專利名稱：通過形成絕緣疊層對表面發(fā)射激光器進行橫模和偏振控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面發(fā)射激光器構(gòu)件，尤其涉及這種具有絕緣鏡子構(gòu)件的激光器，該絕緣鏡子構(gòu)件用于橫摸和偏振控制。
背景技術(shù)：
表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)，如垂直空腔表面發(fā)射激光器(VCSELs)，在光通信領(lǐng)域已經(jīng)贏得了顯著的重要性。通過采用例如III-V合金化合物的半導(dǎo)體激光器提供的較高的轉(zhuǎn)換速度已經(jīng)使得這種裝置成為發(fā)光裝置的一種合乎邏輯的選擇。由于可靠性、易于耦合以及測試這幾方面的原因，VCSELs在更普通的邊緣發(fā)射裝置中獲得認可。VCSELs通常采用眾所周知的平面工藝和設(shè)備制成，且容易地適于與其他有源元件和無源元件進行集成。
通常，VCSELs在發(fā)射表面上有一個普通靜合接點和一個有孔的接點，從光學(xué)裝置中發(fā)射的光線穿過該小孔。該接點小孔通常為圓形，因為這能比較好地適于與光纖配合。
由這種標準VCSELs發(fā)射的光線的偏振是不可預(yù)測的，因為該光線會隨機地從一個裝置指向另一個裝置。而且，尤其是在高速操作下偏振可能會轉(zhuǎn)換。尤其在與偏振靈敏元件一起使用時從一種VCSELs中發(fā)射出的光線的偏振可能比較重要，并且為了調(diào)節(jié)或控制VCSELs的偏振已經(jīng)作出了一些努力。
在Fiedler等人在IEEE的1996年Lasers and Electro-OpticalSociety年會的第一卷第211到212上發(fā)表的題為“High FrequencyBehaviour of Oxidized Single-Mode Single Polarization VCSELswith Ellipticai Current Aperture”的論文中論述了一種技術(shù)，其中被氧化的VCSELs上設(shè)有一些橢圓形孔以試圖控制偏振后的單模光發(fā)射。
Panajotov等人所著的一篇題為“Impact of In-Plane AnistropicStrain on the Polarization Behavior of Vertical-CavitySurface-Emitt ing Lasers”的論文(Applied Physics Letter，Volume 77，Number 11，September 11，2000)公開了一種從外部誘導(dǎo)產(chǎn)生的面內(nèi)各向異性張力，該張力施加到一種VCSEL上以便證實具有垂直線性偏振的兩種基本模式之間存在轉(zhuǎn)換。
在Corzine等人的美國專利US6188711中也描述了從外部施加張力或應(yīng)力來控制VCSELs的偏振。
Thornton的于1999年12月14日授權(quán)的美國專利US6002705描述了波長和偏振多樣的垂直空腔表面發(fā)射激光器，其中應(yīng)力誘導(dǎo)元件位于該激光裝置的自由表面。該應(yīng)力誘導(dǎo)元件由一種其熱膨脹系數(shù)高于構(gòu)成激光裝置的表面層的材料的熱膨脹系數(shù)的材料制成。
Pamulapati等人的于1999年9月14日授權(quán)的美國專利US5953962描述了一種張力誘導(dǎo)方法，該方法用來控制VCSELs中的偏振狀態(tài)。在該專利US5953962中，VCSEL以共晶方式被粘到主基片上，該主基片具有預(yù)定的各向異性的熱膨脹系數(shù)。在成形過程中，在激光器空腔中誘導(dǎo)出單軸向張力。
Yoshikawa等人的于2000年11月28日授權(quán)的美國專利US6154479描述一種VCSEL，其中通過限制頂部鏡子的斷面尺寸從而僅僅限制由該鏡子所提供的波導(dǎo)中的單一的橫向主模對偏振方向進行控制。創(chuàng)造出了一種非圓形的或橢圓形的裝置來控制該偏振。
Gaw等人的于1999年11月30日授權(quán)的美國專利US5995531也描述一種橢圓形斷面的頂部鏡子，該鏡子形成一種脊形，該脊部受到蝕刻下降到一個離子注入?yún)^(qū)域以便形成一個細長形從而使該裝置發(fā)射出的光線偏振。在底部發(fā)射激光器上采用矩形空氣柱(air-post)構(gòu)件、非對稱氧化小孔以及一種橢圓形孔作為一種控制偏振的方法也是本領(lǐng)域所公知的。
上述所有方法其結(jié)構(gòu)和/或工藝步驟都比較復(fù)雜，而目前所需要的是一種用于控制和穩(wěn)定VCSELs的偏振的簡單技術(shù)。
在申請人的于2001年7月3日申請的共同待審的英國專利申請1006192.6中描述了一種解決前述偏振轉(zhuǎn)換問題尤其是在VCSEL以較大的調(diào)制信號運轉(zhuǎn)時的偏振轉(zhuǎn)換問題的方案。
通常，VCSEL中的激光作用由于空腔的長度較短而僅僅存在一種縱模。另一方面，VCSEL中的激光作用可以由多個橫模支持，如果該發(fā)射孔大到足以支持這種運轉(zhuǎn)的話。眾所周知，在多模VCSELs中，當各個模競爭載體時，會產(chǎn)生模分割噪音(MPN)。采用單個模，就不會存在降低VCSEL的性能的MPN。而且，如果單個模為主模，那么該光束將會有一種Gaussiam電磁場分布。與VCSEL中的高階橫模相比，該Gaussiam光束的光點直徑和擴散度更小。這對于較小光點和較低分散度比較重要的用途來說這都是一種優(yōu)點。這包括一些其中較小的圓形光點是一種優(yōu)點的應(yīng)用領(lǐng)域，例如讀出技術(shù)領(lǐng)域。光點尺寸較小具有極大的益處，因為這使得與光線配合變得較為容易。此外，較小的光點尺寸和較低的分散角度使其能夠?qū)⒐饩€發(fā)射到光纖的中心，這又能增加高速傳送的數(shù)據(jù)所能傳送的距離。
偏振轉(zhuǎn)換是一種公知的現(xiàn)象，如前所述，并且這種偏振轉(zhuǎn)換可能在VCSEL中造成跳模。因此，在偏振方式之間的轉(zhuǎn)換(或跳模)可能會改變激光的靜態(tài)和動態(tài)特性，并顯著地降低通信鏈路。此外，由于光纖中存在各向同性，因此傳輸會進一步下降。盡管單模的圓形輸出外形非常有利于與光纖連接，但是由于該孔的對稱性造成的不穩(wěn)定的偏振狀態(tài)將會削弱這種優(yōu)點。因此，通過引入非對稱性，該偏振能夠得到穩(wěn)定或至少以一種相對較小的交換代價得以進行控制。
發(fā)明概述本發(fā)明的原理在于通過向VCSEL這樣的激光器引入空間上依賴光腔損耗來控制模式選擇。這通過位于VCSEL裝置的頂部的絕緣疊層引入。為了增加擴散較寬(空間上的延伸)的高階模的光損耗，應(yīng)在絕緣疊層的周圍設(shè)置一個抗反射(AR)的涂層。
因此，本發(fā)明的目的是為了通過在VCSEL分布Bragg反射器的頂部形成一個絕緣鏡子構(gòu)件來控制VCSEL的橫模和偏振。絕緣鏡子由厚度(光程長度)額定值為λ/4的折射率高低交替的材料構(gòu)成。這還可以表述為L＝λ/4+n×λ/2，其中n為整數(shù)。對該鏡子進行選擇性地蝕刻以便形成一個小孔或空氣柱。該小孔可以是對稱的，以便提供橫?？刂疲蛘呤遣粚ΨQ的，以便提供橫模和偏振控制。
因此，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種表面發(fā)射激光器，該激光器具有夾在第一和第二鏡子之間以及在第一和第二鏡子上的第一和第二接點之間的有源層用于為該激光器提供運行功率，該改進包括一個位于第一和第二鏡子中的其中一個上的絕緣鏡子構(gòu)件。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種控制表面發(fā)射激光器中的模選擇的方法，該激光器具有夾在第一和第二鏡子之間的有源層，每個鏡子上都有相應(yīng)的接點，用于為激光器提供運行功率，該方法包括為其中一個鏡子提供一個絕緣鏡子構(gòu)件，以便有選擇性地調(diào)節(jié)激光器內(nèi)的空間依賴空腔損耗。
作為一個優(yōu)選方面，該表面發(fā)射激光器為一種VCSEL。
附圖簡要說明下面將參照附圖對本發(fā)明進行詳細說明，其中

圖1是如前述共同待審的英國申請所述的VCSEL的橫剖視圖；圖2是本發(fā)明的一個實施例的橫剖面視圖，示出了一個絕緣疊層；圖3所示的是撞擊在薄膜層上的電磁波的反射原理；圖4所示的是為了打破對稱性該絕緣疊層可能的形狀；以及圖5所示的是本發(fā)明的VCSEL結(jié)構(gòu)的第二實施例的橫剖面視圖。
本發(fā)明的詳細說明盡管下述說明具體指的是VCSEL，但是需要理解的是，該構(gòu)思可以應(yīng)用到任何關(guān)心控制空間擴散的表面發(fā)射激光器構(gòu)件上。
圖1所示的是一種如在該申請人的共同待審申請中所述的典型鋁鎵砷(AlGaAs)VCSEL的基本結(jié)構(gòu)。盡管圖1指的是一種特定的VCSEL結(jié)構(gòu)，并且尤其指的是一種850納米的p-up結(jié)構(gòu)。該VCSEL可以包括其它材料系統(tǒng)以用于在其它波長進行發(fā)射。眾所周知，不同的激光器構(gòu)件和材料可以用來調(diào)節(jié)發(fā)射出的輸出波長。而且圖1中所示的結(jié)構(gòu)具有p-型頂部DBR，而該頂部DBR也可以為n-型。在圖1中的裝置中，該VCSEL結(jié)構(gòu)是通過眾所周知的技術(shù)例如金屬有機化合物的汽相外延在砷化鎵(GaAs)基片上生成的。優(yōu)選的是，該結(jié)構(gòu)在一個單獨外延循環(huán)中生成。該砷化鎵基片的通常結(jié)構(gòu)為n-型，正如該底部的分布布喇格反射器(DBR)一樣，其也稱之為布喇格(Bragg)鏡。該n-DBR由λ/4的折射率高低交替AlxGa1-xAs的層構(gòu)成。需要理解的是，如圖所示的四分之一波長或λ/4是光程長度的額定值。該長度也可以記載成L＝λ/4+n×λ/2，其中n為整數(shù)且L為光程長度。在底部鏡子的頂部的該有源層為m×λ/2長的空腔，該空腔包括一些多量子阱。在本發(fā)明的特定的實施例中，該有源區(qū)域是一個1-λ長的AlGaAs/GaAs多量子阱(MQW)區(qū)域。第二布喇格(Bragg)鏡或由p-型AlGaAs構(gòu)成的具有高/低的鋁濃度的DBR生成于該有源層的頂部。在底部鏡子上形成有一個有孔接點，并在砷化鎵基片上鍍上一個n-接點。通常，在該p-DBR中形成一個離子注入?yún)^(qū)域，以便限制n-接點和p-接點之間的電流通路。在圖1還顯示了一個與選擇氧化的小孔一樣的層，該層是一層其鋁濃度高于該碟片組中的其他層的p-DBR。下面將對這種可氧化層的用途進行描述。
現(xiàn)在已經(jīng)證實，具有較高鋁含量的AlGaAs層可以在熱蒸汽的面前得到氧化。通常，可氧化的層是在頂部DBR中生成的，并隨后對該DBR進行蝕刻以便形成一個平臺，并由此使得該可氧化的層的邊緣暴露出來。該裝置隨后在溫度提升的蒸汽環(huán)境下進行處理，并且從暴露區(qū)域向中心進行氧化。通過選擇適當?shù)奶幚頃r間，該氧化層所有的邊緣向內(nèi)推進，留下中心的沒有氧化的層。該中心沒有氧化的小孔用來提供一個電流限制區(qū)域。
在Corzine等人的美國專利US5896408中，該氧化層通過從該裝置的頂面向下到可氧化層對小孔進行蝕刻形成，并隨后使得該結(jié)構(gòu)暴露在蒸汽環(huán)境下。通過向下直到該可氧化層形成一蝕刻小孔圖樣，該電流限制區(qū)域得到控制。
如圖2所示，本發(fā)明的VCSEL的基本結(jié)構(gòu)與圖1中所示的那種相似。本發(fā)明的改進涉及該頂部或p-DBR鏡子的頂部上的絕緣疊層以及位于該發(fā)射小孔的頂部上的蝕刻防止反射/抗反射的涂層。
該抗反射層的原理是降低反射波并由此增加傳輸波。采用單層涂層對反射光束形成一種精確對消的兩個要求是，反射是完全反相剛好為180°且反射光具有相同的強度。在該層的厚度需要進行選擇以便使得相位得到精確對消的同時，通過選擇材料來保證該反射強度，該材料的選擇通過Fresnel方程進行控制。由于該抗反射層的厚度至關(guān)重要，因此需要充分地控制該過程。
圖3所示的涉及抗反射層的原理。正如極左處所標明的一樣，該沖擊電磁波來自于VCSEL中的有源區(qū)域，并穿過鋁鎵砷材料到達VCSEL的頂部表面和可能為例如Al2O3的抗反射(AR)涂層之間的交界面處。該第二交界面在AR涂層和空氣之間，且圖中表示出了三種材料中的每種材料的折射率(n)，即鋁鎵砷中的n＝3.4；Al2O3中的n大約等于1.63以及空氣中的折射率n＝1。因此為了獲得最大的傳輸，該抗反射層的厚度需要根據(jù)從有源區(qū)域發(fā)射出的波長來進行精確的選擇。
如圖2所示，該絕緣疊層可以由例如Si、SiO2或Si3N4制成，其中每層的折射率高低交替。該防止反射涂層/抗反射涂層，例如Al2O3，可以這樣選擇，用來蝕刻該絕緣疊層的蝕刻劑不會蝕刻該涂層。因此，用于該抗反射涂層的較好的材料為Al2O3，因為其能夠易于噴濺或蒸發(fā)到該裝置的頂部。
該小孔通常為3-30微米，且該絕緣疊層為1-10微米。優(yōu)選的是，該疊片的直徑或尺寸比該小孔要小，以便獲得有利的低階模。圖4所示的是絕緣碟片組可能存在的形狀。這些形狀包括橢圓形、矩形以及八邊形。
在制造過程中，該激光器構(gòu)件通常在一個單獨外延循環(huán)中生成。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，該激光器構(gòu)件例如VCSEL具有一個頂部鏡子，該頂部鏡子上的層比通常生成的層少。隨后對該結(jié)構(gòu)進行處理以便形成在圖1中大致所示的VCSEL。在該頂部鏡子上采用較少的層是為了在隨后形成絕緣疊層時不會獲得較高的反射率。在形成該VCSEL之后，該絕緣疊層材料被一層接一層地蒸發(fā)到該VCSEL上。該絕緣材料從底部向上包括Al2O3+Si+Si3N4+Si。正如前面所指出的，該絕緣疊層可能由其他材料制成。在蒸發(fā)過程中對每層的厚度進行仔細的控制。這就解釋了由于該VCSEL結(jié)構(gòu)中的鏡子的數(shù)量較少而反射率較低的原因。最終的VCSEL象傳統(tǒng)的多模式VCSEL一樣運行，但是沒有象具有一種穩(wěn)定偏振狀態(tài)的單模式(更理想的是主模)VCSEL一樣的有利的特征。要獲得上述特征所能做的是增加高階模的光損耗，這有利于主要的以及單獨的模運行。不過，要形成一個平臺并由此通過蝕刻掉一些材料來降低高階模(其在橫向上更普遍)的反射率并不那么容易。這種工藝將不會充分地降低反射率。眾所周知，在該工藝中，Al2O3比較有利。其具有精確的厚度和反射率以便變成一層抗反射(AR)層，如果其能夠向下蝕刻到Si+Si3N4+Si并停止于Al2O3層。所采用的蝕刻劑不會影響到AR涂層(當然，繼續(xù)蝕刻會最終損壞AR涂層)。由于選擇了Al2O3，因此不僅能夠?qū)⑾蛳碌奈g刻控制在Al2O3而且能夠使得該過程停止以便保護該關(guān)鍵的厚度λ/4，該厚度是在形成AR層時的其中一個條件。除此之外，Al2O3的反射率要求能夠?qū)崿F(xiàn)抗反射的條件。
圖5所示的是本發(fā)明的第二實施例的具有一個絕緣疊層的VCSEL的一個可選擇實施例。在該實施例中，采用了一種絕緣的鎵砷基片，并且采用一種高度摻雜的緩沖層，以便有助于將電流從頂部n接點引向n型下部布喇格鏡。另外，該結(jié)構(gòu)包括抗反射涂層，絕緣疊層和p接點和在圖2中的實施例中的一樣。
需要指出的是，在該圖中，各種元件并沒有給出比例。
盡管對本發(fā)明的特定的實施例進行了描述和解釋，但是對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說對其進行各種變化是顯而易見的。不過，這種改變會位于附后的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的實際范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種表面發(fā)射激光器，該激光器具有一個夾在第一和第二鏡子之間以及在所述第一和第二鏡子上的第一和第二接點之間的有源層，該有源層用于為該激光器提供運行功率，該改進包括一個位于所述第一和第二鏡子中的其中一個上的絕緣鏡子構(gòu)件。
2.如權(quán)利要求1所述的表面發(fā)射激光器，其中，所述激光器是一種垂直空腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)。
3.如權(quán)利要求2所述的VCSEL，其中，所述的絕緣鏡子構(gòu)件具有絕緣材料疊層，且絕緣材料層具有第一和第二反射率。
4.如權(quán)利要求3所述的VCSEL，其中，所述絕緣鏡子構(gòu)件具有一層抗反射材料。
5.如權(quán)利要求4所述的VCSEL，其中，抗反射材料層的厚度對VCSEL的發(fā)射光的波長進行最大量地傳輸來進行選擇。
6.如權(quán)利要求4所述的VCSEL，其中，第一鏡子位于有源層的頂部并涂有p型材料。
7.如權(quán)利要求6所述的VCSEL，其中，在所述第一鏡子中的氧化層中的小孔構(gòu)成了VCSEL的發(fā)射孔。
8.如權(quán)利要求7所述的VCSEL，其中，覆蓋有絕緣疊層的區(qū)域小于發(fā)射孔以進行橫?？刂啤?br> 9.如權(quán)利要求8所述的VCSEL，其中，絕緣疊層的形狀為非對稱形以便用于進行偏振控制。
10.如權(quán)利要求9所述的VCSEL，其中，所述絕緣疊層為橢圓形。
11.如權(quán)利要求9所述的VCSEL，其中，所述絕緣疊層為矩形。
12.如權(quán)利要求9所述的VCSEL，其中，所述絕緣疊層為八邊形。
13.如權(quán)利要求3所述的VCSEL，其中，所述絕緣疊層由Si、SiO2以及Si3N4中的其中一種材料制成。
14.如權(quán)利要求4所述的VCSEL，其中，所述抗反射層為Al2O3。
15.一種表面發(fā)射激光器控制模式選擇的方法，該激光器具有一個夾在第一和第二鏡子之間的有源層，每個鏡子上都有相應(yīng)的接點，用于為激光器提供運行功率，該方法包括為其中一個所述鏡子提供一個絕緣鏡子構(gòu)件，以便有選擇性地調(diào)節(jié)所述表面發(fā)射激光器內(nèi)的空間依賴空腔損耗。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述表面發(fā)射激光器是一種垂直空腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，其中所述絕緣疊層包括由第一和第二絕緣材料制成的交替層，其中第一和第二絕緣材料中的每一種都具有不同的反射率。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述絕緣鏡子構(gòu)件包括一個位于所述VCSEL的第一絕緣層和鏡子之間的抗反射層。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述第一和第二絕緣層以及所述抗反射涂層中每一個的厚度在蒸發(fā)過程中都進行仔細地控制。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述絕緣層向下被蝕刻到所述抗反射涂層，從而在所述VCSEL的頂部形成一個絕緣疊層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種垂直空腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，其具有非對稱的光限制。具有對稱結(jié)構(gòu)的VCSELs偏振將會不可預(yù)測和可以轉(zhuǎn)換。本發(fā)明的VCSEL在發(fā)射分布布喇格鏡的頂部具有一個絕緣疊層。該疊層由兩層或更多層構(gòu)成，這些層為絕緣層，且每個交替的層具有兩種不同的折射率。在優(yōu)選實施例中，在頂部鏡子和絕緣層之間有一個抗反射涂層。作為優(yōu)選該疊層小于發(fā)射孔。
文檔編號H01S5/20GK1405938SQ0214317
公開日2003年3月26日 申請日期2002年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月15日
發(fā)明者托馬斯·阿格斯坦, 理查德·馬克思·馮·維滕貝格 申請人:扎爾林克半導(dǎo)體有限公司