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CN116404522A - 一种垂直腔面发射激光器 - Google Patents

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CN116404522A
CN116404522A CN202310353615.1A CN202310353615A CN116404522A CN 116404522 A CN116404522 A CN 116404522A CN 202310353615 A CN202310353615 A CN 202310353615A CN 116404522 A CN116404522 A CN 116404522A
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light
reflector
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cavity surface
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邵宥楠
崔尧
纪一鹏
常瑞华
沈志强
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Zhejiang Bosheng Photoelectric Technology Co ltd
Original Assignee
Zhejiang Bosheng Photoelectric Technology Co ltd
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Priority to TW112118727A priority patent/TWI849918B/zh
Priority to EP23175797.2A priority patent/EP4439884A1/en
Priority to JP2023087496A priority patent/JP7602577B2/ja
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Abstract

本公开提供了一种垂直腔面发射激光器，涉及光电器件技术领域。该垂直腔面发射激光器包括堆叠设置的衬底层、缓冲层、第一反射器层、发光层、偏振选择混合层和电极层，所述偏振选择混合层包括第二反射器层以及集成在所述第二反射器层上方的近波长光栅层，其中近波长光栅的周期小于传播介质中的光的波长，且大于所述垂直腔面发射激光器的半导体材料中的光的波长。采用本公开的垂直腔面发射激光器，能够发射高度稳定和高度偏振的激光，结构简单，方便制造，同时使得第二反射器层更薄，降低了生产成本。

Description

一种垂直腔面发射激光器
技术领域
本公开一般涉及光电器件技术领域，具体涉及一种垂直腔面发射激光器。
背景技术
垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers，VCSELs)因具有体积小、寿命长和阈值电流低等诸多优势，可广泛应用于高速光学芯片、数据中心、结构光和激光雷达等领域。
传统VCSELs的激光发射显示出不同程度的偏振，这取决于器件设计、制造条件以及在各种操作条件下自发偏振转换的高度复杂模式。目前，相关技术使用衍射光栅和亚波长光栅等来演示具有稳定偏振的VCSELs，但这些配置中的每一种都有特定缺点，比如周期大于激光波长的衍射光栅因其特征尺寸大而易于制造，但由于高阶衍射损耗，其性能会显著下降，再如亚波长光栅需要小于激光波长的周期以及基于特殊外延方式形成，这会给制造带来巨大挑战，同时增加生产成本。
发明内容
鉴于相关技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种垂直腔面发射激光器，结构简单，方便制造，并且成本低廉。
本公开提供一种垂直腔面发射激光器，所述垂直腔面发射激光器包括堆叠设置的衬底层、缓冲层、第一反射器层、发光层、偏振选择混合层和电极层，所述偏振选择混合层包括第二反射器层以及集成在所述第二反射器层上方的近波长光栅层，其中近波长光栅的周期小于传播介质中的光的波长，且大于所述垂直腔面发射激光器的半导体材料中的光的波长。
可选地，在本公开一些实施例中，所述近波长光栅通过蚀刻所述第二反射器层中的覆盖层而形成。
可选地，在本公开一些实施例中，所述近波长光栅对应区域的形状包括多边形和圆形中的至少一种。
可选地，在本公开一些实施例中，所述近波长光栅的外表面设置有至少一个共形层。
可选地，在本公开一些实施例中，当所述共形层的累积厚度超过预设阈值时，所述共形层上方还设置有平面化层，且所述平面化层与所述共形层之间存在空隙。
可选地，在本公开一些实施例中，所述共形层和所述平面化层分别包括SiN层、Al2O3层、TiO2层和SiO2层中的至少一种。
可选地，在本公开一些实施例中，所述近波长光栅下方设置有至少一个终止层。
可选地，在本公开一些实施例中，所述近波长光栅的底部位于所述终止层上方；或者，所述近波长光栅的底部贯穿所述终止层，并到达所述第二反射器层中的覆盖层内部。
可选地，在本公开一些实施例中，所述终止层包括Si层、Ge层、GaN层、AlGaN层、GaAs层、AlGaAs层、InGaP层、InGaAs层和AlAs层中的至少一种。
可选地，在本公开一些实施例中，所述发光层包括层叠设置的有源层和氧化层，所述氧化层包括用于出射激光的未氧化区域和环绕所述未氧化区域的氧化区域。
从以上技术方案可以看出，本公开实施例具有以下优点：
本公开实施例提供了一种垂直腔面发射激光器，该垂直腔面发射激光器通过将近波长光栅层与第二反射器层集成，其中近波长光栅的周期小于传播介质中的光的波长，且大于激光器的半导体材料中的光的波长，由此形成激光器腔的偏振选择混合层，从而能够发射高度稳定和高度偏振的激光，结构简单，方便制造，同时使得第二反射器层更薄，降低了生产成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本公开的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本公开实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的结构示意图；
图2为本公开实施例提供的一种通过RCWA计算获得的反射率、衍射损耗和相位示意图；
图3为本公开实施例提供的一种设置一个共形层、两个共形层和多个共形层的示意图；
图4为本公开实施例提供的另一种设置多个共形层的示意图；
图5为本公开实施例提供的又一种设置多个共形层的示意图；
图6为本公开实施例提供的一种设置一个终止层、两个终止层和多个终止层的示意图；
图7为本公开实施例提供的一种近波长光栅与终止层的位置关系示意图；
图8为本公开实施例提供的另一种近波长光栅与终止层的位置关系示意图；
图9为本公开实施例提供的一种近波长光栅对应区域的尺寸与未氧化区域的尺寸关系示意图；
图10为本公开实施例提供的另一种近波长光栅对应区域的尺寸与未氧化区域的尺寸关系示意图；
图11为本公开实施例提供的又一种近波长光栅对应区域的尺寸与未氧化区域的尺寸关系示意图；
图12为本公开实施例提供的一种光栅区域不同形状示意图；
图13为本公开实施例提供的一种光栅元件不同方向示意图；
图14为本公开实施例提供的一种光栅的栅格示意图；
图15为本公开实施例提供的一种光栅的晶胞示意图。
附图标记：
10-垂直腔面发射激光器，11-衬底层，12-缓冲层，13-第一反射器层，14-发光层，141-有源层，142-氧化层，143-未氧化区域，144-氧化区域，15-偏振选择混合层，151-第二反射器层，1511-覆盖层，152-近波长光栅层，153-共形层，154-平面化层，155-界面，156-空隙，157-终止层，16-电极层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本公开方案，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便描述的本公开的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
为了便于理解和说明，下面通过图1至图15详细地阐述本公开实施例提供的垂直腔面发射激光器。
请参考图1，其为本公开实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的结构示意图。该垂直腔面发射激光器10包括堆叠设置的衬底层11、缓冲层12、第一反射器层13、发光层14、偏振选择混合层15和电极层16，偏振选择混合层15包括第二反射器层151以及集成在第二反射器层151上方的近波长光栅层152，其中近波长光栅的周期小于传播介质(例如，空气)中的光的波长，且大于垂直腔面发射激光器10的半导体材料中的光的波长。由此，在透射方向上来自更高衍射级的任何损失被完全消除，并通过适当设计光栅的条宽、间隙和蚀刻深度，使反射方向上高衍射级所造成的损耗最小化。
可选地，本公开实施例中近波长光栅通过蚀刻第二反射器层151中的覆盖层1511而形成。这样设置的好处是，无需对现有外延设计进行改变，方便制造，同时垂直腔面发射激光器10可以与传统的垂直腔面发射激光器并排生产，且这两种类型的器件都能够集成到阵列中。以及，垂直腔面发射激光器10的远场与传统的垂直腔面发射激光器的远场可以基本相似。
需要说明的是，本公开实施例中第一反射器层13和第二反射器层151可以为分布式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector，DBR)层。进一步地，混合反射器对所需偏振方向的光的反射率被设计成与单独的DBR的反射率相匹配，同时对于非期望偏振方向的光的反射率大于阈值，且小于期望偏振方向的光的反射率。偏振选择混合层15的反射率差可以是大于0.5、0.8、1、1.5、2、3、5、10或者20％的任何值，其中反射率的差异越大，激光的偏振度越大，并且对于不同的激光器驱动电流、不同的温度等各种操作条件，激光的偏振度越稳定，而激光的偏振度可以大于5dB、7dB、10dB、15dB、20dB和30dB。另外，由近波长光栅引起的衍射损耗通过适当的设计被最小化，并且可以小于50％、30％、20％、15％、10％、7％、5％、3％、2％、1％和0.5％。总之，将近波长光栅集成到激光反射器中的好处在于激光器的性能损失最多仅受光栅在激光期望偏振方向上的衍射损耗的影响，相反，具有非期望偏振方向的光的衍射损耗对激光器性能仅有微小影响。
如图2所示，其分别为本公开实施例提供的一种通过RCWA(Rigorous CoupledWave Analysis，严格耦合波分析法)计算获得的反射率、衍射损耗和相位示意图，其中激光的期望偏振是TE模式。对于这种偏振，混合反射器具有增强的反射率，其被设计成在没有近波长光栅的情况下匹配第二反射器层151的反射率，并优化激光器的功率、阈值和斜率效率等性能。在TE模式，偏振选择混合层15具有设计的小于10％的低衍射损耗，这最小化了对激光器性能的影响。TM模式光的衍射损耗在20％～25％之间，明显高于TE模式，但由于其反射率低于TE模式而不会激射，因此对激光器性能没有实际影响。对于TE光和TM光，混合反射器的单程相位分别接近π和0，这意味着对于两个偏振方向的光，满足2π倍数的往返相位条件。总之，混合反射器的总相位取决于DBR层厚度、DBR覆盖层1511设计以及周期、条宽、间隙和蚀刻深度等光栅参数。
可选地，本公开实施例中近波长光栅的外表面设置有至少一个共形层153，这样设置的好处是能够提高垂直腔面发射激光器10的可靠性和光学特性。例如图3所示，其分别为本公开实施例提供的一种设置一个共形层、两个共形层和多个共形层的示意图，当共形层153的累积厚度超过预设阈值时，光栅与结构的间隙变得平坦，共形层153上方设置有平面化层154，其中预设阈值可以为光栅间隙高度的0.5倍。进一步地，如图4所示，其示出了完美共形的共形层153如何沿着界面155结合并达到平面度。而如图5所示，其示出了当达到平面度时，共形层153如何沿着界面155结合并形成空隙156。需要说明的是，本公开实施例中共形层153和平面化层154可以由无机介电材料制成，例如分别包括SiN层、Al2O3层、TiO2层和SiO2层中的至少一种，并通过ALD(Atomic Layer Deposition，原子层沉积法)、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法)、CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积法)、PVD(Physical Vapor Deposition，物理气相沉积法)和溅射等方式形成。
可选地，本公开实施例中近波长光栅下方设置有至少一个终止层157，该终止层157可以用于蚀刻终止或者传播缺陷终止，由此不仅能够增强光栅蚀刻深度的均匀性，改善光栅间隙的横截面形状，还能够增加光栅间隙蚀刻深度的精度，例如相对于终止层157的材料和相对于第二反射器层151的覆盖层1511的材料，形成光栅间隙的蚀刻具有大于阈值水平的选择性，即1.5：1、2∶1、3∶1、5∶1、10∶1、20∶1、50∶1和100∶1等，同时也提高了垂直腔面发射激光器10的可靠性。其中，终止层157和第二反射器层151的覆盖层1511可以在垂直腔面发射激光器10的结构外延生长过程中，通过MOCVD(Metal-organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)、MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)和LPE(Liquid Phase Epitaxy，液相外延)等方式形成。例如图6所示，其分别为本公开实施例提供的一种设置一个终止层、两个终止层和多个终止层的示意图。进一步地，如图7所示，近波长光栅的底部位于终止层157上方；或者如图8所示，近波长光栅的底部贯穿终止层157，并到达第二反射器层151中的覆盖层1511内部。需要说明的是，本公开实施例中终止层157可以由半导体材料制成，例如包括Si层、Ge层、GaN层、AlGaN层、GaAs层、AlGaAs层、InGaP层、InGaAs层和AlAs层中的至少一种。同时，终止层157的折射率可以接近或者紧密匹配构成第二反射器层151的覆盖层1511的材料折射率，以及该终止层157可以具有小于λ/4、λ/6、λ/8、λ/10或者小于50nm、20nm、10nm、7nm、5nm的厚度，其中λ表示激光波长。
可选地，本公开实施例中发光层14包括层叠设置的有源层141和氧化层142，该氧化层142包括用于出射激光的未氧化区域143和环绕未氧化区域143的氧化区域144，例如氧化层142可以包括铝材料，而出射的激光在近红外范围内，以及偏振方向平行于近波长光栅条。其中，有源层141为单量子阱层或者多量子阱(Multiple Quantum Well，MQW)层，用于在通电情况下进行发光；未氧化区域143为导电区域，在垂直腔面发射激光器10两端的电极施加电压之后，电流经过未氧化区域143进行传导，而氧化区域144为绝缘区域，用于对电流进行隔绝。
进一步地，如图9所示，本公开实施例中近波长光栅对应区域的尺寸可以大于未氧化区域143的尺寸，这会导致垂直腔面发射激光器10基本上所有激光模式的偏振。而如图10所示近波长光栅对应区域的尺寸可以与未氧化区域143的尺寸相等，或者如图11所示近波长光栅对应区域的尺寸可以小于未氧化区域143的尺寸，此种情形下垂直腔面发射激光器10的许多激光横向模式被偏振，例如基模被偏振。根据混合反射器的具有光栅的区域与没有光栅的区域的相对反射率，当混合反射器的反射率与单独的第二反射器层151的反射率基本匹配时，多个激光横向模式可以被偏振，而另一些模式可以是非偏振的。当混合反射器的反射率高于单独的第二反射器层151的反射率时，垂直腔面发射激光器10的多个偏振模式将优先于多个非偏振模式发射激光。
可选地，本公开实施例中近波长光栅对应区域的形状包括多边形和圆形中的至少一种，该多边形包括但不限于三角形和四边形等，该圆形包括但不限于正圆形和椭圆形等。例如图12和图13所示，混合反射器的光栅区域可以设计成各种形状和方向，使得垂直腔面发射激光器10的特定横模被偏振。根据混合反射器的具有光栅的区域与没有光栅的区域的相对反射率，垂直腔面发射激光器10优选发射特定偏振横模的光，或者发射特定偏振横模的光以及其它横模的非偏振光。混合反射器的光栅部分的形状和方向被设计成使得垂直腔面发射激光器10在特定的横向模式中以期望的偏振方向发射激光，其中线偏振发射的方向可以通过旋转来控制，而圆偏振光可以通过手性结构来控制。
另外，如图14和图15所示，其分别为本公开实施例提供的一种光栅的栅格和晶胞的示意图。2D光栅结构可由图14所示的栅格限定，并与特定的光栅元件或者图15所示的晶胞相结合。可以理解的是，不对称光栅元件用于设计对线性偏振光有选择性的基于2D光栅的混合反射器，而手性光栅元件用于设计对圆偏振光有选择性的基于2D光栅的混合反射器。
本公开实施例提供的垂直腔面发射激光器，该垂直腔面发射激光器通过将近波长光栅层与第二反射器层集成，其中近波长光栅的周期小于传播介质中的光的波长，且大于激光器的半导体材料中的光的波长，由此形成激光器腔的偏振选择混合层，从而能够发射高度稳定和高度偏振的激光，结构简单，方便制造，同时使得第二反射器层更薄，降低了生产成本。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器包括堆叠设置的衬底层、缓冲层、第一反射器层、发光层、偏振选择混合层和电极层，所述偏振选择混合层包括第二反射器层以及集成在所述第二反射器层上方的近波长光栅层，其中近波长光栅的周期小于传播介质中的光的波长，且大于所述垂直腔面发射激光器的半导体材料中的光的波长。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述近波长光栅通过蚀刻所述第二反射器层中的覆盖层而形成。
3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述近波长光栅对应区域的形状包括多边形和圆形中的至少一种。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述近波长光栅的外表面设置有至少一个共形层。
5.根据权利要求4所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，当所述共形层的累积厚度超过预设阈值时，所述共形层上方还设置有平面化层，且所述平面化层与所述共形层之间存在空隙。
6.根据权利要求5所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述共形层和所述平面化层分别包括SiN层、Al2O3层、TiO2层和SiO2层中的至少一种。
7.根据权利要求1至3中任意一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述近波长光栅下方设置有至少一个终止层。
8.根据权利要求7所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述近波长光栅的底部位于所述终止层上方；或者，所述近波长光栅的底部贯穿所述终止层，并到达所述第二反射器层中的覆盖层内部。
9.根据权利要求7所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述终止层包括Si层、Ge层、GaN层、AlGaN层、GaAs层、AlGaAs层、InGaP层、InGaAs层和AlAs层中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述发光层包括层叠设置的有源层和氧化层，所述氧化层包括用于出射激光的未氧化区域和环绕所述未氧化区域的氧化区域。
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