[發明專利]通過出射光窗口電極結構控制偏振的垂直腔面發射激光器

有效

• 申請號: 200910066780.9
• 申請日: 2009-04-08
• 公開（公告）號: CN101521353A
• 公開（公告）日: 2009-09-02
• 發明（設計）人: 王偉;寧永強;秦莉;劉云;王立軍
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: H01S5/183
• 分類號: H01S5/183;H01S5/02
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所
• 代理人: 趙炳仁

技術領域

本發明涉及到一種垂直腔面發射激光器(VCSEL)，特別是一種可實現控制偏振方向的VCSEL。

背景技術

在激光顯示光源領域中，目前采取的大多數激光光源都是用大功率邊發射半導體激光器泵浦全固態激光器，再經過頻率轉換生成藍、綠光，而用大功率VCSEL直接進行腔外倍頻則具有很多的優點。要高效的實行腔外倍頻，VCSEL的基頻光具有穩定可控的偏振方向是非常重要的。

一般的VCSEL都是生長在(001)襯底上，具有良好的柱形對稱結構，理論上激射任意方向上的線性偏振光，從而出射光的偏振方向是不可控制的。另外，隨著注入電流、外加應變、溫度等外界條件的變化，輸出光的偏振態也發生轉換。所以控制VCSEL基頻光偏振特性很重要。目前文獻報道的VCSEL的偏振控制方案主要如下：

(1)1999年9月14日公開的Pamulapati等人的美國專利US?5,953,362中，描述了一個在VCSEL中施加應力的方法來控制偏振。在US5,953,362專利中，VCSEL是共晶地與一個晶核襯底結合，該襯底具有預設各向異性熱膨脹系數。在形成過程中，在激光腔中施加一個單軸向應變。

(2)2000年11月28日公開的Yoshikawa等人的美國專利US?6,154,479中，描述了一個VCSEL，其中偏振方向的控制由限制頂部鏡面的橫截面尺寸實現，以使在由鏡面提供的波導中只限制一個單橫基模。制作一個非圓形或者橢圓器件用以控制偏振。

(3)2004年8月31日公開的Matsui等人的美國專利US?6,785,318，B1中，描述了通過引入應激源來控制VCSEL偏振方向的方法。應激源被沉積在半導體結構上，它所帶來的應力導致了雙折射效應和增益的各向異性。使有源層遠離應激源，增加表面應力和應激源所產生的增益差，形成穩定的出射偏振方向。

(4)2005年4月26日公開的Aggerstam等人的美國專利US?6,885,690B2中，描述了通過在出光口形成介質膜控制VCSEL的橫模和偏振狀態。該膜由兩層或多層介質材料組成，每層材料的反射率不同，介質膜的尺寸比出光孔徑小。

(5)2008年2月19日公開的Ostermann等人的美國專利US?7,333,522B2中，描述了用單片集成面光柵控制VCSEL的偏振狀態。在第一布拉格反射層，有源層和第二布拉格反射層中至少有一層是有周期圖案的，這樣來穩定光束的偏振狀態。

上述所有采取的偏振控制方案所形成的器件結構復雜，其制作步驟比較繁瑣，對設備和工藝條件有很高的要求，在技術上很難推廣，而且上述結構的VCSEL偏振方向的選擇性也不好。

發明內容

本發明的目的是為了解決目前VCSEL裝置出射光偏振方向不可控制性，特別是VCSEL在大電流下工作時的偏振模式復雜的缺陷，提出一種通過出射光窗口電極結構控制偏振的垂直腔面發射激光器(VCSEL)，以簡捷的技術手段實現穩定的VCSEL的偏振效果。

本發明通過出射光窗口電極結構控制偏振的垂直腔面發射激光器，具有慣用垂直腔面發射激光器的p型分布布拉格反射器(DBR)層、有源層、n型分布布拉格反射器(DBR)層、GaAs襯底、包覆在p型DBR層上的p面電極和敷設在GaAs襯底底部的n面電極的層次結構，其特點是，所述的n面電極由環形極板和覆蓋于出射光窗口部分的條形柵極構成，其條形柵極的軸向平行于所述襯底的(110)晶向。

為了控制VCSEL的偏振方向，本發明是在n面圓形的出射光窗口部分制備密集排布的條形金屬膜，形成與環形極板連為一體的條柵形的電極結構，條形的取向為襯底的(110)晶向，這是因為(001)晶向襯底的VCSEL激射光的一個主要的偏振方向為(110)晶向。這樣，n型DBR層和條形柵極之間構成了復合腔，使沿著(110)晶向的反射率高于其垂直方向(110)晶向上的反射率，改變這兩個方向上的激射閾值條件，增加增益分布的非均勻性，從而實現偏振控制。與此同時，由于n面的條形電極結構的特點是不僅與n型DBR層形成了復合腔，具有高反射作用，還向有源層注入了額外的空穴，增加了電子空穴的復合效率，所以也能提高所需偏振方向上(110)晶向的出射光功率。

本發明VCSEL結構制造工藝簡捷、重復性好，容易推廣，將VCSEL出射光的偏振方向很好的控制在襯底的(110)晶向和(110)晶向。

附圖說明：

圖1是本發明VCSEL的結構示意圖；

圖2是圖1中所示n面電極結構的結構示意圖。

具體實施方式