CN105428999A - 少模面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了少模面发射激光器结构，其中包括：一衬底，该衬底用于在其上生长激光器各外延层材料；一n型分布布拉格反射器(DBR)，该n型DBR制作在衬底上；一n型限制层，该n型限制层制作在n型DBR上；一有源层，该有源层制作在n型限制层上；一p型限制层，该p型限制层制作在有源区上；一p型DBR，该p型DBR制作在p型限制层上；一离子注入区，该离子注入区注入在p型DBR以及p型限制层特定的区域中，并与有源区保持一定的距离，对注入载流子进行限制作用；一p面电极，该p面电极制作在p型DBR上，包含三个透明电极，不同电极用来调制不同的横模模式；一n面电极，该n面电极制作在衬底的下面。

Description

少模面发射激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别是涉及少模面发射激光器。
背景技术
在即将到来的信息时代中，集成电路特征尺寸按比例缩小产生了很大的困难。在电互联发展遇到瓶颈的情况下，光互连一直是研究的热点。而低成本、高性能的光源在系统中的地位越来越突出并且愈加受到重视。面发射激光器作为半导体激光技术中的新型器件，相比较其他类型的激光器，主要优势有：(1)面发射激光器的输出孔径比其他类型激光器更大而且为圆形，并且发散角度较小，所以面发射激光器和光波导以及其他光学元件的耦合效率较高；(2)高松弛震荡频率，高带宽可作为高速传输器件的光源。(3)谐振腔体积小，腔长较短，可以低阈值激射；(4)由于高量子效率，可以减少器件内非光学损耗，可以预计将有较高的器件寿命；(5)由于容易集成等特性，面发射激光器是构成二维半导体阵列最有竞争力的光源；(6)面发射激光器在工艺完成之前就可以对芯片进行提前测试，提高成品率，减少制造成本。垂直腔面发射激光器的出现正引发了半导体激光器领域的一场革命，因而在多通道高速光通迅、光学信号处理、高密度光存储、光互连及光学读写等方面有重要应用价值。
同时，随着以个人移动和固定宽带为代表的通信业务的不断普及，互联网和大型数据中心为代表的IT业务的迅猛发展，使得当前信息化社会对于网络带宽的需求达到了前所未有的高度。由于单模光纤自身固有的非线性效应限制，以现在的趋势发展下去，单模光纤可能在未来不远的时间达到可以预见的“带宽耗尽”，因此研究者们将目光转移到了模式复用来开辟新的自由度，解决单模光纤日益紧张的带宽资源和即将来到的“带宽瓶颈”。少模光纤的模式复用就是在这种大背景下应运而生的。
基于少模光纤的模式复用，是指利用少模光纤中有限的正交模式作为独立信道进行信息传送，以成倍的提升系统传输容量。少模光纤采用光纤中的不同模式，做为新的自由度加以利用，成功地提高了系统的频谱效率；由于少模光纤的模式具有比较大的模场面积，因此其非线性容限也很高，这样既提高了光传输系统的容量，又避免了非线性效应对系统的干扰。因此采用少模光纤中有限的、稳定的模式作为独立信道进行模式复用，可以极大提高系统容量，解决未来单模光纤的带宽危机。
由于面发射激光器单纵模，多横模，阈值电流低，可二维集成等优点，针对模式复用技术的少模光纤，本发明公开了一种少模的面发射激光器。采用多个透明电极，通过离子注入限制区的限制作用，使不同电极注入的载流子注入到面发射激光器有源区对应的横模模式处，从而实现对激光器不同横模的分别调制。
同时针对多维复用技术的光通信网络，以现有的多芯少模光纤为参考，开发出少模面发射激光器阵列。该少模面发射激光器阵列可与多芯少模光纤耦合，实现多模式复用，来满足多维复用技术光通信系统的要求，解决现有光通信网络传输容量的巨大压力，突破当前传送网络的容量瓶颈，节能友好地建设国家宽带网络，为下一代大容量光纤通信提供技术支撑。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提供一种少模面发射激光器结构及其阵列，可与少模光纤及多芯少模光纤实现耦合，应用于多维复用光纤通信网络中，大大提高通信系统的传输容量。
(二)技术方案
根据本发明提出的少模面发射激光器，其包括：衬底，该衬底用于在其上生长激光器各外延层材料；n型分布布拉格反射器DBR，该n型DBR制作在衬底上；n型限制层，该n型限制层制作在n型DBR上；有源层，该有源层制作在n型限制层上；p型限制层，该p型限制层制作在有源区上；p型DBR，该p型DBR制作在p型限制层上；离子注入区，该离子注入区注入在p型DBR以及p型限制层特定的区域中，并与有源区保持一定的距离，对注入载流子进行限制作用；p面电极，该p面电极制作在p型DBR上，包含三个透明电极，不同电极用来调制不同的横模模式；n面电极，该n面电极制作在衬底的下面。
(三)有益效果
本发明具有以下有益效果：1)本发明提供的少模面发射激光器，采用三个透明顶电极，利用离子注入限制区对各个电极注入的载流子进行隔离，从而使各个电极注入载流子到有源区对应的模式处，实现了对激光器不同模式的分别调制；2)本发明提供的少模面发射激光器，选择有源区材料不同可实现不同波长激光的激射和调制，尤其对1.55μm波长的激光，可采用GaAs基DBR与InP基有源区谐振器键合技术，以及离子注入限制载流子技术，实现该波长激光的稳定激射及调制；3)本发明提供的少模面发射激光器，通过优化各个电极的位置以及注入孔径，使各个模式能够稳定，均衡输出，从而在光通信系统中，保证各个模式功率均衡，减少误差。4)本发明提供的少模面发射激光器，可做成与少模光纤或多芯少模光纤耦合的少模面发射激光器或少模面发射激光器阵列，应用于多维光通信网络中，能够大大提高通信系统的传输容量。5)本发明提供的少模面发射激光器，采用离子注入技术，制作工艺简单，成本较低，有利于大规模生产和市场应用。
附图说明
图1是本发明中少模面发射激光器结构示意图；
图2是本发明中p面电极及有源区上部离子注入区分布顶视图；
图3是本发明中少模面发射激光器阵列示意图。
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。
图1是本发明中少模面发射激光器结构示意图。请参照图1，该激光器包括：衬底102，该衬底用于在其上生长激光器各外延层材料；n型分布布拉格反射器(DBR)103，该n型DBR103制作在衬底102上；n型限制层104，该n型限制层104制作在n型DBR103上；有源层105，该有源层105制作在n型限制层104上；p型限制层106，该p型限制层106制作在有源区105上；p型DBR107，该p型DBR107制作在p型限制层106上；离子注入区108，该离子注入区108注入在p型DBR107以及p型限制层106特定的区域中，并与有源区105保持一定的距离，对注入载流子进行限制作用；p面电极109，该p面电极109制作在p型DBR107上，包含三个透明电极，不同电极用来调制不同的横模模式；n面电极101，该n面电极101制作在衬底102的下面。
衬底材料一般为GaAs材料。DBR的材料一般为重复交替生长的GaAs/AlGaAs材料，DBR为重复交替地堆叠的具有不同折射率的两种半导体层，每个半导体层的光学厚度为该激光器发射波长的四分之一，每个DBR一般包含20-40对不掺杂的GaAs/AlGaAs半导体层。根据有源区材料的不同，势垒限制层可选择的材料有：AlGaAs材料，InAlAs材料，InGaAsP材料等，两势垒限制层具有较大的厚度，能够将载流子限制在量子阱中。本发明的少模面发射激光器发射激光器根据激光波长的不同有源区可选择的材料有：InGaAlAs材料，InGaAsP材料或AlGaAs材料等。有源区包括多层重复交替生长的有源区材料构成多对量子阱。顶部具有三个电极，其位置分别对应激光器有源区的三个不同横模模式，不同电极注入载流子到有源区相应的横模模式处，实现不同电极对不同模式的调制作用，三个电极分别调制面发射激光器的横模LP01模以及两个简并的LP11模，顶部的三个电极为透明电极，能够使不同模式的激光顺利射出。
本发明通过离子注入技术将离子注入到特定的区域，使该区域成为高阻区域，那么由于在某一区域的载流子不能通过高阻区域到达其他区域，从而流入有源区特定的区域。不同电极注入的载流子被离子注入区隔离，从而流入对应的有源区横模模式处，实现不同电极对激光器不同横模模式的分别调制。离子注入可选择的离子包括：H离子，O离子，He离子等。根据本发明，上下DBR中心波长、有源区激射波长以及光学腔长三者统一。
根据少模光纤或多芯少模光纤，设计和制作与之耦合的少模面发射激光器或少模面发射激光器阵列，应用于多维复用通信系统中，提高通信系统传输容量。针对通信系统所需的1.55μm波长的激光，可采用键合技术将InP基有源区谐振器与GaAs基DBR键合在一起，实现该波长激光的激射。所需的少模面发射激光器的横模模式不同，电极的个数，位置等不同；相应的离子注入限制区不同。需耦合的多芯少模光纤不同，少模面发射激光器阵列中激光器的位置，个数等不同。
图2是本发明中少模面发射激光器的p面电极及有源区上部离子注入区分布顶视图。参照图2，三个透明电极，分别为电极一202、电极二203、电极三204，其位置分别对应有源区相应的横模模式处(其中电极一202对应横模LP01，电极二203对应横模LP11 cos，电极三204对应横模LP11 sin)。
离子注入限制区201如图2所示。将离子注入到少模面发射激光器中特定的位置，其中注入深度要与有源区保持一定的距离，将不同电极注入的载流子进行隔离。注入离子的类型，能量以及剂量根据注入的材料，深度，体积等决定。
通过离子注入限制区201的隔离作用，使不同电极的的载流子注入到有源区对应模式处，实现对少模面发射激光器的各个模式的分别调制。同时，透明电极能使激光透过电极顺利发出。
图3是本发明中少模面发射激光器阵列示意图。参照图3，现有技术中多芯少模光纤，例如7芯少模光纤，每个芯的少模光纤支持LP01模，以及两个简并的LP11模。光纤采用孔辅助结构来获得低的芯间串扰以及高的模密度。该多芯少模光纤每个波长每个偏振态可允许21个空间模式复用传输。其中，芯直径为13.1μm，芯间距为40μm，包层直径为192μm，涂层直径为375μm。
为了与上述多芯少模光纤耦合，所设计的少模面发射激光器阵列，每个少模面发射激光器的有源区出光面直径d低于13.1μm，相邻两激光器有源区的中心间距Λ为40μm。参照多芯少模光纤，我们制作的激光器阵列包含7个少模面发射激光器，每个少模面发射激光器出射LP01模以及两个简并的LP11模。
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 (18)

1.一种少模面发射激光器，其包括：
衬底，该衬底用于在其上生长激光器各外延层材料；
n型分布布拉格反射器DBR，该n型DBR制作在衬底上；
n型限制层，该n型限制层制作在n型DBR上；
有源层，该有源层制作在n型限制层上；
p型限制层，该p型限制层制作在有源区上；
p型DBR，该p型DBR制作在p型限制层上；
离子注入区，该离子注入区注入在p型DBR以及p型限制层特定的区域中，并与有源区保持一定的距离，对注入载流子进行限制作用；
p面电极，该p面电极制作在p型DBR上，包含三个透明电极，不同电极用来调制不同的横模模式；
n面电极，该n面电极制作在衬底的下面。
2.根据权利要求1所述的少模面发射激光器，其特征在于，衬底材料为GaAs材料。
3.根据权利要求1所述的少模面发射激光器，其特征在于，DBR的材料为重复交替生长的GaAs/AlGaAs材料。
4.根据权利要求3所述的少模面发射激光器，其特征在于，所述的DBR为重复交替地堆叠的具有不同折射率的两种半导体层，每个半导体层的光学厚度为该激光器发射波长的四分之一。
5.根据权利要求1所述的少模面发射激光器，其特征在于，每个DBR包含20-40对不掺杂的GaAs/AlGaAs半导体层。
6.根据权利要求1所述的少模面发射激光器，其特征在于，根据有源区材料的不同，势垒限制层使用AlGaAs材料，InAlAs材料或者InGaAsP材料。
7.根据权利要求1所述的少模面发射激光器，其特征在于，两势垒限制层的厚度能够将载流子限制在量子阱中。
8.根据权利要求1所述的少模面发射激光器，其特征在于，所述的面发射激光器根据激光波长的不同，有源区使用的材料为InGaAlAs材料，InGaAsP材料或AlGaAs材料。
9.根据权利要求8所述的少模面发射激光器，其特征在于，有源区包括：多层重复交替生长的有源区材料构成多对量子阱。
10.根据权利要求1所述的少模面发射激光器，其特征在于，顶部具有三个电极，其位置分别对应激光器有源区的三个不同横模模式，不同电极注入载流子到有源区相应的横模模式处，实现不同电极对不同模式的调制作用。
11.根据权利要求10所述的少模面发射激光器，其特征在于，三个电极分别调制面发射激光器的横模LP01模以及两个简并的LP11模。
12.根据权利要求10所述的少模面发射激光器，其特征在于，顶部的三个电极为透明电极，能够使不同模式的激光顺利射出。
13.根据权利要求1所述的少模面发射激光器，其特征在于，通过离子注入技术将离子注入到特定的区域，使该区域成为高阻区域，由于在某一区域的载流子不能通过高阻区域到达其他区域，从而流入有源区特定的区域。
14.根据权利要求13所述的少模面发射激光器，其特征在于，不同电极注入的载流子被离子注入区隔离，从而流入对应的有源区横模模式处，实现不同电极对激光器不同横模模式的分别调制。
15.根据权利要求13所述的少模面发射激光器，其特征在于，离子注入可选择的离子包括：H离子，O离子，He离子。
16.根据权利要求1所述的少模面发射激光器，其特征在于，上下DBR中心波长、有源区激射波长以及光学腔长三者统一。
17.根据权利要求1所述的少模面发射激光器，其特征在于，根据少模光纤或多芯少模光纤，设计和制作与之耦合的少模面发射激光器或少模面发射激光器阵列，应用于多维复用通信系统中，提高通信系统传输容量。
18.根据权利要求17所述的少模面发射激光器，其特征在于，针对通信系统所需的1.55μm波长的激光，采用键合技术将InP基有源区谐振器与GaAs基DBR键合在一起，实现该波长激光的激射。
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