一种垂直腔面发射激光器及其制作方法与流程

本发明涉及半导体激光器领域，特别是涉及一种垂直腔面发射激光器及其制作方法。

背景技术：

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称VCSEL)是一种激光发射方向垂直于芯片表面的新型半导体激光器。相比于边发射激光器(Edge emitting Laser，简称EEL)，VCSEL具有许多优点，包括阈值低、稳定性好、寿命长、发散角小、光斑圆、光纤耦合效率高、调制速率高、易于二维集成等。因此，VCSEL已作为主要的光源器件，广泛应用于各种高效高速光通信网络中。

伴随社会的发展，多种数据通信业务大量涌现，这些新业务对光通信网络速率和带宽有更高的需求。为了应对带宽的爆炸式增长，复用技术的使用是光数据网络的重要方案，其中波分复用(Wavelength Division Multiplexing，简称WDM)技术对光网络的带宽提升起到了主要的推动作用。在市场需求和技术进步的驱动下，光纤通讯网经历了2.5G、10G等不同发展阶段，而今，100G技术已经成为主导，400G也开始逐步铺开。网络带宽的快速提升离不开光通信技术的持续进步。然而，作为光通信的载体，光纤在发展上却遭遇到了瓶颈。多模光纤中的每一个正交模式都可以看作是一个独立通道，但由于模式过多会带来严重的色散效应，限制了多模光纤的通信性能，并难以实现长距离传输。对于单模光纤，虽然其色散小，可以实现超长距离传输，但其对于时间、频率、偏振等各个物理维度的复用正在接近香农极限。为了解决日益增长的流量需求和趋于平缓的容量提升之间的矛盾，采用新的纬度进行复用显得尤其必要。光波模式就是并未被很好地开发利用的一个纬度。因此，少模光纤中的模式复用技术被认为是进一步提升传输容量的重要方案。模式复用技术利用少模光纤中有限的稳定模式作为独立信道传递信息，可以成倍的提高系统容量和频谱效率，是构建未来光网络的关键技术之一。

现今的复用技术中，每个信息通道所用的光源都是单独的，多个光源的信号需要通过复用器汇合成一束光进入到单根光纤中进行传输。所以通道越多，所需的光源越多，同时对复用器的要求也越高。

因此，如何能在进行多通道复用的情况下，减少光源数量，能够简化系统结构以及降低对复用器的要求，就成为当前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种垂直腔面发射激光器，用于少模光纤模式复用光通讯，可以实现单个电极独立控制单个模式输出，多个电极混合控制少数模式输出。本发明的另一目的是提供一种垂直腔面发射激光器的制作方法，可以实现新的模式控制方式，省去复用器的使用。

为解决上述技术问题，本发明提供一种垂直腔面发射激光器，包括：层叠设置的有源层、功能辅助层和P型分布式布拉格反射镜层，所述功能辅助层和P型分布式布拉格反射镜层构成台面结构；

所述P型分布式布拉格反射镜层设置有沟道；所述台面结构被所述沟道分割成多个次台面结构；

各所述次台面结构的上端设置有与所述次台面结构一一对应的P面电极。

优选地，在本发明实施例提供的上述垂直腔面发射激光器中，所述P面电极包覆部分所述P型分布式布拉格反射镜层和部分所述有源层。

优选地，在本发明实施例提供的上述垂直腔面发射激光器中，各所述次台面结构的大小和形状相同。

优选地，在本发明实施例提供的上述垂直腔面发射激光器中，各所述次台面结构的上端刻蚀有表面浮雕。

优选地，在本发明实施例提供的上述垂直腔面发射激光器中，所述台面结构为圆柱形台面结构。

优选地，在本发明实施例提供的上述垂直腔面发射激光器中，还包括：

在所述次台面结构和所述P面电极之间设置有介质薄膜电流限制层。

优选地，在本发明实施例提供的上述垂直腔面发射激光器中，所述介质薄膜电流限制层的中端开有电流限制窗口。

优选地，在本发明实施例提供的上述垂直腔面发射激光器中，所述介质薄膜电流限制层的材料为氮化铝、氮化硅、碳化硅或二氧化硅其中之一或组合。

本发明实施例还提供了一种本发明实施例提供的上述垂直腔面发射激光器的制作方法，包括：

在有源层上依次形成功能辅助层和P型分布式布拉格反射镜层的图形；所述功能辅助层和P型分布式布拉格反射镜层构成台面结构；

在所述P型分布式布拉格反射镜层图形上刻蚀形成沟道的图形；所述台面结构被所述沟道分割成多个次台面结构；

在各所述次台面结构的上端形成与所述次台面结构一一对应的P面电极的图形。

优选地，在本发明实施例提供的上述垂直腔面发射激光器的制作方法中，在所述P型分布式布拉格反射镜层图形上刻蚀形成沟道的图形之后，在各所述次台面结构的上端形成与所述次台面结构一一对应的P面电极的图形之前，还包括：

在各所述次台面结构上形成介质薄膜电流限制层的图形；所述介质薄膜电流限制层图形的中端形成有电流限制窗口。

本发明所提供的一种垂直腔面发射激光器，包括：层叠设置的有源层、功能辅助层和P型分布式布拉格反射镜(DBR)层，功能辅助层和P型DBR层构成台面结构；P型DBR层设置有沟道；台面结构被沟道分割成多个次台面结构；各次台面结构的上端设置有与次台面结构一一对应的P面电极，这样利用沟道将台面结构分割成多个次平面结构以形成多个波导，各次平面结构上设置有P面电极，可以使载流子分布和波导联系起来，进而实现单个电极独立控制单个模式输出，多个电极混合控制少数模式输出。

本发明还公开了一种垂直腔面发射激光器的制作方法，可以直接在台面结构上刻蚀形成沟道，在不增加材料生长工艺，不增加特殊的微纳结构，不影响器件基本性能的前提下，实现了新的模式控制方式，另外，由于所有模式都在一个台面上输出，所以可以直接与光纤耦合，省去复用器的使用，该方法简易可行，不明显增加工艺复杂度，为模式复用光通讯提供一种新的光源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的结构俯视图之一；

图3为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的结构俯视图之二；

图4为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的结构俯视图之三；

图5为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的结构俯视图之四；

图6为图1示出的各次台面结构的上端刻蚀有表面浮雕的剖面结构示意图；

图7为图2示出的各次台面结构的上端刻蚀有表面浮雕的结构俯视图；

图8为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的制作方法流程图之一；

图9为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的制作方法流程图之二。

其中：1、N面电极，2、衬底层，3、N型DBR层，4、有源层，5、空间层，6、氧化层，7、P型DBR层，8、介质薄膜电流限制层，9、P面电极，10、沟道，11、表面浮雕。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

其中，附图中各膜层的厚度和形状不反映垂直腔面发射激光器的真实比例，目的只是示意说明本发明内容。

本发明提供一种垂直腔面发射激光器，包括：层叠设置的有源层、功能辅助层和P型分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector，简称DBR)层，功能辅助层和P型DBR层构成台面结构；

P型DBR层设置有沟道；台面结构被沟道分割成多个次台面结构；

各次台面结构的上端设置有与次台面结构一一对应的P面电极。

需要说明的是，上述垂直腔面发射激光器一般在有源层下方还设置有其它膜层，例如从下而上依次设置的N面电极、衬底层、N型DBR层；另外，上述功能辅助层为具有相应功能、起到辅助作用的膜层总称，可以包括空间层和氧化层，当然也可以包括其它层，在此不做限定。

以图1为例，本发明提供的垂直腔面发射激光器可以包括：层叠设置的N面电极1、衬底层2、N型DBR层3、有源层4、空间层5、氧化层6、P型DBR层7和P面电极9，空间层5、氧化层6和P型DBR层7构成台面结构；其中，P型DBR层7设置有沟道10；台面结构被沟道10分割成多个次台面结构；各次台面结构的上端设置有与次台面结构一一对应的P面电极9。

在本发明实施例提供的上述垂直腔面发射激光器中，P型DBR层设置有沟道，即对台面结构进行分割，这样利用沟道可以将台面结构分割成多个次平面结构以形成多个波导，由于各次平面结构上设置有相互独立的P面电极，可以使载流子分布和波导联系起来，进而实现单个电极独立控制单个模式输出，多个电极混合控制少数模式输出，因而本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器可以用于少模光纤模式复用，实现单个激光器出射不同模式的光，另外，由于所有模式都在一个台面上输出，所以可以直接与光纤耦合，省去复用器的使用。

需要说明的是，衬底层的材料可以为砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或氮化镓(GaN)；P型DBR层和N型DBR层均可以为砷化镓/砷化铝(GaAs/AlAs)结构；有源层可以为铟镓砷/磷砷化镓(InGaAs/GaAsP)、砷化镓/铝砷化镓(GaAs/AlGaAs)、铟镓砷/砷化镓(InGaAs/GaAs)或铟镓砷/铝砷化镓(InGaAs/AlGaAs)周期性多量子阱结构；P面电极可以为钛金合金(Ti/Au)或钛铂金合金(Ti/Pt/Au)结构，N面电极可以为金锗镍合金(Au/Ge/Ni)、金锗镍金合金(AuGeNi/Au)、金锗合金(Au/Ge)或铂金锗合金(Pt/Au/Ge)结构。

以上材料或结构均可以根据实际情况而定，在此不做限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述垂直腔面发射激光器中，为了便于注入电流，如图1所示，P面电极9可以包覆部分P型DBR层7和部分有源层4。也可以理解为P面电极9位于次台面结构上端的边缘处。当P面电极向一个次台面结构注入电流时，电流会通过次台面结构传到有源区，造成载流子集中分布在该次台面结构下方的位置，激发出光场集中分布在该位置的模式，并通过次台面结构出射。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述垂直腔面发射激光器中，台面结构可以被沟道平均分割成多个次台面结构，即此时各次台面结构的大小和形状均为相同的；如图2所示，台面结构被沟道10平均分割成2个次台面结构；如图3所示，台面结构被沟道10平均分割成3个次台面结构；如图4所示，台面结构被沟道10平均分割成4个次台面结构。

需要说明的是，台面结构也可以被沟道不平均分割成多个次台面结构，如图5所示，台面结构被沟道10分割成不均等的2个次台面结构。对于台面结构是被平均分割，还是被不平均分割，可以根据具体实际情况而定，在此不做限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述垂直腔面发射激光器中，为了被分割后形成的次台面结构能够更加稳定地控制输出特定的模式，可以在各次台面结构的上端刻蚀有表面浮雕。如图6和图7所示，各次台面结构的上端均刻蚀有表面浮雕11。

需要说明的是，图3至图5示出的结构也都可以在各次台面结构上刻蚀特定的表面浮雕。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述垂直腔面发射激光器中，如图2至图7所示，台面结构可以设置为圆柱形台面结构。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述垂直腔面发射激光器中，为了实现注入电流的作用以及绝缘钝化的作用，如图1所示，该垂直腔面发射激光器还可以包括：在次台面结构和P面电极9之间设置有介质薄膜电流限制层8。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述垂直腔面发射激光器中，为了直接实现对注入器件有源区的载流子分布形式进行调制，介质薄膜电流限制层8的中端可以开有电流限制窗口，通过电流限制窗口暴露出P型DBR层7，这样可以提高器件的工艺精度和可靠性。

另外，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述垂直腔面发射激光器中，介质薄膜电流限制层的材料可以为氮化铝(AlN)、氮化硅(Si₃N₄)、碳化硅(SiC)或二氧化硅(SiO₂)其中之一或组合。对于介质薄膜电流限制层的材料可以根据实际具体情况而定，在此不做限定。

具体地，以图2为例，空间层5、氧化层6和P型DBR层7构成的圆柱形台面结构并被沟道10所分割成两个次台面结构，形成两个波导，各次台面结构上方的P面电极9可以分别注入电流，当向其中一个次台面结构注入电流，电流会通过次台面结构传到有源区，造成载流子集中分布在该次台面结构下方的位置，激发出光场集中分布在该位置的模式，并通过次台面结构出射。通过向不同的次台面注入电流并改变电流大小，可以控制激光器出射的模式，进而达到模式控制输出的效果。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种本发明实施例提供的上述垂直腔面发射激光器的制作方法，由于该方法解决问题的原理与前述一种垂直腔面发射激光器相似，因此该方法的实施可以参见垂直腔面发射激光器的实施，重复之处不再赘述。

在具体实施时，本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的制作方法，如图8所示，具体包括以下步骤：

S801、在有源层上依次形成功能辅助层和P型DBR层的图形；功能辅助层和P型DBR层构成台面结构；

S802、在P型DBR层图形上刻蚀形成沟道的图形；台面结构被沟道分割成多个次台面结构；

S803、在各次台面结构的上端形成与次台面结构一一对应的P面电极的图形。

需要说明的是，在执行步骤S801之前，还可以包括：在衬底层的一面依次形成N型DBR层的图形；在执行步骤S803之后，在衬底层的另一面可以形成N面电极的图形。

在本发明实施例提供的上述垂直腔面发射激光器的制作方法中，可以直接在台面结构上刻蚀形成沟道，在不增加材料生长工艺，不增加特殊的微纳结构，不影响器件基本性能的前提下，实现了新的模式控制方式，另外，由于所有模式都在一个台面上输出，所以可以直接与光纤耦合，省去复用器的使用，该方法简易可行，不明显增加工艺复杂度，为模式复用光通讯提供一种新的光源。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述垂直腔面发射激光器的制作方法中，执行步骤S802在P型DBR层图形上刻蚀形成沟道的图形之后，执行步骤S803在各次台面结构的上端形成与次台面结构一一对应的P面电极的图形之前，如图9所示，还可以包括：

S901、在各次台面结构上形成介质薄膜电流限制层的图形；介质薄膜电流限制层图形的中端形成有电流限制窗口。

本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器，包括：层叠设置的有源层、功能辅助层和P型分布式布拉格反射镜(DBR)层，功能辅助层和P型DBR层构成台面结构；P型DBR层设置有沟道；台面结构被沟道分割成多个次台面结构；各次台面结构的上端设置有与次台面结构一一对应的P面电极，这样利用沟道将台面结构分割成多个次平面结构以形成多个波导，各次平面结构上设置有P面电极，可以使载流子分布和波导联系起来，进而实现单个电极独立控制单个模式输出，多个电极混合控制少数模式输出。

本发明还公开了一种垂直腔面发射激光器的制作方法，可以直接在台面结构上刻蚀形成沟道，在不增加材料生长工艺，不增加特殊的微纳结构，不影响器件基本性能的前提下，实现了新的模式控制方式，另外，由于所有模式都在一个台面上输出，所以可以直接与光纤耦合，省去复用器的使用，该方法简易可行，不明显增加工艺复杂度，为模式复用光通讯提供一种新的光源。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

以上对本发明所提供的垂直腔面发射激光器及其制作方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。