[发明专利]具有双层亚波长光栅反射镜的垂直腔面发射半导体激光器有效

专利信息
申请号: 201710133270.3 申请日: 2017-03-08
公开(公告)号: CN106654858B 公开(公告)日: 2021-03-19
发明(设计)人: 郝永芹;谢检来;王勇;冯源;晏长岭;邹永刚;刘国军;王霞;王志伟 申请(专利权)人: 长春理工大学
主分类号: H01S5/183 分类号: H01S5/183
代理公司: 北京市诚辉律师事务所 11430 代理人: 范盈
地址: 130022 吉林*** 国省代码: 吉林;22
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摘要:
搜索关键词: 具有 双层 波长 光栅 反射 垂直 发射 半导体激光器
【说明书】:

具有双层亚波长光栅反射镜的垂直腔面发射半导体激光器属于半导体激光器技术领域。现有VCSEL器件膜层结构过多,阈值电流较高。本发明其特征在于,高折射率导电基底位于氧化物限制层上面;器件的一个制作步骤为:在高折射率导电基底上依次生长低折射率亚层、高折射率亚波长光栅层和低折射率光栅层;采用刻蚀技术将高折射率亚波长光栅层和低折射率光栅层的中间部分制作成双层亚波长光栅;同时采用刻蚀技术将低折射率亚层、高折射率亚波长光栅层和低折射率光栅层的周边部分去除,并在高折射率导电基底周边部分上表面制作p面电极。所述垂直腔面发射半导体激光器同时具有阈值电流低、工作稳定性强等特点,能够直接输出偏振光,用作光通信光源。

技术领域

本发明涉及一种具有双层亚波长光栅反射镜的垂直腔面发射半导体激光器,所述双层亚波长光栅反射镜同时具有高反射率、宽带宽、偏振性强等特点,所述垂直腔面发射半导体激光器同时具有阈值电流低、工作稳定性强等特点,能够直接输出偏振光,用作光通信光源,属于半导体激光器技术领域。

背景技术

VCSEL(垂直腔面发射半导体激光器)具有阈值电流低、输出圆形光斑、易于单片集成、工作稳定性强等特点。VCSEL的谐振腔由下反射镜、有源增益区、上反射镜构成,下反射镜、上反射镜统称腔面反射镜。现有腔面反射镜主要有两种。一是DBR(分布式布拉格反射镜),其结构特点是多膜层,即所述DBR由20对以上光学厚度均为四分之一波长的高、低折射率半导体材料交替生长层构成,利用折射率周期变化实现光反馈,获得DBR的高反射率、宽带宽效果。二是DBR-HCG反射镜,其中的HCG(高对比度亚波长光栅)部分由一层低折射率亚层和一层高折射率亚波长光栅构成,HCG部分在利用亚层材料与亚波长光栅材料之间的折射率差以及亚波长光栅的衍射来实现光反馈的同时,获得显著的偏振性;其中的DBR部分由几对光学厚度均为四分之一波长的高、低折射率半导体材料交替生长层构成,结构简单,但足以弥补高折射率亚波长光栅反射率和带宽的不足;将DBR-HCG反射镜用作VCSEL器件的上反射镜时,能够直接输出偏振光;

与本发明相关的一种现有VCSEL器件其结构如图1所示,其下反射镜为DBR,上反射镜为DBR-HCG反射镜。进一步讲它自下而上包括以下组成部分,n面电极1、衬底2、n-DBR反射镜3、有源增益区4、氧化物限制层5、p-DBR反射镜6、高折射率导电基底7;在器件的上表面自外向里依次为p面电极8、低折射率亚层9;低折射率亚层9表面分布高折射率亚波长光栅10,如图1、图2所示。所述n-DBR反射镜3由20对光学厚度均为四分之一波长的高、低折射率半导体材料交替生长层构成;所述氧化物限制层5是高铝铝镓砷导电层周边环形区域被氧化而形成的Al2O3层;所述p-DBR反射镜6由4对光学厚度均为四分之一波长的高、低折射率半导体材料交替生长层构成;所述高折射率导电基底7材料为GaAs或者GaSb;所述低折射率亚层9材料为SiO2;所述高折射率亚波长光栅10材料为Si。由p-DBR反射镜6、高折射率导电基底7、低折射率亚层9和高折射率亚波长光栅10构成一个DBR-HCG反射镜,作为该VCSEL器件的上反射镜。然而,该VCSEL器件存在其技术问题,由4对光学厚度均为四分之一波长的高、低折射率半导体材料交替生长层构成的p-DBR反射镜6依然使得器件的膜层结构过多,精密的膜层对膜厚变化敏感,使得膜层的生长难度依然较大,同时,器件总厚度偏大,导致阈值电流较高。所述DBR-HCG反射镜中的HCG由于其自身的结构特点,很难实现对TE或者TM模反射率在大于99.9%前提下的宽带宽衍射,另外,对制作精度要求也较高,致使器件长期工作稳定性差。所述DBR-HCG反射镜中的DBR由于其衍射特性不受偏振态控制,偏振特性弱,TE、TM模的反射率差ΔR10%。

发明内容

本发明针对现有VCSEL器件存在的技术问题,确定发明目的为提高谐振腔上反射镜的反射率,拓宽反射宽带,增强谐振光偏振性,进一步降低器件的阈值电流,增强工作稳定性,降低制作难度,为此,我们发明了一种具有双层亚波长光栅反射镜的垂直腔面发射半导体激光器。

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