一种抑制垂直腔面发射激光器发散角的方法技术

本发明专利技术公开了一种抑制垂直腔面发射激光器发散角的方法，该方法是通过在氧化限制型的垂直腔面发射激光器的上ＤＢＲｓ表面刻蚀空气孔图形来实现的。利用本发明专利技术，能够有效地抑制垂直腔面发射激光器的发散角，提高垂直腔面发射激光器的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体光电子器件
，尤其涉及。
技术介绍
垂直腔面发射激光器(VCSEL)，以其光束垂直衬底出射、光束对称好、低功耗、易于实现单模工作和二维阵列集成等优势，在光通信、光存储、光互联、固态照明、激光打印和生物传感等领域受到广泛应用，引起了人们的浓厚兴趣和密切关注。在众多应用场合都要求垂直腔面发射激光器单模大功率工作，当氧化孔径很小时，容易实现单横模工作，却限制了输出功率。实验结果表明当氧化孔径减小到3pm时，工作波长为850nm的垂直腔面发射激光器能够实现单模输出，但是它的最大输出功率不到3mW。为了提高输出功率，需增大氧化孔径尺寸，但热效应和空间烧孔现象将导致高阶模的产生，使器件的性能恶化。传统的氧化限制型的垂直腔面发射激光器中，氧化孔径对电流和光场起双重限制作用。由于氧化孔径的引入，氧化区和非氧化区的折射率差高达0.03，使得垂直腔面发射激光器器件即使单模工作，其发散角也超过了20° ，影响了器件的性能。为了实现单模大功率垂直腔面发射激光器，基于模式的选择损耗机审U，有如文献1: "H. Martinsson, J. A. VukiTsi'c, K. J. Ebding， et al, IEEEPHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 1999 (11): 1536"报道的表面刻蚀结构，和文献2: "Delai Zhou, Luke J. Mawst, IEEE JOURNAL OFQUANTUM ELECTRONICS, 2002 (38): 1599"报道的反波导结构。这两种氧化限制型的结构都实现了单模大功率激射，但是由于起载流子限制和光场限制作用的氧化层的引入，氧化区和非氧化区的折射率差 达0.03，导致这两种结构的发散角都超过了 10°。在诸如光互联、光通信和光存储等应用中，垂直腔面发射激光器输出光束的发散角对光纤的耦合效率和光存储密度有重要的影响。光束的发散角越小，和光纤的耦合效率越高，存储密度也越大。因此，为了拓展垂直腔面发射激光器的应用范围，提高垂直腔面发射激光器的应用质量，需要抑制垂直腔面发射激光器的发散角。目前，有文献3: "S. Shinada, F. Koyama, IEEE PHOTONICSTECHNOLOGY LETTERS, 2002 (14): 1641"报道了采用相移层表面刻蚀图案输出高阶模方法基于相干耦合原理获得了 5°的发散角，以及文献4:"Akio Furukawa, Toshihiko Baba, et al, APPL正D PHYSICS LETTERS, 2004(85):5161"报道了在上DBRs刻蚀三角孔图形实现扭曲基膜相干耦合输出，且光束的发散角只有3.8° 。但是这两种方法需要二次外延以及精确控制尺寸，因此制作困难。
技术实现思路
(一) 要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供，以抑制垂直腔面发射激光器的发散角，提高垂直腔面发射激光器的性能。(二) 技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了，该方法是通过在氧化限制型的垂直腔面发射激光器的上DBRs表面刻蚀空气孔图形来实现的。上述方案中，所述刻蚀空气孔图形时，空气孔的刻蚀深度为上DBRs厚度的40%至80%。上述方案中，所述刻蚀空气孔图形时，所述空气孔是三角晶格排列的光子晶体空气孔，或者是四方晶格排列的光子晶体空气孔，或者是环形排列的三角状空气孔，或者是环形排列的扇环状空气孔。上述方案中，所述三角晶格排列或者四方晶格排列的光子晶体空气孔，其元胞是圆形空气孔型，或者是椭圆形空气孔型，或者是方形空气孔型，或者是其他任意形状的空气孔型。上述方案中，所述氧化限制型的垂直腔面发射激光器的出光孔径区，是三角晶格排列的光子晶体或者是四方晶格排列的光子晶体的缺陷区，或者是环形排列的三角状空气孔包围的区域，或者是环形排列的扇环状空气孔包围的区域。上述方案中，所述氧化限制型的垂直腔面发射激光器的空气孔区，既是高损耗区，同时也是包层区。上述方案中，所述氧化限制型的垂直腔面发射激光器的氧化孔径比出光孔径大。上述方案中，所述氧化限制型的垂直腔面发射激光器的工作波长，覆盖深紫外到远红外波段。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下优点1、 本专利技术提供的这种抑制垂直腔面发射激光器发散角的方法，其物理思想是在垂直腔面发射激光器的上DBRs引入空气孔后，形成了一个弱折射率导引的波导结构。这种弱折射率波导结构能够有效地抑制垂直腔面发射激光器的发散角，实现垂直腔面发射激光器激射光束的低发散角输出。2、 本专利技术提供的这种抑制垂直腔面发射激光器发散角的方法，氧化孔径只起电流限制作用。由于氧化孔径的尺寸比出光孔径大，光场由出光孔径周围的空气孔限制，因此这种设计消除了由氧化引入的较大折射改变(折射率的改变量达0.03)对出射光束的影响。出光孔径区周围的空气孔的引入使得折射率的改变只有10—4量级，而出光孔径区相当于波导的芯层，空气孔区域相当于波导的包层，因此这种设计在垂直腔面发射激光器的上DBRs引入空气孔后形成了一个弱折射率导引的波导结构，这种结构能够有效地抑制垂直腔面发射激光器的发散角，实现垂直腔面发射激光器激射光束的低发散角输出。3、 本专利技术提供的这种抑制垂直腔面发射激光器发散角的方法，光场由引入的空气孔形成的弱折射率波导来限制，这种弱折射率导引的波导能 够有效地抑制垂直腔面发射激光器的发散角，提高和光纤的耦合效率，以 及光存储的密度。4、 本专利技术提供的这种抑制垂直腔面发射激光器发散角的方法，将电 流限制和光场限制分离，形成弱折射率导引的波导结构，既减小了微分电 阻，提高了效率，又延长了器件的寿命。5、 本专利技术提供的这种抑制垂直腔面发射激光器发散角的方法，将电 流限制和光场限制分离，形成弱折射率导引的波导结构，能够实现垂直腔 面发射激光器单模激射，同时使器件设计更加灵活。6、 本专利技术提供的这种抑制垂直腔面发射激光器发散角的方法可重复性好，器件制作工艺简单。 附图说明图1为依照本专利技术第一个实例提供的上DBRs刻有单缺陷腔的三角晶 格排列的光子晶体圆形空气孔的垂直腔面发射激光器的表面形貌俯视示 意图。图2为依照本专利技术第二个实例提供的上DBRs刻有环形排列的扇环状 空气孔的垂直腔面发射激光器的表面形貌俯视示意图。图3为依照本专利技术第一个实例提供的垂直腔面发射激光器的上DBRs 引入三角晶格排列的光子晶体圆形空气孔后的有效折射率和折射率的改 变量随着归一化频率的变化关系。图4为本专利技术提供的垂直腔面发射激光器所采用的外延片结构的刻蚀 深度依赖因子(一个表征刻蚀深度的物理参数)随着刻蚀深度的变化曲线。图5为依照本专利技术第一个实例提供的垂直腔面发射激光器出射光束的 远场分布示意图。图中，l为空气孔区，2为出光孔径区，3为空气孔区，4为出光孔径区。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实6施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。本专利技术提供的这种抑制垂直腔面发射激光器发散角的方法，是通过在氧化限制型的垂直腔面发射激光器的上DBRs表面刻蚀空气孔图形来实现 的。所述刻蚀空气孔图形时，空气孔的刻蚀深度为上DBRs厚度的40。/。至 80%。如图1所示，图1为依照本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抑制垂直腔面发射激光器发散角的方法，其特征在于，该方法是通过在氧化限制型的垂直腔面发射激光器的上ＤＢＲｓ表面刻蚀空气孔图形来实现的。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑婉华，刘安金，邢名欣，渠宏伟，陈微，周文君，陈良惠，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]