CN110970796B - 基于侧向光栅的窄线宽垂直腔面发射半导体激光器 - Google Patents

基于侧向光栅的窄线宽垂直腔面发射半导体激光器 Download PDF

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Abstract

一种垂直腔面发射半导体激光器，该垂直腔面发射半导体激光器包括：高掺杂衬底；谐振腔，位于所述高掺杂衬底的正面，用于选模及扩展腔长；侧向光栅，环绕在所述谐振腔的周围，用于对所述谐振腔的有源区内泄漏到侧向光栅的光进行衍射反馈，从而压窄线宽；接触层，位于所述侧向光栅之上；金属电极，包括底部金属电极和顶部金属电极；其中，底部金属电极位于所述高掺杂衬底的背部，顶部金属电极位于所述接触层之上。其结构简单，体积小，制备成本低，功耗低，具有更窄的激光线宽。

Description

基于侧向光栅的窄线宽垂直腔面发射半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种基于侧向光栅的扩展腔长窄线宽垂直腔面发射半导体激光器。
背景技术
窄线宽垂直腔面发射激光器广泛应用于相干通信、传感、光谱学以及精密测量等技术领域。随着科学技术的不断进步，人们对于核心光源的性能要求日益苛刻，例如用于导航系统中的原子钟必须要求光源有着更窄的线宽(1-10MHz)，以便于与自然原子线宽(如铯原子为5MHz)相兼容，从而降低传感器的噪底以提高传感系统的性能。大多数激光冷却和捕获实验采用线宽低于1MHz的外腔二极管激光器。而基于外腔的激光器需要精确且昂贵的机械对准，占据大的体积，并且消耗大量的电功率。因此，如果VCSEL(垂直腔面发射激光器，Vertical Cavity Surface Emitting Laser)线宽可以降低到5MHz以下，它将在高性能的原子系统中得到广泛应用。传统的VCSEL有效腔长很短，只有一个波长左右，而扩展腔长可以有2-3个波长长度，由于冷腔腔长Δυc＝Tc/ng2Lc，故而扩展谐振腔的有效腔长可以降低冷腔线宽，再由修正后的肖夫-汤恩线宽公式ΔυST＝(hυ/P0)(πnspη0)(Δυc)2可知，降低冷腔线宽即可压窄由自发辐射引起的激光线宽，并且传统的VCSEL只利用上下DBR对特定波长的光进行选模。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于侧向光栅的扩展腔长窄线宽垂直腔面发射半导体激光器，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，本发明提供了一种氮基于侧向光栅的扩展腔长窄线宽垂直腔面发射半导体激光器，包括：
高掺杂衬底；
谐振腔，位于所述高掺杂衬底的正面，用于选模及扩展腔长；
侧向光栅，环绕在所述谐振腔的周围，用于对所述谐振腔的有源区内泄漏到侧向光栅的光进行衍射反馈，从而压窄线宽；
接触层，位于所述侧向光栅之上；
金属电极，包括底部金属电极和顶部金属电极；其中，底部金属电极位于所述高掺杂衬底的背部，顶部金属电极位于所述接触层之上。
其中，所述谐振腔顺次包括多对n型布拉格反射镜、下间隔层、有源层、上间隔层、氧化电流限制层和多对p型布拉格反射镜，所述谐振器结构顺次由下到上位于所述高掺杂衬底之上。
其中，所述底部金属电极的材料选自Au、Ge、Ni或Au；
所述顶部金属电极的材料选自Ti、Pt或Au；
所述高掺杂衬底为GaAs衬底。
其中，所述n型布拉格反射镜由1/4光学波长厚的高反射率材料与低反射率材料交替生长而成，用于对光场进行分布反馈。
其中，所述下间隔层的材料为AlxGa1-xAs，且厚度有所扩展；
所述上间隔层的材料为AlxGa1-xAs；
所述氧化电流限制层的材料为AlxGa1-xAs。
其中，所述有源区为InxGa1-xAs/AlyGa1-yAs组成的量子阱/势垒材料。
其中，所述p型布拉格反射镜由1/4光学波长厚的低反射率材料与高反射率材料交替生长而成，用于对光场进行分布反馈。
其中，所述侧向光栅由高反射率材料Al0.1Ga0.9As与低反射率材料Al0.8Ga0.2As交替生长而成，位于所述下间隔层、有源层、上间隔层、氧化电流限制层以及p型布拉格反射镜的外周。
其中，所述接触层为p型掺杂的AlxGa1-xAs，用于与注入电极保持良好的欧姆接触。
其中，所述垂直腔面发射半导体激光器的输出线宽低于6MHz，优选低于1MHz。
基于上述技术方案可知，本发明的半导体激光器相对于现有技术至少具有如下有益效果的一部分：
通过内腔法扩展激光器的有效腔长以及在有源区周围生长侧向光栅，实现VCSEL在芯片级别的窄线宽特性，其结构简单，体积小，制备成本低，功耗低，具有更窄的激光线宽。可以广泛应用于相干通信、传感、光谱学以及精密测量技术领域。
附图说明
图1为基于侧向光栅的扩展腔长窄线宽垂直腔面发射激光器整体结构的横截面图；
图2为基于侧向光栅的扩展腔长窄线宽垂直腔面发射激光器谐振腔结构的横截面图；
图3为基于侧向光栅的扩展腔长窄线宽垂直腔面发射激光器在有源区处的俯视图。
上述附图中，附图标记含义如下：
1、底部金属电极；2、高掺杂衬底；3、n型掺杂的布拉格反射镜；
4、下间隔层；5、有源层；6、上间隔层；
7、氧化电流限制层；8、p型掺杂的DBR层；9、侧向光栅；
10、接触层；11、顶部金属电极。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明的基于侧向光栅的VCSEL让光场在谐振腔内往返振荡的同时，经过环绕在有源区周围的侧向光栅，对有源区内泄漏到侧向光栅的光进行衍射反馈，通过合理的改变光栅材料的组分、厚度以及光栅对数从而达到对特定波长的选择，起到压窄线宽的作用。
具体的，本发明公开了一种氮基于侧向光栅的扩展腔长窄线宽垂直腔面发射半导体激光器，包括：
高掺杂衬底；
谐振腔，位于所述高掺杂衬底的正面，用于选模及扩展腔长；
侧向光栅，环绕在所述谐振腔的周围，用于对所述谐振腔的有源区内泄漏到侧向光栅的光进行衍射反馈，从而压窄线宽；
接触层，位于所述侧向光栅之上；
金属电极，包括底部金属电极和顶部金属电极；其中，底部金属电极位于所述高掺杂衬底的背部，顶部金属电极位于所述接触层之上。
其中，所述谐振腔顺次包括多对n型布拉格反射镜、下间隔层、有源层、上间隔层、氧化电流限制层和多对p型布拉格反射镜，所述谐振器结构顺次由下到上位于所述高掺杂衬底之上。
其中，所述底部金属电极的材料选自Au、Ge、Ni或Au；
所述顶部金属电极的材料选自Ti、Pt或Au；
所述高掺杂衬底为GaAs衬底。
其中，所述n型布拉格反射镜由1/4光学波长厚的高反射率材料与低反射率材料交替生长而成，用于对光场进行分布反馈。
其中，所述下间隔层的材料为AlxGa1-xAs，且厚度有所扩展；
所述上间隔层的材料为AlxGa1-xAs；
所述氧化电流限制层的材料为AlxGa1-xAs。
其中，所述有源区为InxGa1-xAs/AlyGa1-yAs组成的量子阱/势垒材料。
其中，所述p型布拉格反射镜由1/4光学波长厚的低反射率材料与高反射率材料交替生长而成，用于对光场进行分布反馈。
其中，所述侧向光栅由高反射率材料Al0.1Ga0.9As与低反射率材料Al0.8Ga0.2As交替生长而成，位于所述下间隔层、有源层、上间隔层、氧化电流限制层以及p型布拉格反射镜的外周。
其中，所述接触层为p型掺杂的AlxGa1-xAs，用于与注入电极保持良好的欧姆接触。
其中，所述垂直腔面发射半导体激光器的输出线宽低于6MHz，优选低于1MHz。
下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案做进一步的阐释说明。
请参阅图1及图3所示，本发明提供一种基于侧向光栅的扩展腔长窄线宽垂直腔面发射激光器，包括：
一底部金属电极1，所述的底部金属电极1所用材料为Au/Ge/Ni/Au，通过磁控溅射沉积在减薄后的衬底上，其厚度为400-500nm。
一高掺杂衬底2，所述的高掺杂衬底2为n型掺杂的GaAs衬底，掺杂浓度为3×1018-5×1018cm-3，该衬底用于进行下DBR的外延生长，减薄后的厚度为150-200μm。
一n型掺杂的布拉格反射镜(DBR)3，位于高掺杂衬底2上，所述的n型DBR层3由1/4光学波长厚的高反射率材料Al0.12Ga0.88As与低反射率材料Al0.9Ga0.1As通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD)在衬底上交替生长而成，周期为35对，掺杂浓度为5×1018cm-3。
一下间隔层4，位于n型DBR层3上，所述的下间隔层4为Al0.47Ga0.53As，其厚度为1-2个光学波长，起扩展腔长的作用。
一有源层5，该有源层5生长在下间隔层4上，所述的有源层是由3对In0.06Ga0.94As/Al0.3Ga0.7As组成的周期性量子阱/势垒材料，其增益峰值在894nm处。
一上间隔层6，该上间隔层6位于有源层5上，材料为Al0.47Ga0.53As。
一氧化电流限制层7，所述的氧化电流限制层7位于上间隔层6之上，其材料为p型掺杂的Al0.98Ga0.02As，掺杂浓度为5×1018cm-3，并利用高温氧化炉通过湿氮氧化法对其进行横向氧化形成氧化限制层，制作注入电流限制孔。
一p型掺杂的DBR层8，该p型掺杂的DBR层8位于氧化电流限制层7上，由1/4光学波长厚的低反射率材料Al0.9Ga0.1As与高反射率材料Al0.12Ga0.88As通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD)交替生长而成，周期为25对，掺杂浓度为8×1018cm-3。
一侧向光栅9，所述的侧向光栅9由1/4光学波长厚的高反射率材料Al0.1Ga0.9As与低反射率材料Al0.8Ga0.2As通过交替生长而成，使用光刻以及选择性湿法腐蚀相结合的方法腐蚀出直径为30μm圆柱形台阶，腐蚀深度至露出n型DBR层3，再利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)将Al0.1Ga0.9As/Al0.8Ga0.2As沉积在下间隔层4、有源层5、上间隔层6、氧化电流限制层7以及p型DBR层8的外周，形成侧向光栅9。
一接触层10，该接触层10位于侧向光栅9上，其为p型掺杂的Al0.01Ga0.99As，掺杂浓度为2×1019cm-3，厚度约为200nm，便于与顶部金属注入电极保持良好的欧姆接触。
一顶部金属电极11，该顶部金属电极11位于接触层10上，材料为Ti/Pt/Au，通过磁控溅射沉积，厚度为400nm。
请参阅图2所示，n型DBR层3、下间隔层4、有源层5、上间隔层6、氧化电流限制层7、p型DBR层8，构成了该激光器的谐振腔，由于冷腔腔长Δυc＝Tc/ng2Lc，因而扩展腔长可有效降低冷腔线宽，再由修正后的肖夫-汤恩线宽公式可知，降低冷腔线宽即可压窄由自发辐射引起的激光线宽。此种通过扩展腔长压窄线宽的方法工艺简单，实验可操作性强。
请参阅图3所示，侧向光栅9环绕在有源层5的周围，谐振腔内往返振荡的同时，经过环绕在有源区周围的侧向光栅9，对有源区5泄漏到侧向光栅9的光进行衍射反馈。通过调整光栅的高反射率材料AlaGa1-aAs与低反射率材料AlbGa1-bAS的组分a和b，此时折射率分别为ηa和ηb，选择其厚度分别为λ/4ηa和λ/4ηb，即可选择出特定波长为λ的光场，实现线宽压窄。
本发明所述方案通过调节量子阱材料、扩展腔长的长度以及光栅的结构参数可以广泛适用于各个波长的激光光源中。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述垂直腔面发射半导体激光器包括：
高掺杂衬底；
谐振腔，位于所述高掺杂衬底的正面，用于选模及扩展腔长；
侧向光栅，环绕在所述谐振腔的周围，用于对所述谐振腔的有源区内泄漏到侧向光栅的光进行衍射反馈，从而压窄线宽；
接触层，位于所述侧向光栅之上；
金属电极，包括底部金属电极和顶部金属电极；其中，底部金属电极位于所述高掺杂衬底的背部，顶部金属电极位于所述接触层之上。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述谐振腔顺次包括多对n型布拉格反射镜、下间隔层、有源层、上间隔层、氧化电流限制层和多对p型布拉格反射镜，所述谐振器结构顺次由下到上位于所述高掺杂衬底之上。
3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述底部金属电极的材料选自Au、Ge、Ni或Au；
所述顶部金属电极的材料选自Ti、Pt或Au；
所述高掺杂衬底为GaAs衬底。
4.根据权利要求2所述的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述n型布拉格反射镜由1/4光学波长厚的高反射率材料与低反射率材料交替生长而成，用于对光场进行分布反馈。
5.根据权利要求2所述的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述下间隔层的材料为AlxGa1-xAs；
所述上间隔层的材料为AlxGa1-xAs；
所述氧化电流限制层的材料为AlxGa1-xAs。
6.根据权利要求2所述的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述有源区为InxGa1-xAs/AlyGa1-yAs组成的量子阱/势垒材料。
7.根据权利要求2所述的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述p型布拉格反射镜由1/4光学波长厚的低反射率材料与高反射率材料交替生长而成，用于对光场进行分布反馈。
8.根据权利要求2所述的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述侧向光栅由高反射率材料Al0.1Ga0.9As与低反射率材料Al0.8Ga0.2As交替生长而成，位于所述下间隔层、有源层、上间隔层、氧化电流限制层以及p型布拉格反射镜的外周。
9.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述接触层为p型掺杂的AlxGa1-xAs，用于与注入电极保持良好的欧姆接触。
10.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述垂直腔面发射半导体激光器的输出线宽低于6MHz。
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