CN109861077A - 基于vcsel的轨道角动量复用器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电元件及器件技术领域，提出一种基于VCSEL的轨道角动量复用器件，包括垂直腔表面发射激光器、氮化硅相位层、金属遮挡层、P面电极和N面电极；其中垂直腔表面发射激光器上以中心点为圆心由内向外依次刻蚀有圆柱、第一外环和第二外环结构；氮化硅相位层设置在圆柱结构的上表面，占圆柱上表面的二分之一面积；金属遮挡层设置在第一外环的上表面和第二外环的上表面并刻蚀为金属光栅结构；P面电极和N面电极设置在垂直腔表面发射激光器上。本发明还提出所述复用器件的制备方法，且所述复用器件能够实现同轴独立调制高纯度的1、2、3阶OAM光束，实现OAM光束的同轴集成，且该复用器件的制作成本低廉，制备工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及光电元件及器件技术领域，更具体地，涉及一种基于VCSEL的轨道角动量复用器件及其制备方法。
背景技术
OAM(Orbital Angular Momentum，轨道角动量)光束被认为是继振幅、相位、偏振、频率后进行光调控的第五个维度。OAM复用技术利用OAM模式的正交性，把不同信道映射到不同的OAM模式，在同一个物理空间进行传输，然后在接收端进行分离，因此可通过OAM复用可大幅度增加单个物理通道的传输容量。而VCSEL(Vertical Cavity Surface EmittingLaser，垂直腔面发射激光器)具有高功率转化效率、低阈值、成本低廉、易于二维集成等一系列优点，成为良好的短距离光通信发射器件。
传统OAM发射器件一般通过将螺旋相位板和超表面等集成在VCSEL上来产生OAM光束，但是一次只能产生一个阶数的OAM光束，无法实现同轴集成；而应用于同轴的OAM发射器件上的硅基微环，依旧存在对工艺制作精度要求高、成本高的问题。同时，传统OAM复用器件制备方法中所采用的多层电极工艺大多使用打孔注塑金属，此工艺的步骤繁多，耗时较长，因此不适用于大批量生产。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的无法实现同轴集成OAM光束等至少一种缺陷，提供一种基于VCSEL的轨道角动量复用器件，实现同轴独立调制1、2、3阶OAM光束，保证多个OAM光束同时传输。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
基于VCSEL的轨道角动量复用器件，包括垂直腔表面发射激光器、氮化硅相位层、金属遮挡层、P面电极和N面电极；其中垂直腔表面发射激光器上以中心点为圆心由内向外依次刻蚀有圆柱、第一外环和第二外环结构；氮化硅相位层设置在圆柱结构的上表面，且氮化硅相位层占圆柱上表面的二分之一面积；金属遮挡层设置在第一外环的上表面和第二外环的上表面并刻蚀为金属光栅结构；P面电极和N面电极设置在垂直腔表面发射激光器上。
本技术方案中，将角向光栅衍射应用在OAM发射器件中，采用垂直腔表面发射激光器作为载体，并参考OAM光纤中各阶OAM光束的横向模场分布，等比例设计OAM复用垂直腔表面发射激光器。其中垂直腔表面发射激光器上以中心点为圆心由内向外依次刻蚀有圆柱、第一外环和第二外环结构，激光通过圆柱结构的上表面出射后经过氮化硅相位层进行调控，得到高纯度的1阶OAM光束；激光通过第一外环和第二外环结构出射后经过刻蚀有金属光栅结构的金属遮挡层后其相位及角向振幅被调控，分别得到高纯度的2阶和3阶OAM光束。器件在工作状态下，电流从P面电极和N面电极注入，垂直腔表面发射激光器形成激光，从垂直腔表面发射激光器的上表面出射后经过表面的金属遮挡层和氮化硅相位层后，激光的相位被调控，再通过经设计角向的振幅和相位附加结构，可以得到高纯度的1、2、3阶OAM光束。
优选地，垂直腔表面发射激光器包括GaAs衬底、下分布布拉格反射镜、上分布布拉格反射镜和多量子阱有源层，其中下分布布拉格反射镜设置在GaAs衬底上，多量子阱有源层设置在下分布布拉格反射镜上，上分布布拉格反射镜设置在多量子阱有源层上。本优选方案中的垂直腔表面发射激光器当电流从P面电极和N面电极注入，多量子阱有源层14中量子阱的材料受电流激发而产生光子，然后在上分布布拉格反射镜和下分布布拉格反射镜之间形成激光，激光从上分布布拉格反射镜出射。
优选地，垂直腔表面发射激光器上刻蚀的圆柱结构的直径为3.5μm；第一外环结构的内直径为7μm，外直径为10.5μm；第二外环结构的内直径为14μm，外直径为18.5μm，本优选方案的尺寸特别地适用于与OAM光纤耦合。
优选地，复用器件还包括二氧化硅钝化层和SU8平整化层，二氧化硅钝化层包覆设置在垂直腔表面发射器刻蚀的圆柱、第一外环和第二外环结构的外表面以及第一外环和第二外环结构的内表面；SU8平整化层填充设置在圆柱、第一外环和第二外环结构之间且设置在第二外环以外的垂直腔表面发射器的GaAs衬底上表面，用于使器件表面平整化。
优选地，复用器件还包括电极绝缘层，其中电极绝缘层设置在垂直腔表面发射器刻蚀的第一外环和第二外环结构的上表面。本优选方案中的电极绝缘层用于防止从垂直腔表面发射器刻蚀的圆柱结构中引出的电极与第一外环和第二外环结构导通。
优选地，二氧化硅钝化层厚度为100nm；SU8平整化层与圆柱结构上表面的高度差小于100nm；氮化硅相位层厚度为210nm，相位为π；金属遮挡层厚度为340nm。
同时，本发明还提出一种以上轨道角动量复用光器件的制备方法，包括以下步骤：
S1.在垂直腔表面发射激光器利用电子束曝光得到独立调制的VCSEL版图，然后利用等离子体刻蚀技术进行深刻蚀得到以中心点为圆心由内向外依次设置的圆柱、第一外环和第二外环结构；
S2.在所述步骤S1得到的圆柱、第一外环和第二外环结构的外表面以及第一外环和第二外环结构的内表面生长一层二氧化硅钝化层；
S3.在所述步骤S2得到的结构上利用匀胶机在在圆柱、第一外环和第二外环结构之间以及第二外环外的GaAs衬底上表面多次均匀旋涂SU8制备SU8平整化层；
S4.在所述步骤S3得到的结构中的圆柱上表面通过回刻露出垂直腔表面发射激光器顶部结构后，利用化学气相沉积法均匀沉积在圆柱结构上表面的二分之一面积内制备相位为π的氮化硅相位层；
S5.在所述步骤S4得到的结构的第一外环和第二外环上表面制作电极绝缘层；
S6.在所述步骤S5得到的结构利用电子束蒸镀在电极绝缘层上生长一层金属遮挡层，然后刻蚀出金属光栅，在SU8平整化层上表面生长金属遮挡层并作为P面电极；
S7.在所述步骤S6得到的结构中首先在GaAs衬底的上旋涂一层PMMAA11光刻胶，再通过电子束曝光将电极图案转移到光刻胶上，然后将非电极部分的多余金属在丙酮中去除，得到N面电极，再通过350℃高温退火形成欧姆接触，即完成制备。
优选地，步骤S1中的深刻蚀时间为155s，刻蚀深度为4.5μm。
优选地，步骤S3中旋涂SU8后紫外固化30min，然后通过快速退火装置在N2氛围下高温退火使光刻胶回流。
优选地，步骤S4中在圆柱结构上通过回刻露出垂直腔表面发射激光器顶部结构后，利用化学气相沉积法均匀沉积在圆柱结构上表面生长相位为π的氮化硅相位层。
优选地，金属遮挡层的配方为20nmTi+20nmPt+300nmAu；N面电极的配方为15nmNi+30nmGe+75nmAu。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：能够实现同轴独立调制高纯度的1、2、3阶OAM光束，保证多个OAM光束同时传输，再利用透镜收集耦合到OAM光纤中，实现同轴集成；且该复用器件的制作成本低廉，制备工艺简单。
附图说明
图1为本实施例的轨道角动量复用器件的结构示意图。
图2为本实施例的轨道角动量复用器件的示意图截面图。
图3为本实施例的轨道角动量复用器件制备流程的示意图。
图4为本实施例的垂直腔表面发射激光器的扫描电子显微镜图像。
图5为本实施例的轨道角动量复用器件的扫描电子显微镜图像。
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；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图1所示，为本实施例的基于VCSEL的轨道角动量复用器件的结构示意图。
本实施例中的基于VCSEL的轨道角动量复用器件，包括垂直腔表面发射激光器1、二氧化硅钝化层2、SU8平整化层3、氮化硅相位层4、电极绝缘层5、金属遮挡层6、P面电极7、N面电极8。其中垂直腔表面发射激光器1包括GaAs衬底11、由光学厚度为1/4波长的GaAs、AlGaAs组成的下分布布拉格反射镜12、由光学厚度为1/4波长的GaAs、AlGaAs组成的上分布布拉格反射镜13、多量子阱有源层14，其中下分布布拉格反射镜12设置在GaAs衬底上11，多量子阱有源层14设置在下分布布拉格反射镜12上，上分布布拉格反射镜13设置在多量子阱有源层14上，且垂直腔表面发射激光器1上方以中心点为圆心由内向外依次刻蚀有圆柱、第一外环和第二外环结构，其中所刻蚀的圆柱结构的直径为3.5μm；第一外环结构的内直径为7μm，外直径为10.5μm；第二外环结构的内直径为14μm，外直径为18.5μm。二氧化硅钝化层2包覆在圆柱、第一外环和第二外环结构的外表面以及第一外环和第二外环的内表面，即完成刻蚀的上分布布拉格反射镜13和多量子阱有源层14的外表面。SU8平整化层3填充设置在圆柱、第一外环和第二外环结构之间且设置在第二外环以外的垂直腔表面发射器的GaAs衬底上表面，至与刻蚀的圆柱、第一外环和第二外环结构的上表面平整。氮化硅相位层4均匀沉积覆盖在圆柱结构的上表面，即圆柱结构中上分布布拉格反射镜13的上表面，且占圆柱上表面的二分之一面积。电极绝缘层5设置第一外环和第二外环的上表面，金属遮挡层6设置在电极绝缘层5及SU8平整化层3上，其中设置在SU8平整化层3上的金属遮挡层6作为P面电极7。垂直腔表面发射激光器1所刻蚀的圆柱结构中引出的电极经过设置在电极绝缘层5上的金属遮挡层6与P面电极7连接，因此电极的走线可绕开器件发光区域。N面电极8设置在垂直腔表面发射激光器1中的GaAs衬底11上。此外，二氧化硅钝化层2厚度为100nm；SU8平整化层3与圆柱结构上表面的高度差小于100nm；氮化硅相位层4厚度为210nm，相位为π；金属遮挡层6厚度为340nm。
如图2所示，为本实施例的基于VCSEL的轨道角动量复用器件的示意图截面图。
轨道角动量复用器件在工作状态下，电流从P面电极7和N面电极8注入，多量子阱有源层14中量子阱的材料受电流激发而产生光子，然后在上分布布拉格反射镜13和下分布布拉格反射镜12结构之间形成激光，然后从上分布布拉格反射镜13上表面出射后经过表面的金属遮挡层6及氮化硅相位层4时激光的相位和振幅被调控，分别得到高纯度的1、2、3阶OAM光束。具体地，由于圆柱结构上表面设置的占二分之一面积、相位为π的氮化硅相位层4，可以实现高纯度的1阶OAM光束出射；第一外环和第二外环结构上表面设置有周期性遮挡垂直腔表面发射激光器1上表面的金属遮挡层6，可在角向上周期地对振幅进行调制，从而实现出射2阶和3阶OAM光束。
如图3所示，为本实施例的基于VCSEL的轨道角动量复用器件制备流程的示意图。本实施例的基于VCSEL的轨道角动量复用器件的制备方法包括以下步骤：
S1.在垂直腔表面发射激光器利用电子束曝光得到独立调制的VCSEL版图，然后利用等离子体刻蚀技术进行深刻蚀得到以中心点为圆心由内向外依次设置的圆柱、第一外环和第二外环结构；
S2.在所述步骤S1得到的圆柱、第一外环和第二外环结构的外表面以及第一外环和第二外环结构的内表面生长一层二氧化硅钝化层；
S3.在所述步骤S2得到的结构上利用匀胶机在在圆柱、第一外环和第二外环结构之间以及第二外环外的GaAs衬底上表面多次均匀旋涂SU8制备SU8平整化层；
S4.在所述步骤S3得到的结构中的圆柱上表面通过回刻露出垂直腔表面发射激光器顶部结构后，利用化学气相沉积法均匀沉积在圆柱结构上表面的二分之一面积内制备相位为π的氮化硅相位层；
S5.在所述步骤S4得到的结构的第一外环和第二外环上表面制作电极绝缘层；
S6.在所述步骤S5得到的结构利用电子束蒸镀在电极绝缘层上生长一层金属遮挡层，然后刻蚀出金属光栅，在SU8平整化层上表面生长金属遮挡层并作为P面电极；
S7.在所述步骤S6得到的结构中首先在GaAs衬底的上旋涂一层PMMAA11光刻胶，再通过电子束曝光将电极图案转移到光刻胶上，然后将非电极部分的多余金属在丙酮中去除，得到N面电极，再通过350℃高温退火形成欧姆接触，即完成制备。
本实施例中，步骤S1中深刻蚀的时间为155s，刻蚀深度为4.5μm。
本实施例中，生长二氧化硅钝化层2所采用的仪器为电感耦合等离子体增强化学气相沉积设备。
本实施例中，所述氮化硅相位层4通过化学气相沉积法、电子束曝光、感应耦合等离子体刻蚀工艺曝光刻蚀后，生长覆盖在圆柱结构上，且占圆柱结构上表面的二分之一面积。
本实施例中，所述电极绝缘层5用于防止从圆柱结构内部引出的电极与外部的第一外环和第二外环结构导通。
本实施例中，金属遮挡层6的配方为20nmTi+20nmPt+300nmAu，N面电极8的配方为15nmNi+30nmGe+75nmAu。
本实施例中，采用SU8系列光刻胶或苯并环丁烯及对应的曝光技术对独立调制的垂直腔表面发射激光器1结构进行平整化。
如图4、5所示，分别为本实施例的垂直腔表面发射激光器及轨道角动量复用器件的扫描电子显微镜图像。
本实施例中的轨道角动量复用器件分别利用金属遮挡层制作振幅光栅，利用氮化硅相位层4制作相位光栅，用于灵活操控波前性质，并采用发射波长为850nm的垂直腔表面发射激光器1作为载体，使出射的光束经过不同结构的光栅携带轨道角动量，最终得到高纯度的1、2、3阶OAM光束，保证多个OAM光束同时传输，再利用透镜收集耦合到OAM光纤中，实现同轴集成。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
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 (10)
1.基于VCSEL的轨道角动量复用器件，其特征在于：包括垂直腔表面发射激光器、氮化硅相位层、金属遮挡层、P面电极和N面电极；其中所述垂直腔表面发射激光器上以中心点为圆心由内向外依次刻蚀有圆柱、第一外环和第二外环结构；所述氮化硅相位层设置在圆柱结构的上表面，且氮化硅相位层占圆柱上表面的二分之一面积；所述金属遮挡层设置在第一外环的上表面和第二外环的上表面并刻蚀为金属光栅结构；所述P面电极和N面电极设置在垂直腔表面发射激光器上。
2.根据权利要求1所述的基于VCSEL的轨道角动量复用器件，其特征在于：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、上分布布拉格反射镜和多量子阱有源层，其中所述下分布布拉格反射镜设置在GaAs衬底上，所述多量子阱有源层设置在下分布布拉格反射镜上，所述上分布布拉格反射镜设置在多量子阱有源层上。
3.根据权利要求2所述的基于VCSEL的轨道角动量复用器件，其特征在于：所述垂直腔表面发射激光器上刻蚀的圆柱结构的直径为3.5μm；第一外环结构的内直径为7μm，外直径为10.5μm；第二外环结构的内直径为14μm，外直径为18.5μm。
4.根据权利要求3所述的基于VCSEL的轨道角动量复用器件，其特征在于：所述复用器件还包括二氧化硅钝化层和SU8平整化层，所述二氧化硅钝化层包覆设置在垂直腔表面发射器刻蚀的圆柱、第一外环和第二外环结构的外表面以及第一外环和第二外环结构的内表面；所述SU8平整化层填充设置在圆柱、第一外环和第二外环结构之间且设置在第二外环以外的垂直腔表面发射器的GaAs衬底上表面，用于使器件表面平整化。
5.根据权利要求4所述的基于VCSEL的轨道角动量复用器件，其特征在于：所述复用器件还包括电极绝缘层，所述电极绝缘层设置在垂直腔表面发射器刻蚀的第一外环和第二外环结构的上表面。
6.根据权利要求5所述的基于VCSEL的轨道角动量复用器件，其特征在于：所述二氧化硅钝化层厚度为100nm；所述SU8平整化层与圆柱结构上表面的高度差小于100nm；所述氮化硅相位层厚度为210nm，相位为π；所述金属遮挡层厚度为340nm。
7.一种根据权利要求6所述的轨道角动量复用光器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在垂直腔表面发射激光器利用电子束曝光得到独立调制的VCSEL版图，然后利用等离子体刻蚀技术进行深刻蚀得到以中心点为圆心由内向外依次设置的圆柱、第一外环和第二外环结构；
S2.在所述步骤S1得到的圆柱、第一外环和第二外环结构的外表面以及第一外环和第二外环结构的内表面生长一层二氧化硅钝化层；
S3.在所述步骤S2得到的结构上利用匀胶机在在圆柱、第一外环和第二外环结构之间以及第二外环外的GaAs衬底上表面多次均匀旋涂SU8制备SU8平整化层；
S4.在所述步骤S3得到的结构中的圆柱上表面通过回刻露出垂直腔表面发射激光器顶部结构后，利用化学气相沉积法均匀沉积在圆柱结构上表面的二分之一面积内制备相位为π的氮化硅相位层；
S5.在所述步骤S4得到的结构的第一外环和第二外环上表面制作电极绝缘层；
S6.在所述步骤S5得到的结构利用电子束蒸镀在电极绝缘层上生长一层金属遮挡层，然后刻蚀出金属光栅，在SU8平整化层上表面生长金属遮挡层并作为P面电极；
S7.在所述步骤S6得到的结构中首先在GaAs衬底的上旋涂一层PMMAA11光刻胶，再通过电子束曝光将电极图案转移到光刻胶上，然后将非电极部分的多余金属在丙酮中去除，得到N面电极，再通过350℃高温退火形成欧姆接触，即完成制备。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的深刻蚀时间为155s，刻蚀深度为4.5μm。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中旋涂SU8后紫外固化30min，然后通过快速退火装置在N2氛围下高温退火使光刻胶回流。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述金属遮挡层的配方为20nmTi+20nmPt+300nmAu；所述N面电极的配方为15nmNi+30nmGe+75nmAu。
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