光柵輔助的微柱腔面發(fā)射激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光柵輔助的微柱腔面發(fā)射激光器。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展推動(dòng)著光電子器件向著微型化、高密度集成、低功耗的 方向發(fā)展。
[0003] 和邊發(fā)射激光器相比，面發(fā)射激光器有許多優(yōu)勢(shì)（K. Iga，"Surface-emitting laser-its birth and generation of new optoelectronics field ,''IEEE J.Sel.Top tics Quantum Electron ·，vol · 6，no · 6，pp · 1201-1215，Nov · /Dec · 2000 ·)。比如 面發(fā)射激光器不需要分解開就可以測(cè)試激光器的出光等重要特性，從而知道激光器的好 壞，這樣可以降低測(cè)試的成本、提高測(cè)試的效率;面發(fā)射激光器比較容易形成二維的陣列， 和邊發(fā)射激光器相比，器件的密度可以大大提高，這樣單個(gè)器件的成本就降低了；面發(fā)射激 光器的腔體積通常比邊發(fā)射激光器小得多，這使得面發(fā)射激光器的閾值低、直調(diào)制的速度 高并且功耗低；另外面發(fā)射激光器通常具有圓形的光斑，和光纖的耦合要比邊發(fā)射激光器 容易，因此耦合封裝的成本大大降低。
[0004] 為形成面發(fā)射激光器，通常有水平腔和垂直腔兩種實(shí)現(xiàn)方式。垂直腔面發(fā)射激光 器是大家研究得最多的，因?yàn)樗那惑w方向和輸出方向是一致的。因?yàn)榇怪鼻唤Y(jié)構(gòu)通常都 是由材料外延生長(zhǎng)形成的，腔體都比較短。為實(shí)現(xiàn)激射，往往要求垂直腔的兩個(gè)反射鏡具有 非常高的反射，通常都要在99.9%附近。如此高的反射通常是由高低折射率的兩種材料交 替沉積形成的布拉格(Bragg)反射鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。為避免沉積太多的層數(shù)，通常這兩種材料的折 射率差越大越好。目前半導(dǎo)體襯底上外延生長(zhǎng)的晶體材料最適合用來(lái)做這種反射鏡的是 GaAs襯底上的GaAs/AlAs材料對(duì)，一來(lái)它們天然的與GaAs襯底晶格匹配，另外它們的折射率 差大，所以目前最成功的垂直腔面發(fā)射激光器是在GaAs襯底上實(shí)現(xiàn)的。由于GaAs襯底上的 有源量子阱材料的發(fā)光波長(zhǎng)最長(zhǎng)也就在1微米左右，所以現(xiàn)在的垂直腔面發(fā)射激光器的工 作波長(zhǎng)集中在短波長(zhǎng)比如850、980、1060納米等等。其中850納米的垂直腔面發(fā)射激光器在 短距離的光通信中有非常重要的應(yīng)用(A.Larsson，et al，〃High speed VCSELs and VCSEL arrays for single and multicore fiber interconnects，〃Proc·of SPIE，vol·9381， 938IOD-I,2015；J.A.Tatum,et al·，〃VCSEL_based interconnects for current and future data centers，〃J.Lightwave Technol·，vol·33，no·4，pp·727-732，F(xiàn)eb·2015·)〇 9 8 0納米的垂直腔面發(fā)射激光器陣列被用來(lái)做大功率激光器 (www.princetonoptronics · com)。在光通信常用的長(zhǎng)波長(zhǎng)比如1300和1550納米波段，通常 用的材料是InP基材料。但是在InP基上沒有像GaAs/AlAs這樣的材料對(duì)，因此比較難實(shí)現(xiàn)高 反射率的布拉格反射器。通常用的InP/InGaAsP (InGaAlAs)材料對(duì)存在許多困難:為獲得高 反射的單個(gè)反射鏡率通常需要沉積大約40對(duì)的InP/InGaAsP的材料，累積厚度達(dá)到9微米左 右，材料生長(zhǎng)非常困難因此成本高（N. Nishiyama，et al，〃Long-wavelength vertical-cavity surface-emitting lasers on InP with lattice matched AlGaInAs-InP DBR grown by MOCVD,^IEEE J.Sel.Topics Quantum Electron.,vol.11,no.5, pp.990-998, Sept./Oct.，2005.)，所以為實(shí)現(xiàn)InP基上的垂直腔面發(fā)射激光器，通常使用電介質(zhì)材料形 成的布拉格反射器（M.C.Amann，et al.，〃InP_based long-wavelength VCSELs and VCSEL arrays ,^IEEE J.Sel. Topics Quantum Electron.,vol.15,no .3,pp.861-868,May/ Jun · 2009 ·)，或GaAs/AlAs的布拉格反射器（D · I · Babic，et al，"Room temperature performance of double-fused 1.54μηι vertical-cavity lasers，〃IPRM 96，no.ThAl-2， Apr. 1996.)，這樣制作過(guò)程非常復(fù)雜。在紫外波段的GaN材料體系，也存在同樣的困難，難以 外延形成晶體材料的高反射率的布拉格反射鏡。目前采用的方案也是使用電介質(zhì)材料形成 的布拉格反射鏡（S.Nakamura，"GaN_based VCSEL fabricated on nonpolar GaN substrates，"CLEO-PR 2013，no·ΜΗ1_1)。
[0005] 所以雖然垂直腔面發(fā)射激光器的概念取得了非常大的成功，但和人們當(dāng)初的預(yù)期 相比還有比較大的差距。目前主要是在GaAs襯底上得到了成功的應(yīng)用，在其它波段都遇到 了非常大的困難。但由于面發(fā)射激光器相對(duì)于邊發(fā)射激光器的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)仍 然在積極地開展相關(guān)研究。
[0006] 垂直腔激光器因?yàn)榍婚L(zhǎng)短，所以對(duì)反射的要求非常高。如果是水平腔的話，腔長(zhǎng)很 容易做得很長(zhǎng)，因此實(shí)現(xiàn)激光器相對(duì)比較容易，所以用水平腔來(lái)實(shí)現(xiàn)面發(fā)射也是被廣泛研 究的一個(gè)課題。主要的代表有基于二階光柵的分布反饋激光器，二階光柵既提供反饋又產(chǎn) 生面發(fā)身才（R· D · Burnham，et al ·，"Single-heterostructure distributed-feedback GaAs-diode lasers ,^IEEE J. Quantum Electron·，vol·QE-II，pp·439-449，no·7， Jul. 1975 .)，但這種激光器的輸出光斑是一個(gè)長(zhǎng)扁的橢圓形光斑。目前還有分布反饋 (Distributed Feedback，DFB)激光器在輸出端形成45度反射鏡的，這樣輸出光能形成面發(fā) 身才輸出（B.Stegmuller，et al · ,Surface emitting InGaAsP/InP distributed feedback laser diode at I .53ym with monolithic integrated microlens ,^IEEE Pho ton · Techno I .Lett.，vol .3，no. 9，pp. 776-118, Sep. 1991 ·)。還有做同心圓環(huán)光概來(lái)形 成面發(fā)射輸出的（C.Wu，et al. ,"Optically pumped surface-emitting DFB GalnAsP/InP lasers with circular grating,^Electron . Lett.,vol.27,no.20,pp.1819-1820, Sep. 1991.)。這些方案中只有DFB激光器加45反射鏡的方案形成了商業(yè)化的產(chǎn)品，但其制作 過(guò)程仍然非常復(fù)雜并且腔長(zhǎng)比較長(zhǎng)。
[0007] 微柱或微環(huán)腔具有高品質(zhì)因子的回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM)， 所以比較容易做成微腔激光器，但由于平面內(nèi)的各向同性這種激光器很難形成定向輸出 (M.Fujita,et al·，"Continuous wave lasing in GaInAsPmicrodisk injection laser with threshold current of μΑ, "Electron. Lett·, vol .36，no. 9 ,Apr .2000. hWGM 模式是 通過(guò)光場(chǎng)在微柱的外邊緣的全反射來(lái)實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的強(qiáng)限制的，所以WGM模式的光場(chǎng)集中在靠 近微柱外邊緣的位置。通過(guò)在微環(huán)腔的內(nèi)側(cè)面刻蝕光柵，可以形成垂直方向的輸出(X.Cai， et al·，"Integrated compact optical vortex beam emitters，"Science，vol·338， pp. 363-366，Oct. 2012.)。通過(guò)在微柱腔的頂上形成金屬的光柵，面發(fā)射輸出的量子級(jí)聯(lián)激 光器也有展不（L.Mahler，et al，''Vertically emitting microdisk lasers，''Nature Photonics，vol .3，pp.46-49, Jan.2009.)。這種金屬光柵既承擔(dān)電極的功能，又形成輸出的 光柵，但只適合量子級(jí)聯(lián)激光器。因?yàn)榱孔蛹?jí)聯(lián)激光器的工作波長(zhǎng)非常長(zhǎng)，金屬本身不產(chǎn) 生大的損耗，反而提供激光器的模場(chǎng)在垂直方向的限制。這種金屬光柵的概念并不適合其 它波段，比如我們關(guān)心的1300、1550納米的通信波段、紫外波段等。
[0008] 技術(shù)內(nèi)容
[0009] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出一種光柵輔助的微柱腔面發(fā)射激光器，以克服 上述缺陷和不足。
[0010] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的光柵輔助的微柱腔面發(fā)射激光器，所述激光 器的諧振腔為微柱，所述微柱具有一定形狀，該形狀足以支持回音壁模式作為激光器的諧 振模式；
[0011] 所述微柱的頂部設(shè)有歐姆接觸層和光柵層;所述歐姆接觸層，用于電流注入，所述 歐姆接觸層的外沿位于所述微柱外沿之內(nèi)，用以避免給激光器的工作模式造成額外損耗；
[0012] 輸出光柵位于所述光柵層上靠近微柱外側(cè)邊的位置，通過(guò)散射形成激光器垂直方 向的輸出；
[0013] 上蓋層位于所述光柵層下方，調(diào)節(jié)所述上蓋層的厚度能夠控制所述光柵層