窄线宽聚合物分散液晶可调谐VCSEL及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种窄线宽聚合物分散液晶可调谐VCSEL及其制备方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器在原子钟、气体监测、通信、雷达、激光加工等领域都发挥着重要作用。

垂直腔面发射激光器具有有效腔长短的特点，使激光器具有良好的单纵模特性。目前成熟的垂直腔面发射激光器主要通过氧化限制结构实现电场和光场的双重限制，一般氧化孔径小于4μm时输出激光为单模光束，然而会限制输出功率，且发光方向不可调、波长调谐范围小。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种窄线宽聚合物分散液晶可调谐VCSEL及其制备方法，通过引入一个楔形间隔层和在表面类光栅的液晶薄膜，使激光器光束偏转方向可调的同时实现光束质量的优化，压窄线宽，得益于液晶的双折射率，激光器波长连续可调谐，同时中间薄的液晶薄膜可以减小对基模的影响，提升基模功率。

第一方面，本发明提供的窄线宽聚合物分散液晶可调谐VCSEL包括VCSEL外延结构和生长在VCSEL外延结构的表面的液晶外腔层；其中，液晶外腔层包括：楔形间隔层，紧贴于VCSEL外延结构的表面，且楔形间隔层的倾斜角度为5°~45°；液晶表面光栅用于扩大激光的调谐范围，紧贴于楔形间隔层的表面；P掺杂介质膜，紧贴于液晶表面光栅的液晶凹槽上；ITO导电薄膜，紧贴于P掺杂介质膜的表面；液晶调节电极，紧贴于ITO导电薄膜的表面，用于作为液晶调谐的正极。

进一步的，液晶表面光栅包括紧贴于楔形间隔层的表面的光栅间隔层 ，以及填充在光栅间隔层的凹槽中的聚合物分散液晶，光栅间隔层的凹槽呈周期分布；P掺杂介质膜紧贴于光栅间隔层的液晶凹槽上。

进一步的，VCSEL外延结构包括上下依次设置的P型电极层、P型DBR层、氧化限制层、有源层、N型DBR层、衬底层、N型电极层和钝化层；P型电极层紧贴于楔形间隔层的底面；钝化层沉积在VCSEL外延结构中除P型电极层至外的剩余表面。

第二方面，本发明提供的窄线宽聚合物分散液晶可调谐VCSEL的制备方法，用于制备第一方面提供的窄线宽聚合物分散液晶可调谐VCSEL，具体包括以下步骤：

S1：生长VCSEL外延结构；

S2：控制VCSEL外延结构的转速，使VCSEL外延结构产生倾角，进而在VCSEL外延结构上生长带有倾角的楔形间隔层；

S3：在楔形间隔层的表面生长光栅间隔层；

S4：在衬底上生长P掺杂介质膜后生长ITO导电薄膜，以及在ITO导电薄膜上生长液晶调节电极，再将衬底刻蚀掉；

S5：将液晶和UV胶注入光栅间隔层的凹槽内，然后用UV光照射固化；

S6：将P掺杂介质膜封盖在光栅间隔层的液晶凹槽上，粘合固化，此时完成制备过程。

进一步的，VCSEL外延结构中的N型DBR层为Al

进一步的，VCSEL外延结构中的P型DBR层为P掺杂波导层。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

1）本发明中楔形间隔层改变激光的衍射角，实现输出光方向偏转，当发射的光以大角度撞击界面时，会被全反射回充当波导的衬底，实现光束偏转方向可调，配合液晶表面光栅能够实现大波长的扫射范围；

2）在液晶表面光栅生长的P掺杂介质膜可有效提升扩大激光的调谐范围后的谐振腔的反射率；

3）把液晶作为表面光栅，会使VCSEL具有良好的偏振选择性，保证了VCSEL的稳定输出；液晶具有电控双折射率特性，能够使器件的波长连续可调。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的窄线宽聚合物分散液晶可调谐VCSEL的结构图；

图2是根据本发明实施例提供的窄线宽聚合物分散液晶可调谐VCSEL的制备方法的流程图。

附图标记：N型电极层1、衬底层2、N型DBR层3、有源层4、氧化限制层5、P型DBR层6、P型电极层7、钝化层8、楔形间隔层9、光栅间隔层10、聚合物分散液晶11、P掺杂介质膜12、ITO导电薄膜13、液晶调节电极14。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

第一方面，本发明实施例提供的窄线宽聚合物分散液晶可调谐VCSEL中加入加入聚合物分散液晶和楔形结构，能够实现输出光方向偏转，器件具有良好的偏振选择性，同时能压窄线宽。液晶具有双折射率特性，能够实现激光波长大范围调谐。

图1示出了根据本发明实施例提供的窄线宽聚合物分散液晶可调谐VCSEL的结构。

如图1所示，本发明实施例提供的窄线宽聚合物分散液晶可调谐VCSEL包括VCSEL外延结构和生长在VCSEL外延结构的表面的液晶外腔层。

其中，VCSEL外延结构包括由下至上依次设置的N型电极层1、衬底层2、N型DBR层3、有源层4、氧化限制层5、P型DBR层6、P型电极层7以及钝化层8。钝化层8沉积在VCSEL外延结构中除P型电极层7至外的剩余表面。

本发明实施例中，衬底层2选用N型GaAs材料，有源区4选用GaAs/Al

液晶外腔层包括由下至上依次设置的楔形间隔层9、液晶表面光栅、P掺杂介质膜12、ITO导电薄膜13和液晶调节电极14。其中，楔形间隔层9靠近P型电极层7，用于改变VCSEL外延结构发出的激光的衍射角，楔形间隔层9的倾斜角度为5°~45°，本发明实施例中楔形间隔层9的倾斜角度为25°。

液晶表面光栅用于扩大激光的调谐范围，包括光栅间隔层10和聚合物分散液晶11。其中，光栅间隔层10紧贴于楔形间隔层9的表面，且光栅间隔层10的凹槽呈周期分布，而聚合物分散液晶11则填充于光栅间隔层10的凹槽中。

P掺杂介质膜12紧贴于光栅间隔层10的液晶凹槽上，用于提供激光器谐振腔的部分反射率。此时光在本发明实施例提供的窄线宽聚合物分散液晶可调谐VCSEL的谐振腔内部进行谐振的过程为：光在谐振的过程中有部分光射出P型DBR层6，此时P掺杂介质膜12将此部分光反射回谐振腔中，从而实现提高了谐振腔的反射率。在本发明实施例中，P掺杂介质膜12为5~10对P掺杂的SiO

ITO导电薄膜13紧贴于P掺杂介质膜12的表面，液晶调节电14紧贴于ITO导电薄膜13的表面，用于作为液晶调谐的正极。

第二方面，本发明提供的窄线宽聚合物分散液晶可调谐VCSEL的制备方法，用于制备第一方面提供的窄线宽聚合物分散液晶可调谐VCSEL，具体包括以下步骤：

S1：生长VCSEL外延结构。

本发明实施例采用MOCVD（Metal-organic Chemical Vapor Deposition, 金属有机化学气相沉积）技术制备VCSEL外延结构，并以Al

在VCSEL外延结构上进行光刻，采用干法刻蚀工艺刻蚀出圆形台面，暴露出氧化限制层5，采用湿法氧化工艺进行氧化，制作注入电流限制孔。

使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺淀积300nm厚的钝化层8，并在钝化层8上进行光刻，溅射Ti/Au形成激光器P面注入电极，并剥离光刻胶露出出光孔；

将衬底层2减薄至200μm以下并进行抛光，在生长得到N型电极层1后热退火，此时VCSEL外延结构制作完成。

S2：控制VCSEL外延结构的转速，使VCSEL外延结构产生倾角，进而在VCSEL外延结构上生长带有倾角的楔形间隔层9。

S3：在楔形间隔层9的表面生长光栅间隔层10。

S4：在衬底上生长P掺杂介质膜12后生长ITO导电薄膜13，以及在ITO导电薄膜13上生长液晶调节电极14，再将衬底刻蚀掉。

本发明实施例中，P掺杂介质膜12生长在GaAs衬底上，最后采用双面套刻工艺将GaAs衬底刻蚀掉。

S5：将液晶和UV胶注入光栅间隔层10的凹槽内，然后用UV光照射固化，液晶从胶水中分离，形成微米大小的液滴，得到聚合物分散液晶11。

S6：将P掺杂介质膜12封盖在光栅间隔层10的液晶凹槽上，粘合固化，此时完成制备过程。此时P掺杂介质膜12与P型DBR层6的组合使谐振腔的反射率达到99%。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。