CN108616033A - 集成超表面于vcsel的轨道角动量发射器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成超表面于VCSEL的轨道角动量发射器件，包括垂直腔表面发射激光器、二氧化硅钝化层、SU8平整化层、N面电极、P面环形电极和非晶硅超表面层；其中所述垂直腔表面发射激光器包括GaAs衬底、下分布布拉格反射镜结构、三量子阱有源层、上分布布拉格反射镜结构，其中下分布布拉格反射镜结构设置在GaAs衬底上，三量子阱有源层设置在下分布布拉格反射镜结构上，上分布布拉格反射镜结构设置在三量子阱有源层上；二氧化硅钝化层对上分布布拉格反射镜结构、三量子阱有源层的端面进行包覆，下分布布拉格反射镜结构的顶面上设置有SU8平整化层，SU8平整化层对二氧化硅钝化层的外表面进行包覆；N面电极开设在GaAs衬底上；P面环形电极设置在SU8平整化层上；非晶硅超表面层设置在上分布布拉格反射镜结构上。
Description
技术领域
本发明涉及光电元件与器件技术领域，更具体地是，涉及一种集成超表面于VCSEL的轨道角动量发射器件及其制备方法。
背景技术
随着科技的日新月异，人类进入信息化、大数据时代，各种互联网技术应运而生，人们对数据流量的需求激增，为了应对这种压力，急需寻求一种方法增加通信容量。OAM有无限个本征态，每一种本征态可传输一道信号，利用OAM这个维度进行信息调制或复用，可以显著地提升单个光子携带的信息容量，进而大幅度提升光纤的传输容量。垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)有着体积小、功耗低、易于二维集成、成本低廉、调制速率高等优势，成为短距离光通信传输、光通信调制的合适光源。
传统的OAM光束产生的方法主要是螺旋相位板（SPP）、空间光调制器（SLM）、计算全息术(CGH)、双折射元件、微环、柱透镜。螺旋相位板（SPP）、微环对精度要求极高，制作过程成本高，耗时长并且不适合批量生产。空间光调制器体积庞大、成本高、响应速度有限，也仅仅适合实验室研究。利用计算全息法产生携带轨道角动量的光束响应速度快、可实现高阶OAM的产生，但产生的光束质量不高。综上所述，传统光学元件器件不仅尺寸大，对工艺制作精细度要求极高、稳定性差、价格昂贵，仅适合实验室研究，均不适合应用到工业生产从而投入到实际光通信系统中。
近年来，通过超表面产生涡旋光得到迅速发展。超表面由一种亚波长的金属或者全介质材料构成，光通过超表面能产生相位突变，可利用此性质调控光场的振幅、相位、偏振态。通过将垂直腔表面发射激光器（VCSEL）与附加相位结构超表面（Metasurface）集成在一起，可以产生无限高阶复用度的轨道角动量模式并应用在光通信中；同时保持成本低、连续的相位覆盖高功率转换效率的优点。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种集成超表面于VCSEL的轨道角动量发射器件，它可集成在850nm波段VCSEL环形出光孔上，可以产生指定阶数的轨道角动量，并且该OAM器件OAM纯度高，功率转换效率高。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
集成超表面于VCSEL的轨道角动量发射器件，包括垂直腔表面发射激光器、二氧化硅钝化层、SU8平整化层、N面电极、P面环形电极和非晶硅超表面层；其中所述垂直腔表面发射激光器包括GaAs衬底、由GaAs、AlGaAs组成的下分布布拉格反射镜结构、三量子阱有源层、由GaAs、AlGaAs组成的上分布布拉格反射镜结构，其中下分布布拉格反射镜结构设置在GaAs衬底上，三量子阱有源层设置在下分布布拉格反射镜结构上，上分布布拉格反射镜结构设置在三量子阱有源层上；二氧化硅钝化层对上分布布拉格反射镜结构、三量子阱有源层的端面进行包覆，下分布布拉格反射镜结构的顶面上设置有SU8平整化层，SU8平整化层对二氧化硅钝化层的外表面进行包覆；N面电极开设在GaAs衬底上；P面环形电极设置在SU8平整化层上；非晶硅超表面层设置在上分布布拉格反射镜结构上。
器件在工作状态下，电流从P面环形电极和N面电极注入，当三量子阱有源层达到粒子束反转时候，光将在上下分布布拉格反射镜结构之间经过模式选择，形成稳定震荡，并最终光在反射率低的一端出射。将非晶硅超表面层做在出光孔里面（上分布布拉格反射镜结构），一束850nm单模高斯光束经过非晶硅超表面层后会携带指定阶数轨道角动量（OAM）。通过改变顶部非晶硅超表面层中小圆柱的空间位置，可以得到任意阶数的携带轨道角动量的光束。
优选地，所述二氧化硅钝化层厚度为90nm。
同时，本发明还提供了一种以上发射器件的制备方法，其具体的方案如下：
S1.在垂直腔表面发射激光器上进行ICP深刻蚀得到发射单模的空气柱型激光器结构；
S2. 在所述步骤S1得到的空气柱型激光器进行二氧化硅钝化；
S3.在所述步骤S2得到的结构旋涂一层SU8进行平整化，便于后续搭电极；
S4.在所述步骤S3得到的结构利用电子束蒸镀逐次蒸镀P、N面电极，高温退火形成欧姆接触；得到单模VCSEL激光器；
S5.生长一层非晶硅，利用感应耦合等离子体刻蚀出能发射指定阶数轨道角动量光超表面结构，完成制备。
优选地，所述S1在垂直腔表面发射激光器上进行深刻蚀的方法是等离子体刻蚀，时间为2min，深度为3.5μm，刚好可过有源区下1-2对分布布拉格反射镜。
优选地，所述S3旋涂一层SU8进行平整化用的SU8 (3:1)稀释液。
优选地，所述S3旋涂一层SU8后需紫外固化并300℃高温循环退火20min。
优选地，所述步骤S4通过电子束蒸镀系统镀P、N面电极，配方分别为：20nmTi+20nmPt+100nmAu ；15nmNi+30nmGe+75nmAu；非电极部分的金属最终在丙酮中65℃ 温度环境中去掉。
优选地，所述步骤S4中退火形成欧姆接触，用快速退火装置在N2氛围下350℃保持5min。
优选地，所述步骤S5采用的仪器为电感耦合等离子体增强化学气相沉积设备。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种集成超表面于VCSEL的轨道角动量发射器件，它可集成在850nm波段VCSEL的环形出光孔上，并且该OAM器件OAM纯度高，功率转换效率高。利用这种方法、有望实现高功率转换效率、可独立调制、高OAM纯度，适合批量生产的集成轨道角动量发射器件阵列。
附图说明
图1为制备方法的流程示意图。
图2为制备的结构的示意图三维剖面示意图。
图3为制备的结构的示意图截面图。
图4为制备的结构的示意图俯视图。
图5为制备的单模垂直腔表面发射激光器不同电压下光谱图。
图6为制备的集成轨道角动量发射器件的扫描电子显微镜（SEM）图像。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
图1为器件的制备方法的制备流程图。图2为轨道角动量发射器件三维剖面示意图、图3为器件正视图、图4为器件俯视图。参照图2、图3和图4，本发明提供的集成超表面于VCSEL的轨道角动量发射器件的具体结构如下：
包括垂直腔表面发射激光器、二氧化硅钝化层7、SU8平整化层8、N面电极5、P面环形电极6和非晶硅超表面层9；其中所述垂直腔表面发射激光器包括GaAs衬底1、由GaAs、AlGaAs组成的下分布布拉格反射镜结构2、三量子阱有源层3、由GaAs、AlGaAs组成的上分布布拉格反射镜结构4，其中下分布布拉格反射镜结构2设置在GaAs衬底1上，三量子阱有源层3设置在下分布布拉格反射镜结构2上，上分布布拉格反射镜结构4设置在三量子阱有源层3上；二氧化硅钝化层7对上分布布拉格反射镜结构4、三量子阱有源层3的端面进行包覆，下分布布拉格反射镜结构2的顶面上设置有SU8平整化层8，SU8平整化层8对二氧化硅钝化层7的外表面进行包覆；N面电极5开设在GaAs衬底1上；P面环形电极6设置在SU8平整化层8上；非晶硅超表面层9设置在上分布布拉格反射镜结构4上。
上下分布布拉格反射镜结构2由四分之一波长的GaAs、AlGaAs组成。二氧化硅钝化层7的厚度为90nm，二氧化硅钝化层7的目的是防止刻蚀之后端面的铝镓砷层被空气中的氧气氧化，具体是利用化学气相沉积在上分布布拉格反射镜结构4的表面；SU8平整化层8利用匀胶机均匀旋图在在二氧化硅钝化层7的表面；P面环形电极6搭在SU8平整化层8和上分布布拉格反射镜结构4之间，其中，为了保证电极可成功搭上，平整化后SU8平整化层8与微柱之间的高度差在100nm以内， P面环形电极6利用电子束曝光制作出；同样的方法制作N面电极5。P、N面金属电极，配方分别为：20nmTi+20nmPt+100nmAu ；15nmNi+30nmGe+75nmAu。至此单模的VCSEL器件制作完毕。紧接着利用化学气相沉积在器件表面生长一层非晶硅薄膜，利用电感耦合等离子体增强化学气相沉积(ICP-PECVD)设备刻蚀出所需的非晶硅超表面层9。
器件在工作状态下，电流从P面环形电极6和N面电极5注入，当有源区3达到粒子束反转时候，光将在上下分布布拉格反射镜（DBR）结构（2、4）之间经过模式选择，形成稳定震荡，并最终光在反射率低的一端出射。通过反复的实验测量，得到单模直径尺寸在7微米，并且给出单模激光器在不同的注入电压下的光谱图（图5），可以看出：在激射电压从2.8V到3.7V之间，出射光都保证了良好的单模特性。将非晶硅超表面层9做在出光孔里面，一束850nm单模高斯光束经过非晶硅超表面层9后会携带指定阶数轨道角动量（OAM）。通过改变顶部非晶硅超表面层9中小圆柱的空间位置，可以得到任意阶数的携带轨道角动量的光束。图6为制备的集成轨道角动量发射器件的扫描电子显微镜图像（SEM）。
本实施例提供了一种集成超表面于VCSEL轨道角动量发射器件的制备方法，具体工艺步骤如下：
结合图1，本发明提供的制备方法包括有以下步骤：
S1.在垂直腔表面发射激光器上进行ICP深刻蚀得到发射单模的空气柱型激光器结构；
S2. 在所述步骤S1得到的空气柱型激光器进行二氧化硅钝化；
S3.在所述步骤S2得到的结构旋涂一层SU8进行平整化，便于后续搭电极；
S4.在所述步骤S3得到的结构利用电子束蒸镀逐次蒸镀P、N面电极5，高温退火形成欧姆接触；得到单模VCSEL激光器；
S5.生长一层非晶硅，利用感应耦合等离子体刻蚀出能发射指定阶数轨道角动量光超表面结构，完成制备。
上述方案中，本发明提供的轨道角动量发射器件发射波长在850nm单模高斯光束经过非晶硅超表面层9会携带OAM的光束。同时，保持高的功率转换效率和OAM纯度。
本实施例中，所述垂直腔表面发射激光器的材料为GaAs、AlGaAs。
本实施例中，所述在垂直腔表面发射激光器（VCSEL）上进行深刻蚀的方法是等离子体刻蚀，时间为2min，深度为3.5μm，刚好可过有源区下1-2对DBR。
本实施例中，所述二氧化硅钝化层7钝化层厚度为90nm。
本实施例中，所述平整化完成的评判标准是SU8与微柱之间的高度差在100nm以内。
本实施例中，所述进行平整化旋涂的SU8为SU8 (3:1)稀释液。
本实施例中，所述步骤S4通过电子束蒸镀系统镀P、N面电极5，用到（电子束曝光）EBL套刻环形电极。非电极部分的金最终在丙酮中65℃ 环境中去掉。
本实施例中，所述步骤S4中 P、N面金属电极，配方分别为：20nmTi+20nmPt+100nmAu ；15nmNi+30nmGe+75nmAu。
本实施例中，所述步骤S3采用光刻胶/苯并环丁烯及对应的曝光技术对器件结构4进行部分平整化。
本实施例中，所述非晶硅超表面层9的材料为非晶硅。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.集成超表面于VCSEL的轨道角动量发射器件，其特征在于：包括垂直腔表面发射激光器、二氧化硅钝化层、SU8平整化层、N面电极、P面环形电极和非晶硅超表面层；其中所述垂直腔表面发射激光器包括GaAs衬底、由GaAs、AlGaAs组成的下分布布拉格反射镜结构、三量子阱有源层、由GaAs、AlGaAs组成的上分布布拉格反射镜结构，其中下分布布拉格反射镜结构设置在GaAs衬底上，三量子阱有源层设置在下分布布拉格反射镜结构上，上分布布拉格反射镜结构设置在三量子阱有源层上；二氧化硅钝化层对上分布布拉格反射镜结构、三量子阱有源层的端面进行包覆，下分布布拉格反射镜结构的顶面上设置有SU8平整化层，SU8平整化层对二氧化硅钝化层的外表面进行包覆；N面电极开设在GaAs衬底上；P面环形电极设置在SU8平整化层上；非晶硅超表面层设置在上分布布拉格反射镜结构上。
2.根据权利要求1所述的集成超表面于VCSEL的轨道角动量发射器件，其特征在于：所述二氧化硅钝化层厚度为90nm。
3.一种根据权利要求1~2任一项所述发射器件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.在垂直腔表面发射激光器上进行ICP深刻蚀得到发射单模的空气柱型激光器结构；
S2. 在所述步骤S1得到的空气柱型激光器进行二氧化硅钝化；
S3.在所述步骤S2得到的结构旋涂一层SU8进行平整化，便于后续搭电极；
S4.在所述步骤S3得到的结构利用电子束蒸镀逐次蒸镀P、N面电极，高温退火形成欧姆接触；得到单模VCSEL激光器；
S5.生长一层非晶硅，利用感应耦合等离子体刻蚀出能发射指定阶数轨道角动量光超表面结构，完成制备。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述S1在垂直腔表面发射激光器上进行深刻蚀的方法是等离子体刻蚀，时间为2min，深度为3.5μm，刚好可过有源区下1-2对分布布拉格反射镜。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述S3旋涂一层SU8进行平整化用的SU8 (3:1)稀释液。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述S3旋涂一层SU8后需紫外固化并300℃高温循环退火20min。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S4通过电子束蒸镀系统镀P、N面电极，配方分别为：20nmTi+20nmPt+100nmAu ；15nmNi+30nmGe+75nmAu；非电极部分的金属最终在丙酮中65℃ 温度环境中去掉。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中退火形成欧姆接触，用快速退火装置在N2氛围下350℃保持 5min。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S5采用的仪器为电感耦合等离子体增强化学气相沉积设备。
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