CN1741333A - 可输出高功率单模激光的垂直共振腔面射型激光元件 - Google Patents

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陈志诚
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一种可输出单模激光的垂直共振腔面射型激光元件,其包括一多模输出的垂直共振腔面射型激光元件,其包含一顶面发光区;以及一抗反射膜,其完全覆盖于该多模输出的垂直共振腔面射型激光元件的顶面发光区,用以限制该多模输出的垂直共振腔面射型激光元件的输出为一单模激光。

Description

可输出高功率单模激光的垂直共振腔面射型激光元件
技术领域
本发明涉及一种可输出高功率和稳定单模态激光的垂直共振腔面射型激光元件,特别是涉及一种于一多模输出的垂直共振腔面射型激光元件的顶面发光区上覆盖抗反射膜的垂直共振腔面射型激光元件。
背景技术
垂直共振腔面射型激光元件由于具有低临界电流(low threshold current)、光束成圆对称、发散角小、适合作二维数组、制作容易等优点,近年来已经成为备受瞩目的光源。在实际应用上,其可依据传输的频率区分为多模(multiple mode)与单模(single mode)两种垂直共振腔面射型激光元件,于短距离的光通讯传输应用方面,如三百至五百米距离,多应用多模垂直共振腔面射型激光元件来进行传输,此乃因其传输信号衰减所造成的损耗较大,致使其传输距离较短;而单模垂直共振腔面射型激光元件则可有较长的传输距离,目前最大可达两公里。
请参阅图1,图1为现有一多模垂直共振腔面射型激光元件10的结构示意图。多模垂直共振腔面射型激光元件10包含一基座12,一N型金属14,形成于基座12的下方,一N型布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector,DBR)16,形成于基座12上方,一有源区(active region)18,形成于N型布拉格反射镜16的上方,用来产生一激光,一P型布拉格反射镜20,形成于有源区18的上方,一离子注入层22,形成于P型布拉格反射镜20中,用来限制注入多模垂直共振腔面射型激光元件10的电流的流动方向,以及一P型金属24,形成于P型布拉格反射镜20的上方并形成一顶面发光区26,以限制该激光经由顶面发光区26输出。N型布拉格反射镜16与P型布拉格反射镜20分别由数十对(pair)高低两种不同折射系数的材料所构成,可使其间激光的反射率达到99%以上,而有源区18是由量子阱与被覆层所构成,当外加注入电流通过有源区18且该注入电流大于一临界电流时,则有源区18便会发射出激光,而该激光可由顶面发光区26输出。
然而,若欲制作出单模的垂直共振腔面射型激光元件便必须缩小有源层18的有效作用面积,如此一来便必须将离子注入层22间的宽度W1与顶面发光区26的宽度W2缩小,然而于工艺上宽度W1与宽度W2的缩小并不易控制,故制作成品率较低、均匀度差,再者如此一来便会造成元件产生较大的阻抗(数百欧姆),进而使元件发热,降低元件发光功率约1mW(毫瓦),甚至严重地影响元件的寿命。
发明内容
本发明提供一种于一多模输出的垂直共振腔面射型激光元件的顶面发光区上覆盖抗反射膜的垂直共振腔面射型激光元件,以解决上述的问题。
本发明揭露一种可输出高功率单模激光的垂直共振腔面射型激光元件,其包括一多模输出的垂直共振腔面射型激光元件,其包含一顶面发光区;以及一抗反射膜,其完全覆盖于该多模输出的垂直共振腔面射型激光元件的顶面发光区,用以限制该多模输出的垂直共振腔面射型激光元件转而输出为一单模激光。
本发明揭露一种形成可输出单模激光的垂直共振腔面射型激光元件的方法,其包括下列步骤:(a)运用一多模输出的垂直共振腔面射型激光元件的工艺制作一多模输出的垂直共振腔面射型激光元件,以及(b)于该多模输出的垂直共振腔面射型激光元件的顶面发光区上形成完全覆盖于该顶面发光区的抗反射膜,用以限制该高阶模输出的垂直共振腔面射型激光元件转而输出为一单模稳态的激光。
综上所述,本发明可提供一种可以操作在稳定单模激光的面射型激光。这个稳定单模激光的面射型激光是在多模面射型激光的发光窗口上覆盖一层经过厚度控制的抗反射膜,这层抗反射膜能抑制高阶模态产生工作,藉此得到稳定操作的单横模面射型激光。
附图说明
图1为现有多模垂直共振腔面射型激光元件的结构示图。
图2为本发明第一实施例可输出单模激光的垂直共振腔面射型激光元件的结构示意图。
图3为形成垂直共振腔面射型激光元件的流程图。
图4为本发明第二实施例可输出单模激光的垂直共振腔面射型激光元件的结构示意图。
图5为本发明第三实施例可输出单模激光的垂直共振腔面射型激光元件的结构示意图。
图6为本发明抗反射膜的厚度与反射率的关系图。
图7为本发明抗反射膜的厚度与临界增益的关系图。
图8与图9为本发明垂直共振腔面射型激光元件的输入电流与输出功率的关系图。
简单符号说明
10 多模垂直共振腔面射型激光元件
12 基座
14 N型金属                 16 N型布拉格反射镜
18 有源区                  20 P型布拉格反射镜
22 离子注入层              24 P型金属
26 顶面发光区
30 垂直共振腔面射型激光元件
32 基座                    34 N型金属
36 N型布拉格反射镜         38 有源区
40 P型布拉格反射镜         42 离子注入层
44 P型金属                 46 顶面发光区
48 抗反射膜
50 垂直共振腔面射型激光元件
52 氧化层
具体实施方式
请参阅图2,图2为本发明第一实施例一可输出单模激光的垂直共振腔面射型激光元件30的结构示意图。于本实施例中,垂直共振腔面射型激光元件30是以离子注入(ion-implanted)技术制作,垂直共振腔面射型激光元件30包含一基座32,一N型金属34,其可包含金锗合金(AuGe)、镍(Ni)及金(Au)等材料,且形成于基座32的下方,一N型布拉格反射镜36,其可包含化合物半导体材料,且形成于基座32上方,一有源区38,形成于N型布拉格反射镜36的上方,用来产生一激光,一P型布拉格反射镜40,其可包含化合物半导体材料,且形成于有源区38的上方,一离子注入层42,形成于P型布拉格反射镜40中,其可利用能量为300KeV且密度为3×1014ions/cm2的质子(proton)掺杂注入,用来限制注入垂直共振腔面射型激光元件30的电流的流动方向,以及一P型金属44,其可包含铍(Be)、铬(Cr)、钛(Ti)、铂(Pt)及金(Au)等材料,形成于P型布拉格反射镜40的上方并形成一顶面发光区46,顶面发光区46的直径D可小于或等于5微米(μm),用以限制该激光经由顶面发光区46输出。垂直共振腔面射型激光元件30还包括一抗反射膜48,其完全覆盖于垂直共振腔面射型激光元件30的顶面发光区46上,用以限制垂直共振腔面射型激光元件30的输出为一单模激光,而抗反射48包含高折射率的材料,其可为一单层介电层(dielectric film)或多层介电层的组合,其中该介电层的材料为SiNx或SiOx。而N型布拉格反射镜36与P型布拉格反射镜40分别由数十对(pair)高低两种不同折射系数的材料所构成,可使其间激光的反射率达到99%以上;有源区38则是由量子阱与被覆层所构成,当外加注入电流通过有源区38且该注入电流大于一临界电流时,则有源区38便会发射出激光,而该激光可由顶面发光区46输出。
本发明的重点在于于垂直共振腔面射型激光元件30的顶面发光区46上完全覆盖抗反射膜48,而经过厚度控制的抗反射膜48可使其覆盖部分的反射率降低,故进而可使抗反射膜48下方的有源区38中的高阶模不易达到临界起始条件而发出激光,因而仅能输出单模的激光。
请参阅图3,图3为形成垂直共振腔面射型激光元件30的流程图,形成垂直共振腔面射型激光元件30的方法包括下列步骤:
步骤100:运用一般多模输出的垂直共振腔面射型激光元件的工艺制作一多模输出的垂直共振腔面射型激光元件。
步骤102:于该多模输出的垂直共振腔面射型激光元件的顶面发光区上形成完全覆盖于该顶面发光区的抗反射膜,用以限制该高阶模态输出的垂直共振腔面射型激光元件的输出为一单模激光,如此便完成垂直共振腔面射型激光元件30的制作。
由上可知,本发明的垂直共振腔面射型激光元件30的制作方式是整合一般多模输出的垂直共振腔面射型激光元件工艺,再于其上形成一经过厚度控制并且完全覆盖于该顶面发光区的抗反射膜,而所形成的抗反射膜可包含高折射率的材料,其可为一单层介电层(dielectric film)或多层介电层的组合,其中该介电层的材料为SiNx或SiOx。至于多模输出的垂直共振腔面射型激光元件工艺可采用现有离子注入(ion-implanted)的工艺、氧化局限(Oxide-confined)的工艺、或内共振腔(intracavity)氧化局限的工艺等制作方式制作该多模输出的垂直共振腔面射型激光元件。
请参阅图4,图4为本发明第二实施例一可输出单模激光的垂直共振腔面射型激光元件50的结构示意图,于本实施例中若与前述实施例具有相同标号的元件则具有相同结构与功能。本实施例的垂直共振腔面射型激光元件50是以氧化局限技术制作,垂直共振腔面射型激光元件50亦包含基座32,N型金属34,其可包含金锗合金、镍及金等材料,且形成于基座32的下方,N型布拉格反射镜36,其可包含化合物半导体材料,且形成于基座32上方,有源区38,形成于N型布拉格反射镜36的上方,用来产生一激光,以及P型布拉格反射镜40,其可包含化合物半导体材料,且形成于有源区38的上方。与第一实施例不同之处为本实施例的垂直共振腔面射型激光元件50还包括一氧化层52,形成于P型布拉格反射镜40中,其由选择性氧化技术形成,具有高阻抗故可用来限制注入垂直共振腔面射型激光元件50的电流的流动方向。垂直共振腔面射型激光元件50还包括P型金属44,其可包含铍(Be)、铬(Cr)、钛、铂及金等材料,形成于P型布拉格反射镜40的上方并形成顶面发光区46,顶面发光区46的直径D可为5微米(μm),用以限制该激光经由顶面发光区46输出。垂直共振腔面射型激光元件50还包括抗反射膜48,其完全覆盖于垂直共振腔面射型激光元件50的顶面发光区46上,用以限制垂直共振腔面射型激光元件50的输出为一单模激光,而抗反射膜48包含高折射率的材料,其可为一单层介电层(dielectric film)或多层介电层的组合,其中该介电层的材料为SiNx或SiOx。而N型布拉格反射镜36与P型布拉格反射镜40分别由数十对(pair)高低两种不同折射系数的材料所构成,可使其间激光的反射率达到99%以上;有源区38则是由量子阱与被覆层所构成,当外加注入电流通过有源区38且该注入电流大于一临界电流时,则有源区38便会产生光子,并在两个布拉格反射镜振荡后产生增益,发射出激光,而该激光可由顶面发光区46输出。
于本实施例中,垂直共振腔面射型激光元件50与垂直共振腔面射型激光元件30制作方式相似,不同之处乃在于垂直共振腔面射型激光元件30于图3的步骤100中是采用离子注入的工艺制作该多模输出的垂直共振腔面射型激光元件,而本实施例的垂直共振腔面射型激光元件50则是采用氧化局限的工艺制作该多模输出的垂直共振腔面射型激光元件,至于步骤102的工艺则为两者相同,故于此不再详述。
请参阅图5,图5为本发明第三实施例一可输出单模激光的垂直共振腔面射型激光元件60的结构示意图,于本实施例中若与前述实施例具有相同标号的元件则具有相同结构与功能。本实施例的垂直共振腔面射型激光元件60是以内共振腔(Intracavity)氧化局限技术制作,其可应用于高速元件(>5Gbps)或长波长与可见光的范围;垂直共振腔面射型激光元件60亦包含基座32,N型布拉格反射镜36,其可包含化合物半导体材料,且形成于基座32上方,一N型接触层62,形成于N型布拉格反射镜36的上方,形成于N型接触层62两侧上方的N型金属64,其可包含金锗合金、镍及金等材料,有源区38,形成于N型接触层62的上方,用来产生一激光,一P型接触层66,形成于有源区38的上方,一氧化区68,形成于P型接触层66中,其由选择性氧化技术形成,具有高阻抗故可用来限制注入垂直共振腔面射型激光元件60的电流的流动方向,形成于P型接触层66两侧上方的P型金属70,其可包含铍(Be)、铬(Cr)、钛、铂及金等材料,以及P型布拉格反射镜40,其可包含化合物半导体材料,其形成于P型接触层66的上方。垂直共振腔面射型激光元件60的顶面发光区46位于P型布拉格反射镜40的上方,顶面发光区46的直径D可为5微米(μm),用以限制该激光经由顶面发光区46输出。垂直共振腔面射型激光元件60还包括抗反射膜48,其完全覆盖于垂直共振腔面射型激光元件60的顶面发光区46上,用以限制垂直共振腔面射型激光元件60的输出为一单模激光,而抗反射膜48包含高折射率的材料,其可为一单层介电层(dielectric film)或多层介电层的组合,其中该介电层的材料为SiNx或SiOx。而N型布拉格反射镜36与P型布拉格反射镜40分别由数十对(pair)高低两种不同折射系数的材料所构成,可使其间激光的反射率达到99%以上;有源区38则是由量子阱与被覆层所构成,当外加注入电流通过有源区38且该注入电流大于一临界电流时,则有源区38便会发射出激光,而该激光可由顶面发光区46输出。
于本实施例中,垂直共振腔面射型激光元件60于图3的步骤100中是采用内共振腔氧化局限的工艺制作该多模输出的垂直共振腔面射型激光元件,至于步骤102的工艺则为两者相同,故于此不再详述。
请参阅图6、图7、图8与图9,图6为本发明抗反射膜48的厚度与反射率的关系图,图7为本发明抗反射膜48的厚度与高阶模态临界增益(gainthreshold)的关系图,图8与图9为本发明真正实例,垂直共振腔面射型激光元件的输入电流与输出功率的关系图。由图6、图7、图8与图9可看出,当抗反射膜48的厚度为该单模激光的十二分之一波长时(参考图6),反射率值偏大故高阶模态的临界增益接近于950(1/cm)左右(参考图7),此时高阶模态工作抑制的效应并不显著,由图9可看出,当输入电流小于12mA时为稳定操作的基模态状态,而当输入电流大于12mA时则为高阶模态;当抗反射膜48的厚度达到该单模激光的八分之一波长时,反射率会低到足以使高阶模态的临界增益变大~1250(1/cm),此时不但会抑制高阶模态工作,并会使被抑制的高阶模态增益转至基模态,因而增加单基模态的输出功率,而达到整体稳定且高输出功率(>5mW)单模态激光的效果,参考图8。当抗反射膜48的厚度达到该单模激光的四分之一波长时,反射率会达到最低,使高阶模态需要的临界增益达到最大~2800(1/cm),此时虽然会抑制高阶模态工作,但是低反射率也使单基模所需的临界增益增加,因此使基模的临界电流(current threshold)变大,而造成元件的光电特性变差,当抗反射膜的厚度为四分之一波长时,则临界电流会比抗反射膜的厚度为八分之一波长时增加两倍以上,而输出功率会下降30%;然而当抗反射膜48的厚度继续增加,则抑制高阶模态的临界增益则会再度下降,直到抗反射膜48的厚度超过该单模激光的八分之三波长时,则高阶模态便会再度开始工作,如此周而复始下去。由上可知,本发明抗反射膜48的形成厚度可选择介于该单模激光的八分之一波长至八分之三波长之间,且由于高阶模态的临界增益为周期性变化,故抗反射膜48的形成厚度亦可选择介于该单模激光的八分之一波长加上二分之一波长与一整数的乘积至八分之三波长加上二分之一波长与该整数的乘积之间,如此便可达到整体输出单模激光的效果。
相较于现有的垂直共振腔面射型激光元件,本发明的垂直共振腔面射型激光元件可于现行多模输出的垂直共振腔面射型激光元件制作技术基础上,另外于其上形成一完全覆盖于顶面发光区的抗反射膜,而达到输出单模激光的效果,故无须缩小离子注入层间的宽度与顶面发光区的宽度,便可制作出可输出单模高功率激光的垂直共振腔面射型激光元件,如此一来即可利用非常简单的工艺而产生出一具有稳定操作性且较一般市面上贩售元件的输出光功率(1mW~1.5mW)具有更高输出光功率(>5mW)的单模态垂直共振腔面射型激光元件。
以上所述仅为本发明的优选实施例,凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰,皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (13)

1、一种垂直共振腔面射型激光元件(Vertical-Cavity Surface EmittingLaser,VCSEL),其包括:
一垂直共振腔面射型激光元件,其包含一顶面发光区;以及
一抗反射膜,其完全覆盖于该垂直共振腔面射型激光元件的顶面发光区。
2、如权利要求1所述的垂直共振腔面射型激光元件,其中该抗反射膜为单层介电层(dielectric film)或多层介电层的组合。
3、如权利要求2所述的垂直共振腔面射型激光元件,其中该介电层的材料为SiNx或SiOx
4、如权利要求1所述的垂直共振腔面射型激光元件,其中该抗反射膜的厚度介于该单模激光的八分之一波长至四分之一波长之间。
5、如权利要求1所述的垂直共振腔面射型激光元件,其中该抗反射膜的厚度介于该单模激光的八分之一波长加上二分之一波长与一整数的乘积至八分之三波长加上二分之一波长与该整数的乘积之间。
6、如权利要求1所述的垂直共振腔面射型激光元件,其中该垂直共振腔面射型激光元件还包括:
一基座;
一N型金属,形成于该基座的下方;
一N型布拉格反射镜(DBR),形成于该基座上方;
一有源区,形成于该N型布拉格反射镜的上方,用来产生该单模激光;
一P型布拉格反射镜,形成于该有源区的上方;以及
一P型金属,形成于该P型布拉格反射镜的上方并形成该顶面发光区,以限制该单模激光经由该顶面发光区输出。
7、如权利要求6所述的垂直共振腔面射型激光元件,其中该垂直共振腔面射型激光元件还包括一离子注入区,形成于该P型布拉格反射镜中,用来限制注入该垂直共振腔面射型激光元件的电流的流动方向。
8、如权利要求6所述的垂直共振腔面射型激光元件,其中该垂直共振腔面射型激光元件还包括:一氧化层,形成于该P型布拉格反射镜中,用来限制注入该垂直共振腔面射型激光元件的电流的流动方向。
9、如权利要求1所述的垂直共振腔面射型激光元件,其中该垂直共振腔面射型激光元件还包括:
一基座;
一N型布拉格反射镜,形成于该基座上方;
一N型接触层,形成于该N型布拉格反射镜的上方;
一N型金属,形成于该N型接触层的上方;
一有源区,形成于该N型接触层的上方,用来产生该单模激光;
一N型布拉格反射镜,形成于该基座上方;
一有源区,形成于该N型布拉格反射镜上方,用来产生该单模激光;
一P型接触层,形成于该有源区的上方;
一氧化区,形成于该P型接触层中,用来限制注入该多模输出的垂直共振腔面射型激光元件的电流的流动方向;
一P型布拉格反射镜,形成于该P型接触层的上方;以及
一P型金属,形成于该P型接触层的上方。
10、一种形成垂直共振腔面射型激光元件的方法,包括下列步骤:
(a)运用垂直共振腔面射型激光元件的工艺制作一垂直共振腔面射型激光元件;以及
(b)于该垂直共振腔面射型激光元件的顶面发光区上形成完全覆盖于该顶面发光区的抗反射膜。
11、如权利要求10所述的方法,其中步骤(b)为于该垂直共振腔面射型激光元件的顶面发光区上形成完全覆盖于该顶面发光区的单层介电层或多层介电层。
12、如权利要求10所述的方法,其中步骤(b)为形成厚度介于该单模激光的八分之一波长至四分之一波长间的抗反射膜。
13、如权利要求10所述的方法,其中步骤(b)为形成厚度介于该单模激光的八分之一波长加上二分之一波长与一整数的乘积至八分之三波长加上二分之一波长与该整数的乘积间的抗反射膜。
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