[发明专利]外延集成高对比度光栅外腔面发射激光器

说明书

本发明公开了外延集成高对比度光栅外腔面发射激光器，普通的氧化型垂直腔面发射激光器，普通的氧化型垂直腔面发射激光器，由于其自身氧化限制层材料的各向异性及有源区材料增益的各向异性等特点，导致其出现偏振不确定或不稳定现象，对于传统的外腔压窄线宽方法通常过于复杂，集成度低，不利于芯片级的设计。本发明中我们采用生长相位匹配层、腔长匹配层的方法延长垂直腔面发射激光器的腔长，通过一次外延的方式形成低折射率介质层作为光栅支撑层和光栅介质层；再通过刻蚀光栅介质层形成光栅微结构，达到控制光偏振的同时压窄线宽。

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种外延集成高对比光栅外腔面发射激光器。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)由于其具备体积微型化，低的功率损耗，快的调制响应，连续光束输出等特点，被广泛应用于光通信、3D打印、激光雷达、集成微芯片系统等领域。普通的氧化型垂直腔面发射激光器，由于其自身氧化限制层材料的各向异性及有源区材料增益的各向异性等特点，导致其出现偏振不确定或不稳定现象，此外，由于有源区温度的变化，也可能出现偏振的不稳定；其次，在普通的氧化型垂直腔面发射激光器中，由于其固有的短光子寿命，线宽要压窄到100MHz以下变得非常困难，通常处于几百MHz的范围。偏振不稳定，线宽较宽等特点严重影响了垂直腔面发射激光器的出光质量，阻碍了垂直腔面发射激光器在原子微系统等高精尖系统中的运用。提出了一种在垂直腔面发射激光器上进行一次外延，并在表面刻蚀微结构的方法达到压窄线宽，控制偏振的目的。对于垂直腔面发射激光器，光谱线宽可以用Henry提出的修正线宽公式：Δν＝Δν_ST(1+α²)，其中α为线宽展宽因子，Δν_ST＝(hν/P₀)(πn_spη₀)(Tc/n_g2L_C)²为未修正的线宽公式，P_o是单模输出光功率，L_c为有效谐振腔长，T为谐振腔损耗，c为真空中光速，n_g为群速度折射率，hν为光子能量，n_sp是自发辐射因子，η_o光输出耦合效率。根据给出公式可知，增加激光器的有效腔长能有效的减小线宽，对于普通垂直腔面发射激光器，有效腔长的大小由上下分布布拉格反射镜(DistributedBraggReflector，DBRs)决定，其在外延片生长后就已确定。本发明中，通过一次MOCVD与VCSEL芯片一起外延的方式形成高折射率差的介质支撑层Al₂O₃和光栅介质层GaAs，再通过刻蚀表面光栅微结构，形成高对比度光栅，达到延长外腔的同时控制偏振，最终获得稳定偏振模式的窄光谱线宽集成外腔面发射激光器。

发明内容

本发明中采用生长相位匹配层、腔长匹配层的方法延长垂直腔面发射激光器的固有腔长，通过一次外延的方式形成低折射率介质层作为光栅支撑层和光栅介质层；再通过刻蚀光栅介质层形成光栅微结构，达到控制光偏振的同时压窄线宽。