專利名稱：激光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光器件，特別是垂直腔表面發(fā)射激光(VCSEL)器件，如VCSEL二極管。
激光器件，如激光二極管，在各種應(yīng)用中的使用增多，如通信和數(shù)據(jù)存儲器件。一種類型的激光二極管是垂直腔表面發(fā)射激光二極管(VCSEL)，典型實(shí)例的平面圖如

圖1所示，對應(yīng)的側(cè)面剖面圖如圖2所示。VCSEL 1包括襯底7，襯底7帶有一個下面電觸點(diǎn)8。有源區(qū)6夾在上下兩個分布Bragg反射(DBR)反射鏡結(jié)構(gòu)中間，下面的反射鏡結(jié)構(gòu)由襯底7支撐。反射鏡結(jié)構(gòu)4和5提供高反射率，例如大約99.5％。上面的DBR反射鏡結(jié)構(gòu)4中包括質(zhì)子注入?yún)^(qū)9。質(zhì)子注入?yún)^(qū)9用來限制提供給器件的電流。
上層電觸點(diǎn)3在上面的反射鏡結(jié)構(gòu)4的上表面。上層電觸點(diǎn)3限定一個孔徑2通往在上面的反射鏡結(jié)構(gòu)4的上表面。
圖1和圖2中的VCSEL 1通過孔徑2在箭頭A所指的方向產(chǎn)生了光發(fā)射輸出。眾所周知，輸出光是通過在兩個DBR反射鏡4和5之間的有源區(qū)產(chǎn)生的激光。
VCSEL器件的主要優(yōu)點(diǎn)之一是光輸出的方向垂直于器件的表面。這與以前的邊緣發(fā)射激光二極管在器件平面內(nèi)發(fā)光相反。因此，由于大量的器件能制造在單獨(dú)的半導(dǎo)體區(qū)域，不需要把這些器件分開，VCSEL器件能容易地制成陣列。另外，VCSEL器件特別適合于產(chǎn)生圓形光束。這樣的圓形光束不需要或只需很少的進(jìn)一步的光學(xué)處理就能應(yīng)用到器件中，如CD ROM驅(qū)動器或通信器件。
然而，VCSEL器件的激光發(fā)射常允許正交或橢圓偏振態(tài)，不能完全控制偏振軸的方向或各個激光模式或光線的偏振態(tài)，而且可能隨偏流而變化。這也引起不同的器件偏振軸的方向不同，即使是同一波導(dǎo)上制造的相鄰的激光器。
使用VCSEL器件的興趣許多在于其多種應(yīng)用，包括光存儲，打印和通信。可是這些應(yīng)用趨向于需要高的光束質(zhì)量，特別是單橫模工作，其偏振態(tài)固定在精確的方向上。盡管VCSEL器件能用來產(chǎn)生圓形光束和集成為二維陣列，但這些器件由于工作在高增益而受到強(qiáng)的光學(xué)非線性和強(qiáng)的熱效應(yīng)影響。這樣的非線性能引起不僅多模工作，而且有在發(fā)射區(qū)的細(xì)絲(filamenatary)效應(yīng)。這特性引起產(chǎn)生的光束遠(yuǎn)場分布很差和具有多個光強(qiáng)峰值，很難確定其偏振態(tài)，而且其隨溫度和偏流而變化。
以前用于控制表面發(fā)射激光器的發(fā)射光的偏振態(tài)的方法包括使用各向異性的腔的幾何結(jié)構(gòu)，其能引起輸出光束形狀的失真。各向異性的應(yīng)力，增益或損耗也被用來控制沿預(yù)定義方向的偏振態(tài)，盡管在整個器件工作范圍內(nèi)的完全控制通常不能保持。
非退化腔模式的溫度失調(diào)被用來完全控制偏振，但卻是以增益的減少為代價的，由此，增加器件閾值電流和功率消耗和減少有效的功率輸出。這種效應(yīng)強(qiáng)烈依賴于正交偏振態(tài)的頻譜分離，受器件的殘余應(yīng)變影響。因此，如果在兩個狀態(tài)之間有足夠的增益差別，可能需要附加的技術(shù)控制頻譜分離。
在激光器上附加的結(jié)構(gòu)，如光柵，能提供偏振控制但大大增加了器件的復(fù)雜性，這樣的結(jié)構(gòu)能影響激光發(fā)射的空間輸出特性。
對于本發(fā)明的一個方面，提供一個在器件的本體中形成有間斷的垂直腔表面發(fā)射二極管器件，這樣，當(dāng)器件工作時，發(fā)射光的偏振方向基本上與間斷的邊界一致。
所述間斷能用空隙制成。空隙可以是從外表面延伸到在器件本體內(nèi)部的溝槽。
當(dāng)器件本體是第一種材料的，間斷能用其他不同的材料制成。
這樣的器件可能包括多個這樣的間斷，器件工作時其發(fā)射的光的偏振方向由間斷確定。
可以有一對大致平行的細(xì)長間斷，發(fā)射光的偏振方向基本上與離光輸出區(qū)域最近的間斷的邊界的方向一致。
或者，可選用一對大致相互垂直的細(xì)長間斷。
對于本發(fā)明的另一個方面，提供一個垂直腔表面發(fā)射激光二極管器件，包括一個襯底，下面的反射鏡結(jié)構(gòu)支撐在襯底上，有源區(qū)支撐在下面的反射鏡結(jié)構(gòu)上，上面的反射鏡結(jié)構(gòu)支撐在有源區(qū)上，觸點(diǎn)區(qū)支撐在上面的反射鏡結(jié)構(gòu)上，觸點(diǎn)區(qū)限定了一個孔徑，二極管使用時激光從孔徑出射，其中，間斷是在器件內(nèi)部，這樣出射光的偏振方向基本與間斷的邊界方向一致。
在這樣的器件中至少有一個反射鏡結(jié)構(gòu)是分布式Bragg反射器結(jié)構(gòu)。
間斷可以是空隙。
空隙可以由從觸點(diǎn)向有源區(qū)延伸到器件內(nèi)部的溝槽區(qū)形成。
溝槽區(qū)可以通過刻蝕器件結(jié)構(gòu)形成，或通過器件結(jié)構(gòu)的激光燒蝕、或電子束刻蝕而形成。
優(yōu)選地，器件的半導(dǎo)體材料發(fā)射光的波長范圍是400nm-4000nm。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種光的偏振化的方法，包括在垂直腔表面發(fā)射激光器件內(nèi)形成間斷，這樣使器件的發(fā)射光的偏振方向與間斷的邊界基本一致。
圖1和圖2是已有的VCSEL二極管的平面圖和剖面圖；圖3和圖4是本發(fā)明的一實(shí)例的平面圖和剖面圖；圖5是已知的VCSEL器件和本發(fā)明的VCSEL實(shí)例的光電流L-I特性比較；圖6是已知激光二極管的L-I特性曲線；圖7是本發(fā)明一實(shí)例的L-I特性曲線；圖8，9和10是對本發(fā)明的一個實(shí)例的閾值以上的偏振與功率測量關(guān)系曲線；圖11是對本發(fā)明的一個二極管和已知激光二極管的閾值以下的偏振與L-I特性曲線；圖12是已知激光二極管和本發(fā)明的一個二極管的閾值以下的偏振率測量曲線；圖13是描述了線發(fā)射的剖面，顯示了對本發(fā)明的實(shí)例的偏振和輸出功率的關(guān)系；圖14是本發(fā)明的激光二極管偏振與腔損耗的測量曲線；圖15是描述本發(fā)明的激光二極管的閾值以下的光譜；圖16是本發(fā)明的第二個實(shí)例的平面圖；圖17是本發(fā)明的第三個實(shí)例的平面圖。
圖3和圖4一起表示VCSEL二極管10，本發(fā)明具體實(shí)例的平面圖和剖面圖。
參照對上面已知器件的描述，VCSEL 10包括一對電極13和18，襯底材料17，和夾在上和下DBR反射鏡結(jié)構(gòu)14和15之間的有源區(qū)16。上DBR反射鏡結(jié)構(gòu)包含一質(zhì)子注入?yún)^(qū)19。上電極13限定一圓形孔徑12，激光以箭頭A的方向從孔徑12中射出。
圖3和4中的VCSEL工作原理與圖1和2中已知器件基本一致，激射效應(yīng)在兩個反射鏡結(jié)構(gòu)14和15之間的有源區(qū)16中產(chǎn)生。產(chǎn)生的光從孔徑12出射，與前面一樣。
可是，本發(fā)明中，通過在器件中引入間斷實(shí)現(xiàn)對出射激光的偏振控制。圖4所示的器件中，間斷是穿過上電極13延伸到DBR反射鏡結(jié)構(gòu)14向有源區(qū)16的方向刻蝕的溝槽11形成的。
相鄰于發(fā)射激光的孔徑的刻蝕溝槽可定位在距離孔徑邊緣高達(dá)10微米的地方(圖4)。
溝槽的間斷能用掩模和刻蝕技術(shù)產(chǎn)生，或其他技術(shù)，如微加工，激光燒蝕，電子束刻蝕，X射線或反應(yīng)離子束刻蝕(RIE)，可以在完成的器件上實(shí)現(xiàn)。且這些刻蝕用到的其他幾何結(jié)構(gòu)和定位也可以得到要求的結(jié)果。
能用其他方式形成間斷，而不是溝槽。如，二極管結(jié)構(gòu)內(nèi)的空隙，或與結(jié)構(gòu)不同的材料，如金屬或氧化物。溝槽(或空隙)能用這樣一種材料填充。這里描述的間斷僅僅是例子，專業(yè)人員將能在本發(fā)明的范圍內(nèi)設(shè)計進(jìn)一步的間斷。
可以改變間斷的方向來調(diào)整發(fā)射光的偏振態(tài)到需要的方向。間斷輪廓從器件法線到器件發(fā)射平面的角度能變化，深度也能變化，允許穿透其他的層如有源區(qū)16和下反射鏡結(jié)構(gòu)15。間斷11的寬度，長度和折射率的形狀也能變化。
溝槽的引入改變了器件的應(yīng)力和應(yīng)變，他們影響對發(fā)射光束偏振性的控制。也出現(xiàn)控制偏振的邊界效應(yīng)。
溝槽的引入看起來也引入了光模式密度進(jìn)一步影響偏振的效應(yīng)，結(jié)果是自發(fā)輻射顯示出與激光發(fā)射相同的對偏振的相關(guān)性。
溝槽的使用或其他間斷允許主要偏振軸設(shè)定為任意需要的方向，其獨(dú)立于任何已存在的影響，如晶體軸線的方向。輸出光束的偏振方向與離孔徑最近的間斷邊界一致。
一般情況下，深的溝槽比淺的更能影響偏振。離孔徑12近的溝槽的作用比遠(yuǎn)的強(qiáng)。
這種實(shí)現(xiàn)偏振控制的方法適用于光泵浦和電泵浦激光器件。
對于本發(fā)明用在器件中的半導(dǎo)體材料適宜于允許發(fā)射波長范圍為400nm-4000nm。
本發(fā)明的偏振控制不需要很大的降低激光的空間、頻譜和功率輸出的質(zhì)量，也不降低激光的電特性，如下面所描述。
圖5，6和7顯示使用偏振控制方法后，器件的關(guān)鍵性能沒有嚴(yán)重的降低，光功率輸出/電流特性，光譜或空間輸出也沒有降低。
圖8顯示一典型質(zhì)子注入VCSEL的L-I特性，其中很難發(fā)生單一偏振工作。這里，在較高階橫模的開始，觀察到偏振態(tài)的切換，在大電流時兩個偏振態(tài)同時出現(xiàn)。
圖9和10顯示在本發(fā)明的一器件上，偏振控制對閾值以上的偏振與功率測量值的依賴關(guān)系，可看出在整個器件工作范圍內(nèi)保持高抑制的一個偏振態(tài)。1微米寬，4到4.5微米深，離孔徑的邊緣7微米的溝槽刻蝕后，實(shí)現(xiàn)單一偏振工作(圖9)。
這是在最小改變閾值電流或器件效率的情況下實(shí)現(xiàn)的。在器件偏流的工作范圍內(nèi)發(fā)射光的偏振態(tài)保持固定，主要的E場偏振平行于刻蝕方向。實(shí)現(xiàn)了偏振衰減率超過100(圖10)，僅發(fā)現(xiàn)在熱轉(zhuǎn)移開始時減少很大。事實(shí)上發(fā)現(xiàn)溝槽的刻蝕使自發(fā)輻射被很大的偏振化，引起在刻槽中心的衰減率在低驅(qū)動電流時高達(dá)1.5，在刻槽上增加到3。鎖定機(jī)制非常強(qiáng)，不象其他器件，當(dāng)器件脈沖工作開始時立刻引起單偏振，而不是在非控制器件達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡之前的初始偏振競爭。盡管刻蝕與孔徑接近，從壽命看沒有反面影響。
這項技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到很大范圍的器件并且都很成功。所有情況下的偏振方向都沿刻蝕方向并保持固定至少5度以內(nèi)，這是測量精度的極限。
圖11和12顯示刻蝕對閾值以下的偏振對功率的依賴關(guān)系，從對應(yīng)的改變后的VCSEL器件的腔孔徑看出，改變的結(jié)果是即使偏流低于閾值很多，兩個偏振態(tài)的分離是不相等的。
圖13是刻蝕的自發(fā)輻射的功率測量，顯示了高的偏振依賴性。
圖14是偏振依賴腔損耗的引入，與輻射的閾值以下的線寬相聯(lián)系，圖15是正交偏振態(tài)的頻譜分離，通過改變激光器引起的。
離發(fā)射孔徑很近的刻蝕應(yīng)用對激光模式也沒有大的影響，高譜線質(zhì)量輸出光束特性能在多模器件中實(shí)現(xiàn)單模工作，對單模器件也一樣。另外，如果在偏振衰減之前實(shí)現(xiàn)，可保持單縱模工作(圖15)。觀察到線寬上的小的偏移，盡管很小(＜0.2nm)，在更短的波長觀察主要偏振。這顯示偏振鎖定機(jī)制能引起系統(tǒng)內(nèi)雙折射增強(qiáng)。
成功的偏振鎖定需要溝槽刻蝕的足夠深，必須至少穿過頂層的金屬觸點(diǎn)層到半導(dǎo)體材料內(nèi)。鎖定需要的最小深度依賴于溝槽離孔徑的距離和溝槽對于已存在的偏振方向的相對方向，鎖定機(jī)制在使偏振在其自己的方向之前必須克服已有的偏振選擇機(jī)制。深度也必須足夠深以使在多模器件中保證所有的模式偏振，需要注意在這種情況下較高階模常常是正交偏振。
與每一個偏振態(tài)相關(guān)的腔損耗的估算通過測量低于閾值的偏振-分解線寬。從圖14可看出，測量的主要偏振態(tài)的腔損耗小于那些較高抑制態(tài)的腔損耗?？涛g之前，沒有觀察到頻譜分離，兩個偏振態(tài)的腔損耗相同。實(shí)際上用光注入測量，光在VCSEL中產(chǎn)生的電流當(dāng)作為探測器，測量顯示刻蝕后偏振與吸收相關(guān)，這意味著帶邊緣驅(qū)動的改變可能是應(yīng)變相關(guān)效應(yīng)引起的。
本發(fā)明具體化的激光二極管可以合并多個間斷，如圖16，17所示。在圖16中，兩個平行的間斷，孔徑22兩邊各一個。圖17是帶有垂直刻蝕的器件。
在圖16的例子中，偏振方向?qū)⑴c兩個間斷的方向一致。在圖17的例子中能使兩個垂直偏振的腔增益相等。
權(quán)利要求
1.一種垂直腔表面發(fā)射激光器件，器件內(nèi)部帶有間斷，這樣，當(dāng)使用器件時，從器件中發(fā)射光的偏振方向與間斷的邊界方向一致。
2.權(quán)利要求1所述的器件，其中間斷為空隙。
3.權(quán)利要求2所述的器件，其中空隙的形成是從外表面延伸到器件本體內(nèi)部的細(xì)長溝槽。
4.權(quán)利要求1所述器件，器件本身是第一種材料，而間斷是第二種材料，這兩種材料是不同的。
5.權(quán)利要求1到4中之一所述的器件，包括多個這樣的間斷，器件的光發(fā)射偏振方向由間斷決定。
6.權(quán)利要求5所述的器件，包括一對充分平行的細(xì)長間斷，出射光的偏振方向與間斷的延伸方向一致。
7.權(quán)利要求5所述器件，包括一對基本垂直的細(xì)長間斷。
8.垂直腔表面發(fā)射激光器件，包括襯底，襯底上的下反射鏡結(jié)構(gòu)，下反射鏡結(jié)構(gòu)上的有源區(qū)，和有源區(qū)上的上反射鏡結(jié)構(gòu)，上反射鏡結(jié)構(gòu)上的觸點(diǎn)區(qū)，觸點(diǎn)區(qū)限定了激光二極管使用時發(fā)射光的孔徑，其中間斷在器件中限定，發(fā)射光的偏振方向與間斷的邊界基本一致。
9.權(quán)利要求8所述的器件，其中至少有一個反射鏡結(jié)構(gòu)是分布Bragg反射器結(jié)構(gòu)。
10.權(quán)利要求8或9所述的器件，其中間斷為空隙。
11.權(quán)利要求10所述的器件，其中空隙是通過從觸點(diǎn)區(qū)朝向有源區(qū)延伸的溝槽區(qū)形成。
12.權(quán)利要求11所述的器件，其中溝槽區(qū)通過刻蝕器件結(jié)構(gòu)形成。
13.權(quán)利要求11所述的器件，其中溝槽區(qū)是激光燒蝕器件結(jié)構(gòu)形成。
14.權(quán)利要求11所述的器件，其中溝槽區(qū)是電子束刻蝕技術(shù)形成。
15.上面任一個權(quán)利要求所述的器件，包括允許發(fā)射400nm-4000nm波長范圍的光的半導(dǎo)體材料。
16.使光偏振化的方法，包括在垂直腔表面發(fā)射激光器件內(nèi)形成間斷，使得器件發(fā)射光的偏振方向與間斷的邊界方向一致。
17.權(quán)利要求16所述的方法，包括在器件內(nèi)形成空隙。
18.權(quán)利要求17所述的方法，包括在器件本體內(nèi)部形成溝槽區(qū)，溝槽區(qū)從器件外表面延伸。
19.權(quán)利要求17或18所述的方法，包括用一種與器件材料不同的材料填充空隙或溝槽。
20.采用一個或多個方向不同的邊界來控制激光的偏振的激光二極管，把刻蝕或平臺結(jié)構(gòu)引入到激光器結(jié)構(gòu)中來改變對光模式的控制。
21.如權(quán)利要求20所述的激光二極管，其中引入偏振依賴性的方式可用掩模、電子束刻蝕，X射線或反應(yīng)離子束刻蝕(RIE)或其他技術(shù)實(shí)現(xiàn)，或通過后工藝刻蝕或氧化步驟實(shí)現(xiàn)。
22.如權(quán)利要求20所述的激光二極管，其中方向不同的邊界的幾何結(jié)構(gòu)被允許改變寬度，深度，長度，平面方向，相對激光表面的方向和形狀。
23.如權(quán)利要求20所述的激光二極管，其中半導(dǎo)體材料適于用來發(fā)射的波長的范圍為400nm-4000nm。
24.如權(quán)利要求20所述的激光二極管，其中偏振控制對光泵浦和電泵浦激光器都可實(shí)現(xiàn)。
25.如權(quán)利要求20所述的激光二極管，其中方向不同的邊界的引入允許器件應(yīng)變的改變來控制激光器的偏振依賴性。
26.如權(quán)利要求20所述的激光二極管，其中不同方向的邊界的引入可能引起微腔效應(yīng)，這效應(yīng)能引起光模式密度的偏振依賴性在自發(fā)輻射中與激光輻射中一樣產(chǎn)生的偏振依賴性。
27.如權(quán)利要求20所述的激光二極管，其中偏振控制方法本身允許主偏振軸設(shè)定為任意需要的方向，獨(dú)立于任何已存在的效應(yīng)，如晶體軸線的方向。
28.如權(quán)利要求20所述的激光二極管，其中偏振控制的方法不會大大降低激光空間輸出特性的質(zhì)量。
29.如權(quán)利要求20所述的激光二極管，其中偏振控制的方法不會大大降低激光頻譜輸出的質(zhì)量。
30.如權(quán)利要求20所述的激光二極管，其中偏振控制的方法不會大大降低激光功率輸出特性質(zhì)量。
31.如權(quán)利要求20所述的激光二極管，其中偏振控制方法不會降低激光的電特性質(zhì)量。
全文摘要
垂直腔面發(fā)射激光器(10)具有形成在器件本體中的間斷(11)。當(dāng)器件使用時,器件發(fā)射的光的偏振方向基本與間斷的邊界對準(zhǔn)。
文檔編號H01S5/42GK1263642SQ9880718
公開日2000年8月16日 申請日期1998年5月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月17日
發(fā)明者P·多德, I·H·懷特, R·V·彭迪, P·J·赫爾德, G·C·阿倫, M·R·T·潭 申請人:布里斯托爾大學(xué)