[发明专利]一种双氧化孔径的高功率高速垂直腔面发射激光器

说明书

本发明公开了一种双氧化孔径的高功率高速垂直腔面发射激光器，包括依次层叠设置的顶电极、保护层、P型反射镜、第一氧化层、第一包层、多量子阱结构层、第二包层、第二氧化层、N型反射镜、衬底和底电极；所述的第一包层、多量子阱结构层和第二包层组成VCSEL结构；所述的VCSEL结构中部设有谐振腔，所述的第一氧化层在谐振腔对应位置设有第一氧化孔径，所述的第二氧化层在谐振腔对应位置设有第二氧化孔径，所述第一氧化孔径和第二氧化孔径法线重合。优点在于，具有增加输出功率，工作温度范围，可实现的波长范围，以及红色波长区域中的VCSEL的可靠性，以及更长的波长区域。

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器，尤其涉及一种双氧化孔径的高功率高速垂直腔面发射激光器。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)包括形成在衬底顶部上的第一分布式布拉格反射器(DBR)，也称为堆叠镜，形成在第一堆叠镜顶部上的有源区域，以及第二堆叠镜形成在有源区域的顶部。通常，第二反射镜掺杂有p型掺杂剂，其中第一反射镜掺杂有n型掺杂剂以允许电流流动以将少数载流子电子和空穴注入有源区。在该示例中，p型材料是半导体材料，例如掺杂有诸如引起自由空穴的碳的材料的砷化镓(GaAs)，或者在半导体材料中形成正电荷载流子。n型材料是半导体材料，例如掺杂有诸如硅的材料的GaAs，以在半导体材料中形成自由电子或负电荷载流子。包含多量子阱的有源区。两个反射镜通常制成晶体表面以形成垂直腔的端部，并且通常由DBR制成，DBR包括具有不同折射率的交替半导体层。

当p-n结被电流正向偏置时，空穴和电子形式的自由载流子被注入有源区中的量子阱中。在足够高的偏置电流下，注入的少数载流子在量子阱中形成粒子数反转，产生光增益。当有源区中的光子刺激电子从导带到价带的跃迁时发生光增益，这产生与受激光子同相位的附加光子。当光学增益等于腔体损耗时，发生激光振荡并且激光器处于阈值偏压时，VCSEL发射激光，因为光学相干光子从VCSEL的发射孔径发射，并且发射孔径位于VCSEL的顶部或底部，这取决于应用场景。

激光的效率取决于光输出量与激光器内光损失量的比。增加光学增益并减少激光腔内的内部损耗可提高激光器的效率。为了获得最大效率，电流的主要部分必须与激光共生。例如，在VCSEL中，通常在有源区上方和下方提供顶部和底部电触点，使得可以通过有源区施加泵浦电流。

激光器结构需要在谐振腔中的光学限制和有源区域中的载流子限制，以通过粒子数反转实现泵浦电子到受激光子的有效转换。一种电流限制方法，Al0.98Ga0.02As层的氧化可用于在反射器和有源区之间形成氧化层，其电流通过横向氧化工艺控制。这种方法在低阈值电流，高可靠性和高效率方面表现出任何VCSEL的最佳性能。横向模式通常通过实施光子和/或电子的限制手段来定义。VCSEL也需要电或电流限制，其中电流用于提供泵浦有源区以获得增益的器件。

对于选择性氧化型VCSEL，在有源区附近形成用于进行电流限制和光限制的氧化层，以使氧化层的氧化孔的直径更小，从而VCSEL以单模工作。另一方面，电流限制孔径越宽，高阶模式的增益就越大。当电流限制孔足够宽时，会出现多模激光。因此，对于给定的VCSEL结构，存在可以进行单横模操作的最大电流限制孔径尺寸。最大单横模电流限制孔径尺寸也设定了VCSEL单横模输出功率的上限。

通过将氧化层置于腔中的光学驻波的波腹位置来引入折射率波导的VCSEL。在这种情况下，不能确保单模输出，但是当前阈值非常低。通过在节点位置移动氧化层而引入的增益波导VCSEL确保单模输出，但激光阈值电流非常高。氧化层总是电流约束，但其光学限制取决于其在腔中的位置。如果氧化孔径位于光学驻波的波腹位置，则实现了完美的光学限制。但是，如果它位于节点位置，则光学限制不会发生。因此，如果氧化孔位于这两个位置之间，则其限制性质影响增益和有效折射率参数。

VCSEL中氧化孔径的定位是对不同矛盾的要素进行权衡的结果。另一方面，在孔和有源区之间的掺杂层中的电流扩展将增加pn结的有效面积，因此电容将增加，而电阻将保持高，主要由氧化孔的尺寸限定光圈。