一种偏振稳定的垂直腔面发射激光器及其制作方法技术

本发明专利技术涉及一种偏振稳定的垂直腔面发射激光器及其制作方法。这种偏振稳定的垂直腔面发射激光器(1)，包括出射面(10)及开设在出射面(10)上的出射孔(11)，还包括在出射孔(11)处设有非晶硅光栅(3)。其中非晶硅光栅(3)是一种亚波长光栅。在非晶硅光栅(3)与出射孔(11)表面之间还包括有基底层(2)，基底层可为沉积生长的二氧化硅层。添加这种亚波长的非晶硅光栅(3)后可稳定偏振光的输出，实现较高偏振比的光输出，同时出射光偏振分量的强度也可以随着注入电流的增加而单调增加。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种激光器，尤其是一种偏振稳定的垂直腔面的发射激光器及其制作方法。
技术介绍
垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavitysurface-Emitting Laser，简称 VCSEL) 由于其高性价比，高集成度等优点，在光计算、高速光互连、宽带以太网等领域有着广泛的应用。但是这种激光器有一个比较大的问题就是由于在腔轴垂直的平面上结构具有圆对称性，所以不同偏振的光在出射时会产生竞争，导致它出射光的偏振并不稳定，具体体现在1、出射光的偏振方向随着注入电流的增加会有一些变化，从而其偏振分量的光强随着注入电流的增加在某些电流区域会有下降(如图7)；2、在相同注入电流的作用下出射光的偏振方向也会有一些抖动，也就是偏振噪声，它的频率一般在百兆赫兹的量级。这样就导致在注入电流增加时，出射光的偏振分量光强并不是单调增加的；而且在相同的注入电流作用下，出射光的偏振分量的强度也不稳定。这就大大影响到了它在光计算、高速光互连以及原子钟等方面的应用。要解决这个问题，就要打破这种对称性，比如在生长材料时以一定的倾斜角度生长，或者对其谐振腔的端面提供一个非对称因素，使其在某个偏振方向上的谐振有选择的增强，同时抑制在另一个偏振方向上的谐振。
技术实现思路
针对以上缺陷，本专利技术在原有的垂直腔面发射激光器上装设一个亚波长光栅器件来实现对偏振光选择性谐振。这种偏振稳定的垂直腔面发射激光器，包括出射面及开设在出射面上的出射孔， 还包括在出射孔处设有非晶硅光栅。所述的非晶硅光栅是一种亚波长光栅。添加这种由非晶硅制作的亚波长光栅后可稳定偏振光的输出。为形成偏振光的谐振腔，所述的非晶硅光栅与出射孔表面之间还沉积一层基底层；该基底层是一层二氧化硅层。这种偏振稳定的垂直腔面发射激光器的制作方法，包括以下步骤1、在垂直腔面发射激光器的出射孔表面上沉积基底层；2、在基底层的表面沉积非晶硅层，非晶硅层的厚度与非晶硅光栅厚度相同；3、在非晶硅层的表面涂光刻胶，使用光刻技术在光刻胶上刻出非晶硅光栅的图形；4、使用刻蚀技术将光刻胶的图形转移到非晶硅层上；5、去除非晶硅层表面所设光刻胶，制成具有非晶硅光栅结构的垂直腔面发射激光其中，所述的基底层是二氧化硅层。针对光刻胶的光刻技术是电子束光刻。针对非晶硅层的刻蚀技术是离子束刻蚀。所述的非晶硅光栅是一种亚波长光栅。本专利技术的有益效果是装设了这种非晶硅制作的亚波长光栅后，使垂直腔面发射激光器实现较高偏振比的光输出，同时出射光偏振分量的强度也可以随着注入电流的增加而单调增加，这就使得这种VCSEL非常有利于应用于多灰度级的光计算、光互连等领域。由于这种方法不用改变VCSEL的结构，因此大大减小了器件的加工制作难度，简化了工艺流程。附图说明图1为垂直腔面发射激光器的局部剖视图。图2非晶硅光栅制作流程图。图3非晶硅光栅俯视图。图4为非晶硅光栅对TM波和TE波的透射效率坐标图。图5为非晶硅光栅对TM波和TE波的反射效率坐标图。图6为经过非晶硅光栅稳定偏振的VCSEL的出射光偏振分量随注入电流的变化坐标图。图7为未添加非晶硅光栅的VCSEL出射光的偏振分量光强随注入电流的变化坐标图。具体实施例方式下面将结合附图对本专利技术作详细说明如图1至图3所示，这种偏振稳定的垂直腔面发射激光器1 (以下简称激光器，即图中的VCSEL)，包括出射面10及开设在出射面10上的出射孔11，还包括在出射孔11处设有非晶硅光栅3。这种非晶硅光栅3是一种亚波长光栅，非晶硅光栅3的结构俯视图如图3 所示的中心条形光栅。为形成偏振光的谐振腔，所述的非晶硅光栅3与出射孔11表面之间还沉积二氧化硅层作为基底层2。下面以850nm出射光为具体实施例对这种偏振稳定的激光器1的制作方法作详细说明；1、首先制作激光器1，并在激光器1的出射面10上开设圆形出射孔11 ；一般垂直腔面发射激光器出射面10尺寸在250nm的量级，而出射孔11为10-20 μ m的圆形孔。2、结合图2看出，在激光器1的出射孔11表面上沉积基底层2 ；需要注意的是，并不能直接在垂直腔面发射激光器的出射孔11表面制作非晶硅光栅3，因为普通GaAs外延的出射孔11表面中GaAs的折射率与非晶硅的折射率差别很小，所以非晶硅材料制作的亚波长光栅对GaAs中出射的光的反射率都很小，不足以引起谐振。为了能实现这种功能，因此非晶硅光栅3需要在激光器1出射孔11先沉积一层厚度为2-3 μ m的二氧化硅层作为基底层2，形成谐振腔，然后再在这层S^2上制作非晶硅光栅3。3、在基底层2的表面沉积厚度为240nm、大小为10-20 μ m的非晶硅层，与出射孔11尺寸大小一致，非晶硅层的厚度与非晶硅光栅3厚度相同。4、在非晶硅层的表面涂光刻胶4，使用电子束光刻技术在光刻胶4上刻出非晶硅光栅3的图形。此处光刻胶4所要刻蚀的图案即为非晶硅光栅3的技术特征，这种亚波长的非晶硅光栅3既要使出射光有高偏振比，还要充分利用出射光的能量，使偏振稳定，光栅周期选择较为重要。光栅周期的选取标准主要有以下几个方面A、非晶硅光栅3对TE波和 TM波的反射率差别要比较大，对其中一个偏振光(如TE波)的反射要非常小，这样这个偏振光在非晶硅光栅3和激光器1出射面10之间，就不会形成谐振，对另一个偏振光(如TM 波)的反射要相对比较大，至少20%以上，这束光就可以在非晶硅光栅3和激光器1出射面10之间形成谐振后出射，这样就对偏振光有了一个选择性起振，经过这个亚波长的非晶硅光栅3以后再出射的光就主要是一个偏振的光(TM) 了 ；B、出射孔11配置为GaAs/Si02/ a-Si，那么非晶硅光栅3周期在50-150ηπι(0.05λ 0. 18 λ )的范围内可以实现稳定出射光偏振态功能的；C、光栅周期不能太大，光栅周期超过0. 6个波长时，衍射效应非常严重， 很大一部分光能量都被衍射损失掉了，这对于充分利用激光器1出射光的能量来说，是很不利的。通过用FDTD模拟不同周期的非晶硅光栅3对不同偏振的850nm波长入射光的反射率(见图4)和透射率(见图幻的数据对比，可得出光栅周期的较佳范围。综合以上因素，设定光栅周期在50-150nm之间为佳。5、使用离子束刻蚀技术将光刻胶4的图形转移到非晶硅层上。6、去除非晶硅层表面所设光刻胶，制成大小为10-20 μ m、光栅周期在50-150nm之间、占空比为1 1，厚度为240nm的非晶硅光栅3，获得具有偏振稳定功能的激光器1。下面将对具有偏振稳定功能的激光器1的工作原理作详细叙述一般从垂直腔面发射激光器出射的光含有不同偏振的方向，如直接出射会导致偏振不稳定，产生偏振噪声，如图7所示。通过加入非晶硅光栅3，通过激光器1出射的光，照射到非晶硅光栅3上，然后反射，照射到激光器1的出射孔11中的衬底材料再反射，这样就形成了一个以激光器1出射孔11衬底材料为反射镜，以非晶硅光栅3为反射/透射镜，以基底层2(以SiO2为填充介质)的谐振腔。这样由于非晶硅光栅3对不同偏振光的反射率不同，所以反射率低的偏振光就不能在S^2中形成谐振(如TE波)，而另一个反射率较高的偏振光(如TM波)就可以形成谐振以后非晶硅光栅3出射，这样就实现了对光偏振的选择性出射，也就提高了出射光偏振比的实现了激光器1出射光的偏振稳定本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种偏振稳定的垂直腔面发射激光器，包括出射面（１０）及开设在出射面（１０）上的出射孔（１１），其特征在于：还包括在出射孔（１１）处设有非晶硅光栅（３）。

【技术特征摘要】
1.一种偏振稳定的垂直腔面发射激光器，包括出射面(10)及开设在出射面(10)上的出射孔(11)，其特征在于还包括在出射孔(U)处设有非晶硅光栅(3)。2.根据权利要求1所述的偏振稳定的垂直腔面发射激光器，其特征在于所述的非晶硅光栅( 是一种亚波长光栅。3.根据权利要求2所述的偏振稳定的垂直腔面发射激光器，其特征在于所述的非晶硅光栅(3)与出射孔(11)表面之间还沉积一层基底层O)。4.根据权利要求3所述的偏振稳定的垂直腔面发射激光器，其特征在于所述的基底层( 是二氧化硅层。5.一种偏振稳定的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于包括以下步骤 (1)、在垂直腔面发射激光器的出射孔(11)表面沉积基底层O)；O)...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔国新，黄寓洋，殷志珍，张宇翔，冯成义，张耀辉，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：32