[实用新型]外腔大功率三有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器

说明书

技术领域

本实用新型属于光电子技术领域，具体是关于一种新型垂直腔面发射半导体激光器的设计与制作。适合于多种波长的(650nm、850nm、980nm等)垂直腔面发射半导体激光器。

背景技术

垂直腔面发射半导体激光器(vertical cavity surface emittinglasers，VCSELS)是一种性能优异的半导体激光器。VCSELS具有与光纤耦合效率高，易形成二维阵列和集成；低阈值，单纵模，调制速度高；可靠性和性价比高等特点。在高密度面阵，光网络，数据传输、光互联、光存储、光计算等方面有很好的应用前景，并在光通信本地网数据通讯、短距离光互联、数据传输，计算机局域网及计算机主板间的自由空间光互联等中得到广泛应用。

传统的垂直腔面发射半导体激光器结构主要由三五族化合物半导体材料通过分子束外延(MBE)或金属化学汽相淀积(MOCVD)技术外延得到。经过半导体工艺得到传统的垂直腔面发射搬到激光器器件。其基本结构如图1所示(以波长850nmGaAs/AlGaAs为例)：上金属电极(P型金属电极)1；P型欧姆接触层2；周期交替生长的上分布布拉格反射镜(上DBR)3；Al_0.98Ga_0.02As高铝组分的氧化限制层4；单有源区5；周期交替生长的下分布布拉格反射镜(下DBR)6；衬底7；N型金属电极8；氧化孔9；出光孔10。一般为单个器件或者阵列结构。该种激光器一般存在以下缺点：1、普通垂直腔面发射半导体激光器单程光增益小，为提高输出功率，一般采用增大出光面积或增大电流注入的方法。采用增大出光面积方法会使有源区载流子密度的分布变差，中心电流密度变小，使得阈值电流增大；采用大电流注入时，有源区的载流子分布会出现空间烧孔，影响到增益和折射率的分布，出现多横模激射。此外，大电流注入情况下，器件的热稳定性变差。2、为实现单模工作，必须使有源区中心部分的载流子密度分布比较均匀，出光面积太大很难实现单模工作。为保证VCSEL稳定的单模输出，氧化孔径必须在5μm以下。3、较小的氧化孔必然引起大的串联电阻，制作小氧化孔在工艺上很难控制。单模输出功率低，阈值电流大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服以上现有技术缺点，设计和制作一种高增益、低阈值电流、小串联电阻、高单模输出功率的半导体垂直腔面发射半导体激光器。由于影响光子晶体垂直腔面发射半导体激光器的器件参数主要包括有源层结构，光子晶体周期，空气孔径，刻蚀深度，器件直径，氧化孔径等。

本实用新型的激光器，特征在于：

从下至上依次为：背面电极、衬底、下DBR、由反向隧道结级联的多个单有源区构成的多有源区；氧化限制层，氧化限制层中心为氧化孔径为10-30μm的氧化孔；上DBR；P型欧姆接触层；上金属电极；

刻蚀上DBR中1-3微米制作出缺陷型光子晶体结构；缺陷型光子晶体结构的周期为1-7个微米，占空比小于0.7；光子晶体缺陷腔被至少3圈孔径为0.5-5微米空气孔包围。

本实用新型在器件的有源区结构上采用了多有源区14结构。利用MOCVD或MBE外延生长技术生长了外腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器的外延片。具体的制作工艺如下：在衬底7上生长下DBR6。然后生长通过反向隧道节级联的多个单有源区构成的多有源区14；Al_0.98Ga_0.02As氧化限制层4；上DBR3；P型欧姆接触层2的多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器的外延材料。

多有源区14引入到光子晶体垂直腔面发射半导体激光器中可以在较小的注入电流时达到较高的光输出功率，避免了大注入电流时引起的光束质量变差的问题。解决了普通光子晶体垂直腔面发射半导体激光器增益低等问题。

由于在本实用新型中引入了光子晶体结构，器件的氧化孔9的模式限制功能已经被缺陷型光子晶体12代替，氧化孔9的主要作用为限制电流注入。为了提高器件的单模输出功率，需要增加氧化孔9的孔径，大于一般VCSEL单横模限制条件5μm，而不用考虑其激射模式分布。同时，由于受到载流子扩散的影响氧化孔径也不宜过大，否则会降低载流子注入的均匀性，增加阈值电流和工作电流，不利于模式选择。所以在制作外腔式垂直腔面发射半导体激光器时制作氧化孔9的孔径为10-30μm的大氧化孔径外腔式垂直腔面发射半导体激光器。