[發明專利]一種垂直腔面發射激光器

有效

• 申請號: 201811477564.9
• 申請日: 2018-12-05
• 公開（公告）號: CN109524878B
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發明（設計）人: 陳柱元;羅玉輝
• 申請（專利權）人: 深亮智能技術（中山）有限公司
• 主分類號: H01S5/183
• 分類號: H01S5/183;H01S5/187
• 代理公司: 廣州市越秀區海心聯合專利代理事務所(普通合伙) 44295
• 代理人: 王洪娟;冼俊鵬

本發明公開了一種垂直腔面發射激光器，包括襯底，在襯底上依次層疊有基板、底部n型DBR反射鏡、第一氧化限制層、n型引導間隔層、有源區層、p型漸變間隔層、第二氧化限制層、第一間隔層、第三氧化限制層、第二間隔層、第四氧化限制層、第三間隔層、第五氧化限制層、第四間隔層、第六氧化限制層、第五間隔層、第七氧化限制層、第六間隔層、第八氧化限制層、頂部p型DBR反射鏡、p型接觸層和p側電極；在襯底遠離基板的一面設有n側電極。其優點在于：能夠穩定實現單模運行，并且具有低光學損耗、低能耗和低寄生電容的優點。

技術領域

本發明涉及垂直腔面發射激光器，具體涉及一種具有多個電流限制層的DBR反射鏡的高功率單模垂直腔面發射激光器。

背景技術

在高功率單模VCSEL(垂直腔面發射激光器)中有幾種有效的電流限制和橫向光學限制方法，其中較常采用的方法是掩埋異質結構、蝕刻氣柱、離子注入和選擇性氧化。特別是采用氧化限制的VCSEL由于在小的有效體積中的有效電流和光學限制而在調制帶寬方面表現出優異的性能。已經使用VCSEL內的氧化限制層通過在激光模式內收縮電流和引導激光來最小化功率耗散。然而，這些氧化限制層由于其外延半導體不完美的形狀而產生了不希望的光學散射，并且需要較大的模直徑以實現低光學損耗。

頂部p型DBR反射鏡中具有多個氧化限制層的VCSEL結構由兩部分組成；一個是電流限制層，另一個是光學限制層。對于VCSEL來說，電流限制是合乎需要的，其中電流用于提供泵浦有源區以獲得增益的手段。例如：在VCSEL中，通常在有源區上方和下方提供頂部和底部電觸點，以通過有源區施加泵浦電流。電流限制方法通過設置電流限制結構以將泵浦電流限制在有源區域的相對小的區域中。其中包括頂部p型DBR反射鏡的簡單臺面蝕刻或是鋁含量高的選擇性橫向氧化，如Al0.98Ga0.02As或甚至位于有源層附近光駐波的節點和/或波腹位置之間的AlAs，其厚度通常在20nm和30nm之間。

光學限制層形成為相同的電流限制層和/或在電流限制層上方的幾對DBR反射鏡中的替代氧化限制層。在這些典型的VCSEL結構中，光學限制層被設計成具有比電流限制層大約1-3μm的更大氧化物孔徑，并且有源區域和氧化物孔徑都位于光駐波的波腹位置。因此，這些VCSEL作為指數引導(index-guided)器件工作，具有強徑向內置折射率限制，有利于更高階橫模，對于氧化限制層中的6μm光學孔徑更寬，這些典型的VCSEL結構不能保證單模運行。

雖然單模的散射損耗可以被抑制到與典型VCSEL相同的水平，但是與典型的VCSEL相比，多個氧化層產生更大的散射損耗并抑制更高階的橫模。高階橫模的光學模式分布比基模寬。如果光學限制層的孔徑尺寸被設計為比基本模式的輪廓寬并且小于高階橫向模式的孔徑尺寸，則僅高階橫向模式由于光學限制層的散射而遭受更大的光學損失。

VCSEL的散射損耗取決于VCSEL諧振腔內氧化限制層位置的影響。當氧化限制層位于光駐波中的節點處時，不存在孔徑相關的損耗。然而，當氧化限制層位于波腹處時，散射損失顯然是孔徑尺寸的函數。隨著孔徑尺寸增加到>6μm的尺寸，散射損失開始合并。對于大型多模VCSEL，氧化限制層的放置不會對散射損失起作用。然而，對于小型單模VCSEL，通過在光駐波中的節點處放置孔，可以將散射損耗降低到可忽略的水平。

用于前幾個頂部p型DBR反射鏡的AlGaAs層的Al分數從94％增加到96％以形成氧化限制層。當氧化孔隙層時，這些高鋁含量層比在臺面周邊形成較厚介電層的其它DBR反射鏡周期相對更快地氧化。這些氧化層有效地增加了等效電容器厚度并降低了寄生電容(parasitic capacitance)。增加多個氧化限制層的總厚度以實現器件的低寄生電容是有效的。

氧化物限制的VCSEL器件通常作為激光源是有效的。但是，可以改善氧化限制。例如，氧化物限制的VCSEL器件具有直接放置在有源區頂部上方的電流限制層。通過適當設計不同數量的氧化孔徑層來減小寄生電容并實現具有低功耗的高頻。

發明內容