CN115528543B - 一种顶发射有源oam激光器阵列结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种顶发射有源OAM激光器阵列结构，包括一个衬底层301、N接触层302、N型反射镜304、两个N电极303、以及至少一个功能层311、P型反射镜308、P接触层309、P电极310、微尺寸螺旋相位板312；其中衬底层301、N接触层302、N型反射镜304、功能层311、P型反射镜308、P接触层309依次叠层设置；N接触层302与N电极303连接，P接触层309与P电极310连接；本发明通过设计环形螺旋相位板提高涡旋光质量，同时实现多个相位板在发光孔的放置，获取高质量的OAM叠加态螺旋光束，利用高速激光器阵列实现一系列的OAM螺旋光束输出。
Description
技术领域
本发明属于新型半导体激光器技术领域，特别是涉及一种顶发射有源OAM激光器阵列结构。
背景技术
5G和数据速度大幅提升的激光雷达增加了数据流量，物联网、移动互联网和传统固网宽带发展迅速，大数据时代已经来临。预计通信总量在今后10-30年内将发生2-4个数量级的增长。各方研究也开始着眼于5G网络，光纤通信系统以及网络传输容量和信道效率的提升刻不容缓。高速低能耗的光互连技术成为了未来互联网绿色、节能、可持续发展的关键技术。激光器是光互连的核心元件。如何获得更小体积、更高调制速度以及更低能耗的激光器是该领域发展的关键技术。目前高速低能耗的激光器主要是垂直腔面发射激光器(VCSEL)，应用于大数据中心、服务器集群和千万亿次规模的超级计算机的短距离光互连中。
为适应目前庞大的数据传输，急需拓宽通信系统容量，目前采用波分复用、时分复用和空分复用技术，这些复用方式分别利用了光波的波长频率、偏振和空间特性。其中空分复用的一种实现方式是模分复用。模分复用中每个模式担任独立的信道，各模式之间的正交性保证了有效的复用/解复用以及多模态间的低串扰。在实际应用中，各种正交模式基都有实现模分复用的潜力，光子轨道角动量(OAM)模分复用便是可能的方案之一。涡旋光是携带有轨道角动量(OAM)的空间结构光场，不同涡旋光场模态彼此正交，构成一个理论上具有无限维度的态空间，因而在经典光通信和量子通信等领域具有极大的应用潜力。基于涡旋光的OAM模分复用通信系统便是利用这一新的维度，用不同OAM模式作为独立的信道进行并行的信号传输，大幅度提高通信系统的频谱效率和容量实现信息传输容量的数量级扩增，从而满足未来通信容量不断增长的需求。利用光子的OAM承载信息的优点之一是OAM维度与目前已经在通信中得到广泛应用的波长、偏振、振幅、相位等维度之间是独立的，因此可以直接在现有通信体制的基础上直接增加OAM维度，在不对现有通信体制形成干扰的同时提供新增容量；理论上光子存在无限个OAM态，这就意味着可以提供一个参数变化范围为无限的变量空间。在通信中，一个OAM态可作为一个信道实现信息加载，与时分复用和波分复用相结合，可充分利用光子的各个维度，大幅度提升电磁波对信息的承载力。目前基于少模光纤的模分复用光纤通信容易产生模式串扰且复用难度随模式数量增加而迅速增大，而OAM各模式之间严格正交，不同阶数之间不易产生串扰。另外，相对于模式复用，OAM模式为轴对称分布，更适合与光纤进行耦合。通过OAM模式复用结合波分复用、模分复用和偏振复用的多维复用技术可以实现高传输容量、高频谱效率的长距离涡旋光环芯光纤通信链路，极大的扩展传输容量。
因此为满足光通信领域的需求，片上OAM发射器亟待发展。现有的OAM发射器大多是集成于硅片或者SOI晶片上，但是由于硅为间接带隙半导体，不适用于制作激光器，因此需要采用外部激光器作为光源，难以实现单片集成。而基于III-V族化合物半导体材料的有源OAM激光器研究很少，目前仅有两篇论文报道，在2015年中山大学的余思远教授组采用聚焦离子束刻蚀技术，在商用的垂直腔面发射激光器的出光面刻蚀出螺旋相位板，制成垂直发射的单态OAM激光器，器件是基于商用VCSEL，无法满足高速传输要求，且存在次级亮环的问题。美国纽约州立大学布法罗分校的P.Miao等人报道了1.55μm的微环OAM激光器，保证环形腔内的单向激射精确控制OAM的拓扑荷数，但是该器件为光泵浦激光器，使其在光子集成和通信应用上受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种顶发射有源OAM激光器阵列结构，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种顶发射有源OAM激光器阵列结构，包括一个衬底层、N接触层、N型反射镜、两个N电极、以及至少一个功能层、P型反射镜、P接触层、P电极、微尺寸螺旋相位板；
其中，所述衬底层、所述N接触层、所述N型反射镜、所述功能层、所述P型反射镜、所述P接触层依次叠层设置；所述N接触层与所述N电极连接，所述P接触层与所述P电极连接；
所述衬底层和所述N接触层构成第一椭圆柱体，所述第一椭圆柱体的上表面形成第一台面；
所述N型反射镜、功能层、P型反射镜和P接触层构成第二椭圆柱体，所述第二椭圆柱体的上表面形成第二台面；
所述第一台面、所述第二台面为同轴心设置且直径依次减小，所述N电极固定于所述第一台面上，所述P电极固定于所述第二台面上。
可选地，所述功能层包括第一氧化限制层组、有源层和第二氧化限制层组，所述第一氧化限制层组为P型限制层且置于所述有源层和所述N型反射镜之间，所述第二氧化限制层组为N型限制层且置于所述有源层和所述P型反射镜之间；所述第一氧化限制层组和所述第二氧化限制层组相对于所述有源层对称分布。
可选地，所述第二氧化限制层组和所述第一氧化限制层组均包括至少两层AlxGaAs氧化层；每一层所述AlxGaAs氧化层的厚度范围为10-30nm。
可选地，所述第一氧化限制层组和所述第二氧化限制层组上均设有椭圆氧化孔，所述椭圆氧化孔的长轴孔径范围为1-10μm。
可选地，所述有源层包括若干个子层，且每个子层的晶格常数独立变化。
可选地，所述有源层还包括若干个量子阱，所述量子阱包括压缩应变量子阱层和拉力应变势垒层。
可选地，所述P接触层的厚度大于15nm，所述P接触层包括P掺杂层，所述P掺杂层的掺杂浓度高于3X1018cm-3。
可选地，所述第二台面上设有若干个氮化硅层，每个所述微尺寸螺旋相位板设于一个氮化硅层上。
可选地，所述微尺寸螺旋相位板为环形螺旋相位板，所述微尺寸螺旋相位板的阶数大于等于1。
本发明的技术效果为：
本申请设计高速垂直腔面发射激光器VCSEL阵列中每个激光器表面集成环形微尺寸螺旋相位板(SPP)，在每个VCSEL表面沉积的氮化硅层，通过聚焦离子束蚀刻技术，在发射孔内的氮化硅层刻蚀出单个或者多个环形微尺寸螺旋相位板，赋予光束螺旋相位项以实现将VCSEL发出的线偏振高斯光束转化成OAM单态或者叠加态螺旋光束，环形螺旋相位板能够提高涡旋光质量，同时更容易实现多个相位板在发光孔的放置，获取高质量的OAM叠加态螺旋光束，利用高速激光器阵列实现一系列的OAM螺旋光束输出。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的顶发射有源OAM激光器阵列结构示意图；
图2为本发明实施例中的不同激光器数量的激光器阵列示意图；
图3为本发明实施例中单个激光器的结构示意图；
图4为本发明实施例中的第二椭圆柱体横截面结构示意图；
图5为本发明实施例中的阶数为1和3的微尺寸螺旋相位板侧方图；
图6为本发明实施例中阶数为1、2、3时的微尺寸螺旋相位板俯视图；
附图标记：301-衬底层、302-N接触层、303-N电极、304-N型反射镜、305-第一氧化限制层组、306-有源层、307-第二氧化限制层组、308-P型反射镜、309-P接触层、310-P电极、311-功能层、312-微尺寸螺旋相位板。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
如图1-6所示，本实施例中提供一种顶发射有源OAM激光器阵列结构，包括一个衬底层301、N接触层302、N型反射镜304、两个N电极303、以及至少一个功能层311、P型反射镜308、P接触层309、P电极310、微尺寸螺旋相位板312，其中，衬底层301、N接触层302、N型反射镜304、功能层、P型反射镜、P接触层依次叠层设置；功能层311包括第一氧化限制层组305、有源层306和第二氧化限制层组307，第一氧化限制层组305为P型限制层且置于有源层306和N型反射镜304之间，第二氧化限制层组307为N型限制层且置于有源层306和P型反射镜308之间，第二氧化限制层组307和第一氧化限制层组305均包含至少两层AlxGaAs氧化层，x在0.94-1范围，第一氧化限制层组305和第二氧化限制层组307相对有源层306对称分布，载流子通过第一氧化限制层组305和第二氧化限制层组307传输至有源层306复合发光，衬底层301和N接触层302构成同直径的第一椭圆柱体，第一椭圆柱体上表面形成第一台面，N型反射镜304、功能层313、P型反射镜308和P接触层309构成同直径的第二椭圆柱体，第二圆柱体上表面形成第二台面，第一台面、第二台面同轴心设置且直径依次减小，N电极固定在第一台面上(N接触层302与N电极303连接)，P电极固定在第二台面上(P接触层与P电极310)。
在有源层306上下各设置一氧化限制层组以及氧化限制层组多层结构的设计，能够更好地限制电流，改善电流的注入效率。
在本实施例中，第二氧化限制层组307和第一氧化限制层组305均包含6层AlxGaAs氧化层。
有源层306是半导体注入激光器或光发射二极管中提供光学增益的层或活性区域。有源层306包括若干个子层，各个层可具有其自身的晶格常数。有源层306包括具有压缩应变量子阱层和通常的拉力应变势垒层的多个量子阱。电子从有源层306的n-型侧(靠近第二氧化限制层组307一侧)注入有源层306，而空穴从p-型侧(靠近第一氧化限制层组305一侧)注入。电子和空穴在有源层306中的复合产生光子，这使得激光器工作。
具体地，在第一氧化限制层组305和第二氧化限制层组307上设有椭圆氧化孔，椭圆氧化孔长轴孔径范围为1-10μm，第一氧化限制层组305和第二氧化限制层组307中每一层的厚度范围为10-30nm。
本实施例涉及的P型接触层309掺杂浓度高于3X1018cm-3的P型掺杂层201，实现金属欧姆结构，P型接触层厚度大于15nm，P型接触层置于光场波节位置。本实施例涉及的N接触层302同时作为缓冲层。
本实施例涉及的N型反射镜304、P型反射镜308均采用组分渐变的AlxGa1-xAs布拉格反射镜，x在0.1-1范围。
本实施例涉及的衬底层301为不透光衬底。
微尺寸螺旋相位板在每个激光器的表面，通过沉积SiN层后刻蚀得到。
本实施例涉及的一种有源OAM光束激光器阵列的制备方法为：
1.提供激光器结构，包括衬底层301、N接触层302、N型反射镜304、功能层、P型反射镜308、P接触层。
2.P接触层镀P电极。
3.蚀刻获得一组VCSEL阵列的圆形台面，台面个数和阵列的激光器个数相同，台面尺寸在5-20μm。台面采用ICP-RIE刻蚀形成。
4.通过湿法氧化工艺在第一氧化限制层组和第二氧化限制层组中形成不同尺寸氧化限制孔径，第一氧化限制层组和第二氧化限制层组中的最小孔径长轴尺寸小于7μm。
5.蚀刻至缓冲层获得第二台面，第二台面尺寸包含阵列的所有激光器。第二台面采用ICP-RIE刻蚀形成。
6.N接触层302层镀N电极303。
7.在阵列中的每个激光器表面沉积SiN。
8.刻蚀SiN获得微尺寸螺旋相位板。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种顶发射有源OAM激光器阵列结构，其特征在于，包括一个衬底层(301)、N接触层(302)、N型反射镜(304)、两个N电极(303)、以及至少一个功能层(311)、P型反射镜(308)、P接触层(309)、P电极(310)、微尺寸螺旋相位板(312)；
其中，所述衬底层(301)、所述N接触层(302)、所述N型反射镜(304)、所述功能层(311)、所述P型反射镜(308)、所述P接触层(309)依次叠层设置；所述N接触层(302)与所述N电极(303)连接，所述P接触层(309)与所述P电极(310)连接；
所述衬底层(301)和所述N接触层(302)构成第一椭圆柱体，所述第一椭圆柱体的上表面形成第一台面；
所述N型反射镜(304)、功能层(311)、P型反射镜(308)和P接触层(309)构成第二椭圆柱体，所述第二椭圆柱体的上表面形成第二台面；
所述第一台面、所述第二台面为同轴心设置且直径依次减小，所述N电极(303)固定于所述第一台面上，所述P电极(310)固定于所述第二台面上；
所述第二台面上设有若干个氮化硅层；所述微尺寸螺旋相位板(312)为环形相位板；所述微尺寸螺旋相位板(312)通过刻蚀第二台面上的氮化硅层获得。
2.根据权利要求1所述的顶发射有源OAM激光器阵列结构，其特征在于，所述功能层(311)包括第一氧化限制层组(305)、有源层(306)和第二氧化限制层组(307)，所述第一氧化限制层组(305)为P型限制层且置于所述有源层(306)和所述N型反射镜(304)之间，所述第二氧化限制层组(307)为N型限制层且置于所述有源层(306)和所述P型反射镜(308)之间；所述第一氧化限制层组(305)和所述第二氧化限制层组(307)相对于所述有源层(306)对称分布。
3.根据权利要求2所述的顶发射有源OAM激光器阵列结构，其特征在于，所述第二氧化限制层组(307)和所述第一氧化限制层组(305)均包括至少两层AlxGaAs氧化层；每一层所述AlxGaAs氧化层的厚度范围为10-30nm。
4.根据权利要求2所述的顶发射有源OAM激光器阵列结构，其特征在于，所述第一氧化限制层组(305)和所述第二氧化限制层组(307)上均设有椭圆氧化孔，所述椭圆氧化孔的长轴孔径范围为1-10μm。
5.根据权利要求2所述的顶发射有源OAM激光器阵列结构，其特征在于，所述有源层(306)包括若干个子层，且每个子层的晶格常数独立变化。
6.根据权利要求2所述的顶发射有源OAM激光器阵列结构，其特征在于，所述有源层(306)还包括若干个量子阱，所述量子阱包括压缩应变量子阱层和拉力应变势垒层。
7.根据权利要求1所述的顶发射有源OAM激光器阵列结构，其特征在于，所述P接触层(309)的厚度大于15nm，所述P接触层(309)包括P掺杂层，所述P掺杂层的掺杂浓度高于3X1018cm-3。
8.根据权利要求1所述的顶发射有源OAM激光器阵列结构，其特征在于，所述微尺寸螺旋相位板(312)的阶数大于等于1。
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