CN101588017B - 一种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，公开了一种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，该光子晶体垂直腔面发射激光器由下至上依次由下电极、n型衬底、下DBR、有源层、氧化层、面刻光子晶体图形的缺陷腔结构、环形出光区的上DBR、p型盖层和上环形电极构成。其中，该光子晶体垂直腔面发射激光器的上DBR表面的光子晶体区为高损耗区和耦合区，环形区和缺陷区为光输出区域；该光子晶体垂直腔面发射激光器的电极蒸镀在上DBR的p型盖层的表面和n型衬底的下表面。利用本发明，既提高了单模输出功率，又抑制了发散角。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为激光器家族中的一员，具有边发射半导体激光器无法比拟的优势，如光束垂直衬底出射易于单片集成，出射光束圆形对称发散小有利于高效耦合，谐振腔体积小能够实现极低阈值激射，光腔极短易实现单纵模工作，能够在片测试、简化工艺降低成本等，在光通信、光存储、光互联、光计算、固态照明、激光打印和生物传感等领域受到广泛应用，引起了人们的浓厚兴趣和密切关注。
与边发射激光器如FP激光器、DFB激光器相比，VCSEL除了上述提到的优势之外，它还克服了FP激光温度漂移系数大及DFB激光器需要外加调制器的缺点。实际应用中都要求VCSEL单模大功率工作，实验证实氧化孔径很小时，容易实现稳定的单横模工作，却限制了输出功率。
文献1：“C.Jung，R.Jager，M.Grabherr，K.J.Ebeling，et al，ELECTRONICS LETTERS，1997(33)：1790”报道的工作波长为850nmGaAs基VCSEL，其氧化孔径约为3μm时才能实现稳定的单模输出，输出功率不超过5mW。
此外，小孔径导致串联电阻增大，调制速度降低，发热增加，效率降低，寿命缩短，使得器件的综合性能下降。为了提高输出功率，应增大有源区的面积，扩大氧化孔径，但热效应和空间烧孔现象将导致高阶模的产生，使器件的性能恶化。因此，实现单模工作和提高输出功率两者之间始终是一对矛盾。
为了获得大功率单模的VCSEL，一方面需增大氧化孔径尺寸，另一方面需千方百计抑制高阶模的产生。到目前为止，已报道的实现单模大功率VCSEL结构有很多种，有如文献2：“H.Martinsson，J.A.Vukuˇsi′c，K.J.Ebeling，et al，IEEE PHOTONICS TECHNOLOGYLETTERS，1999(11)：1536”报道的表面刻蚀法，文献3：“Delai Zhou，Luke J.Mawst，IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS，2002(38)：1599”报道的反波导法，和文献4：“Dae-Sung Song，Se-HeonKim，Yong-Hee Lee，et al，APPLIED PHYSICS LETTERS，2002(80)：3901”报道的光子晶体波导法等。
光子晶体波导法作为一种实现大功率单模大功率VCSEL的方法，自从提出后就受到广泛关注和深入研究。但是文献5：“A.J.Danner，T.S.Kim，K.D.Choquette，ELECTRONICS LETTERS，2005(41)”报道的单模光子晶体垂直腔面发射激光器的最大输出功率只有3.1mW，而其发散角没有见过报道。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，以克服光子晶体垂直腔面发射激光器单模输出功率不高的瓶颈，并达到光束低发散角输出的目的。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，该光子晶体垂直腔面发射激光器由下至上依次由下电极、n型衬底、下DBR、有源层、氧化层、面刻光子晶体图形的缺陷腔结构、环形出光区的上DBR、p型盖层和上环形电极构成，其中，缺陷腔结构和环形出光区均为出光区，且它们通过光子晶体区实现同相位耦合输出。
优选地，所述光子晶体垂直腔面发射激光器中的光子晶体是三角晶格空气柱型，或者是四方晶格空气柱型；该光子晶体的元胞是圆形空气柱，或者是椭圆形空气柱。
优选地，所述空气柱型光子晶体的刻蚀深度为50％至80％的上DBR厚度。
优选地，所述面刻光子晶体图形的缺陷腔结构是单孔缺陷腔，或者是7孔缺陷腔，或者是拉伸的各缺陷腔。
优选地，所述光子晶体垂直腔面发射激光器中的光子晶体所在区域既是高损耗区，也是耦合区。
优选地，所述上环形电极蒸镀在上DBR上的p型盖层的表面，所述下电极蒸镀在n型衬底的下表面。
优选地，所述上环形电极材料为TiAu合金，下电极材料为AuGeNiAu合金。
优选地，所述下DBR的反射率比上DBR的反射率高。
优选地，该光子晶体垂直腔面发射激光器的工作波长覆盖深紫外到远红外波段。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，采用环形区和缺陷区的激光耦合输出，解放了单模激射对氧化孔径的依赖，使器件结构设计更加灵活。
2、本发明提供的这种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，采用环形区和缺陷区的激光耦合输出，增大了有源区的面积，提高了输出功率，单模输出功率能够突破10mW。
3、本发明提供的这种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，增大了有源区的面积，减小了微分电阻，延长了寿命，提高了效率，增大了带宽。
4、本发明提供的这种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，采用环形区和缺陷区的激光同相位耦合输出，减小了发散角，提高了耦合效率。
附图说明
图1为本发明提供的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器的结构示意图；图中z坐标方向代表器件垂直方向；x、y坐标方向代表器件水平方向；
图2为本发明提供的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器的上DBR的表面形貌的俯视图；
图3为依照本发明第一个实施例提供的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器发散角的计算曲线示意图；
图4依照本发明第二个实施例提供的光子晶体垂直腔面发射激光器的上DBR的表面形貌的俯视图；
图5为依照本发明第二个实施例提供的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器发散角的计算曲线示意图；
图中，1为下电极，2为n型衬底，3为下DBR，4为有源区，5为氧化层，6为上DBR，7为p型盖层，8为上环形电极，9为环形出光区，10光子晶体缺陷腔，11为光子晶体耦合区。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明提供的这种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器的结构示意图，该单光子源由下至上依次由下电极1、n型衬底2、下DBR 3、有源区4、氧化层5、上DBR6、p型盖层7和上环形电极8、环形出光区9、光子晶体缺陷腔10、光子晶体耦合区11构成。
所述光子晶体是三角晶格空气柱形，或者是四方晶格空气柱形。所述光子晶体的元胞为圆形空气柱，或者椭圆形空气柱。所述光子晶体缺陷腔为单孔缺陷腔，或者是7孔缺陷腔，或者是拉伸的各缺陷腔。
所述光子晶体区既是高损耗区，同时也是耦合区。所述缺陷腔和环形区为出光区，且它们通过光子晶体区实现同相位耦合输出。所述空气柱型光子晶体的刻蚀深度为50％至80％的上DBR厚度。所述上电极蒸镀在上DBR上的p型盖层的表面，所述下电极蒸镀在n型衬底的下表面。所述上环形电极材料为TiAu合金，下电极材料为AuGeNiAu合金。所述的下DBR的反射率比上DBR的反射率高。
该光子晶体垂直腔面发射激光器的工作波长覆盖深紫外到远红外波段。
如图2所示，图2为本发明提供的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器的上DBR的表面形貌的俯视图。图2中8为环形电极，9为环形出光孔，10为光子晶体缺陷腔，11为光子晶体耦合区。光子晶体耦合区11的光子晶体周期为Λ、占空比(空气柱的直径和周期的比值)为d/Λ、刻蚀深度为h。
基于图1和图2所述的这种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，以下结合具体的实施例对本发明提供的这种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器作进一步详细说明。
实施例一
本实例中这种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器的工作波长为0.85μm。本实例的光子晶体垂直腔面发射激光器的上DBR的表面形貌俯视示意图如图2所示。
本实例的下电极为AuGeNiAu合金，上电极为TiAu合金，下DBR为34.5对的n型GaAs/AlGaAs，有源区为3对GaAs量子阱，氧化孔径为34μm，上DBR为20.5对p型GaAs/AlGaAs；上DBR表面刻有单缺陷腔的光子晶体图形，光子晶体的周期为4μm，占空比为0.5，刻蚀深度为10对DBR；缺陷区周围是由三圈空气柱组成的光子晶体高损耗区；环形电极的内径为39μm。
本实例的计算结果如图3所示。图3为依照本发明第一个实施例提供的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器发散角的计算曲线示意图，从图3中可以看到这种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器的发散角(FWHM)约为2°。
实施例二
本实例中这种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器的工作波长为1.3μm。如图4所示，图4依照本发明第二个实施例提供的光子晶体垂直腔面发射激光器的上DBR的表面形貌的俯视图。
本实例的下电极为AuGeNiAu合金，上电极为TiAu合金，下DBR为33.5对的n型GaAs/AlGaAs，有源区为3对GaAs量子阱，氧化孔径为32μm，上DBR为23对p型GaAs/AlGaAs；上DBR表面刻有单缺陷腔的光子晶体图形，光子晶体的周期为5μm，占空比为0.5，刻蚀深度为18对DBR；缺陷区周围是由两圈空气柱组成的光子晶体高损耗区；环形电极的内径为34μm。
本实例的计算结果如图5所示。图5为依照本发明第二个实施例提供的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器发散角的计算曲线示意图，从图5中可以看到这种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器的发散角(FWHM)约为4°。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，该光子晶体垂直腔面发射激光器由下至上依次由下电极、n型衬底、下DBR、有源区、氧化层、面刻光子晶体图形的缺陷腔结构、环形出光区的上DBR、p型盖层和上环形电极构成，其中，缺陷腔结构和环形出光区均为出光区，且它们通过光子晶体区实现同相位耦合输出。
2.根据权利要求1所述的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光子晶体垂直腔面发射激光器中的光子晶体是三角晶格空气柱型，或者是四方晶格空气柱型；该光子晶体的元胞是圆形空气柱，或者是椭圆形空气柱。
3.根据权利要求2所述的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述空气柱型光子晶体的刻蚀深度为50％至80％的上DBR厚度。
4.根据权利要求1所述的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述面刻光子晶体图形的缺陷腔结构是单孔缺陷腔，或者是7孔缺陷腔，或者是拉伸的各缺陷腔。
5.根据权利要求1所述的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光子晶体垂直腔面发射激光器中的光子晶体所在区域既是高损耗区，也是耦合区。
6.根据权利要求1所述的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述上环形电极蒸镀在上DBR上的p型盖层的表面，所述下电极蒸镀在n型衬底的下表面。
7.根据权利要求1所述的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述上环形电极材料为TiAu合金，下电极材料为AuGeNiAu合金。
8.根据权利要求1所述的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述下DBR的反射率比上DBR的反射率高。
9.根据权利要求1所述的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，该光子晶体垂直腔面发射激光器的工作波长覆盖深紫外到远红外波段。
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