CN117767114A - 高速光子-光子共振面发射激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种高速光子‑光子共振面发射激光器，包括衬底，在衬底上依次制备有N型DBR层、有源层和P型DBR层，在N型DBR层和有源层之间和/或者P型DBR层与有源层之间制备有电流限制层，其特征在于，P型DBR层包括一个主腔P型DBR区和两个副腔P型DBR区，主腔P型DBR区、有源层与N型DBR层构成主谐振腔，两个副腔P型DBR区、有源层与N型DBR层构成两个副谐振腔，主谐振腔与两个副谐振腔之间通过离子注入进行电隔离，两个副谐振腔为倾斜结构，用于增大反射回主谐振腔的光。本发明能够调节主副谐振腔的耦合效率，并在最大程度上提高光子‑光子共振面发射激光器的调制带宽。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体提供一种高速光子-光子共振面发射激光器。
背景技术
近年来，面发射激光器尤其是垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，简称VCSEL)，在光通讯、光互连、传感、光存储、激光显示、激光雷达等众多领域被广泛应用。随着信息化社会的发展，对短距离光互连内的核心光源(850nm波段高速VCSEL芯片)提出了更高的要求。
如何提高半导体激光器的调制带宽一直是满足高速光子应用需求的研究和技术上所面临的挑战。传统的VCSEL受器件寄生、热效应等因素的影响，带宽进一步提高的空间有限，因此提出一种提高带宽的新VCSEL结构显得尤为重要，光子-光子共振结构的VCSEL是其中的一种。光子-光子共振VCSEL通常有一个主谐振腔和至少一个副谐振腔，通过在副谐振腔上施加直流电来减小副谐振腔损耗，通过在主谐振腔施加调制电，使主谐振腔出射激光。主谐振腔出射的激光进入副谐振腔后反射回来，与主谐振腔的光耦合产生谐振，从而增大主谐振腔输出的激光的带宽。副谐振腔与主谐振腔的光耦合强度受腔之间的距离、光反射路径、光相位等因素影响。光子-光子共振VCSEL一直存在主副谐振腔耦合效率低、耦合效率难控制的问题，这种问题的出现会极大影响带宽的提高和器件的使用。因此，如何提高副谐振腔的光反射强度以及耦合效率，是光子-光子共振VCSEL带宽提高的主要问题之一。
发明内容
鉴于上述技术问题，本发明提出了一种能够提供耦合效率和调制带宽的高速光子-光子共振面发射激光器。
本发明提供的高速光子-光子共振面发射激光器，包括衬底，在衬底上依次制备有N型DBR层、有源层和P型DBR层，在N型DBR层和有源层之间和/或者P型DBR层与有源层之间制备有电流限制层，其特征在于，P型DBR层包括一个主腔P型DBR区和两个副腔P型DBR区，主腔P型DBR区、有源层与N型DBR层构成主谐振腔，两个副腔P型DBR区、有源层与N型DBR层构成两个副谐振腔，主谐振腔与两个副谐振腔之间通过离子注入进行电隔离，两个副谐振腔为倾斜结构，用于增大反射回主谐振腔的光。
优选地，在衬底上刻蚀倒梯形凹槽，以形成倾斜的两个副谐振腔。
优选地，在衬底上制备有N型电极，在主腔P型DBR区上制备有P型电极。
优选地，主谐振腔和/或副谐振腔的水平投影均为圆形、椭圆形或多边形。
优选地，在电流限制层的内部形成有未被氧化的电流孔。
优选地，电流孔为圆形、椭圆形或多边形。
优选地，有源层为量子点结构、量子阱结构或分离限制异质结结构。
优选地，主谐振腔与两个副谐振腔的尺寸均为5-200μm。
优选地，电流孔的尺寸为2-20μm。
优选地，主谐振腔与两个副谐振腔之间的离子注入区域的宽度为0-50μm。
与现有技术相比，本发明通过形成倾斜的副谐振腔增大光反射强度，来提高主副腔耦合效率，从而增大副谐振腔耦合进入主谐振腔的光强，通过修改倾斜角度来调节主副谐振腔的耦合效率，能在最大程度上提高光子-光子共振面发射激光器的调制带宽。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的高速光子-光子共振面发射激光器的结构示意图；
图2-图8是根据本发明实施例提供的高速光子-光子共振面发射激光器的制备流程示意图。
其中的附图标记包括：衬底1、N型DBR层2、有源层3、电流限制层4、P型DBR层5、主谐振腔6、副谐振腔7、离子注入区8、P型电极9、N型电极10。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的高速光子-光子共振面发射激光器的结构。
如图1所示，本发明实施例提供的高速光子-光子共振面发射激光器，包括衬底1，在衬底1上依次制备有N型DBR层2、有源层3、电流限制层4、P型DBR层5，在电流限制层4的内部形成有未被氧化的电流孔(为圆形、椭圆形或多边形)，电流限制层4还可以制备在N型DBR层2和有源层3之间，或者在P型DBR层5有源层3之间、N型DBR层2和有源层3之间均制备电流限制层4。
有源层3采用850nm的InGaAs/GaAs量子阱材料，N型DBR层2采用n型掺杂的AlxGa1- xAs(x＝0.12-0.9)交叠层，P型DBR层5采用5-6对SiO2/TiO2或采用16-25对x＝0.12-0.9的p型掺杂的AlxGa1-xAs交叠层，电流限制层4是通过湿氮氧化工艺对外延结构中的Al0.98Ga0.02As高铝层进行氧化，生成具有高绝缘和低折射率特性的氧化铝，实现对电流和光场的限制，而该高铝层中间部分未氧化的区域则作为电流孔。
P型DBR层5分为一个主腔P型DBR区和两个副腔P型DBR区，主腔P型DBR区的表面即为面发射激光器的出光孔，主腔P型DBR区、有源层3与N型DBR层2构成主谐振腔6，副腔P型DBR区、有源层3与N型DBR层2构成副谐振腔7，两个副谐振腔7分部在主谐振腔6的两侧，主谐振腔6与副谐振腔7之间具有离子注入区8，通过离子注入实现主谐振腔6与副谐振腔7之间的电隔离。
主谐振腔6与副谐振腔7各自的水平投影均为圆形、椭圆形或多边形(矩形、五边形、六边形等等)。
主谐振腔6与两个副谐振腔7的尺寸均为5-200μm，电流孔的尺寸为2-20μm，离子注入区8的宽度为0-50μm。
两个副谐振腔7为倾斜结构，倾斜的N型DBR层2与P型DBR层5能够提高副谐振腔7的光反射强度，
对于传统的光子-光子共振面发射激光器，通过副谐振腔的侧壁处的材料和空气之间的折射率差提供反射，依靠副谐振腔的侧壁反射主谐振腔的光，但器件刻蚀后侧壁的光滑度有限，副谐振腔的光反射强度有限。
本发明将副谐振腔设置为倾斜结构后，从由副谐振腔的侧壁反射主谐振腔的光变为N型DBR层2与P型DBR层5反射主谐振腔6的光，因此能够增大副谐振腔7耦合进入主谐振腔6的光强，进而提高主谐振腔6与副谐振腔7的耦合效率，并在最大程度上提高光子-光子共振面发射激光器的调制带宽。
在衬底1上刻蚀倒梯形凹槽，在倒梯形凹槽内依次生长N型DBR层2、有源层3、电流限制层4、P型DBR层5形成水平的主谐振腔6和倾斜的两个副谐振腔7。
在衬底1上制备有N型电极10，在主腔P型DBR区上制备有P型电极9。
本发明实施例还提供一种高速光子-光子共振面发射激光器的制备方法。图2-图8示出了根据本发明实施例提供的高速光子-光子共振面发射激光器的制备流程。
如图2-图8所示，本发明实施例提供的高速光子-光子共振面发射激光器的制备方法，包括如下步骤：
S1、在衬底上匀涂光刻胶，通过光学掩膜版，利用紫外曝光和ICP进行刻蚀形成倒梯形凹槽。
S2、采用分子束外延(MBE)或金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术在衬底表面的倒梯形凹槽内依次生长N型DBR层、有源层、电流限制层和P型DBR层。
S3、在P型DBR层的表面匀涂光刻胶，通过光学掩膜版，利用紫外曝光和ICP进行台面的刻蚀。
S4、利用氧化炉氧化电流限制层。
S5、在P型DBR层的表面匀涂光刻胶，通过光学掩膜版，利用紫外曝光和刻蚀技术制备出P型电极结构，并生长P金。
S6、在P型DBR层的表面匀涂光刻胶，通过光学掩膜版，利用紫外曝光制备出离子注入图形，并使用离子注入机进行离子注入。
S7、在下台面上匀涂光刻胶，通过光学掩膜版、紫外曝光和刻蚀技术刻蚀出n金结构，并生长n金。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高速光子-光子共振面发射激光器，包括衬底，在所述衬底上依次制备有N型DBR层、有源层和P型DBR层，在所述N型DBR层和所述有源层之间和/或者所述P型DBR层与所述有源层之间制备有电流限制层，其特征在于，所述P型DBR层包括一个主腔P型DBR区和两个副腔P型DBR区，所述主腔P型DBR区、所述有源层与所述N型DBR层构成主谐振腔，两个副腔P型DBR区、所述有源层与所述N型DBR层构成两个副谐振腔，所述主谐振腔与两个副谐振腔之间通过离子注入进行电隔离，两个副谐振腔为倾斜结构，用于增大反射回所述主谐振腔的光。
2.根据权利要求1所述的高速光子-光子共振面发射激光器，其特征在于，在所述衬底上刻蚀倒梯形凹槽，以形成倾斜的两个副谐振腔。
3.根据权利要求2所述的高速光子-光子共振面发射激光器，其特征在于，在所述衬底上制备有N型电极，在所述主腔P型DBR区上制备有P型电极。
4.根据权利要求2所述的高速光子-光子共振面发射激光器，其特征在于，所述主谐振腔和/或所述副谐振腔的水平投影均为圆形、椭圆形或多边形。
5.根据权利要求1所述的高速光子-光子共振面发射激光器，其特征在于，在所述电流限制层的内部形成有未被氧化的电流孔。
6.根据权利要求1所述的高速光子-光子共振面发射激光器，其特征在于，所述电流孔为圆形、椭圆形或多边形。
7.根据权利要求1所述的高速光子-光子共振面发射激光器，其特征在于，所述有源层为量子点结构、量子阱结构或分离限制异质结结构。
8.根据权利要求2所述的高速光子-光子共振面发射激光器，其特征在于，所述主谐振腔与两个副谐振腔的尺寸均为5-200μm。
9.根据权利要求5所述的高速光子-光子共振面发射激光器，其特征在于，所述电流孔的尺寸为2-20μm。
10.根据权利要求2所述的高速光子-光子共振面发射激光器，其特征在于，所述主谐振腔与两个副谐振腔之间的离子注入区域的宽度为0-50μm。
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