CN102013620A - 带输出波导的圆形微腔激光器 - Google Patents

Abstract

带输出波导的圆形微腔激光器，涉及一种激光器。设有衬底、谐振腔和输出波导，谐振腔和输出波导制作在衬底上，输出波导与谐振腔耦合连接，谐振腔和输出波导侧面由绝缘层和p型金属电极层包裹；谐振腔设有上下限制层、有源层，下限制层生长在衬底上，有源层生长在下限制层上，上限制层生长在有源层上。由于带有1～4个输出波导，形成4种耦合连接方式，能实现低阈值圆形微腔激光器的耦合输出，以及与其它光电子器件的芯片互连。由于侧面由绝缘层和电极层包裹，可限制谐振腔光场，克服空气限制的微腔激光器因限制侧面粗糙带来的损耗较大，及消逝波延申场占据空间较大和易受临近环境干扰等不利因素，同时实现圆形微腔激光器的端口输出。

Description

带输出波导的圆形微腔激光器

技术领域

本发明涉及一种激光器，尤其是涉及一种带输出波导的圆形微腔激光器，其中输出波导起到耦合输出激光和与其它光器件耦合连接的双重作用。

背景技术

基于光学微腔制作的半导体微腔激光器，由于具有小尺寸、低能耗以及不需要解理等特点，因此是光子集成回路非常重要组件。尤其是波导耦合型光学微腔激光器，它激射出来的光可直接通过波导互连，驱动其它光学器件。而圆形微腔，由于其限制模式的高品质因子和低的模式体积，非常适于低阈值和小尺寸微腔激光器的制作，如文献“M.Fujita，K.Inoshita andT.Baba，Electro.Lett.34，278(1998).”报道的室温连续电注入激射的圆形微腔激光器，阈值只有150微安。但为了实现微腔激光器的应用，特别是与其它器件的集成，波导耦合型微腔激光器的制作就变得尤其重要，文献“S.J.Choi，K.Djordjev，S.J.Choi，and P.D.Dapkus，IEEEPhotonics Technol.Lett.15，1330(2003)”和“J.V.Campenhout，P.R.Romeo，P.Regreny，C.Seassal，D.V.Thourhout，S.Verstuyft，L.D.Cioccio，J.M.Fedeli，C.Lagahe and R.Baets，Opt.Express.15，6744(2007)”通过微盘与波导的垂直耦合，实现微腔激光器的波导耦合输出。最近，文献“F.Ou，X.Y.Li，B.Y.Liu，Y.Y.Huang，and S.T.Ho，Opt.Lett.35，1722(2010)”和“S.J.Wang，J.D.Lin，Y.Z.Huang，Y.D.Yang，K.J Che，J.L.Xiao，Y.Du，and Z.C.Fan，IEEEPhotonics Technol.Lett.In press(2010)”通过在平面内微腔与波导的耦合，也实现了圆形微腔激光器的耦合输出。以上激光器侧面通常都是通过空气来加以限制，这样存在一些缺陷，如由腐蚀引起的侧面粗糙，会导致光场散射损耗大，不利于谐振腔对光场的限制，波导消逝场占据空气大，不利于高密度光电器件的集成，以及容易受临近环境的干扰，因此有人提出通过金属和绝缘层来对微腔激光器加以限制，如文献“Y.Z.Huang，Y.H Hu，Q.Chen，S.J.Wang，Y.Du，Z.C.Fan，IEEE Photonics Technol.Lett.19，963(2007)”报道的三角形微腔激光器，“M.T.Hill，Y.-S.Oei，B.Smalbrugge，Y.Zhu，T.de Vries，P.J.van Veldhoven，F.W M.van Otten，T.J.Eijkemans，J.P.Turkiewicz，H.de Waardt，E J.Geluk，S.H.Kwon，Y.-H.Lee，R.

and M.K.Smit，Nat.Photonics 1，589(2007)”报道的纳米激光器，实验上均得到比较好的结果。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种带输出波导的圆形微腔激光器。

本发明设有衬底、谐振腔和输出波导，所述谐振腔和输出波导制作在衬底上，输出波导与谐振腔耦合连接，谐振腔和输出波导侧面由绝缘层和p型金属电极层包裹；所述谐振腔设有下限制层、有源层和上限制层，所述下限制层生长在衬底上，所述有源层生长在下限制层上，所述上限制层生长在有源层上。

所述衬底可采用矩形衬底。所述谐振腔可为圆形谐振腔。所述输出波导可为条形输出波导。

所述带输出波导的圆形微腔激光器可设1个输出波导，所述1个输出波导与谐振腔沿径向耦合连接；

所述带输出波导的圆形微腔激光器可设2个输出波导，所述2个输出波导成180°夹角与谐振腔沿径向耦合连接；

所述带输出波导的圆形微腔激光器可设3个输出波导，所述3个输出波导成120°夹角与谐振腔沿径向耦合连接；

所述带输出波导的圆形微腔激光器可设4个输出波导，所述4个输出波导成90°夹角与谐振腔沿径向耦合连接。

所述谐振腔和输出波导之和的面积可小于衬底的面积。

所述有源层的形状与下限制层的形状可相同。

所述上限制层的形状与有源层的形状可相同。

所述有源层的材料折射率大于或小于上限制层和下限制层的材料折射率。

所述输出波导的宽度可小于谐振腔直径的1/3。

所述输出波导的纵向结构与谐振腔的纵向结构的材料可相同或不相同。

所述谐振腔的直径可小于1000μm。

所述绝缘层可采用SiO₂层或Si₃N₄层等，所述电极层可采用Al层、Au层或Ti-Au层等。

由于本发明带有1～4个输出波导，相应形成谐振腔与输出波导具有4种耦合连接方式，因此能实现低阈值圆形微腔激光器的耦合输出，以及与其它光电子器件的芯片互连。由于在谐振腔与输出波导侧面均由绝缘层和p型金属电极层包裹，所述绝缘层和电极层起到对谐振腔光场限制的作用，因此可克服空气限制的微腔激光器因限制侧面粗糙带来的损耗较大，及消逝波延申场占据空间较大和易受临近环境干扰等不利因素，同时实现圆形微腔激光器的端口输出。

附图说明

图1为本发明实施例1(带1个输出波导)的圆形微腔激光器二维平面结构示意图。

图2为本发明实施例2(带2个输出波导)的圆形微腔激光器二维平面结构示意图。

图3为本发明实施例3(带3个输出波导)的圆形微腔激光器二维平面结构示意图。

图4为本发明实施例4(带4个输出波导)的圆形微腔激光器二维平面结构示意图。

图5为圆形微腔激光器三维截面示意图。

图6为采用二维时阈有限差分方法(finite-difference time-domain，FDTD)进行数值计算得到的一端口微腔激光器横磁模在1.50～1.58μm波长区间的模式谐振谱。在图6中，横坐标为波长(μm)，纵坐标为强度；其中激光器半径为3μm、侧面由0.2μm金和0.22μm绝缘介质SiO₂限制，金和SiO₂材料的折射率分别为0.18+10.2i和1.45，半导体介质有效折射率32，波导宽度为0.8μm。

图7为带输出波导的圆形微腔激光器在谐振波长1.558μm处高品质因子模式的品质因子随输出波导宽度变化图。在图7中，横坐标为输出波导宽度(μm)，纵坐标为品质因子；■为1-port，●为2-port，▲3-port，

其中谐振腔半径3μm，侧面由0.2μm金和0.22μm绝缘介质SiO₂限制，金和SiO₂材料的折射率分别为0.18+10.2i和1.45，半导体介质有效折射率3.2。

图8为带输出波导的圆形微腔激光器在谐振波长1.569μm处高品质因子模式的品质因子随输出波导宽度变化图。在图7中，横坐标为输出波导宽度(μm)，纵坐标为品质因子；■为1-port，●为2-port，▲3-port，

其中谐振腔半径3μm，侧面由0.2μm金和SiO₂材料的折射率分别为0.18+10.2i和1.45，和0.22μm绝缘介质SiO₂限制，半导体介质有效折射率3.2。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的目的和优点，以下结合实施例与附图详细描述本发明内容。

参见图1～4，本发明为带输出波导的圆形微腔激光器，分别包括带1个输出波导的圆形微腔激光器、带2个输出波导的圆形微腔激光器、带3个输出波导的圆形微腔激光器和带4个输出波导的圆形微腔激光器。激光器的组成部分包括衬底40、谐振腔1和输出波导10。

衬底40为矩形衬底，谐振腔1为圆形谐振腔，谐振腔1通过干法刻蚀或湿法腐蚀制作在衬底40上。

对于带1个输出波导的圆形微腔激光器，输出波导10与谐振腔1沿径向连接；对于带2个输出波导的圆形微腔激光器，2个输出波导10成180°夹角与谐振腔2沿径向连接；对于带3个输出波导的圆形微腔激光器，3个输出波导10成120°夹角与谐振腔3沿径向连接，对于带4个输出波导的圆形微腔激光器，4个输出波导10成90°夹角与谐振腔4沿径向连接。其中谐振腔1和输出波导10的面积之和小于衬底面积，且侧面由绝缘层20和p型金属电极层30包裹。

图5给出圆形微腔激光器三维截面示意图，在图5中，各标记为p型金属电极层30，上限制层14，有源层13，下限制层12，绝缘层20，衬底40，n型电极层31构成；其中上限制层14、有源层13和下限制层12形状相同，由上到下连接，直至衬底40。谐振腔和输出波导的侧面由绝缘层20和p型金属电极层(即p型电注入层)30包裹或限制。谐振腔在垂直于衬底40方向上为圆柱形结构，其横截面为圆形结构，圆形结构直径小于1000μm。其材料可以是三五族、二六族、四六族化合物半导体材料，也可以是有机发光材料和激光晶体材料。谐振腔有源层结构可以是半导体量子阱，量子线，量子点，量子级连结构。

在具体制作工艺中，谐振腔1和输出波导10可以通过干法刻蚀或化学湿法腐蚀方法将外延层腐蚀至衬底40，而未腐蚀区域为圆柱形谐振腔1和输出波导10区域。侧面绝缘层20可以通过金属有机化学气相沉积方法沉积，p型金属电极层30可以通过金属溅射至谐振腔1和输出波导10的侧面以及上限制层14上面。n型电极层31亦可通过金属溅射至衬底40的背面。

本发明的带输出波导的圆形微腔激光器可以通过电注入方式实现激射。

图6是采用二维时阈有限差分方法(finite-difference time-domain，FDTD)进行数值计算得到的一端口微腔激光器横磁模在波长区间1.50～1.58μm的模式谐振谱，其中激光器半径为3μm、侧面由0.2μm金和0.22μm绝缘介质SiO₂限制，半导体介质有效折射率3.2，金和SiO₂材料的折射率分别为0.18+10.2i和1.45，波导宽度为0.8μm。其中高品质因子模式为回音壁模式的耦合模和高阶回音壁模式。如TM(22，4)和TM(19，5)的耦合模，它的品质因子为1.4×10⁴，高阶回音壁模TM(1，13)和TM(2，12)，它们的品质因子分别为0.9×10⁴和1.0×10⁴。

图7是上述的TM(22，4)和TM(19，5)的耦合模的模式品质因子随输出波导宽度变化图，其中包括4种耦合方式：带1个输出波导的圆形微腔激光器、带2个输出波导的圆形微腔激光器、带3个输出波导的圆形微腔激光器和带4个输出波导的圆形微腔激光器。在带2个输出波导和4个输出波导的微腔激光器中，当输出波导10宽度增大至0.3μm时，模式品质因子迅速降低至1000附近，而在带1个输出波导和3个输出波导的微腔激光器中，当输出波导10宽度增加至0.7μm时，模式品质因子仍然保持在10000附近。可见输出波导10对耦合模存在选择性。

图8是给出上述的高阶横模TM(2，12)模式品质在带输出波导的圆形微腔激光器中模式品质因子随输出波导10宽度的变化图。其中包括4种耦合方式：带1个输出波导的圆形微腔激光器、带2个输出波导的圆形微腔激光器、带3个输出波导的圆形微腔激光器和带4个输出波导的圆形微腔激光器。当输出波导10宽度增加至0.3um附近时，带3个输出波导的圆形微腔激光器中未能观察到高阶横模，而在其它3种带输出波导的圆形微腔激光器中，输出波导10宽度为0.7um时，模式仍然能保持10000的品质因子。可见输出波导10对高阶横模也存在选择性。

以上所述的附图说明和实施例，对本发明的目的和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述附图说明，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 (10)

1.带输出波导的圆形微腔激光器，其特征在于设有衬底、谐振腔和输出波导，所述谐振腔和输出波导制作在衬底上，输出波导与谐振腔耦合连接，谐振腔和输出波导侧面由绝缘层和p型金属电极层包裹；所述谐振腔设有下限制层、有源层和上限制层，所述下限制层生长在衬底上，所述有源层生长在下限制层上，所述上限制层生长在有源层上。

2.如权利要求1所述的带输出波导的圆形微腔激光器，其特征在于所述衬底为矩形衬底。

3.如权利要求1所述的带输出波导的圆形微腔激光器，其特征在于所述谐振腔为圆形谐振腔；所述输出波导为条形输出波导。

4.如权利要求1所述的带输出波导的圆形微腔激光器，其特征在于所述带输出波导的圆形微腔激光器设1个输出波导，所述1个输出波导与谐振腔沿径向耦合连接；或

所述带输出波导的圆形微腔激光器设2个输出波导，所述2个输出波导成180°夹角与谐振腔沿径向耦合连接；或

所述带输出波导的圆形微腔激光器设3个输出波导，所述3个输出波导成120°夹角与谐振腔沿径向耦合连接；或

所述带输出波导的圆形微腔激光器设4个输出波导，所述4个输出波导成90°夹角与谐振腔沿径向耦合连接。

5.如权利要求1所述的带输出波导的圆形微腔激光器，其特征在于所述谐振腔和输出波导之和的面积小于衬底的面积。

6.如权利要求1所述的带输出波导的圆形微腔激光器，其特征在于所述有源层的形状与下限制层的形状相同。

7.如权利要求1所述的带输出波导的圆形微腔激光器，其特征在于所述上限制层的形状与有源层的形状相同。

8.如权利要求1所述的带输出波导的圆形微腔激光器，其特征在于所述有源层的材料折射率大于或小于上限制层和下限制层的材料折射率。

9.如权利要求1所述的带输出波导的圆形微腔激光器，其特征在于所述输出波导的宽度小于谐振腔直径的1/3。

10.如权利要求1所述的带输出波导的圆形微腔激光器，其特征在于所述谐振腔的直径小于1000μm。

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