一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器讲解

一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器

沈少棠

北京工业大学应用数理学院 000611

指导教师:宋晏蓉

摘要介绍了一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器的结构、制作工艺、优点及其应用。

关键词激光器,半导体,垂直外腔面

一、引言

垂直腔面发射激光器(VCSEL及其阵列是一种新型半导体激光器,它是光子学器件在集成化方面的重大突破,它与侧面发光的端面发射激光器在结构上有着很大的不同。端面发射激光器的出射光垂直于晶片的解理平面;与此相反,VCSEL 的发光束垂直于晶片表面。它优于端面发射激光器的表现在:易于实现二维平面和光电集成;圆形光束易于实现与光纤的有效耦合;有源区尺寸极小, 可实现高封装密度和低阈值电流;芯片生长后无须解理、封装即可进行在片实验;在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作;价格低。

二、垂直腔面发射激光器的结构

图 1为 VCSEL 的结构示意图,由布拉格反射镜,有源层和金属

层接触组成。其衬底的选择有以下 3种。

1、硅衬底在硅 (Si 上制作的 VCSEL 还不曾实现室温连续波工作。

这是由于将 AlAs/GaAs DFB直接生长在 Si 上,其界面不平整所致,

使 DFB 的反射率较低。日本 Toyohashi 大学的研究者由于在 GaAs/Si

异质界面处引入多层(GaAsm(GaPn 应变短周期超晶格(SSPS

结构而降低了 GaAs-on-Si 异质结外延层的密度。

2、蓝宝石衬底美国南方加利福利亚大学的光子技术中心为使 VCSEL 发射的850nm 波长光穿过衬底, 采用晶片键合工艺将 VCSEL 结构从吸收光的 GaAs 衬底移开,转移到透明的蓝宝石衬底上,提高了 wall-plug 效率,最大值达到 25%。

3、砷化钾衬底基于砷化钾(GaAs基材料系统的 VCSEL 由于高的 Q 值而备受研究者青睐,目前 VCSEL 采用最多也是生长在 GaAs 衬底上。但以 GaAsSb QW作为有源区的 CW 长波长 VCSEL 发射波长被限制在 1.23 微米。发射波长 1.3 微米的 GaAsSb-GaAs 系统只有侧面发射激光器中报道过。日前美国贝尔实验室的

F.Quochi 等人演示了室温 CW 时激射波长为~1.28 微米的生长在 GaAs 衬底下的光泵浦 GaAsSb-GaAs QW VCSEL。这个波长是目前报道的 GaAsSb-GaAs 材料系最长的输出波长。

三、垂直腔面发射激光器的制作新工艺

1、氧化物限制工艺氧化物限制的重大意义在于:能较高水平地控制发射区面积和芯片尺寸,并能极大地提高效率和使光束稳定地耦合进单模和多模光纤。因此,采用氧化物限制方案器件有望将阈值电流降到几百 A,而驱动电流达到几个 mA 就

足以产生 1mW 左右的输出光功率。采用氧化孔径来限制电流与光场,使效率得到显著提高,同时降低了 VCSEL 的阈值电流。所以,现在极有可能在单个芯片上制作大型和密集型封装的氧化限制 VCSEL 阵列而不会存在严重的过热问题。除低阈值电流

和高效率外, 均匀性是成功的 VCSEL 阵列的又一重要因素。在驻波节点处设置微氧化孔提高了 VCSEL 阵列的均匀性,并降低了小孔器件的散射损耗。美国University of Southern California大学日前演示的均匀晶片键合氧化限制底部发射850nm VCSEL阵列中,5 * 5 VCSEL阵列的平均阈值电流低至 346 毫安,而平均外量子效率接近 57%,室温连续波电流激射时单模输出功率超过 2 mW。他们还演示了大(10* 20VCSEL 阵列,其阈值电流和外量子效率的变化分别低于 4%与 2%。

2、晶片键合工艺长波长垂直腔面发射激光器(LW-VCSEL因其低价格、超低阈值和小的光束发散角,作为光纤通信系统中的激光源有很大的潜力。但是由于它的氧化层和有源层间存在着为满足足够的电流传播和弱的光横向限制的固有距离, 使 LW-VCSEL 遭受横电光限制, 因此在高的结电流时会出现一个不稳定的横模图形。

日本 NTT 光子实验室将具有充分的横向限制的掩埋异质结(BH引入 VCSEL 中,采用了薄膜晶片键合工艺使 InP 基掩埋异质结 VCSEL 制作在 GaAs-DBR 上。具体过程如下:(a采用 MOCVD 生长 InP 基激光器结构(第一次生长 ; (b采用反应离子刻蚀(RIE形成台面方形; (c再一次生长掺 Fe InP 层和 n-InP 层(第二次生长 ; (d又一次生长 p-InP 相位匹配和 p-InGaAs 接触层(第三次生长 ; (e 将外延层安装在 Si 板上并用蜡作机械支撑; (f 采用 HCl 和 H3PO4化学溶液腐蚀 InP 衬底和 InGaAsP 腐蚀中止层; (g将 InP 基和 GaAs 基层的两表面在相同结晶方向面对面放置,然后在室温下蜡熔解而使 Si 片分开,将样品送入退火炉以形成化学键合; (h将台面上部的 p-InGaAs 移开并将普通电极和 SiO2-TiO2介质镜从台面上移去。底部涂覆一层抗反射涂层。

因为熔合界面远离有源区,而且它不在器件电流通过的路径上,所以晶片键合过程不会影响器件特性。此 LW- VCSEL 结构有以下优点:首先,谐振腔波长可在晶片融合之前监控, 因此发射波长可以提前控制。第二,激光器工作的可靠性会由于有源层和 InP-GaAs熔合界面之间有足够距离而变得很高。此外, 它能低电压工作的潜力在很大程度上是因为 p-GaAs-AlAs DBR 和 p-InP-p- GaAs 界面间的高电阻得到了消除。

四、垂直腔面发射激光器的优点

垂直外腔面发射半导体激光器是二十世纪九十年代后期发展起来的新技术。它兼顾了面发射激光器、边发射激光器和固体激光器三者的优点,既有好的光斑模式和较高的输出功率,波长又很容易设计成不同波段。与垂直腔面发射半导体激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL相比,VECSEL的光斑尺寸比较大(≈ 100微米,VCSEL尺寸只有几微米,输出功率已经得到 2W 以上 (VCSEL的功率只有几毫瓦 [1]; 通过外腔选模, 输出的光斑质量可与TEM 00模固体激光器相比拟, 同时由于VECSEL的输出镜和半导体增益芯片是分离的, 因此可以在腔中加入各类调谐元件,类似固体激光器。与固体激光器相比,VECSEL在吸收光和发射光波长方面也有很大的优势。由于半导体材料的吸收带很宽,因此对泵浦源的波长及稳定度要求不高。发光波长是由半导体增益介质的材料组分和量子阱的厚度决定的,原则上可以得到 600nm-1700nm的任何波长,覆盖范围广,并且可以连续变化。经过倍频后,可以扩展到目前热点追踪的蓝绿光波段 [2]。

五、垂直外腔面发射半导体激光器的应用

VCSEL 发射激光器是光通信中的一种深具潜力的固体激光源,被称为新千年最重要的光通信器件。其特征为圆形输出光束,易与光纤耦合,转换效率高,调制速率快,阀值很低,噪声小;垂直

腔面很小,易于高密度大规模集成和成管前整片检测。VCSEL 还非常适合在光互连、激光打印、气体检测、高密度光存储、显示方面的应用。