CN113140961B - 光子晶体垂直腔面发射激光器 - Google Patents

光子晶体垂直腔面发射激光器 Download PDF

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Abstract

本公开提出一种光子晶体垂直腔面发射激光器，包括：氧化限制层；P型DBR反射层，生长于所述氧化限制层上；所述P型DBR反射层刻蚀有发光区以及沿所述发光区的径向周期性布置的多层孔径渐变光子晶体空气孔结构；其中，所述多层孔径渐变光子晶体空气孔结构为带有中心点缺陷的二维光子晶体空气孔结构。本公开中的光子晶体垂直腔面发射激光器可以实现大功率的单模激射，而且在发光区径向引入了折射率的梯度分布，可以进一步减小远场发散角，提高光束质量。

Description

光子晶体垂直腔面发射激光器
技术领域
本公开涉及光电子技术领域，尤指一种光子晶体垂直腔面发射激光器。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种出光方向垂直于衬底表面的半导体激光器，相比于其他半导体激光器，具有发散角小、耦合效率高、阈值电流低、动态单纵模激射、成本低等优势，被广泛用在空间光通信、激光雷达、以及泵浦源等方面。常见的氧化限制型垂直腔面发射激光器的基本结构是由上下DBR以及中间的有源区和氧化层组成，氧化孔可以实现对电场和光场的控制。传统的垂直腔面发射激光器横向尺寸较大，大电流下载流子分布不均匀，存在热透镜现象，会造成多横模激射。相关技术中，通过缩小氧化限制孔直径，虽然可以实现器件单模工作，但是会带来串联电阻增大、发热严重、稳定性差等问题。
在实现本公开构思的过程中，发明人发现，在垂直腔面发射激光器的上DBR中引入带有中心缺陷的二维光子晶体结构，虽然能够通过二维光子晶体空气孔来实现对光场的进一步控制，进而获得类似于光子晶体光纤的单模激射，但是光子晶体空气孔的占空比太小会导致光子晶体结构其对横向模式的控制作用减弱，易造成多横模激射。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本公开提供了一种光子晶体垂直腔面发射激光器。
(二)技术方案
本公开提供了一种光子晶体垂直腔面发射激光器，该光子晶体垂直腔面发射激光器包括：氧化限制层；P型DBR反射层，生长于氧化限制层上；P型DBR反射层刻蚀有发光区以及沿发光区的径向周期性布置的多层孔径渐变光子晶体空气孔结构；其中，多层孔径渐变光子晶体空气孔结构为带有中心点缺陷的二维光子晶体空气孔结构。
可选地，沿发光区径向向外的方向，多层孔径渐变光子晶体空气孔结构中空气孔的占空比逐渐增大，其中，占空比为空气孔的直径与光子晶体的晶格常数的比值。
可选地，占空比的取值范围为0.3～0.7。
可选地，多层孔径渐变光子晶体空气孔结构包括至少三层直径逐渐增大的空气孔。
可选地，氧化限制层包括氧化孔，氧化孔的直径比发光区的直径大至少一个最小空气孔的直径。
可选地，中心点缺陷是单孔缺陷或多孔缺陷。
可选地，多层孔径渐变光子晶体空气孔结构中，每层空气孔的直径相同。
可选地，光子晶体的晶格结构包括三角晶格、四方晶格或六方晶格。
可选地，多层孔径渐变光子晶体空气孔结构中空气孔的刻蚀深度小于P型DBR反射层的厚度。
可选地，光子晶体垂直腔面发射激光器还包括：衬底，其上生长有N型DBR反射层，N型DBR反射层远离衬底的表面上生长有量子阱有源区，量子阱有源区远离N型DBR反射层的表面上生长有氧化限制层；其中，衬底远离N型DBR反射层的表面设有第一电极，P型DBR反射层远离氧化限制层的表面设有第二电极。
(三)有益效果
本公开提供了一种光子晶体垂直腔面发射激光器，至少具有以下有益效果：
1、本公开提供的光子晶体垂直腔面发射激光器可以保证较大的有效出光面积，实现大功率输出，而且还具有足够高的高阶横模损耗，可以实现单模激射。
2、本公开提供的光子晶体垂直腔面发射激光器在发光区径向引入了折射率的梯度分布，可以进一步减小远场发散角，提高光束质量。
附图说明
图1示出了本公开实施例的光子晶体垂直腔面发射激光器的结构截面示意图；
图2示出了本公开实施例的多层孔径渐变光子晶体空气孔结构的示意图；
图3示出了本公开实施例的多层孔径渐变光子晶体空气孔结构表面分布示意图。
附图标记说明
1-第一电极 2-衬底 3-N型DBR反射层
4-量子阱有源区 5-氧化限制层 6-P型DBR反射层
7-第二电极 8-多层孔径渐变光子晶体空气孔结构 9-发光区
100-光子晶体垂直腔面发射激光器
b1，b2，b3，b4-空气孔的直径
具体实施方式
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，对本公开作进一步的详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本公开。
正如背景技术部分所介绍的，发明人在实现本公开构思的过程中发现，在垂直腔面发射激光器的上DBR中引入带有中心缺陷的二维光子晶体结构，虽然能够通过二维光子晶体空气孔来实现对光场的进一步控制，进而获得类似于光子晶体光纤的单模激射，但是光子晶体空气孔的占空比太小会导致光子晶体结构其对横向模式的控制作用减弱，易造成多横模激射。
为了解决这一问题，本公开提出了一种光子晶体垂直腔面发射激光器，通过引入多层孔径渐变光子晶体空气孔结构，从发光区径向向外光子晶体空气孔的占空比是逐渐增大的，可以保证在获得足够大的出光面积前提下获得单模激射。另外，在这种多层孔径渐变光子晶体空气孔结构中，越靠近中心点缺陷区域的空气孔，其占空比越小，多层孔径渐变光子晶体空气孔结构的等效折射率越大，所以孔径渐变的二维光子晶体结构可以等效成有效折射率不同的层状结构，从而在发光区径向引入梯度折射率分布，使远场发散角进一步减小，提高光束质量。
图1示出了本公开实施例的光子晶体垂直腔面发射激光器的结构截面示意图。
如图1所示，本实施例提供了一种光子晶体垂直腔面发射激光器100。该光子晶体垂直腔面发射激光器100包括：氧化限制层5和P型DBR反射层6，其中，P型DBR反射层6生长于氧化限制层5上，而且，P型DBR反射层6刻蚀有发光区9以及沿发光区9的径向周期性布置的多层孔径渐变光子晶体空气孔结构8。具体地，多层孔径渐变光子晶体空气孔结构8为带有中心点缺陷的二维光子晶体空气孔结构。
在本实施例中，通过在垂直腔面发射激光器的P型DBR反射层中引入带有中心缺陷的多层孔径渐变光子晶体空气孔结构，可以在保证获得足够大的出光面积的前提下获得单模激射，而且在实现模式控制的基础上，可以进一步减小远场发散角，提高光束质量。
在本公开的一些实施例中，如图1所示，上述光子晶体垂直腔面发射激光器100还包括：衬底2，其上生长有N型DBR反射层3，N型DBR反射层3远离衬底2的表面上生长有量子阱有源区4，量子阱有源区4远离N型DBR反射层3的表面上生长有氧化限制层5。其中，衬底2远离N型DBR反射层3的表面设有第一电极1，P型DBR反射层6远离氧化限制层5的表面设有第二电极7。
在本实施例中，衬底2的材料例如可以是GaAs。N型DBR反射层3例如可以由Al0.1GaAs和Al0.9GaAs交替组成，每层材料厚度为λ/4n，其中，n是每层材料的折射率，λ为激射波长。量子阱有源区4的材料例如可以采用AlGaAs，其厚度为激射波长λ。氧化限制层5的材料例如可以采用Al0.98GaAs。P型DBR反射层6例如可以由Al0.1GaAs和Al0.9GaAs交替组成，每层材料厚度为λ/4n。第一电极1的材料例如可以为AGeNi/Au，第二电极7可以采用Au/Pt/Ti。
需要说明的是，上述光子晶体垂直腔面发射激光器各层结构的材料和厚度仅是示例性的，以帮助本领域的技术人员理解本公开的技术方案，并非用以限制本公开的保护范围。针对光子晶体垂直腔面发射激光器各层结构的材料和厚度，可以根据实际需要选择任何合适的材料、尺寸(包括厚度、深度等)、折射率等等来制备上述器件，在此不做限定。
在上述实施例中，光子晶体垂直腔面发射激光器100是在传统的氧化限制型垂直腔面发射激光器的基础上，在P型DBR反射层6中刻蚀了带有中心点缺陷的二维光子晶体空气孔结构。其中，氧化孔的大小和形状以及二维光子晶体的结构对激射模式的影响都比较大，而光子晶体的有效缺陷面积对激射功率的影响比较大。
光子晶体垂直腔面发射激光器实现单模激射的基础是空气孔对高阶横模的损耗足够大，使得高阶横模和基横模之间的模式损耗差足够大，从而达到抑制高阶横模激射，实现单模激射。
对于占空比较小的光子晶体垂直腔面发射激光器而言，光子晶体结构对模式的控制作用较弱，使得氧化孔成为模式控制的主要作用，导致多横模激射，进而导致远场光束质量变差。而对于占空比较大的光子晶体垂直腔面发射激光器来说，则会导致较大的模式损耗，虽然容易实现单横模激射，但是会造成光子晶体的有效缺陷面积减小，使出光功率有所降低。因此，只有通过合理的调整光子晶体的结构参数才能实现较大功率的单模输出。
其中，占空比为空气孔的直径b与光子晶体的晶格常数a的比值。也就是说，在光子晶体的晶格常数a一定的情况下，可以考虑通过改变空气孔的直径b来实现较大功率的单模输出。
鉴于此，本公开的另一实施例提供了一种多层孔径渐变光子晶体空气孔结构。该多层孔径渐变光子晶体空气孔结构综合考虑了空气孔的直径对模式损耗以及有效出光面积的影响，能够让光子晶体垂直腔面发射激光器获得较大功率的单模激射。
具体地，在本实施例中，沿发光区9径向向外的方向，多层孔径渐变光子晶体空气孔结构8中空气孔的占空比(b/a)是逐渐增大的。其中，占空比(b/a)具体表示为空气孔的直径b与光子晶体的晶格常数a的比值，也就是说，在光子晶体的晶格常数a一定的情况下，沿发光区9径向向外的方向，多层孔径渐变光子晶体空气孔结构8中空气孔的直径是逐渐增大的。
图2和图3分别示出了本公开另一实施例的多层孔径渐变光子晶体空气孔结构示意图。
如图2～3所示，沿发光区9径向向外的方向，空气孔直径依次为b1、b2、b3、b4，并且b1＜b2＜b3＜b4。其中，靠近发光区9的空气孔直径为b1，有效出光孔的直径为2a-b1，可以得到一个较大的出光面积，外圈空气孔直径依次增大，可以增加对高阶横模的损耗，从而可以获得较大功率的单模激射。另外，在晶格常数a一定的情况下，二维光子晶体空气孔的直径越小，光子晶体结构的等效折射率越大，因而多层孔径渐变光子晶体空气孔结构8可以等效成有效折射率不同的层状结构，从而在发光区径向引入梯度折射率分布，使远场发散角进一步减小，提高光束质量。
应该理解，在图1～3中示出的多层孔径渐变光子晶体空气孔结构以及本公开说明书中所描述的空气孔的结构、形状、层数、刻蚀深度等等仅仅是示例性的，以帮助本领域的技术人员理解本公开中的技术方案，并非用以限定本公开的保护方案。在其他一些实施例中，可以根据实际需要设计和制备空气孔的结构、形状、层数、刻蚀深度等等，例如，空气孔的形状可以为圆形空气孔型、椭圆形空气孔型或者方形空气孔型等等，在此不做限定。另外，在本公开的权利要求和说明书及附图中，为了描述方便，以“直径”来描述空气孔的尺寸或者以圆形来绘制空气孔，这并非表示该空气孔仅限于圆形空气孔形状，即上述描述方式不能用以限定本公开的保护方案，对此，下面将不再赘述。
在本公开一些实施例中，上述多层孔径渐变光子晶体空气孔结构8包括至少三层直径逐渐增大的空气孔。
其中，若多层孔径渐变光子晶体空气孔结构中直径逐渐增大的空气孔的层数少于三层，可能会影响折射率的变化，进而影响光束的质量。将多层孔径渐变光子晶体空气孔结构的层数设置为至少三层，是为了保证对光场的控制足够强，进而提高光束的质量。
在本公开一些实施例中，上述多层孔径渐变光子晶体空气孔结构8中，每层空气孔的直径可以相同，这样可以保证每个方向上的折射率变化都是一样的，进而提高光束的质量。
在本公开一些实施例中，氧化限制层包括氧化孔，其中，氧化孔的直径比发光区的直径大至少一个最小空气孔的直径。
其中，最小空气孔的直径为最靠近发光区9一层的空气孔的直径。请一并参考图1和图2，以图2中的多层孔径渐变光子晶体空气孔结构8为例，最小空气孔的直径例如可以为图2中示出的b1，也即，氧化孔的直径与发光区9的直径之间的差值不小于b1。
在本实施例中，氧化孔主要起到电流限制的作用，氧化孔的直径比发光区的直径大至少一个最小空气孔的直径，可以更好地将电流限制在发光区域，提高注入电流的均匀性，可以在一定程度上提高输出功率。
在本公开一些实施例中，上述多层孔径渐变光子晶体空气孔结构中空气孔的刻蚀深度小于P型DBR反射层的厚度。
空气孔的刻蚀深度会影响基横模传输特性。具体地，空气孔的刻蚀深度越大，刻蚀因子就越大，而刻蚀因子会对模式特性有影响。稳定的基膜传输所对应的值一般维持在一定的范围内，例如0.6～2.4之间，对应地，刻蚀因子会有一个合适的取值范围。相应地，空气孔的刻蚀深度需要控制在合理的范围内。
在本公开实施例中，多层孔径渐变光子晶体空气孔结构中空气孔的刻蚀深度可以小于P型DBR反射层的厚度(参考图1所示)。其中，P型DBR反射层例如是由Al0.1GaAs和Al0.9GaAs交替组成，每层材料厚度例如为λ/4n，n是每层材料的折射率，λ为激射波长。例如，在本实施例中，P型DBR反射层6的厚度例如可以是23层，而空气孔的刻蚀深度例如可以是15～20层，在此不做限定。
在本公开实施例中，上述多层孔径渐变光子晶体空气孔结构8中的中心点缺陷可以是单孔缺陷或多孔缺陷。
其中，在光子晶体垂直腔面发射激光器的P型DBR反射层中引入带有中心缺陷的二维光子晶体结构，通过二维光子晶体空气孔实现对光场的进一步控制，从而获得类似于光子晶体光纤的单模激射。在本公开实施例中，相比于单孔缺陷，采用多孔缺陷有利于增大出光面积，进而增大输出功率。
在本公开一些实施例中，光子晶体的晶格结构可以包括三角晶格、四方晶格或六方晶格。其中，不同的晶格结构可以实现不同的折射率变化。
本公开的另一方面提供了一种光子晶体垂直腔面发射激光器的制备方法，包括如下步骤：
S1，在N型GaAs衬底上通过有机金属化学气相沉积法依次生长N型DBR反射层、量子阱有源区、高铝组分层、P型DBR反射层。
其中，N型DBR反射层由Al0.1GaAs和Al0.9GaAs交替组成，每层材料厚度为λ/4n1，n1是每层材料的折射率，λ为激射波长；量子阱有源区的材料采用AlGaAs，其厚度为激射波长λ；高铝组分层的材料采用Al0.98GaAs，厚度例如为30nm；P型DBR反射层由Al0.1GaAs和Al0.9GaAs交替组成，每层材料厚度为λ/4n2，n2是每层材料的折射率。
S2，通过水浴加热的方法，用丙酮和乙醇清洗外延片，并用去离子水洗净、烘干。
S3，在P型DBR反射层上生长一层SiO2作为掩膜，通过光刻技术在光刻胶上制备激光器的台面图形。
S4，采用电感耦合等离子体刻蚀或选择性湿法腐蚀，将激光器的台面图形转移到SiO2掩膜上，再通过干法刻蚀或选择性湿法腐蚀制备出圆柱形的激光器台面，并暴露出高铝组分层Al0.98GaAs，随后用氧化层腐蚀缓冲液(BOE)将表层SiO2掩膜去除。
S6，将处理好的外延片放在湿法氧化炉中，在N2和水汽的高温(一般在430℃左右)作用下，湿法氧化制备氧化孔。
S7，通过等离子体增强化学的气相沉积法生长SiO2绝缘隔离层，通过光刻、腐蚀出激光器的发光区。经过光刻、溅射(或蒸发)工艺，并利用带胶剥离技术，制备环形第二电极Au/Pt/Ti7。
S8，通过等离子体增强化学的气相沉积法生长一层用于刻蚀光子晶体空气孔的SiO2掩膜，采用光刻及反应离子刻蚀制备用于刻蚀光子晶体的SiO2掩膜。
S9，利用电感耦合等离子体刻蚀，在发光区的外圈刻蚀出多层孔径渐变光子晶体空气孔结构。其中，沿发光区径向向外的方向，多层孔径渐变光子晶体空气孔结构中空气孔的直径是逐渐增大的。
其中，以波长850nm，光子晶体的晶格常数a＝5μm，以占空比依次为b1/a＝0.3、b2/a＝0.4、b3/a＝0.5、b4/a＝0.6的单孔缺陷结构为例，沿发光区径向向外的方向，空气孔的直径依次为1.5μm、2μm、2.5μm、3μm。
S10，将GaAs衬底减薄，溅射或蒸发AGeNi/Au，以制备第一电极。
综上所述，本公开提供了一种光子晶体垂直腔面发射激光器。通过引入多层孔径渐变光子晶体空气孔结构，从发光区径向向外光子晶体空气孔的占空比是逐渐增大的，可以实现大功率的单模激射。另外，本公开提供的光子晶体垂直腔面发射激光器在发光区径向引入了折射率的梯度分布，可以进一步减小远场发散角，提高光束质量。
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 (9)

1.一种光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
氧化限制层(5)；
P型DBR反射层(6)，生长于所述氧化限制层(5)上；所述P型DBR反射层(6)刻蚀有发光区(9)以及沿所述发光区(9)的径向周期性布置的多层孔径渐变光子晶体空气孔结构(8)；其中，所述多层孔径渐变光子晶体空气孔结构(8)为带有中心点缺陷的二维光子晶体空气孔结构；
沿所述发光区(9)径向向外的方向，所述多层孔径渐变光子晶体空气孔结构(8)中空气孔的占空比逐渐增大，其中，所述占空比为所述空气孔的直径与光子晶体的晶格常数的比值。
2.根据权利要求1所述的光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述占空比的取值范围为0.3～0.7。
3.根据权利要求1所述的光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述多层孔径渐变光子晶体空气孔结构(8)包括至少三层直径逐渐增大的空气孔。
4.根据权利要求1所述的光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述氧化限制层(5)包括氧化孔，所述氧化孔的直径比所述发光区(9)的直径大至少一个最小空气孔的直径。
5.根据权利要求1所述的光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述中心点缺陷是单孔缺陷或多孔缺陷。
6.根据权利要求1所述的光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述多层孔径渐变光子晶体空气孔结构(8)中，每层所述空气孔的直径相同。
7.根据权利要求1所述的光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，光子晶体的晶格结构包括三角晶格、四方晶格或六方晶格。
8.根据权利要求1所述的光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述多层孔径渐变光子晶体空气孔结构(8)中空气孔的刻蚀深度小于所述P型DBR反射层(6)的厚度。
9.根据权利要求1所述的光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光子晶体垂直腔面发射激光器还包括：
衬底(2)，其上生长有N型DBR反射层(3)，所述N型DBR反射层(3)远离所述衬底(2)的表面上生长有量子阱有源区(4)，所述量子阱有源区(4)远离所述N型DBR反射层(3)的表面上生长有所述氧化限制层(5)；
其中，所述衬底(2)远离所述N型DBR反射层(3)的表面设有第一电极(1)，所述P型DBR反射层(6)远离所述氧化限制层(5)的表面设有第二电极(7)。
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