CN104993374B - 一种单模激射圆环微腔激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单模激射圆环微腔激光器，其包括：圆环形微腔谐振腔，所述圆环形微腔谐振腔的内壁上分布光栅结构。所述光栅结构的光栅周期数目等于所述单模激射圆环微腔激光器的单模激射模的角向量子数。所述圆环形微腔谐振腔包括上限制层、有源区和下限制层。所述光栅结构垂直分布于所述圆环微腔谐振腔内壁。本发明提供的这种圆环形半导体微腔激光器，通过分布在圆环内壁上的光栅结构对光进行衍射，可以控制不同模式光场的向外辐射，抑制其他所有非激射模式的品质因子，因此能够使圆环微腔激光器实现稳定的单一模式激射。

Description

一种单模激射圆环微腔激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器领域，尤其涉及一种可实现选择性单模激射的圆环形微腔激光器，更具体地，本发明涉及具有内壁光栅的圆环形微腔激光器，其中分布在圆环内壁的光栅结构可以有选择性的抑制圆环微腔模式的品质因子，使得只有角向量子数数目和光栅结构的周期数目相等的模式才能够保持足够高的品质因子，使得这种圆环形微腔激光器件能够有选择性的实现单一模式的激射。
背景技术
随着信息技术的迅速发展，微电子工艺线宽逐渐接近物理极限，光电子集成成为了信息技术发展的主要目标之一，光信息处理、光通讯技术的飞速发展使得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。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(Whispering-Gallery，WG)模式。这种支持高品质因子回音壁模式的光学谐振腔非常适合于制备极低阈值、高密度集成的微腔激光器以及阵列，在光互联和光神经网络等方面具有广阔的应用前景，可用于大规模光子器件集成电路，并可以和光纤通信网络和大规模、超大规模集成电路匹配组成光电子信息网络。由于激光模式的自由谱范围较窄，而材料的增益谱较宽，因此在增益谱范围内可以同时支持多个回音壁模式的存在，导致多个模式同时激射。由于材料增益有限，多模激射会引起模式间的竞争，因而对输出光束质量和时间稳定性都会产生不利的影响。因此能够实现特定单一模式激射是微腔激光器具有实际应用价值的必备条件。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种圆环形微腔激光器，其内壁上分布有角向光栅结构可以实现对激射模式的有效选择，从而实现单一模式激射的微腔激光器。
为达到上述目的，本发明提供了一种单模激射圆环微腔激光器，其特征在于，包括：圆环形微腔谐振腔，所述圆环形微腔谐振腔的内壁上分布光栅结构。
其中，所述光栅结构的光栅周期数目等于所述单模激射圆环微腔激光器的单模激射模的角向量子数。
其中，所述圆环形微腔谐振腔包括上限制层、有源区和下限制层。
其中，所述光栅结构垂直分布于所述圆环微腔谐振腔内壁。
其中，所述圆环形微腔谐振腔与所述光栅结构具有相同的结构和材料。
其中，所述光栅结构的每个光栅周期中凸起和凹槽所占的宽度比值在0.1-1之间。
其中，所述圆环形微腔谐振腔通过光泵浦方式或者电注入方式作为激励源来实现激射。
其中，所述圆环形微腔谐振腔和光栅结构的材料包括IV族半导体材料、IV族半导体材料的化合物、III-V族化合物、II-VI族化合物或有机半导体材料；所述圆环形微环谐振腔的有源区的结构包括半导体体材料结构、量子阱、量子线、量子点或量子级联结构。
其中，对于选定的圆环形微腔谐振腔的半径和环宽，所述光栅结构的刻蚀深度为使得单模激射模的品质因子最优时的刻蚀深度。
其中，对于选定的圆环形微腔谐振腔的半径和光栅结构的刻蚀深度，所述圆环形微腔谐振腔的环宽为使得单模激射模的品质因子最优时的环宽。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明提供的这种圆环形半导体微腔激光器，通过分布在圆环内壁上的光栅结构对光进行衍射，可以控制不同模式光场的向外辐射，抑制其他所有非激射模式的品质因子，因此能够使圆环微腔激光器实现稳定的单一模式激射。
2、本发明通过巧妙选择分布于圆环内壁上的光栅结构的周期数目，可以实现对激射模式的有效选择。
附图说明
为了更好的说明本发明的目的以及结构和所能达到的功效，以下结合实施例及附图来做进一步的说明，其中：
图1是本发明中内壁分布有光栅结构的圆环形谐振腔结构的平面示意图；
图2是本发明中内壁分布有光栅结构的圆环形谐振腔结构的立体示意图；
图3是本发明中利用2维有限元方法(finite elementmethod，FEM)进行数值计算得到的圆环形微腔中不同横电模式TE模的品质因子随模式的角量子数的变化曲线图；
图4是本发明中利用二维FEM方法进行数值计算得到的圆环形微腔中不同TE模的品质因子随圆环环宽的变化曲线图；
图5是是利用二维FEM方法进行数值计算得到的圆环形微腔中不同TE模的品质因子随光栅深度的变化曲线图。
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，并参阅图1-图5所示，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的一种内壁分布有光栅结构的圆环形半导体微腔激光器，通过选择不同的内壁光栅周期数目来选择和控制圆环微腔的激射模式。不同周期数目的光栅对圆环内不同模式的光场衍射效果不同，通过改变光栅周期数目，可以有选择性的使得只有一个腔模保持足够高的品质模式，而其他模式，由于光栅结构增加了它们光场向腔外的辐射导致光更多的泄露到腔外，使得它们的品质因子被抑制到很低，这样唯一具有高品质因子的模式就可以实现单模激射。通过选择合适的圆环宽度和光栅深度，可以优化被选激射模式的品质因子，实现更稳定的单一模式激射。
参阅图1、图2所示，本发明提供了一种具有单模激射模的圆环微腔激光器，其包括：圆环形微腔谐振腔，所述圆环微腔谐振腔的内壁上分布有光栅结构；其中，所述光栅结构的光栅周期数目等于所述单模激射模的角向量子数目。且所述光栅结构分布于所述圆环微腔谐振腔的内壁上。
所述圆环形微腔谐振腔和所述光栅结构通过平板波导刻蚀而成，所述平板波导包括上限制层、有源区和下限制层；在所述平板波导上刻蚀形成所述圆环形微腔谐振腔和所述光栅结构时，所述圆环形微腔谐振腔和所述光栅结构的外部区域被刻蚀到下限制层或衬底。
具体地，如图1所示，在一衬底1上一部分为圆环形微腔谐振腔21，另一部分为分布在谐振腔内壁上的光栅22；
该谐振腔21制作在衬底1上；
该光栅结构22制作在衬底1上并与谐振腔21的内壁相连接；
其中谐振腔21在垂直于衬底1的方向上为环形柱结构，该谐振腔21包括：一下限制层211，该下限制层211与衬底1连接；一有源层212，该有源层212制备在下限制层211上，其形状与下限制层211相同(如图2所示)。
其中光栅结构22位于谐振腔21的内壁上且与谐振腔相连，该光栅结构22与谐振腔21具有相同的结构和材料。
所述谐振腔21通过由下限制层211、有源区212和上限制层213构成的平板波导结构制作而成，各层的厚度没有限制，在实际工艺中可以根据需要调节；所述光栅结构通过刻蚀所述谐振腔21的内壁制作而成。谐振腔21和光栅结构22的四周为低折射率材料(包括空气)。谐振腔21在垂直于衬底1的方向上为环形柱结构，谐振腔21的半径为激射波长的几倍到上千倍。其材料可以是公知的各种IV组半导体材料、IV组半导体材料的化合物、III-V族化合物或II-VI族化合物等半导体材料，也可以是有机半导体材料或其他固体激光器的工作物质。谐振腔有源区212可以是半导体体材料、量子阱、量子线、量子点或者量子级联等各种结构。在实施例中的衬底1、下限制层211和上限制层213不一定是必须的，只要能够使得圆环形谐振腔21实现增益可以克服损耗即可。
在具体制备工艺上，谐振腔21可以通过干法刻蚀或者湿法化学腐蚀等方法将外延片腐蚀到下限制层或者衬底，而未腐蚀区域为谐振腔21和光栅结构22。在谐振腔21的内壁上有光栅结构22相连接，光栅结构22可以和谐振腔21同时制作出来，他们具有相同的材料和结构，如图2所示。光栅结构22的光栅周期数目根据所要选取的单模激射模来选择，数目等于单模激射模的角向量子数。光栅结构22的每个光栅周期中凸起和凹槽所占的宽度比值可以选择0.1-1之间。
本发明中的激光器谐振腔21可以通过光泵浦方式或者电注入方式(可以在衬底1下面和上限制层213上面制作电极)作为激励源来实现激射。
图3是利用2维有限元方法(finite element method，FEM)进行数值计算得到的圆环微腔中不同横电模式TE模的品质因子随模式的角量子数的变化曲线，圆环形谐振腔的外半径为2.4μm，圆环宽度为0.8μm，内壁光栅的刻蚀深度为0.3μm，光栅周期数目为25，圆环谐振腔的折射率为3.2，腔外折射率为1。具体地，光栅周期数目与所选择的激射模式的角量子数需要相同，圆环形谐振腔的外半径根据工艺进行选择并固定，之后通过改变环宽和光栅深度，使得所选择模式的品质因子达到最大。如图3所示，模式角量子数和圆环内壁的光栅周期数目不相同的模式仍保持着双重简并性，两个角向量子数相同的简并模的品质因子相当且都被抑制到极低的值。原本双重简并的TE25，1模式，由于内壁光栅的存在分裂为两个品质因子不同的非简并模。其中一个TE25，1模式的品质因子远远高于其他各个模式的品质因子。因此可以实现这个TE25，1模式的单模激射。
图4是利用二维FEM方法进行数值计算得到的圆环微腔中不同模式的品质因子随光栅深度的变化曲线，圆环形谐振腔的外半径为2.4μm，圆环宽度为0.8μm，光栅周期数目为25，圆环谐振腔的折射率为3.2，腔外折射率为1。如图4所示，圆环内壁的光栅深度在20nm和800nm之间变化时，作为激射模式的TE25，1模式的品质因子始终保持远远高于其他各个模式的品质因子。因此光栅深度在一定的变化范围内，这种结构的圆环微腔可以实现非常稳定的单模激射。
图5是利用二维FEM方法进行数值计算得到的圆环微腔中不同模式的品质因子随圆环宽度的变化曲线，圆环形谐振腔的外半径为2.4μm，内壁光栅的刻蚀深度为0.3μm。如图5所示，圆环宽度在400nm到1120nm之间变化时，作为激射模式的TE25，1模式的品质因子始终保持远远高于其他各个模式的品质因子。而当圆环微腔的环宽继续增加时，光栅对模式的控制作用开始减弱，被抑制的其他各阶模式的品质因子开始逐渐增大。因此圆环的环宽只要保持在一定的变化范围内，这种结构的圆环微腔就可以实现非常稳定的单模激射。
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 (7)

1.一种单模激射圆环微腔激光器，其特征在于，包括：
圆环形微腔谐振腔，所述圆环形微腔谐振腔的内壁上分布光栅结构；
其中，所述光栅结构的光栅周期数目等于所述单模激射圆环微腔激光器的单模激射模的角向量子数。
2.根据权利要求1所述的一种单模激射圆环微腔激光器，其中，所述圆环形微腔谐振腔包括上限制层、有源区和下限制层。
3.根据权利要求2所述的一种单模激射圆环微腔激光器，其中，所述圆环形微腔谐振腔和光栅结构的材料包括IV族半导体材料、IV族半导体材料的化合物、III-V族化合物、II-VI族化合物或有机半导体材料；所述圆环形微环谐振腔的有源区的结构包括半导体体材料结构、量子阱、量子线、量子点或量子级联结构。
4.根据权利要求1所述的一种单模激射圆环微腔激光器，其中，所述光栅结构垂直分布于所述圆环微腔谐振腔内壁。
5.根据权利要求1所述的一种单模激射圆环微腔激光器，其中，所述圆环形微腔谐振腔与所述光栅结构具有相同的结构和材料。
6.根据权利要求1所述的一种单模激射圆环微腔激光器，其中，所述光栅结构的每个光栅周期中凸起和凹槽所占的宽度比值在0.1-1之间。
7.根据权利要求1所述的一种单模激射圆环微腔激光器，其中，所述圆环形微腔谐振腔通过光泵浦方式或者电注入方式作为激励源来实现激射。
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