垂直腔面发射激光器

1.本发明涉及半导体光电子技术领域，特别涉及一种垂直腔面发射激光器。


背景技术：

2.垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，vcsel)是一种出光方向垂直于衬底表面的激光器，其量子阱通常生长在(100)方向，所有偏振方向的增益为各向同性。由于vcsel横向尺寸较大，易出现高阶横模，这些模式中每一种模式都包含两种正交偏振态。这两种偏振态在温度或偏置电流的变化过程中均会发生跳变，难以实现稳定的偏振选择特性。具有稳定的偏振选择特性的vcsel在原子传感器件、光通信系统、激光倍频、气体探测和光谱分析等领域具有重要应用。
3.亚波长光栅是一种光栅周期小于光波长，光栅折射率与填充介质折射率对比度较大的周期性光栅层。传统一维亚波长光栅自由度较低，二维亚波长光栅则具有多个维度的参数变化，能够实现更复杂的功能。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.传统垂直腔面发射激光器(vcsel)无法实现出射激光偏振选择性，为了满足特定应用中，如原子传感器件中原子钟所需的线偏振光，本发明提供一种垂直腔面发射激光器，其具有的二维亚波长光栅能够实现对出射激光良好的偏振选择特性。
6.(二)技术方案
7.本发明的实施例提供一种垂直腔面发射激光器，包括：二维亚波长光栅，包括：光栅层，其中光栅层具体地包括：多个柱状的光栅凸起，在第一方向和第二方向上具有不同的光栅宽度，第一方向和第二方向为光栅凸起的排列方向；光栅间隙，形成在光栅凸起周围表面；基底层，光栅层形成在基底层表面。
8.可选地，光栅凸起沿平行于基底层的表面方向的截面形状包括在第一方向和第二方向上平面线条长度不一致的任意平面图形。
9.可选地，光栅凸起和光栅间隙的排列分布至少在第一方向和第二方向上具有周期性。
10.可选地，光栅凸起的材料包括非晶硅材料或者折射率大于光栅间隙的折射率的材料。
11.可选地，光栅间隙中填充有介质，介质包括空气或者折射率小于光栅凸起的折射率的材料。
12.可选地，基底层材料的折射率不高于光栅凸起材料的折射率的二分之一。
13.可选地，光栅层的光栅宽度、高度、周期及基底层的厚度由垂直腔面发射激光器出射激光的偏振模式确定。
14.垂直腔面发射激光器还包括：发光器件，具体地发光器件包括依次叠设的电极层、
欧姆接触层、p型布拉格反射镜层、氧化限制层、有源层、n型布拉格反射镜层、衬底、底层电极层。
15.可选地，二维亚波长光栅设于发光器件的激光出射方向一侧。
16.可选地，二维亚波长光栅的基底层覆盖在发光器件的欧姆接触层的表面，二维亚波长光栅的光栅层设于电极层中间区域，覆盖出光孔全部区域。
17.(三)有益效果
18.本发明提出一种具有二维亚波长光栅的垂直腔面发射激光器，有益效果为：
19.采用上述二维亚波长光栅可以作为垂直腔面发射激光器的p面dbr反射镜，从而减少p型dbr对数，使器件减薄，提高器件功率，在此基础上，可以改变光栅层厚度、宽度及周期等参数，实现对出射激光的偏振选择特性，从而作为众多原子传感器件、光通信系统、激光倍频、气体探测和光谱分析等领域的光源。
附图说明
20.图1示意性地示出了本发明实施例提供的二维亚波长光栅的结构示意图；
21.图2示意性地示出了本发明实施例提供的二维亚波长光栅结构俯视图；
22.图3示意性地示出了本发明实施例提供的采用二维亚波长光栅作为p面dbr反射镜的垂直腔面发射激光器剖视图；
23.图4示意性地示出了本发明实施例提供的具有二维亚波长光栅的垂直腔面发射激光器的结构示意图；
24.图5示意性地表征本发明实施例提供的图4所示的垂直腔面发射激光器的光栅光学特性的反射光谱的计算结果；
25.图6示意性地示出了本发明实施例提供的具有二维亚波长光栅的垂直腔面发射激光器的结构示意图；
26.图7示意性地表征本发明实施例提供的图6所示的垂直腔面发射激光器的光栅光学特性的反射光谱的计算结果。
27.具体实施方法
28.使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。
29.在此公开本发明结构实施例和方法的描述。应当了解，这并不意图将本发明限制在特定公开的实施例中，本发明可以通过使用其它特征，元件、方法和实施例来加以实施。不同实施例中的相似元件通常会标示相似的号码。
30.图1示意性地示出了本发明实施例提供的二维亚波长光栅的结构示意图。
31.如图1所示，本发明中的二维亚波长光栅包括：光栅层1，其中光栅层具体地包括：多个柱状的光栅凸起；光栅间隙，形成在光栅凸起周围表面，基底层2，光栅层形成在基底层表面。
32.其中，二维光栅层1包括形成在基底层2上的多个阵列式长方体柱状光栅凸起11、以及分别形成在柱状光栅凸起周围的光栅间隙12，tg是光栅高度，h1是基底层的厚度。
33.光栅间隙12内由空气或其他低折射率材料作为填充介质。通过设置光栅凸起11和光栅间隙12以及基底层2折射率的差值，具体地，光栅凸起11的材料包括非晶硅材料或者折
射率大于光栅间隙的折射率的材料，所述基底层2材料的折射率不高于所述光栅凸起11材料的折射率的二分之一。由此可以保证出射激光在光栅层1的反射率足够高。
34.本发明所提供的实施例中，基底层2所用氧化硅的折射率为1.47，因此，光栅层1所用材料的折射率例如可以在2.94及以上。
35.本发明所提供的实施例中，光栅层1所用材料，包括但不限于非晶硅或砷化铝镓等折射率较高材料。
36.应当理解，本发明并不限制基底层和光栅层具体所用材料及折射率，可以根据实际的应用场景设置。
37.图2示意性地示出了本发明实施例提供的二维亚波长光栅结构俯视图。
38.如图2所示，其中d1是光栅层第一方向上的光栅宽度，t1是第一方向上光栅周期，d2是第二方向上的光栅宽度，t2是第二方向上的光栅周期，。
39.光栅凸起11在第一和第二方向上具有不同的光栅宽度，从而得到在第一方向和第二方向上不同的占空比。第一方向和第二方向为光栅凸起11在二维平面上的排列方向，具体地，光栅凸起11沿基底层2截面的形状包括在第一方向和第二方向上平面线条长度不一致的任意平面图形。
40.光栅层1的光栅凸起11和光栅间隙12布置成在至少第一和第二方向上具有周期性。
41.通过结构设计使周期性光栅波导的基横模和一阶横模干涉相消，可以实现对某波段光的极高反射(＞99.9％)，因此可以作为p面dbr反射镜的一部分，从而减小dbr对数，提高器件功率。
42.通过调整光栅层1的占空比和周期，光栅层1的折射率和基底层2的折射率和厚度等参数，可以影响出射激光在第一和第二方向上的反射率，从而实现第一方向上出射激光反射率高，第二方向上出射激光反射率低，或者得到相反的效果，直到反射率的变化可以满足光的偏振选择特性。
43.图3示意性地示出了本发明实施例提供的采用二维亚波长光栅作为p面dbr反射镜的垂直腔面发射激光器剖视图。
44.如图3所示，发光器件包括依次叠设的电极层3、欧姆接触层4、p型布拉格反射镜层5、氧化限制层6、有源层7、n型布拉格反射镜层8、衬底9、底层电极层10。电极层3的中部形成镂空区域，作为上述垂直腔面发射激光器的出光孔。
45.其中二维亚波长光栅设于发光器件的激光出射方向一侧，二维亚波长光栅的光栅层1设置在上述发光器件的出光孔内，且覆盖上述出光孔的全部区域。
46.图4示意性地示出了本发明实施例提供的具有二维亚波长光栅的垂直腔面发射激光器的结构示意图。
47.如图4所示，本实施例中，将上述二维亚波长光栅应用于具有圆柱形支撑台和圆形出光孔的795nm垂直腔面发射激光器。795nm波长的线偏振光可作为原子传感器器件如原子钟中所需光源。
48.应当理解，本发明并不限制垂直腔面发射激光器中具体光的波长，可以根据实际的应用场景设置。
49.本实施例中应用的亚波长光栅中采用的折射率为3.47的柱状光栅，沿基底层截面
的形状为矩形，基底层折射率为1.47，光栅高度500nm，基底层厚度500nm，第一方向上光栅宽度495nm，光栅周期660nm，光栅占空比0.75，第二方向上光栅宽度171.6nm，光栅周期660nm，光栅占空比0.26。
50.应当理解，本发明并不限制二维亚波长光栅层中具体光栅凸起沿基底层截面的形状，可以根据实际的应用场景设置。
51.图5示意性地表征本发明实施例提供的图4所示的垂直腔面发射激光器的光栅光学特性的反射光谱的计算结果。
52.如图5所示，本实施例对图4所示高对比折射率的亚波长光栅层进行基于严格耦合波(rcwa)算法的模拟，入射光为正入射的电场分量垂直于入射面的te平面波，得到表征光栅光学特性的反射光谱。其中，实线表示入射光在第一方向上的反射率，虚线表示入射光在第二方向上的反射率。本实施例中二维亚波长光栅层在第一方向783-802nm产生反射率大于99％的高反射带，在795nm中心波长产生峰值反射率99.6％，第二方向在795nm附近表现为低反射特性，在795nm中心波长反射率3.4％。即可以在第一方向可以实现良好的偏振选择。
53.图6示意性地示出了本发明实施例提供的具有二维亚波长光栅的垂直腔面发射激光器的结构示意图。
54.如图6所示，本实施例中，将上述二维亚波长光栅应用于具有圆柱形支撑台和圆形出光孔的795nm垂直腔面发射激光器。
55.本实施例中应用的亚波长光栅中采用的折射率为3.47的柱状光栅，沿基底层截面的形状为椭圆形，基底层折射率为1.47，光栅高度500nm，基底层厚度500nm，第一方向光栅宽度96nm，光栅周期480nm，光栅占空比0.2，第二方向光栅宽度321.6nm，光栅周期480nm，光栅占空比0.67。
56.图7示意性地表征本发明实施例提供的图6所示的垂直腔面发射激光器的光栅光学特性的反射光谱的计算结果。
57.如图7所示，本实施例对图6所示高对比折射率的亚波长光栅层进行基于严格耦合波(rcwa)算法的模拟，入射光为正入射的电场分量垂直入射面的tm平面波，得到表征光栅光学特性的反射光谱。其中，实线表示入射光在第一方向上的反射率，虚线表示入射光在第二方向上的反射率
58.本实施例上述二维亚波长光栅层在第二方向795nm中心波长产生峰值反射率高达99.9％以上，第一方向在795nm附近低反射率，在795nm中心波长反射率小于1％，即可以在第一方向上实现良好的偏振选择。
59.本发明实施例提出一种具有二维亚波长光栅的垂直腔面发射激光器，中心波长为795nm，具体制备过程如下：
60.步骤1：利用mocvd在n型gaas衬底上依次外延生长39对n型al
0.22
ga
0.78
as/al
0.9
ga
0.1
as、三量子阱有源区，其中量子阱为in
0.08
ga
0.79
al
0.13
as/al
0.3
ga
0.7
as、al
0.98
ga
0.02
as氧化限制层、26对p型al
0.22
ga
0.78
as/al
0.9
ga
0.1
as、p型重掺杂gaas层。
61.步骤2：利用pecvd以及溅射工艺制备出sio2光栅基底层以及si光栅层，利用电子束曝光在外延片上写出光栅图形，再用icp将光栅图形刻蚀。
62.步骤3：一次光刻，利用电子束蒸发以及带胶剥离工艺，在欧姆接触层上形成电流
注入的p面电极环；
63.步骤4：利用pecvd生长，为后续icp刻蚀dbr台面做准备，二次光刻，将台面图形转移到用于后续台面刻蚀的sio2掩膜上；
64.步骤5：icp刻蚀圆柱形台面，刻蚀深度足以暴露接下来需要氧化的al
0.98
ga
0.02
as层；
65.步骤6：湿法氧化，对刻蚀完的外延片进行氧化，在440℃高温下，利用氮气作为载气，通入92℃左右的水蒸气，对外延片中的al
0.98
ga
0.02
as氧化限制层进行氧化，形成电流限制孔；
66.步骤7：利用pecvd生长sio2绝缘层，三次光刻定义刻蚀出光孔，并对侧壁进行绝缘隔离；
67.步骤8：利用聚酰亚胺胶做台面沟道平坦化，在200℃氮气气氛下固化2h。
68.步骤9：四次光刻，利用带胶剥离技术，做厚金层；
69.步骤10：背面衬底减薄、抛光，沉积背面电极；
70.步骤11：依次通过合金、解理划片、初测、芯片焊接和封装等步骤，完成器件的制备。
71.根据本发明的上述实施例提供的一种二维亚波长光栅，采用折射率差较大的光栅层及基底层，可以获得高反射率的光栅作为垂直腔面发射激光器的p面高反射镜，减小p面反射镜p型dbr对数，提高器件功率，降低焦耳热。在此基础上通过调整二维光栅第一、第二方向上周期、占空比等参数，可以实现偏振选择特性。从而应用在众多原子传感器件、光通信系统、激光倍频、气体探测和光谐分析等领域中。
72.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：二维亚波长光栅，所述二维亚波长光栅包括：光栅层(1)，所述光栅层(1)包括：多个柱状的光栅凸起(11)，所述光栅凸起(11)在第一方向和第二方向上具有不同的光栅宽度，所述第一方向和第二方向为光栅凸起(11)的排列方向；光栅间隙(12)，所述光栅间隙(12)形成在所述光栅凸起(11)周围表面；基底层(2)，所述光栅层(1)形成在所述基底层(2)表面。2.根据权利要求1所述垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光栅凸起(11)沿平行于所述基底层(2)的表面方向的截面形状包括在所述第一方向和第二方向上平面线条长度不一致的任意平面图形。3.根据权利要求1所述垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光栅凸起(11)和光栅间隙(12)的排列分布至少在第一方向和第二方向上具有周期性。4.根据权利要求1所述垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光栅凸起(11)的材料包括非晶硅材料或者折射率大于光栅间隙(12)的折射率的材料。5.根据权利要求1所述垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光栅间隙(12)中填充有介质，所述介质包括空气或者折射率小于光栅凸起(11)的折射率的材料。6.根据权利要求1所述垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述基底层(2)材料的折射率不高于所述光栅凸起(11)材料的折射率的二分之一。7.根据权利要求1所述垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光栅层(1)的光栅宽度、高度、周期及所述基底层(2)的厚度由所述垂直腔面发射激光器出射激光的偏振模式确定。8.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，还包括：发光器件，所述发光器件包括依次叠设的电极层(3)、欧姆接触层(4)、p型布拉格反射镜层(5)、氧化限制层(6)、有源层(7)、n型布拉格反射镜层(8)、衬底(9)、底层电极层(10)。9.根据权利要求8所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述二维亚波长光栅设于所述发光器件的激光出射方向一侧。10.根据权利要求9所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述二维亚波长光栅的基底层(2)覆盖在所述发光器件的欧姆接触层(4)的表面，所述二维亚波长光栅的光栅层(1)设于所述电极层(3)中间区域，覆盖出光孔全部区域。

技术总结
本发明提供一种垂直腔面发射激光器，包括：二维亚波长光栅，所述二维亚波长光栅包括：光栅层，所述光栅层包括：多个柱状的光栅凸起，所述光栅凸起在第一方向和第二方向上具有不同的光栅宽度，所述第一方向和第二方向为光栅凸起的排列方向；光栅间隙，所述光栅间隙形成在所述光栅凸起周围表面；基底层，所述光栅层形成在所述基底层表面。二维亚波长光栅可以作为垂直腔面发射激光器的反射镜，从而减少顶层DBR对数，并为垂直腔面发射激光器提供偏振选择特性。择特性。择特性。


技术研发人员：聂语葳 李伟 刘素平 马骁宇 吕家纲 潘智鹏
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：2023.05.05
技术公布日：2023/8/21