CN112636173B - 一种窄线宽垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种窄线宽垂直腔面发射激光器及其制备方法，包括：光栅微腔和垂直腔面发射激光器，所述光栅微腔生长在所述垂直腔面发射激光器的谐振腔之上，且，所述光栅微腔和所述谐振腔相互耦合。本发明提供的一种窄线宽垂直腔面发射激光器及其制备方法，通过将光栅微腔生长在传统的垂直腔面发射激光器上，光栅微腔和谐振腔共同对激光器内部光场进行调制，只有同时满足光栅微腔和谐振腔两个谐振条件的波才能在激光器内部形成稳定的驻波，从而达到压窄线宽的效果；且不需要外置光反馈结构，从而增加了激光器的可靠性，易于与其它器件集成。

Description

一种窄线宽垂直腔面发射激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种窄线宽垂直腔面发射激光器及其制备方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器以其体积小、成本低、易于二维集成等优势，已广泛应用于芯片原子钟、原子陀螺仪和相控阵雷达等领域，但随着科技的发展，人们对于激光器光束质量的要求越来越高，窄线宽激光器成为目前的一大研究重点，目前的半导体激光器实现窄线宽主要是利用光反馈法，利用对波长敏感的光栅、反射镜、光纤波导等光学元件作为外部反射镜，对激光器的出射光进行反射，这种方法增加了激光器谐振腔的有效长度，降低了激光器线宽。
但是由于集成了外部的光学元件，导致激光器系统过于复杂，同时由于外部反馈系统对环境的稳定性要求较高，导致整个激光器的可靠性较差。
发明内容
本发明提供一种窄线宽垂直腔面发射激光器及其制备方法，用以解决现有技术中激光器集成了外部光学元件导致系统过于复杂的缺陷，实现在不附加外部光反馈结构的情况下，得到体积小、结构稳定的窄线宽垂直腔面发射激光器。
本发明提供一种窄线宽垂直腔面发射激光器，包括：光栅微腔和垂直腔面发射激光器，所述光栅微腔生长在所述垂直腔面发射激光器的谐振腔之上，且，所述光栅微腔和所述谐振腔相互耦合，所述光栅微腔为间隔层厚度可调的光栅。
根据本发明提供的一种窄线宽垂直腔面发射激光器，所述光栅微腔的周期可调。
根据本发明提供的一种窄线宽垂直腔面发射激光器，所述光栅微腔由上至下依次包括光栅基底层、光栅间隔层和光栅层。
根据本发明提供的一种窄线宽垂直腔面发射激光器，所述光栅间隔层的厚度可调。
本发明还提供一种窄线宽垂直腔面发射激光器的制备方法，包括：
对垂直腔面发射激光器的上DBR和氧化限制层进行光刻和刻蚀，获取台面；
对所述台面进行氧化，所述氧化限制层由外向内变为绝缘的物质，通过控制氧化深度，在所述台面的中心处留下未被氧化、且导通的氧化层；
在上DBR的表面生长一层SiO2，并通过光刻和刻蚀，刻蚀掉中心一部分SiO2；
在上DBR的表面生长一层Ti/Au，并通过光刻和刻蚀，刻蚀掉中心一部分；
在衬底背面生长一层AuGeNi/Au；
在上DBR的表面生长SiO2、HfO2和MgF，分别作为所述光栅基底层、所述光栅间隔层和所述光栅层。
根据本发明提供一种窄线宽垂直腔面发射激光器的制备方法，还包括：利用电子束曝光结合刻蚀工艺，对所述光栅层进行刻蚀。
根据本发明提供一种窄线宽垂直腔面发射激光器的制备方法，所述垂直腔面发射激光器通过如下方式获得：
在GaAs衬底上进行外延生长，从下向上依次生长第一数值对Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As，作为下DBR；
从下向上依次生长第二数值对Al0.28Ga0.72As/Al0.12In0.18Ga0.7As，作为有源区；
生长Al0.5Ga0.5As作为间隔层；
生长Al0.98Ga0.02As作为氧化限制层；
生长第三数值对Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As，作为所述上DBR。
本发明提供的一种窄线宽垂直腔面发射激光器及其制备方法，通过将光栅微腔生长在传统的垂直腔面发射激光器上，光栅微腔和谐振腔共同对激光器内部光场进行调制，只有同时满足光栅微腔和谐振腔两个谐振条件的波才能在激光器内部形成稳定的驻波，从而达到压窄线宽的效果；且不需要外置光反馈结构，从而增加了激光器的可靠性，易于与其它器件集成。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种窄线宽垂直腔面发射激光器的结构示意图之一；
图2为本发明提供的一种窄线宽垂直腔面发射激光器中的光栅微腔周期变化导致微腔中电场强度发生变化示意图；
图3为本发明提供的一种窄线宽垂直腔面发射激光器的结构示意图之二；
图4为本发明提供的一种窄线宽垂直腔面发射激光器的制备方法的流程图；
图5为本发明提供的一种窄线宽垂直腔面发射激光器所用的外延片示意图；
图6为本发明提供的一种窄线宽垂直腔面发射激光器的刻蚀出的台面示意图；
图7为本发明提供的一种窄线宽垂直腔面发射激光器器件湿氮氧化形成注入电流限制孔示意图；
图8为本发明提供的一种窄线宽垂直腔面发射激光器中器件生长钝化层后结构示意图；
图9为本发明提供的一种窄线宽垂直腔面发射激光器溅射制备正面电极示意图；
图10为本发明提供的一种窄线宽垂直腔面发射激光器器件背面磨片减薄并溅射制作背面电极示意图；
图11为本发明提供的一种窄线宽垂直腔面发射激光器生长共振光栅微腔材料示意图；
图12为本发明提供的一种窄线宽垂直腔面发射激光器利用电子束曝光结合刻蚀工艺制备光栅示意图；
图13为本发明提供的一种窄线宽垂直腔面发射激光器的反射谱线宽示意图。
附图标记：
1：背面电极； 2：半导体衬底； 3：底部DBR；
4：有源区； 5：氧化限制层； 6：间隔层和顶部DBR；
7：SiO2钝化层； 8：正面电极； 9：光栅基底层；
10：光栅间隔层； 11：光栅层； 101：垂直腔面发射激光器；
102：光栅微腔。
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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例在于提供一种不附加外部光反馈结构的体积小、结构稳定的窄线宽垂直腔面发射激光器，能够使垂直腔面发射激光器发射过程中提供稳定的窄线宽激光。
本发明实施例提供一种窄线宽垂直腔面发射激光器，如图1所示，该激光器包括：光栅微腔和垂直腔面发射激光器，所述光栅微腔生长在所述垂直腔面发射激光器的谐振腔之上，且，所述光栅微腔和所述谐振腔相互耦合，所述光栅微腔为厚度可调的光栅。
本发明实施例中将光栅微腔生长在传统的垂直腔面发射激光器(简称VCSEL)上，光栅微腔和谐振腔共同对光进行反射，光栅微腔和谐振腔相互耦合，光栅微腔和谐振腔共同对激光进行选模，光栅微腔和VCSEL谐振腔共同对内部光场模式进行调制，从而使得激光器达到最窄的反射谱线宽，得到窄线宽垂直腔面发射激光器。
传统VCSEL谐振腔由上下分布式布拉格反射镜(DBR)构成，谐振腔的光学长度为一个波长，较短的腔长导致光束线宽较宽。
本发明实施例通过将光栅微腔生长在DBR谐振腔上，光栅微腔和DBR均可对光进行反射，因此这两个谐振腔可共同对内部光场进行调制，只有同时满足两腔谐振条件的波才能在内部形成稳定的驻波，完成激射。
这种双腔耦合谐振腔利用光栅微腔和DBR同时对光波进行选模，相比传统VCSEL的单一DBR谐振腔，该结构选模能力更强，反射谱更窄，得到的激光线宽更窄。
本发明实施例提供的一种窄线宽垂直腔面发射激光器，通过将光栅微腔生长在传统的垂直腔面发射激光器上，光栅微腔和谐振腔共同对激光器内部光场进行调制，只有同时满足光栅微腔和谐振腔两个谐振条件的波才能在激光器内部形成稳定的驻波，从而达到压窄线宽的效果；且不需要外置光反馈结构，从而增加了激光器的可靠性，易于与其它器件集成。
在上述实施例的基础上，优选地，所述光栅微腔为厚度可调的光栅。
光栅微腔本质上还是一个光栅，若直接将光栅放在垂直腔面发射激光器上，光栅无法与谐振腔进行耦合，因此将光栅微腔作为厚度可调的光栅，通过光栅微腔中间隔层厚度的改变，光栅耦合腔内的电场强度逐渐增大，谱宽变窄，光栅微腔会逐渐与谐振腔耦合。
如图2所示，随着光栅微腔厚度的改变，光栅耦合腔内的电场强度逐渐增大，谱宽变窄，当二者相互耦合时，激光器达到最窄的反射谱线宽。
当二者发生谐振时，光栅微腔和DBR谐振腔有源区中的电场强度同时达到最大。
在上述实施例的基础上，优选地，所述谐振腔的厚度可调。
具体地，谐振腔的厚度是可调的，通过调节谐振腔的厚度，可以改变谐振腔内部的波长选择模式。
当光栅微腔和DBR谐振腔相结合时，需要综合考虑腔长变化引起的内部谐振波长模式变化，需要通过调节光栅微腔的间隔层的厚度和DBR谐振腔间隔层厚度，改变二者的谐振位置，使二者逐渐耦合。
在上述实施例的基础上，优选地，所述光栅微腔的周期可调。
具体地，光栅微腔的周期也是可调的，通过调整光栅微腔中相邻光栅之间的间隔，通过改变光栅微腔的周期，可以改变有源区中电场强度，也可以改变光栅微腔对波长的选择模式。
在上述实施例的基础上，优选地，所述光栅微腔由下至上依次包括光栅基底层、光栅间隔层和光栅层。
具体地，该光栅微腔由三部分组成：光栅基底层、光栅间隔层和光栅层，光栅间隔层位于光栅基底层之上，光栅层位于光栅间隔层之上，光栅基底层作为光栅微腔的基底，光栅间隔层作为厚度调节的层，光栅层可以看做一个普通的光栅。
在上述实施例的基础上，优选地，光栅间隔层的厚度可调。
具体地，光栅间隔层的厚度可以调节，通过调节光栅间隔层的厚度，从而达到调节光栅微腔厚度的目的。
上述双腔耦合窄线宽垂直腔面发射激光器，通过光栅微腔和DBR作为两个谐振腔，同时对激光器内部光场进行调制，达到压窄线宽的效果。激光器的反射谱线宽可压窄至皮米量级，激光线宽可压窄至kHz量级，远小于传统VCSEL的线宽。
由于光栅微腔和DBR谐振腔集成在一起，不需要外置光反馈结构，增加了激光器的可靠性，易于与其他器件集成。
上述双腔耦合窄线宽垂直腔面发射激光器中，激光器的谐振波长是可调的，通过改变光栅微腔中的光栅周期，DBR谐振腔中的各层厚度，可改变两腔的谐振波长，并通过优化二者的间隔层厚度，使两腔互相耦合，可实现不同波长的窄线宽激光激射。
如图3所示，该结构自下而上主要包括背面电极1、半导体衬底2、底部DBR3、有源区4、氧化限制层5、间隔层及顶部DBR6、SiO2钝化层7、正面电极8、光栅基底层9、光栅间隔层10和光栅层11。
上述结构中，氧化限制层中被氧化部分变为绝缘，未被氧化的部分仍导电，形成氧化孔。光栅基底层、光栅间隔层和光栅层组成光栅微腔，其余部分为传统的垂直腔面发射激光器。
本发明一优选实施例提供一种窄线宽垂直腔面发射激光器的制备方法，如图4所示，该方法包括：
在制得传统的垂直腔面发射激光器后，垂直腔面发射激光器由上DBR和下DBR构成，DBR为分布式布拉格反射镜。
具体地，传统的垂直腔面发射激光器的制作方法如下：
在GaAs衬底上进行外延生长，从下向上依次生长第一数值对Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As，作为下DBR；
首先在GaAs衬底上进行外延生长，从下向上依次生长34对Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As，将其作为下DBR。本发明实施例中的第一数值为34，具体可以根据实际需要进行确定，该生长条件下，Al0.2Ga0.8As的厚度为55nm，Al0.9Ga0.1As的厚度为64nm。
从下向上依次生长第二数值对Al0.28Ga0.72As/Al0.12In0.18Ga0.7As，作为有源区；
然后再生长3对Al0.28Ga0.72As/Al0.12In0.18Ga0.7As作为有源区，本发明实施例中第二数值的取值为3，具体地可以根据实际需要进行确定，该生长条件下，Al0.28Ga0.72As的厚度为8nm，Al0.12In0.18Ga0.7As的厚度为16nm。
生长Al0.5Ga0.5As作为间隔层；
然后生长120nm的Al0.5Ga0.5As作为间隔层。
生长Al0.98Ga0.02As作为氧化限制层；
接着再生长65nm的Al0.98Ga0.02As作为氧化限制层。
生长第三数值对Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As，作为所述上DBR。
最后再生长18对Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As作为上DBR，Al0.2Ga0.8As的厚度为55nm，Al0.9Ga0.1As的厚度为64nm。
以上即为传统的垂直腔面发射激光器。
S1，对垂直腔面发射激光器的上DBR和氧化限制层进行光刻和刻蚀，获取台面；
如图5和图6所示，首先对垂直腔面发射激光器外延片的上DBR和氧化限制层进行光刻和刻蚀，得到直径为60um的圆形台面。
S2，对所述台面进行氧化，所述氧化限制层由外向内变为绝缘的物质，通过控制氧化深度，在所述台面的中心处留下未被氧化、且导通的氧化层；
如图7所示，对台面进行氧化，氧化限制层受到水蒸气的影响，Al0.98Ga0.02As材料由外向内变为绝缘的物质，通过时间控制氧化深度，最终在中心处留下未被氧化，仍然导通的Al0.98Ga0.02As。
S3，在上DBR的表面生长一层SiO2，并通过光刻和刻蚀，刻蚀掉中心一部分SiO2；
如图8所示，在表面生长一层300nm的SiO2，并通过光刻和刻蚀，刻蚀掉中心一部分SiO2。
S4，在上DBR的表面生长一层Ti/Au，并通过光刻和刻蚀，刻蚀掉中心一部分；
如图9所示，在表面生长一层15nm/300nm厚的Ti/Au，并通过光刻和刻蚀，刻蚀掉中心一部分。
S5，在衬底背面生长一层AuGeNi/Au；
如图10所示，在背面生长一层50nm/300nm厚的AuGeNi/Au。
S6，在上DBR的表面生长SiO2、HfO2和MgF，分别作为所述光栅基底层、所述光栅间隔层和所述光栅层。
如图11所示，在表面由下向上依次生长400nm厚的SiO2、220nm厚的HfO2、175nm厚的MgF。
在上述实施例的基础上，优选地，还包括：
利用电子束曝光结合刻蚀工艺，对所述光栅层进行刻蚀。
如图12所示，利用电子束曝光结合刻蚀工艺，对光栅层进行刻蚀，光栅周期为457nm，占空比为0.5，如图13所示，该反射激光器结构整体的反射谱半高全宽为0.01nm。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种窄线宽垂直腔面发射激光器的制备方法，所述窄线宽垂直腔面发射激光器包括光栅微腔和垂直腔面发射激光器，所述光栅微腔生长在所述垂直腔面发射激光器的谐振腔之上，且所述光栅微腔和所述谐振腔相互耦合，所述光栅微腔由下至上依次包括光栅基底层、光栅间隔层和光栅层，所述光栅间隔层的厚度可调，其特征在于，包括：
对垂直腔面发射激光器的上DBR和氧化限制层进行光刻和刻蚀，获取台面；
对所述台面进行氧化，所述氧化限制层由外向内变为绝缘的物质，通过控制氧化深度，在所述台面的中心处留下未被氧化、且导通的氧化层；
在上DBR的表面生长一层SiO2，并通过光刻和刻蚀，刻蚀掉中心一部分SiO2；
在上DBR的表面生长一层Ti/Au，并通过光刻和刻蚀，刻蚀掉中心一部分；
在衬底背面生长一层AuGeNi/Au；
在上DBR的表面生长SiO2、HfO2和MgF，分别作为所述光栅基底层、所述光栅间隔层和所述光栅层。
2.根据权利要求1所述的窄线宽垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，还包括：利用电子束曝光结合刻蚀工艺，对所述光栅层进行刻蚀。
3.根据权利要求1所述的窄线宽垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器通过如下方式获得：
在GaAs衬底上进行外延生长，从下向上依次生长第一数值对Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As，作为下DBR；
从下向上依次生长第二数值对Al0.28Ga0.72As/Al0.12In0.18Ga0.7As，作为有源区；
生长Al0.5Ga0.5As作为间隔层；
生长Al0.98Ga0.02As作为氧化限制层；
生长第三数值对Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As，作为所述上DBR。
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