[0001] 本发明涉及一种单模激射VCSEL结构与激光横模控制方法，特别涉及一种运用超表面和半腔VCSEL对横模控制的方法，属于半导体激光器领域。

[0002] VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)因其高转换效率、低阈值电流、低功耗、易于集成等优势，广泛应用于数据中心、短距光互连以及激光雷达等领域。随着信息技术的飞速发展，要求更高调制速率、更大输出功率以及更好单模特性的VCSEL，尤其是在较大的氧化孔径下，保证稳定单模输出且保证基模高输出功率具有重要的研究价值。

[0003] 在氧化限制VCSEL结构，氧化孔径大小影响VCSEL单模或多模工作模式，虽然较小的氧化孔径能实现稳定的单模操作，但氧化孔径存在“双重”限制作用，同时限制模场和载流子运动，小氧化孔径导致VCSEL的发光区域变小，输出光功率降低；导致靠近氧化孔径处的电流密度大，热效应明显增加，器件的热阻大，对VCSEL性能造成影响。

[0004] 为了解决上述氧化孔径和稳定单模高功率输出之间的矛盾，一般使用特殊的模式选择结构：适当的增加氧化孔径，提高器件的输出功率，模式选择结构只选择基横模实现单模光输出，从而提高VCSEL的光学、电学和热学性能。一种常见的方法是SR技术(Surface Relief，表面浮雕)，即在氧化限制型VCSEL的顶部DBR(Distributed Bragg Reflector，分布式布拉格反射器)表面进行蚀刻，由于VCSEL激射的特性，基模激光主要集中在发光孔径的中央区域，高阶模激光主要集中发光孔径的边缘区域，为了减少高阶模的发光，一般将高阶模激射区域蚀刻不同的形状，从而减少高阶模激射区域的镜面反射率，增加高阶模的镜面损耗，抑制其在有源腔内的激射，从而实现稳定的基模输出，但是其选模效果受到蚀刻深度的影响大，需要对蚀刻深度进行严格控制，不利于大批量制备，同时边缘区域的蚀刻也会导致该区域的基模镜面反射率减小，从而影响基模激光的光功率。另一种方法是在VCSEL表面设计周期性光栅结构，利用光栅对光入射角度的敏感特性，实现对特定波长发射光的空间滤波选择，滤除高阶模，保留基模，实现单模激射，但这种结构也会影响基模激光的发射，导致基模激光发射功率降低。

[0005] 超材料由于其不同寻常的电磁特性而具有极大范围内的应用，可设计电磁空间和控制光传播。然而，三维超材料仍具有材料损失和制造挑战等缺陷。

[0006] 由单层等离子体结构组成的超表面厚度远小于入射光的波长，能够解决损耗和制造问题，通过结构和材料的设计，可以引入入射波前的相位突变，实现在亚波长尺度上光场的相位、偏振、振幅和频率等性质的完全调控。

[0054] 为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。实施例

[0055] 如图1所示，本实施例公开的一种单模激射VCSEL结构，由下至上依次为晶圆衬底1、N型DBR层2、有源层3、氧化层6、P型DBR层4、超表面透镜层12、第一介电质DBR层10、第二介电质DBR层11、N电极孔洞7、N型电极8和P型电极9。
实施例

[0056] 本实施例还公开一种单模激光模式选择方法，基于所述单模激射VCSEL结构实现。所述一种单模激光模式选择方法，具体实现步骤如下：
步骤一：通在P型DBR层4之上加入一层超表面透镜层12，通过调节超表面透镜层12各晶格单元的尺寸，使各晶格单元产生不同相位，在超表面透镜层12表面引入相位梯度变化，引起光的聚焦。实现基模激光向中央区域汇聚和高阶模式激光向边缘区域散射。

[0057] 用于实现不同相位分布调控的超表面透镜层12由具有圆形横截面的不同半径、相同高度的介质纳米柱阵列构成。介质纳米柱晶格单元如图2所示，所述的几何尺寸包括纳米柱的半径R、高度H以及超表面透镜晶格单元的周期长度P。

[0058] 超表面透镜层12工作波长为850 nm。在纳米柱高度H和周期P固定不变的情况下，利用基于严格耦合波分析的方法(RCWA)，对纳米柱的几何尺寸进行二维扫描(R: 30nm~200nm)，得到不同尺寸纳米柱所对应的透射系数t和相位 。仿真时应对入射光的波长、构成纳米柱的材料种类、纳米柱高度H和周期P进行合理的选择，使相位 能够覆盖0 2π。
~

[0059] 最终确定纳米柱高度H为350nm，周期P为420nm，半径R在30nm 200nm范围内。利用~纳米柱组成如图3所示的超表面透镜层12，利用各晶格单元产生不同相位，在超表面透镜层表面引入相位梯度变化，引起光的聚焦。

[0060] 步骤二：调节P型DBR层4若干层不同Al含量的AlxGa1‑xAs的材料折射率以及厚度，实现大于70%的反射率。

[0061] P型DBR层4结构由4对具有高低折射率的AlxGa1‑xAs层交叠而成，其中在折射率由高到低或由低到高的AlxGa1‑xAs层之间具有过渡AlxGa1‑xAs层。

[0062] 在发射波长为850nm的VCSEL中，高折射率的AlxGa1‑xAs层的Al含量为x=0.15，折射率 为3.5293，厚度 为0.0413微米；低折射率的AlxGa1‑xAs层的Al含量为x=0.9， 为3.061，厚度 为0.0477微米。根据式（9）～（11）分别得出高折射率的AlxGa1‑xAs层、低折射率的AlxGa1‑xAs层以及过渡AlxGa1‑xAs层的传输矩阵，并根据式（12）得出整体半腔VCSEL的P型DBR层的传输矩阵。根据公式（13）～（15）进一步算出半腔VCSEL的P型DBR层的整体反射率。

[0063] 步骤三：引入两层介电质DBR层，其中第一介电质DBR层10直接生长在超表面透镜层上，通过调节第一介电质DBR层10的材料折射率和厚度，保证基模光的反射率；第二介电质DBR层11生长在第一介电质DBR层10上方局部位置，所述局部位置为对应于有源层的中心区域的位置，VCSEL的基模激光主要分布在中心区域，而高阶模式激光主要分布在边缘区域，同时由于超表面透镜层12对基模激光的汇聚和高阶模激光的散射，使得基模激光更集中在中心区域，高阶模激光更加远离中心区域，通过调节第二介电质DBR层11的材料折射率和厚度保证基模光激射条件，减少高阶模激光的激射，从而将高阶模式激光散射到VCSEL的外部，使VCSEL只输出基模激光。

[0064] 步骤3.1：在超表面透镜层12上引入两层介电质DBR层。

[0065] 步骤3.2：第一介电质DBR层10直接生长在超表面透镜层上，通过调节第一介电质DBR层10的材料折射率和厚度，保证基模光的反射率。

[0066] 外延生长第一介电质DBR层10，旋涂光刻胶并进行紫外曝光，形成第一介电质DBR层10图案，然后使用外延生长工艺生长第一介电质DBR层10，介电质DBR材料使用SiO2/Ta2O5。

[0067] 介电质DBR材料的折射率分别为 为2.0908， 为1.4525。

[0068] 步骤3.3：第二介电质DBR层11生长在第一介电质DBR层10上方局部位置，所述局部位置为对应于有源层的中心区域的位置，VCSEL的基模激光主要分布在中心区域，而高阶模式激光主要分布在边缘区域，同时由于超表面透镜层12对基模激光的汇聚和高阶模激光的散射，使得基模激光更集中在中心区域，高阶模激光更加远离中心区域，通过调节第二介电质DBR层11的材料折射率和厚度保证基模光激射条件，减少高阶模激光的激射，从而将高阶模式激光散射到VCSEL的外部，使VCSEL只输出基模激光。

[0069] 在第一介电质DBR层10上外延生长第二介电质DBR层11，材料使用SiO2/Ta2O5，区别于第一介电质DBR层10，第二介电质DBR层11需要对准发光孔中心，并且第二介电质DBR层11大小不超过基模发射范围，旋涂光刻胶并使用对准紫外曝光机对准相应区域，形成第二介电质DBR层11图案，然后使用外延生长工艺生长第二介电质DBR层11。

[0070] 根据式（17）计算两层介电质DBR整体的传输特性。

[0071] 步骤四：根据步骤二调节P型DBR层4的材料折射率和厚度，步骤三调节两层介电质DBR的材料折射率和厚度，使P型DBR层4和两层介电质DBR整体反射率大于99.9%，使得在基模没有损耗的情况下，滤除掉激光高阶模式，从而实现在不损伤基模功率的情况下，对VCSEL的高阶横模进行抑制，实现高功率稳定单模输出。

[0072] 根据式（18）计算整体P型DBR层加两层介电质DBR层的传输特性，根据式（19）～（21）计算出P型DBR层加两层介电质DBR层的整体反射率。实施例

[0073] 本实施例还公开一种用于横模控制的VCSEL结构的制备方法，用于制备所述一种激光模式选择的VCSEL，工艺流程如图4所示：(1)如图4中的（a）所示，在一片GaAs晶圆衬底1上，使用分子束外延生长多层N型DBR层2，N型DBR层由30对G‑AlGaAs/AlGaAs交替构成，在N型DBR层上生长有源层3，有源层由三层AlGaAs/InGaAs交替构成，形成多量子阱结构，最后在有源层上方生长P型DBR层4，P型DBR层由4对G‑AlGaAs/AlGaAs交替构成；
(2)如图4中的（b）所示，在P型DBR层4上旋涂正性光刻胶5，并使用双面对准紫外曝光机曝光，使用TMAH（四甲基氢氧化铵）显影液显影，形成蚀刻图案，使用ICP蚀刻方法对蚀刻图案进行蚀刻，蚀刻深度需进行控制，保证蚀刻深度不超过有源层3，蚀刻后将光刻胶使用等离子去胶机去除；
(3)如图4中的（c）所示，使用湿法氧化方法对蚀刻后的晶圆进行氧化，形成AlOx氧化环6；
(4)如图4中的（d）所示，进行N电极孔洞蚀刻，在表面旋涂光刻胶5，并曝光和显影形成N电极孔洞图案，然后使用电子束蒸发设备生长N电极孔洞7，并去除多余光刻胶；
(5)蚀刻后整平，使用旋涂机在表面旋涂绝缘聚合填充物Ploymide，裸露出出光区域和N电极区域，并使用真空加热箱对填充物进行固化，使器件表面平整并有效防止使用过程中的氧化和热问题；
(6)如图4中的（e）和（f）所示，器件表面涂光刻胶并曝光出P型电极9和N型电极8图案，分别进行电极金属生长，生长金属使用Au(金)/Pt(铂)；
(7)如图4中的（f）所示，在表面旋涂光刻胶并显影出介电质DBR区域图案，生长多层介电质DBR层，介电质DBR材料使用SiO2/Ta2O5，其中第一介电质DBR层10覆盖范围较大，第二介电质DBR层11覆盖范围较小，以保证基模光激射所要求的高折射率条件以及高阶模低密度激射。

[0074] 以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。