一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器及其制备方法，利用微纳光栅导模共振效应，将高反射、窄共振线宽的亚波长导模共振微腔结构作为垂直腔面发射激光器一部分，从而达到更窄的激光线宽，更宽的高反带宽，更小的体积和稳定的偏振控制的目的。运用微纳光栅的导膜共振效应，通过等效介质理论计算，设计共振波长为852nm的弱调制的亚波长光栅导模共振微腔结构，在光栅层和波导层之间添加一层用于控制模式线宽的间隔层，模式线宽能达到1nm以下。该种窄线宽垂直腔面发射激光器相对于传统的VCSEL具有更窄的激光线宽，更宽的高反带宽，更小的体积和稳定的偏振控制。

A guided mode resonant grating narrow linewidth vertical cavity surface emitting laser and its preparation method

The invention provides a guided mode resonance grating with narrow linewidth and vertical cavity surface emitting laser and a preparation method thereof, the use of micro nano grating guided mode resonance effect, high reflection and narrow resonance linewidth of subwavelength guided mode resonant micro cavity structure as vertical cavity surface emitting laser part, so as to narrow the laser linewidth. High anti wider bandwidth, smaller size and stable polarization control purposes. The use of conductive film resonance effect of nano gratings, the equivalent medium theory calculation, design for weak resonance wavelength modulation 852nm sub wavelength grating guided mode resonant micro cavity structure, add a layer for the spacer layer control mode linewidth between the grating layer and the waveguide layer, mode linewidth can reach 1nm the following. The narrow linewidth vertical cavity surface emitting laser has narrower laser linewidth, wider reverse bandwidth, smaller volume and stable polarization control than conventional VCSEL.

【技术实现步骤摘要】
一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器及其制备方法
本专利技术属于半导体激光器
，具体涉及一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器，属于原子物理、光谱学、量子信息、相干通信、遥感以及精密测量

技术介绍
窄线宽垂直腔面发射激光器在许多光学系统中起着重要作用，广泛应用于原子物理、光谱学、量子信息、相干通信、遥感以及精密测量等
随着信息化时代科学技术的高速发展，人们对核心光源性能的要求也越来越高，如在航天卫星导航定位、空间飞行器控制导引等领域中，需要窄激光频谱线宽以实现超过飞秒量级的时间频率精确测量而传统VCSEL光源将越来越不能满足大数据信息系统对窄线宽的要求。利用微纳光栅的导模共振效应将具有超高反射、窄线宽的弱调制的亚波长光栅导模共振微腔结构应用到垂直腔面发射激光器上，作为垂直腔面发射激光器的上反射镜，与有源区、下DBR构成整个导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器的谐振腔。通过调谐亚波长光栅导模共振微腔的各个参数，如光栅周期、占空比、波导厚度、微腔厚度、折射率等从而达到更窄的激光线宽，更宽的高反带宽，更小的体积和稳定的偏振控制的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器，能够使垂直腔面发射激光器激射过程中提供稳定的窄线宽激光，利用微纳光栅导模共振效应，设计超高反射、窄线宽的亚波长光栅导模共振微腔结构与少数对的P型DBR相结合作为垂直腔面发射激光器的上反射镜，与有源区、下DBR构成整个导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器的谐振腔；通过二次外延技术把亚波长导模共振微腔结构材料和少数对上DBR生长在激光器half-VCSEL上，利用标准半导体工艺制备得到光栅，再通过优化光栅与垂直腔面发射激光器光场的耦合作用，可使VCSEL具有更窄的激光线宽，更宽的高反带宽，更小的体积和稳定的偏振控制，通过调谐光栅的结构参数，能满足各个波长的线宽压窄。一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器，如图1所示，该激光器的结构自下而上为N型注入电极Au/Ge/Ni/Au(1)、N型GaAs衬底(2)、Al0.1Ga0.9As/Al0.9Ga0.1As交替生长的下DBR(3)、有源区Al0.2Ga0.8As/Al0.12In0.18Ga0.7As(4)、氧化电流限制层Al0.98Ga0.02As(5)、Al0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9As交替生长的上DBR(6)、SiO2钝化层(7)、P型注入电极Ti/Au(8)、光栅衬底层SiO2(9)、光栅基底层Al2O3(10)、光栅波导层TiO2(11)、光栅间隔层Al2O3(12)、光栅层SiO2(13)，光栅衬底层SiO2(9)、光栅基底层Al2O3(10)、光栅波导层TiO2(11)、光栅间隔层Al2O3(12)、光栅层SiO2(13)是亚波长光栅导模共振微腔结构。利用微纳光栅的导模共振效应设计的亚波长光栅导模共振微腔结构具有超高的反射率，超窄的模式线宽，进而实现垂直腔面发射激光器输出激光为窄线宽的目的。导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器采用导模共振微腔和较少对数的DBR相结合作为上反射镜的方法，有效减小了吸收损耗，而且相对于传统垂直腔面发射激光器体积小，便与集成。通过改变光栅层和波导层之间的间隔层厚度进而改变光栅层和波导层之间的耦合强度，进而压窄线宽。通过改变光栅的周期，实现对不同波长的压窄。窄带导模共振微腔材料光栅的两种介质为折射率相差较小的弱调制设计，不仅便于窄线宽的实现，同时使线宽对光栅层厚度、波导层厚度、填充比变化不敏感，更加利于器件的制作。亚波长光栅导模共振微腔结构具有光波偏振选择作用，进而能实现激光器的输出激光是偏振的目的。与现有垂直腔面发射激光器相比，本专利技术的特点：将具有超高反射、窄线宽的弱调制的亚波长光栅导模共振微腔结构应用到垂直腔面发射激光器上，其结构简单，具有更窄的激光线宽，更宽的高反带宽，更小的体积和稳定的偏振控制。利于原子物理、光谱学、量子信息、相干通信、遥感以及精密测量等
的应用。附图说明图1是本专利技术的一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器的结构及工作原理示意图；图2是本专利技术的一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器所用的VCSEL外延片示意图；图3是本专利技术的一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器的刻蚀出的台面示意图；图4是本专利技术的一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器器件氧化限制层横向氧化后形成注入电流限制孔示意图；图5是本专利技术的一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器中器件生长SiO2钝化层后结构示意图；图6是本专利技术的一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器光刻、溅射溅射Ti/Au制作正面电极示意图；图7是本专利技术的一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器器件背面磨片减薄并溅射Au/Ge/Ni/Au制作背面电极示意图；图8是本专利技术的一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器二次外延生长亚波长光栅导模共振微腔材料示意图；图9是本专利技术的一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器标准半导体工艺制备光栅结构示意图；图10是本专利技术的一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器亚波长光栅导模共振微腔结构示意图；图11是本专利技术的一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器亚波长导模共振微腔反射曲线示意图；图12是本专利技术的一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器不同波长的响应曲线示意图。具体实施方式本专利技术设计的窄线宽垂直腔面发射激光器可以结合图2--图9，详细介绍其制备方法：步骤1：如图2所示，采用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)首先在n型GaAs衬底上交替生长n-Al0.1Ga0.9As层与n-Al0.9Ga0.1As层共36对，构成下DBR；然后生长Al0.2Ga0.8As/Al0.12In0.18Ga0.7As量子阱结构构成有源区；再生长Al0.98Ga0.02As氧化电流限制层；再然后生长少数对Al0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9As上DBR；最后生长掺杂浓度为1x1019/cm-3P型Al0.1Ga0.9As，便于与注入电极形成良好的欧姆接触；步骤2：如图3所示，使用光刻及选择性湿法腐蚀相结合的方法腐蚀出直径为60μm圆柱形台阶，腐蚀深度至露出Al0.98Ga0.02As氧化限制层侧壁；步骤3：如图4所示，利用高温氧化炉通过湿氮氧化法对步骤2中外延片进行横向氧化形成氧化限制层，制作注入电流限制孔；步骤4：如图5所示，使用等离子体增强化学气相沉积PECVD(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition)淀积300nm厚的SiO2钝化层，并光刻、腐蚀出激光器出光孔；步骤5：如图6所示，溅射Ti/Au形成激光器注入电极，并剥离光刻胶露出出光孔；步骤6：如图7所示，将背面衬底减薄至150um，溅射Au/Ge/Ni/Au背面电极；并在430℃下退火35s，使金属层与半导体材料形成良好的欧姆接触，激光器half-VCSEL区制作完成；步骤7：如图8，使用二次外延技术在激光器half-VCSEL上依次生长500nm厚SiO2，200nm厚Al2O3，170nm厚TiO2，100nm厚Al2O3,70nm厚SiO2；步骤8：如图9所示，利用标准半导体工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器，其特征在于：该激光器的结构自下而上为N型注入电极Au/Ge/Ni/Au(1)、N型GaAs衬底(2)、Al0.1Ga0.9As/Al0.9Ga0.1As交替生长的下DBR(3)、有源区Al0.2Ga0.8As/Al0.12In0.18Ga0.7As(4)、氧化电流限制层Al0.98Ga0.02As(5)、Al0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9As交替生长的上DBR(6)、SiO2钝化层(7)、P型注入电极Ti/Au(8)、光栅衬底层SiO2(9)、光栅基底层Al2O3(10)、光栅波导层TiO2(11)、光栅间隔层Al2O3(12)、光栅层SiO2(13)，光栅衬底层SiO2(9)、光栅基底层Al2O3(10)、光栅波导层TiO2(11)、光栅间隔层Al2O3(12)、光栅层SiO2(13)是亚波长光栅导模共振微腔结构。

【技术特征摘要】
1.一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器，其特征在于：该激光器的结构自下而上为N型注入电极Au/Ge/Ni/Au(1)、N型GaAs衬底(2)、Al0.1Ga0.9As/Al0.9Ga0.1As交替生长的下DBR(3)、有源区Al0.2Ga0.8As/Al0.12In0.18Ga0.7As(4)、氧化电流限制层Al0.98Ga0.02As(5)、Al0.9Ga0.1As/Al0.1Ga0.9As交替生长的上DBR(6)、SiO2钝化层(7)、P型注入电极Ti/Au(8)、光栅衬底层SiO2(9)、光栅基底层Al2O3(10)、光栅波导层TiO2(11)、光栅间隔层Al2O3(12)、光栅层SiO2(13)，光栅衬底层SiO2(9)、光栅基底层Al2O3(10)、光栅波导层TiO2(11)、光栅间隔层Al2O3(12)、光栅层SiO2(13)是亚波长光栅导模共振微腔结构。2.根据权利要求1所述的一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器，其特征在于：利用微纳光栅的导模共振效应设计的亚波长光栅导模共振微腔结构具有超高的反射率，超窄的模式线宽，进而实现垂直腔面发射激光器输出激光为窄线宽的目的。3.根据权利要求1所述的一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器，其特征在于：导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器采用导模共振微腔和较少对数的DBR相结合作为上反射镜的方法，有效减小了吸收损耗，激光器体积小，便与集成。4.根据权利要求1所述的一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器，其特征在于：通过改变光栅层和波导层之间的间隔层厚度进而改变光栅层和波导层之间的耦合强度，进而压窄线宽。5.根据权利要求1所述的一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器，其特征在于：通过改变光栅的周期，实现对不同波长的压窄。6.根据权利要求1所述的一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器，其特征在于：窄带导模共振微腔材料光栅的两种介质为折射率相差较小的弱调制设计，不仅便于窄线宽的实现，同时使线宽对光栅层厚度、波导层厚度、填充比变化不敏感，更加利于器件的制作。7.根据权利要求1所述的一种导模共振光栅窄线宽垂直腔面发射激光器，其特征在于：亚波长光栅导模共振微腔结构具有光波偏振选择作用，进而能实现激光器的输出激光是偏...

【专利技术属性】
技术研发人员：关宝璐，刘振扬，李鹏涛，胡丕丽，梁津，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11