CN101325311B - 带输出波导的正方形微腔激光器 - Google Patents

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Abstract

一种带输出波导的正方形微腔激光器，其特征在于，其中包括：一衬底，该衬底为一矩形；一谐振腔，该谐振腔为正方形，该谐振腔制作在衬底上；一条形输出波导，该条形输出波导制作在衬底上，并与谐振腔的一个侧面的中间相连接；其中该谐振腔和条形输出波导的面积小于衬底的面积。

Description

带输出波导的正方形微腔激光器
技术领域
本发明涉及一种微腔激光器，更具体地，本发明涉及具有条形输出波导的正方形微腔激光器，其中条形输出波导可以使微腔激光器实现定向输出和单模运转。
背景技术
随着现代信息技术的进步与革新，光电子器件逐渐朝着高密度集成、高效率、低功率和微型化方向发展，目前大多数传统的半导体激光器很难实现这一目标。光学微腔通过全内反射来实现对光场的强限制，腔中产生了极高品质因子的回音壁(Wispering-Gallery，WG)模式，具有很小的模式体积、低功耗、超快响应和极低噪声，适合制作极低阈值、高密度集成的微腔激光器及其阵列，在光集成、光互连、光通讯以及光神经网络等方面有着广泛的应用前景。但是以微盘激光器为代表的微腔激光器由于其高对称性使其很难获得定向输出，并且输出功率非常低，而能够实现定向光功率输出是微腔激光器具有实际应用价值的必备条件。
正方形微腔相对于微盘谐振腔具有较低的对称性，腔中存在多种模式，包括WG模式，其中零阶和一阶WG模式的品质因子远高于其他WG模式和非WG模式。
发明内容
本发明的目的在于提出一种带输出波导的正方形微腔激光器，其输出波导可实现一阶WG模高效率的定向光功率输出，并通过模式选择使单个微腔激光器实现单模工作。本发明能实现定向光输出的低阈值、高密度集成的微腔激光器。
本发明提供一种带输出波导的正方形微腔激光器，其特征在于，其中包括：
一衬底，该衬底为一矩形；
一谐振腔，该谐振腔为正方形，该谐振腔制作在衬底上；
一条形输出波导，该条形输出波导制作在衬底上，并与谐振腔的一个侧面的中间相连接；
其中该谐振腔和条形输出波导的面积小于衬底的面积。
其中所述的谐振腔包括：
一下限制层，该下限制层与衬底连接；
一有源区，该有源区制作在下限制层上，其形状与下限制层相同；
一上限制层，该上限制层制作在有源区上，其形状与下限制层相同。
其中所述的条形输出波导为单模波导或多模波导，该条形输出波导的宽度小于谐振腔边长的1/2。
其中所述的条形输出波导的结构和材料与谐振腔的结构和材料相同或不相同。
其中谐振腔各个相邻侧面的夹角和条形输出波导与谐振腔相连接处的夹角在横截面上的形状为直角，或具有弧度的圆角或切角。
其中每个具有弧度的圆角或切角的角面积不超过谐振腔横截面面积的1/16。
附图说明
为了更为清楚的介绍本发明的上述目的和优点，本说明将结合实施例及附图来做进一步的说明，其中：
图1是带输出波导的正方形微腔激光器结构示意图(顶视图)。
图2a和图2b是带输出波导的正方形微腔激光器结构立体示意图，它们的区别仅仅在于条形输出波导2的材料和结构。
图3是谐振腔2各个相邻侧面的夹角和条形输出波导3与谐振腔2相连接处的夹角在横截面上的各种形状。
图4是利用2维时域有限差分(finite-difference time-domain，FDTD)法进行数值计算得到的正方形微腔中零阶和一阶WG模品质因子随着输出波导宽度的变化，谐振腔边长为4μm，腔内折射率为3.2，腔外折射率为1。
图5是边长4μm的正方形微腔中TM9，13模和TM10，14模的耦合输出效率随输出波导宽度的变化。
具体实施方式
下面结合图1-图5详细介绍本发明：
请参阅图1、图2a和图2b所示，本发明为一种带输出波导的正方形微腔激光器，其中包括：
一衬底1，该衬底1的形状为矩形，其上面的一侧为谐振腔2，另一侧为条形输出波导3；
该谐振腔2制作在衬底1上；
该条形输出波导3制作在衬底1上并与谐振腔2的一个侧面的中间相连接；
其中谐振腔2在垂直于衬底1的方向上为方柱形结构，其横截面为正方形，相邻两边的边长差最多不超过20％，该谐振腔2包括：一下限制层20，该下限制层20与衬底1连接；一有源区30，该有源区30制作在下限制层20上，其形状与下限制层20相同；一上限制层40，该上限制层40制作在有源区30上，其形状与下限制层20相同。
其中条形输出波导3位于谐振腔2一侧的中间，其为单模波导或多模波导，该条形输出波导3的宽度不超过谐振腔2边长的1/2。条形输出波导3可以与谐振腔2具有相同的结构和材料，或者是其他波导材料和结构。
谐振腔2各个相邻侧面的夹角和条形输出波导3与谐振腔2相连接处的夹角在横截面上的形状可以为直角(图3a)，也可以具有一定的弧度的圆角(图3b)或切角(图3c)，每个具有一定的弧度的圆角或切角的角面积不超过谐振腔2横截面面积的1/16。
请再参阅图2a和2b，它表示本发明的两个实施例，本发明中带输出波导的正方形微腔激光器由谐振腔2和条形输出波导3组成。谐振腔2和条形输出波导3制作在衬底1上，谐振腔为由下限制层20、有源区30和上限制层40构成的平板波导结构，各层的厚度没有限制，在实际工艺中可根据需要调节。谐振腔2和输出波导3的四周为低折射率材料(包括空气)。谐振腔2在垂直于衬底1的方向上为方柱形结构，其横截面最好为正方形，相邻两边的边长差最多不超过20％，谐振腔2的边长为激射波长的几倍到上千倍。其材料可以是公知的各种IV族半导体材料和其化合物以及III-V、II-VI、IV-VI族化合物等半导体材料，也可以是有机半导体材料和其他固体激光器有源材料。谐振腔有源区可以是半导体体材料、量子阱、量子线、量子点、量子级联等各种结构。在实施例中的衬底10、下限制层20和下限制层40不一定是必须的，只要能够形成正方形谐振腔2实现激射即可。
在具体制作工艺上，谐振腔2可以通过采用干法刻蚀或湿法化学腐蚀等方法将外延片腐蚀到下限制层或衬底，而未腐蚀的正方形区域作为谐振腔2。在正方形谐振腔2侧面一边的中点有条形输出波导3相连接或耦合，条形输出波导3可以和谐振腔2同时制作出来，它们具有相同的材料和结构，如图2a所示。但也可以先制作出谐振腔2，然后再生长其他波导材料，进行腐蚀等工艺，制作出与谐振腔材料和结构不同的输出波导，如图2b所示。条形输出波导3为单模波导或多模波导，宽度不超过谐振腔边长的1/2，输出波导3的作用在于定向输出谐振腔2中的激光，它的长度没有限制，其一端与谐振腔相连接，另外一端可以和其他光电子器件进行集成。
如图3所示，谐振腔2各个相邻侧面的夹角和条形输出波导3与谐振腔2相连接处的夹角在横截面上的形状可以为直角，也可以具有一定的弧度的圆角或切角，每个具有一定的弧度的圆角或切角的角面积不超过谐振腔2横截面面积的1/16。
本发明中的激光器谐振腔2可以通过公知的光泵浦方式或电注入方式(可在衬底1下面和上限制层40上制作电极)来实现激射。
图4是利用2维时域有限差分(finite-difference time-domain，FDTD)法进行数值模拟计算得到的正方形微腔中零阶和一阶WG模品质因子随着输出波导宽度的变化，谐振腔边长为4μm，腔内折射率为3.2，腔外折射率为1。正方形谐振腔中零阶和一阶WG模具有很高的品质因子，其他模式的品质因子要远小于这两种模式。其中TM10，12和TM11，13是零阶WG模，TM9，13和TM10，14是一阶WG模，这几种模式的波长在1.5μm附近。计算结果表明，当输出波导的宽度大于其一阶横模的截止宽度d1时，所有零阶WG模的品质因子比一阶WG模小一个数量级以上。这种结构的微腔激光器具有非常好的模式选择性，它使得正方形微腔中的一阶WG模成为其中品质因子最高的模式，这种模式耦合到输出波导中便可以得到定向光输出。
图5给出了一阶WG模TM9，13和TM10，14的耦合输出效率随输出波导宽度的变化。耦合输出效率定义为从输出波导向外输出的光功率与整个谐振腔向外辐射的光功率之比。其中d1、d2、d3分别是对称条形波导的一阶、二阶和三阶横模的截止宽度，图中的每对临近的虚线分别对应TM9，13和TM10，14模，各阶横模的截止宽度将该图分成了I、II、III三个区域。关于正方形对边中垂线对称的一阶WG模TM10，14在输出波导宽度很小时就具有近50％的输出效率，它耦合到输出波导中后以偶数阶横模的形式存在，关于正方形对边中垂线反对称的一阶WG模TM9，13耦合到输出波导中后以奇数阶横模形式存在，因为奇阶横模在波导中存在截止宽度，所以只有当输出波导宽度大于一阶横模的截止宽度时它才能耦合到输出波导中并得到比较高的输出效率。它们的耦合输出效率随着输出波导宽度的增加而增加。

Claims (3)

1.一种带输出波导的正方形微腔激光器，其特征在于，其中包括：
一衬底，该衬底为一矩形；
一谐振腔，该谐振腔为正方形，该谐振腔制作在衬底上；
一条形输出波导，该条形输出波导制作在衬底上，并与谐振腔的一个侧面的中间相连接；条形输出波导宽度大于一阶横模的截止宽度；
其中该谐振腔和条形输出波导的面积小于衬底的面积。
2.根据权利要求1所述的带输出波导的正方形微腔激光器，其特征在于，其中所述的谐振腔包括：
一下限制层，该下限制层与衬底连接；
一有源区，该有源区制作在下限制层上，其形状与下限制层相同；
一上限制层，该上限制层制作在有源区上，其形状与下限制层相同。
3.根据权利要求1所述的带输出波导的正方形微腔激光器，其特征在于，其中所述的条形输出波导为单模波导或多模波导，该条形输出波导的宽度小于谐振腔边长的1/2。
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