專利名稱：偏振穩(wěn)定的表面發(fā)射激光二極管的制作方法
偏振穩(wěn)定的表面發(fā)射激光二極管
背景技術(shù)：
表面發(fā)射激光二極管(稱為垂直腔表面發(fā)射激光器(Vertical-CavitySurface-Emitting Laser):VCSEL)由于例如低閾值電流和對稱的波瓣的多個優(yōu)點(diǎn)越來越多地用于現(xiàn)代光電系統(tǒng)，且逐漸代替常規(guī)的邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器。由于它們的或多或少不同的橫向?qū)ΨQ性(旋轉(zhuǎn)對稱性)，VCSEL沒有偏振選擇性或僅具有不充足的偏振選擇性。使用中，這可能導(dǎo)致偏振不穩(wěn)定性和偏振切換，排除該激光器用于大多數(shù)應(yīng)用。表面發(fā)射激光二極管通常具有圓柱狀的對稱結(jié)構(gòu)，且基于它們的設(shè)計和制造方法對于福射波的偏振方向沒有優(yōu)先的方向。因此，存在關(guān)于福射波的偏振方向的兩個正交狀態(tài)。在理想的激光器結(jié)構(gòu)中，這兩種狀態(tài)能量簡并(degenerate)且同等地適合用于激光器工作。然而，由于電光效應(yīng)和部件設(shè)計中的各向異性以及制造過程中的不對稱性和波動，該簡并被消除且VCSEL主要僅以優(yōu)選的偏振模式振蕩。在大多數(shù)情況下，導(dǎo)致特定的模式是優(yōu)選的的機(jī)制難以控制或者不明顯和不易辨識，結(jié)果是整體偏振過程隨機(jī)且性質(zhì)不穩(wěn)定。偏振切換通常限制在偏振相關(guān)的光學(xué)系統(tǒng)中的使用。例如，光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸中的這種切換導(dǎo)致增加的噪聲。因為多個應(yīng)用依賴偏振穩(wěn)定的激光器作為光源，這表示生產(chǎn)產(chǎn)量的顯著降低。在許多情況下，的確可以限定優(yōu)先的方向，但是簡并的消除不強(qiáng)大到足以保證在變化的環(huán)境和操作條件下的偏振穩(wěn)定性。在這種情況下，甚至這些參數(shù)的較小變化都可能引起在兩個狀態(tài)之間交替變化(“電極翻轉(zhuǎn)(pole flip)”)。在過去，研究了用于穩(wěn)定偏振的多個可能的方案。為了實(shí)現(xiàn)對于基于GaAs的VCSEL 的偏振穩(wěn)定性，在 0.Tadanaga, K.Tateno, H.Uenohara, T.Kagawa,和 C.Amano, “An850-nm InAlGaAs Strained Quantum-Well Vertical-Cavity Surface-Emitting LaserGrown on GaAs (311) B Substrate with High-PoIarization Stability，，，IEEE Photon.Technol.Lett.，12，942 (2000)中，生長成功地在較高率(higher-1ndexed) [311]的襯底上進(jìn)行。然而，因為其他激光性質(zhì)通常惡化且有特別地對于基于InP的半導(dǎo)體層的困難生長條件，該方法似乎不適合用于長波VCSEL。針對該問題的另一種方法是使用介質(zhì)或金屬光柵結(jié)構(gòu)，如在J.-H.Ser等的“Polarisation stabilisation of vertical-cavity top-surface-emitting lasers byinscription of fine metal-1nterlaced gratings，，，Appl.Phys.Lett.66，2769 (1995)；T.Mukaihara 等的“Polarization control of vertical-cavity surface-emittinglasers using a birefringent metal/dielectric polarizer loaded on topdistributed Bragg Reflector，，，IEEE J.Sel.Top.Quantum.Electron.1, 667 (1995)；M.0rtsiefer 等的 “Polarization Control in Buried Tunnel Junction VCSELs Usinga Birefringent Semiconductor/Dielectric Subwavelength Grating，，，IEEE Photon.Technol.Lett.，22，15(2010)和 P.Debernardi 等的“Reliable Polarization Control
of VCSELs Through Monolithically Integrated Surface Gratings:A ComparativeTheoretical and Experimental Study，，，IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.11，107(2005)中的。使用具有亞波長尺寸的金屬介質(zhì)光柵在激光共振器中產(chǎn)生雙折射。因而，光學(xué)共振器的長度或者激光共振器的共振頻率在一個偏振中可能僅對應(yīng)于布拉格反射鏡的最大值。因而抑制另一個偏振。另一方面，提出的介質(zhì)光柵利用光柵中的干涉效應(yīng)，由于該干涉效應(yīng)取決于偏振，全反射通過光柵放大或衰減。因此，對應(yīng)的光柵結(jié)構(gòu)的周期數(shù)不應(yīng)該低于大約真空波長的一半。用于申請人制造的、具有短周期數(shù)(< λ/2)的集成亞波長光柵的BTJ(掩埋隧道結(jié)(Buried Tunnel Junction))-VCSEL 的一種方法最近由 Μ.0rtsiefer等在“Polarization Control in Buried Tunnel Junction VCSELs Using a BirefringentSemiconductor/Dielectric Subwavelength Grating，，，IEEE Photon.Technol.Lett.,22,15(2010)提出。一般而言，亞波長光柵工藝是復(fù)雜和費(fèi)力的(納米結(jié)構(gòu)化)，特別是當(dāng)亞波長光柵必須填充有其他介質(zhì)時，即使優(yōu)點(diǎn)是明顯的。Philips Forschungslaboratorien 的 TO 2007/057807 A2 在 2OO5 年提出了將具有偏振相關(guān)的折射率或偏振相關(guān)的吸收的層在VCSEL共振器內(nèi)插入兩個末端反射鏡中的一個之前，以便有效的鏡面反射變成偏振相關(guān)的且由此一個偏振模式是優(yōu)選的且被致動。該方法以及將偏振選擇元件放置在激光共振器內(nèi)部的所有方法的嚴(yán)重缺點(diǎn)是，同時影響(光學(xué))共振器的長度，因此同時影響激光波長?？赡芤灿懈飨虍愋詫又械膿p耗，特別是在通過斜角氣相沉積放置的層中的損耗，這可能顯著降低激光性質(zhì)(例如，閾值)。此外，當(dāng)必須精確地維持激光波長時，獲得更復(fù)雜的制造工藝和降低的產(chǎn)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺點(diǎn)，特別是提供一種要求較低復(fù)雜度的制造工藝的偏振穩(wěn)定的表面發(fā)射激光二極管。本發(fā)明通過使用相對較簡單和有效的技術(shù)在介質(zhì)激光反射鏡中產(chǎn)生光學(xué)雙折射且由此獲得給予兩個面內(nèi)偏振中的一個優(yōu)先級的偏振相關(guān)的反射率而解決VCSEL中的偏振選擇和穩(wěn)定。為了這個目的，不同于公布的專利WO 2007/057807 A2中的已知布置，具有偏振相關(guān)的折射率的一個或多個層被放置至一個或兩個激光反射鏡的外部。根據(jù)本發(fā)明的表面發(fā)射激光二極管包括有源放大區(qū)域，有源放大區(qū)域由兩個激光反射鏡界定，一個或多個偏振選擇層被設(shè)置用于穩(wěn)定位于至少一個激光反射鏡的與所述有源放大區(qū)域相對的一側(cè)的區(qū)域中的偏振，所述一個或多個偏振選擇層與各個激光反射鏡平行地延伸且具有偏振相關(guān)的折射率和/或吸收。以這種方式，可能保證與偏振穩(wěn)定無關(guān)地調(diào)節(jié)激光波長且所述層中的損耗對激光閾值幾乎沒有影響。偏振相關(guān)的層在激光反射鏡上的制造和放置可以通過例如硅的介質(zhì)的斜角氣相沉積而相對較簡單地進(jìn)行。因而，本發(fā)明提供了用于偏振穩(wěn)定的表面發(fā)射激光二極管的建議的方案。該方法基于使用光學(xué)各向異性介質(zhì)反射鏡，由于所述層的偏振相關(guān)的折射率，該光學(xué)各向異性介質(zhì)反射鏡具有取決于偏振方向的不同反射率。例如通過斜角氣相沉積反射鏡的一個或多個介質(zhì)層而產(chǎn)生各向異性。根據(jù)本發(fā)明的反射鏡結(jié)構(gòu)使得獲得具有高偏振模式/側(cè)邊模式抑制的確定的和穩(wěn)定的偏振特性成為可能，且保證偏振對反饋不敏感。如果偏振選擇層直接放置至激光反射鏡中的一個，則對于制造過程是有利的。
特別地，在激光反射鏡的外部設(shè)置多個偏振選擇層，所述多個偏振選擇層各自相對于它們的偏振對準(zhǔn)交替旋轉(zhuǎn)90°，且對于一個偏振所述多個偏振選擇層的反射相位與它們位于其一側(cè)的所述激光反射鏡的反射相位相同，而對于另一個偏振所述多個偏振選擇層的反射相位與它們位于其一側(cè)的所述激光反射鏡的反射相位相反。特別有利的是，將層厚度選擇為對應(yīng)于優(yōu)選的偏振中的激光波長的四分之一。這種構(gòu)造的更詳細(xì)的說明及其優(yōu)點(diǎn)可以在下面在示例性實(shí)施例中找到。如果在遠(yuǎn)離各個激光反射鏡的一側(cè)的所述一個或多個偏振選擇層之后是各向同性層，所述各向同性層特別地由氧化鋁或氮化硅組成，另外特別地所述各向同性層的厚度與所述各向同性層中的激光的波長的一半對應(yīng)，則也是有利的。這種構(gòu)造的更詳細(xì)的說明和該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)可以在示例性實(shí)施例中找到。現(xiàn)在本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)通過示例性實(shí)施例更詳細(xì)地描述。應(yīng)該指出的是，在此描述的根據(jù)本發(fā)明的表面發(fā)射激光二極管的示例的特征可以不僅以這里給出的組合實(shí)施，而且可以其他組合實(shí)施，而不需要對所有可能的組合進(jìn)行明確提及和描述。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的表面發(fā)射激光二極管的結(jié)構(gòu)的第一實(shí)施例；圖2示出了根據(jù)現(xiàn) 有技術(shù)的激光二極管的示意性縱向截面的典型布置和相關(guān)聯(lián)的折射率分布圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的縱向截面的一部分的示意圖以及分配給多個層的折射率；圖4示出了作為虛線的作為以微米為單位的層厚度(“厚度(微米)”)的函數(shù)的透光度(“l(fā)-RmaX(% )”)和作為實(shí)線的也取決于硅層的層厚度的兩個偏振的反射率的差("AR(% )*5”)(乘以因數(shù)5);透光度曲線和反射率的差的曲線均以百分?jǐn)?shù)為單位繪制；圖5示出了示意性縱向截面具有兩個偏振選擇層的根據(jù)本發(fā)明的表面發(fā)射激光二極管的結(jié)構(gòu)的另一個實(shí)施例和相關(guān)聯(lián)的對于這兩個偏振的折射率分布圖；圖6示出了根據(jù)圖5的具有兩個偏振選擇層的結(jié)構(gòu)隨對于這兩層相同的單個層厚度變化的與圖4對應(yīng)的圖示；和圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的表面發(fā)射激光二極管的示意性示出的結(jié)構(gòu)的另外的實(shí)施例。附圖標(biāo)記列表:
權(quán)利要求
1.一種表面發(fā)射激光二極管，所述表面發(fā)射激光二極管具有有源放大區(qū)域(2)，所述有源放大區(qū)域(2)由兩個激光反射鏡(1，3)界定，一個或多個偏振選擇層(4)被設(shè)置用于穩(wěn)定位于至少一個所述激光反射鏡(1，3)的與所述有源放大區(qū)域(2)相對的一側(cè)的區(qū)域中的偏振，所述一個或多個偏振選擇層(4)與各個激光反射鏡(1，3)平行地延伸且具有偏振相關(guān)的折射率和/或吸收。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面發(fā)射激光二極管，其特征在于，偏振選擇層(4)直接放置至所述激光反射鏡(1，3)中的一個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的表面發(fā)射激光二極管，其中，設(shè)置多個偏振選擇層(4a，4b)，所述多個偏振選擇層(4a，4b)各自相對于它們的偏振對準(zhǔn)交替旋轉(zhuǎn)90°，且對于一個偏振所述多個偏振選擇層(4a，4b)的反射相位與它們位于其一側(cè)的所述激光反射鏡(3)的反射相位相同，而對于另一個偏振所述多個偏振選擇層(4a, 4b)的反射相位與它們位于其一側(cè)的所述激光反射鏡(3)的反射相位相反。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的表面發(fā)射激光二極管，其中，在遠(yuǎn)離各個激光反射鏡(1，3)的一側(cè)的所述一個或多個偏振選擇層(4，4a，4b)之后是各向同性層(5)，所述各向同性層(5)特別地由氧化鋁或氮化硅組成，另外特別地所述各向同性層(5)的厚度與所述各向同性層(5)中的激光的波長的一半對應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的表面發(fā)射激光二極管，其中，所述偏振選擇層(4,4a,4b)由例如 硅的介質(zhì)組成且特別地通過斜角氣相沉積到所述激光反射鏡(1，3)上而形成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種表面發(fā)射激光二極管，所述表面發(fā)射激光二極管具有由兩個激光反射鏡(1，3)界定的有源放大區(qū)域(2)，其中一個或多個偏振選擇層(4)被設(shè)置用于穩(wěn)定位于至少一個激光反射鏡的與所述有源放大區(qū)域(2)相對的一側(cè)的區(qū)域中的偏振，所述一個或多個偏振選擇層(4)與各個激光反射鏡(1，3)平行地延伸且具有偏振相關(guān)的折射率和/或吸收。
文檔編號H01S5/028GK103222136SQ201180055676
公開日2013年7月24日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月17日
發(fā)明者馬庫斯·克里斯汀·阿曼, 馬庫斯·奧特斯夫, 約爾根·羅斯科普夫 申請人:維特拉斯有限責(zé)任公司