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一种含取向膜的单偏振可调谐 半导体 激光器及其制备方法

阅读：1007发布：2021-10-29

专利汇可以提供一种含取向膜的单偏振可调谐半导体激光器及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种含取向膜的单偏振可调谐半导体激光器，从上到下依次为：上反射层、中间层、激光器half-VCSEL区，中间层包括液晶层和间隔层，间隔层围绕圆台结构形成一圈墙面结构，液晶层位于上述墙面结构内；其中的液晶层实现了激光器内部偏振增益各向异性，可使TE/TM偏振基态对应的波长位置有效分离，进而实现宽调谐范围波长偏振稳定控制；液晶层与VCSEL半导体材料连接界面处，在液晶“形式双折射”效应的作用下，大大提高液晶层的调谐效率。本发明还公开了提供上述激光器的制备方法。，下面是一种含取向膜的单偏振可调谐半导体激光器及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种含取向膜的单偏振可调谐半导体激光器，其特征在于，从上到下依次包括：上反射层、中间层、激光器half-VCSEL区，其中，上反射层从上依次包括液晶层调谐正极(1)、ITO导电薄膜(2)、玻璃基板(3)、上分布布拉格反射镜(DBR)(4)、取向膜(5)；激光器half-VCSEL区包括从上依次包括激光器注入电极层(8)、SiO2 钝化层(9)、下分布布拉格反射镜(DBR)(12)、GaAs衬底(13)、激光器N型背面电极(14)，其中下分布布拉格反射镜(DBR)(12)从上依次包括AlGaAs层、氧化限制层(10)、Al0.98Ga0.02As层、有源区(11)、n-Al0.1Ga0.9As与n-Al0.9Ga0.1As交替层，AlGaAs层、氧化限制层(10)、Al0.98Ga0.02As层形成圆台结构，氧化限制层(10)为圆环状，中心为注入电流限制孔；中间层包括液晶层(6)和间隔层(7)，间隔层(7)围绕圆台结构形成一圈墙面结构，液晶层(6)位于上述墙面结构内；激光器注入电极层(8)、SiO2 钝化层(9)中间对应电流限制孔位置设置有激光出光孔。
2.如权利要求1所述的一种含取向膜的单偏振可调谐半导体激光器，其特征在于：利用纤维或尼龙材料用滚筒在光刻胶表面定向摩擦获得取向膜。
3.如权利要求1所述的含取向膜的单偏振可调谐半导体激光器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
a、制备激光器half-VCSEL区，包括以下步骤：
步骤1、采用金属有机化学气相淀积(MOCVD)首先在n型GaAs(13)衬底上交替生长n-Al0.1Ga0.9As层与n-Al0.9Ga0.1As层共36对，然后生长Al0.12In0.18Ga0.7As/Al0.2Ga0.8As 量子阱结构形成有源区(11)，阱层厚度是7nm，垒层厚度是15nm；再然后生长Al0.98Ga0.02As层，厚度是
30nm；最后生长重掺杂p型AlGaAs，形成下分布布拉格反射镜(DBR)(12)；
步骤2、利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法刻蚀步骤1中得到的结构，在中心形成圆台结构，直到侧壁露出Al0.98Ga0.02As层；
步骤3、利用高温氧化炉通过湿氮氧化法横向氧化步骤2圆台结构中的Al0.98Ga0.02As层形成氧化限制层(10)，氧化限制层(10)为圆环状，其中心为注入电流限制孔；
步骤4、使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在步骤5形成的结构上淀积300nm厚的SiO2钝化层(9)，并采用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法刻蚀SiO2钝化层，圆台中心位置形成激光器出光孔；
步骤5、溅射Ti/Au形成激光器注入电极(8)，并剥离光刻胶露出激光器出光孔；
步骤6、将n型GaAs(13)衬底背面磨薄至300μm，溅射AuGeNi/Au层形成激光器背面电极(14)，并进行退火，使AuGeNi/Au层与n型GaAs(13)衬底背面形成良好的欧姆接触，激光器half-VCSEL区制作完成；
b、在制备好的half-VCSEL区上方旋涂聚酰亚胺材料，通过光刻显影技术制备一定厚度的间隔层(7)，固化，使得间隔层(7)围绕圆台结构形成一圈墙面结构；
c、制备上反射层，包括如下步骤：
步骤1、利用电子束蒸发在玻璃基板(3)的上表面生长ITO导电薄膜(2)；
步骤2、利用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)或真空电子束蒸发镀膜机在玻璃基板(3)下表面交替生长Al0.1Ga0.9As/Al0.9Ga0.1As薄膜，构成激光器的上分布布拉格反射镜(DBR)(4)；
步骤3、在ITO导电薄膜(2)上表面溅射Ti/Au金属层(1)，用于压焊液晶调谐正极导线,；
步骤4、在制作好的上分布布拉格反射镜(DBR)(4)表面旋涂光刻胶，用摩擦取向技术制备取向膜(5)；
d、在间隔层(7)内旋涂液晶形成液晶层；
e、将上反射层与注入液晶层的激光器half-VCSEL区进行键合，固化，含取向膜的单偏振可调谐半导体激光器制备完成。

说明书全文

一种含取向膜的单偏振可调谐半导体 激光器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体光电子学领域，尤其涉及一种含取向膜的单偏振可调谐半导体激光器及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着光网络信息化的快速发展，垂直腔面发射激光器成为高密度集成光互联的核心器件。其具有小体积、低功耗、圆形对称光斑和高相干度阵列集成等特点，被广泛应用到光计算、光互联、原子钟等领域中。目前，高性能的垂直腔面发射激光器(VCSEL)已逐步应用于多维光互联的局域网单/多模光纤传送数字通信和多维光交换的密集波分复用(DWDM)系统等全光网络应用。另一方面，人们对核心光源性能的要求也越来越高，例如，在激光产品研发(激光鼠标、激光电视、激光雷达)、医学成像扫描等新领域中，为了获得更加灵活智能的高质量产品，往往还要求激光光源偏振、可控输出。因此，高性能VCSEL 波长调谐和偏振控制集成技术的研究成为高性能半导体光源领域中的研究热点和难点。

[0003] VCSEL波长调谐是通过改变光腔中的光路长度，第一种方法是通过微机械方式使用可移动的上反射镜来改变谐振腔的长度。微电机械系统(MEMS)VCSEL在九十年代被首次研制出，目前在调谐范围、调谐速率和输出功率上的特性都有了很大改善。但是，微电机械系统可调谐VCSEL中的可移动部分对机械振动较敏感，因此通常采用第二种方法即通过改变谐振腔的折射率来调谐波长。将向列相型液晶代替空气隙嵌入到垂直腔面发射激光器内腔，通过改变液晶层两端的调谐电压值，便可以控制向列相型液晶材料的折射率。本发明在原有技术的基础上加入了液晶取向膜结构，并因此实现了宽范围的波长调谐。另外，液晶材料还具有双折射特性，由于两种偏振光在经过液晶时的折射率不同，那么其阈值增益便存在较大差异，鉴于这一特性，本发明通过合适的结构设计实现激光器的单偏振稳定输出的特性。

发明内容

[0004] 为了克服上述技术缺陷，本发明提供了一种含取向膜的单偏振可调谐半导体激光器及其制备方法采取了如下技术方案：

[0005] 一种含取向膜的单偏振可调谐半导体激光器，从上到下依次包括：上反射层、中间层、激光器half-VCSEL区，其中，上反射层从上依次包括液晶层调谐正极(1)、ITO导电薄膜(2)、玻璃基板(3)、上分布布拉格反射镜(DBR)(4)、取向膜(5)；激光器half-VCSEL区包括从上依次包括激光器注入电极层(8)、SiO2 钝化层(9)、下分布布拉格反射镜(DBR)(12)、GaAs衬底(13)、激光器N型背面电极(14)，其中下分布布拉格反射镜(DBR)(12)从上依次包括AlGaAs层、氧化限制层(10)、Al0.98Ga0.02As层、有源区(11)、n-Al0.1Ga0.9As与n-Al0.9Ga0.1As交替层，AlGaAs层、氧化限制层(10)、Al0.98Ga0.02As层形成圆台结构，氧化限制层(10)为圆环状，中心为注入电流限制孔；中间层包括液晶层(6)和间隔层(7)，间隔层(7)围绕圆台结构形成一圈墙面结构，液晶层(6)位于上述墙面结构内；激光器注入电极层(8)、SiO2 钝化层(9)中间对应电流限制孔位置设置有激光出光孔。

[0006] 作为一种优选，利用纤维或尼龙材料用滚筒在光刻胶表面定向摩擦获得取向膜。

[0007] 上述含取向膜的单偏振可调谐半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：

[0008] a、制备激光器half-VCSEL区，包括以下步骤：

[0009] 步骤1、采用金属有机化学气相淀积(MOCVD)首先在n型GaAs(13)衬底上交替生长n-Al0.1Ga0.9As层与n-Al0.9Ga0.1As层共36对，然后生长Al0.12In0.18Ga0.7As/Al0.2Ga0.8As 量子阱结构形成有源区(11)，阱层厚度是7nm，垒层厚度是15nm；再然后生长Al0.98Ga0.02As层，厚度是30nm；最后生长重掺杂p型AlGaAs，形成下分布布拉格反射镜(DBR)(12)；

[0010] 步骤2、利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法刻蚀步骤1中得到的结构，在中心形成圆台结构，直到侧壁露出Al0.98Ga0.02As层；

[0011] 步骤3、利用高温氧化炉通过湿氮氧化法横向氧化步骤2圆台结构中的Al0.98Ga0.02As层形成氧化限制层(10)，氧化限制层(10)为圆环状，其中心为注入电流限制孔；

[0012] 步骤4、使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在步骤5形成的结构上淀积300nm厚的SiO2钝化层(9)，并采用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法刻蚀SiO2钝化层，圆台中心位置形成激光器出光孔；

[0013] 步骤5、溅射Ti/Au形成激光器注入电极(8)，并剥离光刻胶露出激光器出光孔；

[0014] 步骤6、将n型GaAs(13)衬底背面磨薄至300μm，溅射AuGeNi/Au层形成激光器背面电极(14)，并进行退火，使AuGeNi/Au层与n型GaAs(13)衬底背面形成良好的欧姆接触，激光器half-VCSEL区制作完成；

[0015] b、在制备好的half-VCSEL区上方旋涂聚酰亚胺材料，通过光刻显影技术制备一定厚度的间隔层(7)，固化，使得间隔层(7)围绕圆台结构形成一圈墙面结构；

[0016] c、制备上反射层，包括如下步骤：

[0017] 步骤1、利用电子束蒸发在玻璃基板(3)的上表面生长ITO导电薄膜(2)；

[0018] 步骤2、利用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)或真空电子束蒸发镀膜机在玻璃基板(3)下表面交替生长Al0.1Ga0.9As/Al0.9Ga0.1As薄膜，构成激光器的上分布布拉格反射镜(DBR)(4)；

[0019] 步骤3、在ITO导电薄膜(2)上表面溅射Ti/Au金属层(1)，用于压焊液晶调谐正极导线,；

[0020] 步骤4、在制作好的上分布布拉格反射镜(DBR)(4)表面旋涂光刻胶，用摩擦取向技术制备取向膜(5)；

[0021] d、在间隔层(7)内旋涂液晶形成液晶层；

[0022] e、将上反射层与注入液晶层的激光器half-VCSEL区进行键合，固化，含取向膜的单偏振可调谐半导体激光器制备完成。

[0023] 与现有技术相比，本发明有意的技术效果：本发明的含取向膜的单偏振可调谐半导体激光器中的液晶材料实现了激光器内部偏振增益各向异性，可使TE/TM偏振基态对应的波长位置有效分离，进而实现宽调谐范围波长偏振稳定控制。此外，液晶层与VCSEL半导体材料连接界面处，在液晶“形式双折射”效应的作用下，半导体-空气界面的反射率由30％下降到10％，从而允许有源区内更多的光场能量透射入液晶层，使相位耦合因子接近1。因此，在静电场作用下液晶层对激光器内部光场能量具有更强的调制作用，器件调谐特性近似为线性调谐，从而大大提高液晶层的调谐效率。附图说明

[0024] 图1为单偏振可调谐半导体激光器的结构示意图。

[0025] 图2为单偏振可调谐半导体激光器刻蚀出的台面示意图。

[0026] 图3为器件氧化限制层横向氧化后形成注入电流限制孔示意图。

[0027] 图4为器件生长SiO2钝化层后结构示意图。

[0028] 图5为溅射Ti/Au形成激光器P型注入电极(同时也是液晶调谐负极)示意图。

[0029] 图6为减薄衬底制备激光器背面N型电极示意图。

[0030] 图7为在half-VCSEL上制备间隔层示意图。

[0031] 图8为在玻璃基板上表面生长ITO导电薄膜示意图。

[0032] 图9为在玻璃基板另一面交替生长薄膜构成上DBR示意图。

[0033] 图10为在ITO导电薄膜一面制备液晶调谐正极。

[0034] 图11为在上DBR上旋涂光刻胶制备取向膜。

[0035] 图12为在间隔层内侧注入液晶示意图。

[0036] 图13为单偏振可调谐半导体激光器的结构示意图。

具体实施方式

[0037] 下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

[0038] 本发明单偏振可调谐半导体激光器的结构如图1所示，自上而下依次为：上反射层、中间层、激光器half-VCSEL区，其中，上反射层从上依次包括液晶层调谐正极(1)、ITO导电薄膜(2)、玻璃基板(3)、上分布布拉格反射镜(DBR)(4)、取向膜(5)；激光器half-VCSEL区包括从上依次包括激光器注入电极层(8)(同时也是液晶层调谐负极)、SiO2钝化层(9)、下分布布拉格反射镜(DBR)(12)、GaAs衬底(13)、激光器N型背面电极(14)，其中下分布布拉格反射镜(DBR)(12)从上依次包括AlGaAs层、氧化限制层(10)、Al0.98Ga0.02As层、有源区(11)、n-Al0.1Ga0.9As与n-Al0.9Ga0.1As交替层，AlGaAs层、氧化限制层(10)、Al0.98Ga0.02As层形成圆台结构，氧化限制层(10)为圆环状，中心为注入电流限制孔；中间层包括液晶层(6)和间隔层(7)，间隔层(7)围绕圆台结构形成一圈墙面结构，液晶层(6)位于上述墙面结构内；激光器注入电极层(8)、SiO2钝化层(9)中间对应电流限制孔位置设置有激光出光孔。

[0039] 本发明中的结构属于双片集成方式，其中发光区部分为激光器half-VCSEL区，发光区部分与上反射层部分分别进行制作，在发光区部分通过光刻形成间隔层，注入液晶，然后再与上反射层键合。

[0040] 在制作好的上反射层表面旋涂光刻胶，用摩擦取向技术制备取向膜。利用纤维、尼龙等材料用滚筒在光刻胶表面定向摩擦，使其表面产生多条定向的沟槽。液晶分子在沟槽中沿着相同的方向排列，具备相同的预倾角。

[0041] 图2--图13详细介绍一种含取向膜的单偏振可调谐半导体激光器的制备方法：

[0042] a、制备激光器half-VCSEL区，包括以下步骤：

[0043] 步骤1、采用金属有机化学气相淀积(MOCVD)首先在n型GaAs(13)衬底上交替生长n-Al0.1Ga0.9As层与n-Al0.9Ga0.1As层共36对，然后生长Al0.12In0.18Ga0.7As/Al0.2Ga0.8As量子阱结构形成有源区(11)，阱层厚度是7nm，垒层厚度是15nm；再然后生长Al0.98Ga0.02As层，厚度是30nm；最后生长重掺杂p型AlGaAs，形成下分布布拉格反射镜(DBR)(12)；

[0044] 步骤2、利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法刻蚀步骤1中得到的结构，在中心形成圆台结构，直到侧壁露出Al0.98Ga0.02As层；

[0045] 步骤3、利用高温氧化炉通过湿氮氧化法横向氧化步骤2圆台结构中的Al0.98Ga0.02As层形成氧化限制层(10)，氧化限制层(10)为圆环状，其中心为注入电流限制孔；

[0046] 步骤4、使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在步骤5形成的结构上淀积300nm厚的SiO2钝化层(9)，并采用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法刻蚀SiO2钝化层，圆台中心位置形成激光器出光孔；

[0047] 步骤5、溅射Ti/Au形成激光器注入电极(8)，并剥离光刻胶露出激光器出光孔；

[0048] 步骤6、将n型GaAs(13)衬底背面磨薄至300μm，溅射AuGeNi/Au层形成激光器背面电极(14)，并进行退火，使AuGeNi/Au层与n型GaAs(13)衬底背面形成良好的欧姆接触，激光器half-VCSEL区制作完成；

[0049] b、在制备好的half-VCSEL区上方旋涂聚酰亚胺材料，通过光刻显影技术制备一定厚度的间隔层(7)，固化，使得间隔层(7)围绕圆台结构形成一圈墙面结构；

[0050] c、制备上反射层，包括如下步骤：

[0051] 步骤1、利用电子束蒸发在玻璃基板(3)的上表面生长ITO导电薄膜(2)；

[0052] 步骤2、利用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)或真空电子束蒸发镀膜机在玻璃基板(3)下表面交替生长Al0.1Ga0.9As/Al0.9Ga0.1As薄膜，构成激光器的上分布布拉格反射镜(DBR)(4)；

[0053] 步骤3、在ITO导电薄膜(2)上表面溅射Ti/Au金属层(1)，用于压焊液晶调谐正极导线,；

[0054] 步骤4、在制作好的上分布布拉格反射镜(DBR)(4)表面旋涂光刻胶，用摩擦取向技术制备取向膜(5)；

[0055] d、在间隔层(7)内旋涂液晶形成液晶层；

[0056] e、将上反射层与注入液晶层的激光器half-VCSEL区进行键合，固化，含取向膜的单偏振可调谐半导体激光器制备完成。

[0057] 以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

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