CN104300363B - 外腔垂直腔面发射半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

外腔垂直腔面发射半导体激光器及其制备方法，属于激光器技术领域。解决了现有技术中外腔垂直腔面发射激光器单模输出稳定性较差，无法满足高功率激光器的应用要求的问题。该激光器包括依次排列的P面电极、P型DBR、有源区、N型DBR、衬底和N面电极，P型DBR中设有具有氧化孔的氧化限制层；还包括耦合腔和凹面镜，耦合腔的下表面固定在出光面上，且耦合腔遮挡出光孔，耦合腔的上表面为凸面；凹面镜由两种折射率不同的介质材料沿凸面从下至上交替排列组成，最下层介质材料的凹面与耦合腔的上表面紧密接触，凹面镜的外圆周面固定在出光面上，且凹面镜遮挡出光孔。该激光器能够减小高阶模式Q值，增大基膜的Q值，单模输出稳定性好。

Description

外腔垂直腔面发射半导体激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种外腔垂直腔面发射半导体激光器及其制备方法，属于激光器(VCSEL)技术领域。

背景技术

单模激光器由于具有良好的激光稳定性、相干性和光束质量，被广泛应用于通信、印刷、泵浦源、气体检测分析、电脑光学鼠标等领域。随着这些领域的进一步发展，要求VCSEL能够实现大功率的单模输出。但是由于DBR(分布式布拉格反射镜)结构的均匀反射特性，使得激光器对多种模式都有较高的反射率，容易产生多模震荡，引起激光器的发散角变大以及光谱线宽变宽等问题。

为了解决这一问题，现有技术在垂直腔面发射激光器的P型DBR表面上生长耦合腔，并固定支撑架，再将预先制备好的平面镜固定在支撑架上，以降低高阶模式的反射率，进而减少多模震荡。如图1所示，现有技术中，外腔垂直腔面发射激光器主要包括从上至下依次紧密排列的P面电极3、P型DBR4(包括设有氧化孔6的氧化限制层5、有源区7、N型DBR8、衬底9和N面电极10，还包括底端固定在P型DBR4上表面的支撑架11，和下表面固定在支撑架11顶端的平面镜01，其中，平面镜01遮挡出光孔，由从上至下交替排列的两种折射率不同的介质材料组成。虽然，这种激光器能够降低多模振荡，但是其仍无法满足高功率激光器的应用要求功率，基膜对高阶模式的抑制作用小，在基膜输出时，高阶模式也容易输出，单模输出稳定性较差。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中外腔垂直腔面发射激光器单模输出稳定性较差，无法满足高功率激光器的应用要求的问题，提供一种外腔垂直腔面发射半导体激光器及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下。

外腔垂直腔面发射半导体激光器，包括依次排列的P面电极、P型DBR、有源区、N型DBR、衬底和N面电极，所述P型DBR中设有具有氧化孔的氧化限制层；

还包括，耦合腔和凹面镜；

所述耦合腔的下表面固定在出光面上，且耦合腔遮挡出光孔，耦合腔的上表面为凸面；

所述凹面镜由两种折射率不同的介质材料从下至上交替排列组成，每层介质材料的下表面均为凹面，上表面均为凸面，最下层介质材料的凹面与耦合腔的上表面紧密接触，凹面镜的外圆周面固定在出光面上，且凹面镜遮挡出光孔。

进一步的，所述耦合腔的材料为介质材料或者空气。

进一步的，所述P型DBR、有源区、N型DBR、衬底和N面电极从上至下依次排列，P面电极固定在P型DBR上表面的边缘，当耦合腔为介质材料时，耦合腔的下表面固定在P型DBR的上表面上，凹面镜的下表面固定在耦合腔的上表面上，凹面镜的外圆周面固定在P型DBR的上表面上；当耦合腔为空气时，凹面镜的外圆周面固定在P型DBR的上表面上，凹面镜与P型DBR形成的腔体为耦合腔。

进一步的，所述衬底、N型DBR、有源区、P型DBR和P面电极从上至下依次排列，N面电极固定在衬底上表面的边缘，当耦合腔为介质材料时，耦合腔的下表面固定在衬底的上表面上，凹面镜的下表面固定在耦合腔的上表面上，凹面镜的外圆周面固定在衬底的上表面上；当耦合腔为空气时，凹面镜的外圆周面固定在衬底的上表面上，凹面镜与衬底形成的腔体为耦合腔。

进一步的，所述衬底、N型DBR、有源区、P型DBR和P面电极从上至下依次排列，N面电极固定在衬底的上表面边缘，当耦合腔为介质材料时，凹面镜的下表面固定在耦合腔的上表面上，耦合腔的下表面和凹面镜的外圆周面均固定在衬底的凹槽内；当耦合腔为空气时，凹面镜的外圆周面固定在衬底的凹槽内，凹面镜与衬底的凹槽形成的腔体为耦合腔。

进一步的，所述凹面镜每层介质材料的厚度为四分之一波长。

进一步的，所述凹面镜的焦点与氧化孔的中心在一条直线上。

进一步的，所述凹面镜到氧化孔的距离小于凹面镜的焦距。

进一步的，所述耦合腔的光程小于波长的100倍。

上述外腔垂直腔面发射半导体激光器的制备方法，当耦合腔为介质材料时，包括以下步骤：

步骤一、对外延片的p面光刻、显影后，干法刻蚀至N型DBR上方，得到P型DBR台面；

步骤二、对外延片进行测氧化，得到具有氧化孔的氧化限制层；

步骤三、在P型DBR上生长P面电极；

步骤四、将衬底减薄抛光后在衬底上生长N面电极；

步骤五、在P型DBR表面、衬底表面或者衬底凹槽内，生长耦合腔，然后将耦合腔的上表面刻蚀成凸面，再在耦合腔的上表面上从下至上交替生长两种折射率不同的介质材料，形成凹面镜，得到外腔垂直腔面发射半导体激光器。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明的外腔激光器将凹面镜集成于出光面，利用凹面镜构成了凹形外腔，使高阶模式的Q值减小，损耗增加，而基膜的Q值增大，损耗减小，具有很好的单模输出稳定性和较高的单模输出功率；

(2)本发明的外腔激光器的耦合腔采用介质材料时，凹面镜集成于介质表面，激光器可靠性更高；

(3)本发明的外腔激光器制备简单，便于生产。

附图说明

图1为现有技术中外腔VCSEL的结构示意图；

图2为本发明外腔VCSEL在出光面为P面时的结构示意图；

图3为本发明外腔VCSEL在出光面为N面时的结构示意图；

图中，01、平面镜，1、凹面镜，2、耦合腔，3、P面电极，4、P型DBR，5、氧化限制层，6、氧化孔，7、有源区，8、N型DBR，9、衬底，10、N面电极，11、支撑架。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

如图2和图3所示，本发明的外腔垂直腔面发射半导体激光器包括凹面镜1、耦合腔2、P面电极3、P型DBR4、有源区7、N型DBR8、衬底9和N面电极10，其中，P面电极3、P型DBR4、氧化限制层5、有源区7、N型DBR8、衬底9和N面电极10依据出光面的不同可以从上至下或者从下至上依次紧密排列。P型DBR4和N型DBR8均为多层结构，P型DBR4的任意一层上设有氧化孔6，该层即为氧化限制层5，氧化孔6一般为圆形。耦合腔2的材料为介质材料或者空气，耦合腔2的下表面为平面且固定在出光面上，耦合腔2上表面为凸面，用于固定凹面镜1，且耦合腔2能够遮挡出光孔，耦合腔2一般为凸透镜形状，耦合腔(2)的光程小于波长的100倍。凹面镜1的下表面为凹面，上表面为凸面，凹面镜1由两种折射率不同的介质材料沿耦合腔2的凸面从下至上依次排列组成，每层介质材料的下表面均为凹面，上表面均为凸面，最下层介质材料的下表面与耦合腔2的上表面紧密接触，凹面镜1的外圆周面固定在出光面上，凹面镜1也能够遮挡出光孔。

当出光面位于P面时，如图2所示，P型DBR4、氧化限制层5、有源区7、N型DBR8、衬底9和N面电极10从上至下依次紧密排列，P面电极3一般为环形，固定在P型DBR4上表面的边缘，当耦合腔2为介质材料时，耦合腔2的下表面固定在P型DBR4上表面的中心区域上，凹面镜1的下表面固定在耦合腔2的上表面上，凹面镜1的外圆周面固定在P型DBR4的上表面上，且固定位置位于P面电极3和耦合腔2之间；当耦合腔2为空气时，凹面镜1的外圆周面固定在P型DBR4的上表面上，且固定位置靠近P面电极3的内边缘，凹面镜1与P型DBR4形成的腔体为耦合腔2。

当出光孔位于N面，如图3所示，衬底9、N型DBR8、有源区7、P型DBR4和P面电极3从上至下依次紧密排列，N面电极10一般为环形，固定在衬底9的上表面边缘，当耦合腔2为介质材料时，耦合腔2的下表面固定在衬底9凹槽的底面上，凹面镜1的下表面固定在耦合腔2的上表面上，凹面镜1的外圆周面固定在衬底9的凹槽内壁上；当耦合腔2为空气时，凹面镜1的外圆周面固定在衬底9的凹槽内壁上，且遮挡出光孔，凹面镜1与衬底9的凹槽形成的腔体为耦合腔2。

当出光孔位于N面，还可以是衬底9、N型DBR8、有源区7、P型DBR4和P面电极3从上至下依次紧密排列，N面电极10一般为环形，固定在衬底9的上表面边缘，当耦合腔2为介质材料时，耦合腔2的下表面固定在衬底9的上表面的中心区域上，凹面镜1的下表面固定在耦合腔2的上表面上，凹面镜1的外圆周面固定在衬底9的上表面上，且固定位置位于N面电极10和耦合腔2之间；当耦合腔2为空气时，凹面镜1的外圆周面固定在衬底9的上表面上，且固定位置靠近N面电极10的内边缘，凹面镜1与衬底9形成的腔体为耦合腔2。

本实施方式中，凹面镜1的两种介质材料只要折射率不同就可以，没有其它特殊限制，如可以为折射率不同的二氧化硅和二氧化钛；每层介质材料的厚度为四分之一波长，凹面镜1的焦点与氧化孔6的中心在同一条直线上，凹面镜1的面积大于氧化孔6的面积，且小于P型DBR4的面积，凹面镜1到氧化孔6的距离小于凹面镜1的焦距。

本实施方式中，P型DBR4和N型DBR8均为多层结构，由交替排列的高折射率介质材料和低折射率介质材料组成，按本领域技术人员公知常识，一般与P面电极3接触的为高折射率介质材料，与有源区7接触的为低折射率介质材料，与衬底9接触的为高折射率介质材料；高折射率介质材料和低折射率介质材料的厚度均为四分之一光学波长：低折射率介质材料为高铝组分的铝镓砷材料，高折射率介质材料为低铝组分的铝镓砷材料，高铝组分的铝镓砷材料和低铝组分的铝镓砷材料为本领域人员公知技术。

本实施方式中，有源区7的材料一般为GaAs的化合物，厚度一般为一个光学波长，P面电极3和N面电极10的材料一般为金，厚度一般为200nm-400nm，衬底9的材料一般为GaAs。本实施方式中，各层的尺寸依据实际需要设置，优选各层的中心在同一条直线上。

上述外腔垂直腔面发射半导体激光器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、清洗外延片，对清洗好的外延片p面第一次光刻、显影，干法刻蚀p面后出现P型DBR台面4，刻蚀深度为正好到达N型DBR8上方；

其中，外延片通过本领域技术人员公知方式可以获得，一般采用商购；

步骤二、对P型DBR台面4进行测氧化，得到具有氧化孔5的氧化限制层6；

当出光面为P面，P型DBR4、有源区7、N型DBR8和衬底9从上至下依次排列；

步骤三、利用lift-off工艺在P型DBR4的上表面边缘生长P面电极3；

步骤四、减薄抛光衬底9，然后在衬底9的下表面上生长N面电极10；

步骤五、制作耦合腔2和凹面镜1：

当耦合腔2为介质时，在位于出光孔上方的P型DBR4的上表面生长一层介质材料，然后通过干法刻蚀或湿法腐蚀将介质材料上表面刻蚀成凸面，得到耦合腔2；然后沿耦合腔2的上表面从下至上交替生长两种折射率不同的介质材料，形成凹面镜1；

当耦合腔2为空气时，将制作好的凹面镜1焊接固定在位于出光孔上方的P型DBR4的上表面上；或者，在位于出光孔上方的P型DBR4的上表面生长一层介质材料，然后通过干法刻蚀或湿法腐蚀将介质材料上表面刻蚀成凸面，得到牺牲层；然后沿牺牲层的上表面从下至上交替生长两种折射率不同的介质材料，形成凹面镜1，再将牺牲层腐蚀掉；

当出光面为N面，衬底9、N型DBR8、有源区7、P型DBR4和P面电极3从上至下依次排列；

步骤三、利用lift-off工艺在P型DBR4的下表面生长P面电极3；

步骤四、减薄抛光衬底9，然后在衬底9的上表面边缘上生长N面电极10；

步骤五、制作耦合腔2和凹面镜1：

当耦合为介质时，

对位于出光孔上方的衬底9进行刻蚀，得到凹槽，再在凹槽内生长一层介质材料，或者直接在位于出光孔上方的衬底9的上表面生长一层介质材料；然后通过干法刻蚀或湿法腐蚀将介质材料的上表面刻蚀成凸面，得到耦合腔2；然后，沿耦合腔2的上表面从下至上交替生长两种折射率不同的介质材料，形成凹面镜1；

当耦合为空气时，对位于出光孔上方的衬底9进行刻蚀，得到凹槽，将制作好的凹面镜1的外圆周面焊接固定在凹槽内壁上，且遮挡出光孔，或者将制作好的凹面镜1焊接固定在位于出光孔上方的衬底9的上表面上；或者对位于出光孔上方的衬底9进行刻蚀，得到凹槽，再在凹槽内生长一层介质材料，或者直接在位于出光孔上方的衬底9的上表面生长一层介质材料；然后通过干法刻蚀或湿法腐蚀将介质材料的上表面刻蚀成凸面，得到牺牲层；然后，沿牺牲层的上表面从下至上交替生长两种折射率不同的介质材料，形成凹面镜1；

步骤六、解理，测试，封装，得到外腔垂直腔面发射半导体激光器。

实施例1

如图2所示，外腔垂直腔面发射半导体激光器包括从上至下依次紧密排列P型DBR4、氧化限制层5、有源区7、N型DBR8、衬底9和N面电极10，P型DBR4为圆柱形，P型DBR4中设有具有圆形氧化孔6的氧化限制层5，P面电极3为圆环形，固定在P型DBR4上表面的边缘，耦合腔2为空气，凹面镜1的外圆周面固定在P型DBR4的上表面上，且固定位置靠近P面电极3的内边缘，且遮挡出光孔，凹面镜1与P型DBR4形成的腔体为耦合腔2。

其中，P面电极3圆环宽度为2μm，外圆直径为10μm，厚度300nm，P型DBR4台面直径为10μm，P型DBR4由十对交替排列的高折射率材料(折射率3.52)和低折射率材料(折射率3.12)组成，N型DBR8由三十四对交替排列的高折射率材料(折射率3.52)和低折射率材料(折射率3.12)组成，每层高折射率材料和每层低折射率材料的厚度均为四分之一光学波长，氧化限制层5的折射率为1.76，氧化孔6的直径为8μm，有源区7的折射率为3.32，厚度为一个光学波长，衬底9的直径为12μm，厚度为5μm，折射率为3.6，N面电极10的直径为12μm，厚度为300nm，耦合腔2的直径为2.4μm，凹面镜1由从上至下交替排列的二氧化硅(折射率1.45)和二氧化钛(折射率2.43)组成，共七对，每层二氧化硅和每层二氧化钛的厚度均为四分之一光学波长，凹面镜1上表面的曲率半径13μm，入射波长为850nm，凹面镜1的焦点位于氧化孔6的对称中心轴上。

对比例1

如图1所示，外腔垂直腔面发射半导体激光器包括从上至下依次紧密排列的P型DBR4、有源区7、N型DBR8、衬底9和N面电极10，P型DBR4中设有具有圆形氧化孔6的氧化限制层5，还包括平面镜01、耦合腔2、P面电极3、和支撑架11，平面镜01由从上至下交替的二氧化硅(折射率1.45)和二氧化钛(折射率2.43)组成，共七对，每层二氧化硅和二氧化钛的上下表面均为平面，平面镜01为圆柱形结构，直径为10μm，平面镜01的底面边缘固定在支撑架11的顶端，支撑架11的底端固定在P型DBR4的上表面上，且支撑架11不遮挡出光孔，平面镜01与氧化孔6的对称中心轴共线，对比例1的其他条件均与实施例1相同。

对实施例1和对比例1的外腔垂直腔面发射半导体激光器进行Q值计算，计算得到表1所示的Q值，相比于外腔镜为平面镜的Q值，外腔镜为凹面镜的Q值分布中，同一阶模式的Q值，基膜的Q值增大，而高阶模式的Q值减小，表明基膜和高阶模式的Q值的差值增大，表明高阶模式的阈值变得更高，基膜更有利于抑制高阶模式。

表1对比例1与实施例1的激光器的Q值

显然，以上实施方式的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.外腔垂直腔面发射半导体激光器，包括依次排列的P面电极(3)、P型DBR(4)、有源区(7)、N型DBR(8)、衬底(9)和N面电极(10)，所述衬底(9)、N型DBR(8)、有源区(7)、P型DBR(4)和P面电极(3)从上至下依次排列，N面电极(10)固定在衬底(9)的上表面边缘，P型DBR(4)中设有具有氧化孔(6)的氧化限制层(5)；

其特征在于，

还包括，耦合腔(2)和凹面镜(1)；

所述耦合腔(2)的下表面固定在出光面上，且耦合腔(2)遮挡出光孔，耦合腔(2)的上表面为凸面，所述耦合腔(2)的光程小于波长的100倍；

所述凹面镜(1)由两种折射率不同的介质材料从下至上交替排列组成，每层介质材料的下表面均为凹面，上表面均为凸面，最下层介质材料的凹面与耦合腔(2)的上表面紧密接触，凹面镜(1)的外圆周面固定在出光面上，且凹面镜(1)遮挡出光孔，凹面镜(1)到氧化孔(6)的距离小于凹面镜(1)的焦距；

耦合腔(2)的材料为介质材料或者空气，当耦合腔(2)为介质材料时，凹面镜(1)的下表面固定在耦合腔(2)的上表面上，耦合腔(2)的下表面和凹面镜(1)的外圆周面均固定在衬底(9)的凹槽内；当耦合腔(2)为空气时，凹面镜(1)的外圆周面固定在衬底(9)的凹槽内，凹面镜(1)与衬底(9)的凹槽形成的腔体为耦合腔(2)；

所述激光器是 具有很好的单模输出稳定性和较高的单模输出功率的垂直腔面激光器。

2.根据权利要求1所述的外腔垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述凹面镜(1)每层介质材料的厚度为四分之一波长。

3.根据权利要求1所述的外腔垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述凹面镜(1)的焦点与氧化孔(6)的中心在一条直线上。

4.根据权利要求1-3任何一项所述的外腔垂直腔面发射半导体激光器的制备方法，当耦合腔(2)为介质材料时，包括以下步骤：

步骤一、对外延片的p面光刻、显影后，干法刻蚀至N型DBR(8)上方，得到P型DBR(4)台面；

步骤二、对外延片进行测氧化，得到具有氧化孔(6)的氧化限制层(5)；

步骤三、在P型DBR(4)上生长P面电极(3)；

步骤四、将衬底(9)减薄抛光后在衬底(9)上生长N面电极(10)；

其特征在于，

步骤五、在衬底(9)凹槽内，生长耦合腔(2)，然后将耦合腔(2)的上表面刻蚀成凸面，再在耦合腔(2)的上表面上从下至上交替生长两种折射率不同的介质材料，形成凹面镜(1)，得到外腔垂直腔面发射半导体激光器。