CN102044845A - 一种光子晶体微腔激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光子晶体微腔激光器，包括一光子晶体微腔和一输出波导，所述光子晶体微腔是在SOI衬底顶层硅上完整的二维平板三角晶格空气孔型光子晶体中间去掉若干个空气孔而形成的，是边长为4个晶格常数的正六边形H4型微腔，与该光子晶体微腔相邻的三层空气孔由内至外分别为最邻近空气孔、次邻近空气孔及第三邻近空气孔，在该光子晶体微腔中注入稀土离子和非金属离子，形成有源区；所述输出波导是从所述光子晶体微腔的某个端点处开始沿光子晶体Γ-K方向去掉一排空气孔而形成的单线缺陷。这种结构具有较大的微腔体积，能够提高微腔的Q值，减少微腔的模式数量，提高微腔对有源介质发光的增强效果。

Description

一种光子晶体微腔激光器
技术领域
本发明涉及半导体发光器件技术领域，尤其涉及一种光子晶体微腔激光器。
背景技术
基于光子晶体的微腔结构，能够实现高品质因子(Q值)和高辐射增强因子，能够实现更高的能量转换效率。由于半导体加工工艺的限制，目前研究较多的是垂直方向上有限厚度的二维平板光子晶体微腔结构，常见的有正六边形Hn(微腔边长为n个光子晶体晶格常数)、Ln(n表示微腔中去掉空气孔的个数)两种。其中，H1和L3是研究较多的两类最简单的微腔，通过改变微腔附近空气孔的结构参数或者移动其位置，可以获得Q值极高的微腔。但是这两种微腔体积较小，有源介质较少，难以实现较强的光输出。
为了解决上述问题，通常的设计方案是在微腔中去掉更多的空气孔，形成体积更大、有源介质更多的微腔，例如H5腔等。但是，由于正六边形Hn(n＞2)腔的体积大，腔模数量显著增多，Q值较低，在整个谱线中会出现一系列的谐振峰，难以实现单模条件，理论上其发光增强效果不如微腔体积较小的单点缺陷腔。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光子晶体微腔激光器结构，它具有较大的微腔体积，并能够提高微腔的Q值，减少微腔的模式数量，提高微腔对有源介质发光效率的增强效果。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明提出了一种光子晶体微腔激光器，该光子晶体微腔激光器包括一光子晶体微腔和一输出波导，其中，所述光子晶体微腔是在SOI衬底顶层硅上完整的二维平板三角晶格空气孔型光子晶体中间去掉若干个空气孔而形成的，该光子晶体微腔是边长为4个晶格常数的正六边形H4型微腔，与该光子晶体微腔相邻的三层空气孔由内至外分别为最邻近空气孔、次邻近空气孔及第三邻近空气孔，这三层空气孔采用渐变结构，半径按照由内至外的顺序依次变小，并且均大于非邻近空气孔的半径，在该光子晶体微腔中注入稀土离子和非金属离子，形成有源区；所述输出波导是从所述光子晶体微腔的某个端点处开始沿光子晶体Γ-K方向去掉一排空气孔而形成的单线缺陷。
上述方案中，所述二维平板三角晶格空气孔型光子晶体为空气桥型平板光子晶体或非对称氧化物下包层型平板光子晶体。
上述方案中，所述二维平板三角晶格空气孔型光子晶体具有上、下表面，且该上、下表面均镀有反射膜。
上述方案中，所述最邻近空气孔的半径为
Figure BSA00000358450000021
次邻近空气孔的半径为
Figure BSA00000358450000022
第三邻近空气孔的半径为
Figure BSA00000358450000023
其中a为所述二维平板三角晶格空气孔型光子晶体的晶格常数，r为所述非临近空气孔的半径。
上述方案中，所述二维平板三角晶格空气孔型光子晶体的平板厚度为220nm。
上述方案中，所述非邻近空气孔半径为0.32a。
上述方案中，所述注入的稀土离子为铒、镱、镨或铽离子，非金属离子为氧、氮或碳离子。
上述方案中，所述反射膜为SiO2/TiO2或SiO2/Ta2O5是多层膜结构。
上述方案中，所述反射膜是通过溅射、蒸发或溶胶-凝胶工艺制备的。
上述方案中，所述光子晶体微腔激光器是通过光注入或者电注入泵浦的；或者所述光子晶体微腔激光器是由电子束曝光、深紫外光刻或者纳米压印制作的。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的这种光子晶体微腔激光器，与光子晶体微腔相邻的三层空气孔采用半径由内至外依次变小的渐变结构，并且均大于非邻近空气孔的半径，相邻的最邻近空气孔彼此靠近或相切，可以有效的限制载流子的侧向扩散，在微腔中形成更高浓度的电子空穴对，有效的限制谐振腔中的光子和电子，能大幅度提高光子、电子与发光材料的相互作用，提高微腔的Q值，同时，这种结构具有较大的微腔体积和较少的微腔模式数量，提高微腔对有源介质发光的增强效果。
附图说明
图1为光子晶体微腔激光器结构示意图。
图2为SOI基非对称氧化物下包层型二维平板三角晶格空气孔型光子晶体微腔激光器截面图。
图3为与光子晶体微腔相邻的三层空气孔采用半径由内至外依次变小渐变结构的光子晶体H4型微腔谐振频谱图。
图4为与光子晶体微腔相邻的空气孔未采用渐变结构的光子晶体H4型微腔谐振频谱图。
图5为与光子晶体微腔相邻的三层空气孔采用半径由内至外依次变大渐变结构的光子晶体H4型微腔谐振频谱图。
图6为与光子晶体微腔相邻的三层空气孔采用半径由内至外依次变小渐变结构的光子晶体H4型微腔在谐振波长1556.4nm处的模场分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见附图1和2，本实施例中的光子晶体微腔激光器的光子晶体微腔1，是在SOI衬底7顶层硅8上完整的二维平板三角晶格空气孔型光子晶体中间去掉若干个空气孔形成的边长为4个晶格常数的正六边形H4型微腔，在光子晶体微腔1中注入铒离子和氧离子，经高温退火后形成有源区。从光子晶体微腔1的六边形的一个端点处开始沿光子晶体Γ-K方向去掉一排空气孔形成光子晶体微腔激光器的输出波导2。二维平板三角晶格空气孔型光子晶体采用非对称氧化物下包层平板光子晶体结构，其中，平板的厚度为220nm，氧化物下包层9的厚度为2μm。
与光子晶体微腔1相邻的三层空气孔采用渐变结构，半径按照由内至外的顺序依次变小，最邻近空气孔3的半径为
Figure BSA00000358450000041
次邻近空气孔4的半径为
Figure BSA00000358450000042
第三邻近空气孔5的半径为
Figure BSA00000358450000043
其中，a代表二维平板三角晶格空气孔型光子晶体的晶格常数，a＝470nm，r代表非邻近空气孔6的半径，r＝0.32a。
利用有效折射率法结合二维时域有限差分法(2D-FDTD)模拟该光子晶体微腔激光器结构光子晶体微腔1中的谐振频谱和谐振波长处的模场分布，计算得到的谐振频谱如图3所示，可见，谐振频谱中，在1556.4nm、1480nm等波长处，存在峰值强度非常高的谐振峰(～104)，相比于未采用渐变结构的光子晶体H4型微腔的谐振频谱(图4)，以及与光子晶体微腔相邻的三层空气孔采用半径由内至外依次变大渐变结构的光子晶体H4型微腔的谐振频谱(图5)，该结构微腔的谐振峰数量显著减少，峰值强度增大。计算得到的1556.4nm谐振波长处的模场分布如图6所示，可见，光场被很好的限制在微腔之中，往四周方向很快衰减至零，部分光场沿着输出波导输出，利于实现激光的侧面出射。
由于采用与光子晶体微腔1相邻的三层空气孔半径由内至外依次变小的渐变结构，最邻近空气孔3的半径为
Figure BSA00000358450000044
相邻的两个最邻近空气孔3相切连接到一起，可以有效的限制载流子的侧向扩散，可以在微腔中形成更高浓度的电子空穴对，提高微腔对有源介质的发光效率的增强效果。同时，可以有效地提高微腔的Q值，减少微腔的模式数量。
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 (10)

1.一种光子晶体微腔激光器，其特征在于，该光子晶体微腔激光器包括一光子晶体微腔和一输出波导，其中，所述光子晶体微腔是在SOI衬底顶层硅上完整的二维平板三角晶格空气孔型光子晶体中间去掉若干个空气孔而形成的，该光子晶体微腔是边长为4个晶格常数的正六边形H4型微腔，与该光子晶体微腔相邻的三层空气孔由内至外分别为最邻近空气孔、次邻近空气孔及第三邻近空气孔，这三层空气孔采用渐变结构，半径按照由内至外的顺序依次变小，并且均大于非邻近空气孔的半径，在该光子晶体微腔中注入稀土离子和非金属离子，形成有源区；所述输出波导是从所述光子晶体微腔的某个端点处开始沿光子晶体Γ-K方向去掉一排空气孔而形成的单线缺陷。
2.根据权利要求1所述的光子晶体微腔激光器，其特征在于，所述二维平板三角晶格空气孔型光子晶体为空气桥型平板光子晶体或非对称氧化物下包层型平板光子晶体。
3.根据权利要求1所述的光子晶体微腔激光器，其特征在于，所述二维平板三角晶格空气孔型光子晶体具有上、下表面，且该上、下表面均镀有反射膜。
4.根据权利要求1、2或3所述的光子晶体微腔激光器，其特征在于，所述最邻近空气孔的半径为
Figure FSA00000358449900011
次邻近空气孔的半径为
Figure FSA00000358449900012
第三邻近空气孔的半径为
Figure FSA00000358449900013
其中a为所述二维平板三角晶格空气孔型光子晶体的晶格常数，r为所述非临近空气孔的半径。
5.根据权利要求4所述的光子晶体微腔激光器，其特征在于，所述二维平板三角晶格空气孔型光子晶体的平板厚度为220nm。
6.根据权利要求5所述的光子晶体微腔激光器，其特征在于，所述非邻近空气孔半径为0.32a。
7.根据权利要求1、2、3、5或6所述的光子晶体微腔激光器，其特征在于，所述注入的稀土离子为铒、镱、镨或铽离子，非金属离子为氧、氮或碳离子。
8.根据权利要求3所述的光子晶体微腔激光器，其特征在于，所述反射膜为SiO2/TiO2或SiO2/Ta2O5是多层膜结构。
9.根据权利要求8所述的光子晶体微腔激光器，其特征在于，所述反射膜是通过溅射、蒸发或溶胶-凝胶工艺制备的。
10.根据权利要求1、2、3、5、6、8或9所述的光子晶体微腔激光器，其特征在于，所述光子晶体微腔激光器是通过光注入或者电注入泵浦的；或者
所述光子晶体微腔激光器是由电子束曝光、深紫外光刻或者纳米压印制作的。
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