形成絕緣的氧化鋁膜層；其中，該氧化層中的未氧化區域形成有效電流注入的發光區域。
如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，沿著該有源層(30)指向該儲光層(50)的方向，該增透界面包括儲光層(50)和有源層(30)之間的位於從低折射率到高折射率界面處的第一增透界面(61)，和儲光層(50)和有源層(30)之間的位於從高折射率到低折射率界面處的第二增透界面(62)，中的至少一個；其中，該第一增透界面(61)與最近的駐波光場的峰值位置的光程距離小於十分之一雷射光波長；該第二增透界面(62)與最近的駐波光場的0值位置的光程距離小於十分之一雷射光波長。
如請求項5所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該第一增透界面(61)處於駐波光場的峰值位置；該第二增透界面(62)處於駐波光場的0值位置。
如請求項5所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，沿著有源區(30)指向儲光層(50)的方向，該增透層(60)的第一增透界面(61)，與上布拉格反射層(40)、下布拉格反射層(20)中相對有源層(30)處於儲光層(50)異側的布拉格反射層中任一低折射率進入到高折射率的界面之間的光學間距是半波長的整數倍，與上布拉格反射層(40)、下布拉格反射層(20)中相對有源層(30)處於儲光層(50)同側的布拉格反射層中任一低折射率到高折射率的界面之間的光學間距是四分之一雷射光波長的奇數倍；增透層(60)的第二增透界面(62)，與上布拉格反射層(40)、下布拉格反射層(20)中相對有源層(30)處於儲光層(50)異側的布拉格反射層中任一高折射率進入到低折射率的界面之間的光學間距是半波長的整數倍，與上布拉格反射層(40)、下布拉格反射層(20)中相對有源層(30)處於儲光層(50)同側的布拉格反射層中任一高折射率到低折射率的界面之間的光學間距是四分之一雷射光波長的奇數倍。
如請求項5所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該增透層(60)包括一個增透界面，該增透界面為第一增透界面(61)或第二增透界面(62)；該增透界面為該儲光層(50)與該有源層(30)的接觸界面，或者為該儲光層(50)與該有源層(30)之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面。
如請求項5所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該增透層(60)包括兩個增透界面；該兩個增透界面中的一個增透界面為該儲光層(50)與該增透層(60)的接觸界面，或者為該儲光層(50)與該增透層(60)之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面；該兩個增透界面中的另一個增透界面為該有源層(30)與該增透層(60)的接觸界面，或者為該有源層(30)與該增透層(60)之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面。
如請求項9所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，兩個增透界面分別為第一增透界面(61)和第二增透界面(62)；沿著垂直於該有源層(30)的方向，兩個增透界面之間的光學厚度為四分之一雷射光波長的奇數倍；或者，兩個增透界面為第一增透界面(61)，沿著垂直於該有源層(30)的方向，兩個增透界面之間的光學厚度為二分之一雷射光波長的整數倍；或者，兩個增透界面為第二增透界面(62)，沿著垂直於該有源層(30)的方向，兩個增透界面之間的光學厚度為二分之一雷射光波長的整數倍。
如請求項5所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該增透層(60)包括的增透界面的個數大於或等於3；該增透層(60)包括m個第一增透界面(61)，n個第二增透界面(62)；m為大於或等於1的整數，n為大於或等於1的整數；第1個增透界面和第m+n個增透界面中的一個為第一增透界面(61)，第1個增透界面和第m+n個增透界面中的另一個為第二增透界面(62)，該增透層(60)的光學厚度為四分之一雷射光波長的奇數倍；沿著該有源層(30)指向該儲光層(50)的方向，第1個增透界面為該有源層(30)與該增透層(60)的接觸界面，或者為該有源層(30)與該增透層(60)之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面；第2~m+n-1個增透界面為增透層(60)中相鄰的兩個高低折射率子層的接觸界面或高低折射率子層之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面；第m+n個增透界面為該儲光層(50)與該增透層(60)的接觸界面，或者為該儲光層(50)與該增透層(60)之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面。
如請求項5所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該增透層(60)包括的增透界面的個數大於或等於3；該增透層(60)包括m個第一增透界面(61)，n個第二增透界面(62)；m為大於或等於0的整數，n為大於或等於0的整數；第1個增透界面和第m+n個增透界面均為第一增透界面(61)或均為第二增透界面(62)，該增透層(60)的光學厚度為二分之一雷射光波長的整數倍；沿著該有源層(30)指向該儲光層(50)的方向，第1個增透界面為該有源層(30)與該增透層(60)的接觸界面，或者為該有源層(30)與該增透層(60)之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面；第2~m+n-1個增透界面為增透層(60)中相鄰的兩個高低折射率子層的接觸界面或高低折射率子層之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面；第m+n個增透界面為該儲光層(50)與該增透層(60)的接觸界面，或者為該儲光層(50)與該增透層(60)之間的折射率漸變層的折射率中點所在界面。
如請求項11或12所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中任意兩個第一增透界面(61)或者任意兩個第二增透界面(62)之間的間距為二分之一雷射光波長的整數倍；其中任一第一增透界面(61)與任一第二增透界面(62)之間的間距為四分之一雷射光波長的奇數倍。
如請求項13所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該第一增透界面(61)與該第二增透界面(62)交替設置，相鄰的兩個增透界面之間的光學厚度為四分之一雷射光波長。
如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該有源層(30)的光學厚度為四分之一雷射光波長的奇數倍。
如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該上布拉格反射層(40)、下布拉格反射層(20)、增透層(60)以及儲光層(50)至少其中之一的材料為電介質材料。
如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該上布拉格反射層(40)、下布拉格反射層(20)、增透層(60)以及儲光層(50)至少其中之一的材料為半導體材料。
如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該有源層(30)包括至少一個量子井，其中每一該量子井沿垂直於有源層(30)的中心與最近的駐波光場的峰值位置的光程距離小於五分之一雷射光波長；該有源層(30)包括多於一個量子井時，一組量子井整體的中心位置與最近的駐波光場的峰值位置的光程距離小於十分之一雷射光波長。
如請求項18所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該有源層(30)包括至少兩個有源子層，每個該有源子層包括至少一個該量子井；相鄰兩個有源子層之間用隧道結(80)相連；該隧道結(80)與最近的駐波光場的0值位置的光程距離小於十分之一雷射光波長。
如請求項19所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，每一該有源子層的至少一側具有增透層(60)以及儲光層(50)；每個有源子層最多存在一個電流限制層(70)；該隧道結(80)位於駐波光場的0值位置。
如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，沿著垂直於該有源層(30)的方向，該儲光層(50)的折射率均勻分布。
如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，沿著垂直於該有源層(30)的方向，該儲光層(50)的折射率高低交替分布。
如請求項22所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該儲光層(50)包括中布拉格反射層，該中布拉格反射層包括多個光學厚度為四分之一雷射光波長的反射鏡，多個反射鏡按照高低折射率交替設置。
如請求項23所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，該中布拉格反射層每個半波長週期內的折射率對比度低於下布拉格反射層(20)及/或上布拉格反射層(40)相應的每個半波長週期內的折射率對比度。
如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，還包括襯底(10)，其中該襯底(10)位於該下布拉格反射層(20)遠離有源層(30)的一側，該襯底(10)的材料包括GaAs或Si。
如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，還包括透明頂襯(10’)，其中該透明頂襯(10’)位於該上布拉格反射層(40)遠離有源層(30)的一側，該透明頂襯(10’)的材料包括藍寶石、石英、玻璃或透明聚合物。
如請求項1所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中，雷射的出光面或者主要出光面位於該下布拉格反射層(20)遠離該有源層(30)的一側，該上布拉格反射層(40)的反射率大於下布拉格反射層(20)的反射率；或者，雷射的出光面或者主要出光面位於上布拉格反射層(40)遠離該有源層(30)的一側，該下布拉格反射層(20)反射率大於上布拉格反射層(40)的反射率。
如請求項27所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，其中還包括微透鏡，該微透鏡集成於該出光面的一側，用於減小遠場的發散角。
一種具有小發散角的VCSEL雷射器晶片，其特徵係包括多個如請求項1至28中任一項所述之具有小發散角的VCSEL雷射器，多個該具有小發散角的VCSEL雷射器組成面陣列排布；該面陣列排布為規則排列，或者隨機排布，或者是用於尋址的多個子陣列。
一種用於雷射雷達LIDAR系統的光源，其特徵係包括至少一個如請求項1至28中任一項所述之具有小發散角的VCSEL雷射器或者至少一個如請求項29所述之具有小發散角的VCSEL雷射器晶片。