[发明专利]单模垂直腔面发射半导体激光器

说明书

本发明涉及半导体激光器(或半导体器件)，更具体地，本发明涉及垂直腔面发射半导体激光器。

垂直腔面发射半导体激光器的纵向是由有源区和限制层组成的谐振腔夹在上部和下部高反射率反射器所构成的，其反射器的反射率一般在99％以上，而横向的电流限制和波导结构一般有柱形折射率波导，质子轰击增益波导，以及氧化物限制的折射率波导等。有源区可以是GaAs，InGaAs，InGaAsP，AlGaInP，GaN等半导体体材料、量子阱、量子线、或量子点，高反射率反射器通常是多层半导体或介质布拉格反射器。由于其谐振腔长极短，垂直腔面发射半导体激光器很容易实现单纵模工作，但横模控制就比较困难。在许多实际应用中，都要求垂直腔面发射激光器具有稳定的基横模工作特性，特别是高输出功率的基横模工作。这样的垂直腔面发射激光器可以满足高密度光存储和读出，自由空间光互连，以及单模光纤中数据高速传输等诸多需要。垂直腔面发射半导体激光器在提高基横模工作稳定性以及单模输出功率方面不断取得进展。1996年7月授予的美国专利US Patent No：5539759“具有无源反波导模式选择器的单模激光器”(“Single mode laser with a pasive antiguideregion mode selector”)，提出了一种通过二次外延生长形成的反波导结构。在这种结构中激光腔周围是折射率比中心区高的包层，因而形成反波导，导致高阶横模有较大的泄漏损耗，有利于单基横模工作。这种反波导结构模式选择性很好，然而二次外延技术要求很高，工艺也比较复杂。最近，在J.Appl.Phys.，vol.83，no.7，pp.3769-3772，1998.4.1的文章“氧化层限制的垂直腔面发射激光器中氧化层界面的反射系数对横模选择的作用”(“Effect of reflectivity at the interface of oxide layer ontransverse mode control in oxide confined vertical-cavity surface-emitting lasers”)中，本发明人提出在AlAs氧化层限制的垂直腔面发射激光器中通过调节氧化层的厚度和位置，使氧化层形成较弱的横向波导，同时氧化层的反射系数与布拉格反射器的反射系数反相，也可以实现横模控制。但这种方法对氧化层位置控制要求很严，而且所能得到的阈值增益差不是很大。

本发明的目的是提出一种结构简单，易于实施，并能够有效抑制高阶横模，能在较大出光孔径条件下实现单峰远场工作的垂直腔面发射半导体激光器。

本发明的核心思想是通过对垂直腔面发射半导体激光器中上部布拉格反射器的高折射率顶层进行区域选择腐蚀，以控制基横模和高阶横模的透射损耗，而实现单模工作。通过改变顶层的厚度，可以调节光在空气界面的反射系数与上部布拉格反射器其它各层的反射系数间的位相差，从而改变上部布拉格反射器的总反射系数。本发明的结构特征在于顶层选择腐蚀出一个柱形结构，并保证垂直腔面发射激光器的基横模光强主要限制在未腐蚀的柱形中心区域，而高阶横模有较大比例的光强分布在腐蚀掉顶层的区域内。在腐蚀区内由于空气界面的反射系数与布拉格反射器其它各层的反射系数反相，这个区域的反射系数大大低于未腐蚀区，因此基横模加权平均的模式反射系数大于高阶模加权平均的模式反射系数。对于在GaAs衬底上生长的20周期980nm的Al_0.9Ga_0.1As/GaAs分布布拉格反射器的反射系数可达0.999067，而如果把顶层四分之一波长GaAs全部腐蚀掉，则布拉格反射器的反射系数峰值只有0.988633，比13周期布拉格反射器的反射系数0.988882还小。而且顶层腐蚀在垂直腔面发射半导体激光器所引起的横向波导只相当于10-5的折射率差，对模式横向光场分布影响很小，横向光场分布可以独立控制。设基模和一阶模限制在中心未腐蚀区光强比例分别为99％和95％，则加权平均的基横模和一阶模的模式反射系数分别为R₀＝0.998963和R₁＝0.998545，一阶模和基模的透射损耗之比为(1-R₁)/(1-R₀)＝1.40，这样如果透射损耗要求基模具有400cm^-1的有源区增益，则一阶模要比基模多40％，即160cm^-1。

通过生长过程的控制，特别是生长介质布拉格反射器时，也有可能在顶层直接形成一个柱形结构。