CN106058642B - 高对比度光栅耦合腔窄光谱线宽面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高对比度光栅耦合腔窄光谱线宽面发射激光器，属于光电子技术领域。将具有高反射率和反射带宽的高对比度光栅作为反射镜，通过微纳米加工工艺集成到基横模垂直腔面发射激光器顶部，通过高对比度光栅的高反射率对器件出射光进行反馈，对器件进行光注入，形成新型的耦合腔集成面发射激光器，实现器件的有效谐振腔的延长，进而压缩基横模垂直腔面发射激光器的光谱线宽，得到窄光谱线宽面发射激光器。低折射率支撑高对比度光栅结构的采用，简化上集成外腔制备难度，降低了器件加工工艺，且制备工艺为纯平面工艺，可有效提高器件的成品率及可靠性，具有光谱线宽调节范围大，压窄效果明显等优势，且设计制备简单。

Description

高对比度光栅耦合腔窄光谱线宽面发射激光器
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体是关于一种新型集成外腔垂直腔面发射半导体激光器的设计与制作。适合于多种波长的(650nm、850nm、852nm 980nm、1064nm、1310nm和1550nm等)垂直腔面发射半导体激光器。
背景技术
垂直腔面发射激光器(Vertical-cavity surface-emitting lasers,VCSELs)以其低成本，低功耗，易于封装，高光束质量，低电流状态下优异的高速调制特性等性能优势，在短距离数据传输、光互联、光存储等方面有着很好的应用。然而普通VCSEL由于其多横模激射和偏振方向不稳定等缺点，限制了其在传感和芯片级原子钟微系统等领域中的应用。近年来，随着光子晶体(Photonic crystal,PhC)、表面浅刻蚀(surface relief,SR)、延长谐振腔(extended cavity,EC)等技术和结构在VCSEL器件中的应用，基横模高功率VCSEL被成功制备[8-11]。此后，人们又通过改变光子晶体和表面浅刻蚀等微结构的对称性，解决了VCSEL的偏振不稳定性问题，制备出偏振稳定基横模器件。基于VCSEL在模式和偏振控制方面的发展，结合其在高温连续工作、低阈值电流、低功耗、易于加工与集成、光波长随温度漂移小等优势以及碱金属原子相干布居俘获技术的发展，VCSEL成为原子钟，磁力计，和陀螺仪等新型原子微系统的核心光源。然而，目前的基横模单偏振VCSEL的光谱线宽宽度有100MHz，限制了VCSEL在原子传感等微系统的应用，研究制备高性能VCSEL器件以满足原子钟等新型微系统应用，成为目前人们研究的热点问题，其核心是制备窄光谱线宽VCSEL器件。对于VCSEL等半导体激光器，光谱线宽可以用C.H.Henry提出的修正Schawlow-Townes线宽公式Δν＝(hν/Po)(πnspηo)(Tc/ng2Lc)2(1+α2)给出，其中α为线宽展宽因子，Po是单模输出光功率，Lc为有效谐振腔长，T为谐振腔损耗，c为真空中光速，ng为群速度折射率，hν为光子能量，nsp是自发辐射因子，ηo光输出耦合效率。通过分析可以发现线宽展宽因子、单模出光功率、有效谐振腔长、谐振腔损耗等参数都会影响器件光谱线宽。通过合理的器件结构设计以及高质量外延材料的使用，减小线宽展宽因子α和谐振腔损耗T，降低自发辐射比例增加单模出光功率Po，达到压窄激光器光谱线宽的目地。器件有效谐振腔长度Lc作为影响VCSEL器件光谱线宽的重要因素之一，可以通过改变谐振腔长度的方式，对器件的光谱线宽进行压窄。高对比度光栅(high contrast grating，HCG)是一种由介质材料组成具有极高反射率和反射带宽的亚波长光栅结构，具有极高的反射率和反射带宽。
基于此，本发明用高对比度光栅结构作为外腔反射镜，集成到基横模器件的顶部，增加器件的有效谐振腔长度，在控制偏振及模式的基础上，进一步压窄器件的光谱线宽，达到对器件偏振、模式以及线宽的有效控制，制备出具有低阈值电流、偏振稳定、基横模、窄光谱线宽的高性能面发射激光器。
发明内容
本发明将具有高反射率和反射带宽的高对比度光栅作为反射镜，通过微纳米加工工艺集成到基横模垂直腔面发射激光器顶部，通过高对比度光栅的高反射率对器件出射光进行反馈，对器件进行光注入，形成新型的耦合腔集成面发射激光器，实现器件的有效谐振腔的延长，进而压缩基横模垂直腔面发射激光器的光谱线宽，得到窄光谱线宽面发射激光器。
为达到上述目的，本发明的集成高对比度光栅平面外腔窄线宽面发射激光器采用了全新的物理思想，采用了外延生长技术和半导体平面微纳米加工工艺，对器件进行了全新的设计与制作。该器件材料利用MOCVD或MBE外延生长技术生长，具体的制作工艺如下：在衬底7上生长下DBR6、有源区5、Al0.98Ga0.02As高铝组分的氧化限制层4、周期交替生长的上分布布拉格反射镜(上DBR)3、P型欧姆接触层2、上金属电极(P型金属电极)1，N型金属电极8设置在衬底7底部，氧化孔9设置在Al0.98Ga0.02As高铝组分的氧化限制层4中间位置，出光孔10设置在上金属电极1中间位置，通过采用微纳米结构控制器件的模式和偏振特性，制备出基横模偏振稳定VCSEL。
在获得偏振稳定基横模VCSEL后，通过等离子体化学气相沉积或者磁控溅射将低折射率介质层11沉积到上金属电极1的顶部，该低折射率介质层11厚度为激光器激射波长的整数倍，根据器件线宽设计，如10λ。再通过磁控溅射工艺在低折射率介质层11的顶部生长一层厚度为100nm-400nm的高对比度光栅层12，再通过电子束曝光和干涉光刻将所需的周期200nm-400nm高对比度光栅图形制备在高对比度光栅层12上，通过干法刻蚀(感应耦合离子增强或者反应离子刻蚀)等刻蚀工艺，将其图形转移到高对比度光栅层12上，形成高对比度光栅13，高对比度光栅13呈条形等间距均匀对称布置。
通过在偏振稳定基横模面发射激光器顶部集成用低折射率介质支撑的高对比度光栅13形成光学外腔，构成耦合腔结构，来改善普通面发射激光器光谱线宽较大问题。低折射率介质支撑的高对比度光栅13位于器件出光孔10的顶部，通过平面工艺制备，由低折射率介质材料绕着高折射率材料构成，具有极高反射率和反射带宽，其反射率和反射带宽通过衬底折射率、光栅周期、占空比、刻蚀深度、形貌等多种因素进行调节。相对于传统的集成耦合外腔结构，具有加工工艺简单、易于制备、调节范围大、压窄效果好等特点。
在低折射率介质支撑层选取方面，选取折射率较低的二氧化硅和氧化铝低折射率材料，根据需求和波长设计进行选择。在高对比度光栅层12材料选取方面，对于不同的波长需要进行不同选择，对于激射波长1微米以上的激光器选择硅作为高折射率介质材料，对于激射波长大于870nm的器件，也选择GaAs材料(考虑GaAs的吸收峰)，而对于波长小于870nm器件，则选择TiO2等高折射率材料或者其他高折射率材料，其厚度需要与低折射率介质层进行匹配，一般厚度在200-400nm。高对比度光栅13的周期小于激光器激射波长，其中，980nm器件的光栅周期在360-440nm，占空比在0.4-0.7左右。
高对比度光栅13具体制作通过利用电子束曝光(EBL)技术将设计好的图形直写在电子束胶上。再通过显影将电子束胶上得到如图2中所示的高对比度光栅13图形，再利用感应耦合离子刻蚀(ICP)刻蚀掉未被保护的高折射率介质材料(如GaAs)去电子束胶得到图2中所示高对比度光栅13图形。除了以上制备方法外还能够通过用干涉光刻的方法，用光刻胶掩膜制备高对比度光栅13图形。具体步骤是依次用丙酮乙醇去离子水洗净器件芯片，然后烘干、在器件芯片表面甩上一层光刻胶、前烘坚膜、干涉光刻、显影、后烘、ICP刻蚀、去胶，得到高对比度光栅13。
通过以上各种方法制备的低折射率支撑型高对比度光栅耦合腔面发射激光器，利用高对比度光栅13具有高反射率和反射带宽的特性，形成光学外腔，对器件进行光反馈和注入，形成耦合外腔，进而延长器件的有效谐振腔长度Lc，实现光谱线宽压窄。低折射率介质支撑的高对比度光栅13与VCSEL结合起来，能够有效的压窄VCSEL的光谱线宽，获得高光谱质量窄光谱线宽VCSEL芯片。
与现有技术相比，本发明具有以下优点
1、低折射率支撑高对比度光栅结构的采用，简化上集成外腔制备难度，降低了器件加工工艺，且制备工艺为纯平面工艺，可有效提高器件的成品率及可靠性。
2、新型集成耦合外腔器件通过低折射率介质层调节器件光谱线宽，具有光谱线宽调节范围大，压窄效果明显等优势，且设计制备简单，是一种潜力巨大的光谱线宽调节控制方式。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明
图1、高对比度光栅耦合外腔窄光谱线宽面发射激光器示意图。
图2、高对比度光栅结构示意图。
1、上金属电极(P型金属电极)，2、P型欧姆接触层，3、周期交替生长的上分布布拉格反射镜(上DBR)，4、Al0.98Ga0.02As高铝组分的氧化限制层，5、有源区，6、周期交替生长的下分布布拉格反射镜(下DBR)，7、衬底，8、N型金属电极，9、氧化孔，10、出光孔，11、低折射率介质层，12、高对比度光栅层，13、高对比度光栅。
具体实施方式
以下结合附图1-2和实施例对本发明作进一步详细说明。
为达到上述目的，本发明的集成高对比度光栅平面外腔窄线宽面发射激光器采用了全新的物理思想，采用了外延生长技术和半导体平面微纳米加工工艺，对器件进行了全新的设计与制作。该器件材料利用MOCVD或MBE外延生长技术生长，具体的制作工艺如下：在衬底7上生长下DBR6、有源区5、Al0.98Ga0.02As高铝组分的氧化限制层4、周期交替生长的上分布布拉格反射镜(上DBR)3、P型欧姆接触层2、上金属电极(P型金属电极)1，N型金属电极8设置在衬底7底部，氧化孔9设置在Al0.98Ga0.02As高铝组分的氧化限制层4中间位置，出光孔10设置在上金属电极1中间位置，通过采用微纳米结构控制器件的模式和偏振特性，制备出基横模偏振稳定VCSEL。
在获得偏振稳定基横模VCSEL后，通过等离子体化学气相沉积或者磁控溅射将低折射率介质层11沉积到上金属电极1的顶部，该低折射率介质层11厚度为激光器激射波长的整数倍，根据器件线宽设计，如10λ。再通过磁控溅射工艺在低折射率介质层11的顶部生长一层厚度为100nm-400nm的高对比度光栅层12，再通过电子束曝光和干涉光刻将所需的周期200nm-400nm高对比度光栅图形制备在高对比度光栅层12上，通过干法刻蚀(感应耦合离子增强或者反应离子刻蚀)等刻蚀工艺，将其图形转移到高对比度光栅层12上，形成高对比度光栅13，高对比度光栅13呈条形等间距均匀对称布置。
通过在偏振稳定基横模面发射激光器顶部集成用低折射率介质支撑的高对比度光栅13形成光学外腔，构成耦合腔结构，来改善普通面发射激光器光谱线宽较大问题。低折射率介质支撑的高对比度光栅13位于器件出光孔10的顶部，通过平面工艺制备，由低折射率介质材料绕着高折射率材料构成，具有极高反射率和反射带宽，其反射率和反射带宽通过衬底折射率、光栅周期、占空比、刻蚀深度、形貌等多种因素进行调节。相对于传统的集成耦合外腔结构，具有加工工艺简单、易于制备、调节范围大、压窄效果好等特点。
在低折射率介质支撑层选取方面，选取折射率较低的二氧化硅和氧化铝低折射率材料，根据需求和波长设计进行选择。在高对比度光栅层12材料选取方面，对于不同的波长需要进行不同选择，对于激射波长1微米以上的激光器选择硅作为高折射率介质材料，对于激射波长大于870nm的器件，也选择GaAs材料(考虑GaAs的吸收峰)，而对于波长小于870nm器件，则选择TiO2等高折射率材料或者其他高折射率材料，其厚度需要与低折射率介质层进行匹配，一般厚度在200-400nm。高对比度光栅13的周期小于激光器激射波长，其中，980nm器件的光栅周期在360-440nm，占空比在0.4-0.7左右。
高对比度光栅13具体制作通过利用电子束曝光(EBL)技术将设计好的图形直写在电子束胶上。再通过显影将电子束胶上得到如图2中所示的高对比度光栅13图形，再利用感应耦合离子刻蚀(ICP)刻蚀掉未被保护的高折射率介质材料(如GaAs)去电子束胶得到图2中所示高对比度光栅13图形。除了以上制备方法外还能够通过用干涉光刻的方法，用光刻胶掩膜制备高对比度光栅13图形。具体步骤是依次用丙酮乙醇去离子水洗净器件芯片，然后烘干、在器件芯片表面甩上一层光刻胶、前烘坚膜、干涉光刻、显影、后烘、ICP刻蚀、去胶，得到高对比度光栅13。
通过以上各种方法制备的低折射率支撑型高对比度光栅耦合腔面发射激光器，利用高对比度光栅13具有高反射率和反射带宽的特性，形成光学外腔，对器件进行光反馈和注入，形成耦合外腔，进而延长器件的有效谐振腔长度Lc，实现光谱线宽压窄。低折射率介质支撑的高对比度光栅13与VCSEL结合起来，能够有效的压窄VCSEL的光谱线宽，获得高光谱质量窄光谱线宽VCSEL芯片。

Claims (6)

1.高对比度光栅耦合腔窄光谱线宽面发射激光器，其特征在于：本激光器采用了外延生长技术和半导体平面微纳米加工工艺，对器件进行了全新的设计与制作；该激光器材料利用MOCVD或MBE外延生长技术生长，具体的制作工艺如下：在衬底(7)上生长下DBR(6)、有源区(5)、Al0.98Ga0.02As高铝组分的氧化限制层(4)、周期交替生长的上分布布拉格反射镜(3)、P型欧姆接触层(2)、上金属电极(1)，N型金属电极(8)设置在衬底(7)底部，氧化孔(9)设置在Al0.98Ga0.02As高铝组分的氧化限制层(4)中间位置，出光孔(10)设置在上金属电极(1)中间位置，通过采用微纳米结构控制激光器的模式和偏振特性，制备出基横模偏振稳定VCSEL；
在获得偏振稳定基横模VCSEL后，通过等离子体化学气相沉积或者磁控溅射将低折射率介质层(11)沉积到上金属电极(1)的顶部，该低折射率介质层(11)厚度为激光器激射波长的整数倍；再通过磁控溅射工艺在低折射率介质层(11)的顶部生长一层厚度为100nm-400nm的高对比度光栅层(12)，再通过电子束曝光和干涉光刻将所需的周期200nm-400nm高对比度光栅图形制备在高对比度光栅层(12)上，通过干法刻蚀工艺，将其图形转移到高对比度光栅层(12)上，形成高对比度光栅(13)，高对比度光栅(13)呈条形等间距均匀对称布置；
通过在偏振稳定基横模面发射激光器顶部集成用低折射率介质支撑的高对比度光栅形成光学外腔，构成耦合腔结构，来改善普通面发射激光器光谱线宽较大问题。
2.根据权利要求1所述的高对比度光栅耦合腔窄光谱线宽面发射激光器，其特征在于：低折射率介质支撑的高对比度光栅(13)位于器件出光孔(10)的顶部，通过平面工艺制备，由低折射率介质材料绕着高折射率材料构成。
3.根据权利要求1所述的高对比度光栅耦合腔窄光谱线宽面发射激光器，其特征在于：在低折射率介质支撑层选取方面，根据需求和波长设计选取折射率较低的二氧化硅和氧化铝低折射率材料；在高对比度光栅层(12)材料选取方面，对于不同的波长需要进行不同选择，对于激射波长1微米以上的激光器选择硅作为高折射率介质材料，对于激射波长大于870nm的激光器，可选择GaAs材料，而对于波长小于870nm激光器，则选择TiO2高折射率材料，其厚度需要与低折射率介质层进行匹配，厚度在200-400nm；高对比度光栅(13)的周期小于激光器激射波长，其中，980nm器件的光栅周期在360-440nm，占空比在0.4-0.7。
4.根据权利要求1所述的高对比度光栅耦合腔窄光谱线宽面发射激光器，其特征在于：高对比度光栅(13)具体制作通过利用电子束曝光技术将设计好的图形直写在电子束胶上；再通过显影将电子束胶上得到高对比度光栅(13)图形，再利用感应耦合离子刻蚀技术刻蚀掉未被保护的高折射率介质材料去电子束胶得到高对比度光栅(13)图形；除了以上制备方法外还能够通过用干涉光刻的方法，用光刻胶掩膜制备高对比度光栅(13)图形。
5.根据权利要求4所述的高对比度光栅耦合腔窄光谱线宽面发射激光器，其特征在于：用光刻胶掩膜制备高对比度光栅(13)图形的具体步骤是依次用丙酮乙醇去离子水洗净器件芯片，然后烘干、在器件芯片表面甩上一层光刻胶、前烘坚膜、干涉光刻、显影、后烘、ICP刻蚀、去胶，得到高对比度光栅(13)。
6.根据权利要求1所述的高对比度光栅耦合腔窄光谱线宽面发射激光器，其特征在于：利用高对比度光栅(13)具有高反射率和反射带宽的特性，形成光学外腔，对器件进行光反馈和注入，形成耦合外腔，进而延长器件的有效谐振腔长度Lc，实现光谱线宽压窄；低折射率介质支撑的高对比度光栅(13)与VCSEL结合起来，能够有效的压窄VCSEL的光谱线宽，获得高光谱质量窄光谱线宽VCSEL芯片。
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