垂直腔表面发射激光器及其制造方法

本发明涉及垂直腔表面发射激光器领域，尤其是涉及一种垂直腔表面发射激光器及其制造方法。

背景技术：

1、垂直腔表面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，简称为vcsel)凭借其光束质量好、调制速率高、单纵模、低功耗、易于实现片上测试和二维集成等众多优点，成为数据中心光互连的首选光源。近年来，基于vcsel的光互连从数据中心之间的长距离数据传输到包括机房间、机架间、机框间、板级间等的近距离传输，以及片间的超近距离传输的各类网络中起着越来越重要的作用。随着全球数据量爆发对带宽的要求持续增加，以太网速度由400gbe向800gbe推进，预计到2025年突破1tbe以太网技术壁垒。为实现超高速以太网，单信道传输速率从100gbit/s向200gbit/s演进成为趋势，这也对vcsel光通信的传输速率和传输距离提出了更高的要求。

2、vcsel激光器的调制速率主要由弛豫震荡频率、阻尼因子、外部电学寄生截止频率以及热效应等因素决定，而传输距离主要与光功率，衰减和色散等因素有关。由于只有稳定的基横模器件才能够保证光斑能量无暗纹，发散角小，有利于与光纤进行耦合，减少损耗，提高传输距离，而且基横模也是纵模稳定工作的必要条件，所以实现vcsel激光单模高功率输出成为重要的发展方向。

3、目前可见的模式控制技术有，非对称电流注入：通过制作非对称的电极结构使有源区在不同方向上获得增益存在差异。从而增大不同模式间的增益差。输出的偏振方向被固定在具有较大电流注入的方向。这种方式可以实现超过10db的偏振抑制比，但是随着工作电流的增大，偏振抑制比会有明显的降低；非对称孔径结构：通过刻蚀形成不同形状的vcsel台面使氧化后的电流限制孔径不再是圆形。这将使得载流子浓度分布在不同方向上产生差异，从而增大模式间的增益差。这种方式虽然具有一定的偏振控制能力，但随着电流的增大偏振抑制能力将下降。并且该方式对于大孔径的vcsel的偏振控制能力较弱。对于上述提到模式控制技术存在控制能力不强，器件制备工艺难度大等不足，无法满足当前对高速垂直腔表面发射激光器的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种垂直腔表面发射激光器及其制造方法，旨在解决垂直腔表面发射激光器及其制造。

2、本发明提供一种垂直腔表面发射激光器，包括：

3、依次设置的衬底、n电极接触层、下布拉格反射镜、有源区、两层氧化限制层、上布拉格发射镜、表面光栅、p电极和n电极；

4、所述衬底用于支撑，n电极接触层用于导电，上下布拉格反射镜作为半导体激光器的谐振腔，用于相干加强激光，所述有源区用于产生激光，p电极和n电极是用于施加偏置电流；

5、所述两层氧化限制层用于光电限制；

6、所述表面光栅由一层周期性间隔的材料条纹与低折射率材料条纹交织而成，通过调节表面光栅的厚度、周期和填充因子来控制光偏振辨别能力。

7、本发明还提供一种垂直腔表面发射激光器的制造方法，包括以下步骤：

8、提供外延晶片；

9、在外延晶片的顶端涂覆光刻胶，并对光刻胶进行图形化处理以形成掩膜层，根据掩膜层定义垂直腔表面发射激光器的结构形成；

10、氧化垂直腔表面发射激光器的上布拉格发射镜以和有源区之间的结构以形成横向光场限制层；

11、所述垂直腔表面发射激光器具有横向结构；

12、刻蚀所述外延晶片，以形成对比度表面光栅。

13、采用本发明实施例，通过氧化限制层可以起到光电限制的作用，使vcsel器件实现低阈值的单模激光输出，通过调节表面光栅的厚度、周期和填充因子来控制它的光偏振辨别能力实现对高阶横向模式的抑制，从而实现vcsel激光器的高功率单模输出。

14、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

技术特征：

1.一种垂直腔表面发射激光器，其特征在于，包括，依次设置的衬底、n电极接触层、下布拉格反射镜、有源区、两层氧化限制层、上布拉格发射镜、表面光栅、p电极和n电极；

2.根据权利要求1所述的垂直腔表面发射激光器，其特征在于，所述下布拉格反射镜的反射率大于或等于所述上布拉格反射镜的反射率；所述下布拉格反射镜和上布拉格反射镜均由两种具有不同折射率的alxga1-xas对层叠排列形成；

3.根据权利要求1所述的垂直腔表面发射激光器，其特征在于，所述两层氧化限制层的材料为alxga1-x as，其中，0.9≤x≤1。

4.根据权利要求1所述的垂直腔表面发射激光器，其特征在于，所述表面光栅在外延结构中添加了一层顶部gaas层。

5.根据权利要求4所述的垂直腔表面发射激光器，其特征在于，所述表面光栅直径为氧化限制层氧化孔的1/2，在外延片表面额外添加的gaas层厚度为λ/4n，刻蚀出的表面光栅深度为gaas层的厚度，表面光栅周期为104nm～141nm，折射率为0.9。

6.根据权利要求1所述的垂直腔表面发射激光器，其特征在于，所述p电极的材料为ti-pt-au和/或所述n电极的材料为ni-ge-au。

7.一种垂直腔表面发射激光器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述外延晶片自下而上至少包括衬底、n电极接触层、下布拉格反射镜层、氧化限制层、上布拉格反射镜层和表面光栅；

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述刻蚀外延晶片顶部的gaas层具体包括：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

技术总结本发明公开了一种垂直腔表面发射激光器及其制造方法，包括，依次设置的衬底、N电极接触层、下布拉格反射镜、有源区、两层氧化限制层、上布拉格发射镜、表面光栅、P电极和N电极；所述衬底用于支撑，N电极接触层用于导电，上下布拉格反射镜作为半导体激光器的谐振腔，用于相干加强激光，所述有源区用于产生激光，P电极和N电极是用于施加偏置电流；所述两层氧化限制层用于光电限制；所述表面光栅由一层周期性间隔的材料条纹与低折射率材料条纹交织而成，通过调节表面光栅的厚度、周期和填充因子来控制光偏振辨别能力。技术研发人员：万文锐,孙昀,荀孟,潘冠中,黄开典受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所技术研发日：技术公布日：2024/7/29