CN1476132A - 波长可调谐垂直腔表面发射激光二极管 - Google Patents

波长可调谐垂直腔表面发射激光二极管 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种波长可调谐垂直腔表面发射激光二极管(VCSEL)，所述的波长可调谐VCSEL包括形成于下分布式布拉格反射器上的限流层；用于激光谐振的上下电极；和形成于从中发射光的上分布式布拉格反射器的预定区域的附属电极，所述的附属电极用于改变有效谐振区的宽度。与现有的VCSEL相比，本发明的波长可调谐VCSEL可迅速改变发射光波长，且能避免因温度变化而使有效谐振区宽度发生变化所引起的激光谐振增益特性变劣。因此，可以拓宽发射的激光的波长可调谐区。

Description

波长可调谐垂直腔表面发射激光二极管
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器，尤其涉及一种波长可调谐垂直腔表面发射激光二极管(VCSEL)。
背景技术
VCSEL的结构中具有多个分布式布拉格反射器(DBRs)，每个反射器都具有99％的折射率，且它们形成于有源层上方和下方，以便在与各叠层相垂直的方向上使光发生谐振。所述的DBR由多种折射率差别很大且晶格常数相似而便于晶体外延生长的材料层叠而得，例如：通过交替层叠GaAs和AlAs或者交替层叠两种折射率差别很大的介电材料而得，所述的两种介电材料可从例如二氧化硅SiO2层、氧化铝Al2O3层和氧化钛TiO2层中选取。在这种DBR中，最好使能量带隙大于谐振波长，以避免光被吸收，而且构成该DBR的两种材料的折射率间差异越大越好。
图1是一种具有DBR的传统VCSEL的横截面图。参见图1，下DBR 21形成于基底(未示出)上。所述的下DBR 21是通过交替层叠两种折射率不同的材料21a和21b而成的。n-接触层22形成于所述的下DBR21上。由n-下载流子限制层23、有源层24和p-上载流子限制层25层叠而得的腔谐振层C形成于所述的n-接触层22上。用于限制激光谐振流流量的限流层26形成于所述腔谐振层C的预定区域，而介电层26a形成于所述腔谐振层C的其余区域。激光谐振流仅经由所述的限流层26流入所述的有源层24。P-接触层27形成于所述的限流层26和介电层26a上。上DBR 28形成于所述p-接触层27的预定区域。与所述的下DBR 21相似，所述的上DBR 28也是由两种折射率不同的材料28a和28b交替层叠而成。下电极30和上电极29分别形成于所述的n-接触层22和p-接触层27的边缘。
随着这种VCSEL在采用下一代波分复用方法的光通讯或光记录介质中的应用，对波长可调谐VCSEL的需求日益增强。获得这种波长可调谐VCSEL的最简单的方法在于：通过加热或冷却波长可调谐VCSEL以改变波长可调谐VCSEL的谐振宽度，从而改变从波长可调谐VCSEL所发射出的激光波长。
但是，在通过改变运行温度而改变发射光波长时，由于很难迅速改变其运行温度，从而也就很难改变发射光的波长。另外，如果运行温度升高，则激光谐振特性将因增益损耗太多而严重劣化。而且，VCSEL还可能在其运行温度改变过程中因突然释放而停止工作。
发明内容
据此，本发明要解决的技术问题是提供一种在不改变温度的情况下能够快速改变发射光波长的VCSEL。
根据本发明解决上述问题的方案，提供了一种波长可调谐VCSEL，它包括：一半导体基板、一第一电极、一下分布式布拉格反射器、一限流层、一腔谐振层、多个第二电极、一上分布式布拉格反射器和多个第三电极。上述第一电极形成于半导体基板下面；下分布式布拉格反射器形成于半导体基板上；限流层形成于下分布式布拉格反射器上；腔谐振层形成于限流层上；第二电极彼此分开地形成于腔谐振层上，且与第一电极一起为有源层提供用于激光谐振的载流子；上分布式布拉格反射器形成于上述彼此分开的第二电极之间；第三电极彼此分开地形成于上分布式布拉格反射器上，且与第二电极一起改变有效谐振区域。
所述的半导体基板是一种化合物半导体基板。
各个上和下分布式布拉格反射器都由具有不同折射率且掺杂剂限于1021/立方厘米的第一和第二化合物半导体层交替层叠而成。
腔谐振层是一种由n-下载流子限制层、有源层和p-上载流子限制层层叠而成的叠层。
腔谐振层包括一有源层，该有源层由双组份化合物半导体层、三组份化合物半导体层或四组份化合物半导体层之一构成，且每一种化合物半导体层都具有多量子阱(MQW)结构或量子点阵结构。
上分布式布拉格反射器是一种与基板整体形成的分布式布拉格反射器或是一种熔接于基板的分布式布拉格反射器。
与现有的VCSEL相比，本发明的波长可调谐VCSEL能够迅速改变发射光波长，且能避免因温度改变而使有效谐振区宽度改变所引起的激光谐振增益特性变劣。因此，可拓宽激光发射的波长可调谐区域。
附图说明
通过下面结合附图对优选实施方式进行详细描述，可使本发明要解决的技术问题和优点变得更为明晰。其中：
图1是现有技术中VCSEL的横截面图；
图2是本发明中的一种波长可调谐VCSEL的横截面图；和
图3是所发射的激光反射率随图2所示波长可调谐VCSEL中上分布式布拉格反射器(DBR)的折射率变化而变化的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图描述本发明的一实施方式中的波长可调谐VCSEL。为清楚起见，图中各层的厚度或各区域都被放大了。
参见图2，附图标记40表示基板，它是一种化合物半导体基板，其上形成有上和下分布式布拉格反射器(DBRs)50和70以及腔谐振层60。下DBR50形成于该基板40上。所述的下DBR 50由第一和第二化合物半导体层52和54交替层叠而成。所述的第一和第二化合物半导体层52和54最好不吸收来自腔谐振层60射出的光。因此，第一和第二化合物半导体层52和54的能量带隙最好大于谐振波长。例如，第一和第二化合物半导体层52和54最好都为AlGaAs层。在这种情况下，由于第一和第二化合物半导体层52和54最好存在折射率差异，所以，用作第一化合物半导体层52的AlGaAs层中的掺杂量最好与用作第二化合物半导体层54的AlGaAs层中铝的摩尔份数(mole fraction level)不同。为使光流流过，所述的第一和第二化合物半导体层52和54都是掺杂有n-型掺杂剂的化合物半导体层。下DBR 50的这些特征同样适用于上DBR 70。
同时，由于本发明中的波长可调谐VCSEL经由上DBR70发光，所以，上DBR 70的反射率最好低于下DBR50的反射率。
下DBR 50的上部由一限流层82和一环绕该限流层82而形成的介电层80以及一覆盖该限流层82和介电层80的n-型化合物半导体层86构成。所述的限流层82是光流经由该下DBR 50而流入腔谐振层60的通道。介电层80阻截的是流入别的区域而不是流入限流层82的光流。所述的介电层80和限流层82是通过下DBR 50中具有很大带隙且增加了铝摩尔份数的AlGaAs层的生长、然后选择性地氧化上述AlGaAs层而制得的。腔谐振层60形成于所述的下DBR 50上。激光谐振源于腔谐振层60，所述的腔谐振层60是一种由一用于约束载流子的n-下载流子限制层62、一载流子在其中重新组合的有源层64和一p-上载流子限制层66层叠而成的叠层。所述的有源层64可以是具有多量子阱(MQW)结构或量子点阵结构的两组份、三组份或四组份的化合物半导体层。例如，有源层64可以是GaAs层、InGaAs层、AlGaAs层、InAs层、GaInNAs层或GaPSb层。所述的腔谐振层60的层叠厚度最好与谐振波长的整数倍一致，以满足谐振条件。上DBR 70形成于腔谐振层60中p-上载流子限制层66的预定区域。所述的上DBR 70由具有不同折射率的第三和第四化合物半导体层72和74交替层叠而成。所述的第三和第四化合物半导体层72和74最好具有p-型掺杂特性。此处，第三和第四化合物半导体层72和74中的掺杂浓度最好较高，例如掺杂剂达到1021/立方厘米，以增加波长的可调区域。
第一电极90形成于基板40之下。所述的第一电极90是下电极，它是一种用于引射电流的电阻式接点金属层(ohmic contact metal layer)。第二电极92a和92b围绕上DBR 70形成于p-上载流子限制层66上。所形成的第二电极92a和92b不与所述的上DBR 70相接触。第二电极92a和92b是上电极，它们是用于引射电流的电阻式接点金属层。第三电极94a和94b形成于上DBR 70之上，用于同第二电极92a和92b一起调节有效谐振区。第三电极94a和94b形成于上DBR 70的边缘。
激光器的谐振始于经由第一和第二电极90、92a和92b而给腔谐振层60提供电流和上述有源层64中载流子的重组。当光从下DBR50和上DBR 70中射入和射出时，有源层64所射出的光的强度将因载流子的重组而增强。在光强达到给定强度时，所述的光成为激光，经由第三电极94a和94b间的反射率低于下DBR 50反射率的上DBR 70射出。
经由上DBR 70射出的光的波长由腔谐振层60的有效谐振区宽度来决定。若不使用第三电极94a和94b，有效谐振区宽度与腔谐振层60的宽度相差不大。所以，经由上DBR 70射出的光的波长由腔谐振层60的宽度确定。
但是，如果利用第二电极92a和92b和第三电极94a和94b来控制施加于上DBR 70上的电流，则可改变上DBR 70的折射率。因此，有效谐振区从腔谐振层60延伸向上DBR 70。换句话说，由于有效谐振区宽度通过有效谐振区的延伸而增加，所以，经由上DBR 70射出的激光波长与不采用第三电极94a和94b时射出的激光波长不同。
图3是发射光的反射率随上DBR 70的折射率变化而变化的曲线图。附图标记G1-G4表示第一至第四曲线，它们示出了从有源层64发出的激光的反射率随上DBR 70的折射率的变化而变化的关系。
第一曲线G1所表示的情形为：不采用第三电极94a和94b，即上DBR 70折射率没有人为的改变的情形(在此称为第一种情形)。第二至第四曲线G2、G3和G4表示通过采用第二电极92a和92b以及第三电极94a和94b来控制流入上DBR 70的光流的情形，即上DBR 70的折射率分别改变1％、2％和4％的情形(在此称为第二至第四种情形)。
第一曲线G1的第一下峰值P1表示第一种情形中经由上DBR 70发出的光的波长。同样，第二曲线G2的第二下峰值P2、第三曲线G3的第三下峰值P3和第四曲线G4的第四下峰值P4分别表示第二至第四种情形中经由上DBR 70发出的激光波长。
在第一至第四曲线中，第一至第四下峰值P1、P2、P3和P4的位置不同。如上所述，这就意味着：经由上DBR 70射出的光的波长可以通过改变上BDR70的折射率以改变有效谐振区的宽度而发生变化。
前面描述的那些内容只是本发明优选实施方式的一个实例，而不是对本发明保护范围的限定。例如，所属领域的普通技术人员可用一空气隙代替本发明的VCSEL中的介电层80。此外，第一电极90不必形成在基板40下面以作为下电极，而可以与n-型化合物半导体层86相接触。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求书限定而不由上述实施方式限定。
如上所述，本发明的VCSEL包括形成于上DBR之上用于改变有效谐振区宽度的附属电极和上电极以及形成于下DBR上的限流层。利用本发明，通过给上DBR施加电流以改变有效谐振区的宽度可对发射光波长进行调谐。因此，与现有VCSEL相比，本发明的VCSEL可以迅速改变发射光的波长，且能避免因温度改变而使有效谐振区宽度改变所引起的激光谐振增益特性变劣。此外，由于施加给上DBR的光流量的增加或减少几乎不对激光增益特性产生不利影响，所以，通过增加或减少施加给上DBR的光流，可拓宽发射光的波长可调谐区域。

Claims (4)

1、一种波长可调谐垂直腔表面发射激光二极管，包括
一基板；
一形成于所述基板下面的第一电极；
一形成于所述基板上的下分布式布拉格反射器；
一形成于所述下分布式布拉格反射器上的限流层；
一形成于所述限流层上的腔谐振层；
一形成于所述腔谐振层预定区域上的上分布式布拉格反射器；
环绕所述上分布式布拉格反射器而形成于所述腔谐振层的第二电极，所述第二电极与所述第一电极一同用于激光谐振；和
形成于所述上分布式布拉格反射器上且与所述第二电极一同用于改变有效谐振区宽度的第三电极。
2、如权利要求1所述的波长可调谐垂直腔表面发射激光二极管，其中每个所述的上和下分布式布拉格反射器是由具有不同折射率的第一和第二化合物半导体层交替层叠而成的，而且所述的上分布式布拉格反射器中的掺杂剂限于1021/立方厘米。
3、如权利要求1所述的波长可调谐垂直腔表面发射激光二极管，其中所述的腔谐振层包括一有源层，该有源层由双组份的化合物半导体层、三组份的化合物半导体层和四组份的化合物半导体层之一构成，每一种化合物半导体层都具有多量子阱结构或量子点阵结构。
4、如权利要求3所述的波长可调谐垂直腔表面发射激光二极管，其中所述的化合物半导体层包括GaAs层、InGaAs层、AlGaAs层、InAs层、GaInNAs层或GaPSb层中的任一种。
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