CN114300949A - 一种波长可调谐的垂直腔面发射激光器阵列及调谐方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波长可调谐的垂直腔面发射激光器阵列及调谐方法，采用不同固有热阻的垂直腔面发射激光器组成并通过选择不同垂直腔面发射激光器出射激光，或通调整各垂直腔面发射激光器的输入电流来实现出射激光的波长调谐，或以上方法相结合，最终让每垂直腔面发射激光器的结温不同，来实现阵列出射激光的波长调谐。本发明在密集波分复用光网络、电子通信、计算机光互连中具有很大应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及一种波长可调谐的垂直腔面发射激光器阵列及调谐方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)具有体积小、相应频带宽、温度漂移小、阈值电流低、单纵模出射、发散角小、调制速率高、出射激光为圆形光斑易与光纤耦合、封装简单易于二维集成、工作寿命长等优越性能，在光纤通信、原子钟、3D传感、汽车雷达等领域的应用前景被十分看好。垂直腔面发射激光器的激光垂直于芯片表面从顶面或底面射出，出射方向由激光波长决定。
VCSEL的结构中有上、下两个分布式布拉格反射镜（DBR），分成反射区和出射区，反射区具有99.9%以上的反射率，出射区具有99%以上的反射率，这种差异决定最终波长的出射位置。上、下分布式布拉格反射镜将有源层包裹在中间，构成的激光谐振腔使得在与腔体相垂直的方向上让往复运动的光产生谐振放大，最终达到阈值出射激光。DBR由多种折射率差别很大且晶格常数匹配的材料层叠而得，常用的是将GaAs和AlAs交替层叠。在这种DBR中，最好使得能量带隙大于谐振波长，以避免光被吸收。
伴随着VCSEL在密集波分复用(Dense wavelength division multiplexing,DWDM)光纤通信系统的大规模应用，业界对波长可调谐VCSEL的需求日益增强。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种波长可调谐的垂直腔面发射激光器阵列及调谐方法，用于实现出射激光的波长调谐。
技术方案：一种波长可调谐的垂直腔面发射激光器阵列，各垂直腔面发射激光器的固有热阻不同，各垂直腔面发射激光器采用共阳极连接，通过选择控制不同垂直腔面发射激光器的的阴极放电来输出不同波长的出射激光。
进一步的，通过控制垂直腔面发射激光器的的阴极放电电流大小来调整出射激光的波长。
进一步的，各垂直腔面发射激光器的氧化限制层的氧化孔径均不同。
进一步的，所述垂直腔面发射激光器包括：
衬底；
形成于衬底下表面的下电极；
形成于衬底上表面的缓冲层；
形成于缓冲层上表面的下分布式布拉格反射镜；
形成于下分布式布拉格反射镜上表面的有源区；
形成于有源区上表面的氧化限制层；
形成于氧化限制层上表面的上分布式布拉格反射镜；
形成于上分布式布拉格反射镜上表面的上电极。
进一步的，驱动所述阵列的驱动电路包括：
充电控制模块，用于控制电路充电；
储能模块，用于存储电能；
放电控制模块，用于控制储能模块放电；
主控电路模块，用于输出充电控制信号和放电控制信号。
进一步的，下分布式布拉格反射镜和上分布式布拉格反射镜均由具有不同折射率的化合物半导体层交替层叠而成。
进一步的，有源区包括有源层，所述有源层为具有多量子阱结构的化合物半导体层。
进一步的，下分布式布拉格反射镜和上分布式布拉格反射镜采用AlxGa1-xAs制备。
进一步的，有源层采用InyGa1-yAs或AlxGa1-xAs制备。
一种调整垂直腔面发射激光器阵列出射激光波长的方法，所述阵列采用不同固有热阻的垂直腔面发射激光器组成并通过选择不同垂直腔面发射激光器出射激光，或通过调整各垂直腔面发射激光器的输入电流来实现出射激光的波长调谐。
有益效果：本发明垂直腔面发射激光器阵列采用不同固有热阻的垂直腔面发射激光器组成并通过选择不同垂直腔面发射激光器出射激光，或通调整各垂直腔面发射激光器的输入电流来实现出射激光的波长调谐，或以上方法相结合来实现阵列出射激光的波长调谐。
具体的，本发明提供的一种波长可调谐VCSEL阵列方案，通过设计氧化限制层的氧化孔径使得每一个VCSEL的固有热阻都不同，这样当输入同样电流时，每一个VCSEL的结温是不一样的，这会导致不同的VCSEL激射波长，从而实现波长的调谐。进一步的，每一个VCSEL是可以单独寻址和驱动的，通过调整每一个VCSEL输入的电流来VCSEL的结温，结温不同会带来不同的VCSEL激射波长，从而进一步实现波长的调谐，获得更大的波长调谐范围。
附图说明
图1是本发明中垂直腔面发射激光器的横截面结构示意图；
图2是实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
实施例1：
一种波长可调谐的垂直腔面发射激光器阵列，各垂直腔面发射激光器的固有热阻不同，各垂直腔面发射激光器采用共阳极连接，通过选择控制不同垂直腔面发射激光器的的阴极放电来输出不同波长的出射激光。
如图1所示，垂直腔面发射激光器包括：
衬底1；
形成于衬底1下表面的下电极2；
形成于衬底1上表面的缓冲层3；
形成于缓冲层3上表面的下分布式布拉格反射镜4；
形成于下分布式布拉格反射镜4上表面的有源区5；
形成于有源区5上表面的氧化限制层6；
形成于氧化限制层6上表面的上分布式布拉格反射镜7；
形成于上分布式布拉格反射镜7上表面的上电极8。
其中，下分布式布拉格反射镜4和上分布式布拉格反射镜7均由具有不同折射率的化合物半导体层交替层叠而成。有源区5包括有源层，该有源层为具有多量子阱结构的化合物半导体层。
具体的，本实施例根据VCSEL理论进行器件的结构设计，采用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术制备VCSEL外延片，然后基于外延片制备VCSEL器件，其中：衬底1选择GaAs晶圆；缓冲层3为N掺杂的AlGaAs；下分布式布拉格反射镜4为N型分布式布拉格反射镜(DBR)，由Al0.9Ga0.1As/Al0.12Ga0.88As层叠而成；有源区5由五对InyGa（1-y）As/AlxGa（1-x）As量子阱以及缓变组分的InyGa1-yAs或AlxGa（1-x）As间隔层组成；氧化限制层6采用厚度为30 nm的Al0.98Ga0.02As，利用侧向氧化形成Al2O3层，绝缘性能良好；氧化限制层6是Al0.9Ga0.1As/Al0.12Ga0.88As层叠而成的P型DBR，形成上分布式布拉格反射镜7；下电极2选择Ni-Cr-Ge合金；上电极8选择Ti-Pt-Au合金。
VCSEL的制备过程如下：采用电感耦合等离子刻蚀(ICP)设备对外延生长制得的VCSEL外延片进行台面刻蚀，刻蚀完成后对其进行水汽氧化，然后采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术对氧化后的外延片进行钝化，接着采用磁控溅射工艺制备器件的下电极2，将N面减薄抛光并制备上电极8，最后进行退火处理，使电极形成良好的欧姆接触，获得VCSEL芯片。
VCSEL在持续工作过程中，不可避免的会产生热量。热量的产生会消耗大量电能，通常VCSEL的电-光转换效率小于50%。同时产生的热量会引起器件温度升高，进而使得器件的工作特性变差甚至无法工作。
通常采用热阻来描述VCSEL的热学特性，VCSEL器件产生热量的部位主要是有源区，该区域温度的变化量ΔT取决于整个器件的热阻R th 以及产生的热功率P Heat ，如式（1）：
ΔT=R th P Heat （1）
产生的热功率P Heat 等于总的电功率UI减去出射的光功率P Out ，表示为式（2）：
P Heat =UI-P Out （2）
假设VCSEL有源区的温度是均匀的，则器件的热阻R th 可以表示为式（3）：
R th =
（3）
其中，ξ为热导率，d为氧化限制层的氧化孔径。已知在恒定的电流密度条件下，限制氧化孔径越大则有源区的温度变化越大，这就意味着，在一定的范围内，限制氧化孔径越小，热阻越大，工作的电流密度越大，则器件的结温越大。
氧化限制层6可以起到光电限制的作用，对不同氧化孔径的单管器件的热特性进行研究后发现，氧化孔径越小，器件的热阻越大，可以通过增大氧化孔径来降低热阻。
为了实现不同形状和大小的氧化孔径，本实施例通过设计不同形状和大小的VCSEL器件，利用水汽氧化工艺制备出氧化孔径形状及大小不同的一系列VCSEL器件。结果表明，在相同的氧化条件下，台面刻蚀结构不同时（即VCSEL结构设计不同时），氧化孔径会有所差异。
不同温度下的激射光谱测试结果表明，器件的激射峰随温度升高呈线性关系，光谱发生红移的根本原因是其温度升高导致了增益的变化，腔模增益谱、量子阱增益光谱均发生了红移。量子阱的增益峰并不能决定VCSEL的激射波长，VCSEL的激射波长是由腔模决定的，随着温度升高，器件有源区及DBR的有效光学厚度均会增加，因而其对应的光学波长会增大。
实施例2：
与实施例1的区别在于，进一步的通过控制各垂直腔面发射激光器的的阴极放电电流大小来调整出射激光的波长。
实施例中，驱动阵列的驱动电路包括：
充电控制模块，用于控制电路充电；
储能模块，用于存储电能；
放电控制模块，用于控制储能模块放电；
主控电路模块，用于输出充电控制信号和放电控制信号。
具体工作方式为：首先控制阳极的电路来充电，然后通过控制阴极的电路实现瞬时放电。充电控制模块包括对应激光器的多个输入端、各通道的隔离器件、各通道的充电控制开关以及输出端，各部件单元连接起来，可调整各个通道的电流输出，形成每个VCSEL不同的结温，实现波长调谐。
实施例3：一种调整垂直腔面发射激光器阵列出射激光波长的方法，阵列采用不同固有热阻的垂直腔面发射激光器组成并通过选择不同垂直腔面发射激光器出射激光，从而实现出射激光的波长调谐。
实施例4：一种调整垂直腔面发射激光器阵列出射激光波长的方法，阵列采用相同固有热阻的垂直腔面发射激光器组成，通过调整各垂直腔面发射激光器的输入电流来实现出射激光的波长调谐。
实施例5：一种调整垂直腔面发射激光器阵列出射激光波长的方法，阵列采用不同固有热阻的垂直腔面发射激光器组成并通过选择不同垂直腔面发射激光器出射激光，同时通过调整所选择的垂直腔面发射激光器的输入电流来进一步调整出射激光的波长。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种波长可调谐的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，各垂直腔面发射激光器的固有热阻不同，各垂直腔面发射激光器采用共阳极连接，通过选择控制不同垂直腔面发射激光器的的阴极放电来输出不同波长的出射激光。
2.根据权利要求1所述的波长可调谐的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，通过控制垂直腔面发射激光器的的阴极放电电流大小来调整出射激光的波长。
3.根据权利要求1所述的波长可调谐的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，各垂直腔面发射激光器的氧化限制层的氧化孔径均不同。
4.根据权利要求1或3所述的波长可调谐的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器包括：
衬底（1）；
形成于衬底（1）下表面的下电极（2）；
形成于衬底（1）上表面的缓冲层（3）；
形成于缓冲层（3）上表面的下分布式布拉格反射镜（4）；
形成于下分布式布拉格反射镜（4）上表面的有源区（5）；
形成于有源区（5）上表面的氧化限制层（6）；
形成于氧化限制层（6）上表面的上分布式布拉格反射镜（7）；
形成于上分布式布拉格反射镜（7）上表面的上电极（8）。
5.根据权利要求2所述的波长可调谐的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，驱动所述阵列的驱动电路包括：
充电控制模块，用于控制电路充电；
储能模块，用于存储电能；
放电控制模块，用于控制储能模块放电；
主控电路模块，用于输出充电控制信号和放电控制信号。
6.根据权利要求4所述的波长可调谐的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，下分布式布拉格反射镜（4）和上分布式布拉格反射镜（7）均由具有不同折射率的化合物半导体层交替层叠而成。
7.根据权利要求4所述的波长可调谐的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，有源区（5）包括有源层，所述有源层为具有多量子阱结构的化合物半导体层。
8.根据权利要求6所述的波长可调谐的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，下分布式布拉格反射镜（4）和上分布式布拉格反射镜（7）采用AlxGa1-xAs制备。
9.根据权利要求7所述的波长可调谐的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，有源层采用InyGa1-yAs或AlxGa1-xAs制备。
10.一种调整垂直腔面发射激光器阵列出射激光波长的方法，其特征在于，所述阵列采用不同固有热阻的垂直腔面发射激光器组成并通过选择不同垂直腔面发射激光器出射激光，或通过调整各垂直腔面发射激光器的输入电流来实现出射激光的波长调谐。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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