[发明专利]一种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为激光器家族中的一员，具有边发射半导体激光器无法比拟的优势，如光束垂直衬底出射易于单片集成，出射光束圆形对称发散小有利于高效耦合，谐振腔体积小能够实现极低阈值激射，光腔极短易实现单纵模工作，能够在片测试、简化工艺降低成本等，在光通信、光存储、光互联、光计算、固态照明、激光打印和生物传感等领域受到广泛应用，引起了人们的浓厚兴趣和密切关注。

与边发射激光器如FP激光器、DFB激光器相比，VCSEL除了上述提到的优势之外，它还克服了FP激光温度漂移系数大及DFB激光器需要外加调制器的缺点。实际应用中都要求VCSEL单模大功率工作，实验证实氧化孔径很小时，容易实现稳定的单横模工作，却限制了输出功率。

文献1：“C.Jung，R.Jager，M.Grabherr，K.J.Ebeling，et al，ELECTRONICS LETTERS，1997(33)：1790”报道的工作波长为850nmGaAs基VCSEL，其氧化孔径约为3μm时才能实现稳定的单模输出，输出功率不超过5mW。

此外，小孔径导致串联电阻增大，调制速度降低，发热增加，效率降低，寿命缩短，使得器件的综合性能下降。为了提高输出功率，应增大有源区的面积，扩大氧化孔径，但热效应和空间烧孔现象将导致高阶模的产生，使器件的性能恶化。因此，实现单模工作和提高输出功率两者之间始终是一对矛盾。

为了获得大功率单模的VCSEL，一方面需增大氧化孔径尺寸，另一方面需千方百计抑制高阶模的产生。到目前为止，已报道的实现单模大功率VCSEL结构有很多种，有如文献2：“H.Martinsson，J.A.Vukuˇsi′c，K.J.Ebeling，et al，IEEE PHOTONICS TECHNOLOGYLETTERS，1999(11)：1536”报道的表面刻蚀法，文献3：“Delai Zhou，Luke J.Mawst，IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS，2002(38)：1599”报道的反波导法，和文献4：“Dae-Sung Song，Se-HeonKim，Yong-Hee Lee，et al，APPLIED PHYSICS LETTERS，2002(80)：3901”报道的光子晶体波导法等。

光子晶体波导法作为一种实现大功率单模大功率VCSEL的方法，自从提出后就受到广泛关注和深入研究。但是文献5：“A.J.Danner，T.S.Kim，K.D.Choquette，ELECTRONICS LETTERS，2005(41)”报道的单模光子晶体垂直腔面发射激光器的最大输出功率只有3.1mW，而其发散角没有见过报道。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，以克服光子晶体垂直腔面发射激光器单模输出功率不高的瓶颈，并达到光束低发散角输出的目的。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，该光子晶体垂直腔面发射激光器由下至上依次由下电极、n型衬底、下DBR、有源层、氧化层、面刻光子晶体图形的缺陷腔结构、环形出光区的上DBR、p型盖层和上环形电极构成，其中，缺陷腔结构和环形出光区均为出光区，且它们通过光子晶体区实现同相位耦合输出。

优选地，所述光子晶体垂直腔面发射激光器中的光子晶体是三角晶格空气柱型，或者是四方晶格空气柱型；该光子晶体的元胞是圆形空气柱，或者是椭圆形空气柱。

优选地，所述空气柱型光子晶体的刻蚀深度为50％至80％的上DBR厚度。

优选地，所述面刻光子晶体图形的缺陷腔结构是单孔缺陷腔，或者是7孔缺陷腔，或者是拉伸的各缺陷腔。

优选地，所述光子晶体垂直腔面发射激光器中的光子晶体所在区域既是高损耗区，也是耦合区。

优选地，所述上环形电极蒸镀在上DBR上的p型盖层的表面，所述下电极蒸镀在n型衬底的下表面。

优选地，所述上环形电极材料为TiAu合金，下电极材料为AuGeNiAu合金。

优选地，所述下DBR的反射率比上DBR的反射率高。

优选地，该光子晶体垂直腔面发射激光器的工作波长覆盖深紫外到远红外波段。

(三)有益效果