一种基于表面光栅的面发射激光器制造技术

一种基于表面光栅的面发射激光器。该激光器为脊形波导结构，自下而上包含：衬底、下波导盖层、有源层、上波导盖层；在脊形波导表面上刻蚀有布拉格光栅；脊形波导上面不做电极，电极位于脊形波导两侧；在脊形波导与两侧电极之间刻蚀有沟槽；该激光器的下波导盖层中含有一个或多个电流限制区，或者是在上波导盖层中制作一个掩埋隧道结来限制电流。激光器的表面光栅包含两端的一阶光栅和中心区域的二阶光栅。一阶光栅主要起反馈的作用，二阶光栅的作用包括两个方面：一是提供垂直方向的输出，形成面发射；二是产生合适的相移，这样使得布拉格波长能够成为激光器的激射波长。本发明专利技术不需要材料的二次外延生长，制作工艺简便，降低了器件的制作成本。

A Surface Emission Laser Based on Surface Grating

【技术实现步骤摘要】
一种基于表面光栅的面发射激光器
本专利技术属于半导体激光器
，尤其涉及一种基于表面光栅的面发射激光器。
技术介绍
垂直腔面发射激光器(VCSEL)的概念由K.Iga提出(K.Iga,"Sur-face-emittinglaser-itsbirthandgenerationofnewoptoelectronicsfield,"IEEEJ.Sel.TopicsQuantum.Electron.,vol.6,no.6,pp.1201-1215,Nov./Dec.2000.)，经过多年的发展，目前在很多方面都有非常大的应用，比如鼠标中的光源、短距离的光通信、3D传感、大功率半导体激光器等。VCSEL的优势主要包括低成本、低功耗。低成本主要来源于低制作成本、测试成本以及封装成本。低制作成本主要因为激光器不需要经历非常低效的解理镀膜过程，可以像发光二极管(LED)一样大规模制造；低测试成本主要因为激光器可以整片测试，不需要解理成单颗激光器就可以完成测试；低封装成本主要因为激光器的光斑为圆形光斑，比较容易与光纤耦合。VCSEL的低功耗主要因为激光器的有源区的体积小，阈值电流低。在光通信领域，VCSEL主要应用在短距离通信，典型的产品为有源光缆(AOC)。VCSEL具有功耗低、直调速度高的优势。目前25Gb/s的直调VCSEL已经大规模商用。VCSEL通常采用氧化AlAs层的方法来对电流注入的区域进行限制，从而形成电流注入的窗口，这样激光器就具有极小的有源区体积，能够实现低阈值激射(M.H.MacDougal,etal.,"Ultralowthresholdcurrentver-tical-cavitysurface-emittinglaserswithAlAsoxide-GaAsdistributedBraggre-flectors,"IEEEPhoton.Technol.Lett.,vol.7,no.3,pp.229-231,Mar.1995.)。氧化形成的电流注入窗口不能太小，目前电流注入区窗口典型直径是6微米左右。电流窗口太小会导致注入电流密度过高，从而引起可靠性的问题。6微米直径的电流注入窗口会导致横向高阶模的出现，从而会限制激光器的直接调制带宽(Y.C.Chang,etal.,"High-efficiency,high-speedVCSELswith35Gb/serror-freeoperation,"Electron.Lett.,vol.43,no.19,pp.1022-1023,Sep.2007.)。目前直接调制带宽典型值是15GHz左右，进一步缩小电流注入窗口尺寸可以增加调制带宽，最大可到30GHz左右，几乎是此类激光器的极限(E.Haglund,etal.,"30GHzbandwidth850nmVCSELwithsub-100fJ/bitenergydissipationat25-50Gbit/s,"Electron.Lett.,vol.51,no.14,pp.1096-1097,2015.)，但会有可靠性的问题，实际的应用中往往需要更高的调制带宽。此外，由于VCSEL的激射波长主要由外延片结构来决定，后面的制作过程不能对其进行有效改变，这导致激射波长很难控制，这一点和分布反馈DFB激光器截然不同。DFB激光器可以通过调整布拉格光栅的周期来控制激射波长，这样的话，用同一种的外延片可以制作出不同激射波长的激光器。而VCSEL则需要生长不同的外延片结构来制作不同激射波长的激光器。并且，目前商用的VCSEL都是多模的，导致激光器激射波长不能精确控制。因此VCSEL不能有效进行波分复用，而现在通信系统中往往需要用波分复用技术来进一步提高通信容量，即使在短距离通信中也是需要的。除了采用垂直腔，面发射激光器也可以采用水平腔来实现。水平腔面发射激光器可以是常规的DFB或分布布拉格反射DBR激光器，这种激光器往往有非常好的单模特性，并且激射波长可以通过光栅的布拉格波长来决定。这种激光器通常需要在激光器中集成散射体，该散射体能将水平传播的光垂直散射出来从而实现面发射。这种散射体通常是45度的反射镜或二阶光栅。前者通常放在激光器的末端(Martinetal.,"1300-nmHorizontal-CavitySurface-EmittingBH-DFBLasersforUncooledOperation."IEEEPhotonicsTech-nologyLetters,vol.18,pp.962-964,1995.)。后者相对灵活，可以放在激光器的末端，也可以放在激光器的腔体当中。典型代表是用二阶光栅来实现DBR激光器在一侧垂直出射(N.Eriksson,M.Hagberg,andA.Larsson,"Highlyefficientgrating-coupledsurface-emitterswithsingleoutcouplingelements."IEEEPhotonicsTechnologyLetters,vol.7,pp.1394-1396,1995.)，该二阶光栅仅提供垂直输出，谐振腔则由一阶光栅充当反射镜来形成。由于水平腔体积通常比较大，因此即使实现了面发射，水平腔面发射激光器的功耗也会比VCSEL大很多，因而很难像VCSEL一样应用，这也是为什么到目前为止水平腔面发射激光器并没有得到大的应用的原因。总之，现有的垂直腔面发射激光器存在调制带宽低、激射波长难以控制的问题，而现有的水平腔面发射激光器存在阈值高、功耗高的问题。基于此，本专利技术提出了一种新的方案，该方案兼具VCSEL和DFB激光器的优点：和VCSEL类似，该方案具有面发射以及低阈值低功耗的优点；和DFB激光器类似，该方案具有单模单偏振的优势以及激射波长由光栅的布拉格波长决定，且输出功率足够大。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提出一种基于表面光栅的面发射激光器，以克服现有技术所存在的缺陷。为解决上述技术问题，本专利技术提出的一种基于表面光栅的面发射激光器，主要包括中间的脊形波导结构以及两侧的上电极区，所述激光器的横截面自下而上包括衬底、下波导盖层、有源层、上波导盖层；所述上波导盖层的中间区域形成所述脊形波导的脊区，所述脊区表面刻有布拉格光栅。优选的，为了减小损耗并且降低电极制作难度，脊波导表面不做电极，所述上电极位于所述脊波导的两侧，所述脊波导与上电极之间刻有沟槽；脊波导通过高电导率层与脊波导两侧的上电极区相连。进一步的，所述沟槽可以刻蚀至高电导率层，沟槽的宽度大于500纳米。优选的，所述下波导盖层或上波导盖层中含有高电阻区，该高电阻区用于限制电流注入的区域。进一步的，所述高电阻区可以在下波导盖层中靠近有源层区域的位置形成，也可以在上波导盖层中靠近有源层区域的位置形成；所述高电阻区用以限制载流子的注入，使载流子注入的区域与脊波导的模式能最大程度地重叠。优选的，形成所述高电阻区的可选用方式包括：通过离子注入相应区域的方式形成；在相应区域预埋高铝组分层，然后从两侧氧化该高铝组分层形成氧化铝，从而形成高电阻区；在相应区域形成反向的PN结。优选的，电流从所述下电极出发，通过由高电阻区限制所形成的电流注入窗口向上注入到脊波导下面的有源层中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于表面光栅的面发射激光器，其特征在于，所述激光器主要包括中间的脊形波导结构以及两侧的上电极区，所述激光器的横截面自下而上包括衬底、下波导盖层、有源层、上波导盖层；所述上波导盖层的中间区域形成所述脊形波导的脊区，所述脊区表面刻有布拉格光栅；所述上电极区位于所述脊形波导的两侧，所述脊形波导与所述上电极区之间刻有沟槽；所述脊形波导区与所述上电极区之间通过高电导率层相连；所述下波导盖层或上波导盖层中含有高电阻区，用于限制电流注入的区域。

【技术特征摘要】
1.一种基于表面光栅的面发射激光器，其特征在于，所述激光器主要包括中间的脊形波导结构以及两侧的上电极区，所述激光器的横截面自下而上包括衬底、下波导盖层、有源层、上波导盖层；所述上波导盖层的中间区域形成所述脊形波导的脊区，所述脊区表面刻有布拉格光栅；所述上电极区位于所述脊形波导的两侧，所述脊形波导与所述上电极区之间刻有沟槽；所述脊形波导区与所述上电极区之间通过高电导率层相连；所述下波导盖层或上波导盖层中含有高电阻区，用于限制电流注入的区域。2.根据权利要求1所述的基于表面光栅的面发射激光器，其特征在于，所述布拉格光栅包含一段二阶光栅和两段一阶光栅，所述布拉格光栅的周期为Λ＝mλB/2neff，其中λB为光栅所对应的布拉格波长，m为光栅级数，m＝1为一阶光栅，m＝2为二阶光栅，neff为波导的有效折射率；所述二阶光栅位于所述激光器腔长方向的中心区域，提供λ/4相移的功能并实现垂直散射出光；所述一阶光栅位于所述二阶光栅的两端，用来提供光反馈和波长选择。3.根据权利要求1所述的基于表面光栅的面发射激光器，其特征在于，所述沟槽可以刻蚀至高电导率层，沟槽的宽度大于500纳米。4.根据权利要求1所述的基于表面光栅的面发射激光器，其特征在于，所述高电阻区可以在下波导盖层中靠近有源层区域的位置形成，也可以在上波导盖层中靠近有源层区域的位置形成；所述高电阻区用以限制载流子的注入，使载流子注入的区域与脊波导的模式能最大程度地重叠。5.根据权利要求1或4所述的基于表面光...

【专利技术属性】
技术研发人员：国伟华，刘灿，张鹏斐，陆巧银，
申请(专利权)人：华中科技大学，国伟华，
类型：发明
国别省市：湖北,42