[發明專利]光柵輔助的微柱腔面發射激光器

有效

• 申請號: 201610031840.3
• 申請日: 2016-01-18
• 公開（公告）號: CN105591284B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 國偉華;馬向;陸巧銀
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01S5/183
• 分類號: H01S5/183
• 代理公司: 北京華沛德權律師事務所 11302
• 代理人: 房德權

發明涉及半導體激光器技術領域，提出了一種光柵輔助的微柱腔面發射激光器。該激光器的諧振腔腔體為微柱，以支持回音壁模式。微柱從上往下主要包括歐姆接觸層、光柵層、上蓋層、有源區以及下蓋層。輸出光柵位于光柵層靠近微柱外側邊的位置，歐姆接觸層下方特定區域被制成高阻區，使得電流注入區域與回音壁模式的分布重合，提高激光器的注入效率。微柱腔外側面刻蝕光柵或缺陷能選出特定的回音壁模式成為激光器的激射模式，然后通過頂上的輸出光柵形成所選模式的垂直輸出，實現單模的垂直輸出面發射激光器。本發明具有體積小、檢測方便、低成本、易于集成二維陣列、單模工作、輸出光易于與光纖耦合、可以在不同的材料體系上實現等諸多優點。

技術領域

本發明屬于半導體激光器技術領域，涉及一種光柵輔助的微柱腔面發射激光器。

背景技術

現代信息技術的高速發展推動著光電子器件向著微型化、高密度集成、低功耗的方向發展。

和邊發射激光器相比，面發射激光器有許多優勢(K.Iga,Surface-emittinglaser-its birth and generation of new optoelectronics field,IEEEJ.Sel.Toptics Quantum Electron.,vol.6,no.6,pp.1201-1215,Nov./Dec.2000.)。比如面發射激光器不需要分解開就可以測試激光器的出光等重要特性，從而知道激光器的好壞，這樣可以降低測試的成本、提高測試的效率；面發射激光器比較容易形成二維的陣列，和邊發射激光器相比，器件的密度可以大大提高，這樣單個器件的成本就降低了；面發射激光器的腔體積通常比邊發射激光器小得多，這使得面發射激光器的閾值低、直調制的速度高并且功耗低；另外面發射激光器通常具有圓形的光斑，和光纖的耦合要比邊發射激光器容易，因此耦合封裝的成本大大降低。

為形成面發射激光器，通常有水平腔和垂直腔兩種實現方式。垂直腔面發射激光器是大家研究得最多的，因為它的腔體方向和輸出方向是一致的。因為垂直腔結構通常都是由材料外延生長形成的，腔體都比較短。為實現激射，往往要求垂直腔的兩個反射鏡具有非常高的反射，通常都要在99.9％附近。如此高的反射通常是由高低折射率的兩種材料交替沉積形成的布拉格(Bragg)反射鏡來實現。為避免沉積太多的層數，通常這兩種材料的折射率差越大越好。目前半導體襯底上外延生長的晶體材料最適合用來做這種反射鏡的是GaAs襯底上的GaAs/AlAs材料對，一來它們天然的與GaAs襯底晶格匹配，另外它們的折射率差大,所以目前最成功的垂直腔面發射激光器是在GaAs襯底上實現的。由于GaAs襯底上的有源量子阱材料的發光波長最長也就在1微米左右，所以現在的垂直腔面發射激光器的工作波長集中在短波長比如850、980、1060納米等等。其中850納米的垂直腔面發射激光器在短距離的光通信中有非常重要的應用(A.Larsson,et al,High speed VCSELs and VCSELarrays for single and multicore fiber interconnects,Proc.of SPIE,vol.9381,93810D-1,2015；J.A.Tatum,et al.,VCSEL-based interconnects for current andfuture data centers,J.Lightwave Technol.,vol.33,no.4,pp.727-732,Feb.2015.)。980納米的垂直腔面發射激光器陣列被用來做大功率激光器(www.princetonoptronics.com)。在光通信常用的長波長比如1300和1550納米波段，通常用的材料是InP基材料。但是在InP基上沒有像GaAs/AlAs這樣的材料對，因此比較難實現高反射率的布拉格反射器。通常用的InP/InGaAsP(InGaAlAs)材料對存在許多困難：為獲得高反射的單個反射鏡率通常需要沉積大約40對的InP/InGaAsP的材料，累積厚度達到9微米左右，材料生長非常困難因此成本高(N.Nishiyama,et al,Long-wavelength vertical-cavity surface-emitting lasers on InP with lattice matched AlGaInAs-InP DBRgrown by MOCVD,IEEE J.Sel.Topics Quantum Electron.,vol.11,no.5,pp.990-998,Sept./Oct.,2005.),所以為實現InP基上的垂直腔面發射激光器，通常使用電介質材料形成的布拉格反射器(M.C.Amann,et al.,InP-based long-wavelength VCSELs and VCSELarrays,IEEE J.Sel.Topics Quantum Electron.,vol.15,no.3,pp.861-868,May/Jun.2009.)，或GaAs/AlAs的布拉格反射器(D.I.Babic,et al,Room temperatureperformance of double-fused 1.54μm vertical-cavity lasers,IPRM 96,no.ThA1-2,Apr.1996.)，這樣制作過程非常復雜。在紫外波段的GaN材料體系，也存在同樣的困難，難以外延形成晶體材料的高反射率的布拉格反射鏡。目前采用的方案也是使用電介質材料形成的布拉格反射鏡(S.Nakamura,GaN-based VCSEL fabricated on nonpolar GaNsubstrates,CLEO-PR 2013,no.MH1-1)。