環(huán)形電極微腔激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種環(huán)形電極微腔激光器。該環(huán)形電極微腔激光器包括：襯底；微腔激光器，形成于襯底上；第一導(dǎo)電類型的圖形化電極，其材料為金屬，其形狀呈環(huán)形，形成于微腔激光器頂部的外側(cè)邊緣；第二導(dǎo)電類型的電極，當(dāng)襯底為絕緣襯底時(shí)，形成于微腔激光器的側(cè)面；當(dāng)襯底為導(dǎo)電襯底時(shí)，形成于襯底背面或者微腔激光器的側(cè)面；其中，第一導(dǎo)電類型和第二導(dǎo)電類型分別是p型和n型中的其中之一。本發(fā)明環(huán)形電極微腔激光器使得激射模式光場(chǎng)分布與載流子分布在空間上具有較大的重疊，獲得較高的增益進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單模激射。
【專利說(shuō)明】環(huán)形電極微腔激光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，尤其涉及一種環(huán)形電極微腔激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的進(jìn)步和革新，光電子器件逐漸朝著高密度集成、高效率、低功耗和微型化方向發(fā)展。
[0003]在片上光互聯(lián)中，將加載的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的方案主要有兩種方法:一種是通過(guò)將激光器輸出的光經(jīng)過(guò)光學(xué)調(diào)制器以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)化；另一種是通過(guò)將電信號(hào)直接加載到激光器上，通過(guò)電流直接調(diào)制激光器的輸出光信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，片上光互聯(lián)技術(shù)正向著低成本、高速率、低功耗的方向發(fā)展。
[0004]相比于間接調(diào)制微腔激光器，直接調(diào)制的微腔激光器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛關(guān)注，成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。圓形微腔激光器是一種小體積、低閾值、低功耗的新型激光器。其諧振腔形狀與普通的Fabry-Perot腔形狀不同，為圓盤形狀。工作原理主要是通過(guò)光在微腔邊界處的連續(xù)反射來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)模式的限制，從而在腔中產(chǎn)生了品質(zhì)因子極高的回音壁(Wispering-Gallery, WG)模式。
[0005]圖1為現(xiàn)有技術(shù)圓盤形電極微腔激光器的立體圖。請(qǐng)參照?qǐng)D1，該微腔激光器包括InP襯底；形成于襯底上的微腔激光器；形成于微腔激光器上的圓盤形P電極，而η電極形成于InP襯底的背面。
[0006]然而，在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中， 申請(qǐng)人:發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)圓盤形電極微腔激光器由于電極設(shè)計(jì)為圓盤形，在微盤型激光器有源區(qū)中載流子主要分布于激光器中心，而激光器內(nèi)部光場(chǎng)模式主要分布于圓盤形微腔的邊緣，載流子與光場(chǎng)之間交疊小，注入的載流子在有源區(qū)中的分布情況對(duì)微腔激光器模式水平方向上的光限制因子具有較大影響，影響了微腔激光器的單模工作性能，同時(shí)，在電流注入直接調(diào)制情況下，載流子從中心向兩側(cè)擴(kuò)散現(xiàn)象嚴(yán)重，影響了激光器的調(diào)制速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0008]鑒于上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種環(huán)形電極微腔激光器，以實(shí)現(xiàn)電極位置與有源區(qū)載流子分布的匹配，獲得較高的增益。
[0009]( 二 )技術(shù)方案
[0010]本發(fā)明環(huán)形電極微腔激光器包括:襯底100 ;微腔激光器200，形成于襯底100上；第一導(dǎo)電類型的圖形化電極300，其材料為金屬，其形狀呈環(huán)形，形成于微腔激光器200頂部的外側(cè)邊緣；第二導(dǎo)電類型的電極，當(dāng)襯底100為絕緣襯底時(shí)，形成于微腔激光器200的側(cè)面；當(dāng)襯底100為導(dǎo)電襯底時(shí)，形成于襯底100背面或者微腔激光器200的側(cè)面；其中，第一導(dǎo)電類型和第二導(dǎo)電類型分別是P型和η型中的其中之一。
[0011](三)有益效果[0012]本發(fā)明環(huán)形電極微腔激光器，實(shí)現(xiàn)對(duì)有源區(qū)載流子在徑向的分布的控制，從而控制不同模式的水平方向的光限制因子，使得激射模式光場(chǎng)分布與載流子分布在空間上具有較大的重疊，獲得較高的增益進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單模激射。同時(shí)可以降低載流子擴(kuò)散效應(yīng)對(duì)微腔激光器動(dòng)態(tài)調(diào)制的影響，達(dá)到提高微腔激光器的調(diào)制帶寬的目的。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為現(xiàn)有技術(shù)圓盤形電極微腔激光器的立體圖；
[0014]圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例環(huán)形電極微腔激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3是本發(fā)明提供的環(huán)形電極微腔激光器的結(jié)構(gòu)俯視圖，其中R為圓盤形電極半徑，r為圓環(huán)形電極的內(nèi)半徑；
[0016]圖4是本發(fā)明提供的環(huán)形電極微腔激光器的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；
[0017]圖5A和圖5B為利用有限元方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的現(xiàn)有技術(shù)圓盤形電極微腔激光器和本發(fā)明實(shí)施例環(huán)形電極微腔激光器，在不同內(nèi)半徑尺寸下所對(duì)應(yīng)的載流子歸一化分布情況；
[0018]圖6給出了通過(guò)解析解求得的微腔激光器在波長(zhǎng)為1550納米附近，徑向量子數(shù)m分別為I，5, 7的回音壁模式所對(duì)應(yīng)的歸一化徑向模式強(qiáng)度分布情況； [0019]圖7給出了半徑為15微米微腔激光器中波長(zhǎng)在1550納米附近徑向模式寬度隨徑向量子數(shù)變化情況；
[0020]圖8A和圖SB分別為現(xiàn)有技術(shù)圓盤形電極微腔激光器和本發(fā)明實(shí)施例環(huán)形電極微腔激光器中，電極尺寸變化對(duì)模式水平方向光限制因子的影響；
[0021]圖9為考慮載流子擴(kuò)散情況，利用激光器速率方程模擬半徑15微米微腔激光器，得到不同水平方向光限制因子情況下的激光器小信號(hào)動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)制曲線。
[0022]【主要元件】
[0023]100-襯底；200-微腔激光器；
[0024]210-下限制層；220-有源層；
[0025]230-上限制層；300-環(huán)形電極。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無(wú)需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。實(shí)施例中提到的方向用語(yǔ)，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語(yǔ)是用來(lái)說(shuō)明并非用來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0027]本發(fā)明通過(guò)利用環(huán)形電極微腔激光器，來(lái)控制微腔激光器有源區(qū)內(nèi)載流子分布，控制內(nèi)部不同光場(chǎng)模式的水平方向光限制因子來(lái)實(shí)現(xiàn)激射模式選擇，并可以實(shí)現(xiàn)微腔激光器單模工作。
[0028]在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種環(huán)形電極微腔激光器。圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例環(huán)形電極微腔激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例圓環(huán)形電極微腔激光器的俯視圖，圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例圓環(huán)形電極微腔激光器的側(cè)視圖。請(qǐng)參照?qǐng)D2-圖4,本實(shí)施例環(huán)形電極微腔激光器包括:襯底100 ;微腔激光器200,形成于襯底100上；第一導(dǎo)電類型的圖形化電極300，呈環(huán)形，形成于微腔激光器200頂部的外側(cè)邊緣；第二導(dǎo)電類型的電極，形成于襯底100背面或者微腔激光器200的側(cè)面；其中，第一導(dǎo)電類型和第二導(dǎo)電類型分別是P型和η型中的其中之一。
[0029]以下對(duì)本實(shí)施例圓環(huán)形微腔激光器的各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0030]襯底100的材料可以為各種II1-V族材料，例如:ΙηΡ和GaAs，也可以為IV族材料，例如:S1、Ge和SiC，也可以是藍(lán)寶石。
[0031]微腔激光器200制作在襯底100上，自下而上包括:下限制層210、有源層220和上限制層230。下限制層210生長(zhǎng)或鍵合在襯底100上，采用與襯底100同樣的材料或晶格相匹配的材料。且下限制層210和上限制層230為相同的II1-V族材料限制層，例如:InP, AlAs, AlGaAs, AlGaN, GaN。有源層220生長(zhǎng)在下限制層210上，其形狀與下限制層相同；材料為半導(dǎo)體InGaAs、InGaAsP, AlGaInAs等量子阱或量子點(diǎn)材料，作為微腔激光器發(fā)光區(qū)域。
[0032]本實(shí)施例中，微腔激光器呈圓盤形。與此對(duì)應(yīng)，圖形化電極300呈圓環(huán)形，該圓環(huán)形的寬度d介于1/8R?1/2R之間，r為圓環(huán)形的內(nèi)徑，其中，R為微腔激光器的半徑，R =r+d,其介于I μ m到50 μ m之間。圖形化電極的厚度介于5nm至500 μ m之間。此外,環(huán)形電極300的材料可以為Au、Ag、Al、Pt、Cu等金屬材料，或者上述金屬材料中的兩種或多種組成的合金材料，還可以其他具有導(dǎo)電性質(zhì)的非金屬材料。
[0033]需要說(shuō)明的是，本發(fā)明并不以上述實(shí)施例為限。微腔激光器還可以為三角形，正方形，六邊形或者八邊形等形式。則圖形化電極為上述形狀對(duì)應(yīng)的環(huán)形，即分布在上述形狀的外側(cè)邊緣。
[0034]在具體制作工藝上，微腔激光器200可以通過(guò)采用干法刻蝕或濕法化學(xué)刻蝕等方法制備，或者通過(guò)材料選區(qū)生長(zhǎng)方法制備。而環(huán)形電極可以用控制電極窗口的形狀的方法制備。
[0035]圖5A和圖5B為利用有限元方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的現(xiàn)有技術(shù)圓盤形電極微腔激光器和本發(fā)明實(shí)施例環(huán)形電極微腔激光器，在不同內(nèi)半徑尺寸下所對(duì)應(yīng)的載流子歸一化分布情況。其中，兩者微腔激光器200的半徑為15微米，下限制層210，有源層220，上限制層230的厚度分別為2.6微米、0.3微米、1.8微米。圖5A為計(jì)算得到的傳統(tǒng)圓盤形電極微腔激光器，在電極半徑分別為9，11和13微米時(shí)對(duì)應(yīng)有源區(qū)中歸一化載流子分布情況。從圖5A中更可以看出，圓盤形電極對(duì)應(yīng)的載流子分布主要集中在有源區(qū)中心位置，隨著半徑的增加，載流子分布的峰值位置向微腔邊界移動(dòng)，載流子分布變均勻。圖5B為環(huán)形電極微腔激光器，環(huán)形電極外半徑為15微米，相應(yīng)內(nèi)環(huán)半徑為9微米、11微米、13微米時(shí)，對(duì)應(yīng)有源區(qū)歸一化載流子分布情況?？梢钥闯霏h(huán)形電極的微盤激光器對(duì)應(yīng)載流子分布主要集中于微腔邊界處，而且改變圓環(huán)的位置可以控制載流子分布情況。
[0036]圖6給出了通過(guò)解析解求得的微腔激光器在波長(zhǎng)為1550納米附近，徑向量子數(shù)m分別為1、5、7的回音壁模式所對(duì)應(yīng)的歸一化徑向模式強(qiáng)度分布情況。其中，微腔激光器半徑為15微米，折射率為3.2，周圍介質(zhì)折射率為I?？梢钥闯鰪较蛄孔訑?shù)低的時(shí)候模式主要分布在邊界處，隨著徑向量子數(shù)的增大，對(duì)應(yīng)的模式分布會(huì)向微腔中心移動(dòng)，同時(shí)模式寬度會(huì)相應(yīng)展寬。
[0037]圖7給出了半徑為15微米微腔激光器中波長(zhǎng)在1550納米附近徑向模式寬度隨徑向量子數(shù)變化情況。由圖7可以看出，當(dāng)徑向量子數(shù)增加，模式強(qiáng)度寬度逐漸增加。I階模式對(duì)應(yīng)的模式寬度為I微米，當(dāng)徑向量子數(shù)增加時(shí)，模式寬度逐漸增加，12階模式對(duì)應(yīng)的模式寬度為5.2微米。
[0038]圖8A和圖SB分別為現(xiàn)有技術(shù)圓盤形電極微腔激光器和本發(fā)明實(shí)施例環(huán)形電極微腔激光器中，電極尺寸變化對(duì)模式水平方向光限制因子的影響。較寬模式具有較高的水平方向光限制因子。由于圓形微腔模式主要分布在微腔邊界，環(huán)形電極明顯可以實(shí)現(xiàn)更高的水平方向光限制因子。對(duì)于模式寬度為4微米的模式，水平方向光限制因子可以大于0.6。
[0039]圖9給出了考慮了載流子擴(kuò)散情況下，利用激光器速率方程模擬半徑15微米微腔激光器的動(dòng)態(tài)特性，得到不同水平方向光限制因子情況下的激光器小信號(hào)動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)制曲線。可以看出當(dāng)，水平方向光限制增加可以提高圓盤形電極微腔激光器的動(dòng)態(tài)調(diào)制帶寬，同時(shí)調(diào)制響應(yīng)曲線更加平坦，有利于激光器的數(shù)字信號(hào)調(diào)制。
[0040]由圖5A、圖5B、圖8A和圖8B可以看出來(lái)，可以通過(guò)控制圖形化接觸電極300的位置和圖形來(lái)控制不同模式的水平方向的光限制因子，提高有源區(qū)載流子分布與激射模式的空間重合程度，有助于實(shí)現(xiàn)微腔激光器的單模激射。同時(shí)，可以由圖8A、圖SB和圖9可以看出，通過(guò)控制圖形化接觸電極的位置和圖形可以降低載流子的擴(kuò)散效應(yīng)，有利于提高微腔激光器的直接電流調(diào)制速度。
[0041]至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)本發(fā)明旋轉(zhuǎn)諧振式三維電場(chǎng)傳感器有了清楚的認(rèn)識(shí)。
[0042]此外，上述對(duì)各元件和方法的定義并不僅限于實(shí)施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單地更改或替換。
[0043]綜上所述，本發(fā)明環(huán)形電極微腔激光器利用改變圖形化電極的分布情況，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)有源區(qū)載流子在徑向的分布的控制，從而控制不同模式的水平方向的光限制因子，使得激射模式光場(chǎng)分布與載流子分布在空間上具有較大的重疊，獲得較高的增益進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單模激射。同時(shí)可以降低載流子擴(kuò)散效應(yīng)對(duì)微腔激光器動(dòng)態(tài)調(diào)制的影響，達(dá)到提高微腔激光器的調(diào)制帶寬的目的。
[0044]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種環(huán)形電極微腔激光器，其特征在于，包括: 襯底(100)； 微腔激光器(200),形成于所述襯底(100)上； 第一導(dǎo)電類型的圖形化電極(300)，其材料為金屬，其形狀呈環(huán)形，形成于所述微腔激光器(200)頂部的外側(cè)邊緣； 第二導(dǎo)電類型的電極，當(dāng)所述襯底(100)為絕緣襯底時(shí)，形成于所述微腔激光器(200)的側(cè)面；當(dāng)所述襯底(100)為導(dǎo)電襯底時(shí)，形成于所述襯底(100)背面或者所述微腔激光器(200)的側(cè)面； 其中，第一導(dǎo)電類型和第二導(dǎo)電類型分別是P型和η型中的其中之一。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形電極微腔激光器，其特征在于，所述微腔激光器為圓盤形、三角形，正方形，六邊形或者八邊形； 所述第一導(dǎo)電類型的圖形化電極為形成于該圓盤形、三角形，正方形，六邊形或者八邊形微腔激光器頂部的外側(cè)邊緣的環(huán)形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形電極微腔激光器，其特征在于，所述微腔激光器為圓盤形，所述第一導(dǎo)電類型的圖形化電極為形成于該圓盤形微腔激光器外側(cè)邊緣的圓環(huán)形。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的環(huán)形電極微腔激光器，其特征在于，所述圓環(huán)形的寬度d介于1/8R?1/2R之間，其中，R為微腔激光器的半徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的環(huán)形電極微腔激光器，其特征在于，所述R介于Iμ m到50 μ m之間，所述第一導(dǎo)電類型的圖形化電極的厚度介于5nm至500 μ m之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形電極微腔激光器，其特征在于，所述環(huán)形電極的材料選自于以下材料中的一種或多種組成的合金:Au、Ag、Al、Pt、Cu。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的環(huán)形電極微腔激光器，其特征在于，所述微腔激光器自下而上包括:下限制層(210)、有源層(220)和上限制層(230)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的環(huán)形電極微腔激光器，其特征在于，所述下限制層(210)和上限制層(230)為相同的II1-V族材料限制層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的環(huán)形電極微腔激光器，其特征在于，所述有源層的材料為InGaAs、InGaAsP 或 AlGaInAs0
10.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的環(huán)形電極微腔激光器，其特征在于，所述襯底的材料為:藍(lán)寶石、II1-V族材料或IV族材料。
【文檔編號(hào)】H01S5/10GK103811997SQ201410072139
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】呂曉萌, 鄒靈秀, 龍衡, 黃永箴 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所