CN220914744U - 腔内接触的高速光子-光子共振面发射激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及半导体激光器领域，提供一种腔内接触的高速光子‑光子共振面发射激光器，包括N型衬底，在N型衬底上依次制备有N型接触层、N型DBR层、有源层、P型接触层和P型DBR层，在P型接触层和有源层之间和/或者N型接触层与有源层之间制备有电流限制层，P型DBR层包括一个主腔P型DBR层和至少一个副腔P型DBR层，在P型接触层上对应于主腔P型DBR层与副腔P型DBR层的位置分别制备有主腔P型电极，在N型接触层上对应于主腔P型DBR层与副腔P型DBR层的位置分别制备有主腔N型电极。本实用新型采用腔内接触结构，电流不经过P型DBR层，能够有效减小器件的寄生电阻和电容，同时减小电流拥堵效应和副腔损耗，从而提高带宽。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种腔内接触的高速光子-光子共振面发射激光器。
背景技术
面发射激光器尤其是垂直腔面发射激光器(VCSEL)，自从1977年被提出以来，由于具有圆形对称光斑、低阈值电流、易于二维集成和在面检测等优点，受到越来越多的关注，被广泛应用于光通讯、光互连、传感、光存储、激光显示、激光雷达等众多领域。随着大数据中心和超级计算机的逐渐兴起，其内部的总网络带宽超过200T bps，相互之间的数据传输引起的功耗得到了极大的重视，采用VCSEL进行数据中心之间的光互连被视为一种降低传输功耗的有效手段。
但是随着数据中心流量需求激增，对VCSEL的速率要求越来越高，典型的VCSEL结构受器件寄生、热效应等因素的影响，带宽进一步提高的空间有限，因此，提高VCSEL带宽的新结构的提出尤为重要。为了最大程度的增加带宽，现在常用的方法是减小氧化孔的尺寸。但是氧化孔小，VCSEL的热阻大，可靠性差。光子-光子共振结构通常具有一个主腔和一个或多个副腔，通过在主腔加调制电，使主腔电流泄露到副腔，减小副腔损耗，同时，主腔发出的光被副腔侧壁反射回来，与主腔的光之间产生谐振，从而增大主腔输出的激光的带宽。传统的光子-光子共振结构为腔外接触结构，对于红外激光器来说，其上反射镜材料一般为Al(x)Ga(1-x)As，电流从上反射镜经过会带来寄生电容电阻，阻碍器件的带宽提高。除此之外，腔内接触结构极易出现电流拥堵效应，导致腔内温度升高，这种现象会导致器件的电阻增加，进一步加剧电流拥挤效应，形成恶性循环。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种腔内接触的高速光子-光子共振面发射激光器，避免电流从上反射镜经过所产生的寄生电阻，同时能够减小电流拥堵效应，提高器件的带宽。
为实现上述目的，本实用新型采用以下具体技术方案：
本实用新型提供的腔内接触的高速光子-光子共振面发射激光器，包括N型衬底，在N型衬底上依次制备有N型接触层、N型DBR层、有源层、P型接触层和P型DBR层，在P型接触层和有源层之间和/或者N型接触层与有源层之间制备有电流限制层，P型DBR层包括一个主腔P型DBR层和至少一个副腔P型DBR层，在P型接触层上对应于主腔P型DBR层的位置制备有主腔P型电极，在N型接触层上对应于主腔P型DBR层的位置制备有主腔N型电极。
优选地，主腔P型DBR层、有源层与N型DBR层构成主谐振腔，副腔P型DBR层、有源层与N型DBR层构成副谐振腔，主谐振腔与副谐振腔之间通过离子注入进行电隔离，主谐振腔与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对应于主谐振腔与副谐振腔的位置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，主谐振腔与副谐振腔之间的距离，以及副谐振腔之间的距离为0-30μm。
优选地，P型DBR层采用SiO2/Si3N4介质膜，N型DBR层采用N型掺杂的AlGaAs交叠层。
优选地，在有源层与电流限制层之间制备有电流缓冲层。
与现有技术相比，本实用新型提供的高速光子-光子共振面发射激光器，采用腔内接触结构，电流不经过P型DBR层，能够有效减小器件的寄生电阻和电容，电流通过N型DBR泄露到副腔，减小主腔电流拥堵效应与副腔损耗。从而提高带宽。
附图说明
图1是根据本实用新型实施例提供的腔内接触的高速光子-光子共振面发射激光器的结构图；
图2是根据本实用新型实施例提供的腔内接触的高速光子-光子共振面发射激光器整体结构的俯视图；
图3是根据本实用新型实施例提供的主谐振腔与副谐振腔内的光学路径图；
图4是根据本实用新型实施例提供的主谐振腔与副谐振腔内的激光谐振路径图。
其中的附图标记包括：N型衬底1、N型接触层2、N型DBR层3、有源层4、电流缓冲层5、电流限制层6、P型接触层7、主腔P型DBR层81、副腔P型DBR层82、离子注入区9、主腔P型电极10、主腔N型电极11、主谐振腔12、副谐振腔13。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本实用新型的实施例。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。
为了使本实用新型的目的、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，对本实用新型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实用新型，而不构成对本实用新型的限制。
如图1-图4所示，本实用新型实施例提供的腔内接触的高速光子-光子共振面发射激光器，包括从下至上依次层叠的N型衬底1、N型接触层2、N型DBR层3、有源层4、电流缓冲层5、电流限制层6、P型接触层7和P型DBR层。
电流缓冲层5在注入电流时，起到电流缓冲的作用。
有源层4为量子点结构、量子阱结构或分离限制异质结结构，例如采用InGaAs/GaAs量子阱材料。
P型DBR层采用布拉格反射镜结构或介质膜结构，例如采用SiO2/Si3N4介质膜。
N型DBR层3采用N型掺杂的AlGaAs交叠层。
P型DBR层包括一个主腔P型DBR层81和至少一个副腔P型DBR层82，主腔P型DBR层81、有源层4与N型DBR层3构成主谐振腔12，副腔P型DBR层82、有源层4与N型DBR层3构成副谐振腔13，主谐振腔12与副谐振腔13共用下反射镜，上反射镜则不共用，每个谐振腔(包括主谐振腔12和副谐振腔13)对应一个上反射镜。
主谐振腔12与副谐振腔13的水平投影均为圆形、椭圆形或多边形。
主谐振腔与副谐振腔之间的距离，以及副谐振腔之间的距离为0-30μm，通过调整主谐振腔12与副谐振腔13之间的距离，使光的耦合效率无限接近1。
在本实用新型的一个具体实施例中，主谐振腔12与副谐振腔13采用八边形结构，主谐振腔12与副谐振腔13的每条边长均为3μm。
主谐振腔12与副谐振腔13之间为离子注入区9，通过向离子注入区9离子注入实现主谐振腔12与副谐振腔13之间的电隔离。
副谐振腔13反射的光横向耦合到主谐振腔12发射的光，主谐振腔12与副谐振腔13之间产生光子-光子共振效应，从而增加主谐振腔12输出的激光的带宽。
在电流限制层6的内部对应于主谐振腔12与副谐振腔13的位置形成有未被氧化的电流孔，一个谐振腔对应一个电流孔，电流孔可以为圆形、椭圆形或多边形。电流限制层6是通过湿氮氧化工艺对外延结构中的AlGaAs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为氧化孔。
在P型接触层7上对应于主谐振腔12的位置制备有主腔P型电极10，在N型接触层2上对应于主谐振腔12的位置制备有主腔N型电极11。
由于主腔P型电极10并未制备在主腔P型DBR层81和副腔P型DBR层82的顶部，而是位于主腔P型DBR层81和副腔P型DBR层82的一侧，主腔P型电极10与主腔N型电极11、分别位于有源层4的上方和下方，在向主腔P型电极10注入电流时，电流不经过主腔P型DBR层81和副腔P型DBR层82，能够有效减小器件的寄生电阻和寄生电容，从而提高带宽。
本实用新型所提出的腔内接触的高速光子-光子共振面发射激光器，能够在减小副腔损耗的同时，有效减小主腔的电流拥堵效应。对于光子-光子共振结构，结构上的微小优化会带来带宽的大幅提高。因此，本实用新型提出的腔内接触的高速光子-光子共振面发射激光器能够实现VCSEL带宽的进一步提升，为日益提高的数据流量速度需求提供基础。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本实用新型的具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何根据本实用新型的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种腔内接触的高速光子-光子共振面发射激光器，包括N型衬底，在所述N型衬底上依次制备有N型接触层、N型DBR层、有源层、P型接触层和P型DBR层，在所述P型接触层和所述有源层之间和/或者所述N型接触层与所述有源层之间制备有电流限制层，所述P型DBR层包括一个主腔P型DBR层和至少一个副腔P型DBR层，其特征在于，在所述P型接触层上对应于所述主腔P型DBR层的位置制备有主腔P型电极，在所述N型接触层上对应于所述主腔P型DBR层的位置制备有主腔N型电极。
2.如权利要求1所述的腔内接触的高速光子-光子共振面发射激光器，其特征在于，所述主腔P型DBR层、所述有源层与所述N型DBR层构成主谐振腔，所述副腔P型DBR层、所述有源层与所述N型DBR层构成副谐振腔，所述主谐振腔与所述副谐振腔之间通过离子注入进行电隔离，所述主谐振腔与所述副谐振腔的水平投影均为圆形、椭圆形或多边形。
3.如权利要求2所述的腔内接触的高速光子-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对应于所述主谐振腔与所述副谐振腔的位置形成有未被氧化的电流孔。
4.如权利要求3所述的腔内接触的高速光子-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。
5.如权利要求1所述的腔内接触的高速光子-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。
6.如权利要求2所述的腔内接触的高速光子-光子共振面发射激光器，其特征在于，所述主谐振腔与所述副谐振腔之间的距离，以及所述副谐振腔之间的距离为0-30μm。
7.如权利要求1所述的腔内接触的高速光子-光子共振面发射激光器，其特征在于，所述P型DBR层采用SiO2/Si3N4介质膜，所述N型DBR层采用N型掺杂的AlGaAs交叠层。
8.如权利要求1所述的腔内接触的高速光子-光子共振面发射激光器，其特征在于，在所述有源层与所述电流限制层之间制备有电流缓冲层。
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