CN110867726A - 一种偏振稳定的垂直腔面发射激光器结构 - Google Patents

一种偏振稳定的垂直腔面发射激光器结构 Download PDF

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王小龙
马晓辉
李明宇
石琳琳
王海珠
范杰
徐英添
张贺
金亮
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Abstract

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种偏振稳定的垂直腔面发射激光器结构。一种偏振稳定的垂直腔面发射激光器结构，包括从下至上依次分布的N面电极、衬底、N‑DBR镜、有源增益区、氧化物限制区、表面光栅、波浪形DBR镜、P面电极。本发明采用了一种具有偏振选择功能的波浪形DBR结构代替传统VCSEL的上DBR结构，所述波浪形DBR镜可实现对单一方向的偏振模式具有大于99.9％的反射率，同时其它方向的偏振模式的反射率仅有10％以下，巨大的偏振模式间的损耗差异使得本发明之具有波浪形DBR结构的VCSEL可直接输出稳定的单偏振模式。

Description

一种偏振稳定的垂直腔面发射激光器结构
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种偏振稳定的垂直腔面发射激光器结构。
背景技术
垂直腔面发射激光器，简称VCSEL，是一种新兴的半导体激光光源。相比于传统的边发射半导体激光器，VCSEL具有阈值低、对称的圆形光斑、单纵模、易于二维阵列、热稳定性好等优点。这使得VCSEL在医疗、显示技术、空间通信、光互连等领域有着重要的应用。
但是一般的VCSEL常采用圆柱式的波导结构，这使得在理论上可激射光的偏振方向是任意的，并且实现激光反馈的DBR镜不具有偏振模式选择的功能。随着工作电流、内部温度等条件发生变化，VCSEL存在偏振模式间切换的现象。对于传统的VCSEL结构来说，获得稳定的偏振模式输出是很难的。偏振模式的不稳定使得输出激光相干性变差，这极大地限制了VCSEL在许多领域的应用。因此，开发具有偏振稳定VCSEL器件始终是研究的热点。偏振模式控制的本质就是如何使偏振模式间的损耗或增益的差异最大化。目前可见的偏振控制技术有：
1)非对称电流注入：通过制作非对称的电极结构使有源区在不同方向上获得增益存在差异。从而增大偏振模式间的增益差。输出的偏振方向被固定在具有较大电流注入的方向。这种方式可以实现超过10dB的偏振抑制比，但是随着工作电流的增大，偏振抑制比会有明显的降低；
2)高对比度光栅结构：通过高对比度光栅结构来替代传统VCSEL的上DBR结构。高对比度光栅具有较强的偏振特性，可以在两个正交的偏振方向上引入较大的反射率差，从而使偏振模式间具有非常大的损耗差。高对比度光栅VCSEL的偏振抑制比超过20dB。对于常见近红外波段(980nm、1064nm以及1550nm等)的VCSEL，高对比度光栅的周期需要控制在400～700nm量级。这无形中增大了VCSEL的制作难度，降低了器件的成品率。同时，这个尺寸的光栅大多采用电子束曝光来实现，制作成本较高并且无法实现大面积的一次性制备；
3)表面浮雕结构：通过在VCSEL的上DBR表面浅刻蚀微结构(如亚波长光栅结构、哑铃形状、菱形形状等)来增大偏振模式间的反射率差，从而控制VCSEL输出的偏振模式。由于是在上DBR表面刻蚀图形，但在偏振模式间引入的反射率差值并不大。因此，表面浮雕结构虽然制作工艺简单，但不能实现大偏振抑制比；
4)非对称孔径结构：通过刻蚀形成不同形状的VCSEL台面使氧化后的电流限制孔径不再是圆形。这将使得载流子浓度分布在不同方向上产生差异，从而增大模式间的增益差。这种方式虽然具有一定的偏振控制能力，但随着电流的增大偏振抑制能力将下降。并且该方式对于大孔径的VCSEL的偏振控制能力较弱。
上述所提到的偏振控制技术方案存在偏振控制能力不强，器件制备工艺难度大等不足。
发明内容
为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种偏振稳定的垂直腔面发射激光器结构，其以简单有效的技术手段使垂直腔面发射激光器在工作过程中始终具有稳定的单偏振模式输出的功能。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种偏振稳定的垂直腔面发射激光器结构，其特殊之处在于：
包括从下至上依次分布的N面电极、衬底、N-DBR镜、有源增益区、氧化物限制区、表面光栅、波浪形DBR镜、P面电极。
进一步地，上述表面光栅结构可采用全系光刻(或电子束光刻)后，并采用ICP(或RIE)刻蚀形成周期性光栅结构。
进一步地，上述波浪形DBR镜为在表面光栅采用利用电子束蒸镀和离子辅助沉积的方法交替溅射沉积和溅射刻蚀形成具有高、低折射率材料的氧化膜，各氧化膜为波浪形状。
进一步地，上述高、低折射率的氧化膜材料可以选择如Si/SiO2或TiO2/SiO2等常用材料体系。
进一步地，上述N-DBR镜由三十对光学厚度为四分之一波长的高、低折射率半导体材料交替生长而构成。
进一步地，上述氧化物限制区为具有高Al组分的AlGaAs导电层周围被氧化后形成环形电绝缘的Al2O3层。
本发明的优点：
本发明采用了一种具有偏振选择功能的波浪形DBR结构代替传统VCSEL的上DBR结构，所述波浪形DBR镜可实现对单一方向的偏振模式具有大于99.9％的反射率，同时其它方向的偏振模式的反射率仅有10％以下，巨大的偏振模式间的损耗差异使得本发明之具有波浪形DBR结构的VCSEL可直接输出稳定的单偏振模式；同时，本发明可广泛适用于GaN、GaAs、InP或GaSb基等材料体系的VCSEL光源中，以及基于微机电系统或液晶等调谐方式的波长可调谐VCSEL光源中。
附图说明
图1是本发明之具有波浪形上DBR的VCSEL的结构示意图；
图2是本发明之具有波浪形DBR结构放大的示意图；
图3是反射中心波长为1300nm的波浪形DBR镜对于TE和TM偏振模式的反射谱；
图4是反射中心波长为1500nm的波浪形DBR镜对于TE和TM偏振模式的反射谱；
图5是不同堆叠周期数的波浪形DBR镜的反射谱。
其中，1-N面电极、2-衬底、3-N-DBR镜、4-有源增益区、5-氧化物限制区、6-表面光栅、7-P面电极、8-波浪形DBR镜。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
参见图1，本发明之具有波浪形DBR结构的偏振稳定VCSEL自下而上包括以下组成部分，N面电极1、衬底2、N-DBR镜3、有源增益区4、氧化物限制区5、表面光栅6、波浪形DBR镜8、P面电极7。
所述N-DBR镜3由30对光学厚度为四分之一波长的高、低折射率半导体材料交替生长而构成。
所述氧化物限制层5为具有高Al组分的AlGaAs导电层周围被氧化后形成环形电绝缘的Al2O3层。
所述表面光栅6结构可采用全系光刻(或电子束光刻)后，并采用ICP(或RIE)刻蚀形成周期性光栅结构。
所述波浪形DBR镜8是通过在表面光栅6处刻蚀光栅，然后利用电子束蒸镀和离子辅助沉积的方法在光栅表面交替溅射沉积和溅射刻蚀具有高/低折射率材料的氧化膜，最终可以得到具有波浪形状DBR镜的VCSEL结构。高、低折射率的氧化膜材料可以选择如Si/SiO2或TiO2/SiO2等常用材料体系。
所述的P面电极7通过磁控溅射Ti/Pt/Au，并采用Lift-off工艺形成环形电极图形。
本发明提出的具有偏振稳定输出的垂直腔面发射激光器结构是通过波浪形DBR镜对不同偏振模式间引入的巨大反射损耗差来实现的。图2为波浪形DBR镜8的结构放大示意图，光垂直入射DBR表面，其中TE偏振模式与光栅脊平行，TM偏振模式与光栅脊垂直。通过优化波浪形DBR结构中的h1、h2、W、n1、n2、Λ等参数，都可以找到一组合适的参数，使波浪形DBR镜8对任意的波段都可以实现对单一方向的偏振模式具有大于99.9％的反射率，同时其它方向的偏振模式的反射率仅有10％以下。因此，本发明所述的方案可广泛应用于GaN、GaAs、InP或GaSb基等材料体系的VCSEL光源中，以及基于微机电系统或液晶等调谐方式的波长可调谐VCSEL光源中。由于波浪形DBR在偏振模式间引入的巨大反射损耗使得具有低反馈的偏振模式不会发生激射，所以VCSEL可输出稳定的单偏振模式。
图3、4分别列举了针对VCSEL在1300nm波段和1550nm波段输出时而设计的波浪形DBR镜的的反射谱。其具体的参数如下为：
1)1300nm波段的参数：材料组合SiO2/Si，n1＝1.44，n2＝3.57，h1＝0.4μm，h2＝0.11μm，W＝0.5μm，Λ＝1μm。
2)1500nm波段的参数：材料组合SiO2/Si，n1＝1.44，n2＝3.57，h1＝0.48，h2＝0.13μm，W＝0.6μm，Λ＝1.2μm。
图5为堆叠周期数分别为3、5、7的波浪形DBR反射谱。
从图3，4所示的本发明中的具有波浪形DBR镜8的反射曲谱图可知，该结构在正入射情况下可以实现对TE偏振模式具有超过99.9％的反射率，而TM偏振模式仅有10％左右。高反射率的带宽超过100nm，可以有效的覆盖增益材料的发光波段。巨大的反射损耗使得除了TE偏振方向的其它偏振模式在模式竞争中将始终处于受抑制状态。可见，本发明之具有波浪形DBR的VCSEL结构可以有效的实现稳定的单偏振模式输出。
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种偏振稳定的垂直腔面发射激光器结构，其特征在于：
包括从下至上依次分布的N面电极(1)、衬底(2)、N-DBR镜(3)、有源增益区(4)、氧化物限制区(5)、表面光栅(6)、波浪形DBR镜(8)、P面电极(7)。
2.根据权利要求1所述的偏振稳定的垂直腔面发射激光器结构，其特征在于：
所述波浪形DBR镜(8)为交替溅射沉积和溅射刻蚀具有高、低折射率材料的氧化膜，各氧化膜为波浪形状。
3.根据权利要求2所述的偏振稳定的垂直腔面发射激光器结构，其特征在于：
所述高、低折射率的氧化膜材料为Si/SiO2或TiO2/SiO2材料体系。
4.根据权利要求1至3任一所述的偏振稳定的垂直腔面发射激光器结构，其特征在于：
所述N-DBR镜(3)由三十对光学厚度为四分之一波长的高、低折射率半导体材料交替生长而构成。
5.根据权利要求4所述的偏振稳定的垂直腔面发射激光器结构，其特征在于：
所述氧化物限制区(5)为Al2O3层。
6.根据权利要求5所述的偏振稳定的垂直腔面发射激光器结构，其特征在于：
所述表面光栅(6)结构为全系光刻和ICP刻蚀形成周期性光栅结构。
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