一种氧化岛反谐振波导垂直腔面发射激光器、制备方法及其应用

本发明涉及半导体，具体为一种氧化岛反谐振波导垂直腔面发射激光器、制备方法及其应用。

背景技术：

1、垂直腔面发射激光器(vcsel)自1978年问世以来，经历了快速的发展。它具有许多传统边发射激光器难以比肩的优点，例如：体积小、阈值电流低、转换效率高、纵模单一性好、具有圆形的输出光斑、对芯片可进行在片测试，并且容易集成为大面积阵列等。基于这些优点，垂直腔面发射激光器在最近几年里快速占领了半导体激光器市场，在光通信、传感、存储等领域发挥着重要作用。

2、在激光器谐振腔中，垂直于传播方向某一截面上光场的稳定分布定义为横模，基横模近似为高斯光束，有更高的光谱纯度、相干性、更窄的线宽、更好的波长稳定性，在长距离光信息传输中不受色散影响。理想情况下只有基横模才能满足谐振条件激射，但是在vcsel中由于横向谐振腔尺寸较大，以及实际情况下反射面和有源区都不是理想平面，同时注入的载流子分布不均和有源区热透镜效应，致使器件难以实现基横模输出。

3、对于vcsel器件来说，多横模工作和输出功率小是存在的一个主要问题。不同的横向模式分布不同，彼此之间存在交叠，竞争强烈，严重影响器件的开关和传输等特性。在用于数据传输的光通信领域中，多模vcsel所产生的光信号受光谱色散以及模式色散的影响，传输距离受到限制，而且高阶模式会吸收大部分电流，影响基横模注入效率，降低驰豫振荡频率，从而限制本征带宽。

4、除此之外，在光传感和光互连领域中，多横模的相干性以及波长稳定性也不如基横模有优势，会影响传感和互联的精度。另一方面，输出光功率直接影响光通信链路传输距离，然而基横模的输出功率通常较小，难以在光通信领域中克服固有损耗实现长距离传输，需要追求更高的输出功率以提升通信链路的传输距离。

5、目前，在兼顾基横模与大功率输出的情况下，市场上的几种主流办法是：1、通过在dbr表面刻蚀光子晶体结构，利用光子晶体图形与缺陷区域的折射率差异，改变模式分布。但是这种结构的高纵横比空气孔径制备工艺困难，而且刻蚀空洞也会引起光损耗增加阈值电流，限制器件的最大输出功率；2、通过在上dbr表面的高阶模激射区刻蚀表面浮雕图形，增大高阶模式镜面损耗，以实现基横模激射。但是这种结构的高阶模式损耗区对于腐蚀精度要求极高，稍有偏差就会影响选模效果；3、通过增加原有谐振腔的限制层，利用高阶模式具有相对较大的发散角，更好的将其散射来实现基横模激射。但是这种结构对外延技术要求很高，涉及到复杂的工艺，对位错和机械扰动高度敏感，有一定的制备难度；4、通过制备高对比度光栅代替传统的dbr作为反射镜，通过光栅的选择特性设计和优化光栅结构抑制高阶模式，实现大功率下基横模激射。但是这种结构需要特殊设计的外延片，且刻蚀亚波长光栅对工艺精度要求很高；5、通过反谐振反射光波导将基模反射回有源区，在低折射率的芯层引入足够大的增益补偿基横模向高折射率包层的泄露，而高阶模式具有较大的边辐射效应而泄露出去，从而实现基横模的激射。但是这种结构的制备需要二次外延技术，工艺相对复杂，而且同样对位错及机械扰动高度敏感。

6、综合上述的几种保证输出功率的前提下基横模vcsel的设计方法，一方面是制备步骤都相对繁多，有些结构还需要特殊的外延片，制造成本较高，另一方面对结构设计和制造的工艺精度要求较高，稍有偏差便会影响输出模式，此外，这些结构设计复杂，增加了额外的光损耗以及内阻，导致阈值电流增加通常在1ma以上，而且一般在高注入电流下即基横模的热翻转电流前高阶模式就会被激射。同时现有的这些单模输出的vcsel结构设计基本都基于单有源区，输出的基横模功率难以超过10mw。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有的保证输出功率的基横模垂直腔面发射激光器的制备方法复杂、出光功率较小、成本高且对精度要求较高，不利于广泛应用的问题，本发明通过在通光孔径中的上p型dbr中引入两个宽度渐变的氧化岛实现反谐振光波导，来改变载流子分布以及不同模式的泄露损耗进而改变不同模式的光分布以及增加不同模式的阈值电流的差值，实现在大孔径下选模的作用，宽度渐变的氧化岛是在平面氧化技术下利用不同al组分的algaas的氧化速率不同的情况制备的；并且使用隧道结结构级联双有源区，提高基横模的输出功率，得到一种多氧化岛反谐振波导的双结1064nm大功率单模输出垂直腔面发射激光器，能够满足多种单模大功率光源的应用，例如，可作为较长距离自由空间光通信、光互连的光源等。

2、本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

3、一种氧化岛反谐振波导垂直腔面发射激光器，所述激光器自上而下包括，第一电极、p型布拉格反射镜、第一氧化层、第一有源区、隧道结、第二氧化层、第二有源区、n型布拉格反射镜、衬底、第二电极，所述p型布拉格反射镜的第二对以及第九对p-dbr的通光孔径中分别设有氧化岛，且靠近的第一电极的氧化岛的宽度大于另一个氧化岛，所述氧化岛用于反波导高阶模式限制。

4、作为一种改进，所述p型布拉格反射镜包括18～25对p型高组分al的algaas层，掺杂浓度为1.8×1018cm-3～2.2×1018cm-3。

5、作为一种改进，第二对以及第九对p-dbr的algaas层的通光孔径中分别设有氧化岛，每个所述氧化岛为位于通光孔径中的algaas层通过平面氧化而成。

6、作为一种改进，所述通光孔径为8～12μm。

7、作为一种改进，所述n型布拉格反射镜包括34～38对n型掺杂的algaas层，掺杂浓度为1.5×1018cm-3～2×1018cm-3。

8、作为一种改进，所述衬底为gaas衬底。

9、作为一种改进，所述第一电极和第二电极的材质为金、铜、石墨、银或锡中的任一种。

10、作为一种改进，所述第一有源区和所述第二有源区的间距为1.5λ，所述隧道结的宽度为4～11nm。

11、本发明还提供如上述的一种氧化岛反谐振波导垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：

12、s1、在衬底上依次外延n型布拉格反射镜，第二有源区，隧道结，第一有源区，氧化层，p型布拉格反射镜，在所述p型布拉格反射镜的第二对以及第九对p-dbr的通光孔径中分别通过平面氧化设置宽度渐变的氧化岛，得到第一预制件；

13、s2、在所述第一预制件的n型布拉格反射镜的上部设置第一电极，在所述第一预制件的n型布拉格反射镜下部设置第二电极，完成激光器的制作。

14、本发明还提供如上述的一种氧化岛反谐振波导垂直腔面发射激光器在半导体激光器中的应用。

15、与现有技术相比，本发明的优点在于：

16、1.本发明所涉及的一种氧化岛反谐振波导垂直腔面发射激光器，通过在结构中设置了两个有源区增加了出光功率，且在p-dbr通光孔径中设置两个宽度渐变的氧化岛用于反波导高阶模式限制，形成反谐振波导，有效改变了载流子和光模式的分布，能够解决现有的保证输出功率的基横模垂直腔面发射激光器的制备方法复杂、出光功率较小、成本高且对精度要求较高，不利于广泛应用的问题。

17、2.本发明所涉及的一种氧化岛反谐振波导垂直腔面发射激光器的制备方法，制备方法简单，成本降低，且对精度要求较低，便于广泛应用。

18、3.本发明所涉及的一种氧化岛反谐振波导垂直腔面发射激光器的应用，所能应用的领域广。

19、附图说明

20、图1为本发明的一种氧化岛反谐振波导垂直腔面发射激光器的结构示意图。

21、图2为本发明的氧化岛反波导vcsel的4种常见横模模式i-p曲线图。

22、图3为本发明的氧化岛反波导vcsel基横模lp01的liv曲线图。