[发明专利]一种抑制垂直腔面发射激光器发散角的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种抑制垂直腔面发射激光器发散角的方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)，以其光束垂直衬底出射、光束对称好、低功耗、易于实现单模工作和二维阵列集成等优势，在光通信、光存储、光互联、固态照明、激光打印和生物传感等领域受到广泛应用，引起了人们的浓厚兴趣和密切关注。

在众多应用场合都要求垂直腔面发射激光器单模大功率工作，当氧化孔径很小时，容易实现单横模工作，却限制了输出功率。实验结果表明当氧化孔径减小到3μm时，工作波长为850nm的垂直腔面发射激光器能够实现单模输出，但是它的最大输出功率不到3mW。为了提高输出功率，需增大氧化孔径尺寸，但热效应和空间烧孔现象将导致高阶模的产生，使器件的性能恶化。

传统的氧化限制型的垂直腔面发射激光器中，氧化孔径对电流和光场起双重限制作用。由于氧化孔径的引入，氧化区和非氧化区的折射率差高达0.03，使得垂直腔面发射激光器器件即使单模工作，其发散角也超过了20°，影响了器件的性能。

为了实现单模大功率垂直腔面发射激光器，基于模式的选择损耗机制，有如文献1：“H.Martinsson，J.A.K.J.Ebeling，et al，IEEEPHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，1999(11)：1536”报道的表面刻蚀结构，和文献2：“Delai Zhou，Luke J.Mawst，IEEE JOURNAL OFQUANTUM ELECTRONICS，2002(38)：1599”报道的反波导结构。这两种氧化限制型的结构都实现了单模大功率激射，但是由于起载流子限制和光场限制作用的氧化层的引入，氧化区和非氧化区的折射率差高达0.03，导致这两种结构的发散角都超过了10°。

在诸如光互联、光通信和光存储等应用中，垂直腔面发射激光器输出光束的发散角对光纤的耦合效率和光存储密度有重要的影响。光束的发散角越小，和光纤的耦合效率越高，存储密度也越大。因此，为了拓展垂直腔面发射激光器的应用范围，提高垂直腔面发射激光器的应用质量，需要抑制垂直腔面发射激光器的发散角。

目前，有文献3：“S.Shinada，F.Koyama，IEEE PHOTONICSTECHNOLOGY LETTERS，2002(14)：1641”报道了采用相移层表面刻蚀图案输出高阶模方法基于相干耦合原理获得了5°的发散角，以及文献4：“Akio Furukawa，Toshihiko Baba，et al，APPLIED PHYSICS LETTERS，2004(85)：5161”报道了在上DBRs刻蚀三角孔图形实现扭曲基膜相干耦合输出，且光束的发散角只有3.8°。但是这两种方法需要二次外延以及精确控制尺寸，因此制作困难。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种抑制垂直腔面发射激光器发散角的方法，以抑制垂直腔面发射激光器的发散角，提高垂直腔面发射激光器的性能。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种抑制垂直腔面发射激光器发散角的方法，该方法是通过在氧化限制型的垂直腔面发射激光器的上DBRs表面刻蚀空气孔图形来实现的。

上述方案中，所述刻蚀空气孔图形时，空气孔的刻蚀深度为上DBRs厚度的40％至80％。

上述方案中，所述刻蚀空气孔图形时，所述空气孔是三角晶格排列的光子晶体空气孔，或者是四方晶格排列的光子晶体空气孔，或者是环形排列的三角状空气孔，或者是环形排列的扇环状空气孔。

上述方案中，所述三角晶格排列或者四方晶格排列的光子晶体空气孔，其元胞是圆形空气孔型，或者是椭圆形空气孔型，或者是方形空气孔型，或者是其他任意形状的空气孔型。

上述方案中，所述氧化限制型的垂直腔面发射激光器的出光孔径区，是三角晶格排列的光子晶体或者是四方晶格排列的光子晶体的缺陷区，或者是环形排列的三角状空气孔包围的区域，或者是环形排列的扇环状空气孔包围的区域。

上述方案中，所述氧化限制型的垂直腔面发射激光器的空气孔区，既是高损耗区，同时也是包层区。

上述方案中，所述氧化限制型的垂直腔面发射激光器的氧化孔径比出光孔径大。

上述方案中，所述氧化限制型的垂直腔面发射激光器的工作波长，覆盖深紫外到远红外波段。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下优点：