適合高溫工作的高增益垂直腔面發(fā)射半導體激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可以產(chǎn)生高光學增益的新型垂直腔面發(fā)射半導體激光器，適用于高溫工作條件，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]垂直腔面發(fā)射激光器是一種垂直表面出光的半導體激光器，它具有體積小，快速調(diào)制，易于單片集成等優(yōu)點，在醫(yī)療、傳感、信息存儲、通訊及衛(wèi)星導航等領(lǐng)域有著極其重要的應用。隨著應用領(lǐng)域的擴展，全天時通訊及衛(wèi)星導航等應用領(lǐng)域?qū)ζ骷哪透邷毓ぷ魈匦蕴岢隽似惹行枨?，如何提升垂直腔面發(fā)射半導體激光器閾值、功率特性是近年來研究的熱點。
[0003]垂直腔面發(fā)射半導體激光器的器件結(jié)構(gòu)包括:N面及P面電極、襯底層、N型及P型摻雜的分布布拉格反射鏡(DBR)、有源區(qū)、氧化層和P面蓋層結(jié)構(gòu)。其中，氧化層外環(huán)為電流阻擋材料，中間為圓形孔徑，注入有源區(qū)的電流只能從該孔徑進入有源區(qū)產(chǎn)生激光，有源區(qū)與該孔徑對應的位置為發(fā)光區(qū);P型及N型DBR結(jié)構(gòu)具有高的反射率;有源區(qū)位于P型及N型摻雜的DBR之間，為整個器件提供激光所需的光增益;P面電極位于P面DBR上方的P面蓋層上，并且電連到蓋層;N面電極位于襯底的背面，并且電連到襯底。激光器加電后，有源區(qū)產(chǎn)生的光經(jīng)過N型DBR及P型DBR的反射形成循環(huán)振蕩，由于有源區(qū)的光增益，光在振蕩過程中不斷放大，最終形成激光輸出。
[0004]垂直腔面發(fā)射半導體激光器的有源區(qū)縱向尺寸為百納米量級，光場在縱向來回振蕩時一個振蕩周期的增益長度只有幾百納米，而兩側(cè)DBR反射鏡反射率一般達到99%以上，這就導致在腔內(nèi)振蕩的激光需要有特別大的能量密度才能出射到腔外，導致器件工作所需的工作電流密度很高，同時器件的輸出功率低。當激光器工作在高溫環(huán)境下時，由于發(fā)光區(qū)量子阱的增益衰減，器件的功耗增加，同時出光功率迅速衰減，使得垂直腔面發(fā)射半導體激光器在長時通訊、原子傳感等對溫度特性要求較高的應用領(lǐng)域受到嚴重限制。
[0005]目前報道的提高面發(fā)射激光發(fā)光區(qū)光增益的方案主要有以下幾種:
[0006](1)1991年公布的YH Xie等人的美國專利US5063569-A中，提出將發(fā)光區(qū)兩側(cè)的DBR反射鏡改為介質(zhì)膜材料結(jié)構(gòu)，通過將介質(zhì)膜與發(fā)光區(qū)進行鍵合實現(xiàn)完整器件結(jié)構(gòu)，由于介質(zhì)膜具有低吸收特性，且會將光場分布向發(fā)光區(qū)壓縮，由于增益區(qū)與光場重疊增加，因而相應的光單程增益會變大。
[0007](2)2001年，德國ULM大學的Matthias Golling等人在國際會議上提出一種新型的周期性增益發(fā)光區(qū)結(jié)構(gòu)(Proceedings ofSPIE，Vol.4286，102-108,2001),該結(jié)構(gòu)通過在光場振蕩方向引入多個帶有增益的多量子阱結(jié)構(gòu)，以使得光在單次振蕩過程中得到的增益加倍，為保證各個發(fā)光區(qū)能有效注入電子和空穴載流子，發(fā)光區(qū)之間采用超薄重摻雜隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)進行級聯(lián)。
[0008](3)2014年公開的國際專利EP2802046-A1中，提出采用一種主動增益區(qū)結(jié)構(gòu)，通過增益區(qū)的折射率變化提升增益區(qū)橫向光限制因子以達到提高激光器有源區(qū)增益利用效率的方法，該方法相當于提升了光場與增益區(qū)的橫向重疊部分，使得發(fā)光區(qū)的增益能夠充分作用于光場。
[0009]上述所采用的提升有源區(qū)光增益的方法中所涉及到的介質(zhì)材料與半導體材料的鍵合工藝、隧道結(jié)級聯(lián)結(jié)構(gòu)的制備以及主動性增益區(qū)的制備等均是具有高難度的制備工藝，因而以上方法所采用的制備方案工藝精度要求高、難以實現(xiàn)，并且上述方案制作步驟繁瑣，在技術(shù)上推廣難度大，而且上述方案仍未能改變高溫環(huán)境下發(fā)光區(qū)的增益衰減效應，對高溫工作時激光器性能提升效果有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有垂直腔面發(fā)射半導體激光器在高溫工作時存在的發(fā)光區(qū)增益衰減的問題，提出一種新型的帶有增益調(diào)控功能的垂直腔面發(fā)射半導體激光器結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)垂直腔面發(fā)射半導體激光器發(fā)光區(qū)能夠獲得高的光學增益，特別是在高溫工作下常規(guī)器件結(jié)構(gòu)的發(fā)光區(qū)增益出現(xiàn)衰減時該新型結(jié)構(gòu)仍能保證發(fā)光區(qū)增益穩(wěn)定，有效抑制溫度效應帶來的器件性能衰減。
[0011]為實現(xiàn)上述目標，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是:
[0012]適合高溫工作的高增益垂直腔面發(fā)射半導體激光器，其結(jié)構(gòu)由下至上依次為N面電極、N型襯底、N型摻雜DBR、有源區(qū)、增益導引層、增益調(diào)控電極、氧化層、P型摻雜DBR、P面蓋層、P面電極和出光窗口；所述增益導引層由N側(cè)增益導引層及P側(cè)增益導引層組成，且分別位于有源區(qū)的上下兩側(cè);所述增益調(diào)控電極位于P側(cè)增益導引層上，并且兩者電連。
[0013]激光器工作時由增益調(diào)控電極通過P側(cè)增益導引層向有源區(qū)的外側(cè)非發(fā)光區(qū)域注入電流產(chǎn)生光增益，增益光場通過N側(cè)增益導引層及P側(cè)增益導引層的橫向?qū)б饔脗鬏斨林行陌l(fā)光區(qū)位置。
[0014]所述增益導引層的材料折射率低于有源區(qū)的材料折射率以保證光增益的導引作用，增益導引層為半導體AlGaAs基材料、InP、GaN、ZnO或有機材料。
[0015]N型摻雜DBR、有源區(qū)及P型摻雜DBR的材料為半導體AlGaAs基材料、InP、GaN、ZnO或有機材料。
[0016]所述有源區(qū)結(jié)構(gòu)為單量子阱、多量子阱、量子點或量子線結(jié)構(gòu)，有源區(qū)位于激光器諧振光場最大處，使得有源區(qū)提供的增益有效支持器件內(nèi)部激光諧振及輸出。
[0017]有源區(qū)與增益導引層結(jié)構(gòu)的總光學厚度為波長整數(shù)倍，以使得有源區(qū)與兩側(cè)反射鏡結(jié)構(gòu)形成光學諧振效應。
[0018]增益導引結(jié)構(gòu)為DBR結(jié)構(gòu)，或者為高反射光柵或光子晶體的具有增益導引功能、可與有源區(qū)形成諧振腔的結(jié)構(gòu)。
[0019]所述適合高溫工作的高增益垂直腔面發(fā)射半導體激光器可以為多個諧振腔集成的器件結(jié)構(gòu)。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點:
[0021]本發(fā)明在傳統(tǒng)垂直腔面發(fā)射半導體激光器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了增益導引層及增益調(diào)控電極結(jié)構(gòu)，由于發(fā)光區(qū)的橫向尺寸(幾十或上百微米量級)遠遠大于發(fā)光區(qū)縱向尺寸(幾百納米量級)，因而僅需在增益調(diào)控結(jié)構(gòu)上施加極小的光增益電流就可以為發(fā)光區(qū)補充很大的增益，該結(jié)構(gòu)增益補充效率非常高，即使在高溫工作時仍能提供足夠大的光增益。該結(jié)構(gòu)有效利用了激光器發(fā)光區(qū)橫向外側(cè)不能參與激光振蕩的增益區(qū)結(jié)構(gòu)，使得增益可以在橫向得到有效補充，不會對激光器的縱向光振蕩產(chǎn)生不利影響。
[0022]本發(fā)明所提出的增益導引層結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)激光器的采用相同材料體系即可，但是其折射率要低于發(fā)光區(qū)材料的有效折射率以實現(xiàn)增益導引特性。增益調(diào)控電極的制備方法也采用傳統(tǒng)電極制備工藝，沒有引入新的器件材料及鍵合工藝，不會增加工藝制備的復雜程度，可以適用于各種結(jié)構(gòu)的垂直腔面發(fā)射半導體激光器。
[0023]本發(fā)明具有增益補償功能的垂直腔面發(fā)射激光器在高溫環(huán)境下具有非常優(yōu)越的增益穩(wěn)定性，并且制備工藝簡單、適用范圍廣，在激光通信、原子傳感等領(lǐng)域具有非常廣闊的應用前景。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明適合高溫工作的高增益垂直腔面發(fā)射半導體激光器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2為本發(fā)明適合高溫工作的高增益垂直腔面發(fā)射半導體激光器增益補償原理示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0027]如圖1所示，適合高