CN116865093A - 一种850纳米波段vcsel激光二极管集成的二维介质透镜 - Google Patents
一种850纳米波段vcsel激光二极管集成的二维介质透镜 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种850纳米波段VCSEL激光二极管集成的二维介质透镜，用于单模偏振发射器，单模偏振发射器包括由上至下依次连接的顶部欧姆连接层、二维介质透镜层、顶部布拉格反射镜、氧化层、量子阱层、底部布拉格反射镜、衬底以及底部欧姆连接层，其中，二维介质透镜层包括多个不同尺寸的介质单元，多个介质单元按照一定的规律排列组合成能使光子增益的谐振阵列。二维介质透镜层与VCSEL的单片集成，具有优异的光束质量，通过不同尺寸的介质单元，按照不同的规律进行排列组合，来调整外部扰动参量，可以影响VCSEL的偏振特性和偏振双稳特性，能够高效地对相位、偏振状态和光束轮廓进行显著的任意控制。
Description
技术领域
本发明涉及垂直腔面激光发射器技术领域，具体涉及一种850纳米波段VCSEL激光二极管集成的二维介质透镜。
背景技术
垂直腔面发射激光器一般由衬底(Substrate)，上下两个高反射率(>99％)分布式布拉格反射层(DBR)，具有谐振腔(MQW)使光子增益的有源层(ActiveLayer)，控制出光孔径的氧化限制层(OxideLayer)和增强DBR的光反馈作用的欧姆联接(OhmicContact)等。
目前的VCSEL激光器由于有源区材料生长质量或有源区谐振腔(MQW)结构设计不合理等原因，容易导致该外延结构的有源区载流子增益不够大，VCSEL光功率比较小，难以满足大部分近红外传感器的应用需求。且单模VCSEL激光器的典型发散角通常为10°-26°，需要进一步准直。此外，半导体晶体材料的内部应变稳定性不能得到保证，材料的各向异性导致光束椭圆化而非对称的圆形。VCSEL出射圆面光，含有谐振腔，谐振腔的介入使VCSEL出现多纵模，存在十分明显的横模线性偏振特性(边发射激光器EEL受结构限制，线性偏振现象可忽略)，直接影响激光质量。VCSEL具有不可忽视的热效应，工作时器件的升温现象不可避免。升温影响阙值电流和光束质量，出现一定的色散。标准VCSEL发射光的偏振方向是先验未知的，其偏振方向是在使用时发生的。特别是在处理步骤后，如焊接或粘接，可能导致内部应变。这种不可预测的行为可能会降低VCSEL性能。在最坏的情况下，偏振方向可能会在操作期间发生变化。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种850纳米波段VCSEL激光二极管集成的二维介质透镜，能够改善光束质量，实现光束的精准控制。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：一种850纳米波段VCSEL激光二极管集成的二维介质透镜，用于单模偏振发射器，所述单模偏振发射器包括由上至下依次连接的顶部欧姆连接层、二维介质透镜层、顶部布拉格反射镜、氧化层、量子阱层、底部布拉格反射镜、衬底以及底部欧姆连接层，其中，所述二维介质透镜层包括多个不同尺寸的介质单元，多个所述介质单元按照一定的规律排列组合成谐振阵列。
上述的850纳米波段VCSEL激光二极管集成的二维介质透镜，所述介质单元包括基底和设于所述基底上的透镜单元，所述透镜单元呈圆柱状。
上述的850纳米波段VCSEL激光二极管集成的二维介质透镜，所述透镜单元为实体结构。
上述的850纳米波段VCSEL激光二极管集成的二维介质透镜，所述透镜单元通过电子束蚀刻于所述基底上。
上述的850纳米波段VCSEL激光二极管集成的二维介质透镜，所述二维介质透镜层生长于850纳米波长VCSEL晶圆外延片上，在所述850纳米波长VCSEL晶圆外延片上，用于蚀刻透镜单元的预留沉积层的厚度为0.9μm。
上述的850纳米波段VCSEL激光二极管集成的二维介质透镜，在制作所述垂直腔面激光发射器时，蚀刻所述透镜单元的蚀刻工艺留在最后。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1、通过调整外部扰动参量，可以影响VCSEL的偏振特性和偏振双稳特性。二维介质透镜与VCSEL的单片集成，具有优异的光束质量，能够高效地对相位、偏振状态和光束轮廓进行显著的任意控制。
2、改善光束质量、光传输和控制偏振，增强光纳米聚焦,以非常具体的方式塑造光线，包括自准直、贝塞尔和涡旋等，实现精确光束控制的同时进一步提高其性能。
3、标准VCSEL外部结构耦合，不需其它高度侵入性的特别工艺处理，只需很少的额外处理工作即可高效集成，整体系统结构紧凑且成本低，并保持VCSEL的高性能，如发射功率和激光波长，具有良好的偏振选择性。
4、通过VCSEL兼容技术实现的二维结构表面晶圆级集成简化工艺过程，稳定方向上的偏振，不会影响阈值电流、差分效率等激光特性，优化传统的DBR结构，减少DBR的对数，提供更高的输出功率。
5、VCSEL输出轴对称偏振光(包括径向偏振和环形偏振光束，光束横截面任一点电场矢量方向与径向夹角保持不变特性)，可使偏振光方向相互垂直且相位差为零，迭加得到径向偏振光，具有中心光强极大值特性(不同于环形光束模式，光强中心零点)。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例的垂直腔面激光发射器的结构示意图；
图2为本发明实施例的垂直腔面激光发射器的俯视图；
图3为本发明实施例的二维介质透镜的局部放大图；
图4为850纳米波长下设计的二维介质透镜的部分移相分布；
图5为本发明实施例的二维介质透镜的介质单元的示意图。
附图标号说明：302-顶部欧姆连接层、200二维介质透镜层、201基底、106顶部布拉格反射镜、105氧化层、104量子阱层、103底部布拉格反射镜、102缓冲层、101衬底、301底部欧姆连接层、400聚酰亚胺钝化层。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，参照图1至图5，本发明的实施例提供了一种850纳米波段VCSEL激光二极管集成的二维介质透镜，用于单模偏振发射器，单模偏振发射器包括由上至下依次连接的顶部欧姆连接层302、二维介质透镜层200、顶部布拉格反射镜106、氧化层105、量子阱层104、底部布拉格反射镜103、缓冲层102、衬底101以及底部欧姆连接层301，上外部有聚酰亚胺钝化层400，其中，二维介质透镜层200包括多个不同尺寸的介质单元，多个介质单元按照一定的规律排列组合成谐振阵列。
具体地，如图1、图3和图5所示，介质单元包括基底201和设于基底201上的透镜单元，基底201为氧化硅基底，透镜单元呈圆柱状并且为实体结构。具体地，不同的介质单元的高度相同，但直径不同。在本实施例中，设计了16组不同的直径尺寸，直径尺寸及数量与调相的精细化程度相关，其平面二维坐标变换排列由算法给出，几何形状根据加工和仿真验证给出最优。
具体地，二维介质透镜层200生长于850纳米波长VCSEL晶圆外延片上，在850纳米波长处，基于垂直腔面发射激光器(VCSELs)晶圆全外延(ExpitaxialWafer)生长技术制作光通信应用的单模偏振发射器。对于偏振控制，在最顶层的同相层中，采用单片集成表面二维平面结构单元(cells)，构建谐振阵列。标准VCSEL器件关键工艺按序包括：外延片清洗，光刻，刻蚀，氧化，绝缘膜沉积，光学镀膜，合金化，剥离，减薄等，后端工艺包括引线键合，划片，裂片，封装等。850纳米波长标准VCSEL晶圆外延片一般氧化孔径为10μm，由此我们设计出耦合二维介质结构，包括出光端P-DBR沉积平面介质硬掩模厚度、材料(SiO2)要求，并提出技术参数要求，在出口端覆盖面积最低要求，850纳米波长专用平面二维结构的谐振单元阵列结构，以及实施工艺设备，工序过程等。
具体地，透镜单元通过电子束蚀刻于基底201上，能够保证精度要求，可以在不增加额外物理结构的基础上，通过现有工艺手段直接蚀刻在VCSEL垂直腔面激光发射器上。对于850纳米波长VCSEL晶圆外延片，用于刻蚀透镜单元的预留沉积层厚度经过计算，预留厚度0.9μm，加工工艺设备建议等离子体增强化学气相沉积。对于850纳米波长VCSEL，增强二维介质透镜谐振阵列由算法设计其单元数量，单元结构模式和阵列图形按图示给出最优要求设计。如图4所示，图4为850纳米波长下设计的二维介质透镜的部分移相分布，以透镜圆心为基准，向四周延伸构造不同的相位分布，以此实现二维介质透镜的光控能力。具体地，在制作垂直腔面激光发射器时，工艺要求外延生长沉积层作为预留层，平面二维介质透镜谐振阵列单元刻蚀工艺应留在最后(蒸镀欧姆联接后)，以免伤及单元。建议刻蚀留置蒸镀欧姆连接或bar条划分器件工艺之后，刻蚀设备建议使用电子束刻蚀工艺，以保证精度要求。
相比现有技术，本发明的二维介质透镜的有益效果在于：
1、通过调整外部扰动参量，可以影响VCSEL的偏振特性和偏振双稳特性。二维介质透镜与VCSEL的单片集成，具有优异的光束质量，能够高效地对相位、偏振状态和光束轮廓进行显著的任意控制。
2、能够改善光束质量、光传输和控制偏振，增强光纳米聚焦,以非常具体的方式塑造光线，包括自准直、贝塞尔和涡旋等，实现精确光束控制的同时进一步提高其性能。
3、标准VCSEL外部结构耦合，不需其它高度侵入性的特别工艺处理，只需很少的额外处理工作即可高效集成，整体系统结构紧凑且成本低，并保持VCSEL的高性能，如发射功率和激光波长，具有良好的偏振选择性。
4、通过VCSEL兼容技术实现的二维结构表面晶圆级集成简化工艺过程，稳定方向上的偏振，不会影响阈值电流、差分效率等激光特性，优化传统的DBR结构，减少DBR的对数，提供更高的输出功率。
5、VCSEL输出轴对称偏振光(包括径向偏振和环形偏振光束，光束横截面任一点电场矢量方向与径向夹角保持不变特性)，可使偏振光方向相互垂直且相位差为零，迭加得到径向偏振光，具有中心光强极大值特性(不同于环形光束模式，光强中心零点)。
需要注意的是，在本发明的描述中，如有涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系的，均为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个及两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一或第二等的，只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种850纳米波段VCSEL激光二极管集成的二维介质透镜，其特征在于，用于单模偏振发射器，所述单模偏振发射器包括由上至下依次连接的顶部欧姆连接层、二维介质透镜层、顶部布拉格反射镜、氧化层、量子阱层、底部布拉格反射镜、衬底以及底部欧姆连接层，其中，所述二维介质透镜层包括多个不同尺寸的介质单元，多个所述介质单元按照一定的规律排列组合成谐振阵列。
2.根据权利要求1所述的850纳米波段VCSEL激光二极管集成的二维介质透镜，其特征在于，所述介质单元包括基底和设于所述基底上的透镜单元，所述透镜单元呈圆柱状。
3.根据权利要求2所述的850纳米波段VCSEL激光二极管集成的二维介质透镜，其特征在于，所述透镜单元为实体结构。
4.根据权利要求2所述的850纳米波段VCSEL激光二极管集成的二维介质透镜，其特征在于，所述透镜单元通过电子束蚀刻于所述基底上。
5.根据权利要求4所述的850纳米波段VCSEL激光二极管集成的二维介质透镜，其特征在于，所述二维介质透镜层生长于850纳米波长VCSEL晶圆外延片上，在所述850纳米波长VCSEL晶圆外延片上，用于蚀刻透镜单元的预留沉积层的厚度为0.9μm。
6.根据权利要求5所述的850纳米波段VCSEL激光二极管集成的二维介质透镜，其特征在于，在制作所述垂直腔面激光发射器时，蚀刻所述透镜单元的蚀刻工艺留在最后。
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