[发明专利]一种优化光子晶体面发射激光器方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种优化光子晶体面发射激光器性能的新方法，特别是一种基于氧化限制型面发射激光器和二维光子晶体横向耦合基础的氧化孔径与光子晶体缺陷孔径纵向耦合匹配的新方法，该方法可应用于各种类型材料的氧化限制型光子晶体面发射激光器，属于半导体光电子技术领域。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)有低阈值电流、动态单纵模工作、小发散角的、圆对称光束、高调制带宽、易于二维集成等优势，广泛应用于光通讯、光存储和光显示等领域。常见的氧化限制型垂直腔面发射半导体激光器材料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面发射激光器器件，其基本结构如图1所示。常见为单个管芯和阵列结构。在很多应用中需要器件工作在单模高功率状态，然而普通的氧化限制型面发射激光器要实现单模工作，必须使有源区中心部分的载流子密度分布比较均匀，故一般氧化孔的直径要小于5μm才可以使器件实现单模工作。如此小的氧化孔直径必然引起大的串联电阻。同时很大的串联电阻必然会产生很多热量使器件的热稳定性变差。同时，制作如此小的氧化孔直径在工艺上很难实现，小的氧化孔直径也使得有效发光面积减小，单模输出功率低。

光子晶体结构引入到面发射激光器(通过在面发射激光器的反射镜上刻蚀缺陷型光子晶体空气孔)是实现单模大功率面发射激光器的方法之一。且制备技术相对简单，易于移植到各种材料体系。目前，制约光子晶体面发射激光器性能的有阈值电流过大，发光效率过低等因素，其主要是由于光子晶体的刻蚀损伤带来的非辐射符合和光子晶体孔所产生模式泄露和散射损耗等造成的，其中最重要的是注入电流区域过大高价模式激射无法激射，大部分能量都以其他形式损耗掉。

为了克服光子晶体面发射激光器以上问题，我们利用氧化孔径和光子晶体缺陷孔径纵向耦合匹配方案成功解决了以上问题。

发明内容

本发明的目的在于克服以上现有光子晶体面发射激光器的技术缺点，设计和制作一种低阈值电流、小串联电阻、高单模输出功率的面发射激光器。

一种优化光子晶体面发射激光器方法，所述激光器结构依次为上金属电极、P型欧姆接触层、周期交替生长的上分布布拉格反射镜、氧化限制层、有源区，下分布布拉格反射镜、衬底、N型金属电极、氧化孔、出光孔、光子晶体空气孔，光子晶体缺陷孔；

其特征在于：氧化孔的直径比光子晶体缺陷孔的直径大一个光子晶体空气孔的直径b，即D＝d+b。

我们知道面发射激光器的阈值电流I_th由下式确定：其中D为氧化孔9的直径，J_th是电流密度。在一定的范围内只要保证J_th不变，缩小氧化孔9的直径D是一种有效的降低器件阈值电流的方法。光子晶体面发射激光器是通过在氧化限制型面发射激光器的上分布布拉格反射镜3上刻蚀缺陷型光子晶体空气孔11来实现的。氧化孔9的直径D同样是决定氧化限制型光子晶体面发射激光器阈值电流的最主要的因素之一。但同时激射功率由光子晶体缺陷孔13的直径d决定，通常选用较大的氧化孔9直径D(即氧化孔9直径D远大于光子晶体缺陷孔13的直径d)，以保证光子晶体对光的限制作用而得到单模、高功率输出。但在实际应用中要求器件具有较低的阈值电流，要求采取尽量小的氧化孔9直径D；而为保持大的功率，则要求采取尽量大的光子晶体缺陷孔13直径d。制备低阈值单模高功率的器件的关键是这氧化孔9和光子晶体缺陷孔13的合理匹配耦合。当光子晶体缺陷孔13的直接d和氧化孔9的直径D接近时，器件的模式特性不仅受到二维缺陷型光子晶体结构12的调制，同时还要受到氧化限制层4的影响。只有通过合理的匹配光子晶体缺陷孔13和氧化孔9之间的关系才可以制备出高性能的光子晶体面发射激光器。

在分析光子晶体面发射半导体激光器的模式问题中，我们将氧化限制层4和氧化孔9的作用考虑进去，利用3D-FDTD方法进行模拟。通过模拟分析可以得到不同模式对应的模式损耗和光强分布。得到了光子晶体缺陷孔13直径d与氧化孔9的直径D的关系即D-d/b≥1(b为光子晶体空气孔11的直径)，器件可以工作在单模状态下。通过以上分析可知，当器件的氧化孔9的直径比光子晶体缺陷孔13的直径大一个光子晶体空气孔11的直径b时，器件可实现单模工作，即D＝d+b。此时器件具有最佳的氧化孔9和光子晶体缺陷孔13匹配条件，既提高单基模占整个激射模式输出功率的比例，同时又使器件的高阶模式被抑制，使器件工作在低阈值电流和单模高功率状态。

与现有技术相比，本发明具有以下优点