CN112202049B - 基于液晶调控的垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种基于液晶调控的垂直腔面发射激光器，包括：第一半导体层，用于发射激发光，其表面为开设有凹槽的GaAs保护层，所述凹槽处作为所述激发光的中心出光孔，微调控层位于所述GaAs保护层上，所述微调控层对应所述凹槽设置有一容纳空间，所述凹槽和所述容纳空间共同构成一液晶盒，所述液晶盒内填充有液晶材料；本公开还包括一种基于液晶调控的垂直腔面发射激光器的制备方法；本公开可以根据激光器工作状态和需要，动态调控输出的模式，不用高度依赖表面反相结构的精度，可以灵活地调节激光器的输出功率，可精确控制凹槽部分和非凹槽部分对谐振波长的反射率，从而控制不同横模的往返损耗。

Description

基于液晶调控的垂直腔面发射激光器及其制备方法

技术领域

本公开涉及一种半导体激光器件技术领域，尤其涉及一种基于液晶调控的垂直腔面发射激光器及其制备方法，实现高阶模抑制的垂直腔面发射激光器。

背景技术

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)的发展，普遍来说是自1977年Iga研究组设计了一个InP基的p-n结面发射激光器而首次提出的概念开始的。在这四十多年的发展中，逐渐完善了VCSEL的结构框架，包括形成高反射共振腔的分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflection，DBR)结构，以及实现电流和光场模式限制的氧化孔径结构，同时又具有多样性，例如高对比度光栅(High ContrastGrating，HCG)结构以及质子注入式的孔径结构。另一方面，VCSEL由于其独特的激光特性使其在各相关领域体现出了巨大的应用潜力，从光通信网络(包括短距离光通信的850纳米～1060纳米波段以及长距离通信的1310纳米～1550纳米波段)，到位置和距离传感(以850纳米和940纳米为主的近红外波段)，目前更是在消费电子市场大放异彩。

根据不同领域的需求，实现仅有单一的横模输出，同时具有毫瓦级或者更高输出功率的VCSEL激光特性的研究十分有必要。虽然目前已有多种方法被提出，例如反共振反射光波导(ARROWs)设计、多孔结构设计、光子晶体结构、刻蚀表面浮雕等，但是这些设计的缺点就是需要复杂的外延生长和结构刻蚀且精度要求极高，成功率较低，因此在实际应用中仍然需要进一步优化和改进。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种基于液晶材料的单模高功率可调垂直腔面发射激光器及其制备方法，以缓解现有技术中复杂的外延生长和结构刻蚀且精度要求极高等技术问题。

(二)技术方案

本公开的一个方面，提供一种基于液晶调控的垂直腔面发射激光器，包括：

第一半导体层，用于发射激发光，其表面为开设有凹槽的GaAs保护层；所述凹槽处作为所述激发光的中心出光孔；

微调控层，位于所述GaAs保护层上，所述微调控层对应所述凹槽设置有一容纳空间；

所述凹槽和所述容纳空间共同构成一液晶盒，所述液晶盒内填充有液晶材料。

进一步的，所述第一半导体层由下至上包括：

第一金属电极层，n型DBR层，有源区，氧化孔径层，p型DBR层，GaAs保护层，其中所述氧化孔径层设置有一通孔。

进一步的，所述微调控层由下至上包括：第二金属电极层，二氧化硅层，以及ITO电极；所述容纳空间贯穿所述第二金属电极层和二氧化硅层至所述ITO电极。

进一步的，所述凹槽的宽度为氧化孔径层通孔孔径的0.7～0.8倍；所述凹槽的深度为60纳米～80纳米。

进一步的，所述凹槽的宽度小于所述容纳空间的宽度。

进一步的，所述液晶盒内对应所述凹槽表面以及凹槽旁的GaAs保护层的表面设置有ITO层，所述ITO层连接至第二金属电极层。

进一步的，所述ITO层厚度40纳米～60纳米。

进一步的，所述GaAs保护层，其厚度范围在120纳米～140纳米；所述二氧化硅层的厚度为1微米至2.5微米之间。

进一步的，位于所述液晶盒上下两侧的ITO电极和ITO层已摩擦取向，从而能够保证所述液晶材料分子受施加电场的变化而定向偏转。

在本公开的另一方面，提供一种基于液晶调控的垂直腔面发射激光器的制备方法，用于制备如上任一项所述的基于液晶调控的垂直腔面发射激光器，所述制备方法，包括：

操作S1：在第一半导体层表面的GaAs保护层上依次制备第二金属电极层，二氧化硅层；

操作S2：对应第一半导体层出光位置刻蚀所述二氧化硅层、第二金属电极层至GaAs保护层形成一容纳空间；

操作S3：在GaAs保护层表面刻蚀一凹槽，并在所述凹槽表面及凹槽旁的GaAs保护层表面制备ITO层，使得所述ITO层与所述第二金属电极层接触；

操作S4：在所述凹槽和容纳空间内填充液晶材料后，用已取向处理的覆有ITO的薄玻璃板覆盖，形成液晶盒，完成基于液晶调控的垂直腔面发射激光器的制备。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开一种基于液晶调控的垂直腔面发射激光器及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)可以根据激光器工作状态和需要，动态调控输出的模式；

(2)不用高度依赖表面反相结构的精度；

(3)可以灵活地调节激光器的输出功率；

(4)可精确控制凹槽部分和非凹槽部分对谐振波长的反射率，从而控制不同横模的往返损耗。

附图说明

图1是本公开实施例的基于液晶调控的垂直腔面发射激光器的结构示意图；

图2是本公开实施例的液晶材料的双折射率差范围随电压的变化关系图；

图3是本公开实施例的氧化孔径层的通孔半径为4微米的VCSEL的各横模能量归一化分布图；

图4是本公开实施例的凹槽位置与非凹槽位置的反射率谱图；其中间方框图为局部放大图；

图5是本发明实施例的液晶凹槽结构与各模式能量交叠的比例随凹槽尺寸变化的关系图；

图6是本发明实施例不同液晶材料折射率情况对凹槽区域和非凹槽区域反射率的调整作用图；

图7A为不具液晶调控的垂直腔面发射激光器的模式输出示意图；图7B为本公开实施例基于液晶调控的垂直腔面发射激光器的模式输出示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1 第一金属电极层

2 n型DBR层

3 量子阱的有源区

4 氧化孔径层

5 p型DBR层

6 GaAs保护层

7 二氧化硅层

8 ITO电极

9 液晶材料

10 第二金属电极层

11 ITO层

具体实施方式

本公开提供了一种基于液晶调控的垂直腔面发射激光器及其制备方法，所述垂直腔面发射激光器，其可以根据激光器工作状态和需要，动态调控输出的模式，同时不用高度依赖表面反相结构的精度，可克服现有的垂直腔面发射激光器的主要缺点和不足之处。

本公开是一种基于液晶调控的垂直腔面发射激光器。具体的来说，本公开所述激光器可分为两部分：一部分为第一半导体层，是用于发射激发光的基本的激射结构，其表面为开设有凹槽的GaAs保护层；所述凹槽处作为所述激发光的中心出光孔；包括上下DBR、量子阱以及波长量级的垂直谐振腔。所述第一半导体层典型的结构可以为氧化限制型VCSEL结构，在电压泵浦源的激励下，量子阱内形成粒子数反转，释放出大量光子，再通过上下反射镜和谐振腔作用获得光放大，从而实现激光发射。另一部分为微调控层，是功能调制结构，包括GaAs保护层中心处的凹槽以及液晶盒结构。所述凹槽和所述容纳空间共同构成一液晶盒，所述液晶盒内填充有液晶材料。由于液晶材料折射率随电场的可调控性，使得本公开在反相结构上的精确度要求大大降低，同时还可以灵活地调节激光器的输出功率。

对于以上所述液晶凹槽，其深度就决定着所述激光器内部驻波的反相行为，这也就影响顶部DBR的反射率。在以往的研究中，并没有液晶盒的设计，因此在工艺上需要极高的精度，而这也正是工艺上的控制难题，另一方面，在工艺进行的过程中，很容易对表面结构造成部分腐蚀，导致原本的尺寸被破坏，从而影响整体的反射率。而在本公开中，我们引入液晶材料，对凹槽部分折射率进行控制，保证了凹槽部分最高反射率的实现，以及对非凹槽部分反射差异的较大化。

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。

在本发明实施例中，如图1所示，本公开对基于液晶调控的垂直腔面发射激光器可以分为两部分来看：下半部分为当前完美设计的氧化限制型VCSEL结构，包括：第一金属电极层1、n型DBR2层(此处已略去基底，实际底部电极应接触在基底上)、包含量子阱的有源区3、氧化孔径层4、p型DBR5层以及GaAs保护层6，其中所述氧化孔径层设置有一通孔；上半部分为液晶盒结构，包括：第二金属电极层10、已做取向处理的ITO电极8、二氧化硅层7和核心调节液晶材料9，且所述容纳空间贯穿所述第二金属电极层和二氧化硅层至所述ITO电极。其中，在GaAs保护层6的中间部分有一个凹槽结构，所述凹槽表面以及凹槽旁的GaAs保护层的表面设置有ITO层，所述ITO层连接至第二金属电极层，所述凹槽和所述容纳空间共同构成一液晶盒，并由液晶材料填充，通过对液晶材料折射率的调制，可精确控制凹槽部分和非凹槽部分对谐振波长的反射率，从而控制不同横模的往返损耗。

在本公开实施例中本公开，在上反射器DBR堆叠层顶部设置有一层中间刻蚀凹槽的GaAs保护层6，其厚度范围在120纳米～140纳米，其中心出光孔位置之上均匀生长一层ITO层11，且与第二金属电极层10相连，ITO层11厚度为40纳米～60纳米，该GaAs保护层6一方面起到防止DBR结构中Al组分被氧化的作用，另一方面，其上刻蚀的凹槽是实现基模与高阶模反相的关键结构。因凹槽的横向尺寸与激光器谐振腔中的横模分布有关，而横模分布与上述氧化孔径的大小相关，因此，其值优选地设置为氧化孔径大小的0.7～0.8倍。本公开此外，凹槽的深度是一个比较关键的参数，与同类结构不同的是，本公开实施例中的此参数精度不需要很高，这里设置较优值为60纳米～80纳米。

在本公开实施例中，使用E7型向列相液晶材料，在本公开所述波长范围内，其双折射率值为n_o＝1.74，n_e＝1.5。根据偏光干涉原理可测定所述液晶材料的双折射率差范围随电压的变化关系，如图2所示，本公开在电场的控制下，所述液晶材料可以实现Δn＝0.24范围的折射率调制。

在本公开实施例中，凹槽的设计至关重要，其横向尺寸必须满足使得基模和与其最接近的高阶模的损耗差值最大，以保证在基模激射的情况下，尽可能抑制高阶模式。这就需要对该原始氧化限制型VCSEL的横向模式分布进行分析，而氧化限制型VCSEL由于氧化层导致的内外折射率差，使其可以近似等效为弱波导光纤。因此根据光纤波导模型，可以得到，如图3所示，的横向模式分布(VCSEL模式激发顺序为LP₀₁，LP₁₁，LP₂₁，LP₀₂，LP₃₁，LP₁₂，……，此处展示6个具有代表性的模式)，本实施例所述VCSEL氧化孔径半径Rox为4微米。从图3中可以看到，各个模式的几乎全部能量分布在氧化孔径内，而靠近中间位置的模式中，主要由LP_0p占据，因此对于控制单基模激射的VCSEL设计来说，考虑的更多的并不是基模和与其最接近的LP₁₁模式的损耗差异，而是应考虑LP₀₂模式乃至LP₀₃模式。

在本公开实施例中，所述控制不同模式损耗主要依赖于中间填充液晶材料的凹槽结构，其横向尺寸就控制着其对各个模式不同的影响程度。液晶凹槽位置的反射率较非凹槽位置的反射率更大，如图4所示，所以液晶凹槽的影响是促进模式激射。假设凹槽结构初始宽度半径为R_LC＝0，随着R_LC的增加，其与各模式能量之间的交叠比例就代表着所述液晶凹槽结构对各模式的影响程度，如图5所示，从图中可以看到，当R_LC从初始位置开始增加时，能量交叠最大的是LP₀₃模式，而当R_LC增加到0.75倍的Rox时，液晶凹槽结构与基模的交叠比其他模式都大并且与其他模式的交叠比例差异达到最大，因此这就是液晶凹槽结构需要的横向设计尺寸。

在本公开另实施例中，本公开液晶盒内液晶材料对凹槽部分折射率进行控制，保证了凹槽部分最高反射率的实现，以及对非凹槽部分反射差异的较大化。液晶盒纵向深度可以取值为1微米至2.5微米之间的特殊值，中心凹槽区域液晶盒纵向深度可以取值为2.17微米，非凹槽区域液晶盒纵向深度可以取值为2.11微米，如图6所示，展示了在不同液晶材料折射率情况下，对此时凹槽区域与非凹槽区域的反射率的调整作用。从图中可以看出，当液晶材料折射率通过电压调制到1.62至1.63时，LC凹槽区域反射率达到99.5％左右，而非凹槽区域反射率仅96.5％，因而此时两区域的损耗差异较大，高阶模式将得到最大程度的抑制。

根据以上所述原理和思路，可以设计并制作出基于液晶材料调制元件的精确控制高阶模式抑制的VCSEL器件。如图7A与图7B所示，展示了本实施例中VCSEL结构的高阶模式抑制的效果，从中对比可以看到，在微调控层的作用下，各高阶模式都被明显地抑制下去，在小于10毫安的电流范围内，基本只有基模激射。

本公开为了实现上述发射激光器的制作，还提供了一种基于液晶调控的垂直腔面发射激光器的制备方法，主要操作包括：

操作S1：在第一半导体层表面的GaAs保护层上依次制备第二金属电极层，二氧化硅层；

操作S2：对应第一半导体层出光位置刻蚀所述二氧化硅层、第二金属电极层至GaAs保护层形成一容纳空间；

操作S3：在GaAs保护层表面刻蚀一凹槽，并在所述凹槽表面及凹槽旁的GaAs保护层表面制备ITO层，使得所述ITO层与所述第二金属电极层接触；

操作S4：在所述凹槽和容纳空间内填充液晶材料后，用已取向处理的覆有ITO的薄玻璃板覆盖，形成液晶盒，完成基于液晶调控的垂直腔面发射激光器的制备。

在本公开另实施例中，为了实现本发明所述功能，需要依赖于液晶材料的折射率调制作用。在以上所述的VCSEL结构之上，外延生长ITO，与金属电极耦接，作为量子阱注入电流和液晶调制电压的共用透明电极，再在其上生长一定厚度的二氧化硅外延层，刻蚀其中间部分一定宽度的范围形成液晶盒，考虑液晶注入的工艺要求，液晶盒的纵向深度可以设置为1微米至2.5微米范围内的特定值。

在本公开另实施例中，在液晶盒中注入液晶之后，需要在顶部覆盖一层长有ITO薄层的薄玻璃，且已经过取向工艺的处理，使得液晶分子能够随外加电场的变化而定向偏转，实现折射率的调制。

本实施例具体并且清晰地阐述了本公开的设计和思路，然而本公开并不仅限于以上所述具体实施例，对于本领域的技术人员来说，很容易理解并可以轻易地做出一些修改或变形以达到类似的设计目标，因此这些都应包含在本公开权利要求的保护范围之内。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开一种基于液晶调控的垂直腔面发射激光器及其制备方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种基于液晶调控的垂直腔面发射激光器及其制备方法，本公开涉及半导体激光器技术领域，设计了一种基于液晶实时精确调控高低阶横模的VCSEL激光器结构。该设计包括VCSEL基本外延结构以及实现高低阶模式调控功能的微调控层。所述的基本外延结构即为多对上、下DBR层以及夹在中间的多量子阱有源区，还有外延片表面的覆盖保护层；所述的实现功能的微调控层包括形成透明电极的ITO层以及由液晶材料和二氧化硅组合成的高阶模抑制单元结构。通过合理的单元结构参数设计，同时利用液晶材料的折射率可调节性质，使得该微调控层在工艺条件要求不高的情况下也能达到精确控制高阶模式损耗功能，即通过微调控层来精确调控激光器内部光振荡形成驻波的相位匹配情况，使高阶模式因反相而被抑制，最终实现优异的激光特性。该器件功能的实现在我们生产生活中具有巨大的实用价值。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于液晶调控的垂直腔面发射激光器，包括：

第一半导体层，用于发射激发光，其表面为开设有凹槽的GaAs保护层；所述凹槽处作为所述激发光的中心出光孔；所述第一半导体层还包括氧化孔径层，所述氧化孔径层设置有一通孔，所述凹槽的宽度为所述氧化孔径层通孔孔径的0.7～0.8倍；所述凹槽的深度为60纳米～80纳米；以及

微调控层，由下至上包括第二金属电极层，二氧化硅层，以及已做取向处理的ITO电极；所述第二金属电极层位于所述GaAs保护层上，所述微调控层对应所述凹槽设置有一容纳空间，所述容纳空间贯穿所述第二金属电极层和二氧化硅层至所述ITO电极，所述凹槽表面以及位于所述容纳空间中的凹槽旁的GaAs保护层的表面设置有ITO层，所述ITO层连接至第二金属电极层；

所述凹槽和所述容纳空间共同构成一液晶盒，所述液晶盒内填充有液晶材料。

2.根据权利要求1所述的基于液晶调控的垂直腔面发射激光器，所述第一半导体层由下至上还包括：

第一金属电极层，n型DBR层，有源区，p型DBR层，GaAs保护层，所述氧化孔径层位于有源区和P型DBR层之间。

3.根据权利要求1所述的基于液晶调控的垂直腔面发射激光器，所述凹槽的宽度小于所述容纳空间的宽度。

4.根据权利要求1所述的基于液晶调控的垂直腔面发射激光器，所述ITO层厚度40纳米～60纳米。

5.根据权利要求1所述的基于液晶调控的垂直腔面发射激光器，所述GaAs保护层，其厚度范围在120纳米～140纳米；所述二氧化硅层的厚度为1微米至2.5微米之间。

6.根据权利要求1所述的基于液晶调控的垂直腔面发射激光器，位于所述液晶盒上下两侧的ITO电极和ITO层已摩擦取向，从而能够保证所述液晶材料分子受施加电场的变化而定向偏转。

7.一种基于液晶调控的垂直腔面发射激光器的制备方法，用于制备权利要求1至6任一项所述的基于液晶调控的垂直腔面发射激光器，所述制备方法，包括：

操作S1：在第一半导体层表面的GaAs保护层上依次制备第二金属电极层，二氧化硅层；

操作S2：对应第一半导体层出光位置刻蚀所述二氧化硅层、第二金属电极层至GaAs保护层形成一容纳空间；

操作S3：在GaAs保护层表面刻蚀一凹槽，并在所述凹槽表面及位于所述容纳空间中的凹槽旁的GaAs保护层表面制备ITO层，使得所述ITO层与所述第二金属电极层接触；以及

操作S4：在所述凹槽和容纳空间内填充液晶材料后，用已取向处理的覆有ITO的薄玻璃板覆盖，形成液晶盒，完成基于液晶调控的垂直腔面发射激光器的制备。

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