一种耦合腔垂直腔面发射激光器、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种耦合腔垂直腔面发射激光器、制备方法及其应用，涉及半导体技术领域，具体为一种耦合腔垂直腔面发射激光器、制备方法及其应用，解决了现有的垂直腔面发射激光器由于有效腔长较短，光谱线宽较大使其应用受限的问题。所述激光器自上而下包括，第一布拉格反射镜组、氧化层、有源区、第二布拉格反射镜组、无源腔、第三布拉格反射镜组、衬底，所述第一布拉格反射镜组远离所述氧化层的一侧设有第一电极，所述无源腔靠近所述第二布拉格反射镜组的一侧的两端设有第二电极。性能优异，腔长较长，线宽能达到小于20MHz的水平，比传统垂直腔面发射激光器的线宽小2个数量级以上，所能应用的领域更广。能应用的领域更广。能应用的领域更广。

【技术实现步骤摘要】
一种耦合腔垂直腔面发射激光器、制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及半导体
，具体为一种耦合腔垂直腔面发射激光器、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]垂直腔面发射激光器(VCSEL)自1978年问世以来，经历了快速的发展。它具有许多传统边发射激光器难以比肩的优点，例如：体积小、阈值电流低、转换效率高、纵模单一性好、具有圆形的输出光斑、对芯片可进行在片测试，并且容易集成为大面积阵列等。基于这些优点，垂直腔面发射激光器在最近几年里快速占领了半导体激光器市场，在光通信、传感、存储等领域发挥着重要作用。而原子钟是一种先进的计时装置，其精度可以达到每2000万年误差1秒，广泛应用于全球导航系统上。原子钟传感器依赖于对碱原子(铷或铯)的光谱分析，这些碱原子存在于小型蒸汽腔室中。铯的相应光谱波长为894.6nm(D1)和852.3nm(D2)，铷为795.0nm(D1)和780.2nm(D2)。由于垂直腔面发射激光器具有低功耗和圆形输出光束的特点，使得其成为原子钟首选的光源。
[0003]为了提高原子钟传感器的精确度及稳定性，垂直腔面发射激光器光源必须具备与碱原子特征谱线对应的单纵模，窄的光谱线宽，基横模，以及稳定的线性偏振等特点。然而，传统结构的垂直腔面发射激光器受自身结构和制造工艺的影响，有效腔长较短，通常约为1个波长，在腔中固有光子寿命短，线宽很难达到小于20MHz的水平，对原子钟的应用造成了不良影响。
[0004]可见，现有的垂直腔面发射激光器由于有效腔长较短，线宽较大，将其应用在原子钟领域，会造成原子钟性能不佳，从而使其运用受限。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在解决现有的垂直腔面发射激光器由于有效腔长较短，光谱线宽较大使其应用受限的问题，本专利技术通过设置了三组布拉格反射镜组，并引入了无源腔，把谐振腔有效腔长拓展到约8μm，增加腔内固有光子寿命，性能优异，腔长较长，线宽能达到小于20MHz的水平，比传统垂直腔面发射激光器的线宽小2个数量级以上，所能应用的领域更广。
[0006]本专利技术为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
[0007]一种耦合腔垂直腔面发射激光器，所述激光器自上而下包括，第一布拉格反射镜组、氧化层、有源区、第二布拉格反射镜组、无源腔、第三布拉格反射镜组、衬底，所述第一布拉格反射镜组远离所述氧化层的一侧设有第一电极，所述无源腔靠近所述第二布拉格反射镜组的一侧的两端设有第二电极，所述第一布拉格反射镜组的反射率为99.3％～99.6％，所述第二布拉格反射镜组的反射率为70％～85％，所述第三布拉格反射镜组的反射率为99.9％。
[0008]可选的，所述第一布拉格反射镜组包括18～25对p型掺杂的Al
0.92
Ga
0.08
As/Al
0.16
Ga
0.84
As，掺杂浓度为2
×
10
18
cm
‑3～3
×
10
18
cm
‑3。
[0009]可选的，所述第二布拉格反射镜组从下到上包括均为n型掺杂的三层结构。
[0010]可选的，所述三层结构从下到上包括底层、中间层及顶层，所述底层为8～12对Al
0.92
Ga
0.08
As/Al
0.16
Ga
0.84
As，掺杂浓度为0.5
×
10
18
cm
‑
3～
1.5
×
10
18
cm
‑3；所述中间层为Al
0.16
Ga
0.84
As层，掺杂浓度为1
×
10
18
cm
‑3～2
×
10
18
cm
‑3，所述顶层为6～8对Al
0.92
Ga
0.08
As/Al
0.16
Ga
0.84
As，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm
‑3～2
×
10
18
cm
‑3。
[0011]可选的，所述第三布拉格反射镜组包括34～38对n型掺杂的Al
0.92
Ga
0.08
As/Al
0.16
Ga
0.84
As，掺杂浓度为1.5
×
10
18
cm
‑3～2
×
10
18
cm
‑3。
[0012]可选的，所述无源腔为Al
0.16
Ga
0.84
As，掺杂浓度为0.8
×
10
18
cm
‑3～1.2
×
[0013]10
18
cm
‑3。
[0014]可选的，所述无源腔的厚度为1.5～2.25μm。
[0015]可选的，所述衬底为GaAs衬底。
[0016]本专利技术还提供一种耦合腔垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：
[0017]S1、在衬底上依次外延第三布拉格反射镜组，无源腔，第二布拉格反射镜组，有源区，氧化层，第一布拉格反射镜组，得到第一预制件；
[0018]S2、在所述第一预制件的第一布拉格反射镜组上设置第一电极，在所述第一预制件的所述无源腔上设置第二电极，完成激光器的制作。
[0019]本专利技术还提供上述的或通过上述方法所制备的一种耦合腔垂直腔面发射激光器的应用。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0021]1.本专利技术所涉及的一种耦合腔垂直腔面发射激光器，通过设置了三组布拉格反射镜组，并引入了无源腔，将三组布拉格反射镜组的反射率设置为不同的参数，其中底部的第三布拉格反射镜组的反射率限定为99.9％；中间第二布拉格反射镜组反射率限定为70％到85％之间；顶部的第一布拉格反射镜组反射率限定为99.3％至99.6％；使得光子在底部和中间布拉格反射镜组之间的无源腔内反复循环，无源腔内的光场要高于有源区域内的光场，增加了光子在腔内的寿命，从而使得线宽能达到小于20MHz的水平，比传统垂直腔面发射激光器的线宽小2个数量级以上。
[0022]由于本专利技术为三镜腔的结构，使激光器的有效耦合腔长度增加，可达到约8μm，冷腔线宽Δλc能达到0.01397nm。本专利技术在激光器内部设置无源腔还能够保持模态纯度，防止除单一纵模外的所有模态发生激光，使得激光器的性能更高。
[0023]2.本专利技术所涉及的一种耦合腔垂直腔面发射激光器的制备方法，所制备的垂直腔面发射激光器性能优异，腔长较长。
[0024]3.本专利技术所涉及的一种耦合腔垂直腔面发射激光器的应用，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耦合腔垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述激光器自上而下包括，第一布拉格反射镜组、氧化层、有源区、第二布拉格反射镜组、无源腔、第三布拉格反射镜组、衬底，所述第一布拉格反射镜组远离所述氧化层的一侧设有第一电极，所述无源腔靠近所述第二布拉格反射镜组的一侧的两端设有第二电极，所述第一布拉格反射镜组的反射率为99.3％～99.6％，所述第二布拉格反射镜组的反射率为70％～85％，所述第三布拉格反射镜组的反射率为99.9％。2.根据权利要求1所述的一种耦合腔垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一布拉格反射镜组包括18～25对p型掺杂的Al
0.92
Ga
0.08
As/Al
0.16
Ga
0.84
As，掺杂浓度为2
×
10
18
cm
‑3～3
×
10
18
cm
‑3。3.根据权利要求1所述的一种耦合腔垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第二布拉格反射镜组从下到上包括均为n型掺杂的三层结构。4.根据权利要求3所述的一种耦合腔垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述三层结构从下到上包括底层、中间层及顶层，所述底层为8～12对Al
0.92
Ga
0.08
As/Al
0.16
Ga
0.84
As，掺杂浓度为0.5
×
10
18
cm
‑
3～
1.5
×
10
18
cm
‑3；所述中间层为Al
0.16
Ga
0.84
As层，掺杂浓度为1
×
10
18
cm
‑3～2
×
10
18
cm
‑3，所述顶层为6～...

【专利技术属性】
技术研发人员：巫江，唐枝婷，任翱博，刘继林，李传林，赵飞云，李妍，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：