專(zhuān)利名稱：利用一非對(duì)稱光限制孔控制偏振的vcsels的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種垂直腔面發(fā)射的激光器(VCSEL)，特別地，涉及一種用于控制和穩(wěn)定偏振的、具有非對(duì)稱光限制結(jié)構(gòu)的VCSEL。
背景技術(shù)：
在光通信領(lǐng)域中，具有增益顯著的垂直腔表面發(fā)射的激光器是非常重要的。通過(guò)利用半導(dǎo)體激光器提供高轉(zhuǎn)換速度，例如，III-V合金化合物已制成這種用于光傳送器的邏輯選擇器。其原因包括；可靠性，易于耦合，和測(cè)試幾個(gè)原因，VCSEL超過(guò)傳統(tǒng)邊緣發(fā)射器已獲得公認(rèn)。利用公知的平面處理工藝和裝置典型地制作VCSEL，并且很好地適合于其它有源和無(wú)源成分的整合。
典型地，VCSEL具有一個(gè)公共的背面接觸面和在發(fā)射面上有一個(gè)帶孔的接觸面，從光學(xué)器件出口通過(guò)孔發(fā)射。接觸孔通常是圓的，因?yàn)檫@樣可以較好地適合與光纖校準(zhǔn)。
來(lái)自這種標(biāo)準(zhǔn)VCSEL的光偏振是不可預(yù)測(cè)的，因?yàn)樗呌趶囊粋€(gè)器件到另一個(gè)器件的隨機(jī)取向。另外，偏振可以在特定的高速工作中轉(zhuǎn)換。特別是當(dāng)用于與偏振傳感器器件連接時(shí)，從一VCSEL發(fā)射的光的偏振是重要的，并且，已努力試圖適應(yīng)或控制VCSEL的偏振。
在激光和光電學(xué)會(huì)1996年年會(huì)IEEE 1卷，1996，第211到212頁(yè)，由Fiedler等人發(fā)表題為“具有橢圓出射孔的氧化單模單偏振VCSEL的高頻特性”的文章中，討論了在氧化的VCSEL上設(shè)置橢圓出射孔以盡量控制偏振的單模光發(fā)射技術(shù)。
由Panajotov等人發(fā)表題為“在平面中各向異性應(yīng)變對(duì)于垂直腔表面發(fā)射激光器的偏振特性的影響”(Applied Physics Letters，77卷，第11號(hào)，2000年9月11日)文章中，詳述了為了表明在兩個(gè)具有垂直線性偏振的基模之間轉(zhuǎn)換的存在，向VCSEL施加一引起平面中各向異性應(yīng)變的外因。
Corzine等人的美國(guó)專(zhuān)利US6,188,711號(hào)也描述了用于控制VCSEL的偏振而施加的外部應(yīng)力或者壓力。
1999年12月14日公開(kāi)的美國(guó)專(zhuān)利US6,002,705中，Thornton描述波長(zhǎng)和偏振復(fù)合的垂直腔表面發(fā)射激光器，其中壓力包括在激光器的自由表面上設(shè)置部件。所述感應(yīng)部件的壓力由具有比包括激光器件表面層材料的熱膨脹系數(shù)高的材料制成。
1999年9月14日公開(kāi)的Pamulapati等人的美國(guó)專(zhuān)利US5,953,962中，描述了一個(gè)在VCSEL中控制偏振狀態(tài)的施加應(yīng)力的方法。在US5,953,962專(zhuān)利中，VCSEL是共晶地與一個(gè)晶核襯底結(jié)合，該襯底具有預(yù)設(shè)各向異性熱膨脹系數(shù)。在形成過(guò)程中，在激光腔中施加一個(gè)單軸向應(yīng)變。
2000年11月28日公開(kāi)的Yoshikawa等人的美國(guó)專(zhuān)利US6,154,479中，描述一個(gè)VCSEL，其中偏振方向的控制由限制頂部鏡面的橫截面尺寸實(shí)現(xiàn)，以使在由鏡面提供的波導(dǎo)中只限制一單橫基模。制作一個(gè)非圓形或者橢圓器件用以控制偏振。
1999年11月30日公開(kāi)的Gaw等人的美國(guó)專(zhuān)利US5,995,531中，也描述了一個(gè)橢圓橫截面的頂部鏡面，只要由器件發(fā)射偏振光在脊背向下蝕刻到離子注入?yún)^(qū)以形成細(xì)長(zhǎng)形時(shí)，同時(shí)在脊中形成所述頂部鏡面。從現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)知道，通過(guò)在底部發(fā)射激光器上使用長(zhǎng)方形氣柱結(jié)構(gòu)，非對(duì)稱氧化孔和一個(gè)橢圓孔來(lái)控制偏振。
上述所有方法涉及復(fù)雜的制作和/或方法步驟，并且需要簡(jiǎn)單的技術(shù)來(lái)控制和穩(wěn)定VCSEL的偏振。
本發(fā)明的目的在于解決上述偏振轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，特別是當(dāng)VCSEL在大量調(diào)制信號(hào)下工作時(shí)，通過(guò)改變光限制孔的對(duì)稱性，解決偏振轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。
因此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，所述VCSEL包括一個(gè)底部鏡面結(jié)構(gòu)；一個(gè)頂部鏡面結(jié)構(gòu)；一個(gè)夾在頂部鏡面結(jié)構(gòu)和底部鏡面結(jié)構(gòu)之間的有源層；與頂部鏡面結(jié)構(gòu)和底部鏡面結(jié)構(gòu)連接的電接觸層；和在頂部鏡面結(jié)構(gòu)中限制從VCSEL到一非對(duì)稱路徑的光輸出的限制裝置。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于控制偏振的垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)的制作方法，所述方法包括提供一個(gè)VCSEL，所述VCSEL具有一個(gè)底部鏡面結(jié)構(gòu)；一個(gè)頂部鏡面結(jié)構(gòu)；一個(gè)夾在頂部鏡面結(jié)構(gòu)和底部鏡面結(jié)構(gòu)之間的有源層；和與頂部鏡面結(jié)構(gòu)和底部鏡面結(jié)構(gòu)連接的電接觸層；和在頂部鏡面結(jié)構(gòu)中限制從VCSEL到一非對(duì)稱路徑的光輸出的限制裝置。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明參照附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明，其中

圖1表示根據(jù)本發(fā)明第一方面VCSEL的橫剖面視圖；圖2表示產(chǎn)生自發(fā)發(fā)射的光發(fā)射器件的工作原理圖；圖3表示使用激光器件產(chǎn)生受激發(fā)射的光發(fā)射器件的作用原理圖；圖4表示空穴注入到p-側(cè)，電子注入到n-側(cè)和在有源區(qū)中重新組合發(fā)光的VCSEL的橫剖面視圖；圖5表示在一個(gè)AlGaAs合金中氧化比率作為鋁濃度的函數(shù)的視圖；圖6表示包括用于產(chǎn)生非對(duì)稱光孔的蝕刻孔的VCSEL結(jié)構(gòu)的俯視圖；和圖7表示一用于非對(duì)稱光孔的間隔構(gòu)形的像素結(jié)構(gòu)的俯視圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述圖1表示一個(gè)VCSEL的基本結(jié)構(gòu)，例如，一個(gè)AlGaAs VCSEL。盡管圖1提出了一個(gè)具體的VCSEL結(jié)構(gòu)，并且尤其是850nm上p型結(jié)構(gòu)，VCSEL還可包括其它材料系統(tǒng)用于在其它波長(zhǎng)發(fā)射。眾所周知，不同的激光器結(jié)構(gòu)和材料可以用于適合發(fā)射的輸出波長(zhǎng)。另外，如圖1所示的結(jié)構(gòu)具有p型頂部DBR，而其還可能頂部DBR是n型。如圖1所示的實(shí)施例中，在砷化鎵襯底上通過(guò)公知的技術(shù)如有機(jī)金屬汽相外延生長(zhǎng)產(chǎn)生VCSEL結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述結(jié)構(gòu)在單獨(dú)外延操作中生長(zhǎng)。砷化鎵襯底在結(jié)構(gòu)類(lèi)型中是n型，已經(jīng)知道底層分布的布拉格反射器(DBR)可作為布拉格反射鏡。所述n-DBR由折射率高和低交替的層的λ/4AlxGa1-xAs構(gòu)成?？梢岳斫?，所示的四分之一波長(zhǎng)或λ/4是光路長(zhǎng)度的額定值。所述長(zhǎng)度也能寫(xiě)成L＝λ/4+n×λ/2，其中，n是整數(shù)，并且L是所述光路的長(zhǎng)度。在底部鏡面的頂部上的有源層是m×λ/2，長(zhǎng)腔包括多層量子阱。在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，底部鏡面是1λ長(zhǎng)，AlGaAs/GaAs緩變折射率分別限制異質(zhì)結(jié)(GRINSCH)，多層量子阱(MQW)區(qū)。第二布拉格反射鏡或者具有較高低鋁濃度的p型AlGaAs DBR生長(zhǎng)在有源層的頂部上。在頂部鏡面上形成一個(gè)帶孔的p型接觸層，并且在砷化鎵襯底上覆蓋一個(gè)n型接觸層。典型地，在p-DBR中形成離子注入?yún)^(qū)，以限制p-接觸層和n-接觸層之間的光束路徑。圖1所示的也是一個(gè)作為選擇氧化孔的確定層，所述孔是在所述疊層中具有比其它層鋁濃度高的p-DBR的一層。所述氧化層的原因?qū)⒃谙旅嬲f(shuō)明。
僅作為解釋?zhuān)瑘D2和圖3闡述了在量子阱有源區(qū)中產(chǎn)生重新復(fù)合機(jī)理的原理。當(dāng)p-型和n-型載流子到達(dá)有源區(qū)時(shí)，它們重新復(fù)合結(jié)果發(fā)射出光子。光子局限于量子的能量，并且以波動(dòng)的形式通過(guò)空間傳播。通過(guò)大量光子所傳遞的能量，按平均數(shù)計(jì)算，等于由標(biāo)準(zhǔn)電磁波傳遞的能量。這種二象性在量子力學(xué)中稱為“波粒二象性”。所述電子和空穴函數(shù)由薛定諤方程決定。所述方程的解產(chǎn)生所述能態(tài)允許由粒子占據(jù)。這些能態(tài)之間的耦合強(qiáng)度確定了它們之間的轉(zhuǎn)變可能性。隨著所述電子/空穴單獨(dú)地耦合，顯示了自發(fā)地產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，如圖2所示?？墒?，隨著具有確定相位的電磁(光)場(chǎng)的影響，出現(xiàn)第二次耦合。該耦合激勵(lì)電子與空穴重新復(fù)合發(fā)射光子，如圖3所示，正好具有與電磁場(chǎng)相同的能量和相位。所述重新復(fù)合方法在激光器中產(chǎn)生，并且被稱為受激發(fā)射。
圖4生動(dòng)地表示電子和空穴從p-型和n-型接觸層到量子阱有源區(qū)的流動(dòng)。所述載流子通過(guò)p-接觸層和n-接觸層被注入到結(jié)構(gòu)中。空穴注入是從p-側(cè)，而電子注入是從n-側(cè)，并且在有源區(qū)重新復(fù)合產(chǎn)生輻射。圖4也表示上述氧化孔，所述氧化孔將更詳細(xì)地予以討論。
已建立具有高鋁含量的AlGaAs層能夠在熱蒸汽的情況下被氧化。典型地，氧化層在DBR的頂部上生長(zhǎng)，然后所述DBR被蝕刻以形成臺(tái)面，因此暴露氧化層的邊緣。然后，在蒸氣相環(huán)境中升高的溫度下處理所述器件，并且從暴露區(qū)向中心進(jìn)行氧化處理。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)奶幚頃r(shí)間，氧化層將從所有側(cè)面向內(nèi)進(jìn)行，留下中心未氧化層。所述中心未氧化孔用于提供光束限制區(qū)。
Corzine等人的美國(guó)專(zhuān)利US5,896,408中，通過(guò)從器件的頂部表面向下到氧化層蝕刻孔形成所述氧化層，并且在蒸汽相環(huán)境中暴露該結(jié)構(gòu)。通過(guò)形成的蝕刻孔的圖案向下到氧化層，光束限制區(qū)予以控制。
本發(fā)明策略地利用定位概念，蝕刻孔形成非對(duì)稱光限制孔以控制或選擇偏振模式。
在具體實(shí)施例中，在DBR的頂部上的蝕刻孔足以分裂光孔的對(duì)稱性以控制偏振。在優(yōu)選實(shí)施例中，為了在蝕刻孔之間產(chǎn)生氧化區(qū)，蝕刻孔向下延伸到氧化層，并且然后所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行上述蒸汽處理，以便在所述蝕刻孔之間產(chǎn)生一氧化區(qū)，因而形成一非對(duì)稱光孔，如圖6所示。
圖7表示用于控制和穩(wěn)定偏振的蝕刻孔的另外一個(gè)實(shí)施例。在圖7的實(shí)施例中，孔沒(méi)有置于相同半徑上的孔洞。這僅是用于蝕刻孔洞的許多可能構(gòu)形的一個(gè)實(shí)施例。顯然對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)孔洞不都需要圓形或者相同尺寸。
如上所述的氧化層比通常鏡面結(jié)構(gòu)層包含較高的鋁含量。如圖5所示，所述氧化率增加作為鋁鎵砷合金中鋁濃度的函數(shù)。
在該實(shí)施例中，其中所述蝕刻孔單獨(dú)用于增加非對(duì)稱的電和光限制區(qū)，這里數(shù)量和位置是重要的。這些孔利用光刻技術(shù)定位。在AlGaAs材料中，蝕刻孔的蝕刻劑是公知的，并且不在這里描述。
概括地說(shuō)，一個(gè)電子限制孔通過(guò)在p-DBR中選擇地注入半導(dǎo)體材料而典型地形成，以形成一圍繞傳導(dǎo)對(duì)稱孔的絕緣區(qū)。在典型VCSEL中所述絕緣區(qū)限制電場(chǎng)但不限制光場(chǎng)。通過(guò)在所述絕緣注入?yún)^(qū)中蝕刻垂直孔，所述孔的周?chē)虼诵纬上拗乒饽Ｒ苑至压饽５膶?duì)稱方式。通過(guò)上述氧化方法，電和光限制區(qū)得到進(jìn)一步改善。正如圖6所討論的，孔被形成以暴露用于氧化方法的高鋁含量層。為了能夠氧化被暴露的孔大大增加所述方法的有效性。
盡管本發(fā)明的具體實(shí)施例已予以說(shuō)明和闡明，顯然本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以進(jìn)行多種改變。但是那些改變將包括本發(fā)明所限定的范圍中。
權(quán)利要求
1.一種垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)包括一個(gè)底部鏡面結(jié)構(gòu)；一個(gè)頂部鏡面結(jié)構(gòu)；一個(gè)夾在頂部鏡面結(jié)構(gòu)和底部鏡面結(jié)構(gòu)之間的有源層；與頂部鏡面結(jié)構(gòu)和底部鏡面結(jié)構(gòu)連接的電接觸層；和和在頂部鏡面結(jié)構(gòu)中限制從VCSEL到一非對(duì)稱路徑的光輸出的限制裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的VCSEL，其中，所述限制裝置是在頂部鏡面中的多個(gè)蝕刻孔。
3.如權(quán)利要求2所述的VCSEL，其中，具有離子注入電限制孔以限制所述電限制層之間的電流。
4.如權(quán)利要求3所述的VCSEL，其中，所述底部鏡面結(jié)構(gòu)是一個(gè)n-摻雜分布布拉格反射器，并且所述頂部鏡面結(jié)構(gòu)是一個(gè)p-摻雜分布布拉格反射器。
5.如權(quán)利要求3所述的VCSEL，其中，所述底部鏡面結(jié)構(gòu)是一個(gè)p-摻雜分布布拉格反射器，并且所述頂部鏡面結(jié)構(gòu)是一個(gè)n-摻雜分布布拉格反射器。
6.如權(quán)利要求4所述的VCSEL，其中，所述有源層等于m×λ/2，這里m是整數(shù)。
7.如權(quán)利要求4所述的VCSEL，其中，所述有源層是一個(gè)波長(zhǎng)長(zhǎng)，緩變折射率分別限制異質(zhì)結(jié)，多層量子阱結(jié)構(gòu)。
8.如上述任一權(quán)利要求所述的VCSEL，其中，頂部和底部鏡面由具有折射率高和低交替層的布拉格反射器構(gòu)成，其中所述每一層的長(zhǎng)度等于λ/4+n×λ/2，這里n是整數(shù)。
9.如權(quán)利要求5所述的VCSEL，其中，所述頂部和底部鏡面由折射率高和低交替的四分之一波長(zhǎng)層構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求6所述的VCSEL，其中，所述有源層包括一個(gè)AlGaAs/GaAs結(jié)構(gòu)和所述鏡面包括AlGaAs層。
11.如上述任一權(quán)利要求所述的VCSEL，其中，所述頂部鏡面至少包括一氧化材料層。
12.如權(quán)利要求11所述的VCSEL，其中，所述氧化層包括具有比其余的鏡面Al濃度高的AlGaAs層。
13.一種用于偏振控制的垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)的制作方法，所述方法包括提供一個(gè)VCSEL，所述VCSEL具有一個(gè)底部鏡面結(jié)構(gòu)；一個(gè)頂部鏡面結(jié)構(gòu)；一個(gè)夾在頂部鏡面結(jié)構(gòu)和底部鏡面結(jié)構(gòu)之間的有源層；和與頂部鏡面結(jié)構(gòu)和底部鏡面結(jié)構(gòu)連接的電接觸層；和在頂部鏡面結(jié)構(gòu)中制成限制從VCSEL到一非對(duì)稱路徑的光輸出的限制裝置。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述頂部鏡面結(jié)構(gòu)包括一氧化材料層。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述限制裝置由在頂部鏡面結(jié)構(gòu)中以預(yù)定圖案蝕刻多個(gè)孔制成。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述孔被向下蝕刻至少到所述氧化層。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，在蒸汽處理中暴露所述孔的步驟，因此選擇地氧化所述氧化層。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述孔是在圓形圖案中。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述孔是在橢圓形圖案中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有非對(duì)稱光限制的垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的VCSEL的偏振傾向于無(wú)法預(yù)料和可轉(zhuǎn)換的，為了在非對(duì)稱結(jié)構(gòu)中限制光路，本發(fā)明的VCSEL在頂部布拉格反射鏡中具有垂直蝕刻孔，這樣可實(shí)現(xiàn)在固定模式中鎖定偏振。
文檔編號(hào)H01S5/183GK1395344SQ0214121
公開(kāi)日2003年2月5日 申請(qǐng)日期2002年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月3日
發(fā)明者托馬斯·阿格斯坦 申請(qǐng)人:扎爾林克半導(dǎo)體有限公司