[发明专利]一种单横模偏振稳定的垂直腔面发射激光器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种制备单横模偏振稳定输出的垂直腔面发射激光器的结构及其制备方法，具体地说是一种具有各向异性电流限制孔结构的单横模偏振稳定输出的垂直腔面发射激光器的制备方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器具有制作成本低、功率损耗低、易于二维集成、光束质量高、调制速率高等优点，广泛的应用在光通信、光存储等信息技术领域。

基于制造和可靠性方面的考虑，垂直腔面发射激光器通常为大氧化孔多横模工作，这使得器件发散角较大，不利于与光纤耦合，同时在光纤中传出存在模间色散，且相干性差。相比而言，单模垂直腔面发射激光器具有高相干性、高光纤耦合效率、低噪声和良好的射频线性度，这使得它在光电鼠标、激光打印、光互连、多模光纤短距离传输系统中有重要应用。

传统的垂直腔面发射激光器并没有偏振选择机制，这是由于垂直腔面发射激光器采用（100）面衬底生长的结晶结构和器件自身的对称性引起的。通常，垂直腔面发射激光器激射的激光是两束相互正交的线偏振光，对于沿（100）面衬底生长的器件，两偏振光偏振方向沿[011][0-11]，随着温度，注入电流等外部因素的变化，输出光偏振方向在两个偏振方向上随机跳变，在通信系统中会引起噪声和模式竞争，引起误码率的增加及传送带宽受限等问题。

在光纤通信、光互连、传感等一些新的应用领域中要求激光器单横模偏振稳定工作。因此，研究出制备工艺简单且单横模偏振稳定工作的垂直腔面发射激光器是半导体激光器领域的重要课题之一。目前实现制备单横模偏振稳定垂直腔面发射激光器的技术有光子晶体结构、表面浮雕光栅、椭圆形表面浮雕等，这些方法都需要增加额外的工艺步骤，制作成本高，工艺复杂。

发明内容

本发明的主要目的是提出的一种制备具有单横模偏振稳定输出的垂直腔面发射激光器结构，结构如图1所示，包括下电极，衬底，下布拉格反射镜，相位匹配层，增益区，相位匹配层，电流限制层，电流限制孔，上布拉格反射镜，SiO₂钝化层，上电极；其特征在于，电流限制孔为各向异性，在[011]、[0-11]两晶向上的直径比值大于1.5，且最大直径小于4μm。

本发明中利用[011]、[0-11]晶向上原子排列差异引起的氧化速率不同这一规律，形成的各向异性电流限制孔，[0-11]晶向氧化速率大于[011]晶向，形成电流限制孔[011]晶向直径大于[0-11]晶向，这样打破了电场在两个偏振方向的对称，增加各向异性损耗，获得偏振稳定的激光输出；

本发明中各向异性电流限制孔在[011]、[0-11]两晶向上直径不同，其形状可以是菱形、椭圆形、长方形等；

本发明中通过控制各向异性电流限制层孔的尺寸来抑制高阶模的产生。根据垂直腔面发射激光器的折射率分布和圆柱形波导的单模条件计算得器件电流限制孔尺寸需小于4μm，此时高阶模被抑制，可获得单横模激光输出；

本发明中电流限制层可以是AlGaAs，也可以是AlGaInAs，AlInAs，AlGaInP等含Al材料，也可以采用其他不含Al的材料；可以采用湿氮氧化法制备工艺完成，也可以采用离子注入、腐蚀、刻蚀、扩散等工艺方法，实现电流限制层内电阻的不均匀，从而实现电流非对称注入；

本发明中衬底可以是GaAs，也可以是GaN、InP、Si、SOI等材料；

本发明中的有源区可以是量子阱结构，也可以是异质结等结构；

本发明中的布拉格反射镜可以是半导体材料的，也可以是介质材料；

本发明技术方案如下：

制作出器件台面，可采用湿法腐蚀、ICP刻蚀等工艺。

湿氮氧化对电流限制层进行氧化，或采用离子注入、腐蚀、刻蚀、扩散等工艺制作出各向异性电流限制孔，实现对电流和光的双重限制。

将各向异性电流限制孔7尺寸控制在4μm以内。

在外延片表面用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）淀积SiO₂钝化层。

采用套刻和湿法腐蚀工艺，腐蚀掉台面上中心处的SiO₂材料，形成出光孔。

溅射金属膜10。

采用套刻和湿法腐蚀工艺，制作上电极。

减薄衬底后，溅射下电极1。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：