CN1960090B - 多有源层垂直腔面激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多有源层垂直腔面发光器件，其光谐振单元主要包括高掺杂导电区、绝缘层、负电极、限制层、有源层和正电极，所述的光谐振单元以半波长垂直厚度重复叠加构成发光谐振腔。上述多有源层垂直腔面发光器件构成的激光器，其特征在于：所述的多有源层垂直腔面发光器件置于反射镜之间作为激光的发射和接收元件。本发明利用了光子晶体的发射相干光线的能力，提高了电光转换效率，减少了制造低效率的布拉格反射器的困难。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光器，特别涉及多有源层垂直腔面激光器。
背景技术
垂直腔面激光发射器(VCSEL)，是继边发射激光器后，产生激光的一种重要电光转换器件，由于激光是以小角度向垂直腔面发射，易于集成陈列，非常适合用作高密度的发射器件和芯片间的通信总线。但普通的VCSEL，需要多层分布布拉格反射器(DBR)，所用的材料与有源层不同，生产工序相当复杂。电光转换效率，也因反射器导致的高内阻，受到限制。
另一方面，传统的垂直腔面激光发射器的激射波长为单一波长，无法在同一器件中获得多个波长，因此，在某些应用中，人们不得不使用多个不同波长的垂直腔面发射激光器来获得多个波长，这样不仅增加了成本，而且不能够很好的集成，降低密度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能提高光电转换效率的多有源层垂直腔面激光器件；本发明的另一个目的是提供一种上述多有源层垂直腔面发光器件构成的激光器。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：一种多有源层垂直腔面发光器件，其光谐振单元主要包括高掺杂导电区、绝缘层、负电极、限制层、有源层和正电极，其特征在于：由所述的光谐振单元以半波长垂直厚度重复叠加构成发光谐振腔。
本发明所组成的发光谐振腔具有重复的n-p对称结构或非对称结构。
本发明还包括用于对谐振波长进行微调的光程参数控制层，该控制层置于有源层间。通过改变参数控制电极与电源电极间的偏压，可调节控制层的光传导有效光程距离，从而控制谐振波长。
本发明所述的限制层间设有用于探测光腔内的光场参数的参数测量电极。
一种上述多有源层垂直腔面发光器件构成的激光器，其特征在于：所述的多有源层垂直腔面发光器件置于反射镜之间作为激光的发射和接收元件。
本发明所述激光器还包括用于使多片发光器件芯片间的有源层保持整数波长的压电晶体，该压电晶体设置在元件芯片之间。
本发明所述激光器还包括用于调节镜间的距离和平行角度的压电晶体，该压电晶体设置在两反射镜之间。
本发明所述激光器还包括用于实时调节器件的腔内光场分布状态参数的参数反馈计算器模块，该模块连接参数测量电极和所述的参数控制压电晶体。
本发明把垂直腔面激光发射器技术同光子晶体技术联结起来，把垂直腔面激光发射器的光学谐振腔的厚度，从一般的单波长增加到数个波长，并在各个波腹设置多个有源层，构成一个空间相干的光子晶体，利用光子晶体的发射相干光线的能力，提高了电光转换效率，减少了制造低效率的布拉格反射器的困难。
附图说明
图1为本发明贯穿全叠芯片层的总线示意图；
图2为本发明多有源层垂直腔面谐振腔示意图；
图3为本发明n-p对称的光学谐振腔示意图；
图4为本发明加入光程参数控制层的谐振腔示意图；
图5为本发明参数测量点示意图；
图6为本发明嵌入压电晶体示意图；
图7为本发明芯片间的距离控制示意图；
图8、9为本发明芯片置于反射镜中的示意图；
图10为本发明参数反馈计算器示意图；
具体实施方式
如图1所示，为贯穿全叠芯片层的信号总线示意图，把多片多有源层垂直腔面谐振腔110，即激光的发射和接收元件建于同层芯片100中，用信号线120把多层芯片叠连起来，其中相同位置的谐振腔连成一线，形成贯穿全叠芯片的光通道，光通道可以在芯片间传送各种信息。其中，所选择通信光线的波长为使基片材料对其透明。也可在芯片对应的通道上打孔，或用飞秒激光在基片内建立波导管102。
如图2所示，为多有源层垂直腔面谐振腔示意图，谐振腔是在基片上面，建一层透明的绝缘层2，与其他部分隔离。之上生长一层高掺杂的导电层1，以增加横向导电率，减少串连电阻，导电层3外围刻蚀成一个环，内部可做成蜘蛛网状，镀上金属，作为电源负极接口3。电极是位于光驻波的波谷，电极可做成蜘蛛网状，甚至接近封闭，对谐振光波的传送不会有很大影响。电极3上面，直到约1/4波长的地方，植入一层例如n型AlGaA之类的宽禁带限制层4，然后生长一层约10nm的有源层5，之后又植入一层约1/4波长的p型的宽禁带限制层6，高掺杂的导电层1和金属正电极7。
由基片100开始，直到金属正电极7，成一个典型的面发射LED结构。如果加上正向电流，便会发光。因为载流子的复合，被限制在上下宽禁带层间的有源层内，发光效率会相当高。
本发明重复由绝缘层2到金属正电极7的结构，同时严格控制重复的厚度周期恰好是复合光的半波长。图2显示了三个周期的结构，实际上，可以造到3-20个周期，或更多。此时，构成一个波长敏感的谐振腔，对谐振波长的光有极高的Q值。多个有源层发出的复合光，在空间分布上相干，自发辐射受到抑制，很容易会产生激射。本发明以半波间距组成多层结构，构成一个光子晶体，对谐振光会以接近零衰减的方式传递，有源层5发出的光能，不容易被吸收。在多层结构的园柱体外围，用选择性氧化技术，或离子注入技术生成一个光封闭层8，限制了光和电向外扩散。
如图3所示，为n-p对称的光学谐振腔示意图，上述结构对n和p型半导体是对称的，假如把n-p互换，电源倒反，一样可以发光。把图2中间一组发光体的n-p互易，相邻的周期的电极极性变成相同，可以把中间的绝缘层2去掉，金属电极7和高掺杂区1都可以合二为一，精简了谐振腔的结构，减少了层数，使生产工艺更容易。
此外，在图2中，如果把相邻的正极7和负极3和中间的绝缘层取消，只在最顶和最底的加串连的高压，也有一样效果。
有源层间的光程，是光腔内的重要参数，决定了谐振波长，为了校正大规模生产中的误差，或者想对波长进行微调，如图4所示，为本发明加入光程参数控制层的谐振腔示意图，本发明在光腔中加入光导参数控制层9。利用半导体或晶体对电磁传导系数的敏感性，改变参数控制电极10与电源电极7或3间的偏压，调节控制层9的光传导有效光程距离，控制谐振波长。
参数控制层9可以为任何对光传导参数敏感的材料，甚至只是一层简单的p-n结。参数控制层9主要是用来调节同一芯片内，各组发光元件的有效波长。
为了控制谐振腔内的光振荡，取得腔内光场的分布状态，限制层是读取光场数据最适当的地方。如图5所示，为参数测量点示意图，在n型的限制层4内，置入两个p型的探针11，或在p型的限制层6内，置入n型的探针12，在接近有源层5的平面，是光驻波的波峰，载流子最活跃，探针间阻抗最低，在离有源层1/4波长的平面，是光驻波的波谷，载流子最少，探针间阻抗最高。读取探针的讯号，可以取得光场的数据。在芯片谐振腔之外，特别是有源层5附近，可以置入热敏元件13，检测温度。
多片芯片堆叠起来，芯片间的相干光偶合，会受距离影响，如果各芯片的有源层，都在相隔一个整数波长的地方，接收其他芯片的讯号最灵敏，多片芯片一同发射的光也会互相加强。如图6所示，为嵌入压电晶体示意图，本发明用三片支点分立的压电晶体103，嵌入芯片100之间，改变压电晶体的电压，便可控制芯片间的平行度和距离，得到最佳偶合。如果晶片已达到足够的平行，也可以用一片单独合成的平行压电晶体(如图7所示)，作为芯片间的间隔，甚至把压电晶片，直接与芯片一同生长；如果芯片生产的精度足够，单凭参数控制层9即可维持多片芯片的有源层间光程保持在整数波长范围内，可以不使用压电晶体103调节距离。
为了产生激光，本发明在芯片堆的上面，放一片半透明反射镜104，下面放完全反射镜105。图8、9所示，镜间的距离用压电晶体106调节。芯片堆放在两个反射面中间，构成激光谐振腔。芯片与反射镜的距离用压电晶体103调节。与普通带布拉格反射层的垂直腔面激光发射器比较，本发明的每一片芯片都不需要独立的反射层，节构简单，芯片间也较易同步。
如图10所示，为本发明参数反馈计算器示意图，光腔内的参数由测量电极11，12，13等收集，经过发光单元参数计算器31计算，得到最佳的控制电压，在发光单元参数控制输出模块32输出，控制图4中的电极10。反馈数据使发光体的谐振波长保持统一稳定。光腔参数计数器33计算每一个光腔的状态，送到芯片距离计数器34，计算芯片距离所需的控制电压，输到新片距离控制输出模块35，控制芯片距离压电晶体103。
参数反馈计算器的具体结构，可以根据激光器的用途，灵活处理。从简单的模拟讯号锁相环，到复杂的软件主导的实时数码变换系统，都各有优劣。
本发明芯片堆内每一片芯片都处在激光谐振腔内，只要通入超过阀值的正向电流，便会发出激光信号，整个光通道上其他芯片，都可以收到。可以利用参数测量点，探测波谷的光驻波，使其辐度最小。这时，光发射会达到最佳的谐振状态。
其中，芯片堆内每一片芯片都处在激光谐振腔内，在反向偏压的环境下，如果腔内没有光，正负电极的阻抗很高，电流很小，但光通道上如有其他芯片在发光，处在波峰的有源层，会吸收光子，放出正负载流子，流向电极，在负偏压下，得到雪崩式放大，产生光电流。于是所有光通道内的芯片，都可以收到信号。可以利用参数测量点，探测波峰的光驻波，使其辐度最大。这时，光接收会达到最灵敏的谐振状态。
由于本发明的发光机制简单，供电线路消除了布拉格反射器引入的高串连电阻，谐振的多有源层使腔内的Q值显著地升高，光参数和芯片距离的可控调节，使多片芯片输出可以在不损失功率的状态叠加。普通直腔面激光发射器(VCSEL)，的效率已达50-60％，本发明消除上述不利因数后，电光转换效率估计可达70-90％。
Claims (8)
1.一种多有源层垂直腔面发光器件，其光谐振单元主要包括高掺杂导电层、绝缘层、负电极、限制层、有源层和正电极，绝缘层(2)之上生长一层高掺杂的导电层(1)，导电层外围刻蚀成一个环，内部做成蜘蛛网状，镀上金属，作为电源负电极(3)，电源负电极(3)上面植入一层宽禁带限制层(4)，然后生长一层有源层(5)，之后又植入一层宽禁带限制层(6)、高掺杂的导电层(1)和金属正电极(7)；其特征在于：由所述的光谐振单元以半波长垂直厚度重复叠加构成发光谐振腔。
2.根据权利要求1所述的多有源层垂直腔面发光器件，其特征在于：其中所组成的发光谐振腔具有重复的n-p对称结构或非对称结构。
3.根据权利要求1所述的多有源层垂直腔面发光器件，其特征在于：还包括用于对谐振波长进行微调的光程参数控制层，该控制层置于有源层间。
4.根据权利要求1所述的多有源层垂直腔面发光器件，其特征在于：所述的限制层间设有用于探测光腔内的光场参数的参数测量电极。
5.一种权利要求1所述的多有源层垂直腔面发光器件构成的激光器，其特征在于：所述的多有源层垂直腔面发光器件置于反射镜之间作为激光的发射和接收元件。
6.根据权利要求5所述的多有源层垂直腔面激光器，其特征在于：还包括用于使多片发光器件芯片间的有源层保持整数波长的压电晶体，该压电晶体设置在发光器件芯片之间。
7.根据权利要求5所述的多有源层垂直腔面激光器，其特征在于：还包括用于调节镜间的距离和平行角度的压电晶体，该压电晶体设置在两反射镜之间。
8.根据权利要求6所述的多有源层垂直腔面激光器，其特征在于：还包括用于实时调节器件的腔内光场分布状态参数的参数反馈计算器模块，该模块连接用于探测光腔内光场参数并设于限制层之间的参数测量电极和所述的参数控制压电晶体。
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