CN114389147A - 一种波长可调谐的垂直腔面发射激光器 - 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，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氧化电流限制层；形成于氧化电流限制层上表面的有源区；形成于有源区上表面的上分布式布拉格反射镜；环绕上分布式布拉格反射镜而形成于有源区上表面的中间电极；形成于上分布式布拉格反射镜上表面的上电极。通过改变中间电极和上电极之间的注入电流大小来改变所述激光器的有效谐振区域宽度，从而改变发射激光波长，且能避免因温度升高所引起的激光器劣化，故而可拓宽激光发射的波长可调谐区域。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

一种波长可调谐的垂直腔面发射激光器
技术领域
本发明涉及一种垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser, VCSEL)。
背景技术
垂直腔面发射激光器是一种激光出射方向垂直于芯片表面的半导体激光器，相较于边发射半导体激光器，垂直腔面发射激光器激光器具有温度漂移小、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、工作寿命长等优势，一直受到深入研究，在光通信、消费电子、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，它们将有源层包裹在中间，使得在与各叠层相垂直的方向上让光产生谐振。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。最简单的方法有：通过加热或冷却以改变波长可调谐VCSEL的有效谐振腔长度，从而改变发射出的激光波长，实现波长连续可调。
但是，在通过改变工作温度而改变发射激光波长时，由于很难迅速改变工作温度，且工作温度升高会使得激光器因增益损耗太多而严重劣化，还有VCSEL可能在工作温度改变过程中出现停止工作情况。
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，实现在不改变温度的前提下快速改变发射激光波长。
技术方案：一种波长可调谐的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氧化电流限制层；
形成于氧化电流限制层上表面的有源区；
形成于有源区上表面的上分布式布拉格反射镜；
环绕上分布式布拉格反射镜而形成于有源区上表面的中间电极；
形成于上分布式布拉格反射镜上表面的上电极；
通过改变中间电极和上电极之间的注入电流大小来改变所述激光器的有效谐振区域宽度，从而改变发射激光波长。
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，有源区由下载流子限制层、有源层和上载流子限制层层叠而成；其中，有源层为具有多量子阱结构或量子点结构的化合物半导体层。
进一步的，上分布式布拉格反射镜的反射率小于下分布式布拉格反射镜的反射率。
进一步的，有源层的材料为GaAs、InGaAs、AlGaAs或InAs。
有益效果：与现有的VCSEL相比，本发明的VCSEL结构能够迅速改变发射激光波长，且能避免因温度升高所引起的激光器劣化，故而可拓宽激光发射的波长可调谐区域。
附图说明
图1是本发明的一种波长可调谐的垂直腔面发射激光器的截面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种波长可调谐的垂直腔面发射激光器，衬底1的下表面形成下电极61，衬底1的上表面形成下分布式布拉格反射镜2，下分布式布拉格反射镜2的上表面形成氧化电流限制层3，氧化电流限制层3的上表面形成有源区4，有源区4的上表面形成上分布式布拉格反射镜5，有源区4的上表面形成中间电极62，中间电极62环绕上分布式布拉格反射镜5，上分布式布拉格反射镜5的上表面形成上电极63。
其中，下分布式布拉格反射镜2由两种不同折射率的化合物半导体层21和22交替层叠而成，上分布式布拉格反射镜5也由两种不同折射率的化合物半导体层51和52交替层叠而成，化合物半导体层的材料主要是掺杂浓度不同的n-型AlGaAs，化合物半导体层51和52具有p-型掺杂特性。上分布式布拉格反射镜5的反射率小于下分布式布拉格反射镜2的反射率。
氧化电流限制层3是通过下下分布式布拉格反射镜2中AlGaAs层的选择性氧化制得的，是光由下分布式布拉格反射镜2流入有源区4的通道。
有源区4由下载流子限制层41、有源层42和上载流子限制层43层叠而成，其中有源层42是具有多量子阱(MQW)结构或量子点(QD)结构的化合物半导体层，其材料为GaAs、InGaAs、AlGaAs或InAs。
下电极61是面电极，中间电极62和上电极63均是环形电极。中间电极62围绕上分布式布拉格反射镜5形成于上载流子限制层43上表面，且不与上分布式布拉格反射镜5发生接触，中间电极62与下电极61一起为有源区4提供载流子。上电极63形成于上分布式布拉格反射镜5上表面，并与中间电极62一起调节有效谐振区域宽度。所有电极都是欧姆接触。
本发明结构中，通过下电极61和中间电极62给有源区4供电，载流子在有源区4重组产生谐振出光，当光在下分布式布拉格反射镜2和上分布式布拉格反射镜5间反复来回反射，不断经过有源区4吸收光能，使光的能量放大最终形成激光，从反射率较低的上分布式布拉格反射镜5射出。
经由上分布式布拉格反射镜5射出的激光波长由有源区4的有效谐振区域宽度来决定。在不使用上电极63时，有效谐振区域宽度与有源区4的宽度差不多。利用中间电极62和上电极63之间的注入电流大小，即控制上分布式布拉格反射镜5的电流大小，受变化电流引发的热效应变化影响，上分布式布拉格反射镜5的折射率发生改变，当折射率与谐振腔材料的折射率近似相等时，使得有效谐振区域从有源区4延伸到上分布式布拉格反射镜5，光可以在这个临时形成的大的谐振腔里谐振，有效谐振区域宽度得以增加，实现波长可调谐的激光发射。
如上所述，本发明通过给上分布式布拉格反射镜5施加不同大小的电流来改变有效谐振区域宽度，从而对激光发射波长进行调谐。本发明的VCSEL可以迅速改变发射激光波长，且能避免因温度升高所引起的激光器劣化，可拓宽激光发射的波长可调谐区域。
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 (5)

1.一种波长可调谐的垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
衬底（1）；
形成于衬底（1）下表面的下电极（61）；
形成于衬底（1）上表面的下分布式布拉格反射镜（2）；
形成于下分布式布拉格反射镜（2）上表面的氧化电流限制层（3）；
形成于氧化电流限制层（3）上表面的有源区（4）；
形成于有源区（4）上表面的上分布式布拉格反射镜（5）；
环绕上分布式布拉格反射镜（5）而形成于有源区（4）上表面的中间电极（62）；
形成于上分布式布拉格反射镜（5）上表面的上电极（63）；
通过改变中间电极（62）和上电极（63）之间的注入电流大小来改变所述激光器的有效谐振区域宽度，从而改变发射激光波长。
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，其特征在于，下分布式布拉格反射镜（2）和上分布式布拉格反射镜（5）均由不同折射率的化合物半导体层交替层叠而成。
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，其特征在于，有源区（4）由下载流子限制层（41）、有源层（42）和上载流子限制层（43）层叠而成；其中，有源层（42）为具有多量子阱结构或量子点结构的化合物半导体层。
4.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，其特征在于，上分布式布拉格反射镜（5）的反射率小于下分布式布拉格反射镜（2）的反射率。
5.根据权利要求3所述的波长可调谐的垂直腔面发射激光器，其特征在于，有源层（42）的材料为GaAs、InGaAs、AlGaAs或InAs。
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