CN107257083A - 一种垂直腔面发射激光器 - Google Patents

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姜夕梅
白成林
房文敬
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Abstract

本发明提供了一种垂直腔面发射激光器，包括：衬底；第一缓冲层，生长在所述衬底上；N型DBR反射镜，生长在所述第一缓冲层上；有源层，生长在所述N型DBR反射镜上；P型DBR反射镜，生长在所述有源层上；第二缓冲层，生长在所述P型DBR反射镜上；P电极，生长在所述第二缓冲层上，所述P电极中部生长非周期的亚波长光栅。本发明通过在P电极上生长非周期的亚波长光栅，使垂直腔面发射激光器的输出光束有了非常高的偏振控制，输出的光束更加均匀稳定，实现了对光的偏振控制，增大了偏振光的阈值增益。

Description

一种垂直腔面发射激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种垂直腔面发射激光器。
背景技术
垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)以其优良的特性在半导体激光器领域中独占头筹，具有阈值电流很低、谱线宽度窄、单纵模输出、温漂小、易集成的优势。
现有技术均以面发射激光器最简易的结构为基础，通过外加偏振光反馈、外部应力以及植入非均匀增益的方式，对面发射激光器进行优化，以实现提供一种发射高偏振窄线宽光束的垂直腔面发射激光器。但是，这些垂直腔面发射激光器均存在由氧化限制孔径较大，高阶横模震动方向不确定引起输出光束不稳定的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种垂直腔面发射激光器，通过在垂直腔面激光器的P电极中部生长非周期的亚波长光栅，实现了对光的偏振控制，增大了偏振光的阈值增益，输出高偏振窄线宽的稳定光束。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供一种垂直腔面发射激光器，包括：
衬底；
第一缓冲层，生长在所述衬底上；
N型DBR反射镜，生长在所述第一缓冲层上；
有源层，生长在所述N型DBR反射镜上；
P型DBR反射镜，生长在所述有源层上；
第二缓冲层，生长在所述P型DBR反射镜上；
P电极，生长在所述第二缓冲层上，所述P电极中部生长非周期的亚波长光栅。
可选地，所述衬底的材料为GaAs。
可选地，所述第一缓冲层和所述第二缓冲层的材料均为AlGaAs。
可选地，所述N型DBR反射镜包括：材料为Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As的半导体层。
可选地，所述有源层为：通过MOCVD的方式生长在N型DBR反射镜上的多量子阱。
可选地，所述有源层的峰值增益波长为875nm，其生长温度在300-370K内。
可选地，所述P型DBR反射镜包括：材料为Al0.98Ga0.02As的半导体层，所述半导体层的厚度为30nm。
可选地，采用电子束设备将所述P电极蒸镀在所述第二缓冲层上，所述P电极的材料为：Ti、Pt或Au。
进一步的，若P电极的材料为Pt或Au，则用电子束蒸发的方式在所述P电极的顶部镀一层金属Ti。
可选地，所述亚波长光栅的材料为：Si。
由上述技术方案可知，本发明所述的一种垂直腔面发射激光器，通过在P电极上生长非周期的亚波长光栅，使垂直腔面发射激光器的输出光束有了非常高的偏振控制，输出的光束更加均匀稳定，实现了对光的偏振控制，增大了偏振光的阈值增益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种垂直腔面发射激光器的结构示意图。
其中，1-衬底，2-第一缓冲层，3-N型DBR反射镜，4-有源层，5-P型DBR反射镜，6-第二缓冲层，7-P电极，8-亚波长光栅。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种垂直腔面发射激光器，参见图1，该垂直腔面发射激光器包括：
衬底；
第一缓冲层，生长在所述衬底上；
N型DBR反射镜，生长在所述第一缓冲层上；
有源层，生长在所述N型DBR反射镜上；
P型DBR反射镜，生长在所述有源层上；
第二缓冲层，生长在所述P型DBR反射镜上；
P电极，生长在所述第二缓冲层上，所述P电极中部生长非周期的亚波长光栅。
在具体应用时，采用等离子体干法刻蚀工艺并使用SF6、Ar、He等气体在材料为GaAs的衬底上刻蚀；待衬底刻蚀光滑后，生长厚度为50nm的材料为GaAs或AlGaAs的第一缓冲层；接着在第一缓冲层生长折射率大于99％的材料为Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As的N型DBR(Distributed Bragg Reflector)反射镜，并用金属键合方法将第一缓冲层与N型DBR反射镜粘在一起；采用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)技术在N型DBR上生长InGaAs/Al0.2Ga0.8As结构的多量子阱，从而构成的有源层；在有源层上生长P型DBR反射镜，利用介质传输矩阵的方法对P型DBR反射镜的厚度进行优化，实现了纵向驻波场与有源层的大面积的重叠，制作的垂直腔面发射激光器的性能更可靠；在P型DBR反射镜上生长材料为AlGaAs的第二缓冲层；使用聚酰亚胺对第二缓冲层上的P电极套刻；P电极材料为：Ti/Pt/Au，经电子束设备产生的电子束蒸发，减薄，形成蒸镀在第二缓冲层上P电极。当P电极材料不是金属Ti时，在P型DBR顶部采用电子束蒸发上一层金属Ti作为粘合剂，生长非周期的光栅，光栅材料为单层硅，从而实现垂直腔面发射激光器的偏振光输出。
从上述描述可知，本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器，通过在P电极上生长非周期的亚波长光栅，使垂直腔面发射激光器的输出光束有了非常高的偏振控制，输出的光束更加均匀稳定，实现了对光的偏振控制，增大了偏振光的阈值增益。
进一步的，在上述实施例中，N型DBR反射镜包括：36对每对材料为Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As的半导体层。
在具体应用时，层的厚度适配于VCSEL的发射波长，以便提供大于99％的所要求的折射率，通过N型DBR反射镜提高垂直腔面发射激光器的光增益。
进一步的，在上述实施例中，有源层的峰值增益波长为875nm，其生长温度在300-370K内。
在具体应用时，有源层实现了量子阱的峰值增益波长和布拉格波长的完美匹配，实现了垂直腔面发射激光器的阈值温度低至45℃。
进一步的，在上述实施例中，P型DBR反射镜包括：材料为Al0.98Ga0.02As的半导体层，所述半导体层的厚度为30nm。
在具体应用时，与第二缓冲层相连接的一对P型DBR是厚度为30nm，该层湿氧化后形成掩埋的AlGaAs/AlOx结构。
当VCSEL开始工作时，在有源层内，存在粒子数反转，使激光煤质提供的增益足够超过损耗的情况下，当一束低于阈值电流的驱动电流被注入到有源层，由于光谱范围较宽，VCSEL将发出多束空间相位不匹配的非相干光，当光强将持续增加使注入电流逐渐接近并达到阈值电流时，处于高能态导带底的电子跃迁到处于低能态价带时，随着特定波长的相干性极高的管束在有源层上下的P型DBR反射镜和N型DBR反射镜进行多次反射后，放大过程不断重复，便形成了激光，由激光器的顶部或底部射出。其中，有源层以及有源层上下的P型DBR反射镜和N型DBR反射镜组成谐振腔，谐振腔在VCSEL中的主要作用是给在有源层内产生的光，在P型DBR反射镜以及N型DBR反射镜来回反射时，形成多次光能反馈提供的一个空腔，使受刺激辖射在其中得到多次反馈而形成激光震荡。
本发明提供的垂直腔面发射激光器，在衬底的底侧上生长用于接触该VCSEL的N电极。在衬底的顶侧上生长第一缓冲层。在第一缓冲层上生长具有折射率大于99％的N型DBR反射镜。在N型DBR反射镜上生长有源层。P型DBR反射镜被生长在有源层上，第二缓冲层被生长在P型DBR反射镜上。中部设有亚波长光栅的P电极电连接到导电的P型DBR反射镜上，以便提供VCSEL的电连接。第一缓冲层和第二缓冲层约束VCSEL的电流流动，使得VCSEL的光学模式适合于相应的电流流动，随着注入VCSEL中的电流增加，电流密度增大，VCSEL的横向基模和横向一阶模式同时增强。横向一阶模式增加的强度及扩展的范围大于横向基模，VCSEL输出能量逐渐向横向一阶模式过渡；而电流在谐振腔中来回反射得到多次反馈而形成激光震荡，形成了由VCSEL顶部射出的激光。
从上述描述可知，本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器，在P型DBR的顶端、P电极中部生长非周期的高折射率的亚波长光栅。亚波长光栅具有偏振敏感特性，可以较好的实现垂直腔面发射激光器输出光的偏振模式控制，使输出的光束更加均匀稳定。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器包括：
衬底；
第一缓冲层，生长在所述衬底上；
N型DBR反射镜，生长在所述第一缓冲层上；
有源层，生长在所述N型DBR反射镜上；
P型DBR反射镜，生长在所述有源层上；
第二缓冲层，生长在所述P型DBR反射镜上；
P电极，生长在所述第二缓冲层上，所述P电极中部生长非周期的亚波长光栅。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述衬底的材料为GaAs。
3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一缓冲层和所述第二缓冲层的材料均为AlGaAs。
4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述N型DBR反射镜包括：材料为Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As的半导体层。
5.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述有源层为：通过MOCVD的方式生长在N型DBR反射镜上的多量子阱。
6.根据权利要求5所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述有源层的峰值增益波长为875nm，其生长温度在300-370K内。
7.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述P型DBR反射镜包括：材料为Al0.98Ga0.02As的半导体层，所述半导体层的厚度为30nm。
8.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，采用电子束设备将所述P电极蒸镀在所述第二缓冲层上，所述P电极的材料为：Ti、Pt或Au。
9.根据权利要求8所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，若P电极的材料为Pt或Au，则用电子束蒸发的方式在所述P电极的顶部镀一层金属Ti。
10.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述亚波长光栅的材料为：Si。
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