CN101741014A

CN101741014A - 侧向耦合输出波导的微腔激光器

Info

Publication number: CN101741014A
Application number: CN200910242753A
Authority: CN
Inventors: 王世江; 黄永箴; 杨跃德
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2010-06-16

Abstract

一种带侧向输出波导的微腔激光器，其中包括：一衬底；一个上层结构，该上层结构制作在衬底上，该上层结构包括：一个或多个谐振腔，该谐振腔为圆形或正多边形；一条形输出波导，该条形输出波导制作在衬底上，并与一个或多个谐振腔的侧面相连接；所述一个或多个谐振腔制作在条形输出波导的一侧。

Description

侧向耦合输出波导的微腔激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，尤其涉及到激光光源，更具体地，本发明涉及带有侧向耦合条形输出波导的组合微腔激光器，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，而沿波导方向可以设计多个谐振腔，实现多波长高功率输出，甚至可以起到调制作用。

背景技术

随着现代信息技术的进步和革新，光电子器件逐渐朝着高密度集成、高效率、低功耗和微型化方向发展，目前大多数传统的半导体激光器很难实现这一目标。光学微腔通过全反射来实现对光场的强限制，腔中产生了品质因子极高的回音壁(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。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，在实现定向输出方面，我们研制了带输出波导的正三角微腔激光器(Y.Z.Huang，etc.Room-temperature continuous-waveelectrically injected InP/GaInAsP equilateral-triangle-resonatorlasers.IEEE Photon.Technol.Lett.19，pp.963-965(2007))，正方形微腔激光器(Y.Z.Huang，etc.Directional emission InP/GaInAsPsquare-resonator microlasers，Opt.Lett.33，(2008))和圆盘微腔激光器。以圆盘为代表的WG型微腔激光器也一直是人们所关注的。现在我们提出一种结构用于实现多个微腔侧向耦合输出的激光器，该激光器可极大提高耦合输出效率。

在本发明中采用带侧向耦合输出波导的组合微腔激光器。引进波导后，微腔中对称性相同波长相近的模式会发生耦合产生损耗很小的模式，并且侧向波导刚好可以与微腔(例如圆盘)中的行波相耦合，可以实现高效率的定向高功率输出。

发明内容

本发明的目的在于提出一种带侧向耦合输出波导的微腔激光器，从其输出波导可实现模式高效率的定向光功率输出，并通过波长相近的两个模式发生耦合，使单个微腔激光器实现单模工作，而多个谐振可以起到多波长激光器的效果。本发明能实现定向光输出的高功率、高密度集成的微腔激光器。

本发明提供一种带侧向输出波导的微腔激光器，其中包括：

一衬底；

一个上层结构，该上层结构制作在衬底上，该上层结构包括：

一个或多个谐振腔，该谐振腔为圆形或正多边形；

一条形输出波导，该条形输出波导制作在衬底上，并与一个或多个谐振腔的侧面相连接；

所述一个或多个谐振腔制作在条形输出波导的一侧。

其中所述的谐振腔包括：

一下限制层；

一有源层，该有源层生长在下限制层上，其形状与下限制层相同；

一上限制层，该上限制层生长在有源层上，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，条形输出波导是弱耦合波导或强耦合波导。

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。

其中条形输出波导与谐振腔相连接处为相切或是与谐振腔交叠。

其中多个谐振腔的尺寸相同或不相同。

本发明还提供一种带侧向输出波导的微腔激光器，其中包括：

一衬底；

一个或多个谐振腔，该谐振腔为圆形或正多边形；

所述多个谐振腔制作在条形输出波导的两侧。

其中所述的谐振腔包括：

一下限制层；

其中多个谐振腔的尺寸相同或不相同。

其中多个谐振腔分布于条形输出波导两侧，为对称或非对称分布，所述谐振腔沿波导方向分布。

本发明提供的这种微腔导体激光器，谐振腔和耦合输出波导之间相切或交叠，从而解决了平常侧向耦合中需要刻蚀出高精度，且足够小的缝隙(波导与谐振器腔之间的间隔)。同时由于在谐振腔的侧边缘引进侧向耦合输出波导后，会造成模式波长相近的模式发生模式耦合，其品质因子仍然很高，具有很好的选模特性，并且有着很高的耦合输出效率，所以能够实现微腔激光器高效率的定向光功率输出，而多个谐振腔级联也可以起到多波长，高功率输出的作用。

附图说明

为了更清楚地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是带输出波导的圆盘微腔激光器两种结构示意图(俯视图)；

图2是带输出波导的圆盘微腔激光器的两种结构立体示意图；

图3是条形输出波导与谐振腔相连接处的两种情况及多个谐振腔示意图；

图4是利用二维时域有限差分(finite-difference time-domain，FDTD)法进行数值计算得到的圆盘微腔中WG模品质因子随着输出波导宽度的变化，谐振腔直径为4μm，腔内折射率为3.2，腔外折射率为1；

图5是直径为4μm的圆盘微腔模式的耦合输出效率随输出波导宽度的变化。

具体实施方式

请参阅图1、图2所示，本发明为一种带侧向耦合输出波导的圆盘微腔激光器，其中包括：

一衬底1，该衬底1的形状为矩形或圆形，衬底1的材料可以是公知的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，衬底1上有一上层结构2，该上层结构2包括谐振腔22和条形输出波导23，衬底1上面的一侧为谐振腔22，另一侧为条形输出波导23(为本发明的第一实施例，见图1A、图2A)，或谐振腔22分布于条形输出波导23的两侧(为本发明的第二实施例，见图1B、图2B)；

该谐振腔22制作在衬底1上；

该条形输出波导23制作在衬底1上并与谐振腔22的侧面相切或相交叠(见图3)；

其中谐振腔22在垂直于衬底1的方向上为圆形(或多边形)结构，其横截面为矩形，该谐振腔22包括：一下限制层201，该下限制层201与衬底1连接；一有源层202，该有源区202制作在下限制层201上，其形状与下限制层201相同；一上限制层203，该上限制层203制作在有源区202上，其形状与下限制层201相同。

其中条形输出波导23位于谐振腔22的侧边与谐振腔相切，其为单模波导或多模波导，该条形输出波导23可以与谐振腔22具有相同的结构和材料，或者是其他波导材料和结构。波导深度可以是浅刻蚀(弱耦合)或强刻蚀(强耦合)，所述该谐振腔22与条形输出波导23的材料结构相同。

谐振腔22可以分布于条形输出波导23的一侧或两侧，在沿输出波导23方向可以级联多个谐振腔22，这些圆形谐振腔其尺寸可以相同，也可以不相同，它们可以对称或非对称分布于波导23两侧。

请再参阅图2，它表示本发明的两个实施例，图2(A)是本发明中波导23一侧带有一个谐振腔22的一个实施例，而图2(B)为本发明中波导23两侧各带有一个谐振腔22的一个实施例。本发明中带输出波导的圆盘微腔激光器由谐振腔22和条形输出波导23组成。谐振腔22和条形输出波导23制作在衬底1上，谐振腔为由下限制层201、有源区202和上限制层203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22和输出波导23的四周为低折射率材料(包括空气)。谐振腔22在垂直于衬底1的方向上为圆柱形(或正多边形)结构，其横截面最好为矩形，谐振腔22的尺寸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。谐振腔有源区可以以使半导体体材料、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1、下限制层201和上限制层203不一定是必须的，只要能够形成谐振腔22实现激射即可。

在具体制作工艺上，谐振腔22可以通过采用干法刻蚀或湿法化学刻蚀等方法将外延片腐蚀到下限制层或衬底，而未腐蚀的区域作为谐振腔22。在谐振腔22侧面有条形输出波导23相连接或耦合，条形输出波导23可以和谐振腔22同时制作出来，他们具有相同的材料和结构，如图2所示。但也可以先制作出谐振腔22，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，结构和刻蚀深度不同的输出波导，如图2所示。条形输出波导23为单模波导或多模波导，宽度不超过谐振腔的半径，输出波导23的作用在于定向输出谐振腔22中的激光，它的长度没有限制，其两端都可以与其他光电子器件进行集成。

如图3所示，谐振腔22和条形输出波导23相连接处的可以是相切，也可以是相交叠。而谐振腔在沿波导方向的两侧，可以级联多个谐振腔。

本发明中的激光器谐振腔22可以通过公知的光泵浦方式或电注入方式(可以在衬底1下面和谐振腔22的上限制层203上制作电极)来实现激射。也可以通过制作不同的电极，从而通过控制某个谐振腔上的电流而制备出电调制器。

图4是利用二维时域有限差分(finite-difference time-domain，FDTD)法进行数值模拟计算得到的单个圆盘谐振腔与波导侧向耦合中WG模品质因子和耦合输出效率随着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。谐振腔直径为4μm，腔内折射率为3.2，腔外折射率为1。圆盘谐振腔由于引入了直输出波导而导致模式间发生耦合，输出光能有效地通过波导耦合出去，其耦合效率能接近100％，并且其品质因子也比较高，图4中的嵌入图为模式场分布图，可以看出光有效地通过波导耦合出去。

图5给出了两个圆盘谐振腔对称的分布于波导的两侧，其模式的耦合输出效率和品质因子随输出波导宽度的变化。谐振腔直径为4μm，腔内折射率为3.2，腔外折射率为1。可以看出这些模式的耦合输出效率都差不多接近于1，并且品质因子均较高。图5中嵌入的模式场分布图可以看出，光能够有效的从输出波导中耦合输出。

本发明还可以有其它作用，例如，它可以作为一个调制器来使用，通过在谐振腔22或波导23上分别制作电极，从而对输出光起到调制止用。同样本发明也可以作为滤波器使用，当光从波导23注入时，谐振腔22会对输入光进行滤波。更为重要的是，本发明可以做为多波长激光器使用，通过在波导23的一侧或两侧设计不同尺寸的谐振腔22，以制备出不同输出波长的半导体激光器。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、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，并不用于限制本发明，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。

Claims

1.一种带侧向输出波导的微腔激光器，其中包括：

一衬底；

一个或多个谐振腔，该谐振腔为圆形或正多边形；

所述一个或多个谐振腔制作在条形输出波导的一侧。

2.根据权利要求1所述的带侧向耦合输出波导的微腔激光器，其中所述的谐振腔包括：

一下限制层；

3.根据权利要求1所述的带侧向耦合输出波导的微腔激光器，其中所述的条形输出波导为单模波导或多模波导，条形输出波导是弱耦合波导或强耦合波导。

4.根据权利要求1所述的带侧向耦合输出波导的微腔激光器，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。

5.根据权利要求1所述的带侧向耦合输出波导的微腔激光器，其中条形输出波导与谐振腔相连接处为相切或是与谐振腔交叠。

6.根据权利要求1所述的带侧向耦合输出波导的微腔激光器，其中多个谐振腔的尺寸相同或不相同。

7.一种带侧向输出波导的微腔激光器，其中包括：

一衬底；

一个或多个谐振腔，该谐振腔为圆形或正多边形；

所述多个谐振腔制作在条形输出波导的两侧。

8.根据权利要求7所述的带侧向耦合输出波导的微腔激光器，其中所述的谐振腔包括：

一下限制层；

9.根据权利要求7所述的带侧向耦合输出波导的微腔激光器，其中所述的条形输出波导为单模波导或多模波导，条形输出波导是弱耦合波导或强耦合波导。

10.根据权利要求7所述的带侧向耦合输出波导的微腔激光器，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。

11.根据权利要求7所述的带侧向耦合输出波导的微腔激光器，其中条形输出波导与谐振腔相连接处为相切或是与谐振腔交叠。

12.根据权利要求7所述的带侧向耦合输出波导的微腔激光器，其中多个谐振腔的尺寸相同或不相同。

13.根据权利要求7所述的带侧向耦合输出波导的微腔激光器，其中多个谐振腔分布于条形输出波导两侧，为对称或非对称分布，所述谐振腔沿波导方向分布。