CN102201647A

CN102201647A - 一种扇形谐振腔结构的半导体微环激光器

Info

Publication number: CN102201647A
Application number: CN 201110093807
Authority: CN
Inventors: 王卓然; 袁国慧; 徐常明; 任雷
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-04-14
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2031-04-14
Also published as: CN102201647B

Abstract

本发明涉及一种扇形谐振腔结构的半导体微环激光器，包括激光输入输出波导，与激光输入输出波导耦合连接的环形谐振腔，所述环形谐振腔呈扇形结构，所述环形腔包括：两个反射镜面，所述两个反射镜面中尺寸较大的镜面的形状呈抛物面，尺寸较小的镜面的形状呈抛物面或平面；两段直波导，所述两段直波导间成一定的角度，直波导两端分别与两反射镜面的两端相连接，构成扇形结构的环形谐振腔。本发明的有益效果：本发明提供的扇形谐振腔结构的半导体微环激光器，能够有效的缩小器件尺寸，同时可以显著地减小腔内损耗。

Description

一种扇形谐振腔结构的半导体微环激光器

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种单片集成全光网络中用于全光逻辑、全光存储与全光信号处理的半导体微环激光器。

背景技术

随着现代社会对超高容量信息存储、超快速率信息处理的需求越来越高，包括光信号的产生、检测、调制、开关、滤波和复用等功能的全光子系统的微型化与集成化成为必然趋势，以达到高速率、高密度、低功耗、低成本等要求。在同一衬底上集成不同功能的通用性微型光子器件是一种简单灵活的单片集成全光互联网络的实现方式。近几年的研究结果表明，集成半导体微环激光器(Semiconductor Micro-Ring Laser，SMRL)可以实现光信号的产生、调制、再生以及路由等多种功能，可作为片上网络中的通用性光子功能器件。

目前，现有的半导体微环激光器根据谐振腔形状的不同，可分为：圆形腔、跑道形腔、多边形腔(三角形腔、矩形腔等)等。由目前的文献可知，随着器件尺寸的减小，圆形腔半导体微环激光器的形成需要很强的光学限制，将引入较大的切向光辐射损耗(即弯曲损耗)，且随着圆形谐振腔尺寸的减小，弯曲损耗会增大，不利于器件的微型化设计，同时，由于圆形腔半导体微环激光器采用波导与圆形谐振腔相切的耦合输入输出方式，耦合距离短，耦合比很低，影响器件的输入输出功率；跑道形腔是采用两段平行直波导与两个对称的曲面反射镜相连接构成，两段平行直波导与腔外并行的波导形成耦合长度较长的平面方向耦合器，可达到足够的输入输出比，该类型器件由于腔内较长的平行直波导的存在使环形腔的尺寸难以进一步降低；多边形腔是由多个全反射平面镜和波导相连接构成，腔内某一直波导出射的光束经全反射平面镜反射后耦合进入另一腔内波导，镜面的位置及质量会对光损耗造成极大的影响，从而只有能够提供足够的有源区长度和光增益的大尺寸器件才能有效减小此影响，因此器件尺寸也很难缩小。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的半导体微环激光器的谐振腔形状所存在的不足，尤其是不能有效缩小半导体微环激光器谐振腔的尺寸的不足，提出了一种扇形谐振腔结构的半导体微环激光器。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种扇形谐振腔结构的半导体微环激光器，包括激光输入输出波导，与激光输入输出波导耦合连接的环形谐振腔，其特征在于，所述环形谐振腔呈扇形结构，所述环形腔包括：

两个反射镜面，所述两个反射镜面中尺寸较大的镜面的形状呈抛物面，尺寸较小的镜面的形状呈抛物面或平面；

两段直波导，所述两段直波导间成一定的角度，直波导两端分别与两反射镜面的两端相连接，构成扇形结构的环形谐振腔。

上述直波导为有源脊型波导，该波导内介质为有源增益介质。

上述激光输入输出波导既可以是有源脊型波导，也可以是无源脊型波导。

上述激光输入输出波导与扇形谐振腔间的耦合连接方式是激光输入输出波导位于尺寸较小的反射镜面一端用以通过尺寸较小的反射镜面的折射而输入输出激光。

上述激光输入输出波导与扇形谐振腔间的耦合连接方式是激光输入输出波导位于直波导的两侧并与直波导平行放置用以通过消逝波耦合方式而输入输出激光。

本发明的有益效果：本发明提供的扇形谐振腔结构的半导体微环激光器，能够有效的缩小器件尺寸，同时可以显著地减小腔内损耗。该激光器谐振腔利用了抛物面反射镜的特点，通过拉远腔内直波导端面与镜面的距离，使得光波在腔内直波导与镜面之间的空间内的水平方向上没有任何限制，光波离开腔内直波导后，由于水平方向上没有折射率差的限制将会扩束，传输到抛物面反射镜面上经多点反射后，再行聚焦而耦合进入另一腔内直波导内。该方法通过腔内光束的扩展与聚焦，使腔内光强对镜面位置与刻蚀质量不敏感，将有效的减少由于制作上的误差和表面复合、散射等效应引起的腔内光损耗，避免了圆形腔由曲线微环波导带来的切向光损耗，同时克服了圆形腔因波导弯曲损耗而极难显著降低器件尺寸的问题。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是本发明实施例二的结构示意图。

图3是本发明环形腔中尺寸较小的反射镜面的一种方式的截面示意图。

图4是本发明环形腔中尺寸较小的反射镜面的另一种方式的截面示意图。

附图标记说明：激光输入输出波导1、环形谐振腔2、尺寸较大的镜面21、尺寸较小的镜面22、直波导23、24、激光3。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1：如图1所示，一种扇形谐振腔结构的半导体微环激光器，包括激光输入输出波导1，以及与激光输入输出波导1耦合连接的环形谐振腔2，所述环形谐振腔2呈扇形结构，是由不同尺寸的反射镜和直波导23、24相连接而构成，包括：

两个反射镜面，其中反射镜面中尺寸较大的镜面21的形状呈抛物面，尺寸较小的镜面的形状呈平面作为部分反射镜面22；以及

两段直波导23、24，两段直波导23、24间成一定的角度，直波导23、24两端分别与两反射镜面相连接，构成扇形结构的环形谐振腔2。

上述实施例的半导体微环激光器主要的改进和创新之处在于环形谐振腔2的结构，对于位于环形谐振腔2外围的绝缘层和电极层(图中未示出)等公知部件并未展开描述，但是本领域的技术人员应该意识到这些公知部件的存在。

由腔内直波导23、24和尺寸较大的镜面21、尺寸较小的镜面22组成的环形谐振腔2在外电流的注入下产生自发辐射光，所述自发辐射光可以沿顺时针与逆时针两个方向传播当注入电流达到阈值以上时激光器可以在顺时针和逆时针两个方向上激射产生激光3。下面以顺时针方向为例进一步详细说明激射产生激光的过程，由直波导23右端面方向传播的自发辐射光在离开直波导23右端面后，由于没有了直波导23对自发辐射光的光模式的的限制作用，光束会发散，经一定的空间距离后，到达尺寸较大的镜面21时，反射后的发散光束经抛物面镜反射聚焦后，经过一定的距离，再次到达尺寸较大的镜面21的另一个反射点，再行聚焦后，经一定的空间距离，耦合进入另一端的直波导24中。由直波导24的左端面出射，经一定的空间距离后，到达尺寸较小的镜面22，其中一部分自发辐射光经尺寸较小的镜面22反射后，耦合再次进入直波导23中，而另一部分自发辐射光经尺寸较小的镜面22折射后，耦合进入激光输入输出波导1中而输出，如此循环并反复振荡加强，谐振腔中便形成了顺时针方向的激射即激光3；同样的逆时针方向，直波导24中向直波导左端面方向传播的自发辐射光，经尺寸较小的镜面22后，一部分自发辐射光经尺寸较小的镜面22折射而输出，而另一部分自发辐射光经尺寸较小的镜面22反射后，耦合进入直波导23中，由直波导23的右端面出射，经尺寸较大的镜面21的两次反射后，耦合进入直波导24中，由直波导24的左端面出射后，再次达到尺寸较小的镜面22，如此循环并反复振荡加强则形成逆时针方向的激射即激光3。当注入电流达到阈值以上某处，在非线性增益模式竞争下，某一方向的激射占优，最终产生一个稳定的单方向单纵模工作模式，并不断地通过尺寸较小的镜面22的折射而经激光输入输出波导1输出，半导体微环激光器谐振腔中便形成了光学双稳态(顺时针和逆时针)。此外，当半导体微环激光器谐振腔中形成光学双稳态时，通过激光输入输出波导1向谐振腔中注入一个特定波长的适当功率的光信号，可使谐振腔中的光学双稳态方向发生翻转(即方向改变)，以实现逻辑操作，此时该半导体微环激光器便可用作全光逻辑器件。

实施例2：如图2所示是本发明提供的扇形谐振腔半导体微环激光器，实施例2与实施例1的扇形谐振腔构成相同，相区别的是：实施例2中扇形谐振腔与激光输入输出波导1间的耦合连接方式与实施例1不同，实施例2中激光输入输出波导1位于直波导23、24的两侧并与直波导平行放置用以通过消逝波耦合方式而输入输出激光，此时，激光输入输出波导与直波导间的波导间距为亚微米量级，此时两反射镜面均为全反射镜面。而实施例1中激光输入输出波导1位于直波导23、24与尺寸较小的镜面22连接的一端用以通过尺寸较小的反射镜面的折射而输入输出激光，尺寸较小的镜面22为部分反射镜面，且在实施例2中，两个反射镜面无论是尺寸较大的镜面21还是尺寸较小的镜面22均为呈抛物面的全反射镜面。

实施例2中激光的产生过程与实施例1相同，腔内直波导23、24和尺寸较大的镜面21、尺寸较小的镜面22构成的环形谐振腔2在外电流的注入下产生激光3，产生的激光3会同时向两个方向传播，沿两方向传播的激光各自在谐振腔中循环，当注入电流达到阈值以上某处，在非线性增益模式竞争下，最终可产生一个稳定的单方向单纵模工作模式，形成顺时针和逆时针方向的光学双稳态，。直波导23、24与激光输入输出波导1间通过消逝波耦合方式，将腔内激光3通过激光输入输出波导1输出。此外，当实施例2用作全光逻辑器件时，通过激光输入输出波导1向谐振腔中注入一个特定波长的适当功率的光信号3，来使谐振腔中光学双稳态的方向发生翻转，以实现逻辑操作。

上述实施例中，两反射镜面均是采用微细加工的方法在III-V族半导体有源材料上经刻蚀所获得的。反射镜面与直波导的端面间有一定的空间距离，这样光束从直波导内出射后，光波在直波导与镜面之间的空间水平方向没有限制，光束在发散后，经全反射曲面镜多点反射后可再行聚焦，而耦合进入另一段直波导内。通过腔内光束的扩束与聚焦，使腔内光强对镜面位置与刻蚀质量不敏感，从而可以显著的降低腔内损耗。

上述实施例中，直波导23、24为有源脊型波导，也是采用微细加工的方法，在相同的III-V族半导体有源材料上经刻蚀所获得的。在外电流的注入下，通过自发辐射和扇形谐振腔的选模作用，谐振腔内可产生双向(顺时针和逆时针)多纵模的激光，随着注入电流的逐步则增大，经环形谐振腔的不断加强，在非线性增益模式竞争下产生一个稳定的单纵模单方向的工作模式。在实际应用中，可根据不同的需要选择增益材料产生不同波长的激光，并可通过调节注入电流的大小来改变输出激光的大小。

上述实施例中，激光输入输出波导1可以是有源脊型波导，也可以是无源脊型波导(无电极)，同样也是在相同的III-V族半导体有源材料衬底上通过刻蚀所获得的。激光输入输出波导与扇形谐振腔间有两种耦合方式：一种是采用将激光输入输出波导放置在尺寸较小的反射镜面之后，此时尺寸较小的反射镜面为部分反射镜面，通过镜面的折射而输入输出激光；或者采用将激光输入输出波导与构成谐振腔的直波导平行放置，通过消逝波耦合方式而输入输出激光，此时两反射镜面均为全反射镜面。

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，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例，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

1.一种扇形谐振腔结构的半导体微环激光器，包括激光输入输出波导，与激光输入输出波导耦合连接的环形谐振腔，其特征在于，所述环形谐振腔呈扇形结构，所述环形腔包括：

2.根据权利要求1所述的一种扇形谐振腔结构的半导体微环激光器，其特征在于，所述直波导为有源脊型波导。

3.根据权利要求1所述的一种扇形谐振腔结构的半导体微环激光器，其特征在于，所述述激光输入输出波导既可以是有源脊型波导，也可以是无源脊型波导。

4.根据权利要求1所述的一种扇形谐振腔结构的半导体微环激光器，其特征在于，所述激光输入输出波导与扇形谐振腔间的耦合连接方式是激光输入输出波导位于尺寸较小的反射镜面一端用以通过尺寸较小的反射镜面的折射而输入输出激光。

5.根据权利要求1所述的一种扇形谐振腔结构的半导体微环激光器，其特征在于，所述激光输入输出波导与扇形谐振腔间的耦合连接方式是激光输入输出波导位于直波导的两侧并与直波导平行放置用以通过消逝波耦合方式而输入输出激光。