[发明专利]内腔亚波长光栅液晶可调谐垂直腔面发射激光器及其制备方法

说明书

内腔亚波长光栅液晶可调谐垂直腔面发射激光器及其制备方法涉及半导体激光器和液晶物理学领域，激光器，包括：具有亚波长光栅的Half‑Vcsel部分，作为发射激光的基本半导体激光器结构，液晶微腔部分，其主要利用液晶电控双折射特性，随着施加电场的变化其折射率发生变化，与Half‑Vcsel结合实现波长调谐；本发明可以提升液晶可调谐VCSEL的波长调谐范围，波长调谐效率，降低半导体/LC界面的高反射率，改善半导体腔与液晶腔的耦合，提升液晶层中的光场能量，并且可以实现单偏振输出。

技术领域

本发明涉及半导体激光器和液晶物理学领域，尤其涉及一种内腔亚波长光栅液晶可调谐垂直腔面发射激光器及其制备方法。

背景技术

可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有圆形对称光斑、易于二维集成，波长调谐范围宽和高速调制等优点，因此被广泛应用于光通信、生物传感、医学成像扫描等领域。前期研究表明，VCSEL激光器可以通过微机械(MEMS)的方式来实现波长可调谐，包括电热调谐，静电调谐，压电调谐等，但这种微机械结构在调谐过程中易受到温度、共振等外界因素的影响，性能不稳定且成本高昂。相比机械调谐方式，利用液晶(LC)材料不仅实现波长调谐，更具有机械性能稳定、可靠性高等优点，然而半导体/LC界面的存在高反射率，进而影响半导体腔与液晶腔的耦合，使得液晶可调谐器件的波长调谐范围、调谐比等受到限制。

因此，当下急需一种有效的措施以解决现有液晶可调谐VCSEL的设计缺陷，弥补现有技术存在的不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内腔亚波长光栅液晶可调谐垂直腔面发射激光器设计及其制备方法。这种器件可分为两个部分，一部分为Half-Vcsel部分，作为发射激光的基本半导体激光器结构，其属于氧化限制型VCSEL结构，在电流泵浦源的激励下，量子阱内形成粒子数反转，释放出大量光子，通过谐振腔实现光放大，进而激发激光，另一部分为液晶微腔部分，其主要利用液晶电控双折射特性，随着施加电场的变化其折射率发生变化，与Half-Vcsel结合实现波长调谐，于此同时，将亚波长光栅层置于液晶层与Half-Vcsel之间，可以有效的降低半导体/LC界面的高反射率，改善半导体腔与液晶腔的耦合，使得主要局限在半导体腔内的光场能量渗入到液晶层中，提升了波长调谐范围和调谐效率，此外，因为液晶层中的光场能量的增加，使得器件的纵向限制因子下降，从而使得器件阈值增益提升，综合考虑，内腔亚波长光栅对液晶可调谐VCSEL器件性能的提升十分的显著，对应用于光通信以及光互联等领域需求的宽范围调谐和高调谐效率的VCSEL器件提供了一种新的设计方案。

本发明内腔亚波长光栅液晶可调谐垂直腔面发射激光器，其结构如图1所示；该结构自下而上依次主要包括激光器背面电极(8)、GaAs衬底(1)、下DBR(2)、有源区(3)、在有源区(3)上设置有氧化限制层(5)，在氧化限制层(5)单元的上层为P++掺杂GaAs层(4)；在上述产品外延结构包封有一层SiO2钝化层(6)，即包括氧化限制层(5)和P++掺杂GaAs层(4)的的上端面以及侧面同时还包括阵列之间的有源区(3)上均包封SiO2钝化层(6)，且SiO2钝化层(6)在每单元对应的P++掺杂GaAs层(4)的上端面中间刻蚀有孔A即对应激光器出光孔，使得暴露P++掺杂GaAs层(4)；在每个单元的SiO2钝化层(6)的四周外侧设有VCSEL电极(7)，且VCSEL电极(7)还通过孔A的内侧面与P++掺杂GaAs层(4)连接；在每个单元的VCSEL电极(7)的四周包封SiO2隔离层(9)，且包封SiO2隔离层(9)在边缘位置被刻蚀，使得暴露VCSEL电极(7)；在包封的SiO2隔离层(9)上方沉积一层液晶下电极(10)；在沉积的液晶下电极(10)的上方柱状台面位置刻蚀形成亚波长光栅层(11)此时形成Half-VCSEL；液晶槽(12)环绕Half-VCSEL圆柱状台面；且液晶槽(12)内进行液晶(17)填充；在液晶(17)的上方为液晶取向层(16)，且液晶取向层(16)位于液晶槽(12)的内侧；在液晶取向层(16)的上方为上液晶电极(15)，且上液晶电极(15)边缘部分均在液晶槽(12)的外侧，使得暴露上液晶电极(15)；在上液晶电极(15)的上方设有具有玻璃基板(13)的上DBR(14)。