基模液晶可调谐VCSEL的制作方法

本发明涉及激光器，具体提供一种基模液晶可调谐vcsel。

背景技术：

1、垂直腔面发射激光器简称vcsel(vertical cavity surface emitting laser)，其具有低阈值电流、圆形光斑、高调制带宽、单纵模激射、易于实现高密度二维阵列、制作成本较低等诸多优点，并且与传统边发射激光器相比，无需封装可直接在片测试分析，大大降低了制造成本。因此，在在许多领域中都具有广泛应用前景。

2、随着对核心光源性能的要求越来越高，需要vcsel具备波长可调谐的输出特性。例如在光通信应用中，通过将vcsel调谐到不同的输出波长，作为不同信道的光发射机，实现一个可调谐的激光器代替多个固定波长激光器的可能，从而真正意义上实现波分复用技术的密集化。例如在医疗oct应用中，通过将vcsel调谐到不同的输出波长，利用弱相干光干涉仪的基本原理，检测生物组织不同深度层面来显示组织的断面结构。目前，可实现波长调谐的vcsel结构，主要为微机电系统(mems)-vcsel结构和液晶vcsel结构。mems-vcsel结构是通过将微机电系统技术与vcsel集成，mems结构与vcsel间存有空气隙，通过外部电极控制mems结构产生位移使空气隙的厚度发生改变，空气隙厚度的改变导致vcsel的谐振腔的共振波长发生了变化。液晶vcsel是通过将液晶与vcsel激光器集成，通过外部电极控制液晶的偏转角度，改变液晶层的等效折射率，液晶折射率的改变等效于vcsel谐振腔长改变，从而使得腔内共振波长发生变化。两种可调谐vcsel结构，均可通过连续改变调谐电极的外部电压使腔内共振波长产生改变，进而实现对输出波长可连续调谐。

3、而对于可调谐vcsel，除了考虑波长调谐范围、偏振特性等技术参数外，最核心技术指标为vcsel的波长单色性，它直接决定了光源的相干性。可调谐vcsel输出的单色性主要与光斑的横模数量有关。但由于vcsel的横向宽度较大，器件通常为多横模激射，导致输出激光的相干性较差，并且发散角较大。因此，在波长调谐范围内，如何使vcsel始终保持单横模式的输出，满足应用需求是技术关键。

4、目前，现有的基模可调谐vcsel采用的技术主要为以下三种技术方案：

5、1、采用小孔径的电流限制区结构，目前典型孔径尺寸约为4μm，通过缩小电流限制孔径可以有效的滤除大部分的高阶横向模式。但过小的电流孔径使得vcsel的串联电阻较大，有源区面积的减小将限制输出功率，并且电流在孔径边缘处会存在堆积现象，导致在高电流工作下将激发更高阶的横向模式。

6、2、表面刻蚀浮雕结构，通过在上dbr表面刻蚀具有矩形、圆形等浮雕结构，增大高阶模式与基模间的反射率差，增大高阶模式损耗，从而实现基横模式输出。但由于在dbr的表面刻蚀使得浮雕结构与腔内光波的耦合效率不高，引入的模式间发射率差偏小，目前典型的发射率差约为1％左右，使得模式间的损耗差异不明显。此外，在波长调谐过程中，基模波长与高阶模波长间的损耗差异也将逐渐变小，导致更高阶模的激射。

7、3、弧形顶部dbr结构，该方法一般应用于mems-vcsel结构中。mems的形成一般采用通过选择性湿法刻蚀的方法去除上dbr镜与半vcsel之间的牺牲层，从而形成空气隙间隔，使上dbr镜与半vcsel间构成mems结构。该方法利用上dbr镜与牺牲层材料间的应力失配，通过选择牺牲层材料，使得dbr镜主要受到拉应力。当牺牲层去除时，dbr受应力的影响产生弯曲，从而形成具有弧形的结构，实现对高阶模式的滤除作用。但由于利用了释放应力产生的形变方法，导致材料间的应力失配度不能太大，因此dbr膜的形变程度有限，使得模式间的抑制效果也是有限的，一般还需要配合小孔径的半vcsel部分共同达到基横模输出。此外，mems结构与vcsel集成工艺难度偏大，导致器件成品率不高。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供了一种基模液晶可调谐vcsel，通过模式控制结构使得不同模式间的谐振腔长不同，增大了模式间共振波长的分离程度，使基模共振波长获得的增益大于高阶模共振波长获得的增益，实现对高阶模式的有效抑制。

2、本发明提供的基模液晶可调谐vcsel，由液晶调谐单元和半vcsel单元构成；

3、液晶调谐单元包括：

4、衬底，其上刻蚀有模式控制结构，模式控制结构呈现为多级向下的台阶状凹陷，使不同台阶位置的谐振腔光学长度不同；

5、第一导电层，其沿衬底和模式控制结构的表面等厚度设置；

6、第一dbr，其由不同折射率的介质膜材料交替生长而成，第一dbr沿第一导电层的表面设置，并形成与模式控制结构相同形状的多级向下的台阶状凹陷，该凹陷为液晶区；

7、第一电极，其与第一导电层电导通，作为液晶调谐单元的正电极；

8、第二电极，其设置在第一dbr上，作为液晶调谐单元的负电极，同时，也作为半vcsel单元的正电极。

9、优选的，半vcsel单元包括：

10、第二导电层，其设置在第二电极上；

11、有源层和电流限制层，两者之间设置有vcsel间隔层，通过调整vcsel间隔层的厚度控制有源层和电流限制层在vcsel腔内光场的分布位置；

12、第二dbr，为由不同折射率的半导体材料交替生长的多周期n型dbr结构，第二dbr的反射率低于第一dbr的反射率；

13、第三电极，其设置在第二dbr上，作为半vcsel单元的负电极。

14、优选的，根据波长调谐过程中期望滤除的模式数量确定台阶状凹陷的级数；通过改变每级台阶状凹陷的深度，调整谐振腔的光学长度；通过改变每级台阶状凹陷的宽度，调整各级台阶状凹陷与波长调谐过程中不同模式间的耦合强度。

15、优选的，第一导电层和第二导电层均采用ito透明导电层。

16、优选的，第一dbr中每层介质膜材料和第二dbr中每层半导体材料的厚度均为激光波长的四分之一。

17、优选的，vcsel间隔层采用与衬底晶格匹配的半导体材料。

18、优选的，有源层为多量子阱结构，用于提供激光产生所需的光增益。

19、优选的，电流限制层通过氧化或离子注入的方式形成，用于对注入电流的路径进行限制。

20、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

21、本发明在不改变电流限制区结构孔径的前提下，通过在液晶可调谐vcsel内腔中加入模式控制结构，通过模式控制结构使得不同模式间的谐振腔长不同，通过改变每级台阶状凹陷的深度，可调整谐振腔的光学长度，通过改变每级台阶状凹陷的宽度，可调整各级台阶状凹陷与波长调谐过程中不同模式间的耦合强度，增大了模式间共振波长的分离程度，使基模共振波长获得的增益大于高阶模共振波长获得的增益，实现对高阶模式的有效抑制。

技术特征：

1.一种基模液晶可调谐vcsel，其特征在于，由液晶调谐单元和半vcsel单元构成；

2.如权利要求1所述的基模液晶可调谐vcsel，其特征在于，所述半vcsel单元包括：

3.如权利要求1所述的基模液晶可调谐vcsel，其特征在于，根据波长调谐过程中期望滤除的模式数量确定台阶状凹陷的级数；通过改变每级台阶状凹陷的深度，调整谐振腔的光学长度；通过改变每级台阶状凹陷的宽度，调整各级台阶状凹陷与波长调谐过程中不同模式间的耦合强度。

4.如权利要求1所述的基模液晶可调谐vcsel，其特征在于，第一导电层和第二导电层均采用ito透明导电层。

5.如权利要求1所述的基模液晶可调谐vcsel，其特征在于，第一dbr中每层介质膜材料和第二dbr中每层半导体材料的厚度均为激光波长的四分之一。

6.如权利要求2所述的基模液晶可调谐vcsel，其特征在于，所述vcsel间隔层采用与所述衬底晶格匹配的半导体材料。

7.如权利要求2所述的基模液晶可调谐vcsel，其特征在于，所述有源层为多量子阱结构，用于提供激光产生所需的光增益。

8.如权利要求2所述的基模液晶可调谐vcsel，其特征在于，所述电流限制层通过氧化或离子注入的方式形成，用于对注入电流的路径进行限制。

技术总结
本发明涉及激光器技术领域，具体提供一种基模液晶可调谐VCSEL，在衬底上刻蚀有模式控制结构，模式控制结构呈现为多级向下的台阶状凹陷，使不同台阶位置的谐振腔光学长度不同，通过改变每级台阶状凹陷的深度，可调整谐振腔的光学长度，通过改变每级台阶状凹陷的宽度，可调整各级台阶状凹陷与波长调谐过程中不同模式间的耦合强度，并沿衬底和模式控制结构的表面继续设置导电层、DBR及电极。本发明通过在液晶可调谐VCSEL内腔中加入模式控制结构，通过模式控制结构使得不同模式间的谐振腔长不同，增大了模式间共振波长的分离程度，使基模共振波长获得的增益大于高阶模共振波长获得的增益，实现对高阶模式的有效抑制。

技术研发人员：王小龙,高士涵,于舒睿,蒋宁,佟存柱
受保护的技术使用者：吉光半导体科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6