CN104078844A - 具有窄激光发射角度的多模垂直腔面发射激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明的上分布式布拉格反射镜上的保护膜具有一中心区及一边缘区。所述中心区具有相对所述边缘区向激光发射的方向突出的一凸起。其中，垂直腔面发射半导体激光器满足下列关系式：dp×n=(N/2)×λ,及dc×n=dp×n+(1/4+M/2)×λ其中，λ为真空中所述激光的波长；dc为所述保护膜的中心区的膜厚度；dp为所述保护膜的边缘区的膜厚度；n为所述保护膜的折射率（其中空气折射率<所述保护膜的折射率n<所述上分布式布拉格反射镜的折射率）；及N为自然数，M为零或自然数。
Description
技术领域
本发明涉及一种垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)，尤其是涉及一种模控制的VCSEL。
背景技术
在短距离光纤通信领域，利用作为激光源的VCSEL和作为传输路径的多模光纤进行传输的传输速度在可用水平上已经达到了百米距离以上10Gb/s。
VCSEL发射的多模（横模）激光在与多模光纤相应的本征模耦合时可在多模光纤内传播。由于传播速率的变化取决于本征模，所以接收到的信号波形可能被破坏，VCSEL的此种特性被称为“模式色散特性”。当使用多模光纤时，短距离光纤通信的传输性能（速度及距离）受VCSEL的“模式色散特性”的限制。
要降低模式色散及提高传输性能，则需要减小光纤中传播的激光的各个模式的传播延迟之间的差别。为了减小上述差别，则需要确定激光的传播模式以使最大传播延迟与最小传播延迟之间的差别减小。美国专利公告号为US2007/0153861的专利文献公开了一种VCSEL，其在上镜堆叠层的中央设置一凸起，称为镜延展。该凸起的设置增加了上镜堆叠层的反射率，因此具有凸起的中心区的反射率比边缘区的反射率要高。所以，位于中间区的具有高电场强度的低阶模比位于边缘区的具有高电场强度的高阶模更容易振荡。
然而，为了得到理想的多种振荡波长，需要限制基谐模或低阶模的振荡及促进高阶模的振荡。例如，名为“高速率、短程光学互连的改进多模光纤”的非专利文献，出自国际光学工程学会报，2008年第7134卷,71341L-1的图2（参见图1），作者Y.Sun,R.Lingle,G.Oulundsen,A.H.McCurdy,D.S.Vaidya,D.Mazzarese,T.Irujo，其显示了对于不同振荡波长的本征模与传播延迟（模式延迟）之间的关系。当波长为850nm时，1阶至9阶本征模的传播延迟随着阶的增加而减小，而大于9阶的本征模的传播延迟随着阶的增加而增大。当波长大于850nm时，如990nm或1300nm，传播延迟随着阶的增加而单调递增。因此，假如波长为850nm时，与在1阶至10阶本征模中传播光的情形相比，仅在7阶至10阶本征模中传播激光能减小最大传播延迟和最小传播延迟之间的差别（即减小模式色散）。也就是说，通过限制1阶至6阶低阶模的振荡及促进高阶模的振荡可降低模式色散。对于大于850nm的波长，与在1阶至10阶本征模中传播光的情形相比，以同样的方法也能减小最大传播延迟和最小传播延迟之间的差别（即减小模式色散）。
美国公告专利号为US2007/0217472的专利文献公开了一种VCSEL，其在分布式布拉格反射镜（distributed Bragg reflecting mirror,DBR）的中央之光发射面设有一凹部，该凹部与活性层重叠。DBR镜的中心区的堆叠镜层数较少，因此其反射率较边缘区低。基于此结构，位于边缘区的具有高电场强度的高阶模比位于中心区的具有高电场强度的低阶模更容易振荡。
然而，根据透镜（凹透镜）原理，DBR镜在光发射面的凹陷结构使得VCSEL发射的激光具有大的发射角度，会引起光散射及增加其在与光纤耦合时的损耗。
因此，亟待一种既限制低阶模振荡又减小激光发射角度的VCSEL，以克服上述缺陷。
本发明的目的在于提供一种VCSEL，能限制低阶模的振荡且减小激光发射的角度。
发明内容
本发明的一种垂直腔面发射半导体激光器，包括一半导体多层膜和一保护膜。所述半导体多层膜包括一下分布式布拉格反射镜、一上分布式布拉格反射镜以及位于所述下分布式布拉格反射镜和所述上分布式布拉格反射镜之间的用以产生激光的活性层，所述激光从所述上分布式布拉格反射镜发出。所述保护膜覆盖于所述上分布式布拉格反射镜之上以允许由所述上分布式布拉格反射镜发出的所述激光穿过。所述保护膜具有一中心区和一边缘区，所述中心区包括位于所述保护膜的一凸点，所述凸点通过所述活性层的中点沿所述半导体多层膜的层体层叠方向向所述保护膜突出而形成，所述边缘区环绕所述中心区，所述中心区具有相对所述边缘区向所述激光发射的方向突出的一凸起。所述垂直腔面发射半导体激光器满足下列关系式：
dp×n=(N/2)×λ,及
dc×n=dp×n+(1/4+M/2)×λ，
其中，
λ为真空中所述激光的波长；
dc为所述保护膜的中心区的膜厚度；
dp为所述保护膜的边缘区的膜厚度；
n为所述保护膜的折射率（其中空气折射率<所述保护膜的折射率n<所述上分布式布拉格反射镜的折射率）；及
N为自然数，
M为零或自然数。
dc×n及dp×n被称为“光学厚度”。该边缘区的光学厚度dp×n为激光波长的1/2、1、3/2等并在满足下述关系式时增加由分布式布拉格反射镜和保护膜组成的整个结构的反射率：空气折射率<保护膜的折射率n<上分布式布拉格反射镜的折射率。另一方面，该中心区的光学厚度dc×n为激光波长的3/4、5/4、7/4等并在满足下述关系式时降低由分布式布拉格反射镜和保护膜组成的整个结构的反射率：空气折射率<保护膜的折射率n<上分布式布拉格反射镜的折射率。。因此，在边缘区的具有高电场强度的高阶模比在中心区的具有高电场强度的低阶模更容易振荡。再且，该中心区的光学厚度比边缘区的光学厚度大(1/4+M/2)×λ，从而产生向中心聚集激光的效应，进而限制激光发射的角度。
通过以下的详细描述并结合附图，本发明的上述及其他目的、特征、优点将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1展示了本征模与传播延迟之间的关系。
图2为本发明VCSEL的第一实施例的剖视图。
图3是图2所示的VCSEL的平面图。
图4为保护膜的结构的剖视图。
图5为展示图4所示保护膜的中心区反射率及边缘区反射率之间的差别的示意图。
图6A、6B分别为展示现有技术及本发明的各个模的激光强度的示意图。
图7为展示保护膜的中心区的直径与激光发射角度之间的关系的示意图。
图8A～8F为本发明VCSEL的制造方法的步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明垂直腔面发射半导体激光器的实施例作详细的说明。
图2是本发明垂直腔面发射半导体激光器(vertical cavity surface emittingsemiconductor laser,VCSEL)的一个实施例的剖视图。图3是图2所示的VCSEL1的平面图。图2是沿图3中2-2线的剖视图。VCSEL1包括衬底2和设于衬底2上的半导体多层膜20。该半导体多层膜20包括一对镜叠层（下分布式布拉格反射镜（下DBR镜）3，为一种N型反射镜，以及上分布式布拉格反射镜（上DBR镜）5，为一种P型反射镜）和位于下DBR镜3和上DBR镜5之间的活性层4。该活性层4用以产生激光。
衬底2可由GaAs、InP及InGaAs制成，较佳地，上述材料使用N型掺杂。可选择地，也可不掺杂或使用P型掺杂。
下DBR镜3和上DBR镜5均为由高折射率层和低折射率层交替堆叠而成的堆叠层。图4展示了上DBR镜5中的高折射率层5a和低折射率层5b。高折射率层5a和低折射率层5b均由AlGaAs制成，但是高折射率层5a的Al百分比含量比低折射率层5b的低。高折射率层5a可不含Al或由GaAs形成。高折射率层5a和低折射率层5b的光学厚度均设为真空中激光波长的1/4。如上所述，膜层的光学厚度定义为该膜层的实际膜厚度乘以该膜层的折射率。本实施例中，高折射率层5a的折射率大约为3.5，低折射率层的折射率大约为2.9。该上DBR镜5的顶层（即与后面将描述的保护膜6相连的层）为高折射率层5a。
活性层4具有由势阱层和势垒层（均未示）交替堆叠形成的多量子阱结构。表1展示了不同激光波长下势阱层和势垒层的典型组合。用于光通讯的激光波长包括850nm、980nm、1060nm、1310nm及1550nm，尤其，本发明的VCSEL1中较佳采用980nm和1060nm之间的波长。
表1
该活性层4插在一对分隔层12a、12b之间。分隔层12a、12b由包含Al、Ga及As的组合物制成，其具体成分可由相应的活性层4的材料和组成决定。分隔层12a、12b的厚度是特定的，分隔层12a、活性层4和分隔层12b的光学厚度总和与一个波长相等。也就是说，下DBR镜3和上DBR镜5相互间隔的距离为一个波长的光学厚度。较佳地，分隔层12a、12b厚度相等。
上DBR镜5的面向分隔层12b的最底层为限流层15。限流层15包括由AlAs制成的内部分（导电层15a）和由Al2O3制成的外部分（绝缘层15b）。由AlAs制成的内部分成形为一导电圆形部或导电圆孔15a。该导电圆形部或导电圆孔15a限制了振荡激光的驱动电流路径，从而降低了能耗。
在DBR镜5的上表面和衬底2的下表面分别设有阳极9和阴极8，阳极触点12与阳极9相连。当驱动电流通过电极触点和电极施加至半导体多层膜20上时，活性层4则产生激光。激光L在上DBR镜5和下DBR镜3的高折射率层及低折射率层之间的各界面上反射时被增强，然后由上DBR镜5的上表面（激光发射面17）发射出去。
在上DBR镜5的上表面（激光发射面17）上设有覆盖上DBR镜5的保护膜6，该保护膜6可供上DBR镜5发射的激光L穿过。相应地，保护膜6与上DBR镜5共同组成了VCSEL1的激光发射部10。保护膜6由介电材料，例如SiON或SiN构成，并具有向激光发射的方向D（如后面所述）凸出的阶梯形状。
半导体多层膜20中从上DBR镜5至下DBR镜3的中间部分形成平顶山结构11，平顶山结构11向激光发射的方向D凸出形成凸起或山峰状。下DBR镜3的上表面贴近平顶山结构11，且该平顶山结构11的侧面覆盖有绝缘层7，其由绝缘材料例如SiN制成。
保护膜6具有中心区6b和环绕中心区6b的边缘区6a。该中心区6b包括位于保护膜6上的凸点6d。凸点6d通过限流层15的导电圆孔15a的中点15c沿半导体多层膜20的层体层叠方向P向保护膜6突出而形成。该保护膜6呈圆形平面状，中心区6b为与保护膜6同心的圆形。较佳地，中心区6b的中轴6e穿过保护膜6的凸点6d。该保护膜6的中心区6b具有相对边缘区6a向激光发射的方向D突出的凸起6c。
本发明的VCSEL1满足下列关系式：
dp×n=(N/2)×λ,及
dc×n=dp×n+(1/4+M/2)×λ，
其中，
λ为真空中激光的波长；
dc为保护膜6的中心区6b的物理膜厚度（实际厚度）；
dp为上保护膜6的边缘区6a的物理膜厚度（实际厚度）；
n为保护膜6的折射率；
N为自然数；及
M为零或自然数。
该保护膜6的折射率n符合下列关系式：空气的折射率<折射率n<上DBR镜5的折射率（更准确为与保护膜6相关联的高折射率层5a的折射率）。作为一个优选实施例，边缘区6a的光学厚度dp×n为（1/2）λ，中心区6b的光学厚度dc×n为（3/4）λ或（5/4）λ。通过降低边缘区6a的光学厚度可减少由电介质材料制成保护膜6内的应力影响。图4展示了一个典型例子，其中中心区6b的光学厚度dc×n为（3/4）λ。在一个例子中，激光的振荡波长为850nm，且保护膜6由SiON制成（其折射率为1.77），边缘区6a的实际厚度为240nm，中心区6b的实际厚度为360nm。
边缘区6a的光学厚度dp×n为(N/2)×λ，即为激光的1/2波长的倍数。此外，并满足下述关系式：空气的折射率<折射率n<上DBR镜5的折射率。当满足这些关系式时，如图5所示，由上DBR镜5和保护膜6结合而成的镜结构在其边缘区6a具有较高反射率。另一方面，中心区6b的光学厚度dc×n比边缘区6a的光学厚度dp×n大(1/4+M/2)×λ。如图5所示，该镜结构的反射率在中心区6b处减小从而限制激光振荡并降低中心区6b的激光强度。
VCSEL1发射出的激光包括多种横膜。低阶膜，例如基谐膜和一阶膜，在VCSEL1的激光发射部10的中心部具有高电场强度，而高阶膜在激光发射部10的边缘部具有高电场强度。如图6A所示，对于传统的VCSEL，由于高折射率层和低折射率层具有固定的膜厚度（也就是说，不管高折射率层和低折射率层的径向位置如何，其折射率是不变的），而且高阶膜容易受限流层15的绝缘层15b的内边缘上散射光的影响，所以低阶膜趋于主导地位。然而，对于本发明，由于激光发射部10的边缘部（相当于保护膜6的边缘区6a）的反射率较高，而激光发射部10的中心部（相当于保护膜的中心区6b）的反射率较低，因此激光在VCSEL1的保护膜6的边缘区6a被有效地放大。因此，如图6B所示，低阶膜的振荡被限制，而高阶膜的振荡被促进。
另外，由于中心区6b具有凸起且中心区6b的反射率较低，而边缘部6a的反射率较高，且其产生的光学效应与凸透镜的类似，因此从保护膜6发射出的激光L的发射角度θ可被减小。因此，激光L更容易被聚集（更少被分散），且与光纤的耦合损耗降低，传播性能（速度和距离）提高。
发射角度θ也受导电圆孔15a的直径d1与中心区6b的直径d2（透镜直径）的比例的影响。图7显示了当导电圆孔15a的直径d1为5.88μm且中心区6b的直径d2为变量参数时测得的发射角度θ的实验数据。发射角度θ在范围4～7μm（d2/d1=68～119%）内减小，在3μm（d2/d1=51%）及8μm（d2/d1=136%）时增大。因此，中心区6b的直径d2为导电圆孔15a的直径d1的60%～120%较为理想。由于导电圆孔15a的直径d1范围为3～12μm，因此中心区6b的直径d2的最小值为1.8μm，最大值为14.4μm。
下面将介绍本发明制造VCSEL1的方法。首先，如图8A所示，作为下DBR镜的N型多层膜3（由N型Ga0.1Al0.9As层及N型Ga0.9Al0.1As层交替堆叠而成的多层膜）、作为活性层的GaAs层4及作为上DBR镜的P型多层膜5（由P型Ga0.1Al0.9As层及P型Ga0.9Al0.1As层交替堆叠而成的多层膜）依次形成于N型GaAs衬底2上。通过金属有机气相沉积（metal organic chemical vapor deposition,MOCVD）的方式形成半导体多层膜20，该半导体多层膜20包括N型、P型多层膜及活性层。继而，在该半导体多层膜20的顶面形成介电薄膜6（亦即后续形成的保护膜）。该介电薄膜6可由例如SiON制成并成形为圆柱状（其直径例如可为12μm）。随后，在介电薄膜6上覆盖一平顶山形成掩膜13，该平顶山形成掩膜13为一介电圆形掩膜，其直径例如可为25μm。
下一步，如图8B所示，通过蚀刻的方式去除P型多层膜5、GaAs层4和N型多层膜3（被平顶山形成掩膜13覆盖的区域除外）而形成具有多层膜（上DBR镜5、活性层4以及下DBR镜3）的平顶山结构11。该N型多层膜3仅在其厚度方向被部分移除。上述蚀刻工艺可使用反应离子蚀刻（Reactive ion etching,RIE）。
下一步，如图8C所示，通过蒸汽氧化法实现氧化工序。AlAs层（形成P型多层膜5的最底层）的外边缘层被蒸汽氧化法氧化而转化为氧化铝（Al2O3）层（绝缘层15b），氧化铝为电绝缘材料。蒸汽氧化过程是随着时间从平顶山结构11的侧壁向其内部而进行的。因此，可以通过调整蒸汽氧化过程的时间来实现将AlAs层的外边缘部分转变成氧化铝（绝缘层15b），而保持AlAs层的中心部（半导体制成的导电圆孔15a）的状态不变。由此，实现了电流集流进入活性层4中。在此过程中，平顶山形成掩膜13保持不变（没有移除）。
下一步，如图8D所示，由介电材料制得的绝缘层7设于平顶山结构11的上表面（平顶山形成掩膜13的上表面）及侧壁。绝缘层7与平顶山形成掩膜13相同，也由SiN制得。然后，通过蚀刻去除平顶山结构11上表面的绝缘层7的一部分（例如直径为20μm的圆形区域）。上述蚀刻工艺可使用RIE。而通过优化RIE的蚀刻条件亦可实现在SiON和SiN之间进行蚀刻选择，使得仅有SiN被蚀刻去除，而与此同时，SiON则在蚀刻过程中没有被去除而被保留下来。
下一步，如图8E所示，通过蚀刻方式将保护膜6成形为阶梯状。
下一步，如图8F所示，通过气相沉积的方法，在平顶山结构11顶部的显露半导体多层膜20的区域及衬底2的下表面分别形成阳极9和阴极8。阳极9为由Ti（10nm厚）及Au（300nm厚）形成的双层膜。阴极8为由Ti（10nm厚）及AuGe（300nm厚）形成的双层膜。形成于保护膜6上的Ti/Au层通过切除或蚀刻的方法去除以形成激光发射部10（例如，其直径为12μm）。然后，形成一与阳极9相连的阳极触点12（如图3所示）。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例，然而，易理解地，依上述实施例作出的任何变化和修改均未偏离本发明权利要求的主旨和范围。
Claims (3)
1.一种垂直腔面发射半导体激光器，包括：
一半导体多层膜，所述半导体包括一下分布式布拉格反射镜、一上分布式布拉格反射镜以及位于所述下分布式布拉格反射镜和所述上分布式布拉格反射镜之间的用以产生激光的活性层，所述激光从所述上分布式布拉格反射镜发出；以及
一保护膜，所述保护膜覆盖于所述上分布式布拉格反射镜之上以允许由所述上分布式布拉格反射镜发出的所述激光穿过；
所述保护膜具有一中心区和一边缘区，所述中心区包括位于所述保护膜的一凸点，所述凸点通过所述活性层的中点沿所述半导体多层膜的层体层叠方向向所述保护膜突出而形成，所述边缘区环绕所述中心区，所述中心区具有相对所述边缘区向所述激光发射的方向突出的一凸起，
其特征在于，所述垂直腔面发射半导体激光器满足下列关系式：
dp×n=(N/2)×λ,及
dc×n=dp×n+(1/4+M/2)×λ，
其中，
λ为真空中所述激光的波长；
dc为所述保护膜的中心区的膜厚度；
dp为所述保护膜的边缘区的膜厚度；
n为所述保护膜的折射率（其中空气折射率<所述保护膜的折射率n<所述上分布式布拉格反射镜的折射率）；及
N为自然数，
M为零或自然数。
2.如权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于：所述边缘区的dp×n为（1/2）λ，所述中心区的dc×n为（3/4）λ或（5/4）λ。
3.如权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于：所述上分布式布拉格反射镜在面向所述活性层的一端面上设有一限流层，所述限流层包括用以限制产生所述激光的驱动电流的路径的一导电圆孔，所述中心区的直径为所述导电圆孔的直径的60%～120%。
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