[發(fā)明專利]一種雙氧化孔徑的高功率高速垂直腔面發(fā)射激光器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810986051.4
• 申請日: 2018-08-28
• 公開（公告）號: CN109038215A
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 羅玉輝;陳柱元
• 申請（專利權(quán)）人: 深亮智能技術(shù)（中山）有限公司
• 主分類號: H01S5/183
• 分類號: H01S5/183;H01S5/34
• 代理公司: 廣州市越秀區(qū)海心聯(lián)合專利代理事務(wù)所(普通合伙) 44295
• 代理人: 王洪娟;冼俊鵬

本發(fā)明公開了一種雙氧化孔徑的高功率高速垂直腔面發(fā)射激光器，包括依次層疊設(shè)置的頂電極、保護層、P型反射鏡、第一氧化層、第一包層、多量子阱結(jié)構(gòu)層、第二包層、第二氧化層、N型反射鏡、襯底和底電極；所述的第一包層、多量子阱結(jié)構(gòu)層和第二包層組成VCSEL結(jié)構(gòu)；所述的VCSEL結(jié)構(gòu)中部設(shè)有諧振腔，所述的第一氧化層在諧振腔對應(yīng)位置設(shè)有第一氧化孔徑，所述的第二氧化層在諧振腔對應(yīng)位置設(shè)有第二氧化孔徑，所述第一氧化孔徑和第二氧化孔徑法線重合。優(yōu)點在于，具有增加輸出功率，工作溫度范圍，可實現(xiàn)的波長范圍，以及紅色波長區(qū)域中的VCSEL的可靠性，以及更長的波長區(qū)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光器，尤其涉及一種雙氧化孔徑的高功率高速垂直腔面發(fā)射激光器。

背景技術(shù)

垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)包括形成在襯底頂部上的第一分布式布拉格反射器(DBR)，也稱為堆疊鏡，形成在第一堆疊鏡頂部上的有源區(qū)域，以及第二堆疊鏡形成在有源區(qū)域的頂部。通常，第二反射鏡摻雜有p型摻雜劑，其中第一反射鏡摻雜有n型摻雜劑以允許電流流動以將少數(shù)載流子電子和空穴注入有源區(qū)。在該示例中，p型材料是半導(dǎo)體材料，例如摻雜有諸如引起自由空穴的碳的材料的砷化鎵(GaAs)，或者在半導(dǎo)體材料中形成正電荷載流子。n型材料是半導(dǎo)體材料，例如摻雜有諸如硅的材料的GaAs，以在半導(dǎo)體材料中形成自由電子或負電荷載流子。包含多量子阱的有源區(qū)。兩個反射鏡通常制成晶體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導(dǎo)體層。

當(dāng)p-n結(jié)被電流正向偏置時，空穴和電子形式的自由載流子被注入有源區(qū)中的量子阱中。在足夠高的偏置電流下，注入的少數(shù)載流子在量子阱中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生光增益。當(dāng)有源區(qū)中的光子刺激電子從導(dǎo)帶到價帶的躍遷時發(fā)生光增益，這產(chǎn)生與受激光子同相位的附加光子。當(dāng)光學(xué)增益等于腔體損耗時，發(fā)生激光振蕩并且激光器處于閾值偏壓時，VCSEL發(fā)射激光，因為光學(xué)相干光子從VCSEL的發(fā)射孔徑發(fā)射，并且發(fā)射孔徑位于VCSEL的頂部或底部，這取決于應(yīng)用場景。

激光的效率取決于光輸出量與激光器內(nèi)光損失量的比。增加光學(xué)增益并減少激光腔內(nèi)的內(nèi)部損耗可提高激光器的效率。為了獲得最大效率，電流的主要部分必須與激光共生。例如，在VCSEL中，通常在有源區(qū)上方和下方提供頂部和底部電觸點，使得可以通過有源區(qū)施加泵浦電流。

激光器結(jié)構(gòu)需要在諧振腔中的光學(xué)限制和有源區(qū)域中的載流子限制，以通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)實現(xiàn)泵浦電子到受激光子的有效轉(zhuǎn)換。一種電流限制方法，Al0.98Ga0.02As層的氧化可用于在反射器和有源區(qū)之間形成氧化層，其電流通過橫向氧化工藝控制。這種方法在低閾值電流，高可靠性和高效率方面表現(xiàn)出任何VCSEL的最佳性能。橫向模式通常通過實施光子和/或電子的限制手段來定義。VCSEL也需要電或電流限制，其中電流用于提供泵浦有源區(qū)以獲得增益的器件。

對于選擇性氧化型VCSEL，在有源區(qū)附近形成用于進行電流限制和光限制的氧化層，以使氧化層的氧化孔的直徑更小，從而VCSEL以單模工作。另一方面，電流限制孔徑越寬，高階模式的增益就越大。當(dāng)電流限制孔足夠?qū)挄r，會出現(xiàn)多模激光。因此，對于給定的VCSEL結(jié)構(gòu)，存在可以進行單橫模操作的最大電流限制孔徑尺寸。最大單橫模電流限制孔徑尺寸也設(shè)定了VCSEL單橫模輸出功率的上限。

通過將氧化層置于腔中的光學(xué)駐波的波腹位置來引入折射率波導(dǎo)的VCSEL。在這種情況下，不能確保單模輸出，但是當(dāng)前閾值非常低。通過在節(jié)點位置移動氧化層而引入的增益波導(dǎo)VCSEL確保單模輸出，但激光閾值電流非常高。氧化層總是電流約束，但其光學(xué)限制取決于其在腔中的位置。如果氧化孔徑位于光學(xué)駐波的波腹位置，則實現(xiàn)了完美的光學(xué)限制。但是，如果它位于節(jié)點位置，則光學(xué)限制不會發(fā)生。因此，如果氧化孔位于這兩個位置之間，則其限制性質(zhì)影響增益和有效折射率參數(shù)。

VCSEL中氧化孔徑的定位是對不同矛盾的要素進行權(quán)衡的結(jié)果。另一方面，在孔和有源區(qū)之間的摻雜層中的電流擴展將增加pn結(jié)的有效面積，因此電容將增加，而電阻將保持高，主要由氧化孔的尺寸限定光圈。