DE112006003384T5

DE112006003384T5 - Oberflächengitter auf VCSELs für Polarisations-Pinning

Info

Publication number: DE112006003384T5
Application number: DE112006003384T
Authority: DE
Inventors: Ralph H. Murphy Johnson; James K. Garland Guenter
Original assignee: Finisar Corp
Current assignee: Finisar Corp
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2026-12-13
Also published as: DE112006003384B4; CN101385207A; US20060239325A1; WO2007070800A3; WO2007070800A2; US8000374B2; US20110306156A1; TW200723625A; US8455279B2; CN101385207B; TWI342647B

Abstract

VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser – oberflächenemittierender Laser), wobei der VCSEL folgendes umfaßt:
einen oberen Spiegel;
ein an den oberen Spiegel gekoppeltes aktives Gebiet;
einen an das aktive Gebiet gekoppelten unteren Spiegel;
eine Gitterschicht, umfassend:
eine durch Abscheidung auf dem oberen Spiegel ausgebildete niedrig brechende Schicht und
eine durch Abscheidung auf der niedrig brechenden Schicht ausgebildete hoch brechende Schicht; und
ein in der Gitterschicht ausgebildetes Gitter.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. DAS ERFINDUNGSGEBIET
Die Erfindung betrifft allgemein die Polarisationssteuerung in VCSELs. Die Erfindung betrifft insbesondere die Verwendung von Gittern zur Polarisationssteuerung.
2. BESCHREIBUNG DES VERWANDTEN STANDS DER TECHNIK
Laser sind nützliche Einrichtungen geworden, wobei die Anwendungen von einfachen Laserpointern, die einen Laserstrahl ausgeben, um die Aufmerksamkeit zu lenken, bis zu modulierten Hochgeschwindigkeitslasern reichen, die sich für das Übertragen von schnellen digitalen Daten über große Entfernungen eignen. Mehrere verschiedene Arten von Lasern existieren zurzeit und finden Nützlichkeit in Anwendungen. Eine Art von Laser ist der Kantenemitterlaser, der entsteht, indem eine Diode von einem Halbleiterwafer abgespalten wird. Durch das Abspalten einer Diode von einem Halbleiterwafer entstehen Spiegel, die einen Laserhohlraum bilden, der durch die Kanten der Laserdiode definiert wird. Kantenemitterlaser können so ausgelegt sein, daß sie einen Laserstrahl von einer der Kanten stärker emittieren als von den anderen Kanten. Etwas Laserenergie wird jedoch an den anderen Kanten emittiert. Kantenemitterlaser werden üblicherweise verwendet, wenn hohe optische Leistung benötigt wird.
Eine zweite Art von gemeinhin verwendetem Laser ist als ein VCSEL bekannt (Vertical Cavity Surface Emitting Laser – oberflächenemittierender Laser). Ein VCSEL wird teilweise dadurch hergestellt, daß ein erster Spiegel aus DBR-Halbleiterschichten (Distributed Bragg Reflector) ausgebildet wird. Bei den DBR-Schichten wechseln sich hohe und niedrige Brechungsindizes ab, so daß der Spiegeleffekt entsteht. Dann wird eine aktive Schicht auf dem ersten Spiegel ausgebildet. Ein zweiter Spiegel wird unter Verwendung von mehr DBR-Halbleiterschichten auf der aktiven Schicht ausgebildet. Somit wird der VCSEL-Laserhohlraum durch einen oberen und unteren Spiegel definiert, was bewirkt, daß ein Laserstrahl von der Oberfläche des Lasers emittiert wird.
Eine im Zusammenhang mit den oben erwähnten VCSELs existierende Herausforderung betrifft die Polarisation von optischen Strahlen. Wenn beispielsweise in Kommunikationsschaltungen polarisiertes Licht von einem Laserbauelement emittiert wird, kann das Licht unter Einsatz verschiedener Arten von Strahlteilern und polarisationsselektiven Filtern gelenkt werden. Die Polarisation in einem VCSEL ändert sich jedoch oftmals von Charge zu Charge und in Abhängigkeit von den Arbeitsbedingungen, unten denen der VCSEL arbeitet. Beispielsweise kann ein VCSEL bei dem einen gegebenen Biasstrom eine Polarisation und bei einem anderen Biasstrom eine andere Polarisation aufweisen. Bei Sensoranwendungen ist es oftmals wichtig, eine konstante Polarisation zu emittieren, weil ein Teil der Erfassungsoperation das Detektieren von Differenzen bei der Polarisation betrifft. Somit wäre es vorteilhaft, die Polarisation in VCSELs effektiv zu pinnen.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine hierin beschriebenen Ausführungsform enthält einen oberflächenemittierenden Laser (VCSEL) mit gepinnter Polarisation. Der VCSEL enthält einen oberen Spiegel. Ein aktives Gebiet ist mit dem oberen Spiegel verbunden. Ein unterer Spiegel ist mit dem aktiven Gebiet verbunden. Eine Gitterschicht ist auf dem oberen Spiegel abgeschieden. Die Gitterschicht enthält eine niedrig brechende Schicht, die durch Abscheidung auf dem oberen Spiegel ausgebildet ist. Die Gitterschicht enthält weiterhin eine hoch brechende Schicht, die durch Abscheidung auf der niedrig brechenden Schicht ausgebildet ist. Ein Gitter wird in der Gitterschicht ausgebildet.
Eine weitere hierin beschriebene Ausführungsform beinhaltet eine alternative Ausführungsform eines VCSEL mit gepinnter Polarisation. Der VCSEL enthält einen oberen Spiegel. Ein aktives Gebiet ist mit dem oberen Spiegel verbunden. Ein unterer Spiegel ist mit dem aktiven Gebiet verbunden. Eine Gitterschicht ist auf dem oberen Spiegel abgeschieden. Ein Gitter wird in der Gitterschicht ausgebildet. Die Gitterschicht besitzt ein Tastverhältnis unter 50%.
Noch eine weitere Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen eines VCSEL mit gepinnter Polarisation. Das Verfahren beinhaltet das Aufwachsen eines unteren Spiegels auf einem Substrat. Ein aktives Gebiet wird auf dem unteren Spiegel aufgewachsen. Ein oberer Spiegel wird auf dem aktiven Gebiet aufgewachsen. Eine Gitterschicht wird auf dem oberen Spiegel abgeschieden. Ein Gitter wird in die Gitterschicht geätzt.
Vorteilhafterweise gestatten die oben beschriebenen Ausführungsformen die Herstellung von VCSELs mit gepinnter Polarisation. Dadurch können die VCSELs in Kommunikations- und Sensorschaltungen verwendet werden, wo unpolarisierte VCSELs zuvor nicht zum Einsatz zur Verfügung standen.
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich vollständig aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen oder können durch die Ausübung der Erfindung, wie im folgenden dargelegt, in Erfahrung gebracht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
Damit die Art und Weise, wie die oben aufgeführten und andere Vorteile und Merkmale der Erfindung erhalten werden, erfolgt eine eingehende Beschreibung der oben kurz beschriebenen Erfindung durch Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen davon, die in den beigefügten Ansprüchen veranschaulicht sind. In dem Verständnis, daß diese Zeichnungen nur typische Ausführungsformen der Erfindung zeigen und deshalb nicht anzusehen sind, daß sie ihren Schutzbereich beschränken, wird die Erfindung mit zusätzlicher Spezifizität und Detail unter Verwendung der beiliegenden Zeichnungen beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1 eine weggeschnittene Ansicht eines VCSEL und eines Gitters;
2 eine detaillierte Ansicht eines VCSEL-Gitters;
3 eine weitere detaillierte Ansicht eines VCSEL-Gitters und
4 noch eine weitere detaillierte Ansicht eines VCSEL-Gitters.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Licht von optischen Komponenten kann als polarisiert oder unpolarisiert beschrieben werden. Unpolarisiertes Licht kann genauer als Licht mit willkürlicher Polarisation gekennzeichnet werden. Licht kann von einem Bauelement wie etwa einem VCSEL in einer beliebigen einer unendlichen Anzahl von Polarisationen zufällig emittiert werden. Die Polarisation kann durch X- und Y-Vektoren oder durch eine Größe und einen Winkel, die die Richtung des elektrischen Feldes beschreiben, im allgemeinen senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung, zum Beispiel Z, gekennzeichnet werden. In einigen Fällen kann das Licht zirkular polarisiert sein, was durch sich ändernde X- und Y-Werte bei der Ausbreitung des Lichts gekennzeichnet werden kann. Wenn Licht in einer Richtung erleichtert wird, während es in einer orthogonalen Richtung blockiert wird, kann polarisiertes Licht erzeugt werden, wobei alles Licht, oder zumindest der größte Teil davon, in einer einzelnen bekannten Polarisationsrichtung emittiert wird. Auf Zinkblende-Substraten wie etwa GaAs mit einer Orientierung von 100 oder von etwa 100 gibt es zwei Polarisationsrichtungen, nämlich entlang der Richtungen (011) und (01-1). Diese verlaufen normalerweise entlang bzw. senkrecht zu der großen flachen Seite. Unter Verwendung von Asymmetrien können Lichtemissionen in einer Richtung erleichtert werden, während sie in der orthogonalen Richtung blockiert werden. Asymmetrien und Gitter können dazu ausgenutzt werden, die Polarisation in einem VCSEL zu pinnen.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 1 wird eine weggeschnittene Ansicht einer VCSEL-Struktur veranschaulicht. Der VCSEL 100 wird aus einer epitaxialen Struktur ausgebildet. Die epitaxiale Struktur kann beispielsweise verschiedene, durch einen Prozeß wie etwa Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder ein anderes entsprechendes Verfahren ausgebildete Schichten enthalten. Das in 1 gezeigte Beispiel veranschaulicht ein GaAs-Substrat 102. Der VCSEL 100 enthält einen durch einen unteren Spiegel 104 und einen oberen Spiegel 106 ausgebildeten Laserhohlraum. Ein unterer Spiegel 104 ist auf dem Substrat 102 aufgewachsen. Der untere Spiegel 104 enthält in diesem Beispiel abwechselnde Schichten aus Materialien mit einem höheren und niedrigeren Brechungsindex. Jede Grenzfläche zwischen Materialien mit einem höheren und niedrigeren Brechungsindex verursacht eine Reflexion. Indem eine entsprechende Anzahl von abwechselnden Schichten verwendet wird, kann somit ein gegebenes Reflexionsvermögen erzielt werden.
Ein oberer Spiegel 106 ist auf einem aktiven Gebiet 108 aufgewachsen. Der obere Spiegel 106 ist ähnlich dem unteren Spiegel 104, weil er allgemein eine Anzahl von Schichten umfaßt, die zwischen einem hohen Brechungsindex und einem niedrigeren Brechungsindex abwechseln. Allgemein besitzt der obere Spiegel 106 weniger Spiegelperioden von abwechselnden hoch brechenden und niedrig brechenden Schichten, um die Lichtemission von der Oberseite des VCSEL 100 zu verstärken.
Zwischen den Spiegeln 104, 106 befindet sich ein aktives Gebiet 108, das Quantenmulden enthält. Das aktive Gebiet 108 bildet einen PN-Übergang, der zwischen dem unteren Spiegel 104 und einem oberen Spiegel 106 geschichtet ist, die derart dotiert sind, daß sie von entgegengesetzten Leitfähigkeitstypen sind (d. h. ein Spiegel vom p-Typ und ein Spiegel vom n-Typ). Bei alternativen Ausführungsformen können die Spiegel undotiert oder dielektrische Spiegel sein. Freie Träger in Form von Löchern und Elektronen werden in die Quantenmulden injiziert, wenn der PN-Übergang durch einen elektrischen Strom in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Bei einem ausreichend hohen Biasstrom bilden die indizierten Minoritätsträger eine Populationsinversion (d. h. eine höhere Konzentration von freien Trägern in dem Leitungsband als Elektronen in dem Valenzband) in den Quantenmulden, die eine optische Verstärkung erzeugen. Optische Verstärkung tritt auf, wenn Photonen im aktiven Gebiet bewirken, daß Elektronen sich vom Leitungsband zum Valenzband bewegen, was zusätzliche Photonen erzeugt. Wenn die optische Verstärkung gleich dem Verlust in den zwei Spiegeln ist, kommt es zu einer Laserschwingung. Die freien Trägerelektronen in der Leitungsband-Quantenmulde werden durch Photonen stimuliert, mit freien Trägerlöchern in der Valenzband-Quantenmulde zu rekombinieren. Dieser Prozeß führt zu der stimulierten Emission von Photonen, d. h. von kohärentem Licht.
Das aktive Gebiet 108 kann auch eine Oxidöffnung 110 enthalten oder nahe dabei ausgebildet sein, die unter Verwendung einer oder mehrerer Oxidschichten 112 ausgebildet ist. Die Oxidöffnung 110 dient sowohl dem Bilden eines optischen Hohlraums als auch zum Lenken des Biasstroms durch das zentrale Gebiet des Hohlraums, der gebildet wird. Zur Bildung der Oxidöffnung 110 wird ein Graben 114 herunter zur Oxidschicht 112 geätzt, um die Oxidschicht 112 freizulegen. Ein Oxid 116 wird dann aufgewachsen, indem die freigelegte Oxidschicht 112 verschiedenen Chemikalien und Bedingungen ausgesetzt wird, um zu verursachen, daß Abschnitte der Oxidschicht 112 oxidieren. Der Brechungsindex des oxidierten Abschnitts 116 wird optisch niedriger, und er wird elektrisch isolierend, um so die Grenzen der Oxidöffnung 110 zu bilden.
Wie in 1 veranschaulicht, kann ein Gitter 122 in einer Gitterschicht 124 auf dem VCSEL 100 zum Steuern der Polarisation enthalten sein. Das Gitter 122 kann über der Oxidöffnung 110 ausgebildet sein, um dem von der Oxidöffnung 110 emittierten Licht den polarisierenden Effekt zu vermitteln. Bei dem gezeigten Beispiel wird eine niedrig brechende Schicht 126 durch einen Abscheidungsprozeß auf einer hoch brechenden Schicht des oberen Spiegels 106 ausgebildet. Eine hoch brechende Schicht 128 wird durch einen Abscheidungsprozeß auf der niedrig brechenden Schicht 126 ausgebildet. Dann wird das Gitter 122 in der hoch brechenden Schicht 128 oder alternativ sowohl in der hoch brechenden Schicht 128 als auch einem Abschnitt der niedrig brechenden Schicht 126 ausgebildet. Bei einer Ausführungsform, wo das Gitter 122 nur in der hoch brechenden Schicht 128 ausgebildet wird, kann die niedrig brechende Schicht 126 als Ätzstopschicht zum Ätzen des Gitters 122 in die hoch brechende Schicht 128 verwendet werden.
Bei einer Ausführungsform sind die hoch brechende Schicht 128 und die niedrig brechende Schicht 126 dünne Schichten, da dünne Schichten bessere Polarisation und optische Übertragungscharakteristiken aufzuweisen scheinen. Die hoch brechende Schicht 128 kann beispielsweise Si oder Si₃N₄ sein. Die niedrig brechende Schicht 126 kann beispielsweise SiO₂ sein. Der Brechungsindex der niedrig brechenden Schicht 126 kann beispielsweise zwischen 1,2 und 2,5 liegen. Der Brechungsindex der hoch brechenden Schicht 128 kann beispielsweise zwischen 1,8 und 5 liegen. Jedenfalls weist die hoch brechende Schicht 128 bei einer Ausführungsform einen Brechungsindex auf, der 0,3 oder größer als der Brechungsindex für die niedrig brechende Schicht 126 ist.
Die Gitter 122 sind so ausgelegt, daß die Reflexion der gewünschten Polarisation maximiert und das Reflexionsvermögen der senkrechten Polarisation minimiert wird, so daß der VCSEL 100 in der Polarisation des höchsten Reflexionsvermögens lasert und in der senkrechten Richtung am Lasern blockiert wird. VCSELs lasern bevorzugt mit Polarisationen in den (110)-Ebenen, so daß es vorteilhaft sein kann, eine der gewünschten Richtungen zu wählen, wenngleich dies nicht erforderlich ist.
2 zeigt eine ausführlichere Ansicht der zur Polarisationssteuerung verwendeten Gitter 122. 2 zeigt ein Gitter 122, das eine Reihe von Vorsprüngen 130 enthält. Die Vorsprünge 130 können in die hoch brechende Schicht 128 geätzt sein, die beispielsweise aus Si oder Si₃N₄ bestehen kann.
Zum Ausbilden des Gitters 122 werden die niedrig brechende Schicht 126 und die hoch brechende Schicht 128 auf einer hoch brechenden Schicht des oberen Spiegels 106 des VCSEL 100 abgeschieden und nicht aufgewachsen, wie die üblicherweise mit den Spiegelschichten in dem oberen Spiegel 106 und dem unteren Spiegel 104 erfolgt (1). Dies kann beispielsweise durch PECVD (Plasma Enhanced Vapour Deposition – plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung), durch Sputtern oder durch Aufdampfen bei einer einigermaßen niedrigen Substrattemperatur erfolgen. Die niedrig brechende Schicht 126 und die hoch brechende Schicht 128 können dünne Schichten sein. Folgendes wird mit Dicken beschrieben, die im Hinblick auf optische Dicken beschrieben sind, so daß eine Wellendicke die Dicke einer ganzen Welle in diesem Material ist. Beispielsweise weist Siliziumnitrid bei 850 nm einen Brechungsindex von etwa 2 auf. Eine Welle von Siliziumnitrid beträgt deshalb 850 nm/2,0 oder 425 nm. Bei einigen Ausführungsformen kann die niedrig brechende Schicht 126 eine wellenoptische Dicke von zwischen 0,04 und 0,18 aufweisen. Eine optische Dicke von etwa 0,1 Wellenlängen für die niedrig brechende Schicht 126 funktioniert in einer Ausführungsform gut. Die hoch brechende Schicht 128 kann bei einigen Ausführungsformen zwischen 0,15 und 0,5 Wellenlängen dick sein. Eine Dicke von etwa 0,25 Wellenlängen scheint bei einem Ausführungsbeispiel gut zu funktionieren. Die kombinierte Dicke aus der niedrig brechenden Schicht 126 und der hoch brechenden Schicht kann bei einer Ausführungsform 0,25 Wellen dick sein. Dies kann erfolgen, um außerhalb des Gitters ein Gebiet mit niedrigem Reflexionsvermögen herzustellen, wo es nicht geätzt wird, um eine Modussteuerung bereitzustellen. Beispiele davon sind in dem US-Patent 5,940,422 mit dem Titel „Laser With Improved ModeControl" dargestellt, das hier in seiner Gänze aufgenommen ist.
Die hoch brechende Schicht 128 wird dann geätzt, wobei bei einer Ausführungsform direktschreibende Elektronenstrahllithographie verwendet wird. Die direkt schreibende Elektronenstrahllithographie beinhaltet das Abscheiden einer Elektronenstrahl-Lackschicht auf einer zu ätzenden Oberfläche. Ein Elektronenstrahl wird dann zum Belichten des Lacks verwendet. Der Elektronenstrahl kann größtenteils auf die gleiche Weise gesteuert werden, wie Elektronen in einem herkömmlichen Kathodenstrahlröhren-Fernsehgerät gesteuert werden. Der Elektronenstrahl wird verwendet, um ein Gebiet zu strukturieren, das geätzt werden wird, wobei die Vorsprünge 130 zurückbleiben. Eine reaktive Innenätzung (RIE – Reactive Ion Etch) oder eine andere entsprechende Ätzung wird dann verwendet, um Abschnitte der hoch brechenden Schicht 128 zu ätzen, um das Gitter 122 herzustellen. Bei einer Ausführungsform kann eine Stopschicht verwendet werden, die die hoch brechende Schicht selektiv ätzt, aber an der niedrig brechenden Schicht 126 anhält. Bei dieser Ausführungsform kann die hoch brechende Schicht 128 Si₃N₄ und die niedrig brechende Schicht 126 SiO₂ sein.
Die Vorsprünge 130 sind periodisch ausgebildet. Beispielsweise können die Vorsprünge entsprechend einer Periode 132 ausgebildet sein. Die Periode kann beispielsweise im Bereich von etwa 1 bis 2 Wellenlängen des Lasers bei Messung in Luft betragen. Diese Periode gestattet preiswerte Photolithographie und behält dabei eine adäquate Unterscheidung zwischen den zwei konkurrierenden orthogonalen Polarisationen bei.
Die Vorsprünge 130 können auch entsprechend einem bestimmten Tastverhältnis geätzt werden. Das Tastverhältnis ist die Breite 134 der Vorsprünge bezüglich einer Periode 132. Das Tastverhältnis sollte weniger als 50% betragen, wenngleich über 50% immer noch funktioniert. Insbesondere kann das Tastverhältnis irgendwo zwischen 10% und 60% liegen. Eine Ausführungsform funktioniert besonders gut mit einem Tastverhältnis von 30%.
Es werden nun verschiedene alternative Ausführungsformen in Verbindung mit 2 beschrieben. Es kann bevorzugt werden, für die hoch brechende Schicht 128 und die niedrig brechende Schicht 126 dünne Schichten zu verwenden. Beispielsweise kann bei einer einen 850-nm-VCSEL darstellenden Ausführungsform die niedrig brechende Schicht 126 70 nm SiO₂ umfassen. Die hoch brechende Schicht 128 kann eine 100-nm-Schicht aus Si₃N₄ umfassen. Die Periode 132 der Vorsprünge 130 kann beispielsweise zwischen 1 und 2 Mikrometer betragen. Es kann vorteilhaft sein, zur leichteren Herstellung die Periode zu maximieren. Wenngleich die Periode 132 bei 1 bis 2 Mikrometern dargestellt ist, können auch andere Werte verwendet werden. Jedoch bei etwa 750 nm legt der aufgrund von Resonanz auftretende Verlustfaktor, ein Maß für den Verlust einer Polarisation bezüglich der orthogonalen Polarisation, nahe, daß Perioden um diesen Wert vermieden werden sollten. Selbst in dem Bereich 1 bis 2 Mikrometer tritt eine andere Resonanz bei etwa 1690 nm auf. Der Verlustfaktor bleibt jedoch immer noch signifikant. Bei einer 1690-nm-Periode 132 kann ein gewisser Verlust an Reflexionsvermögen der höher reflektierten Polarisation vorliegen. Dies kann dadurch kompensiert werden, daß in dem oberen Spiegel 106 mehr DBR-Perioden hinzugefügt werden.
Bei dem in 2 gezeigten Beispiel, wo der VCSEL ein 850-nm-VCSEL ist, kann das Tastverhältnis der Vorsprünge 130 etwa 30% betragen. Mit anderen Worten beträgt die Breite 134 des Vorsprungs 130 30% der Periode 132. Andere Tastverhältnisse können erfolgreich verwendet werden, wie etwa zwischen 10% und 60%. Unter 50% jedoch und bei etwa 30% scheint bei oder nahe dem optimalen Tastverhältniswert zu sein.
Für einen 1280-nm-VCSEL kann die niedrig brechende Schicht 126 65 nm SiO₂ sein. Die hoch brechende Schicht 128 kann 220 nm Si₃N₄ sein. Die Periode 132 kann etwa 1,3 bis 2,4 Mikrometer betragen. In dem Fall 1280 nm kann die Resonanz bei einer 1280-nm-Periode 132 auftreten, und deshalb sollten Perioden um diesen Wert herum vermieden werden. Die Periode 132 kann beispielsweise zwischen 1600 nm und 2300 nm betragen. Wenngleich andere Perioden verwendet werden können, ist es schwierig, Perioden unter 850 nm unter Verwendung des Ätzprozesses zu drucken. Über 2400 nm wird die Differenz beim Reflexionsvermögen zwischen den zwei orthogonalen Polarisationen schwächer, was es erschwert, die Polarisation zu erzielen.
Bei einer alternativen Ausführungsform eines 850-nm-VCSEL kann die niedrig brechende Schicht 126 40 nm SiO₂ sein. Die hoch brechende Schicht 128 kann 75 nm Si sein. Bei diesem Beispiel beträgt die Periode 132 immer noch etwa 1 bis 2 Mikrometer und das Tastverhältnis etwa 30%.
Bei dem in 2 gezeigten Beispiel kann die niedrig brechende Schicht 126 auch als eine Passivierung für den VCSEL 100 verwendet werden (1). In der Regel können sich III–V-Halbleiter wie etwa GaAs und AlGaAs zersetzen, wenn sie offener Luft ausgesetzt werden. Durch Passivieren der Halbleitermaterialien mit einer Schicht wie etwa SiO₂ kann die Zersetzung verlangsamt oder ganz verhindert werden. Wenn die niedrig brechende Schicht 126 auch als eine Ätzstopschicht bei dem Gitterausbildungsätzprozeß verwendet wird, kann somit die niedrig brechende Schicht 126 als Passivierung für den VCSEL 100 verwendet werden (1).
Nunmehr unter Bezugnahme auf 3 wird eine alternative Ausführungsform eines 850-nm-VCSEL-Gitters 122 dargestellt. Bei dem in 3 gezeigten Beispiel ist die niedrig brechende Schicht 126 etwa 70 nm SiO₂ und die hoch brechende Schicht 128 etwa 100 nm Si₃N₄. Bei diesem Beispiel wird das Ätzen der Vorsprünge 130 unter Verwendung eines zeitlich gesteuerten Ätzsystems durchgeführt, wo das Ätzmittel sowohl in die hoch brechende Schicht 128 als auch in die niedrig brechende Schicht 126 ätzt. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform erfolgt das Ätzen derart, daß etwa 50 nm der niedrig brechenden Schicht 126 auf dem oberen VCSEL-Spiegel 106 zurückbleibt. Diese 50-nm-Schicht kann als Passivierungsschutz für den oberen VCSEL-Spiegel 106 dienen. Wie bei den zuvor hierin dargestellten Beispielen beträgt die Periode etwa 1 bis 2 Mikrometer. Außerdem beträgt das Tastverhältnis oder die Breite des Vorsprungs 134 im Vergleich zur Periode 132 etwa 30%.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 4 wird eine Ausführungsform dargestellt, wo das Gitter 122 Silizium verwendet, wie etwa amorphes oder polykristallines Silizium. Bei diesem Beispiel wird Silizium (Si) als die hoch brechende Schicht 128 auf einer niedriger brechenden Schicht 126 verwendet, die beispielsweise SiO₂ oder Si₃N₄ sein kann. Si weist einen viel höheren Brechungsindex als Si₃N₄ auf. Der Brechungsindex für Si kann je nach der Abscheidung und Wellenlänge 3,2 bis 4,3 betragen. Si-Gitter können als solche dünner sein als andere Arten von Gittern. Weiterhin steigert eine durch Verwendung von Silizium erhöhte Differenz beim Brechungsindex die reflektive Differenz zwischen den beiden konkurrierenden Polarisationen. 4 veranschaulicht weiterhin die Verwendung einer SiO₂-Deckschicht 136. Die Deckschicht 136 kann beispielsweise eine 1/4 λ sein. Bei dem gezeigten Beispiel beträgt die hoch brechende Si-Schicht 128 50 nm. Die niedrig brechende SiO₂-Schicht beträgt 40 nm. Die Periode 132 beträgt 1 bis 2 Mikrometer. Und das Tastverhältnis beträgt 30%.
Hierin beschriebene Ausführungsformen können weiter optimiert werden, um den Einmodenzustand des VCSEL 100 zu fördern. Wenn das Gitter 122 im wesentlichen kreisförmig über der Öffnung 110 ausgebildet wird und wenn die Gitterschicht 124 eine Dicke aufweist, um wie eine Antireflexbeschichtung (AR) außerhalb des kreisförmigen Gebiets des Gitters 122 zu wirken, ist der Grundmodus ausgewählt.
Die vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen verkörpert werden, ohne von ihrem Gedanken oder ihrer essentiellen Charakteristik abzuweichen. Die beschriebenen Ausführungsformen sollen in jeglicher Hinsicht als illustrativ und nicht restriktiv angesehen werden. Der Schutzbereich der Erfindung wird somit durch die beigefügten Ansprüche anstatt durch die vorausgegangene Beschreibung angegeben. Alle Änderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Bereichs der Äquivalenz der Ansprüche liegen, sollen innerhalb ihres Schutzbereichs eingeschlossen sein.
Zusammenfassung
Ein VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser – oberflächenemittierender Laser) mit gepinnter Polarisation. Ein VCSEL, der so ausgelegt ist, daß seine Polarisation gepinnt ist, enthält einen oberen Spiegel. Ein aktives Gebiet ist auf dem oberen Spiegel verbunden. Ein unterer Spiegel ist mit dem aktiven Gebiet verbunden. Eine Gitterschicht ist zu dem oberen Spiegel abgeschieden. Die Gitterschicht enthält eine durch Abscheidung auf dem oberen Spiegel ausgebildete niedrig brechende Schicht. Die Gitterschicht enthält weiterhin eine durch Abscheidung auf der niedrig brechenden Schicht ausgebildete hoch brechende Schicht. Ein Gitter ist in der Gitterschicht ausgebildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5940422 [0024]

Claims

VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser – oberflächenemittierender Laser), wobei der VCSEL folgendes umfaßt: einen oberen Spiegel; ein an den oberen Spiegel gekoppeltes aktives Gebiet; einen an das aktive Gebiet gekoppelten unteren Spiegel; eine Gitterschicht, umfassend: eine durch Abscheidung auf dem oberen Spiegel ausgebildete niedrig brechende Schicht und eine durch Abscheidung auf der niedrig brechenden Schicht ausgebildete hoch brechende Schicht; und ein in der Gitterschicht ausgebildetes Gitter.
VCSEL nach Anspruch 1, wobei die niedrig brechende Schicht und die hoch brechende Schicht dünne Schichten sind.
VCSEL nach Anspruch 1, wobei das Gitter ein Tastverhältnis von unter etwa 50% aufweist.
VCSEL nach Anspruch 1, wobei die niedrig brechende Schicht als eine Stopätzung wirkt, wenn das Gitter in der hoch brechenden Schicht ausgebildet wird.
VCSEL nach Anspruch 1, wobei das Gitter sowohl in der hoch brechenden Schicht als auch in der niedrig brechenden Schicht ausgebildet wird.
VCSEL nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Abschnitt der niedrig brechenden Schicht nicht geätzt wird, um der Oberfläche des oberen Spiegels eine Passivierung zu geben.
VCSEL nach Anspruch 1, wobei der obere Spiegel ein Halbleiterspiegel ist.
VCSEL nach Anspruch 1, wobei die niedrig brechende Schicht einen Brechungsindex zwischen 1,2 und 2,5 aufweist.
VCSEL nach Anspruch 1, wobei die hoch brechende Schicht einen Brechungsindex zwischen 1,8 und 5 aufweist.
VCSEL nach Anspruch 1, wobei die niedrig brechende Schicht eine optische Dicke zwischen 0,04 und 1,8 Welle aufweist.
VCSEL nach Anspruch 1, wobei die hoch brechende Schicht eine optische Dicke von zwischen 0,15 und 0,5 Welle aufweist.
VCSEL nach Anspruch 1, wobei die niedrig brechende Schicht SiO₂ umfaßt.
VCSEL nach Anspruch 1, wobei die hoch brechende Schicht mindestens eines von Si und Si₃N₄ umfaßt.
VCSEL nach Anspruch 1, wobei die Gitterschicht mit einer Dicke ausgelegt ist, daß sie als eine Antireflexbeschichtung außerhalb eines das Gitter umfassenden Gebiets wirkt.
VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser – oberflächenemittierender Laser), wobei der VCSEL folgendes umfaßt: einen oberen Spiegel; ein an den oberen Spiegel gekoppeltes aktives Gebiet; einen an das aktive Gebiet gekoppelten unteren Spiegel; eine auf dem oberen Spiegel abgeschiedene Gitterschicht und ein in der Gitterschicht ausgebildetes Gitter, wobei die Gitterschicht ein Tastverhältnis unter 50% aufweist.
VCSEL nach Anspruch 15, wobei die Gitterschicht eine an den oberen Spiegel gekoppelte niedrig brechende Schicht und eine an die niedrig brechende Schicht gekoppelte hoch brechende Schicht umfaßt.
VCSEL nach Anspruch 16, wobei die niedrig brechende Schicht und die hoch brechende Schicht dünne Schichten sind.
Verfahren zum Herstellen eines VCSEL, wobei das Verfahren folgendes umfaßt: Aufwachsen eines unteren Spiegels auf einem Substrat; Aufwachsen eines aktiven Gebiets auf dem unteren Spiegel; Aufwachsen eines oberen Spiegels auf dem aktiven Gebiet; Abscheiden einer Gitterschicht auf dem oberen Spiegel und Ätzen eines Gitters in die Gitterschicht.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Abscheiden einer Gitterschicht auf dem oberen Spiegel folgendes umfaßt: Abscheiden einer niedrig brechenden Schicht auf dem oberen Spiegel und Abscheiden einer auf der niedrig brechenden Schicht ausgebildeten hoch brechenden Schicht.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Abscheiden einer Gitterschicht auf dem oberen Spiegel folgendes umfaßt: Abscheiden einer dünnen niedrig brechenden Schicht auf dem oberen Spiegel und Abscheiden einer dünnen auf der niedrig brechenden Schicht ausgebildeten hoch brechenden Schicht.