CN110247302A - 一种基于表面光栅的面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

一种基于表面光栅的面发射激光器。该激光器为脊形波导结构，自下而上包含：衬底、下波导盖层、有源层、上波导盖层；在脊形波导表面上刻蚀有布拉格光栅；脊形波导上面不做电极，电极位于脊形波导两侧；在脊形波导与两侧电极之间刻蚀有沟槽；该激光器的下波导盖层中含有一个或多个电流限制区，或者是在上波导盖层中制作一个掩埋隧道结来限制电流。激光器的表面光栅包含两端的一阶光栅和中心区域的二阶光栅。一阶光栅主要起反馈的作用，二阶光栅的作用包括两个方面：一是提供垂直方向的输出，形成面发射；二是产生合适的相移，这样使得布拉格波长能够成为激光器的激射波长。本发明不需要材料的二次外延生长，制作工艺简便，降低了器件的制作成本。

Description

一种基于表面光栅的面发射激光器
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，尤其涉及一种基于表面光栅的面发射激光器。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL)的概念由K.Iga提出(K.Iga,"Sur-face-emittinglaser-its birth and generation of new optoelectronics field,"IEEEJ.Sel.Topics Quantum.Electron.,vol.6,no.6,pp.1201-1215,Nov./Dec.2000.)，经过多年的发展，目前在很多方面都有非常大的应用，比如鼠标中的光源、短距离的光通信、3D传感、大功率半导体激光器等。VCSEL的优势主要包括低成本、低功耗。低成本主要来源于低制作成本、测试成本以及封装成本。低制作成本主要因为激光器不需要经历非常低效的解理镀膜过程，可以像发光二极管(LED)一样大规模制造；低测试成本主要因为激光器可以整片测试，不需要解理成单颗激光器就可以完成测试；低封装成本主要因为激光器的光斑为圆形光斑，比较容易与光纤耦合。VCSEL的低功耗主要因为激光器的有源区的体积小，阈值电流低。
在光通信领域，VCSEL主要应用在短距离通信，典型的产品为有源光缆(AOC)。VCSEL具有功耗低、直调速度高的优势。目前25Gb/s的直调VCSEL已经大规模商用。VCSEL通常采用氧化AlAs层的方法来对电流注入的区域进行限制，从而形成电流注入的窗口，这样激光器就具有极小的有源区体积，能够实现低阈值激射(M.H.MacDougal,et al.,"Ultralow threshold current ver-tical-cavity surface-emitting lasers with AlAsoxide-GaAs distributed Bragg re-flectors,"IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.7,no.3,pp.229-231,Mar.1995.)。氧化形成的电流注入窗口不能太小，目前电流注入区窗口典型直径是6微米左右。电流窗口太小会导致注入电流密度过高，从而引起可靠性的问题。6微米直径的电流注入窗口会导致横向高阶模的出现，从而会限制激光器的直接调制带宽(Y.C.Chang,et al.,"High-efficiency,high-speed VCSELs with 35Gb/s error-freeoperation,"Electron.Lett.,vol.43,no.19,pp.1022-1023,Sep.2007.)。目前直接调制带宽典型值是15GHz左右，进一步缩小电流注入窗口尺寸可以增加调制带宽，最大可到30GHz左右，几乎是此类激光器的极限(E.Haglund,et al.,"30GHz bandwidth 850nm VCSELwith sub-100fJ/bit energy dissipation at 25-50Gbit/s,"Electron.Lett.,vol.51,no.14,pp.1096-1097,2015.)，但会有可靠性的问题，实际的应用中往往需要更高的调制带宽。此外，由于VCSEL的激射波长主要由外延片结构来决定，后面的制作过程不能对其进行有效改变，这导致激射波长很难控制，这一点和分布反馈DFB激光器截然不同。DFB激光器可以通过调整布拉格光栅的周期来控制激射波长，这样的话，用同一种的外延片可以制作出不同激射波长的激光器。而VCSEL则需要生长不同的外延片结构来制作不同激射波长的激光器。并且，目前商用的VCSEL都是多模的，导致激光器激射波长不能精确控制。因此VCSEL不能有效进行波分复用，而现在通信系统中往往需要用波分复用技术来进一步提高通信容量，即使在短距离通信中也是需要的。
除了采用垂直腔，面发射激光器也可以采用水平腔来实现。水平腔面发射激光器可以是常规的DFB或分布布拉格反射DBR激光器，这种激光器往往有非常好的单模特性，并且激射波长可以通过光栅的布拉格波长来决定。这种激光器通常需要在激光器中集成散射体，该散射体能将水平传播的光垂直散射出来从而实现面发射。这种散射体通常是45度的反射镜或二阶光栅。前者通常放在激光器的末端(Martin et al.,"1300-nmHorizontal-Cavity Surface-Emitting BH-DFB Lasers for Uncooled Operation."IEEEPhotonics Tech-nology Letters,vol.18,pp.962-964,1995.)。后者相对灵活，可以放在激光器的末端，也可以放在激光器的腔体当中。典型代表是用二阶光栅来实现DBR激光器在一侧垂直出射(N.Eriksson,M.Hagberg,and A.Larsson,"Highly efficient grating-coupled surface-emitters with single outcoupling elements."IEEE PhotonicsTechnology Letters,vol.7,pp.1394-1396,1995.)，该二阶光栅仅提供垂直输出，谐振腔则由一阶光栅充当反射镜来形成。
由于水平腔体积通常比较大，因此即使实现了面发射，水平腔面发射激光器的功耗也会比VCSEL大很多，因而很难像VCSEL一样应用，这也是为什么到目前为止水平腔面发射激光器并没有得到大的应用的原因。
总之，现有的垂直腔面发射激光器存在调制带宽低、激射波长难以控制的问题，而现有的水平腔面发射激光器存在阈值高、功耗高的问题。基于此，本发明提出了一种新的方案，该方案兼具VCSEL和DFB激光器的优点：和VCSEL类似，该方案具有面发射以及低阈值低功耗的优点；和DFB激光器类似，该方案具有单模单偏振的优势以及激射波长由光栅的布拉格波长决定，且输出功率足够大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种基于表面光栅的面发射激光器，以克服现有技术所存在的缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提出的一种基于表面光栅的面发射激光器，主要包括中间的脊形波导结构以及两侧的上电极区，所述激光器的横截面自下而上包括衬底、下波导盖层、有源层、上波导盖层；
所述上波导盖层的中间区域形成所述脊形波导的脊区，所述脊区表面刻有布拉格光栅。
优选的，为了减小损耗并且降低电极制作难度，脊波导表面不做电极，所述上电极位于所述脊波导的两侧，所述脊波导与上电极之间刻有沟槽；脊波导通过高电导率层与脊波导两侧的上电极区相连。
进一步的，所述沟槽可以刻蚀至高电导率层，沟槽的宽度大于500纳米。
优选的，所述下波导盖层或上波导盖层中含有高电阻区，该高电阻区用于限制电流注入的区域。
进一步的，所述高电阻区可以在下波导盖层中靠近有源层区域的位置形成，也可以在上波导盖层中靠近有源层区域的位置形成；所述高电阻区用以限制载流子的注入，使载流子注入的区域与脊波导的模式能最大程度地重叠。
优选的，形成所述高电阻区的可选用方式包括：通过离子注入相应区域的方式形成；在相应区域预埋高铝组分层，然后从两侧氧化该高铝组分层形成氧化铝，从而形成高电阻区；在相应区域形成反向的PN结。
优选的，电流从所述下电极出发，通过由高电阻区限制所形成的电流注入窗口向上注入到脊波导下面的有源层中，然后经所述高电导率层横向移动到上电极。
优选的，所述有源层包含有源介质层以及光限制层；其中，有源介质可选用多量子阱、量子点或者体材料。
优选的，所述布拉格光栅包含一段二阶光栅和两段一阶光栅，所述布拉格光栅的周期为Λ＝mλB/2neff，其中λB为光栅所对应的布拉格波长，m为光栅级数，m＝1为一阶光栅，m＝2为二阶光栅，neff为波导的有效折射率。所述二阶光栅位于所述激光器腔长方向的中心区域，提供λ/4相移的功能并实现垂直散射出光；所述一阶光栅位于所述二阶光栅的两端，用来提供光反馈和波长选择。
优选的，所述二阶光栅区域有λ/4相移的功能，用于选择布拉格波长对应的模式作为激光器的激射模式。
优选的，所述二阶光栅区域有衍射光场的功能，用于垂直出射布拉格波长对应的模式，实现激光器的面发射。
进一步的，可以通过增大表面光栅的刻蚀深度、增大脊波导区的材料折射率以及减小脊波导区的厚度来增大耦合系数；反之减小耦合系数
进一步的，通过调整光栅的位置和大小以及形状等参数来调整光栅的耦合系数和制作难度。
进一步的，通过调节二阶光栅区域的长度以及相应脊波导的宽度可以使得激光器的输出光斑为圆形光斑。
优选的，所述下波导盖层中可以含有DBR反射镜以提高垂直向上的出光效率，并且输出光功率的大小可以通过调节有源层和DBR反射镜之间的距离来控制；也可以在二阶光栅的上面添加基于金属或电介质DBR的反射镜，这样激光器垂直向下从衬底出光，并获得高输出效率，并且输出光功率的大小可以通过调节光栅和反射镜之间的距离来控制。
本发明的有益效果是：脊形波导表面引入一段二阶光栅和二段一阶光栅，二阶光栅插入在一阶光栅中间，二阶光栅提供λ/4相移的功能并实现垂直散射出光，一阶光栅提供光反馈和模式选择；脊波导表面不做电极，上电极位于脊波导两侧，这样减小损耗并且降低上电极制作难度；利用高电阻区限制载流子注入到脊波导的模式处，从而减小载流子注入区域的体积，实现低阈值性能。本发明不需要材料的二次外延生长，制作工艺简便，因而降低了器件的制作成本，提高了器件的可靠性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1为本发明激光器的结构示意图。
图2A为本发明激光器含有富铝电流限制层的截面结构示意图。
图2B为本发明激光器含有隧道结的截面结构示意图。
图3为本发明激光器的纵向结构示意图(yz平面)。
图4为一阶光栅和二阶光栅的典型衍射原理图。
图5为二阶光栅有无λ/4相移功能下计算得到的透射谱示意图。
图6为0，±1阶模式光场强度沿腔长方向典型分布示意图。
图7为0阶模近场输出的场强分布和相位示意图。
图8为由对称近场强度分布得到的远场强度分布示意图。
图9A为本发明激光器下波导限制层中含有DBR反射镜的纵向截面示意图。
图9B为本发明激光器的二阶光栅上面含有DBR反射镜的纵向截面示意图。
图10是本发明激光器光栅刻在脊波导里面的结构示意图。
图11是数值模拟的激光器整体结构带有具体尺寸的截面示意图(xy截面)。
图12为脊波导和光栅分别刻蚀不同深度下的耦合系数。
图13A是脊波导结构的基模分布图。
图13B是光栅刻蚀区域的基模分布图。
图14A是不含λ/4相移的面发射激光器的模拟结构示意图。
图14B是含λ/4相移的面发射激光器的模拟结构示意图。
图15为模拟得到的二阶光栅有无λ/4相移效果下，激光器二阶光栅顶上出光功率随波长变化的关系图。
图16是模拟的激光器主要振荡模(0阶模和±1阶模)的品质因子随一阶光栅周期数变化的关系图。
图17是在1200个周期的一阶光栅中间插入17个周期二阶光栅时仿真得到的0，±1阶模式光场强度分布图。
图18为激光器0阶模式的品质因子随二阶光栅周期数变化的关系图。
图19为本发明激光器一个具体实例的腔内光场强度图。
图20为本发明激光器一个具体实例在二阶光栅处的腔内光场强度图。
图21为本发明激光器一个具体实例在有源区沿传播方向的腔内光场强度图。
图22A为本发明激光器一个具体实例在二阶光栅周期数为9时相移偏离和对准的向上输出光谱对比图。
图22B为本发明激光器一个具体实例在二阶光栅周期数为33时相移偏离和对准的向上输出光谱对比图。
图23为在二阶光栅周期数为9时0阶模近场的平面(yz面)强度分布图。
图24为在二阶光栅周期数为9时0阶模近场的沿传播方向(沿z方向，y＝0μm时)强度分布图。
图25为本发明激光器一个具体实例的垂直散射出光的远场强度在二阶光栅区域的分布图(xz面)。
图26为面发射激光器含宽度过渡结构的示意图。
图27为本发明激光器一个具体实例在下波导限制层中含有DBR反射镜时向上输出光功率随着反射镜离量子阱层之间距离的变化以及不含DBR反射镜时的向上输出光功率。
图28为本发明激光器一个具体实例在下波导限制层中含有DBR反射镜的腔内光场强度图。
具体实施方式
本发明所提出的基于表面光栅的面发射激光器的结构示意图如图1所示。激光器的侧向、横向和纵向分别记为x、y和z方向，其中z方向为光场传播方向，所有的示意图都用相同的空间坐标系来标记。如图1所示，为该半导体激光器的分层结构，横截面(xy平面)自下而上包括衬底1、下欧姆接触层2、下电极层3、高电阻区4、下波导盖层5、有源层6、高电导率层7、上波导盖层8、上欧姆接触层9、上电极层10。其中，下波导盖层5为P型或N型掺杂，有源层6不掺杂，高电导率层7为N型掺杂，上波导盖层8为N型掺杂，上波导盖层8、有源层6和下波导盖层5共同构成N-i-P结构，如果在上波导盖层8与有源层6之间插入隧道结，则构成N-P-i-N结构。下欧姆接触层2包含在下波导盖层5中，为P型或N型重掺杂，掺杂浓度范围为1018～1019cm-3，用以形成欧姆接触；下波导盖层5中还含有一层或多层的高电阻区4，这样的高电阻区主要用来限定电流的注入区域。类似的高电阻区也可以通过在上波导盖层8与有源层6之间中引入反向的PN结来实现。有源层6用以提供光增益，有源层6中含有一个或者多个量子阱以及一个或多个光限制层。量子阱也可用体材料、量子线或量子点替代。上波导盖层8上形成脊波导11，脊波导上刻有光栅12。用于耦合出光的二阶光栅14插入在用于反馈的一阶光栅13、15的中间。如图1所示，在下波导盖层5中靠近有源层6的位置形成高电阻区4，该高电阻区可以保证载流子只能从脊形波导的正下方注入到有源层中，这样载流子的注入区域与脊波导的模式能最大程度地重叠，从而提高激光器的注入效率。该高电阻区的引入可以有效地减小载流子注入区域的体积，从而实现低阈值激射。由于上波导盖层比较薄，为了便于电流的水平注入，上盖层最好采用N型掺杂，因为N型掺杂层是电子导电，而电子比空穴的迁移率要高得多。
该高电阻区4可以在相应区域预埋高铝组分层比如AlAs层，然后从两侧氧化该高铝组分层形成氧化铝，从而形成高电阻区；类似的高电阻区也可以通过离子注入相应区域的方式形成；另外，也可以在有源区域的上方引入反向的PN结来形成高电阻区，在脊波导的正下方利用隧道结来形成电流注入的路径。具体如下：在N型掺杂的高电导率层与有源层之间引入低掺杂的P型掺杂层，在脊形波导的下方引入隧道结，即脊波导下方的P型摻杂的浓度非常高。这时下波导盖层可以采用N型掺杂，整个结构在隧道结区域变成N-N++-P++-i-N，其中N++-P++就是隧道结。在隧道结以外的区域是N-P-i-N结构。当上面的N电极加正偏电压时，在隧道结以外的区域由于PN结反偏无法注入电流，在隧道结的位置，电子可以通过量子隧穿的方式由P++层穿过隧道结进入N++层，效果上就是空穴注入到隧道结下面的有源层区域中。
图2为激光器的截面结构示意图(xy平面)：图2A代表典型的通过高铝组分层氧化来限制电流注入区域的方法。如图2A所示，在该激光器下波导盖层5中有一层高铝组分层，该层靠近有源层6。该层材料由于铝组分高(铝组分高于80％)，能够被氧化形成(AlGa)xOy，该氧化物具有绝缘的效果，从而形成高电阻区4，用来限制电流注入的区域。
图2B代表另外一种限制电流注入区域的方法，即掩埋的隧道结方法。具体形成过程如下：在有源层上方生长低P型掺杂层16，然后生长P型重掺杂薄层17以及N型重掺杂的薄层18，然后将该P、N型重掺杂薄层腐蚀掉，除脊波导下方的区域17和18以外，如图2B所示。然后在上面生长N掺杂的高导电率层7和波导盖层8。隧道结是由P型重掺杂层17和N型重掺杂层18组成。当上电极加正电压注入电流时，掩埋隧道结允许电流通过，其它区域由于PN结反偏电流不能通过，这样电流注入到脊波导下面的有源层中。掩埋隧道结因此构成了对电流注入区域的限制。
如图2所示，在刻蚀深度为Hr的脊波导上刻有深度为Hg的表面光栅。本发明采用表面光栅进行光的反馈和出射，为了获得高反馈，脊波导的上波导盖层要求尽量薄。为了避免电极对有源区内光场的吸收，在脊波导上不制作电极。上电极10位于脊形波导两侧，在脊形波导11与两侧电极10之间刻蚀有沟槽，沟槽刻蚀至高电导率层7。沟槽的宽度大于500纳米，这样电极区远离脊形波导芯区，因此对脊形波导的模式没有影响。上波导盖层8通过两侧的欧姆接触层9与两侧的上电极区10相连。同时，脊波导的高度Hr和光栅的刻蚀深度Hg可以根据所需激光器的性能来确定。光栅的刻蚀深度Hg越深，耦合系数越大，一阶光栅反馈越强，这样可以减小器件长度，但是表面光栅刻蚀太深的话，脊波导的光限制会减弱，光会向两边电极区泄露，从而影响激光器的性能。
图3为本发明激光器的纵向结构示意图(yz平面)。如图3中所示，脊形波导的表面上刻蚀光栅13、14、15，其中光栅13和15为一阶光栅用于提供光反馈，光栅14为二阶光栅，用于耦合出光。该一阶光栅13、15和二阶光栅14具有相同的刻蚀深度Hg，周期分别为Λ1＝λB/2neff，Λ2＝λB/neff，其中λB和neff分别为光栅所对应的布拉格波长和波导的有效折射率。在布拉格波长λB处一阶光栅13和15能够提供最大的光反馈。二阶光栅14通常位于激光器谐振腔的中心区域，除了提供耦合输出的功能以外，还提供入/4相移的功能，保证了光栅的布拉格波长为激光器谐振腔的谐振波长。同时，二阶光栅14的衍射光形成了垂直向上输出的光从而实现了激光器面发射。
下面我们具体描述本发明面发射激光器利用一阶布拉格光栅提供光反馈、二阶布拉格光栅提供λ/4相移并衍射出光的工作原理。对于一阶布拉格光栅13和15，其光栅方程满足：
|sinβ±sinθ|＝2m
其中β为光栅衍射角，θ为入射角，m为衍射级数，是整数。对于水平波导，其光沿水平腔传输，垂直入射在布拉格光栅上，对应入射角θ＝π/2。这意味着m只能取1，对应β可以取两个值：β＝π/2，即光继续沿水平腔向前传播；β＝-π/2，即光将沿水平腔反向传播，这就实现了光的反馈。
对于二阶布拉格光栅14，光栅方程满足：
|sinβ±sinθ|＝m
其中m能取1，对应β可以取两个值：β＝0，即光垂直水平腔向上传播，为二阶光栅的一级衍射，提供了光的面发射功能；β＝π，即光垂直水平腔向下传播，可以通过在有源区下面制作DBR反射镜将其部分转换为向上传播的光。其中m也能取2，对应β的取值与一阶光栅的一样，即也能提供光反馈功能。如图4所示为一阶光栅和二阶光栅的典型衍射原理图。
在分布反馈激光器中，其谐振波长为：
其中λB为布拉格波长，为有效折射率，L激光器腔长，q为整数，φ为光栅周期变化或端面反射变化引起的行波场的相位变化(H.Kogelnik，and C.V.Shank，″Coupled-WaveTheory of Distributed Feedback Lasers.″Journal of Ap-plied Physics 43，2327，1972.)。对于均匀光栅的DFB激光器，其相位变化φ为0，可以看出，无论q取何值，不存在λ0＝λB的振荡模式，也就是说布拉格波长不能成为激射波长。而在λB两边的两个波长由于所对应的模式阈值最低，因此，它们俩中将有一个随机成为激射波长。两个一阶光栅13和15中引入一个二阶光栅14的方式有两种：
1.单纯的二阶光栅直接引入到一阶光栅中：这种情况下，由于二阶光栅每个周期带来的相位改变为φ＝(2π/λ)λ＝2π，二阶光栅的引入并不会改变DFB激光器的谐振波长；另外，由于该谐振波长对应的模式和二阶光栅衍射的布拉格波长对应的模式不同，所以，这种情况下无法实现有效的面发射。
2.二阶光栅合并半个周期的一阶光栅后再引入到一阶光栅中：这种情况下，波导内行波场的相位改变φ＝(2π/λ)(λ/4)＝π/2，因而可以实现λ/4相移功能；当上式q取-1时，即可获得到λ0＝λB的振荡模式，这样整个波导内可以形成以布拉格波长振荡的稳定驻波，进而实现该模式的谐振和放大，最终布拉格波长对应的模式成为腔内谐振模式，并且二阶光栅可以有效地对该模式进行向上衍射，从而实现面发射。
如图5所示为二阶光栅有无λ/4相移情况下计算得到的透射谱示意图。本发明采用含λ/4相移的二阶光栅可以实现有效地选模(0阶模式)和面发射功能。
本发明面发射激光器的模式反馈和放大主要是由二阶光栅两边的一阶光栅13、15来实现的，这意味着许多如图5所示的谐振峰值(±1阶，±2阶，…)也有可能成为振荡模式。对于标准的λ/4相移DFB激光器，布拉格波长对应的模式(0阶模)光反馈最强、阈值增益最低，因此可以实现单纵模工作。但是，在本发明中，由于二阶光栅的一阶衍射给这个模式(0阶模)带来了损耗，这样该模式的阈值增益就增高了，导致该模式两侧的模式(±1阶模)可能有相对较低的阈值增益而激射。因此，为使激光器能以0阶模工作，需要另外的选模机制来较大地增大±1阶模式的阈值增益。可选择的一个方法是在两边的一阶光栅上制作金属，通过金属对光场的吸收来增大±1阶模式的损耗(James Lopez，MasoudKasraian，and DanBotez，″Surface-emitting，distributed-feedback diode lasers with uniform near-field intensity profile.″Appl.Phys.Lett.73，2266，1998.)，但该方案同时也增大了0阶模损耗，所以该方案激光器的阈值电流在2A(安培)量级，很难应用于光通信、光传感等需要低功率运作的领域。另外一个方法是通过减短二阶光栅两侧的一阶光栅的长度可以降低对±1阶模式的反馈能力，从而增大其阈值增益，同时在不增加0阶模损耗的情况下，使其实现增益放大从而激射。本发明中采用的是后一种方法，具体如下：
类似于标准二阶光栅DFB激光器，本发明面发射激光器腔内的场强沿腔长方向分布为：E(z)＝A(z)eiβz+B(z)e-iβz，其中A(z)和B(z)为腔内前向和后向行波，β为传播常数。β＝-1，0，1为主要的纵模模式，图6是对应0，±1阶模式光场强度沿腔长方向典型分布示意图(Rudolf F.Kazarinovand Charles H.Henry，″Second-Order Distributed FeedbackLasers with Mode Selection Provided by First-Order Radiation Losses″IEEEJ.Quantum Electon.，vol.QE-21，no.2，Feb.1985.)。可以看出0阶模式的光场主要是集中在激光器腔长方向中心部位，±1阶模式的光场主要是分布在激光器腔长方向两端。0阶模式的光反馈最强，其光场主要是集中在激光器中心部位，在激光器两端的光场分布非常小，因此，在两端一阶光栅的边缘减少部分光栅长度对0阶模式几乎没有影响，而对于±1阶模式，由于其光场主要分布在激光器两端，两端的一阶光栅周期数减小会大大降低该模式的光场反馈，导致光场从两端泄露，从而增大损耗，最终难以形成谐振。通过这种方法，就可以在主模(0阶模)损耗比较小的情况下，筛选掉±1阶模等其他次模，从而实现主模激射。这一点在之后实例模拟中也能观察到。
半导体激光器不同于发光二极管(LED)之处主要在于其含有谐振腔。谐振腔提供了光子的反馈放大，从而实现激光器的受激激射。本发明面发射激光器两端的一阶光栅对光场的反馈实现了谐振腔的作用，二阶光栅对光场衍射出光带来了损耗，这就类似于边发射激光器的端面出光所引起的镜面损耗。通常激光器的阈值电流与激光器损耗是成指数的正比关系的，损耗的增大会大大提高激光器的阈值电流。当损耗过大时，激光器将无法实现激射。一般FP腔激光器的镜面损耗在30-40cm-1左右，对应的阈值电流约为20mA。要实现低阈值激射，通常要求谐振腔的损耗尽可能小。对于本发明面发射激光器，二阶光栅周期数决定了向上衍射光场的功率大小，同时也影响了激光器腔内光场强度，因此，二阶光栅的周期数需要设定在一个合理的范围内来保证激光器能低阈值激射。
由于二阶光栅所输出的0阶模是对称模式，即其近场分布振幅和相位在激光器腔长z方向上是关于其中心线对称的。如图7所示为0阶模近场输出的场强和相位示意图。其近场分布为对称型，即中心点两边的相位都为正。由近场到远场的关系式：
其中Efar(θ)为不同发散角下远场强度分布图，Enear(z)为沿z方向近场强度分布图，θ为发散角，k为波矢量。由此可以得到远场强度分布如图8所示，可以看出0阶模由近场变换到远场后会形成只有一个峰值的光场强度分布。通常远场发散角是与出射孔径(近场出光区域)成反比的，即出射孔径越窄，远场的角分布越宽。对于边发射半导体激光器，其水平方向出射孔径大约为2-3μm，对应的水平发射角大约为20°，其垂直方向出射孔径大约为0.4μm，对应的垂直发射角约为40°，这样出射光为椭圆形光束，和光纤耦合通常存在比较大的耦合损耗，通过透镜系统来整形光束可以实现更高效的耦合，但这样会增大器件的成本。对于VCSEL，其出射光为圆形光束，直径约为4μm，对应发散角约为15°，因此与光纤耦合，效率通常很高。这也是VCSEL相对边发射激光器的一大优点。但是VCSEL腔长短，相对输出功率比较小。本发明中，采用的二阶光栅具有与VCSEL出射孔径相当的尺寸，这意味着其发射角跟VCSEL相当，同样可以实现高效的耦合；同时，采用的水平腔方案可以保证比较高的光输出功率。
综上所述，本发明面发射激光器是利用一阶光栅反馈放大布拉格波长对应的模式；利用含λ/4相移功能的二阶光栅使该模式满足谐振条件，并将该模式从垂直方向衍射出谐振腔形成稳定的激光输出。本发明面发射激光器可以在低注入电流的条件下，使布拉格波长对应模式实现较大功率输出。并且该模式的远场具有单峰、低发散角等特性，因此可以高效耦合进光纤。
通常情况下二阶光栅的衍射输出包含向上和向下两部分，如图1所示激光器将会同时有向下和向上的光输出。图9(A)为本发明面发射激光器一个实例，在该实例中，激光器的下波导限制层5中包含有外延生长的DBR反射镜19，该反射镜位于有源层6与欧姆接触层2之间，该反射镜通常是交替生长高折射率层材料与低折射率层材料形成。在GaAs衬底上，通常是交替生长低铝组分层与高铝组分层。该反射镜会将二阶光栅14向下的衍射输出光向上反射，并和原来向上的衍射输出的光场干涉叠加，最终输出光功率的大小取决于两束光的相位差，调节该反射镜到有源层的距离可以控制这个相位差，从而控制向上输出光功率的大小。图9(B)为本发明面发射激光器另一个实例，在该实例中，激光器的二阶光栅的上面先沉积电介质隔离层或旋涂聚合物隔离层20，然后添加基于金属或电介质DBR反射镜21。该反射镜可以将原来向上的衍射输出光转变成向下的输出光，并和原先向下的衍射输出光干涉叠加，最终的输出光功率的大小取决于两束光的相位差，调节隔离层的厚度可以控制这个相位差，从而控制向下输出光功率的大小。这样激光器可以从衬底出光，并能获得高输出效率。
如图1所示的激光器中，表面光栅和脊波导具有相同的宽度。光栅的宽度也可以比脊波导宽度小，或者采用光子晶体结构，只要这种周期性结构能提供光的反馈和出射。图10是本发明面发射激光器一个实例，和图1的区别在于，光栅12刻蚀在脊11里面并且比脊11窄。这种情况下，在制作的过程中，脊波导高度以及光栅刻蚀深度可以分别控制。
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明：
我们来分析一个基于表面光栅的面发射激光器的实例。该激光器的横截面(xy截面)具体结构如图11所示：脊波导的宽度为2μm；两边电极台阶的宽度为4μm；脊到电极台阶的距离为2μm；欧姆接触层为GaAs，厚度为0.15μm；上、下盖层为AlGaAs材料，Al含量分别为0.3和0.48，对应厚度分别为0.4μm和1.65μm；衬底为GaAs材料；有源区包括多量子阱层和上下光限制层，等效折射率为3.5009，厚度为0.1μm。有源区域下面的氧化层由于其厚度比较小，可以忽略其对激光器光波导模式的影响。
首先，我们分析脊波导刻蚀深度和光栅刻蚀深度对耦合系数的影响。图12所示为脊波导和光栅分别刻蚀不同深度下的耦合系数。可以看出当光栅刻蚀深度一定时，耦合系数随着脊波导刻蚀深度的增加而减小。为了得到足够大的耦合系数，应减小脊波导刻蚀深度，但为了保证脊波导能有效的限制波导模式，脊波导刻蚀深度不能太小，最后选择脊波导的刻蚀深度为0.3μm。当脊波导刻蚀深度一定时，耦合系数随着光栅刻蚀深度的增加而增加。为了得到足够大的耦合系数，应增大光栅刻蚀深度，但为了方便制作，最后光栅的刻蚀深度为0.2μm。我们计算了脊波导和光栅刻蚀0.2μm结构的基模分布及其有效折射率，如图13A、B所示。对于800nm波长，可以得到光栅的耦合系数κ＝2(n1-n2)/λ＝852cm-1。因此光栅的反馈很强，可以有效的减小器件长度。从图13A、B也可以看出，在光栅槽区，随着光栅刻蚀深度增大，脊区上限制层留下的厚度减小，模式会更多的向有源区转移；当脊区上限制层留下的厚度小于0.1μm时，波导在该层的光限制非常弱，存在严重的侧向泄露，因此表面光栅不宜刻蚀太深。
其次，我们分析纵向结构(沿z传播方向)的选模及光输出特性。图3中二阶光栅14的一个关键作用是提供λ/4相移的功能，λ/4相移区的引入使得光栅的布拉格波长成为整个谐振腔的谐振波长。二阶光栅14的另一个关键作用是利用其一阶衍射形成垂直向上的输出光来实现激光器面发射。二阶光栅的一阶衍射波长为布拉格波长。这意味着光栅的布拉格波长不仅是整个谐振腔的谐振波长，同时是面发射激光器的激射波长。为了进一步说明二阶光栅的两方面作用，我们利用时域有限差分法(FDTD)做如下模拟：在上述横截面结构下，设定纵向(沿z传播方向)的一阶光栅周期为117nm，周期数为1200，二阶光栅插入在一阶光栅中间，周期为221nm，周期数为17；对应布拉格波长为802.5nm；从左端输入波导基模光源；监测二阶光栅顶上出光功率。其中不含λ/4相移的面发射激光器的模拟和尺寸示意图如图14A所示，而含λ/4相移的则如图14B所示。在14A中，一阶光栅里面直接插入整数个周期的二阶光栅，而在14B中，插入的二阶光栅包含半个周期的一阶光栅。也就是说，含λ/4相移功能的二阶光栅比不含λ/4相移功能的二阶光栅多半个周期的一阶光栅，这样就使得波导内正向和反向的行波场的相位各改变π/2，整个波导内形成了稳定的以布拉格波长振荡的驻波，进而实现布拉格波长的谐振和放大。需要强调的是，含λ/4相移功能的二阶光栅可以是多出半个周期的一阶光栅，也可以是少半个周期的一阶光栅，并且它的位置可以在二阶光栅区域的任何地方。图15是模拟得到的二阶光栅有无λ/4相移效果下，激光器二阶光栅顶上出光功率随波长变化的关系图。从图中可以看出，不含λ/4相移功能的输出光功率谱里存在两个对称的峰，这意味着这两个峰对应的模式同时振荡，最终的激射模式会从这两个模式中随机产生，因此激光器不能实现稳定的单纵模输出。而含λ/4相移功能的输出光功率谱里只存在一个峰，布拉格波长对应的模式实现了谐振，且反馈最强，因而成为激光器稳定的激射模式，该模式被二阶光栅垂直向上衍射，从而实现了有效的顶上输出。
再次，我们分析一阶光栅数目对腔内不同模式品质因子的影响。本发明主要是通过在一阶光栅中插入部分二阶光栅，使布拉格波长对应模式得到谐振并垂直表面输出。由于二阶光栅的一阶衍射给这个模式(0阶模)带来了损耗，为了避免该模式两侧的模式(±1阶模)的阈值增益相比更小从而激射，我们缩短了两端的一阶光栅的长度，通过减小对±1阶模式的反馈能力来增大其阈值增益，使得0阶模更容易实现增益放大从而激射。在激光器谐振腔中，可以用品质因子来判断一个模式是否会激射，因为模式的品质因子与阈值增益成反比，品质因子高的模式会成为激射模式。类似于微环或者微腔等谐振腔，可以通过计算激光器谐振腔内模式的品质因子来筛选出想要的谐振模式。在上述结构中，设定二阶光栅周期数为17不变，通过改变一阶光栅的周期数目来计算腔内各模式的品质因子。图16是模拟的激光器主要振荡模(0阶模和±1阶模)的品质因子随一阶光栅周期数变化的关系图。可以看出，随着一阶光栅周期数的减少±1阶模式的品质因子不断变小，但是0阶模式的品质因子基本不变。为了保证有足够大的品质因子差来实现模式的筛选，可以选择一阶光栅的周期数为1200，此时0阶模和±1阶模的品质因子差达到了2000，足够使0阶模式成为激光器的主模。图17是在1200个周期的一阶光栅中间插入17个周期二阶光栅时仿真得到的0，±1阶模式光场强度分布图。可以看出，对于±1阶模式，光场主要是对称分布在激光器腔的两端，缩短两端的一阶光栅会使两端的光场反馈减小而泄露，这就导致其损耗比较大，对应的品质因子急剧降低，从而难以形成谐振；而对于0阶模式，由于受一阶光栅反馈最强，光场主要是集中在激光器腔的中心部位，而两端的光场很弱，因此缩短两端的一阶光栅不会减小0阶模式的光反馈，对其品质因子影响也很小。因此缩短两端的一阶光栅，可以保证主模(0阶模)品质因子足够大的同时，筛选掉±1阶模等其他次模。
接下来，我们分析二阶光栅周期数对模式品质因子的影响。通常而言，FP腔激光器的长度为300-400μm左右，其镜面损耗对应的品质因子大概为8500-11500。本发明中，可以减少二阶光栅的周期数来减小输出光功率从而增大0阶模式的品质因子，进而实现有效的光反馈放大。基于上述结构，设定一阶光栅周期数为1200不变，改变二阶光栅的周期数来计算不同模式的品质因子。图18是仿真的激光器腔0阶模式的品质因子随二阶光栅周期数变化的关系图。可以看出，随着二阶光栅周期数的减少，0阶模式的品质因子逐渐增大。这是因为二阶光栅长度缩短后，光场的衍射减小了，这样模式的损耗降低了，而对应的品质因子则增大了。但是当周期数继续减小到5时，品质因子达到了14000，说明这时二阶光栅的衍射很小，这意味着向上输出的光功率很小。为了保证有足够大的品质因子来实现模式的谐振放大，同时激光器的输出功率足够强，我们选择二阶光栅的周期数为9。此时，计算的0阶模式品质因子为9203，可以保证模式的阈值增益适中；计算的±1阶模式品质因子分别为0(模式没有有效谐振，计算时基本观测不到)和4571，不到0阶模式的一半，意味着0阶模式在激光器最后输出的光谱中能有效地占主导。图19为本发明面发射激光器的一个具体实例激光器腔内光场图，其中两端一阶光栅的周期数为1200，中间二阶光栅的周期数为9，脊波导宽度为2微米。从图中可以看出，两端的一阶光栅提供光反馈，中心区域的二阶光栅提供相移并且垂直腔面实现面发射输出。图20和21分别为该实例激光器腔内光场分布图。可以看出，光场集中分布在激光器腔的中心区域，这和标准的λ/4相移分布反馈(DFB)激光器是一致的，由于中心区域为二阶光栅，光场集中在该处有助于光场向垂直方向衍射出光，从而实现有效的面发射。需要强调的是，二阶光栅周期数不能太多。一方面，二阶光栅增长会导致激光器的单模特性变弱。当全是二阶光栅的时候，类似于没有相移的DFB激光器，其模式是双模的，这个时候需要在二阶光栅中插入一个λ/4相移(James Lopez，Masoud Kasraian，andDan Botez，″Surface-emitting，distributed-feedback diode lasers with uniformnear-field inten-sity profile.″IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.9，1153，2003)，这实际上就是含λ/4相移的二阶光栅DFB激光器(J.Glinski and T.Makino，“Yieldanalysis of second-order DSM DFB lasers and implications for design，”IEEEJ.Quantum Electron.，vol.QE-23，pp.849-859，June 1987)。另一方面，由近场与远场的关系可知，增长二阶光栅会导致沿传播方向上的远场发散角变小。考虑到脊波导上的光栅的宽度一般在2-5μm，对应发散角为10°-20°，当二阶光栅长度为500μm时，对应发散角只有0.06°，这时出射光束为椭圆形，和光纤耦合将存在比较大的耦合损耗。此外，增长二阶光栅会导致垂直方向衍射的光强变大，意味着损耗变大，阈值电流变高。图22(A)和(B)为该实例激光器在二阶光栅周期数为9和33时，如果引入的λ/4相移出现稍许偏离，激光器的输出光谱对比图。可以看出，相比二阶光栅周期数为9的情况，在二阶光栅周期数为33时，λ/4相移出现偏移会造成两个波长的输出功率比较强，导致激光器会出现双模。
之后，我们分析0阶模的近、远场强度分布图。由于二阶光栅垂直方向衍射所输出的0阶模是对称模式，其近场分布振幅和相位是关于中心线对称的。这样在变换到远场后会形成只有一个峰值的远场强度分布。图23和24分别为上述实例激光器在二阶光栅周期数为9时0阶模近场的平面(xy面)和沿传播方向(y＝0μm)强度分布图，可以看出光场沿中心线呈对称分布。图25为上述实例激光器光场的远场强度在二阶光栅区域的分布图，可以看出输出光束远场为圆形光斑，并且远场发散角约为8°×8°，可以实现单模单瓣高斯光束输出。可见，本发明面发射激光器实现了高斯光束输出，其发散角大约只有传统垂直腔面发射激光器的1/2。这样小发散角的高斯光束与光纤能够实现高效耦合。
需要补充说明的是：如果需要高输出功率的面发射激光器，也可以增大二阶光栅的周期数。二阶光栅增长后垂直方向向上输出的光功率会增大，模式的品质因子会降低，因此需要减小光栅的刻蚀深度Hg来减小光栅的耦合系数，从而减小光场向上耦合输出以增大模式品质因子。同时，二阶光栅增长后，模式的远场纵向发散角将变小，为保证输出的远场为圆形光束，需要增大二阶光栅区域脊波导的宽度，以便同时减小横向发散角。此外，为保证阈值电流尽量小，一阶光栅区域的脊波导宽度需要尽可能窄，这样在一阶光栅和二阶光栅间就需要设计脊波导宽度过渡结构。通常可以设计一个脊波导宽度为正弦sin型变化的渐变结构，该结构需要足够长来缓解脊波导宽度变化导致的模式变化，从而减小模式转换损耗。图26为本发明面发射激光器含宽度过渡结构的示意图，在一阶光栅13、15和二阶光栅14间设计宽度过渡结构22。
此外，为增大向上输出光功率，在有源层的下方，可以外延生长高反射的布拉格DBR反射镜，这样原先向下的输出光可以被反射而向上输出，并和原来向上输出的光场干涉叠加形成最终的输出。通过调整布拉格反射镜到光栅层的距离可以控制两向上输出光之间的相位差，从而控制输出光功率的大小。图27为本发明面发射激光器向上输出光功率随着DBR反射镜与量子阱距离的变化以及不加DBR反射镜时的向上输出光功率。可以看出，光功率随DBR反射镜与量子阱之间距离呈周期变化。当该距离选取在输出功率最大处时，模式的品质因子会急剧降低，从而无法形成谐振模式。基于此，我们设定DBR反射镜离量子阱距离约为0.4微米，此时输出功率大概会比不加DBR反射镜时增大一倍左右，其品质因子还能保证在10000。图28为本发明面发射激光器实例在下波导限制层中含有DBR反射镜的腔内光场图。可以看出，DBR反射镜使部分光向上反射。
综上所述，本发明公开了一种基于表面光栅的面发射激光器。该激光器为脊形波导结构，自下而上包含：衬底、下波导盖层、有源层、上波导盖层；在脊形波导表面上刻蚀有布拉格光栅；脊形波导上面不做电极，电极位于脊形波导两侧；在脊形波导与两侧电极之间刻蚀有沟槽；该激光器的下波导盖层中含有一个或多个电流限制区，或者是在上波导盖层中制作一个掩埋隧道结来限制电流。由于载流子被限制在脊波导的模式处，可以减小载流子注入区域的体积，实现低阈值特性。沿激光器腔长方向刻蚀一阶和二阶表面光栅选出特定的模式成为激光器的激射模式，然后通过二阶光栅的一阶衍射垂直输出所选模式，实现单模和远场单峰的面发射激光器。本发明不需要材料的二次外延生长，制作工艺简便，因而降低了器件的制作成本，提高了器件的可靠性。此外本发明的激光器属于面发射激光器，能实现单模单瓣光斑输出，且发射角比较小，能与光纤有较高的耦合效率，测试简单。
基于上述本发明的设计原理，本领域技术人员完全能够理解，本具体实施例所提供的单模及远场单峰的表面光栅面发射激光器仅仅只是举例，并非构造对光栅数目和周期大小和形貌的具体限定。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (11)

1.一种基于表面光栅的面发射激光器，其特征在于，所述激光器主要包括中间的脊形波导结构以及两侧的上电极区，所述激光器的横截面自下而上包括衬底、下波导盖层、有源层、上波导盖层；
所述上波导盖层的中间区域形成所述脊形波导的脊区，所述脊区表面刻有布拉格光栅；所述上电极区位于所述脊形波导的两侧，所述脊形波导与所述上电极区之间刻有沟槽；所述脊形波导区与所述上电极区之间通过高电导率层相连；
所述下波导盖层或上波导盖层中含有高电阻区，用于限制电流注入的区域。
2.根据权利要求1所述的基于表面光栅的面发射激光器，其特征在于，所述布拉格光栅包含一段二阶光栅和两段一阶光栅，所述布拉格光栅的周期为Λ＝mλB/2neff，其中λB为光栅所对应的布拉格波长，m为光栅级数，m＝1为一阶光栅，m＝2为二阶光栅，neff为波导的有效折射率；
所述二阶光栅位于所述激光器腔长方向的中心区域，提供λ/4相移的功能并实现垂直散射出光；所述一阶光栅位于所述二阶光栅的两端，用来提供光反馈和波长选择。
3.根据权利要求1所述的基于表面光栅的面发射激光器，其特征在于，所述沟槽可以刻蚀至高电导率层，沟槽的宽度大于500纳米。
4.根据权利要求1所述的基于表面光栅的面发射激光器，其特征在于，所述高电阻区可以在下波导盖层中靠近有源层区域的位置形成，也可以在上波导盖层中靠近有源层区域的位置形成；所述高电阻区用以限制载流子的注入，使载流子注入的区域与脊波导的模式能最大程度地重叠。
5.根据权利要求1或4所述的基于表面光栅的面发射激光器，其特征在于，所述高电阻区由高电阻材料构成，可选用高铝组分层氧化后形成的氧化物材料或者离子注入后形成的高电阻材料或者反向的PN结材料。
6.根据权利要求1所述的基于表面光栅的面发射激光器，其特征在于，所述有源层包含有源介质层以及光限制层；其中，有源介质可选用多量子阱、量子点或者体材料。
7.根据权利要求2所述的基于表面光栅的面发射激光器，其特征在于，所述二阶光栅区域有λ/4相移功能，用于选择布拉格波长对应的模式作为激光器的激射模式。
8.根据权利要求2所述的基于表面光栅的面发射激光器，其特征在于，所述二阶光栅区域用于垂直散射激光器的模式，从而实现激光器的面发射输出。
9.根据权利要求1或2所述的基于表面光栅的面发射激光器，其特征在于，可以通过增大表面光栅的刻蚀深度、增大脊波导区的材料折射率以及减小脊波导区的厚度来增大耦合系数；反之减小耦合系数。
10.根据权利要求1或2所述的基于表面光栅的面发射激光器，其特征在于，通过调节二阶光栅区域的长度以及相应脊波导的宽度可以使得激光器的输出光斑为圆形光斑。
11.根据权利要求1所述的基于表面光栅的面发射激光器，其特征在于，所述下波导盖层中含有DBR反射镜以提高垂直向上的出光效率，并且输出光功率的大小通过调节有源层和DBR反射镜之间的距离来控制；或在二阶光栅的上面添加基于金属或电介质DBR的反射镜，这样激光器垂直向下从衬底出光，从而获得高输出效率，并且输出光功率的大小通过调节光栅和反射镜之间的距离来控制。
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