CN106329313A - 光栅辅助的基于tm模式的微柱腔面发射激光器 - Google Patents

光栅辅助的基于tm模式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基于TM模式的微柱腔面发射激光器。该激光器的谐振腔腔体为支持回音壁模式的微柱腔。微柱腔从上往下包括欧姆接触层、光栅层、上盖层、有源区以及下盖层。光栅层上设的光栅位于微柱腔顶部外沿边，为二阶光栅；有源区采用张应变的量子阱材料，使激光器的工作模式为TM模式；微柱腔的外径最小可为激光器激射波长量级，因此可实现超高速调制。另外该激光器制作简便，只需要一次浅刻蚀二阶光栅就可以实现激光器的选模和输出。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、阈值电流低、输出光易于与光纤耦合、可以在不同的材料体系上实现、制作简单等诸多优点。

Description

光栅辅助的基于TM模式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基于TM模式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。长波长面发射激光器广泛应用在光通信和局域网中的光源，其在宽带宽、高调制速率、小体积、高密度集成、高光交互容量以及低功耗方面面临巨大提升需求。
微柱或微环腔具有高品质因子的回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM)，因为WGM是通过光场在微腔圆弧的外边缘的全反射来实现光场的强限制的，所以WGM模式构成的激光器谐振腔具有非常高的品质因子。WGM构成的腔较容易形成小体积、低阈值的激光器(SL McCall，et al.,"Whispering-gallery mode microdisk lasers,"Appl.Phys.Lett.60,289.1992.)、(M.Fuj ita,et al.,"Continuous wave lasing inGaInAsPmicrodisk injection laser with threshold current ofμA,"Electron.Lett.,vol.36,no.9,Apr.2000.)。但由于其圆对称性，因此很难形成定向输出。
对于采用压应变量子阱材料、以TE模式为激射模式的光栅辅助的微柱腔面发射激光器，已有专利进行说明(专利申请号201610031840.3)。通常情况下，微柱腔的上下盖层与芯层的折射率差比较小，光场在垂直方向的限制为弱限制。这种情况下TE模式只有当微柱的半径大于一定的临界值时才能保持高的品质因子。一般来说微柱激光器(光通信波长的激光器)半径只有大于5微米才能形成激射(M.Arzberger,et al.,“Continuous room-temperature operation of electrically pumped quantum-dot microcylinderlasers,”Appl.Phys.Lett.,vol.79,pp.1766–1768,2001.)。而TM模式的激光器就不会有这种限制，TM的回音壁模式即使在微柱腔的半径只有波长量级时也能有高的品质因子(Y.D.Yang,et al.,"High-Q TM whispering-gallery modes in three-dimensionalmicrocylinders,"Phys.Rev.A,vol.75,p.013817,2007.)。因此采用TM模式工作的光栅辅助的微柱腔面发射激光器将能采用波长量级的半径，这样腔的体积将能大大减小，腔体积的减小意味着阈值电流的减小以及调制带宽的提高。因此本发明提出的光栅辅助的基于TM模式的微柱腔面发射激光器将会有很大的应用前景。
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基于TM模式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基于TM模式的微柱腔面发射激光器，所述激光器的谐振腔为微柱腔，所述微柱腔具有一定形状，该形状能支持回音壁模式作为激光器的谐振模式；所述微柱腔的外径最小为激光器激射波长量级；
所述微柱腔包括欧姆接触层、光栅层、上盖层、有源区；
所述欧姆接触层连接所述微柱腔的顶部中央，其外沿位于所述微柱腔外沿之内，用于避免给激光器的工作模式造成额外损耗；
所述光栅层位于所述微柱腔的顶部外沿，所述光栅层上设有光栅，所述光栅层通过光栅对光场的散射形成激光器垂直方向的输出；所述光栅的周期数M等于所述微柱腔所支持的回音壁模式的角量子数m；这样，光栅层的光栅等同于直波导下的二阶光栅，同时具有激光器的选模光栅和输出光栅的功能。
所述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；
所述有源区位于所述上盖层下方，用来给所述激光器提供增益，所述有源区采用张应变的量子阱材料，使激光器的工作模式为TM模式即其主要磁场平行于有源区平面；
所述下盖层邻接所述有源区下部；所述下盖层位于衬底之上。
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、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。高阻区将使得注入电流只能从腔体的外边缘注入有源区，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。
优选的，在所述光栅层的上面或有源区的下面添加反射镜，将所述光栅垂直双向输出转变成单向垂直输出，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或有源区和其下面的反射镜之间的间隔层的厚度来控制。
可选的，所述光栅的形状不限，例如矩形光栅、梯形光栅、三角形光栅、正弦光栅等。
可选的，所述微柱的截面形状为圆形、多边形或圆环形等支持回音壁模式的形状。相比在先专利-光栅辅助的微柱腔面发射激光器(基于TE模式的)(专利申请号201610031840.3)，该光栅辅助的基于TM模式的微柱腔面发射激光器制作简化很多，可以不用在微柱侧面刻蚀光栅或缺陷而只靠一种浅刻蚀二阶光栅就可以选出合适的模式并对其进行有效输出。另外，由于该激光器可以实现波长量级的半径大小，因此有很低的阈值电流和超高的直调制带宽。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、良好的单模特性、阈值电流低、输出光易于与光纤耦合、可以在不同的材料体系上实现、制作简便等诸多优点。
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是带有特制高阻区的具体实施方式的剖面示意图。
图3是回音壁模式的各个电、磁场分量沿径向方向的分布图。
图4是带光栅的微柱腔的对称面平面示意图。
图5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6是光栅作用于微柱腔的情况下的M附近几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7(a)是m＝M＝26的对称、反对称模式对应的光栅上方的输出近场磁场图。
图7(b)是m＝M＝26的对称、反对称模式对应的光栅上方的输出近场电场图。
图8是光栅占空比为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9是上盖层厚度为0.2μm时M附近几个角量子数对应模式的品质因子随光栅占空比的变化关系图。
图10是由瞬态多模速率方程所得到的载流子密度和光子数随时间的变化关系图。
图11是由瞬态多模速率方程所得到的LI曲线关系图。
图12是对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基于TM模式的微柱腔面发射激光器。激光器的示意图如图1所示。
激光器的谐振腔为微柱腔，微柱腔具有一定形状，该形状能支持回音壁模式作为激光器的谐振模式；微柱腔包括欧姆接触层1、光栅层6、上盖层2、有源区3，有源区域3通常包括量子阱区域以及上、下光限制层。激光器的欧姆接触层1连接微柱的顶部中央，其外沿位于微柱腔外沿之内，用于避免给激光器的工作模式造成额外损耗；
光栅层6位于微柱腔的顶部外沿，光栅层6上设有光栅，光栅层通过光栅对光场的散射形成激光器垂直方向的输出；光栅的周期数M等于所述微柱腔所支持的回音壁模式的角量子数m。这样，光栅层的光栅等同于直波导下的二阶光栅，同时具有激光器的选模光栅和输出光栅的功能。
上盖层2位于光栅层6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；
所述有源区位于所述上盖层下方，用来给所述激光器提供增益，所述有源区采用张应变的量子阱材料，使激光器的工作模式为TM模式即其主要磁场平行于有源区平面；
下盖层4邻接所述有源区3下部；所述下盖层4位于衬底5之上；
微柱腔的外径可以为激光器激射波长量级，微柱腔的品质因子仍然大于5000。
这里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，光栅层与有源区域的间距即上盖层－图1中结构2的厚度，一般控制的比较薄，比如说0.2微米左右。光栅刻蚀深度比较小，比如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WG模式重叠，从而避免他们对WG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WG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所示，高阻区位于欧姆接触层下方的投影内特定区域。图2代表激光器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所代表的结构可以是一个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。也可以做成NIP结构，上盖层N掺杂，电子迁移率高，这样欧姆接触层、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。高阻区的形成方式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，该高阻区将使得注入电流只能从腔体的外边缘注入有源区，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。
除了截面为圆形的微柱腔，光栅辅助的基于TM模式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，包括截面为正多边形、圆环形等形状，只要支持高品质因子的回音壁模式就满足要求。
微柱腔的TM WGM模式的主要电磁场分量是垂直方向的电场(z方向)以及径向(r方向)和切向(方向)的磁场。其中垂直方向的电场以及径向和切向的磁场等场分量可简单近似表达为
其中Ez代表垂直方向的电场分量，Hr代表径向的磁场分量，代表切向的磁场分量；场分量对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的角量子数；WGM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)；场分量对r的依赖有很大不同，用三维时域有限差分法(3D-FDTD)计算了电场和磁场的各分量沿径向方向的典型分布，如图3所示，其中模拟的微柱腔的半径为2μm，芯层和上、下盖层折射率分别为3.33和3.2，周围覆盖材料的折射率为1.5。选取TM模式的波长为1.31μm附近的角量子数为26的WGM模式。可以看到Hr是主要的磁场分量，是次要的磁场分量，Ez是主要的电场分量。由于基于TM模式的激光器，腔中有源区主要的电磁分量是Hr、和Ez，因此在后面分析光栅的作用时我们主要分析Hr和
电场和磁场关于腔体的某个对称面的对称性是相反的，这里的电场和磁场是指的电矢量和磁矢量。比如位于垂直方向波导芯区中心的平面近似是整个微柱腔体结构的对称面，TM模式关于这个对称面磁场是对称的，电场是反对称的。这一点可以从图3的分布中看出，其中Hr和是对称分布的，Ez的矢量是反对称的，但考虑到Ez的方向性，Ez的分布仍然是对称的。下面在叙述对称性时，指的是磁场矢量的对称性。m是WGM模式在方向上的周期数，也是用于描述WGM的角量子数。光栅的周期数是M，等于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。光栅上方并靠近光栅的输出场是向上输出的近场，可简化表达为
其中A，B系数分别决定于WGM的Hr和分量与光栅耦合的大小。两个完全简并的WGM分别有自己对应的输出。径向输出磁场要大于切向输出磁场，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4。
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，它们将由原来的WGM组合而成，
其中上标e表示对称模式(磁场对称)，o表示反对称模式。所以对于对称模式，磁场分布Hr是对称的，又因为垂直于对称面，其分布是反对称的。输出磁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由于WGM模式的径向磁场大于切向磁场，这导致对称模式的输出要大于反对称模式，因此对称模式的品质因子小于反对称模式。所以当光栅周期数等于WGM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,etal.,"Symmetry analysis and numerical simulation of mode characteristics forequilateral-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。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，其他模式的垂直方向的输出功率减小了一半。然而此时切向也有一定量的输出，这意味着m≠M的情况下，两个仍然简并的模式的品质因子稍小于m等于M情况下的对称模式的2倍，但仍然远小于m等于M情况下的反对称模式。
所以光栅加在微柱腔顶上后，如前面描述角量子数等于光栅周期数对应的反对称模式将会具有最高的品质因子，其向上输出的散射磁场主要为
在激光器中，品质因子最高的模式往往会成为激射模式。微柱腔在光栅的作用下，最后激射的模式将是m等于M情况下的反对称模式。反对称模式输出的是切向的磁场，径向的电场，由之后计算的输出场分布可知该模式的输出是理想的输出场。
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是切向场被散射，反之当占空比比较大时，会有更多的径向场被散射。由于m＝M时，对于反对称模式其径向场的输出是干涉相消的，但切向场是干涉增强的，所以如果散射的切向场增加、径向场减小，那么反对称模式的品质因子是减小的。也就是说当光栅占空比减小时，反对称模式的品质因子减小，对称模式的品质因子增加，光栅是选模效果变弱。在模拟中观察到这一点。因此为利于激光器的单模激射，通过模拟所取占空比大于0.3。对于激光器激射模式来说，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。
微柱腔中光栅输出类似直波导中二阶光栅，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。在光栅辅助的基于TM模式的微柱腔面发射激光器的情况，也可以采用类似Fabry-Perot(FP)腔激光器一端镀增反膜来实现单向输出的方法，同前述专利(专利申请号201610031840.3)类似。
下面介绍一个光栅辅助的基于TM模式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1所示：微柱腔体的外半径为2μm；欧姆接触层圆盘半径为1μm，厚度为0.1μm；上、下盖层为InP材料，厚度分别为0.2μm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3.33，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1.31μm附近的WGM，其角量子数在26附近，光栅的周期数M取为26，光栅的刻蚀深度假定为0.2μm，光栅长度为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5中。
首先考虑基于光栅的微柱腔的一般情况。假定上盖层的厚度为0.2μm，光栅的占空比为0.5。图6显示的是M附近各角量子数所对应的对称和反对称模式的品质因子。因为该微柱腔半径很小，纵模间隔很大约为7.6THz(45nm),因此只给出与角量子数26相邻两个模式的品质因子。可以看到角量子数为26(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。其他相邻模式仍然保持简并，即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26分裂的两个模式的品质因子之间，且品质因子大约为26对称模式品质因子的1.5倍，这个和我们前面的简单估计是吻合的。
对于26(m＝M)的对称模式和反对称模式在光栅上方输出场的近场磁场图如图7(a)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磁场分量。从上往下分别为总的磁场强度H、磁场分量Hx、磁场分量Hy。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。输出磁场为m＝M的反对称模式，输出场是圆对称的。与输出磁场相对应的输出近场电场如图7(b)中所示，从上往下分别为总的电场强度E、电场分量Ex、电场分量Ey。由图中看出，反对称模式对应的输出场为理想输出场(光栅正上方就是输出光场最大处)。
接着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25(M-1)，26(M)，27(M+1)模式的品质因子，这时顶上光栅的占空比为0.5。由于25、27所对应的对称和反对称模式是完全简并的，所以下面只显示了对称模式的结果。26所对应的两个模式发生了简并分裂，所以分别对其进行了计算，结果如图8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功率的大小。
同时还分析了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25(M-1)，26(M)，27(M+1)模式的品质因子，这时上盖层的厚度固定在0.2μm，结果如图9所示。可以看到26所对应的反对称模式的品质因子随着占空比的减小而减小，而26所对应的对称模式的品质因子则随之增加。一是因为当占空比减小后，切向场散射增加了，径向场散射减小了，这样反对称模式的品质因子减小了，对称模式的品质因子增加了。但当占空比小于0.3以后，或者大于0.7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，也就是说这时再减小或增加占空比和增加上盖层的厚度有类似的作用。
光栅占空比大于0.3的时候，高品质因子的模式均为反对称模式，且由以上分析可知反对称模式在微柱腔顶上输出的切向场为理想输出。这样微柱腔中光栅不仅可以有效选模还可以有理想输出场，这样有高品质因子的模式即角量子数为26的反对称模式成为激光器激射的模式，并且使之有理想的输出，为切向偏振的磁场，径向偏振的电场。
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：
dP i d t = β i BN 2 V e - c n g α i P i + c n g g i P i
d N d t = η I eV e - 4 v s N D - A N - BN 2 - CN 3 - 1 V e Σ i c n g g i P i
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，D是微柱腔体直径，vs代表表面复合速率，Ve为有源区的体积。A为线性复合系数，B为自发辐射系数，C俄歇复合系数，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M的反对称模式，Q约为7000)，及其附近几个模式(谐振波长100nm以内的模式)。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10所示。图中可见除了主模之外的其他模式的光子数基本忽略不计(一般很小为几个)，边模抑制比SMSR大于50dB。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，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12所示。可见，激光器的3dB调制带宽在15mA的注入电流的情况下可以达到54GHz，有很好的高速调制特性。如图11中LI曲线，y＝-0.02904+0.1361*X，阈值电流只有0.2mA。
综上所述，本发明提出了一种光栅辅助的基于TM模式的微柱腔面发射激光器。该激光器的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。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，光栅刻蚀于光栅层靠近圆柱外侧边的位置为二阶光栅，这样能和微柱腔的回音壁模式有效作用。该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，其半径小于微柱的外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。通过微柱顶上刻蚀的二阶光栅不仅可以有效选模，选出具有理想输出形态的模式，还能对所选模式形成垂直输出，这样可以实现单模的垂直输出(面发射)激光器。更重要的是，其实现不受微柱半径大小的限制，微柱可以制成很小半径甚至到波长量级。而且其制作方便简单，只需要一个浅刻蚀的二阶光栅就可以实现小体积的单模工作且有非常高调制速率的面发射激光器。本发明的激光器方案具有体积小、单模特性良好、制作简便、检测方便、低成本、易于集成二维阵列、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 (5)

1.一种光栅辅助的基于TM模式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腔，所述微柱腔具有一定形状，该形状能支持回音壁模式作为激光器的谐振模式；所述微柱腔的外径最小为激光器激射波长量级；
所述微柱腔包括欧姆接触层、光栅层、上盖层、有源区和下盖层；
所述欧姆接触层连接所述微柱腔的顶部中央，其外沿位于所述微柱腔外沿之内，用于避免给激光器的工作模式造成额外损耗；
所述光栅层位于所述微柱腔的顶部外沿，所述光栅层上设有光栅，所述光栅层通过光栅对光场的散射形成激光器垂直方向的输出；所述光栅的周期数M等于所述微柱腔所支持的回音壁模式的角量子数m；
所述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；
所述有源区位于所述上盖层下方，用来给所述激光器提供增益，所述有源区采用张应变的量子阱材料，使激光器的工作模式为TM模式即其主要磁场平行于有源区平面；
所述下盖层邻接所述有源区下部；所述下盖层位于衬底之上。
2.根据权利要求1所述的光栅辅助的基于TM模式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、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所述的光栅辅助的基于TM模式的微柱腔面发射激光器，其特征在于，在所述光栅层的上面或有源区的下方添加反射镜，将所述光栅垂直的双向输出转变成单向输出，并且输出的大小通过光栅层与其上面添加的反射镜之间、或者有源区与下面反射镜之前的间隔层的厚度来控制。
4.根据权利要求1所述的光栅辅助的基于TM模式的微柱腔面发射激光器，其特征在于，所述光栅的形状能选择为矩形、三角形、梯形、正弦形状。
5.根据权利要求1所述的光栅辅助的基于TM模式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、圆环形、多边形或任意的满足支持回音壁模式的形状。
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