CN1395344A - 利用一非对称光限制孔控制偏振的vcsels - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有非对称光限制的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，具有对称结构的VCSEL的偏振倾向于无法预料和可转换的，为了在非对称结构中限制光路，本发明的VCSEL在顶部布拉格反射镜中具有垂直蚀刻孔，这样可实现在固定模式中锁定偏振。

Description

利用一非对称光限制孔控制偏振的VCSELS
发明领域
本发明涉及一种垂直腔面发射的激光器(VCSEL)，特别地，涉及一种用于控制和稳定偏振的、具有非对称光限制结构的VCSEL。
背景技术
在光通信领域中，具有增益显著的垂直腔表面发射的激光器是非常重要的。通过利用半导体激光器提供高转换速度，例如，III-V合金化合物已制成这种用于光传送器的逻辑选择器。其原因包括；可靠性，易于耦合，和测试几个原因，VCSEL超过传统边缘发射器已获得公认。利用公知的平面处理工艺和装置典型地制作VCSEL，并且很好地适合于其它有源和无源成分的整合。
典型地，VCSEL具有一个公共的背面接触面和在发射面上有一个带孔的接触面，从光学器件出口通过孔发射。接触孔通常是圆的，因为这样可以较好地适合与光纤校准。
来自这种标准VCSEL的光偏振是不可预测的，因为它趋于从一个器件到另一个器件的随机取向。另外，偏振可以在特定的高速工作中转换。特别是当用于与偏振传感器器件连接时，从一VCSEL发射的光的偏振是重要的，并且，已努力试图适应或控制VCSEL的偏振。
在激光和光电学会1996年年会IEEE 1卷，1996，第211到212页，由Fiedler等人发表题为“具有椭圆出射孔的氧化单模单偏振VCSEL的高频特性”的文章中，讨论了在氧化的VCSEL上设置椭圆出射孔以尽量控制偏振的单模光发射技术。
由Panajotov等人发表题为“在平面中各向异性应变对于垂直腔表面发射激光器的偏振特性的影响”(Applied Physics Letters，77卷，第11号，2000年9月11日)文章中，详述了为了表明在两个具有垂直线性偏振的基模之间转换的存在，向VCSEL施加一引起平面中各向异性应变的外因。
Corzine等人的美国专利US6,188,711号也描述了用于控制VCSEL的偏振而施加的外部应力或者压力。
1999年12月14日公开的美国专利US6,002,705中，Thornton描述波长和偏振复合的垂直腔表面发射激光器，其中压力包括在激光器的自由表面上设置部件。所述感应部件的压力由具有比包括激光器件表面层材料的热膨胀系数高的材料制成。
1999年9月14日公开的Pamulapati等人的美国专利US5,953,962中，描述了一个在VCSEL中控制偏振状态的施加应力的方法。在US5,953,962专利中，VCSEL是共晶地与一个晶核衬底结合，该衬底具有预设各向异性热膨胀系数。在形成过程中，在激光腔中施加一个单轴向应变。
2000年11月28日公开的Yoshikawa等人的美国专利US6,154,479中，描述一个VCSEL，其中偏振方向的控制由限制顶部镜面的横截面尺寸实现，以使在由镜面提供的波导中只限制一单横基模。制作一个非圆形或者椭圆器件用以控制偏振。
1999年11月30日公开的Gaw等人的美国专利US5,995,531中，也描述了一个椭圆横截面的顶部镜面，只要由器件发射偏振光在脊背向下蚀刻到离子注入区以形成细长形时，同时在脊中形成所述顶部镜面。从现有技术中已经知道，通过在底部发射激光器上使用长方形气柱结构，非对称氧化孔和一个椭圆孔来控制偏振。
上述所有方法涉及复杂的制作和/或方法步骤，并且需要简单的技术来控制和稳定VCSEL的偏振。
本发明的目的在于解决上述偏振转换的问题，特别是当VCSEL在大量调制信号下工作时，通过改变光限制孔的对称性，解决偏振转换的问题。
因此，根据本发明的第一方面，提供一种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，所述VCSEL包括：一个底部镜面结构；一个顶部镜面结构；一个夹在顶部镜面结构和底部镜面结构之间的有源层；与顶部镜面结构和底部镜面结构连接的电接触层；和在顶部镜面结构中限制从VCSEL到一非对称路径的光输出的限制装置。
根据本发明的第二方面，提供一种用于控制偏振的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的制作方法，所述方法包括：提供一个VCSEL，所述VCSEL具有一个底部镜面结构；一个顶部镜面结构；一个夹在顶部镜面结构和底部镜面结构之间的有源层；和与顶部镜面结构和底部镜面结构连接的电接触层；和在顶部镜面结构中限制从VCSEL到一非对称路径的光输出的限制装置。
附图的简要说明
参照附图，详细描述本发明，其中：
图1表示根据本发明第一方面VCSEL的横剖面视图；
图2表示产生自发发射的光发射器件的工作原理图；
图3表示使用激光器件产生受激发射的光发射器件的作用原理图；
图4表示空穴注入到p-侧，电子注入到n-侧和在有源区中重新组合发光的VCSEL的横剖面视图；
图5表示在一个AlGaAs合金中氧化比率作为铝浓度的函数的视图；
图6表示包括用于产生非对称光孔的蚀刻孔的VCSEL结构的俯视图；和
图7表示一用于非对称光孔的间隔构形的像素结构的俯视图。
本发明的详细描述
图1表示一个VCSEL的基本结构，例如，一个AlGaAs VCSEL。尽管图1提出了一个具体的VCSEL结构，并且尤其是850nm上p型结构，VCSEL还可包括其它材料系统用于在其它波长发射。众所周知，不同的激光器结构和材料可以用于适合发射的输出波长。另外，如图1所示的结构具有p型顶部DBR，而其还可能顶部DBR是n型。如图1所示的实施例中，在砷化镓衬底上通过公知的技术如有机金属汽相外延生长产生VCSEL结构。优选地，所述结构在单独外延操作中生长。砷化镓衬底在结构类型中是n型，已经知道底层分布的布拉格反射器(DBR)可作为布拉格反射镜。所述n-DBR由折射率高和低交替的层的λ/4AlxGa1-xAs构成。可以理解，所示的四分之一波长或λ/4是光路长度的额定值。所述长度也能写成L＝λ/4+n×λ/2，其中，n是整数，并且L是所述光路的长度。在底部镜面的顶部上的有源层是m×λ/2，长腔包括多层量子阱。在本发明的具体实施例中，底部镜面是1λ长，AlGaAs/GaAs缓变折射率分别限制异质结(GRINSCH)，多层量子阱(MQW)区。第二布拉格反射镜或者具有较高低铝浓度的p型AlGaAs DBR生长在有源层的顶部上。在顶部镜面上形成一个带孔的p型接触层，并且在砷化镓衬底上覆盖一个n型接触层。典型地，在p-DBR中形成离子注入区，以限制p-接触层和n-接触层之间的光束路径。图1所示的也是一个作为选择氧化孔的确定层，所述孔是在所述叠层中具有比其它层铝浓度高的p-DBR的一层。所述氧化层的原因将在下面说明。
仅作为解释，图2和图3阐述了在量子阱有源区中产生重新复合机理的原理。当p-型和n-型载流子到达有源区时，它们重新复合结果发射出光子。光子局限于量子的能量，并且以波动的形式通过空间传播。通过大量光子所传递的能量，按平均数计算，等于由标准电磁波传递的能量。这种二象性在量子力学中称为“波粒二象性”。所述电子和空穴函数由薛定谔方程决定。所述方程的解产生所述能态允许由粒子占据。这些能态之间的耦合强度确定了它们之间的转变可能性。随着所述电子/空穴单独地耦合，显示了自发地产生转变，如图2所示。可是，随着具有确定相位的电磁(光)场的影响，出现第二次耦合。该耦合激励电子与空穴重新复合发射光子，如图3所示，正好具有与电磁场相同的能量和相位。所述重新复合方法在激光器中产生，并且被称为受激发射。
图4生动地表示电子和空穴从p-型和n-型接触层到量子阱有源区的流动。所述载流子通过p-接触层和n-接触层被注入到结构中。空穴注入是从p-侧，而电子注入是从n-侧，并且在有源区重新复合产生辐射。图4也表示上述氧化孔，所述氧化孔将更详细地予以讨论。
已建立具有高铝含量的AlGaAs层能够在热蒸汽的情况下被氧化。典型地，氧化层在DBR的顶部上生长，然后所述DBR被蚀刻以形成台面，因此暴露氧化层的边缘。然后，在蒸气相环境中升高的温度下处理所述器件，并且从暴露区向中心进行氧化处理。通过选择适当的处理时间，氧化层将从所有侧面向内进行，留下中心未氧化层。所述中心未氧化孔用于提供光束限制区。
Corzine等人的美国专利US5,896,408中，通过从器件的顶部表面向下到氧化层蚀刻孔形成所述氧化层，并且在蒸汽相环境中暴露该结构。通过形成的蚀刻孔的图案向下到氧化层，光束限制区予以控制。
本发明策略地利用定位概念，蚀刻孔形成非对称光限制孔以控制或选择偏振模式。
在具体实施例中，在DBR的顶部上的蚀刻孔足以分裂光孔的对称性以控制偏振。在优选实施例中，为了在蚀刻孔之间产生氧化区，蚀刻孔向下延伸到氧化层，并且然后所述结构进行上述蒸汽处理，以便在所述蚀刻孔之间产生一氧化区，因而形成一非对称光孔，如图6所示。
图7表示用于控制和稳定偏振的蚀刻孔的另外一个实施例。在图7的实施例中，孔没有置于相同半径上的孔洞。这仅是用于蚀刻孔洞的许多可能构形的一个实施例。显然对于本领域的技术人员来说孔洞不都需要圆形或者相同尺寸。
如上所述的氧化层比通常镜面结构层包含较高的铝含量。如图5所示，所述氧化率增加作为铝镓砷合金中铝浓度的函数。
在该实施例中，其中所述蚀刻孔单独用于增加非对称的电和光限制区，这里数量和位置是重要的。这些孔利用光刻技术定位。在AlGaAs材料中，蚀刻孔的蚀刻剂是公知的，并且不在这里描述。
概括地说，一个电子限制孔通过在p-DBR中选择地注入半导体材料而典型地形成，以形成一围绕传导对称孔的绝缘区。在典型VCSEL中所述绝缘区限制电场但不限制光场。通过在所述绝缘注入区中蚀刻垂直孔，所述孔的周围因此形成限制光模以分裂光模的对称方式。通过上述氧化方法，电和光限制区得到进一步改善。正如图6所讨论的，孔被形成以暴露用于氧化方法的高铝含量层。为了能够氧化被暴露的孔大大增加所述方法的有效性。
尽管本发明的具体实施例已予以说明和阐明，显然本领域的技术人员可以进行多种改变。但是那些改变将包括本发明所限定的范围中。

Claims (19)

1、一种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)包括：
一个底部镜面结构；
一个顶部镜面结构；
一个夹在顶部镜面结构和底部镜面结构之间的有源层；
与顶部镜面结构和底部镜面结构连接的电接触层；和
和在顶部镜面结构中限制从VCSEL到一非对称路径的光输出的限制装置。
2、如权利要求1所述的VCSEL，其中，所述限制装置是在顶部镜面中的多个蚀刻孔。
3、如权利要求2所述的VCSEL，其中，具有离子注入电限制孔以限制所述电限制层之间的电流。
4、如权利要求3所述的VCSEL，其中，所述底部镜面结构是一个n-掺杂分布布拉格反射器，并且所述顶部镜面结构是一个p-掺杂分布布拉格反射器。
5、如权利要求3所述的VCSEL，其中，所述底部镜面结构是一个p-掺杂分布布拉格反射器，并且所述顶部镜面结构是一个n-掺杂分布布拉格反射器。
6、如权利要求4所述的VCSEL，其中，所述有源层等于m×λ/2，这里m是整数。
7、如权利要求4所述的VCSEL，其中，所述有源层是一个波长长，缓变折射率分别限制异质结，多层量子阱结构。
8、如上述任一权利要求所述的VCSEL，其中，顶部和底部镜面由具有折射率高和低交替层的布拉格反射器构成，其中所述每一层的长度等于λ/4+n×λ/2，这里n是整数。
9、如权利要求5所述的VCSEL，其中，所述顶部和底部镜面由折射率高和低交替的四分之一波长层构成。
10、如权利要求6所述的VCSEL，其中，所述有源层包括一个AlGaAs/GaAs结构和所述镜面包括AlGaAs层。
11、如上述任一权利要求所述的VCSEL，其中，所述顶部镜面至少包括一氧化材料层。
12、如权利要求11所述的VCSEL，其中，所述氧化层包括具有比其余的镜面Al浓度高的AlGaAs层。
13、一种用于偏振控制的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的制作方法，所述方法包括：
提供一个VCSEL，所述VCSEL具有一个底部镜面结构；一个顶部镜面结构；一个夹在顶部镜面结构和底部镜面结构之间的有源层；和与顶部镜面结构和底部镜面结构连接的电接触层；和
在顶部镜面结构中制成限制从VCSEL到一非对称路径的光输出的限制装置。
14、如权利要求13所述的方法，其中，所述顶部镜面结构包括一氧化材料层。
15、如权利要求14所述的方法，其中，所述限制装置由在顶部镜面结构中以预定图案蚀刻多个孔制成。
16、如权利要求15所述的方法，其中，所述孔被向下蚀刻至少到所述氧化层。
17、如权利要求16所述的方法，其中，在蒸汽处理中暴露所述孔的步骤，因此选择地氧化所述氧化层。
18、如权利要求15所述的方法，其中，所述孔是在圆形图案中。
19、如权利要求15所述的方法，其中，所述孔是在椭圆形图案中。
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