CN112310809A - 一种双共振腔vcsel激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双共振腔VCSEL激光器，包括由下至上按序设置的第一DBR、第一共振腔、中间DBR组、第二共振腔和第二DBR，其中中间DBR组由下至上包括第三DBR和第四DBR；第一共振腔用于生成第一光束，第二共振腔用于生成第二光束，第一光束的波长小于或等于第二光束的波长，第一共振腔产生的第一光束垂直耦合至第二共振腔。本发明还公开了上述激光器的制作方法。本发明采用垂直配置的双共振腔结构，其中一个作为慢光源，产生的光束透过垂直光耦合到主要工作共振腔中，使导带载子获得补充，提高了VCSEL激光器的操作带宽，增加了信号传输速度。

Description

一种双共振腔VCSEL激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器的技术领域，尤其涉及一种双共振腔VCSEL激光器及其制作方法。

背景技术

垂直共振腔面射型激光器(VCSEL)是一种垂直于顶面射出激光的半导体器件。常见的VCSEL由两面分散式布拉格反射器(DBR)平行于一个芯片主动反应区表面，此主动区是由一到数个量子阱所构成，使激光光带存在于其中。一个平面的DBR是由几层不同高低折射率的透镜所组成。每层透镜的厚度为四分之一的激光波长，并给予高反射强度。面射型激光器具有体积小、单纵模输出、阈值电流小、光电转换效率高、造价低等特点，可以广泛应用于光通信、光互联、光存储等领域。

VCSEL应用在短波长光通讯从155Mbps到25Gbps，器件速度的提升越来越困难。限制VCSEL操作带宽的因素包括：(1)器件中的电学寄生效应，包括了DBR、有源区产生的电阻以及氧化层和电极之间的电容等，这些寄生电阻/电容在器件内部形成一个低通滤波器，从而限制了器件的操作带宽；(2)量子阱中的导带电子消耗较快，使载子补充不及，因此影响器件的共振频率，进而限制了器件的操作带宽。上述因素限制了高速VCSEL的发展和应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中载子补充不及的不足，提供一种双共振腔VCSEL激光器及其制作方法。

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种双共振腔VCSEL激光器，包括由下至上按序设置的第一DBR、第一共振腔、中间DBR组、第二共振腔和第二DBR，其中所述中间DBR组由下至上包括第三DBR和第四DBR；所述第一共振腔用于生成第一光束，所述第二共振腔用于生成第二光束，所述第一光束的波长小于或等于所述第二光束的波长，所述第一共振腔产生的第一光束垂直耦合至所述第二共振腔。

可选的，还包括第一电极、第二电极、第三电极和第四电极；所述第一电极连接于衬底；第二电极、第三电极和第四电极一一对应的与所述第一DBR、第二DBR、第三DBR和第四DBR电连接，其中第一电极和第三电极组成一组P/N电极，第二电极和第四电极组成另一组P/N电极。

可选的，所述第一电极和第三电极连接DC电源以驱动所述第一共振腔，所述第二电极和第四电极连接RF电源以驱动所述第二共振腔。

可选的，所述中间DBR组还包括由下至上按序设于所述第三DBR和第四DBR之间的第一接触层、蚀刻停止层和第二接触层；所述第一接触层的上表面形成有第一台面，所述第三电极设于所述第一台面上；所述第二接触层的上表面形成有二台面，所述第四电极设于所述第二台面上。

可选的，所述第三DBR和第四DBR是AlGaAs系DBR，所述第一接触层和第二接触层的材料是AlGaAs，所述蚀刻停止层的材料是InGaP。

可选的，还包括设于所述第一DBR之下的衬底和设于所述第二DBR之上的第三接触层，所述第一电极设于所述衬底的底面，所述第三接触层的顶面作为出光面，所述第三电极设于所述第三接触层的顶面。

可选的，所述第一DBR和第二DBR是N型DBR，所述第三DBR和第四DBR是P型DBR；或，所述第一DBR和第二DBR是P型DBR，所述第三DBR和第四DBR是N型DBR。

可选的，所述第三DBR和第四DBR中分别设有氧化限制层

上述双共振腔VCSEL激光器的制作方法，其包括以下步骤：

1)提供一衬底，于所述衬底上依次外延形成第一DBR、第一共振腔、中间DBR组、第二共振腔和第二DBR，其中中间DBR组包括依次外延的第三DBR和第四DBR；

2)进行台面蚀刻；

3)分别于第三DBR和第四DBR形成氧化限制层；

4)制作与第一DBR、第二DBR、第三DBR和第四DBR一一对应地电连接的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极。

可选的，步骤1)中，所述中间DBR组通过依次外延所述第三DBR、第一接触层、蚀刻停止层、第二接触层和所述第四DBR形成；步骤2)中，向下蚀刻至所述第二接触层表面形成第二台面，然后蚀刻所述第二接触层和蚀刻停止层至所述第一接触层表面形成第一台面。

可选的，步骤1)中，还包括于所述第二DBR上外延形成第三接触层；步骤4)中，于所述衬底底面制作第一电极，于所述第三接触层上制作第二电极，于所述第一台面上制作第三电极，于所述第二台面上制作第四电极。

本发明的有益效果为：

1.采用垂直配置的双共振腔结构，其中一个作为慢光源，产生的光束透过垂直光耦合到主要工作共振腔中，慢光到了主要共振腔量子阱中激发价带电子到导带中，使导带载子获得补充，补充的载子在主要共振腔中受激反射产生激光，从而突破载子传输时间的限制，提高了VCSEL的操作带宽，增加了信号传输速度。

2.垂直配置的双共振腔结构，光耦合率高且稳定，易于控制。

3.可通过外延生长等已知的半导体技术实现，适于实际生产应用。

附图说明

图1为实施例1的双共振腔VCSEL的结构示意图；

图2为实施例1的双共振腔VCSEL的工艺流程图，其中以箭头相连的各结构分别为各个步骤得到的结构的示意图；

图3为实施例2的双共振腔VCSEL的部分外延层的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。

文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及顶面/底面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本发明所揭露的范围。

实施例1

参考图1，实施例1的双共振腔VCSEL激光器，其外延结构由下至上包括衬底1、第一DBR 2、第一共振腔3、中间DBR组4、第二共振腔5、第二DBR 6和第三接触层7；其中中间DBR组4由下至上包括第三DBR 41、第一接触层42、蚀刻停止层43、第二接触层44和第四DBR 45，第三DBR 41设有第一氧化限制层46，第四DBR 45设有第二氧化限制层47；第一接触层42的上表面形成有第一台面42a，第二接触层44的上表面形成有第二台面44a。

衬底1的底面设有第一电极8，第三接触层7的顶面设有第二电极9，第一台面42a设有第三电极10，第二台面44a设有第四电极11。第一电极8和第三电极10组成一组PN电极，连接DC电源以驱动第一共振腔3；第二电极9和第四电极11组成另一组PN电极，连接RF电源以驱动第二共振腔5。第一共振腔3用于生成第一光束，第二共振腔5用于生成第二光束，通过配置使第一光束的波长小于或等于第二光束的波长，以第二共振腔5作为主要工作共振腔，第一共振腔3产生的第一光束垂直耦合至第二共振腔5，通过第一共振腔3所产生的光来激发第二共振腔5中的载子，达到补充载子的目的。由于载子的消耗决定了器件的共振频率，载子的补充可以有效提升共振频率，从而提高其操作带宽的表现。

其中，衬底1为N型衬底，第一DBR 2和第二DBR 6配置为N型DBR，第三DBR 41和第四DBR 45配置为P型DBR，相应的，第三接触层7为N型接触层，第一接触层42和第二接触层44为P型接触层，第一电极8和第二电极9为N电极，第三电极10和第四电极11为P电极。第三电极10和第一电极8组成一组P/N电极，第四电极11和第二电极9组成另一组P/N电极。

具体，衬底1的材料为N型GaAs。第一DBR 2、第二DBR 6、第三DBR 41和第四DBR 45均为AlGaAs系DBR，这里所述的AlGaAs系DBR，是指包括AlGaAs材料形成的DBR，已知的，由高低Al组分的AlGaAs交替设置形成的DBR，或AlGaAs与其他材料形成的DBR-例如GaAs/AlGaAsDBR、AlGaAs/AlAs DBR等均可根据实际设计选择应用。通过对各DBR组分以及反射单元对数的设置，使得第一共振腔3生成的第一光束耦合至第二共振腔5，第二共振腔5以第三接触层7的顶面为出光面。第一接触层42、第二接触层44和第三接触层7均为高掺杂的AlGaAs材料，这里所述的高掺杂的AlGaAs材料，是指能和相应电极形成良好欧姆接触的p掺杂或n掺杂的AlGaAs材料，以提供电流可流通的范围。蚀刻停止层43采用与AlGaAs材料的蚀刻性能不同的材料，例如InGaP。第一氧化限制层46和第二氧化限制层47用以定义主动区的范围，通常是由湿法氧化所形成的铝的氧化物。第一氧化限制层46所定义的主动区的范围优选重合或略大于第二氧化限制层47所定义的主动区的范围，以确保较高的耦合效率。

第一共振腔3和第二共振腔5分别包括InGaAs/AlGaAs多量子阱叠层，且通过控制掺杂浓度实现第一光束的波长小于或等于第二光束的波长。

习知的VCSEL激光器金属电极用于制作第一电极8、第二电极9、第三电极10和第四电极11。其中第二电极9被配置成环形以提供出光口。

参考图2，上述双共振腔VCSEL激光器的制作方法，首先于衬底1上依次外延形成第一DBR 2、第一共振腔3、中间DBR组4、第二共振腔5、第二DBR 6和第三接触层7；进行台面蚀刻，由上至下依次蚀刻第三接触层7、第二DBR 6、第二共振腔5和第四DBR 45至第二接触层44表面形成第二台面44a，然后蚀刻第二接触层44以及蚀刻停止层43至第一接触层42表面形成第一台面42a；通过湿氧化的方法分别于第三DBR 41中形成第一氧化限制层46、第四DBR 45中形成第二氧化限制层47以定义主动区；沉积金属于衬底1底面制作第一电极8，于第三接触层7顶面制作第二电极9，于第一台面42a上制作第三电极10，于第二台面44a上制作第四电极11；第一电极8和第三电极10连接DC电源(直流电源)，第二电极9和第四电极11连接RF电源(交流电源)。

实施例2

参考图3，实施例2与实施例1的差别在于，衬底1’的材料为P型衬底，第一DBR 2’和第二DBR 6’配置为P型DBR，中间DBR组4’配置为N型DBR，各接触层和电极相应改变，第一电极和第二电极为P电极，第三电极和第四电极为N电极。第一电极和第三电极组成一组P/N电极，第二电极和第四电极组成另一组P/N电极。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种双共振腔VCSEL激光器及其制作方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (11)

1.一种双共振腔VCSEL激光器，其特征在于：包括由下至上按序设置的第一DBR、第一共振腔、中间DBR组、第二共振腔和第二DBR，其中所述中间DBR组由下至上包括第三DBR和第四DBR；

所述第一共振腔用于生成第一光束，所述第二共振腔用于生成第二光束，所述第一光束的波长小于或等于所述第二光束的波长，所述第一共振腔产生的第一光束垂直耦合至所述第二共振腔。

2.根据权利要求1所述的双共振腔VCSEL激光器，其特征在于：还包括第一电极、第二电极、第三电极和第四电极；所述第一电极连接于衬底；第二电极、第三电极和第四电极一一对应的与所述第一DBR、第二DBR、第三DBR和第四DBR电连接，其中第一电极和第三电极组成一组P/N电极，第二电极和第四电极组成另一组P/N电极。

3.根据权利要求2所述的双共振腔VCSEL激光器，其特征在于：所述第一电极和第三电极连接DC电源以驱动所述第一共振腔，所述第二电极和第四电极连接RF电源以驱动所述第二共振腔。

4.根据权利要求2所述的双共振腔VCSEL激光器，其特征在于：所述中间DBR组还包括由下至上按序设于所述第三DBR和第四DBR之间的第一接触层、蚀刻停止层和第二接触层；所述第一接触层的上表面形成有第一台面，所述第三电极设于所述第一台面上；所述第二接触层的上表面形成有二台面，所述第四电极设于所述第二台面上。

5.根据权利要求4所述的双共振腔VCSEL激光器，其特征在于：所述第三DBR和第四DBR是AlGaAs系DBR，所述第一接触层和第二接触层的材料是AlGaAs，所述蚀刻停止层的材料是InGaP。

6.根据权利要求2所述的双共振腔VCSEL激光器，其特征在于：还包括设于所述第一DBR之下的衬底和设于所述第二DBR之上的第三接触层，所述第一电极设于所述衬底的底面，所述第三接触层的顶面作为出光面，所述第三电极设于所述第三接触层的顶面。

7.根据权利要求1所述的双共振腔VCSEL激光器，其特征在于：所述第一DBR和第二DBR是N型DBR，所述第三DBR和第四DBR是P型DBR；或，所述第一DBR和第二DBR是P型DBR，所述第三DBR和第四DBR是N型DBR。

8.根据权利要求1所述的双共振腔VCSEL激光器，其特征在于：所述第三DBR和第四DBR中分别设有氧化限制层。

9.权利要求1～8任一项所述双共振腔VCSEL激光器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

1)提供一衬底，于所述衬底上依次外延形成第一DBR、第一共振腔、中间DBR组、第二共振腔和第二DBR，其中中间DBR组包括依次外延的第三DBR和第四DBR；

2)进行台面蚀刻；

3)分别于第三DBR和第四DBR形成氧化限制层；

4)制作与第一DBR、第二DBR、第三DBR和第四DBR一一对应地电连接的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极。

10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于：步骤1)中，所述中间DBR组通过依次外延所述第三DBR、第一接触层、蚀刻停止层、第二接触层和所述第四DBR形成；步骤2)中，向下蚀刻至所述第二接触层表面形成第二台面，然后蚀刻所述第二接触层和蚀刻停止层至所述第一接触层表面形成第一台面。

11.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于：步骤1)中，还包括于所述第二DBR上外延形成第三接触层；步骤4)中，于所述衬底底面制作第一电极，于所述第三接触层上制作第二电极，于所述第一台面上制作第三电极，于所述第二台面上制作第四电极。

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