[发明专利]基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光器及制备方法

说明书

技术领域

基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光器及制备方法属于半导体 光电子器件领域，涉及一种可以同时发射多个波长的面发射激光器的结构和 制备技术。

背景技术

多波长垂直腔面发射激光器是一种将电能直接转换为光能的半导体电致 发光器件。我们设计的多波长面发射光子器件具有良好单色性、相干特性和 稳定频率间隔的双(多波长)波长输出光子器件，在波分复用光通信系统、高精 度传感器测量以及外差、双(多波长)波长合成波长干涉测量等技术中具有良好 的应用前景。因此，本发明设计的谐振腔长度调节层对实现垂直腔面发射激 光器多波长光谱发射具有重要意义。

目前多波长激光器主要分为两大类：半导体边发射多波长激光器和多波 长光纤激光器；从实现技术上看又可分为：多有源区技术和腔长控制技术等 类型。半导体激光器是目前光通信系统中最为重要的光源，具有体积小，重 量轻，转换效率高，省电等特点；更重要的是半导体激光器的制造工艺与半 导体电子器件和集成电路的制造工艺兼容，因此便于与其他器件实现单片光 电子集成。半导体多波长激光器秉承了半导体激光器的这些优点，焕发出强 大的生命力，是国际上多波长激光器的研究主流。

而垂直腔面发射激光器(VCSEL)与常规的侧向出光的边发射 (edge-emitting)激光器和光纤激光器在结构上有着很大的不同，边发射激光器 的出射光平行于芯片表面，VCSEL的出射光垂直于芯片表面。典型的VCSEL 由上，中，下三部分构成，仅约几十纳米厚的量子阱发光区夹在上下两布拉 格反射镜之间，有源区的发射光在上，下反射镜之间往返多次得到放大，最 后相干性极高的激光从顶部或底部激射出。这种独特的器件易于实现二维平 面阵列，小发散角和圆对称的远，近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高， 光腔长度可调，可在较宽的范围内得到单、多纵模工作，动态调制频率高； 而且可实现大规模光集成、且体积小。但是现有的VCSEL都是单波长激光器。

发明内容

本发明的目的在于：本发明的目的在于提供一种基于现代半导体加工技 术的砷化镓基多波长垂直腔面发射激光器器件结构和制备方法，即引入腔长 调节层技术，采用半导体加工方法制备具有腔长调节特性的一维光子晶体分 布反馈布拉格反射镜，使其取代原有传统DBR结构反射镜，通过调节相位调 节层的厚度来实现激光器有效谐振腔长的变化，使面发射激光器具有多波长 发射的功能。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：设计一种基于一维光 子晶体的多波长垂直腔面发射激光器，该激光器为内腔接触式的层叠结构， 正向电极层设置在p型欧姆接触层上，欧姆接触层以下依次为铝砷化镓氧化电 流限制层、有源区、n型铝砷化镓层、n型砷化镓层、n型砷化镓衬底、衬底电 极层，欧姆接触层以上设置有相位调节层，相位调节层之上为交替生长的19 对铝砷化镓层、砷化镓层，构成激光器一头的分布反馈布拉格反射镜(DBR) 结构；另外，n型铝砷化镓层与n型砷化镓层交替生长26对，构成激光器另一 头的分布反馈布拉格反射镜(DBR)结构，其中，每层铝砷化镓层、砷化镓 层、n型铝砷化镓层、n型砷化镓层的厚度为激射波长λ的四分之一的整数倍； 所述相位调节层采用具有透光性的材料，其厚度为双波长位置、频差的需要 而定。

上述激光器中的构成激光器一头的分布反馈布拉格反射镜(DBR)结构 的交替生长的19对铝砷化镓层、砷化镓层也可以用交替生长的7对Si₃N₄/SiO₂。

其中，所述构成相位调节层的材料是铝砷化镓或者是砷化镓。所述衬底 的材料为n型掺杂砷化镓。所述铝砷化镓氧化电流限制层结构为Al_0.98Ga_0.12As 材料，并采用Al_0.98Ga_0.12As氧化技术对激光器注入电流进行限制。所述有源区 为异质结量子阱结构或为多有源区带间量子级联结构。

本发明设计的基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光器可以用下 面的制备方法来实现：