TW201409881A - 可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射 - Google Patents

可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射 Download PDF

Info

Publication number
TW201409881A
TW201409881A TW101130064A TW101130064A TW201409881A TW 201409881 A TW201409881 A TW 201409881A TW 101130064 A TW101130064 A TW 101130064A TW 101130064 A TW101130064 A TW 101130064A TW 201409881 A TW201409881 A TW 201409881A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
distributed bragg
bragg mirror
emitting laser
cavity surface
region
Prior art date
Application number
TW101130064A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI474569B (zh
Inventor
jin-wei Xu
Ying-Jie Yang
Original Assignee
jin-wei Xu
Ying-Jie Yang
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by jin-wei Xu, Ying-Jie Yang filed Critical jin-wei Xu
Priority to TW101130064A priority Critical patent/TW201409881A/zh
Priority to US13/666,302 priority patent/US20140050240A1/en
Publication of TW201409881A publication Critical patent/TW201409881A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI474569B publication Critical patent/TWI474569B/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H01S5/18316—Airgap confined
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/17—Semiconductor lasers comprising special layers
    • H01S2301/176—Specific passivation layers on surfaces other than the emission facet
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0425—Electrodes, e.g. characterised by the structure
    • H01S5/04254—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the shape
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0425—Electrodes, e.g. characterised by the structure
    • H01S5/04256—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the configuration
    • H01S5/04257—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the configuration having positive and negative electrodes on the same side of the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H01S5/18322—Position of the structure
    • H01S5/18327—Structure being part of a DBR
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H01S5/18322—Position of the structure
    • H01S5/1833—Position of the structure with more than one structure
    • H01S5/18333—Position of the structure with more than one structure only above the active layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18341—Intra-cavity contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2054—Methods of obtaining the confinement
    • H01S5/2059—Methods of obtaining the confinement by means of particular conductivity zones, e.g. obtained by particle bombardment or diffusion
    • H01S5/2072—Methods of obtaining the confinement by means of particular conductivity zones, e.g. obtained by particle bombardment or diffusion obtained by vacancy induced diffusion

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

一種可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射，具有經由蝕刻程序沿著側壁處部分去除VCESL之鋁複合層而形成一在發光區上方或下方之下切結構(Undercut Structure)，以及經由摻雜擴散製程將分佈式布拉格反射鏡(DBR)頂部中央區域周圍不同組成之多晶層(Multi-Layer)選擇性地呈非序排列(Disorder)為單一組成之單晶層(Single Layer)而形成一低反射率之擴散結構，俾使該分佈式布拉格反射鏡成為可控制光學模態數目之DBR反射鏡。因此，具有優越之動態性能，包括低功耗、最大之運轉速度及高資料傳輸速率與功率消耗之比值，可實現極大D-係數(~13.5 GHz/mA1/2)、在34 Gbit/s操作之最低能量與資料比率(EDR：140 fJ/bit)、以及無誤差傳輸在0.8公里之OM4多模光纖在25 Gbit/s操作之最低能量與資料距離比(EDDR：175.5 fJ/bit.km)。

Description

可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射
本發明係有關於一種可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射，尤指涉及一種操作在850奈米(nm)波長之高速(40 Gbit/s)與超低功耗性能之垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers,VCSEL)，特別係指經由使用蝕刻程序而在發光區(Active Region)上方或下方形成一下切結構(Undercut Structure)，以及經由摻雜擴散製程將分佈式布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector,DBR)頂部中央區域周圍不同組成之多晶層(Multi-Layer)選擇性地呈非序排列(Disorder)為單一組成之單晶層(Single Layer)而形成一低反射率之擴散結構，藉此可在VCSEL腔內操控光學模態之數目，並減低電阻，可改進D-係數與最大調變速度，使得電-光頻寬以及在OM4光纖產生位元率傳輸距離達到最大值之裝置者。
高速、高效率與低功耗操作在850 nm或1000 nm波長附近之垂直共振腔面射型雷射(VCSELs)，由於可適用於光連結技術(Optical Interconnects,OI)，因此在最近已吸引許多人注意。與文獻之邊射型(Edge-Emitting)分佈反饋(Distributed Feed-Back,DFB)雷射以習知技術之動態性能在1.3微米(μm)波長之光連結應用相比，850 nm或1000 nm之VCSELs在大於25 Gbit/sec之操作下，其功耗大約僅有1/10。
此高速VCSEL在操作時之功率消耗係有二個必需之重要參數作為評估，分別為電流調變效率(D-係數)以及臨限電流(Ith)。在一大D-係數與一小Ith之下，係可讓較少偏壓電流達成較高之調變速度；換言之，即在高速VCSEL操作下能有較少電能消耗。
為進一步改進高速VCSEL之性能，減少所需之功耗(Ith)並增加VCSELs之D-係數，目前技術有兩種主要發展趨勢：其一係使用有壓縮應力之多重量子井(Multiple Quantum Wells,MQWs)增加發光層之微分增益並改善D-係數性能；且為進一步提升VCSEL之調變速度，多重氧化層通常被採用於進一步減少氧化侷限型VCSEL之高寄生電容，因此另一種方法係大量縮小氧化孔徑尺寸以減小臨限電流。最近，藉由縮小氧化孔徑直徑至大約2 μm，最低能量與資料比率(Energy-to-Data Ratio,EDR)之850 nm單模態VCSELs已被證明能在17 Gbit/sec之室溫下操作(83 fJ/bit)。然而，與文獻高性能850 nm之VCSEL較大之氧化孔徑(約6 μm)相比，可發現其最大3-dB電-光頻寬(Electrical-to-Optical,E-O)係明顯降低(23 vs 13 Gbit/sec)。這種降低之速度性能可能歸因於大幅度增加VCSEL之微分電阻(約570 O)，由於這種小氧化孔徑(約2 μm)與單模態輸出導致空間電洞燒毀效應(Spatial Hole Burning Effect)及鬆弛振盪(Relaxation Oscillation,RO)頻率進而限制電-光頻寬。並且，當其電流侷限氧化孔徑進一步縮小尺度時，在發光區這些層上之應力可能降低VCSEL之可靠度。另外，在VCSEL之分佈式布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector,DBR)結構頂面之絕緣層應該會增 加VCSELs之電阻、導通電壓及電能消耗量，並且在高溫操作時限制其高速性能。
鑑於最終縮減高速VCSELs之氧化(電流侷限)孔徑大小雖係一最有效之方式，可以減少高速運轉時之功耗；然而，這種微型化氧化孔徑(約2 μm直徑)在VCSELs將會導致一偏高之微分電阻、光學單模輸出、以及一較小之輸出功率(<1 mW)。基於上述這些特性嚴重限制其最大之電-光頻寬與設備之可靠度，故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種操作在850 nm波長之高速(40 Gbit/s)與超低功耗性能之垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)，通過下切結構與擴散結構之使用，不僅可以放寬對於電流侷限孔徑縮小之要求而得到高速與低功耗性能，亦可以操控腔內之光學模數而得到最大化之電-光頻寬並產生在OM4光纖之最大傳輸距離。
本發明之次要目的係在於，提供一種具有優越之動態性能與一約5 μm直徑之電流侷限孔徑以及最佳化之鋅擴散深度之VCSEL裝置。
本發明之另一目的係在於，提供一種可實現極大D-係數(~13.5 GHz/mA1/2)、在34 Gbit/s操作之最低能量與資料比率(EDR：140 fJ/bit)、以及無誤差傳輸在0.8公里之OM4多模光纖在25 Gbit/s操作之最低能量與資料距離比(EDDR：175.5 fJ/bit.km)之VCSEL裝置。
為達以上之目的，本發明係一種可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射，係包括：一基板；以及一外延層結構，係堆疊於該基板上，其包含一第一分佈式布拉格反射鏡、一堆疊於該第一分佈式布拉格反射鏡上之發光區、及一堆疊於該發光區上之第二分佈式布拉格反射鏡，該發光區具有一下切結構，該下切結構係位於選自於該發光區上方或下方所組成之群組之位置，而該下切結構係在鋁(Al)複合層部分側邊蝕刻有一中央之電流侷限區域，且該鋁複合層中含有第三族元素之鋁超過20%，其中，該第二分佈式布拉格反射鏡係包含一擴散結構，該擴散結構係位於該第二分佈式布拉格反射鏡頂面中央區域周圍經由摻雜擴散製程而將不同組成之多晶層選擇性地呈非序排列為單一組成之單晶層，俾使該第二分佈式布拉格反射鏡成為可控制光學模態數目之DBR反射鏡。
於一較佳實施例中，上述第一分佈式布拉格反射鏡係為n型分佈式布拉格反射鏡(n-DBR)，且該第二分佈式布拉格反射鏡係為p型分佈式布拉格反射鏡(p-DBR)。
於一較佳實施例中，上述第一分佈式布拉格反射鏡係為p型分佈式布拉格反射鏡，且該第二分佈式布拉格反射鏡係為n型分佈式布拉格反射鏡。
於一較佳實施例中，上述鋁複合層在周圍區域部分轉化為氧化層，而其中央區域保持不變，並經由選擇性蝕刻去除該氧化層而取得該下切結構及該電流侷限區域。其中，該氧化層之移除係使用一種選擇性蝕刻液來蝕刻形成該下切結構及該電流侷限區域。
於一較佳實施例中，上述電流侷限區域係為環形區域，具有一小於5μm之直徑。
於一較佳實施例中，上述基板係為半絕緣半導體，並可進一步選自於砷化鎵(Gallium Arsenide,GaAs)、磷化銦(Indium Phosphide,InP)、氮化鋁(Aluminum Nitride,AIN)、氮化銦(Indium Nitride,InN)及矽(Si)所組成之群組。
於一較佳實施例中，上述發光區係可由化合物半導體及其合金材料構成之異質接面，並進一步可為砷化鋁銦鎵/砷化鋁鎵(InAlGaAs/AlGaAs)。
於一較佳實施例中，上述發光區係包含三InAlGaAs/AlGaAs所組成之多重量子井(MQWs)結構，其係夾置於由磊晶成長之第一分佈式布拉格反射鏡層與第二分佈式布拉格反射鏡層之間。
於一較佳實施例中，上述第二分佈式布拉格反射鏡、該發光區及部分之第一分佈式布拉格反射鏡之側邊係由該隔絕層所包圍。
於一較佳實施例中，上述第二分佈式布拉格反射鏡頂面中央區域周圍之擴散結構，其深度範圍係介於0.5~3.0μm之間。
於一較佳實施例中，上述第二分佈式布拉格反射鏡頂面中央區域之多晶層狀態，其直徑範圍係介於3~12μm之間。
於一較佳實施例中，上述第二分佈式布拉格反射鏡頂面中央區域周圍之擴散結構係經由摻雜第二、四或六族元素擴散製程，將該第二分佈式布拉格反射鏡頂面中央區域周圍之多晶層狀態選擇性地轉變為非序排列狀後形成單一晶層狀態。
於一較佳實施例中，上述第二分佈式布拉格反射鏡頂面中央區域周圍之擴散結構係經由摻雜鋅(Zn)或鎂(Mg)元素擴散製程，將該第二分佈式布拉格反射鏡頂面中央區域周圍之多晶層狀態選擇性地轉變為非序排列狀後形成單一晶層狀態。
請參閱『第1圖及第2圖』所示，係分別為本發明可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射之結構剖面示意圖、以及本發明可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射之結構俯視示意圖。如圖所示：本發明係一種可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)100，至少包括一基板10、一外延層結構20、一隔絕層(Bisbenzocyclobutene,BCB)30、一N型接面(N Contact)40、一P型接面(P Contact)50、一N型金屬電極(Metal Pad)60及一P型金屬電極70所組成，具有經由使用蝕刻程序沿著側壁處形成一在發光區上方至少達100 nm以上之下切結構(Undercut Structure)24，以及經由摻雜擴散製程將分佈式布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector,DBR)頂部中央區域周圍不同組成之多晶層(Multi-Layer)選擇性地呈非序排列(Disorder)為單一組成之單晶層(Single Layer)而形成一在發光區上方之擴散結構231。
該基板10係可選自於砷化鎵(Gallium Arsenide,GaAs)、磷化銦(Indium Phosphide,InP)、氮化鋁(Aluminum Nitride,AIN)、氮化銦(Indium Nitride,InN)及矽(Si)所組成之群組。
該外延層結構20係堆疊於該基板10上，其包含一第一分佈式布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector,DBR)21、一堆疊於該第一分佈式布拉格反射鏡21上之發光區(Active Region)22、及一堆疊於該發光區22上之第二分佈式布拉格反射鏡23，該發光區22係進一步可為夾置於該第一分佈式布拉格反射鏡21及該第二分佈式布拉格反射鏡23之間之多重量子井(MQWs)結構，且該多重量子井結構係可由化合物半導體及其合金材料構成之異質接面，之後成長外延層結構20，經由化學蝕刻形成一凸型平台式結構25，且該凸型平台式結構25包含部分之第一分佈式布拉格反射鏡21、該發光區22、該第二分佈式布拉格反射鏡23、及該下切結構24，該下切結構24係位於該發光區22上方而無接觸該發光區22；並且，該下切結構24最初係成長鋁(Al)複合層，然後部分側邊蝕刻而定義有一中央之電流侷限區域241，其具有一小於5μm之直徑，而該鋁複合層中係含有第三族元素之鋁超過20%者；另外，該下切結構24亦可經由氧化程序與蝕刻程序形成，其與該發光區22之間係具有至少100nm以上距離。而該第二分佈式布拉格反射鏡23係包含該擴散結構231，該擴散結構231係位於該第二分佈式布拉格反射鏡23頂面中央區域周圍經由摻雜擴散製程而將不同組成之多晶層選擇性地呈非序排列為單一組成之單晶層狀態，俾使該第二分佈式布拉格反射鏡23成為可控制光學模態數目之DBR反射鏡。
該隔絕層30具有一光源射出孔301，係從該光源射出孔301兩端延伸並以包圍該第二分佈式布拉格反射鏡23 、該發光區22及部分之第一分佈式布拉格反射鏡21，使該下切結構24介於此隔絕層30兩端延伸包圍所定義之區間內，俾供該光源射出孔301之中心係對正中央之電流侷限區域241。其中，該隔絕層30係由該第二分佈式布拉格反射鏡23、該發光區22及部分之第一分佈式布拉格反射鏡21之側邊包圍。
該N型接面40係埋設於該隔絕層30中並位於該隔絕層30與該第一分佈式布拉格反射鏡21介面上。
該P型接面50係埋設於該隔絕層30中並位於該隔絕層30與該第二分佈式布拉格反射鏡23介面上。
該N型金屬電極60係形成於該隔絕層30上並於該隔絕層30內具有一貫穿孔洞61而與該N型接面40電性連接。
該P型金屬電極70係形成於該隔絕層30上並於該隔絕層30內具有一貫穿孔洞71而與該P型接面50電性連接。
上述發光區22係夾置於由磊晶成長之第一分佈式布拉格反射鏡層21與第二分佈式布拉格反射鏡層23之間。
上述下切結構24亦可位於選自於該發光區22下方所組成之群組之位置。
上述第一分佈式布拉格反射鏡21係為n型分佈式布拉格反射鏡(n-DBR)，且該第二分佈式布拉格反射鏡23係為p型分佈式布拉格反射鏡(p-DBR)；亦或，該第一分佈式布拉格反射鏡21係為p型分佈式布拉格反射鏡，且該第二分佈式布拉格反射鏡23係為n型分佈式布拉格反射鏡。
當運用時，本發明製備之裝置100係具有一26 μm直徑之環形區域，如第2圖所示，其可與一共面波導(Co-Planar Waveguide,CPW)墊片整合用在直接晶圓(On-Wafer)高速測量上。
在一較佳實施例中，上述鋁複合層係部分轉化為氧化層，而其中央區域保持不變，並經由選擇性蝕刻製程，去除該氧化層而取得該下切結構24及該電流侷限區域241。
在一較佳實施例中，上述第二分佈式布拉格反射鏡23、該發光區22及部分之第一分佈式布拉格反射鏡21之側邊係由該隔絕層30所包圍，且該隔絕層30兩端延伸包圍所定義之區間範圍係為26 μm。
於一較佳實施例中，上述第二分佈式布拉格反射鏡23頂面中央區域之多晶層狀態，其直徑範圍係介於3~12 μm之間，其中，當使用於單模光纖時，其直徑範圍係介於3~6 μm之間，當使用於多模光纖時，其直徑範圍則介於6~12 μm之間，而該第二分佈式布拉格反射鏡23頂面中央區域周圍之擴散結構231，其深度範圍係介於0.5~3.0 μm之間；並且，此擴散結構231係經由摻雜擴散鋅(Zn)、鎂(Mg)、亦或第二、四或六族元素而選擇性地呈非序排列狀者。此外，該第二分佈式布拉格反射鏡23頂面中央區域周圍之擴散結構231，其係位於該發光區22上方並無接觸該發光區22，如第1圖所示。
在一較佳實施例中，上述外延層結構20係生長在一個半絕緣GaAs基板10上，下方之第一分佈式布拉格反射鏡層21為30對交替之Al0.9Ga0.1As/Al0.12Ga0.88As，且中間之發光區 22包含三個In0.15Al0.1Ga0.75As/Al0.3Ga0.7As所組成之多重量子井結構，該發光區22(MQWs)之上至少100nm以上距離更有一Al0.98Ga0.02As層作為該下切結構24，以及上方之第二分佈式布拉格反射鏡層23為20對交替之Al0.9Ga0.1As/Al0.12Ga0.88As。
本發明所揭露為具有第三族成分之850 nm垂直共振腔面射型雷射量子井結構，可達到0.15銦莫耳分率與50 Å井道寬度；同時，該井層結構在晶格常數(應力)上並無明顯影響。因此，本發明之應變VCSEL在靜態或動態性能以及晶圓之一致性上有更加顯著之改進。
於前述實施例中，本發明之下切結構24係於該多重量子井結構上方以Al0.98Ga0.02As實現，此Al0.98Ga0.02As層於氧化過程部分橫向轉變成氧化物AlxO1-x層後，該AlxO1-x層(即氧化層)將經由一氧化層蝕刻液進行蝕刻去除。由於該緩衝氧化層蝕刻液在Al0.98Ga0.02As層與AlxO1-x層之間之蝕刻速率中擁有一非常好之選擇性，可以很容易地在過程中形成具有小於5 μm之電流侷限區域之該下切結構24。
請參閱『第3圖及第4圖』所示，係分別為本發明以第一實施例裝置在不同偏壓電流下量測之光譜示意圖、及本發明以第二實施例裝置在不同偏壓電流下量測之光譜示意圖。如圖所示：本發明以兩種不同幾何尺寸(第一實施例與第二實施例)之鋅擴散結構實現在垂直共振腔面射型雷射頂端之分佈式布拉格反射鏡中，由於分佈式布拉格反射鏡在鋅擴散以後之結構係呈非序排列狀，因此可進一步降低裝置電阻。此外，本發明 亦可以控制鋅擴散深度以操控光學模態在腔內之數量，使其在傳輸速度上能有顯著之影響。
在第一實施例裝置中(如第3圖所示)，鋅擴散孔徑之直徑與深度分別為6 μm及~1 μm。該6 μm鋅擴散孔徑與一大於1.5 μm之擴散深度將確保在850奈米VCSEL一穩定單模態輸出性能。在高速資料傳輸期間，單模輸出可能減少在光纖之模態色散，並且有益於產生傳輸距離之位元率。因此本發明在第一實施例裝置中採用鋅擴散深度小於1 μm，以避免純單模態性能及最大調變速度與光纖傳輸距離之間之平衡取捨。另一方面，為了進一步降低VCSEL之微分電阻並提高RC侷限之頻寬，需要一更大之鋅擴散深度(時間)。在第二實施例裝置中(如第4圖所示)，為避免純單模態輸出性能，本發明採用鋅擴散孔徑1.5 μm之深度，但具有一10 μm之較大直徑。因此可以預期第二實施例裝置比第一實施例裝置有較小之微分電阻。
整體來說，該第一、二實施例裝置在6 mA之偏壓電流下，實現了低於140歐姆(O)之微分電阻。對於大於25 Gbit/sec操作，這種數值係比高速VCSEL典型之文獻值小。經由第3、4圖顯示第一、二實施例裝置分別在0.6 mA、1 mA、2 mA及4 mA等不同偏壓電流下測得之光譜曲線80、81、82及83可知，在一個非常小之偏壓電流(I<0.6 mA)下，這兩種裝置顯示(近似)單模行為。另一方面，當偏壓電流進一步增加時，第一、二實施例裝置即表現出多模特性，且第二實施例裝置由於有較大之鋅擴散孔徑直徑，因此具有大量之光學模態模數。此外，在相同之資料傳輸率(25 Gbit/sec)下，第一 實施例裝置之無誤差傳輸距離為0.8公里，而第二實施例裝之無誤差傳輸距離為0.1公里，顯示第一實施例裝置較第二實施例裝置具有更長之無誤差傳輸距離，傳輸速度較高，能傳送距離較遠。
本發明展示一種新穎結構，操作在850 nm波長之高速(40 Gbit/s)與超低功耗性能之垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)，具有下切結構與擴散結構可克服傳統VCSEL之微型尺寸氧化孔徑之限制。在本發明之VCSEL結構中通過選擇性去除單氧化層，已證明可減少寄生電容並改進D-係數與最大調變速度。此外，為進一步降低裝置電阻，在DBR反射鏡頂部應用鋅擴散技術，可在VCSEL腔內操控光學模態之數目，並使電-光頻寬以及在OM4光纖產生位元率傳輸距離達到最大值。顯示VCSEL之最新穎動態性能與一約5 μm直徑之電流侷限孔徑以及最佳化之鋅擴散深度已被證明。通過使用本發明之VCSEL實現極大D-係數(~13.5 GHz/mA1/2)、在34 Gbit/s操作之最低能量與資料比率(EDR：140 fJ/bit)記錄、以及無誤差傳輸在0.8公里之OM4多模光纖與在25 Gbit/s操作之最低能量與資料距離比(EDDR：175.5 fJ/bit.km)紀錄。
綜上所述，本發明係一種可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射，可有效改善習用之種種缺點，操作在850 nm波長之高速(40 Gbit/s)與超低功耗性能之垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)，通過下切結構與擴散結構之使用，不僅可以放寬對於電流侷限孔徑縮小之要求而得到高速與低功耗性能，亦可以操控腔內之光學模數得到最大化之電-光頻寬並產生位元率在OM4光纖之傳輸距離達到最大值，進而使本發明之產生能 更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
100‧‧‧本裝置
10‧‧‧基板
20‧‧‧外延層結構
21‧‧‧第一分佈式布拉格反射鏡
22‧‧‧發光區
23‧‧‧第二分佈式布拉格反射鏡
231‧‧‧擴散結構
24‧‧‧下切結構
241‧‧‧電流侷限區域
25‧‧‧凸型平台式結構
30‧‧‧隔絕層
301‧‧‧光源射出孔
40‧‧‧N型接面
50‧‧‧P型接面
60‧‧‧N型金屬電極
61‧‧‧貫穿孔洞
70‧‧‧P型金屬電極
71‧‧‧貫穿孔洞
80、81、82及83‧‧‧光譜曲線
第1圖，係本發明可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射之結構剖面示意圖。
第2圖，係本發明可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射之結構俯視示意圖。
第3圖，係本發明以第一實施例裝置在不同偏壓電流下量測之光譜示意圖。
第4圖，係本發明以第二實施例裝置在不同偏壓電流下量測之光譜示意圖。
100‧‧‧本裝置
10‧‧‧基板
20‧‧‧外延層結構
21‧‧‧第一分佈式布拉格反射鏡
22‧‧‧發光區
23‧‧‧第二分佈式布拉格反射鏡
231‧‧‧擴散結構
24‧‧‧下切結構
241‧‧‧電流侷限區域
25‧‧‧凸型平台式結構
30‧‧‧隔絕層
301‧‧‧光源射出孔
40‧‧‧N型接面
50‧‧‧P型接面
60‧‧‧N型金屬電極
61‧‧‧貫穿孔洞
70‧‧‧P型金屬電極
71‧‧‧貫穿孔洞

Claims (16)

  1. 一種可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射，係包括：一基板；以及一外延層結構，係堆疊於該基板上，其包含一第一分佈式布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector,DBR)、一堆疊於該第一分佈式布拉格反射鏡上之發光區(Active Region)、及一堆疊於該發光區上之第二分佈式布拉格反射鏡，該發光區具有一下切結構(Undercut Structure)，該下切結構係位於選自於該發光區上方或下方所組成之群組之位置，而該下切結構係在鋁(Al)複合層部分側邊蝕刻有一中央之電流侷限區域，且該鋁複合層中含有第三族元素之鋁超過20%，其中，該第二分佈式布拉格反射鏡係包含一擴散結構，該擴散結構係位於該第二分佈式布拉格反射鏡頂面中央區域周圍經由摻雜擴散製程而將不同組成之多晶層(Multi-Layer)選擇性地呈非序排列(Disorder)為單一組成之單晶層(Single Layer)狀態，俾使該第二分佈式布拉格反射鏡成為可控制光學模態數目之DBR反射鏡。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射，其中，該第一分佈式布拉格反射鏡係為n型分佈式布拉格反射鏡(n-DBR)，且該第二分佈式布拉格反射鏡係為p型分佈式布拉格反射鏡(p-DBR)。
  3. 依申請專利範圍第1項所述之可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射，其中，該第一分佈式布拉格反射鏡係為p型分佈式布拉格反射鏡，且該第二分佈式布拉格反射鏡係為n型分佈式布拉格反射鏡。
  4. 依申請專利範圍第1項所述之可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射，其中，該鋁複合層部分轉化為氧化層，而其中央區域保持不變，並經由選擇性蝕刻去除該氧化層而取得該下切結構及該電流侷限區域。
  5. 依申請專利範圍第4項所述之可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射，其中，該氧化層之移除係使用一蝕刻液經由選擇性蝕刻取得該下切結構及該電流侷限區域。
  6. 依申請專利範圍第1項所述之可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射，其中，該電流侷限區域係為環形區域，具有一小於5 μm之直徑。
  7. 依申請專利範圍第1項所述之可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射，其中，該基板係為半絕緣半導體。
  8. 依申請專利範圍第7項所述之可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射，其中，該半絕緣半導體係進一步可選自於砷化鎵(Gallium Arsenide,GaAs)、磷化銦(Indium Phosphide,InP)、氮化鋁(Aluminum Nitride,AIN)、氮化銦(Indium Nitride,InN)及矽(Si)所組成之群組。
  9. 依申請專利範圍第1項所述之可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射，其中，該發光區係可由化合物半導體及其合金材料構成之異質接面，並進一步可為砷化鋁銦鎵/砷化鋁鎵(InAlGaAs/AlGaAs)。
  10. 依申請專利範圍第1項所述之可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射，其中，該發光區係包含三InAlGaAs/AlGaAs所組成之多重量子井(MQWs)結構，其係夾置於由磊晶成長之第一分佈式布拉格反射鏡層與第二分佈式布拉格反射 鏡層之間。
  11. 依申請專利範圍第1項所述之可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射，其中，該第二分佈式布拉格反射鏡、該發光區及部分之第一分佈式布拉格反射鏡之側邊係由該隔絕層所包圍。
  12. 依申請專利範圍第1項所述之可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射，其中，該第二分佈式布拉格反射鏡頂面中央區域周圍之擴散結構，其深度範圍係介於0.5~3.0 μm之間。
  13. 依申請專利範圍第1項所述之可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射，其中，該第二分佈式布拉格反射鏡頂面中央區域不同組成之多晶層狀態，其直徑範圍係介於3~12 μm之間。
  14. 依申請專利範圍第1項所述之可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射，其中，該第二分佈式布拉格反射鏡頂面中央區域周圍之擴散結構係經由摻雜第二、四或六族元素擴散製程，將該第二分佈式布拉格反射鏡頂面中央區域周圍不同組成之多晶層選擇性地呈非序排列為單一組成之單晶層狀態。
  15. 依申請專利範圍第1項所述之可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射，其中，該第二分佈式布拉格反射鏡頂面中央區域周圍之擴散結構係經由摻雜鋅(Zn)或鎂(Mg)元素擴散製程，將該第二分佈式布拉格反射鏡頂面中央區域周圍不同組成之多晶層選擇性地呈非序排列為單一組成之單晶層狀態。
  16. 依申請專利範圍第1項所述之可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射，其中，該第二分佈式布拉格反射鏡頂面中央 區域周圍之擴散結構係位於該發光區上方且無接觸該發光區。
TW101130064A 2012-08-16 2012-08-16 可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射 TW201409881A (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW101130064A TW201409881A (zh) 2012-08-16 2012-08-16 可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射
US13/666,302 US20140050240A1 (en) 2012-08-16 2012-11-01 Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser with a Mode Control Cavity and an Undercut Structure

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW101130064A TW201409881A (zh) 2012-08-16 2012-08-16 可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201409881A true TW201409881A (zh) 2014-03-01
TWI474569B TWI474569B (zh) 2015-02-21

Family

ID=50100001

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW101130064A TW201409881A (zh) 2012-08-16 2012-08-16 可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20140050240A1 (zh)
TW (1) TW201409881A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108649429A (zh) * 2018-05-15 2018-10-12 Oppo广东移动通信有限公司 发射激光器及光源组件
CN108649423A (zh) * 2018-05-15 2018-10-12 Oppo广东移动通信有限公司 激光投射模组、深度相机及电子装置
TWI710187B (zh) * 2017-02-09 2020-11-11 光環科技股份有限公司 垂直共振腔面射雷射結構及製法
TWI755797B (zh) * 2020-04-28 2022-02-21 國立中央大學 高亮度單極化輸出面射型雷射陣列

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017108322A1 (de) * 2017-04-19 2018-10-25 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterlaser
US11165224B2 (en) * 2017-06-26 2021-11-02 Mellanox Technologies, Ltd. Vertical-cavity surface-emitting laser layout for high bandwidth output
US11456575B2 (en) * 2017-08-28 2022-09-27 Lumentum Operations Llc Distributed oxide lens for beam shaping
TWI738388B (zh) * 2019-06-21 2021-09-01 全新光電科技股份有限公司 具有複數電流侷限層的垂直共振腔表面放射雷射二極體
DE102020200468A1 (de) * 2020-01-16 2021-07-22 OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung Halbleiterlaserdiode und verfahren zur herstellung einer halbleiterlaserdiode

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4786918A (en) * 1985-12-12 1988-11-22 Xerox Corporation Incoherent, optically uncoupled laser arrays for electro-optic line modulators and line printers
JPH05283802A (ja) * 1992-03-31 1993-10-29 Furukawa Electric Co Ltd:The 量子井戸半導体レーザ素子
TW529211B (en) * 2001-03-07 2003-04-21 Ying-Jay Yang Device structure and method for fabricating semiconductor lasers
JP4066681B2 (ja) * 2001-03-21 2008-03-26 日亜化学工業株式会社 発光素子及び発光素子の製造方法
TW533632B (en) * 2002-06-07 2003-05-21 Ind Tech Res Inst Single-mode vertical cavity surface emitting laser device
JP4622335B2 (ja) * 2003-08-04 2011-02-02 日亜化学工業株式会社 半導体レーザ素子
TW200803094A (en) * 2006-06-02 2008-01-01 Arima Optoelectronics Corp Vertical-cavity surface-emitting laser with stable polarization, and fabrication method thereof
TW200906016A (en) * 2007-07-20 2009-02-01 Arima Lasers Corp Manufacturing method of surface emitting laser components and the structure thereof
TWI427879B (zh) * 2010-12-22 2014-02-21 Univ Nat Central Vertical Resonant Cavity with Infrared Profile

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI710187B (zh) * 2017-02-09 2020-11-11 光環科技股份有限公司 垂直共振腔面射雷射結構及製法
CN108649429A (zh) * 2018-05-15 2018-10-12 Oppo广东移动通信有限公司 发射激光器及光源组件
CN108649423A (zh) * 2018-05-15 2018-10-12 Oppo广东移动通信有限公司 激光投射模组、深度相机及电子装置
TWI755797B (zh) * 2020-04-28 2022-02-21 國立中央大學 高亮度單極化輸出面射型雷射陣列

Also Published As

Publication number Publication date
TWI474569B (zh) 2015-02-21
US20140050240A1 (en) 2014-02-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TW201409881A (zh) 可調控光學模態之垂直共振腔面射型雷射
US6898215B2 (en) Long wavelength vertical cavity surface emitting laser
US10305250B2 (en) III-Nitride nanowire array monolithic photonic integrated circuit on (001)silicon operating at near-infrared wavelengths
US6931042B2 (en) Long wavelength vertical cavity surface emitting laser
CN107078190B (zh) 用于GaN垂直微腔面发射激光器(VCSEL)的方法
US8031752B1 (en) VCSEL optimized for high speed data
JP2002299742A (ja) 垂直空洞面発光レーザ及びその製造方法、並びに、通信システム
US20130032825A1 (en) Resonant Optical Cavity Semiconductor Light Emitting Device
US7151282B2 (en) Light emitting diode
US10992110B2 (en) VCSELS having mode control and device coupling
US8649411B2 (en) Vertical-cavity surface-emitting laser device having relief structure
CN113708214B (zh) 一种基于选区外延技术的双波长vcsel结构及其制备方法
WO2001093387A2 (en) Long wavelength vertical cavity surface emitting laser
Zhao et al. Low-threshold InGaN-based whispering gallery mode laser with lateral nanoporous distributed Bragg reflector
JP3091855U (ja) 面発光型レーザー装置
Yu et al. A simple method for fabrication of high speed vertical cavity surface emitting lasers
CN210628719U (zh) 具有高介电常数限制孔的vcsel器件
WO2019153115A1 (zh) 一种垂直腔面发射激光器
Gruendl et al. First 102 nm ultra-widely tunable MEMS VCSEL based on InP
Corbett et al. Red and green resonant cavity LEDs for datacom applications
Lu et al. Characteristics of metal-cavity surface-emitting microlaser
KR101121019B1 (ko) 광 양자테 레이저 소자 제조 방법
Alias et al. Improved efficiency of GaAs-based VCSEL by utilizing fan-pad metallization and trench patterning
Lu et al. Substrate-free metal cavity surface-emitting laser with CW operation at room temperature
Alias et al. High efficiency 850 nm Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser using fan-pad metallization and trench patterning