CN105591284B - 光栅辅助的微柱腔面发射激光器 - Google Patents

光栅辅助的微柱腔面发射激光器 Download PDF

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Abstract

发明涉及半导体激光器技术领域，提出了一种光栅辅助的微柱腔面发射激光器。该激光器的谐振腔腔体为微柱，以支持回音壁模式。微柱从上往下主要包括欧姆接触层、光栅层、上盖层、有源区以及下盖层。输出光栅位于光栅层靠近微柱外侧边的位置，欧姆接触层下方特定区域被制成高阻区，使得电流注入区域与回音壁模式的分布重合，提高激光器的注入效率。微柱腔外侧面刻蚀光栅或缺陷能选出特定的回音壁模式成为激光器的激射模式，然后通过顶上的输出光栅形成所选模式的垂直输出，实现单模的垂直输出面发射激光器。本发明具有体积小、检测方便、低成本、易于集成二维阵列、单模工作、输出光易于与光纤耦合、可以在不同的材料体系上实现等诸多优点。

Description

光栅辅助的微柱腔面发射激光器
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，涉及一种光栅辅助的微柱腔面发射激光器。
背景技术
现代信息技术的高速发展推动着光电子器件向着微型化、高密度集成、低功耗的方向发展。
和边发射激光器相比，面发射激光器有许多优势(K.Iga,"Surface-emittinglaser-its birth and generation of new optoelectronics field,"IEEEJ.Sel.Toptics Quantum Electron.,vol.6,no.6,pp.1201-1215,Nov./Dec.2000.)。比如面发射激光器不需要分解开就可以测试激光器的出光等重要特性，从而知道激光器的好坏，这样可以降低测试的成本、提高测试的效率；面发射激光器比较容易形成二维的阵列，和边发射激光器相比，器件的密度可以大大提高，这样单个器件的成本就降低了；面发射激光器的腔体积通常比边发射激光器小得多，这使得面发射激光器的阈值低、直调制的速度高并且功耗低；另外面发射激光器通常具有圆形的光斑，和光纤的耦合要比边发射激光器容易，因此耦合封装的成本大大降低。
为形成面发射激光器，通常有水平腔和垂直腔两种实现方式。垂直腔面发射激光器是大家研究得最多的，因为它的腔体方向和输出方向是一致的。因为垂直腔结构通常都是由材料外延生长形成的，腔体都比较短。为实现激射，往往要求垂直腔的两个反射镜具有非常高的反射，通常都要在99.9％附近。如此高的反射通常是由高低折射率的两种材料交替沉积形成的布拉格(Bragg)反射镜来实现。为避免沉积太多的层数，通常这两种材料的折射率差越大越好。目前半导体衬底上外延生长的晶体材料最适合用来做这种反射镜的是GaAs衬底上的GaAs/AlAs材料对，一来它们天然的与GaAs衬底晶格匹配，另外它们的折射率差大,所以目前最成功的垂直腔面发射激光器是在GaAs衬底上实现的。由于GaAs衬底上的有源量子阱材料的发光波长最长也就在1微米左右，所以现在的垂直腔面发射激光器的工作波长集中在短波长比如850、980、1060纳米等等。其中850纳米的垂直腔面发射激光器在短距离的光通信中有非常重要的应用(A.Larsson,et al,"High speed VCSELs and VCSELarrays for single and multicore fiber interconnects,"Proc.of SPIE,vol.9381,93810D-1,2015；J.A.Tatum,et al.,"VCSEL-based interconnects for current andfuture data centers,"J.Lightwave Technol.,vol.33,no.4,pp.727-732,Feb.2015.)。980纳米的垂直腔面发射激光器阵列被用来做大功率激光器(www.princetonoptronics.com)。在光通信常用的长波长比如1300和1550纳米波段，通常用的材料是InP基材料。但是在InP基上没有像GaAs/AlAs这样的材料对，因此比较难实现高反射率的布拉格反射器。通常用的InP/InGaAsP(InGaAlAs)材料对存在许多困难：为获得高反射的单个反射镜率通常需要沉积大约40对的InP/InGaAsP的材料，累积厚度达到9微米左右，材料生长非常困难因此成本高(N.Nishiyama,et al,"Long-wavelength vertical-cavity surface-emitting lasers on InP with lattice matched AlGaInAs-InP DBRgrown by MOCVD,"IEEE J.Sel.Topics Quantum Electron.,vol.11,no.5,pp.990-998,Sept./Oct.,2005.),所以为实现InP基上的垂直腔面发射激光器，通常使用电介质材料形成的布拉格反射器(M.C.Amann,et al.,"InP-based long-wavelength VCSELs and VCSELarrays,"IEEE J.Sel.Topics Quantum Electron.,vol.15,no.3,pp.861-868,May/Jun.2009.)，或GaAs/AlAs的布拉格反射器(D.I.Babic,et al,"Room temperatureperformance of double-fused 1.54μm vertical-cavity lasers,"IPRM 96,no.ThA1-2,Apr.1996.)，这样制作过程非常复杂。在紫外波段的GaN材料体系，也存在同样的困难，难以外延形成晶体材料的高反射率的布拉格反射镜。目前采用的方案也是使用电介质材料形成的布拉格反射镜(S.Nakamura,"GaN-based VCSEL fabricated on nonpolar GaNsubstrates,"CLEO-PR 2013,no.MH1-1)。
所以虽然垂直腔面发射激光器的概念取得了非常大的成功，但和人们当初的预期相比还有比较大的差距。目前主要是在GaAs衬底上得到了成功的应用，在其它波段都遇到了非常大的困难。但由于面发射激光器相对于边发射激光器的优势，国内外的研究机构仍然在积极地开展相关研究。
垂直腔激光器因为腔长短，所以对反射的要求非常高。如果是水平腔的话，腔长很容易做得很长，因此实现激光器相对比较容易，所以用水平腔来实现面发射也是被广泛研究的一个课题。主要的代表有基于二阶光栅的分布反馈激光器，二阶光栅既提供反馈又产生面发射(R.D.Burnham,et al.,"Single-heterostructure distributed-feedbackGaAs-diode lasers,"IEEE J.Quantum Electron.,vol.QE-11,pp.439-449,no.7,Jul.1975.)，但这种激光器的输出光斑是一个长扁的椭圆形光斑。目前还有分布反馈(Distributed Feedback,DFB)激光器在输出端形成45度反射镜的，这样输出光能形成面发射输出(B.Stegmuller,et al.,"Surface emitting InGaAsP/InP distributed feedbacklaser diode at 1.53μm with monolithic integrated microlens,"IEEEPhoton.Technol.Lett.,vol.3,no.9,pp.776-118,Sep.1991.)。还有做同心圆环光栅来形成面发射输出的(C.Wu,et al.,"Optically pumped surface-emitting DFB GaInAsP/InPlasers with circular grating,"Electron.Lett.,vol.27,no.20,pp.1819-1820,Sep.1991.)。这些方案中只有DFB激光器加45反射镜的方案形成了商业化的产品，但其制作过程仍然非常复杂并且腔长比较长。
微柱或微环腔具有高品质因子的回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM)，所以比较容易做成微腔激光器，但由于平面内的各向同性这种激光器很难形成定向输出(M.Fujita,et al.,"Continuous wave lasing in GaInAsPmicrodisk injection laserwith threshold current of μA,"Electron.Lett.,vol.36,no.9,Apr.2000.)。WGM模式是通过光场在微柱的外边缘的全反射来实现光场的强限制的，所以WGM模式的光场集中在靠近微柱外边缘的位置。通过在微环腔的内侧面刻蚀光栅，可以形成垂直方向的输出(X.Cai,et al.,"Integrated compact optical vortex beam emitters,"Science,vol.338,pp.363-366,Oct.2012.)。通过在微柱腔的顶上形成金属的光栅，面发射输出的量子级联激光器也有展示(L.Mahler,et al,"Vertically emitting microdisk lasers,"NaturePhotonics,vol.3,pp.46-49,Jan.2009.)。这种金属光栅既承担电极的功能，又形成输出的光栅，但只适合量子级联激光器。因为量子级联激光器的工作波长非常长，金属本身不产生大的损耗，反而提供激光器的模场在垂直方向的限制。这种金属光栅的概念并不适合其它波段，比如我们关心的1300、1550纳米的通信波段、紫外波段等。
技术内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种光栅辅助的微柱腔面发射激光器，以克服上述缺陷和不足。
为解决上述技术问题，本发明提出的光栅辅助的微柱腔面发射激光器，所述激光器的谐振腔为微柱，所述微柱具有一定形状，该形状足以支持回音壁模式作为激光器的谐振模式；
所述微柱的顶部设有欧姆接触层和光栅层；所述欧姆接触层，用于电流注入，所述欧姆接触层的外沿位于所述微柱外沿之内，用以避免给激光器的工作模式造成额外损耗；
输出光栅位于所述光栅层上靠近微柱外侧边的位置，通过散射形成激光器垂直方向的输出；
上盖层位于所述光栅层下方，调节所述上盖层的厚度能够控制所述光栅层与回音壁模式作用的大小，从而控制激光器输出的大小；
有源区位于所述上盖层下方，用来给所述激光器提供增益。
下盖层位于所述有源区之下的微柱下部。
可选的，所述微柱的截面形状为圆形、多边形或圆环形等可以支持回音壁模式的形状。所述微柱的截面形状是圆环形时，顶层光栅直接刻蚀在环形柱上面靠外边缘处，而此时欧姆接触层也成圆环状，其位置位于光栅的内侧。
更加优化的，在所述欧姆接触层下方的特定区域形成高阻区；所述高阻区包括所述有源区上方紧邻所述有源区的部分所述上盖层、部分所述有源区，以及所述有源区下方的紧邻所述有源区的部分所述下盖层。
优选的，所述高阻区的形成方式包括：通过离子注入的方法形成该高阻区。该高阻区将使得注入电流只能从腔体的边缘注入有源区，这样注入的载流子能最大程度地与回音壁模式作用，从而提高激光器的电流注入效率并且抑制激光器谐振腔的径向高阶模式。或者，在所述上盖层中靠近有源层的地方插入一与上盖层掺杂类型相反的薄层，在该薄层靠近所述微柱侧边的地方掺杂浓度高形成隧道结，在靠近中心的地方掺杂浓度低形成反向PN结，电流不能通过，这样也可以起到限制电流只能从靠近腔体侧边的地方注入有源区从而提高电流注入效率的作用。
优选的，所述输出光栅的周期数接近所述微柱腔所支持的回音壁模式的角量子数，这样光栅的效果和直波导情况下的二阶光栅相当。光栅通过刻蚀光栅层形成，光栅层可以是外延生长的半导体晶体材料，也可以是沉积的电介质材料。如果光栅层是沉积的电介质材料，那么欧姆接触层将是直接外延生长在上盖层的上面。
所述光栅的形状不限，例如矩形光栅、三角形光栅、正弦光栅。
优选的，所述输出光栅产生的输出场对圆周角的依赖将主要包含如下分量：其中光栅周期数为M，激光器工作的回音壁模式的角量子数为m。当光栅周期确定以后，选择激光器的工作模式，就可以决定输出场对圆周角的依赖关系。
进一步的，在所述微柱的外侧面刻蚀光栅或缺陷，用于选择特定角量子数的回音壁模式作为激光器的激射模式。该光栅或缺陷可以使得某一个模式的品质因子高于其它所有模式，所以激光器将以该模式为激射模式。激射模式结合顶上的输出光栅，激光器能做到单模工作。设侧面光栅的周期为N，顶上光栅的周期为M，那么激光器的输出场的主要电场分量对圆周角的依赖关系将为或其中侧面光栅和顶上光栅都是关于对称。
优选的，在所述光栅层的上面添加反射镜，将所述输出光栅垂直向上的输出转变成垂直向下从而实现激光器单向向下的输出，并且输出的大小可以通过光栅层和其上面添加的反射镜之间的间隔层的厚度来控制。
优选的，在有源区的下方添加反射镜，将输出光栅垂直向下的输出转变成垂直向上从而实现激光器单向向上的输出，并且输出的大小可以通过有源区和下面添加的反射镜之间的间隔层的厚度来控制。
优选的，所述微柱的外径大于一定的临界值，以使所述微柱的回音壁模式向衬底的辐射损耗为忽略不计；
优选的，所述微柱的外径小于一定的临界值，在所述微柱的下盖层柱形波导中插入布拉格反射镜，该布拉格反射镜减小回音壁模式向衬底的辐射损耗，从而恢复所述回音壁模式的高品质因子。
本发明的激光器方案具有体积小、检测方便、低成本、易于集成二维阵列、单模工作、输出光易于与光纤耦合、可以在不同的材料体系上实现等诸多优点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1是本发明激光器的具体实施方式的外观示意图。
图2(a)是带有特制高阻区的具体实施方式的剖面示意图。
图2(b)是另一种方法形成高阻区的具体实施方式的剖面示意图。
图3(a)是圆环形微柱腔激光器的具体实施方式的外观示意图。
图3(b)是图3(a)的剖面示意图。
图4是电场的径向和切向分量沿径向方向的理论分布图。
图5是带光栅的微柱的对称面平面示意图。
图6是只带侧面光栅的微柱腔激光器的外观示意图。
图7是顶上光栅和侧面光栅同时存在的微柱腔激光器的外观示意图。
图8是同时带顶上光栅和侧面光栅的对称面平面示意图。
图9(a)是顶上光栅上方带有反射镜的具体实施方式的剖面示意图。
图9(b)是有源层下方带有反射镜的具体实施方式的剖面示意图。
图10是带有布拉格反射镜的小半径腔的简易剖面示意图。
图11是数值模拟的激光器整体结构带有具体尺寸的剖面示意图。
图12是只有顶上光栅情况下的M附近各角量子数对应的对称和反对称模式的品质因子的关系图。
图13(a)是m＝M＝84的模式对应的顶上光栅上方的输出近场图。
图13(b)是m＝M+1＝85的模式对应的顶上光栅上方的输出近场图。
图14是顶上光栅占空比为0.5时M附近几个角量子数对应模式的品质因子随上盖层厚度的变化关系图。
图15是上盖层厚度为0.3μm时M附近几个角量子数对应模式的品质因子随顶上光栅占空比的变化关系图。
图16是只有侧面光栅情况下的N附近各个角量子数对应的对称和反对称模式的品质因子的关系图。
图17是m＝N＝85的模式所对应在芯层和腔体上方的输出场图。
图18是上盖层厚度为0.4μm时N附近几个角量子数对应模式的品质因子随侧面光栅占空比变化关系图。
图19(a)同时带有顶上光栅和侧面光栅的占空比分别为0.3和0.75时的N附近各个角量子数对应模式的品质因子的关系图，其中M和N分别为84和85。
图19(b)同时带有顶上光栅和侧面光栅的占空比分别为0.3和0.75时的各个角量子数对应模式的品质因子的关系图，其中M和N分别为85和85。
图20是图19(a)、(b)中最高品质因子对应的模式在顶上光栅上面的输出近场图。
图21是由瞬态多模速率方程所得到的载流子浓度和光子数随时间的变化关系图。
图22是对解瞬态多模速率方程求解得到的小信号调制特性曲线图。
具体实施方式
下面是本发明的提出光栅辅助的微柱腔面发射激光器。激光器的示意图如图1所示。1代表欧姆接触层，2代表上盖层，3代表有源区域，有源区域3通常包括量子阱区域以及上下光限制层，4代表下盖层，5代表衬底，6光栅层。
这里用于输出的光栅是通过刻蚀半导体材料或电介质材料形成的折射率光栅。为使光栅与微柱腔的WG模式有效作用，光栅与有源区域的间距，也就是图中第二层的厚度，需要控制的比较薄，比如说0.3微米左右。光栅刻蚀深度比较小，比如说0.2微米左右。所以这种表面光栅的制作比通常的基于表面光栅的分布反馈激光器的表面光栅要容易很多(R.M.Lammert,et al.,"InGaAsP-InP ridge-waveguide DBR lasers with first-ordersurface gratings fabricated using CAIBE,"IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.9,no.11,pp.1445-1447,Nov.1997.)。P电极将做在欧姆接触层的上面，欧姆接触层以及电极层的半径需要控制，以避免这两层与WGM模式重叠，从而避免它们对WGM模式造成损耗。如果是简单的这种结构，当电流注入时大部分载流子将注入到微柱的中心区域，与WGM模式只有很小的重合，这样整个激光器的注入效率就会非常低，而且也会给激光器造成非常多的模式，尤其是高阶径向模式。为克服这个困难，在欧姆接触层下面的特定区域形成一个高阻区，如图2(a)所示。图2(a)代表激光器(图1)在垂直方面的剖面示意图，图中1代表欧姆接触层，2代表上盖层，3代表有源区域，通常包括量子阱区域以及上下光限制层，4代表下盖层，5代表衬底，6代表光栅层，7代表光栅区，8代表上面所说的高阻区域，9代表电流的路径。图2(a)所代表的结构通常是一个PIN结构，其中欧姆接触层、光栅层、以及上盖层都是P掺杂层，有源层是不掺杂的，下盖层是N掺杂层，衬底是N掺杂的或半绝缘的。
这个高阻区离电极有一定的距离，这样电流的横向流动仍然是允许的，如图2(a)中的箭头所示。当电流注入时，空穴将主要从微柱的边缘区域流入，载流子将主要注入靠近微柱边缘的有源区域中，这样与WGM模式的重合将最大化，因此激光器的注入效率将得到极大提高。因为上盖层比较薄，为方便电流的水平流动，上盖层最好是N掺杂的，因为N区电子的迁移率高。这样整个结构也可以做成NIP结构，即欧姆接触层、光栅层、上盖层都是N掺杂的，有源区不掺杂，下盖层是P掺杂的，下盖层的下面有重掺杂的P型欧姆接触层，衬底仍然是N掺杂的或半绝缘的。上面所描述的通过在腔体内特定区域引入高阻区以提高电流注入效率的方法仍然适用。
为实现这样的高阻区域，常用的方法是用离子注入的方法，通常注入的离子有氢离子，也就是质子，也有氦离子。注入的区域可以包含部分靠近有源区的上盖层、有源区以及部分靠近有源区的下盖层，如图2(a)的区域8所示。质子注入通常对P掺杂的区域比较有效，而氦离子注入则对P、N掺杂或不掺杂的区域都有效。另外的一种方法是采用隧道结的方法，如图2(b)所示。
图2(b)代表激光器(图1)形成高阻区的另一种结构的剖面示意图，其中1代表欧姆接触层，2代表上盖层，3代表有源区域，通常包括量子阱区域以及上下光限制层，4代表下盖层，5代表衬底，6代表光栅层，7代表光栅区域，8代表薄的P掺杂层中靠近中心的低掺杂部分，9代表电流的路径，10代表薄的P掺杂层中靠近边缘的高掺杂部分。这样整个器件的结构是NPIN的结构，欧姆接触层、光栅层、上盖层变成N掺杂，有源区仍然不掺杂，下盖层也是N掺杂。处于微柱中心的高阻区(图2(b)的区域8所示)，P掺杂的浓度比较低，这样就是正常的反向PN结，电流不能通过。在靠近微柱边缘的需要电流流经的区域(图2(b)中的区域10)，P掺杂的浓度比较高形成隧道结，这样电流可以通过量子隧穿的方式通过。
除了截面为圆形的微柱腔，光栅辅助的微柱腔面发射激光器的腔体也可以采用类似微柱的结构，包括正多边形、圆环形等，只要它们支持高品质因子的回音壁模式就满足要求。如果采用微环腔，激光器结构图以及垂直方向的剖面示意图如图3(a)和(b)所示。图3(a)中，1代表欧姆接触层，2代表上盖层，3代表有源区，通常包括量子阱区域以及上下光限制层，4代表下盖层，5代表衬底，6代表光栅层。图3(b)中1代表欧姆接触层，2代表上盖层，3代表有源区，通常包括量子阱区域以及上下光限制层，4代表下盖层，5代表衬底，6代表光栅层，7代表光栅区，9代表电流路径。
微柱腔的WGM模式可以是横电(TE)模式，即模式的主要电场平行于有源区平面，也可以是横磁(TM)模式，即模式的主要电场垂直于有源区平面。如果是横电模式，激光器的有源区通常采用压应变的量子阱材料来为这种模式提供增益；如果是横磁模式，激光器的有源区通常需要采用张应变的量子阱材料。下面我们主要描述采用TE WGM模式的微柱腔，但类似方案也适用于采用TM WGM模式的微柱腔。微柱腔的TE WGM模式的电场主要是径向(r方向)的电场和切向的电场。它它们可简单近似表达为
其中Er代表径向的电场分量，代表切向的电场分量；它们对z的依赖关系h(z)主要取决于腔体区域的垂直方向的折射率分布；对的依赖关系可表达为m为标记WGM模式的角量子数；WGM模式是二重完全简并的，分别对应逆时针和顺时针传播的场(分别对应上式中的正负号)；它们对r的依赖有很大不同，其中
其中Jm是m阶的贝塞尔函数，Hm (2)是m阶的二类汉克尔函数，k0＝2π/λ代表真空中的波矢，R是微柱腔的半径，neff是腔体在垂直方向的折射率分布所决定的TE模式的等效折射率。如图4中，我们给出了f(r)和g(r)的典型分布，其中R＝6μm，neff＝3.25，n2＝1.5，m＝85，WGM模式的模式波长为1.3149μm。
可以看到Er更接近于直波导的基模的分布，只是由于波导弯曲的原因，模场的极大值向着微柱的外边缘有移动。的分布在Er的极大位置处有个零点，所以更像直波导的一阶模的分布，它的模场的极大值在微柱的边缘上。Er是主要的电场分量，是次要的电场分量。m是WGM模式在方向上的周期数，也是用于描述WGM模式的角量子数。光栅的周期数是M，接近WGM模式的角量子数，所以这种光栅近似于传统直波导意义上的二阶光栅。WGM模式被光栅散射，形成垂直方向的向上和向下的输出场。
下面将着重描述向上的输出场，向下的输出场是类似的。实际上通过在上面或下面加反射镜面，最后可以形成单一方向的输出场。位于光栅上方并靠近光栅的输出场是向上输出场的近场，可简化表达为
其中A，B系数分别决定于WGM模式的Er和分量与光栅耦合的大小。两个完全简并的WGM模式分别有自己对应的输出。径向输出场er要大于切向输出场主要因为WGM模式的径向场大于切向场。
光栅会导致原来完全简并的两个WGM模式的重新组合。由于M个周期的光栅的对称性和M边的正多变形相同(每个周期相当于正多边形的一个边)，通过光栅的一个齿的中心以及圆心的轴线与z轴形成了带光栅的微柱的对称面，见图5。
新的腔模式的分布关于这个对称面具有对称性和反对称的特性，它它们将由原来的WGM模式组合而成，
其中上标e表示对称模式，o表示反对称模式。在考虑Er和的对称性的时候必须考虑电场的矢量性，这里对称和反对称指的是电场矢量对称和反对称。由于沿着切向方向，垂直于对称面，所以当它对称于对称面的时候，它的分布反而是反对称的。输出场也要进行相应的组合为
当m等于M的时候，反对称模式的径向输出场为0，即切向输出场达到最大对称模式的径向输出场达到最大而切向输出场为0。由于WGM模式的径向场比切向场大，这导致对称模式的输出要大于反对称模式，因此反对称模式的品质因子高于对称模式。所以当光栅周期等于WGM模式的角量子数时，原来完全简并的两个模式发生分裂，这一点也是由正多变形的对称性决定的(Y.D.Yang,et al.,"Symmetryanalysis and numerical simulation of mode characteristics for equilateral-polygonal optical microresonators,"Phys.Review A,vol.76,no.2,pp.023822,2007.)。
当m不等于M时，新的两个模式将仍然是完全简并的，并且输出场将同时包含径向场和切向场，但主要是径向场。我们简单考虑对称模式的径向场
由于主要的径向输出场不存在完全的干涉相消和干涉相长，这意味着它们的品质因子将介于简并分裂的两个模式的品质因子之间。
如果考虑输出功率并且在方向上积分，可以发现和m＝M的情况相比，其它模式的垂直方向的输出功率减小了一半，这意味着m≠M的情况下，两个仍然简并的模式的品质因子大约是m等于M情况下的对称模式的两倍，但仍然远小于m等于M情况下的反对称模式。
所以如果只有顶上光栅，不同模式的品质因子为其中下标t表示是顶上光栅决定的品质因子，m表示微柱腔相应WGM模式的角量子数，e、o代表对称和反对的模式。如前面描述将会具有最高的品质因子，其所对应的模式分布为
其向上输出的散射场为
在激光器中，品质因子最高的模式往往会成为激射模式。如果只有顶上的输出光栅，那么最后激射的模式将是m等于M情况下的反对称模式。反对称的模式输出的是切向的电场，输出比较小，而且因为切向电场的分布像波导的高阶模式，并不是理想的输出场。也就是说更希望输出的是径向场，但径向场需要对称模式来输出。这就导致了一个比较尴尬的局面：激光器激射的模式并不能有效输出。通过数值模拟，发现占空比会影响输出场中径向场和切向场所占的比重，也就是上面公式中的A、B系数。当占空比比较小时会有更多的径向场被散射，反之当占空比比较大时，会有更多的切向场被散射。由于m＝M时，对于反对称的模式其径向场输出场是干涉相消的，但切向场是干涉增强的，所以如果散射的径向场增加、切向场减小，那么反对称模式的品质因子是增加的。也就是说当光栅占空比减小时，反对称模式的品质因子增加，在模拟中确实观察到这一点。相反当占空比增加的时候，更多的切向场被散射，所以反对称模式的品质因子优势减小，与其它模式的品质因子更为接近。由于更希望径向场的输出，所以顶上的光栅我们需要使用偏小的占空比。对称模式是希望获得的激射模式，其品质因子除了依赖占空比以外，还依赖光栅的刻蚀深度或者说光栅层与有源层之间的间隔层的厚度。实际当中可以通过控制间隔层的厚度来控制对称模式的品质因子。
顶上光栅所决定的对称模式是需要的输出模式，但其品质因子小于反对称模式。为使激光器真正以对称模式工作，需要用另外的选模机制来极大地减小反对称模式的品质因子，但同时几乎不影响激光器工作的这个对称模式的品质因子。
实现的方法是在微柱腔的外侧面刻蚀光栅，光栅的周期为N，结构示意图见图6。图中1代表欧姆接触层，2代表上盖层，3代表有源区域，通常包括量子阱区域以及上下光限制层，4代表下盖层,5代表衬底，6’代表侧面光栅。
光栅刻蚀在微柱的外侧面，刻蚀深度一般较浅，比如0.1μm。如果只考虑加外侧光栅，外侧光栅将同时与Er和作用，但主要将于作用，因为在外侧边界有极大值，但Er在外侧边界很小，所以很浅的侧边光栅将主要与作用，但也有很少的Er被散射，散射场将主要沿水平方向向外传播。散射场在微柱外侧的近场可表达为：
虽然微腔中WGM模式的切向场小于径向场，但由于上面所述的原因，这里C>>D。同样的原来的WGM模式会因为侧面光栅作用而产生新的组合。相对于上面所述的对称面对称和反对称的模式，其输出场分别为
同样这里所说的对称反对称仍然指的是电矢量，由于切向场是垂直于对称面的，所以对于对称模式而言，其切向场分布反而是反对称分布的。所以可以看到，当m不等于N的时候，或当m＝N时的反对称模式，侧面光栅会引入水平方向的散射输出，从而对这些模式造成比较大的损耗。由于C>>D，这种损耗主要由切向的水平输出场决定。当m等于N时，对于对称的模式，其切向输出场为0，但仍然存在径向输出场，为减小对称情况下的径向输出场，D需要减小。数值模拟发现，增加侧向光栅的占空比可以减小D，即减小径向场的散射，这一点和顶上的光栅是一致的。
如果顶上光栅和侧面光栅同时存在，结构如图7所示，图中1代表欧姆接触层，2代表上盖层，3代表有源区,通常包括量子阱区域以及上下光限制层，4代表下盖层，5代表衬底，6代表光栅层,6’代表侧面光栅。
并且是侧面光栅占主导。占主导意味着这种侧面光栅会造成非常大的侧向散射损耗，而只有一个模式可以例外，那就是m等于N时候的对称模式。所以可以采用侧面光栅来选择激光器的激射模式。当侧面光栅周期为N时，假设只有侧面光栅时所有模式的品质因子为其中下标s表示是侧面光栅决定的品质因子，m表示微柱腔相应WGM模式的角量子数，e、o代表对称和反对的模式。如前面描述将会具有最高的品质因子，其所对应的模式分布为
其侧向的散射场为
如果同时具有侧面选模光栅和顶上的输出光栅，侧面光栅的周期是N，顶上光栅的周期是M。假定这两个光栅在某一个齿有相同的中心，也就是说在该位置两个光栅完全同相位，那么从该位置到中心的连接线与z轴决定的平面仍然是整个腔体结构的对称面，如图8所示。为方便起见，侧面光栅和顶上光栅同时画平面内。
整个谐振腔的模式仍然关于这个对称面具有对称或反对称的性质。这个对称面也与前面分析的只有顶上光栅或只有侧面光栅的情况是一致的。新的同时带侧面光栅和顶上光栅的谐振腔模式的品质因子为
如前所述，侧面光栅造成顶上光栅造成所以总的品质因子将主要有两个模式比较高，一个是角量子数为N的对称模式，一个是角量子M的反对称模式。考虑到品质因子的合并规则，这两个模式的品质因子将主要由和决定。所以如果侧面光栅对模式的散射大于顶上光栅，将会有大于这样品质因子最高的模式将是由侧面光栅决定的对称模式，其顶上输出场为
其侧面的输出场为
其中就是需要的输出的场，和代表我们不需要的输出场。所以为提高输出效率，需要尽可能减小后两者。如前面所述，通过减小顶上光栅的占空比可以减小通过增加侧边光栅的占空比可以减小总之通过合理的设计顶上和侧边的光栅，我们可以使得激光器的输出基本是
顶上光栅作为输出光栅，既向上散射输出，又向下散射输出。在上面的介绍中，着重介绍了向上的输出。对激光器而言，希望激光器是单向输出的，要么完全向上输出，要么完全向下输出。通常的解理面形成的Fabry-Perot(FP)腔激光器也是两个端面都输出的。但通常只有一个方向的输出可以通过光纤耦合形成对外有用的输出。这样为提高激光器的效率，最好是能形成单向的输出。通常采用的方法是给FP激光器的一个端面镀增反膜。在光栅辅助的微柱腔面发射激光器的情况，也可以采用类似的方法。可以在光栅层的上面沉积电介质隔离层或旋涂聚合物隔离层，然后在上面沉积布拉格反射镜或者是简单的金属反射镜，这个反射镜可以将原来向上的散射输出转变成向下，然后和原先向下的输出干涉叠加。干涉增强或相消将取决于两者的相位差。通过控制隔离层的厚度能控制这个相位差，从而控制向下输出的强度。整个方案的示意图如图9(a)所示。11代表光栅向上的散射光，12代表光栅向下的散射光，13代表被反射镜反射回的光，14代表反射光透过光栅的部分，15代表两束向下的光干涉后的光束，16代表隔离层，17代表反射镜。
与此类似，在有源层的下方，可以外延生长高反射的布拉格反射镜，这样原先向下的输出可以被这个反射镜转化成向上输出，并和原来向上输出的场干涉叠加并形成最终的输出。这个输出的大小取决于两者的相位差，通过控制布拉格反射镜到光栅层的总厚度可以控制这个相位。方案的示意图如图9(b)所示。21代表光栅向上的散射光，22代表光栅向下的散射光，23代表被反射镜反射回的光，24代表反射光透过光栅的部分，25代表两束向上的光的干涉后的光束，26代表隔离层，27代表反射镜。
以上所有的分析都假设了不带光栅的微柱腔具有高品质因子。事实上微柱腔在垂直方向的波导芯层与上下盖层的折射率差并不大，这个和微盘腔有很大不同。当波导在垂直方向的光场限制属于弱限制的时候，对于比较小的弯曲半径，微柱腔的TE WGM模式会向衬底泄漏从而损失能量。也就是存在一个最小的微柱半径，当小于这个半径的时候，微柱腔并不存在高品质因子的TE WGM模式(Y.D.Yang,et al.,"Investigation of verticalleakage loss for whispering-gallery modes in microcylinder resonators,"J.Lightwave Technol.,vol.29,no.18,pp.2754-2760,2011.)。对于这种小半径的情况，可以在下盖层中插入高反射的布拉格反射镜，该高反射镜可以减小回音壁模式向衬底的泄漏，从而恢复TE WGM模式的高品质因子。当品质因子恢复以后，可以继续采用上面所描述的添加顶上输出光栅和侧面选模光栅的方式来获得单模垂直输出的激光器。具体示意图如图10所示。31代表WGM模式向衬底的泄漏光，32代表反射镜，33代表泄漏光透过反射镜的部分。
下面介绍一个光栅辅助的微柱腔面发射激光器的例子。用时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)方法对其进行完整的数值模拟。具体的结构如图11所示：微柱腔体的外半径为6μm；欧姆接触层圆盘半径为4μm，厚度为0.1μm；上、下盖层为InP材料，厚度分别为0.3μm和3μm；衬底为InP材料；有源区包括多量子阱层和上下光限制层，等效折射率为3.34，厚度为0.34μm。欧姆接触层下面的有源区域由于没有电流注入，为其折射率添加了虚部以模拟对应的吸收损耗以及离子注入所造成的额外损耗。整个结构的覆盖材料的折射率假定为1.5。考虑波长在1.3μm附近的WGM模式，其角量子数在85附近，顶上输出光栅的周期数M取为84，光栅的刻蚀深度假定为0.2μm，光栅长度为2μm。侧面光栅周期数N取为85，光栅刻蚀深度假定为0.1μm。具体长度以及折射率参数等都标识在垂直方向的截面示意图11中。
首先考虑只有顶上光栅的情况。假定上盖层的厚度为0.3μm，光栅的占空比为0.3。图12显示的是各角量子数所对应的对称和反对称模式的品质因子。可以看到角量子数为84(m＝M的情况)的两个模式发生分裂，反对称模式的品质因子变大，对称模式的品质因子变小。其它相邻模式仍然保持简并，对称和反对称的模式仍然具有几乎相同的品质因子。这些模式的品质因子介于84分裂的两个模式的品质因子之间，且品质因子大约为84对称模式品质因子的两倍，这个和我们前面的简单估计是吻合的。
对于84(m＝M)的对称模式和反对称模式与85(m＝M+1)的对称模式和反对称模式在输出光栅上方输出场的近场图分别如图13(a)，(b)所示。图中，左右两列分别对应为对称模式和反对称模式的输出电场。从上往下分别为总的电场强度、电场分量Ex、电场分量Ey。对称模式输出场主要是径向场，而反对称模式的输出场主要是切向场。图13(a)中为m＝M的模式，输出场是圆对称的；而图13(b)中m＝M+1模式，其总的电场分布在方向上有零点存在，这个零点是由(对称模式)和(反对称模式)所引起的。
接下来，分析上盖层厚度对模式品质因子的影响。考察角量子数m分别为83(M-1)，84(M)，85(M+1)，86(M+2)模式的品质因子，这时顶上光栅的占空比为0.5。由于83、85、86所对应的对称和反对称模式是完全简并的，所以下面我们只显示了对称模式的结果。84所对应的两个模式发生了简并分裂，所以我们分别对其进行了计算，结果如图14所示。可以看到各个模式的品质因子对上盖层的厚度有指数依赖关系，实际中可以通过控制上盖层的厚度来控制模式的品质因子。对于输出的模式可以控制其输出的大小。
同时，分析光栅占空比对模式品质因子的影响。考察角量子数m分别为83(M-1)，84(M)，85(M+1)，86(M+2)模式的品质因子，这时上盖层的厚度固定在0.3μm，结果如图15所示。可以看到84所对应的反对称模式的品质因子随着占空比的减小而增加，这背后实际有两方面的因素，一是当占空比减小后，径向场的散射增加了，切向场的散射减小了，这样反对称模式的品质因子增加了，对称模式的品质因子减小了。但这一趋势只保持到0.4左右。当占空比小于0.4以后，所有模式的品质因子都增加了，这主要是光栅的散射作用减弱了，也就是说这时减小占空比和增加上盖层的厚度有类似的作用。
然后，分析只有侧面光栅的情况。光栅刻蚀深度为0.1μm，光栅周期数N＝85。这里先选取占空比为0.75，分析各角量子数模式的品质因子，结果如图16所示。类似顶上光栅的情况，只有侧面光栅的作用时，m＝N的两个原来简并的模式发生模式分裂，对称模式的品质因子变大，反对称模式的品质因子变小。其它模式的品质因子介于这两个模式之间，并约为反对称模式品质因子的两倍。虽然光栅深度只有0.1μm，但对模式造成的散射损耗已经非常大。除了85的对称模式，其它模式的品质因子已经降到1000以下。
m＝N＝85对称模式的电场分布图如图17所示。因为85的对称模式的散射损耗主要是水平方向，并且非常小。为清晰显示其损耗，将谐振腔上方的散射场的场图也展现在其中。左、右两列分别为该模式芯层和腔上方对应的散射场图，从上往下分别是总电场强度、电场分量Ex、电场分量Ey。85对称模式输出的场为径向光场，输出非常小，谐振腔上方的散射场图中心正对腔上方的区域非常弱，满足之前所述原理。
然后，分析侧面光栅占空比对模式品质因子的影响。在图18中我们给出了m为83(N-2)、84(N-1)、85(N)和86(N+1)模式的品质因子，此时上盖层厚度为0.4微米。由于模式m不为N时的简并性，这里只给出83、84、86所对应的反对称模式的品质因子以及模式分裂的85的对称和反对称模式。随着占空比的增加，85对应的对称模式的品质因子逐渐增大。和顶上光栅的情况类似，当占空比增加时，径向场的散射减小，而切向场的散射增加。由于对称模式是干涉相消切向场，干涉增强径向场，所以对称模式的散射减小了，品质因子提高了。其它模式的品质因子都远小于85对称模式，所以侧面光栅对这些模式的散射是非常强的。如果同时加上侧面光栅和顶上光栅，可以预期起主要选模作用的将是侧面光栅。
下面进一步分析同时有顶上光栅和侧面光栅的情况。顶上光栅和侧面光栅的占空比按照前述分析的结果分别选取0.3和0.75，顶上光栅周期数为M，侧面光栅的周期数为N。当同时添加两种光栅时，各个模式的角量子数与对应模式的品质因子之间关系如图19所示。其中图19(a)中M和N分别选取84和85；图19(b)中M和N分别选取85和85。
发现同时加顶上光栅和侧面光栅之后的品质因子与之前只有顶上光栅或只有侧面光栅的品质因子之间的关系满足关系式
符合预期。选模效果依然很明显，选出的模式就是预期的由侧面光栅决定的对称模式，其角模量子数等于侧面光栅的周期数。由此可见，通过侧面刻蚀光栅来进行选模的机制是非常有效的。当同时刻蚀侧面光栅和顶上光栅时，侧面光栅主要起选模的作用，而顶上光栅则主要用来产生垂直方向的光输出。图19(a)和(b)中的高品质因子模式(85对称模式)在顶上光栅上面的输出近场显示在图20中，其中左列对应顶上光栅的周期数M是84，右列对应的M是85。从上往下分别为总的电场、电场分量Ex、电场分量Ey。对称模式的输出场主要是径向场。与只加顶上光栅的结果类似，图中左边一列为M为84，输出m＝M+1模式，其总的电场分布在方向上有零点存在；而右边一列为m＝M的模式，输出场则是圆对称的。
为进一步分析激光器的特性，通过求解瞬态的多模速率方程对该激光器进行简单模拟，并分析其激射和调制特性。多模速率方程为：
其中Pi为第i个模式的光子数，N为有源区载流子浓度，t为时间，βi为第i个模式的自发辐射因子，A为线性复合系数，B为自发辐射系数，C俄歇复合系数，Ve为有源区的体积，c为真空中的光速，ng为群折射率，gi为第i个模式的模式增益，e为单位电荷电量，I为有源区注入电流，αi为第i个模式的损耗。选取了主模(模式数为N的对称模式，Q约为6000)，及其附近几个模式。为了使模拟结果更加可靠，在求解过程中采用实际测量的增益曲线。瞬态多模速率方程的求解所得光子数的结果如图21所示。图中可见除了主模之外的其它模式的光子数基本忽略不计(一般很小为几十，所以在图中无法体现)，所以激光器具有非常良好的单模特性。其中模拟所用的参数为表一所示。
表一、光栅辅助的微柱腔面发射激光器模拟所用参数
除此之外我们还利用求解瞬态的多模速率方程得到激光器的小信号调制特性，如图22所示。可见，激光器的3dB调制带宽在20mA的注入电流的情况下可以达到42GHz，有很好的高速调制特性。
综上所述，本发明提出了一种光栅辅助的微柱腔面发射激光器。该激光器的微柱腔体从上往下主要包括光栅层、上盖层、有源区以及下盖层。腔体采用圆柱形状，也可以采用圆环、正多边形等可以支持高品质因子的回音壁模式的形状。光栅层和有源区之间由上盖层分割，输出光栅刻蚀于光栅层靠近圆柱外侧边的位置，这样能和微柱腔的回音壁模式有效作用。输出光栅能将回音壁模式向上和向下散射，从而形成垂直方向的输出。欧姆接触层以及金属电极层成圆盘状，其半径小于微柱的半径以避免和回音壁模式作用从而避免给模式造成额外的损耗。欧姆接触层下方的特定区域被制成高阻区，这样载流子将注入到有源区中靠近微柱边缘的区域。注入区域和回音壁模式的分布重合，这样可以提高激光器的注入效率。通过在微柱腔的侧面刻蚀光栅或缺陷能选出特定的回音壁模式成为激光器的激射模式，然后通过顶上的输出光栅形成所选模式的垂直输出，这样可以实现单模的垂直输出(面发射)激光器。本发明的激光器方案具有体积小、检测方便、低成本、易于集成二维阵列、单模工作、输出光易于与光纤耦合、可以在不同的材料体系上实现等诸多优点。
基于上述本发明的设计和运行原理，本领域人员完全能够理解，本具体的顶上光栅和侧面光栅辅助的微柱腔面发射激光器仅仅只是举例说明，并未对选模方法以及光栅的材料、形状、位置、周期个数做具体限定。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种光栅辅助的微柱腔面发射激光器，其特征在于，所述激光器的谐振腔为微柱，所述微柱具有一定形状，该形状足以支持回音壁模式作为激光器的谐振模式；
所述微柱的顶部设有欧姆接触层和光栅层；所述欧姆接触层，用于电流注入，所述欧姆接触层的外沿位于所述微柱外沿之内，用以避免给激光器的工作模式造成额外损耗；
输出光栅位于所述光栅层上靠近微柱外侧边的位置，通过散射形成激光器垂直方向的输出；
上盖层位于所述光栅层下方，用来控制所述光栅层与回音壁模式作用的大小，从而控制激光器输出的大小；
有源区位于所述上盖层下方，用来给所述激光器提供增益；
下盖层位于所述有源区之下的微柱下部；
所述输出光栅的周期数接近所述微柱腔所支持的回音壁模式的角量子数，这样光栅的效果和直波导情况下的二阶光栅相当；
所述输出光栅产生的输出场对圆周角的依赖将主要包含如下分量：其中光栅周期数为M，激光器工作的回音壁模式的角量子数为m；
在所述微柱的外侧面刻蚀光栅或缺陷，用于选择特定角量子数的回音壁模式作为激光器的激射模式，选出的模式就是预期的由侧面光栅决定的对称模式，其角模量子数等于侧面光栅的周期数。
2.根据权利要求1所述的光栅辅助的微柱腔面发射激光器，其特征在于，在所述欧姆接触层下方的特定区域形成高阻区；所述高阻区包括所述有源区上方紧邻所述有源区的部分所述上盖层、部分所述有源区，以及所述有源区下方的紧邻所述有源区的部分所述下盖层。
3.根据权利要求2所述的光栅辅助的微柱腔面发射激光器，其特征在于，所述高阻区的形成方式包括：通过离子注入的方法形成该高阻区；或者，在所述上盖层中靠近有源层的地方插入一与上盖层掺杂类型相反的薄层，在该薄层靠近所述微柱侧边的地方掺杂浓度高形成隧道结，在靠近中心的地方掺杂浓度低形成反向PN结。
4.根据权利要求1所述的光栅辅助的微柱腔面发射激光器，其特征在于，在所述光栅层的上面添加反射镜，将所述输出光栅垂直向上的输出转变成垂直向下从而实现激光器单向向下的输出，并且输出的大小可以通过光栅层和其上面添加的反射镜之间的间隔层的厚度来控制。
5.根据权利要求1所述的光栅辅助的微柱腔面发射激光器，其特征在于，在有源区的下方添加反射镜，将输出光栅垂直向下的输出转变成垂直向上从而实现激光器单向向上的输出，并且输出的大小可以通过有源区和下面添加的反射镜之间的间隔层的厚度来控制。
6.根据权利要求1所述的光栅辅助的微柱腔面发射激光器，其特征在于，所述微柱的外径大于等于一定的临界值，以使所述微柱的回音壁模式向衬底的辐射损耗为忽略不计；或者，
所述微柱的外径小于一定的临界值，在所述微柱的下盖层柱形波导中插入布拉格反射镜，该布拉格反射镜减小回音壁模式向衬底的辐射损耗，从而恢复所述回音壁模式的高品质因子。
7.根据权利要求1所述的光栅辅助的微柱腔面发射激光器，其特征在于，所述微柱的截面形状为圆形、多边形或圆环形。
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