CN103222136B - 偏振稳定的表面发射激光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种表面发射激光二极管，所述表面发射激光二极管具有由两个激光反射镜(1，3)界定的有源放大区域(2)，其中一个或多个偏振选择层(4)被设置用于稳定位于至少一个激光反射镜的与所述有源放大区域(2)相对的一侧的区域中的偏振，所述一个或多个偏振选择层(4)与各个激光反射镜(1，3)平行地延伸且具有偏振相关的折射率和/或吸收。

Description

偏振稳定的表面发射激光二极管
背景技术
表面发射激光二极管(称为垂直腔表面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser)：VCSEL)由于例如低阈值电流和对称的波瓣的多个优点越来越多地用于现代光电系统，且逐渐代替常规的边缘发射半导体激光器。由于它们的或多或少不同的横向对称性(旋转对称性)，VCSEL没有偏振选择性或仅具有不充足的偏振选择性。使用中，这可能导致偏振不稳定性和偏振切换，排除该激光器用于大多数应用。
表面发射激光二极管通常具有圆柱状的对称结构，且基于它们的设计和制造方法对于辐射波的偏振方向没有优先的方向。因此，存在关于辐射波的偏振方向的两个正交状态。在理想的激光器结构中，这两种状态能量简并(degenerate)且同等地适合用于激光器工作。然而，由于电光效应和部件设计中的各向异性以及制造过程中的不对称性和波动，该简并被消除且VCSEL主要仅以优选的偏振模式振荡。在大多数情况下，导致特定的模式是优选的的机制难以控制或者不明显和不易辨识，结果是整体偏振过程随机且性质不稳定。偏振切换通常限制在偏振相关的光学系统中的使用。例如，光学数据传输中的这种切换导致增加的噪声。因为多个应用依赖偏振稳定的激光器作为光源，这表示生产产量的显著降低。在许多情况下，的确可以限定优先的方向，但是简并的消除不强大到足以保证在变化的环境和操作条件下的偏振稳定性。在这种情况下，甚至这些参数的较小变化都可能引起在两个状态之间交替变化(“电极翻转(pole flip)”)。
在过去，研究了用于稳定偏振的多个可能的方案。为了实现对于基于GaAs的VCSEL的偏振稳定性，在O.Tadanaga，K.Tateno，H.Uenohara，T.Kagawa，和C.Amano，“An 850-nmInAlGaAs Strained Quantum-Well Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Grown on GaAs(311)BSubstrate with High-Polarization Stability”，IEEE Photon.Technol.Lett.，12，942(2000)中，生长成功地在较高率(higher-indexed)[311]的衬底上进行。然而，因为其他激光性质通常恶化且有特别地对于基于InP的半导体层的困难生长条件，该方法似乎不适合用于长波VCSEL。
针对该问题的另一种方法是使用介质或金属光栅结构，如在J.-H.Ser等的“Polarisationstabilisation of vertical-cavity top-surface-emitting lasers by inscription of fine metal-interlacedgratings”，Appl.Phys.Lett.66，2769(1995)；T.Mukaihara等的“Polarization control ofvertical-cavity surface-emitting lasers using a birefringent metal/dielectric polarizer loaded on topdistributed Bragg Reflector”，IEEE J.Sel.Top.Quantum.Electron.1，667(1995)；M.Ortsiefer等的“Polarization Control in Buried Tunnel Junction VCSELs Using a BirefringentSemiconductor/Dielectric Subwavelength Grating”，IEEE Photon.Technol.Lett.，22，15(2010)和P.Debernardi等的“Reliable Polarization Control of VCSELs Through MonolithicallyIntegrated Surface Gratings：A Comparative Theoretical and Experimental Study”，IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.11，107(2005)中的。使用具有亚波长尺寸的金属介质光栅在激光共振器中产生双折射。因而，光学共振器的长度或者激光共振器的共振频率在一个偏振中可能仅对应于布拉格反射镜的最大值。因而抑制另一个偏振。另一方面，提出的介质光栅利用光栅中的干涉效应，由于该干涉效应取决于偏振，全反射通过光栅放大或衰减。因此，对应的光栅结构的周期数不应该低于大约真空波长的一半。用于申请人制造的、具有短周期数(＜λ/2)的集成亚波长光栅的BTJ(掩埋隧道结(Buried Tunnel Junction))-VCSEL的一种方法最近由M.Ortsiefer等在“Polarization Control in Buried Tunnel Junction VCSELs Using aBirefringent Semiconductor/Dielectric Subwavelength Grating”，IEEE Photon.Technol.Lett.，22，15(2010)提出。一般而言，亚波长光栅工艺是复杂和费力的(纳米结构化)，特别是当亚波长光栅必须填充有其他介质时，即使优点是明显的。
JP 2005-093858 A描述了一种VCSEL，该VCSEL具有在共振器的反射镜外部的双折射层。这导致偏振的优先方向，然而，这导致全反射的降低。
在US 2008/112443 A1中示出了一种具有外部共振器反射镜的VECSEL。在共振器内部布置偏振选择层。
Philips Forschungslaboratorien的WO 2007/057807 A2在2005年提出了将具有偏振相关的折射率或偏振相关的吸收的层在VCSEL共振器内插入两个末端反射镜中的一个之前，以便有效的镜面反射变成偏振相关的且由此一个偏振模式是优选的且被致动。该方法以及将偏振选择元件放置在激光共振器内部的所有方法的严重缺点是，同时影响(光学)共振器的长度，因此同时影响激光波长。可能也有各向异性层中的损耗，特别是在通过斜角气相沉积放置的层中的损耗，这可能显著降低激光性质(例如，阈值)。此外，当必须精确地维持激光波长时，获得更复杂的制造工艺和降低的产量。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的上述缺点，特别是提供一种要求较低复杂度的制造工艺的偏振稳定的表面发射激光二极管。
本发明通过使用相对较简单和有效的技术在介质激光反射镜中产生光学双折射且由此获得给予两个面内偏振中的一个优先级的偏振相关的反射率而解决VCSEL中的偏振选择和稳定。为了这个目的，不同于公布的专利WO 2007/057807 A2中的已知布置，具有偏振相关的折射率的一个或多个层被放置至一个或两个激光反射镜的外部。根据本发明的表面发射激光二极管包括有源放大区域，有源放大区域由两个激光反射镜界定，一个或多个偏振选择层被设置用于稳定位于至少一个激光反射镜的与所述有源放大区域相对的一侧的区域中的偏振，所述一个或多个偏振选择层与各个激光反射镜平行地延伸且具有偏振相关的折射率和/或吸收。以这种方式，可能保证与偏振稳定无关地调节激光波长且所述层中的损耗对激光阈值几乎没有影响。偏振相关的层在激光反射镜上的制造和放置可以通过例如硅的介质的斜角气相沉积而相对较简单地进行。
因而，本发明提供了用于偏振稳定的表面发射激光二极管的建议的方案。该方法基于使用光学各向异性介质反射镜，由于所述层的偏振相关的折射率，该光学各向异性介质反射镜具有取决于偏振方向的不同反射率。例如通过斜角气相沉积反射镜的一个或多个介质层而产生各向异性。根据本发明的反射镜结构使得获得具有高偏振模式/侧边模式抑制的确定的和稳定的偏振特性成为可能，且保证偏振对反馈不敏感。
如果偏振选择层直接放置至激光反射镜中的一个，则对于制造过程是有利的。
特别地，在激光反射镜的外部设置多个偏振选择层，所述多个偏振选择层各自相对于它们的偏振对准交替旋转90°，且对于一个偏振所述多个偏振选择层的反射相位与它们位于其一侧的所述激光反射镜的反射相位相同，而对于另一个偏振所述多个偏振选择层的反射相位与它们位于其一侧的所述激光反射镜的反射相位相反。特别有利的是，将层厚度选择为对应于优选的偏振中的激光波长的四分之一。这种构造的更详细的说明及其优点可以在下面在示例性实施例中找到。
如果在远离各个激光反射镜的一侧的所述一个或多个偏振选择层之后是各向同性层，所述各向同性层特别地由氧化铝或氮化硅组成，另外特别地所述各向同性层的厚度与所述各向同性层中的激光的波长的一半对应，则也是有利的。这种构造的更详细的说明和该实施例的优点可以在示例性实施例中找到。
现在本发明及其优点通过示例性实施例更详细地描述。应该指出的是，在此描述的根据本发明的表面发射激光二极管的示例的特征可以不仅以这里给出的组合实施，而且可以其他组合实施，而不需要对所有可能的组合进行明确提及和描述。
附图说明
图1示出了根据本发明的表面发射激光二极管的结构的第一实施例；
图2示出了根据现有技术的激光二极管的示意性纵向截面的典型布置和相关联的折射率分布图；
图3示出了根据现有技术的结构的纵向截面的一部分的示意图以及分配给多个层的折射率；
图4示出了作为虚线的作为以微米为单位的层厚度(“厚度(微米)”)的函数的透光度(“1-Rmax(％)”)和作为实线的也取决于硅层的层厚度的两个偏振的反射率的差(“ΔR(％)*5”)(乘以因数5)；透光度曲线和反射率的差的曲线均以百分数为单位绘制；
图5示出了示意性纵向截面具有两个偏振选择层的根据本发明的表面发射激光二极管的结构的另一个实施例和相关联的对于这两个偏振的折射率分布图；
图6示出了根据图5的具有两个偏振选择层的结构随对于这两层相同的单个层厚度变化的与图4对应的图示；和
图7示出了根据本发明的表面发射激光二极管的示意性示出的结构的另外的实施例。
附图标记列表：
具体实施方式
本发明的一个可能的实施例在图1中示出。顶部示出的是根据本发明的激光器的示意性纵向截面。该激光器由有源放大区域2组成，有源放大区域2由反射镜1和3界定，且有源放大区域2的共振器长度和因此激光波长由反射镜1和3确定。根据本发明的偏振稳定通过另外设置在一个(或两个)反射镜3的外部的层4序列实现。该层序列可以由一个或多个层组成，一个或多个层中的至少一个层具有偏振相关的折射率或吸收。图1在底部示意性地示出了旋转对称的或椭圆形的激光器横截面5。相互垂直的两个偏振方向Pol 1和Pol 2以两个矢量示出。反射镜1和3通常由具有不同折射率的多对介质层组成。激光从每个层界面反射，产生典型地大于99％的相对高的全反射。
根据现有技术的没有层4的典型布置在图2中示出。各个反射r1和-r1在正确相位相加，末端反射r2紧靠外部区域“AIR”。因为一对反射镜的折射率n1和n2为偏振无关的，即它们没有任何双折射，来自激光共振器2的光束经历的全反射率为偏振无关的。
根据本发明的激光器结构对于从共振器2出来的光产生偏振相关的全反射，层或层序列4放置至反射镜3的外部，且使激光偏振稳定，因为激光在更高的全反射包括的偏振发射。
仅具有一个层4的第一实施例在图3中示出。层4对于两个偏振(Pol 1，Pol 2)的折射率n分别以实线和虚线表示。由于不同的折射率，不同的或偏振相关的反射因数在层4的界面处产生。与反射镜3的反射一起，这导致在与共振器2的界面处的偏振相关的全反射率。计算结果说明，为了在仅一个偏振中实现稳定的激光发射，至少0.01％、优选地至少0.1％的全反射率的差是必需的。
图4示出了对于1.55μm波长的、涂覆有可变厚度的硅层的激光器结构的计算结果，该硅层通过斜角气相沉积成60°角度放置(“在Epi-DBR之上的硅层”(＝反射镜))。在该激光波长通过斜角气相沉积放置的硅层的折射率在实验上对于两个偏振分别测定为约2.13(n1)和2.3(n2)。没有层4的反射镜3的全反射率为约99.6％。该曲线图示出了：通过虚线示出了透光度(即与100％的全反射率的差)，且通过实线示出了两个偏振的反射率的差。为了改善图解，反射率的差乘以因数5。如可以看出的，0.2％的反射率的差可以容易地用厚度为120nm的Si层(A)获得，或者甚至0.6％的反射率的差可以用厚度为450nm的Si层(B)获得。不同于偏振选择层在共振器内部的布置(WO 2007/057807 A2)，不论层4的厚度如何，激光的波长实际上都保持不变。如还可以从图4看出的，偏振选择性伴随有增加的透光度，增加的透光度表示降低的总反射且最后导致更高的激光阈值。图3中的布置，特别是在点(A)和(B)处，还包括全反射对Si层的厚度的显著相关性(参照图4)，由于该相关性在制造过程中参数的波动可能降低激光产量。因此，产生偏振相关的反射率而不降低全反射的布置将是优选的。
不具有该缺点的本发明的另一个实施例(因为它允许偏振选择的全反射而不降低全反射)可以通过放置如下多个偏振选择层获得，该多个偏振选择层各自相对于它们的偏振对准交替旋转90°，且对于一个偏振多个偏振选择层的反射相位与它们位于其一侧的激光反射镜3的反射相位相同，而对于另一个偏振多个偏振选择层的反射相位与它们位于其一侧的激光反射镜3的反射相位相反。在实践中，这可以通过气相沉积非常简单地实现，如果进行斜角气相沉积的方向以典型地60°的接近角在每个层之后旋转90°。将被气相涂覆的激光器在每个层之后绕它们的轴交替旋转90°。产生的偏振相关的折射率分布图在图5中示出。
在该布置中，层4a和4b的厚度优选地为激光波长的四分之一除以各自的折射率n3和n4。因而，产生相对于反射镜3的反射的反射r3和r4(它们对于偏振Pol 1是建设性的)，反射r3和r4甚至稍微增加反射镜3的全反射。另一方面，反射r3对于另一个偏振Pol 2是破坏性的，因为对于该偏振，具有n3的层4b比具有n4的层4a具有更小的折射率。对于涂覆有通过斜角气相沉积(60°)放置的两个Si层且旋转90°的、对于1.55μm的激光器的相应的计算结果在图6中示出。
如可以在图6中清楚地看出的，对于对应于波长的四分之一的两个层的约175nm的厚度，获得约0.1％的两个偏振的折射率的差，而透光度或全反射基本上保持不变。相对于图3中的单层布置的另外的优点是，相对于气相沉积的层的厚度的大加工容限。150nm与200nm之间的层厚度基本上对偏振选择和全反射率具有相同作用。
可能具有甚至更好的性质的本发明的其他实施例在图7中示出。在顶部，图7示出了层序列4可能由各向异性介质旋转90°的一对以上的层组成。通过与图6比较，这导致大致与层的对的数目成比例增加的、偏振相关的反射率的差，因此也导致相对较大的偏振的稳定。在底部，图7示出了层序列4可以覆盖有另外的各向同性层5。例如，通过氧化铝或氮化硅的稠密的、垂直气相沉积的保护层可以防止各向异性层4被环境空气侵蚀。如果该保护层的厚度对应于保护层中的激光的波长的一半，则这对层3和4的全反射没有影响。
充分双折射的(各向异性的)介质层的制造对于本发明的功能是关键性的。在本发明中，这简单和有效地实现，而不需要通过斜角气相沉积各个层的任何昂贵的纳米技术。根据T.Motohiro和Y.Taga，“Thin film retardation plate by oblique deposition”，Applied Optics，28，2466(1989)以及I.Hodgkinson和Q.Wu，“Serial bideposition of anisotropic thin films withenhanced linear birefringence”，Applied Optics，38，3621(1999)，在该方法中，在该层中产生自组装的纳米结构，该自组装的纳米结构导致形状各向异性且典型地产生高达5-10％的两个面内偏振(即平行于圆盘的表面)的折射率的差。特别高的各向异性可以用与表面法线成60°角度气相沉积到激光反射镜上的硅层获得，如在G.Beydaghyan等：“Enhancedbirefringence in vacuum evaporated silicon thin films”，Appl.Opt.43，5343(2004)中说明的。然而，本发明不是仅限于该制造方法。原则上放置各向异性介质层的任何其他方法都是合适的。
根据本发明的结构可以特别地用于各种材料系统中的BTJ-VCSEL。这包括基于GaAs、InP和GaSb的部件。

Claims (8)

1.一种表面发射激光二极管，所述表面发射激光二极管具有有源放大区域(2)，有源放大区域(2)具有共振器长度，其中所述有源放大区域(2)由确定所述共振器长度的两个激光反射镜(1，3)界定，多个偏振选择层(4a，4b)被设置用于稳定位于至少一个所述激光反射镜(1，3)的与所述有源放大区域(2)相对的一侧的区域中的偏振，所述多个偏振选择层(4)与各个激光反射镜(1，3)平行地延伸且具有偏振相关的折射率，所述多个偏振选择层(4a，4b)各自相对于它们的偏振对准交替旋转90°，且对于一个偏振，所述多个偏振选择层(4a，4b)中的每一个的反射相位与所述多个偏振选择层位于其一侧的所述两个激光反射镜(1，3)中的一个激光反射镜(3)的反射相位相同，而对于另一个偏振，所述多个偏振选择层(4a，4b)中的每一个的反射相位与所述一个激光反射镜(3)的反射相位相反。
2.根据权利要求1所述的表面发射激光二极管，其特征在于，偏振选择层(4)直接放置至所述激光反射镜(1，3)中的一个。
3.根据权利要求1或2所述的表面发射激光二极管，其中，在远离各个激光反射镜(1，3)的一侧的所述多个偏振选择层(4a，4b)之后是各向同性层(5)。
4.根据权利要求3所述的表面发射激光二极管，其中，所述各向同性层(5)由氧化铝或氮化硅组成。
5.根据权利要求3所述的表面发射激光二极管，其中，所述各向同性层(5)的厚度与所述各向同性层(5)中的激光的波长的一半对应。
6.根据权利要求1或2所述的表面发射激光二极管，其中，所述多个偏振选择层(4a，4b)各自由介质组成。
7.根据权利要求6所述的表面发射激光二极管，其中，所述介质为硅。
8.根据权利要求6所述的表面发射激光二极管，其中，所述多个偏振选择层(4a，4b)各自通过斜角气相沉积到所述激光反射镜(1，3)上而形成。
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