[发明专利]一种垂直腔面发射激光器

说明书

本发明公开了一种垂直腔面发射激光器，包括衬底，在衬底上依次层叠有基板、底部n型DBR反射镜、第一氧化限制层、n型引导间隔层、有源区层、p型渐变间隔层、第二氧化限制层、第一间隔层、第三氧化限制层、第二间隔层、第四氧化限制层、第三间隔层、第五氧化限制层、第四间隔层、第六氧化限制层、第五间隔层、第七氧化限制层、第六间隔层、第八氧化限制层、顶部p型DBR反射镜、p型接触层和p侧电极；在衬底远离基板的一面设有n侧电极。其优点在于：能够稳定实现单模运行，并且具有低光学损耗、低能耗和低寄生电容的优点。

技术领域

本发明涉及垂直腔面发射激光器，具体涉及一种具有多个电流限制层的DBR反射镜的高功率单模垂直腔面发射激光器。

背景技术

在高功率单模VCSEL(垂直腔面发射激光器)中有几种有效的电流限制和横向光学限制方法，其中较常采用的方法是掩埋异质结构、蚀刻气柱、离子注入和选择性氧化。特别是采用氧化限制的VCSEL由于在小的有效体积中的有效电流和光学限制而在调制带宽方面表现出优异的性能。已经使用VCSEL内的氧化限制层通过在激光模式内收缩电流和引导激光来最小化功率耗散。然而，这些氧化限制层由于其外延半导体不完美的形状而产生了不希望的光学散射，并且需要较大的模直径以实现低光学损耗。

顶部p型DBR反射镜中具有多个氧化限制层的VCSEL结构由两部分组成；一个是电流限制层，另一个是光学限制层。对于VCSEL来说，电流限制是合乎需要的，其中电流用于提供泵浦有源区以获得增益的手段。例如：在VCSEL中，通常在有源区上方和下方提供顶部和底部电触点，以通过有源区施加泵浦电流。电流限制方法通过设置电流限制结构以将泵浦电流限制在有源区域的相对小的区域中。其中包括顶部p型DBR反射镜的简单台面蚀刻或是铝含量高的选择性横向氧化，如Al0.98Ga0.02As或甚至位于有源层附近光驻波的节点和/或波腹位置之间的AlAs，其厚度通常在20nm和30nm之间。

光学限制层形成为相同的电流限制层和/或在电流限制层上方的几对DBR反射镜中的替代氧化限制层。在这些典型的VCSEL结构中，光学限制层被设计成具有比电流限制层大约1-3μm的更大氧化物孔径，并且有源区域和氧化物孔径都位于光驻波的波腹位置。因此，这些VCSEL作为指数引导(index-guided)器件工作，具有强径向内置折射率限制，有利于更高阶横模，对于氧化限制层中的6μm光学孔径更宽，这些典型的VCSEL结构不能保证单模运行。

虽然单模的散射损耗可以被抑制到与典型VCSEL相同的水平，但是与典型的VCSEL相比，多个氧化层产生更大的散射损耗并抑制更高阶的横模。高阶横模的光学模式分布比基模宽。如果光学限制层的孔径尺寸被设计为比基本模式的轮廓宽并且小于高阶横向模式的孔径尺寸，则仅高阶横向模式由于光学限制层的散射而遭受更大的光学损失。

VCSEL的散射损耗取决于VCSEL谐振腔内氧化限制层位置的影响。当氧化限制层位于光驻波中的节点处时，不存在孔径相关的损耗。然而，当氧化限制层位于波腹处时，散射损失显然是孔径尺寸的函数。随着孔径尺寸增加到>6μm的尺寸，散射损失开始合并。对于大型多模VCSEL，氧化限制层的放置不会对散射损失起作用。然而，对于小型单模VCSEL，通过在光驻波中的节点处放置孔，可以将散射损耗降低到可忽略的水平。

用于前几个顶部p型DBR反射镜的AlGaAs层的Al分数从94％增加到96％以形成氧化限制层。当氧化孔隙层时，这些高铝含量层比在台面周边形成较厚介电层的其它DBR反射镜周期相对更快地氧化。这些氧化层有效地增加了等效电容器厚度并降低了寄生电容(parasitic capacitance)。增加多个氧化限制层的总厚度以实现器件的低寄生电容是有效的。

氧化物限制的VCSEL器件通常作为激光源是有效的。但是，可以改善氧化限制。例如，氧化物限制的VCSEL器件具有直接放置在有源区顶部上方的电流限制层。通过适当设计不同数量的氧化孔径层来减小寄生电容并实现具有低功耗的高频。

发明内容