CN106816809B - 半导体激光谐振器以及包括其的半导体激光装置 - Google Patents

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Abstract

一种半导体激光谐振器以及包括其的半导体激光装置，该半导体激光谐振器配置为产生激光束，其包括增益介质层，增益介质层包括半导体材料且包括由至少一个沟槽形成的至少一个突起以在增益介质层的上部中突出。在半导体激光谐振器中，至少一个突起配置为将激光束限制为在至少一个突起中的驻波。

Description

半导体激光谐振器以及包括其的半导体激光装置
技术领域
根据示范性实施例的设备和方法涉及半导体激光器，更具体而言，涉及能选择谐振模式或者能从其它谐振模式分离谐振模式的半导体激光谐振器以及包括其的半导体激光装置。
背景技术
在半导体激光装置中，半导体激光谐振器是获得光学增益的核心部分。通常，半导体激光谐振器的增益介质具有圆盘形状或者立方形状。增益介质及其附近用金属或介电材料覆盖。然而，半导体激光谐振器产生的谐振模式的数目很高，并且谐振模式是复杂的。
发明内容
所提供的是能从其它谐振模式选择或分离谐振模式的半导体激光谐振器以及包括其的半导体激光装置。
其它方面将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将通过描述而明显易懂，或者可通过示范性实施例的实施而掌握。
根据示范性实施例的一个方面，提供一种配置为产生激光束的半导体激光谐振器，该半导体激光谐振器包括：增益介质层，包括半导体材料且包括由至少一个沟槽形成的至少一个突起以在增益介质层的上部中突出，其中至少一个突起配置为将激光束限制为在至少一个突起中的驻波。
半导体激光谐振器还可包括提供在增益介质层之外的金属层，金属层配置为限制从增益介质层产生的激光束。
半导体激光谐振器还可包括提供在增益介质层和金属层之间的缓冲层，缓冲层配置为减轻从增益介质层产生的激光束的光学损耗。
半导体激光谐振器还可包括提供在增益介质层之外的介电层，介电层配置为限制从增益介质层产生的激光束且使其折射率与增益介质层的折射率不同。
增益介质层的下部配置为进一步将激光束限制在其中。
增益介质层可为圆柱形状或矩形形状。
沟槽可具有选自线形状、圆形形状、多边形形状和环形形状的至少一个平面形状。
至少一个突起可包括沿着增益介质层的外边缘设置的至少一个第一突起。
至少一个突起还可包括从至少一个第一突起向内设置的至少一个第二突起。
增益介质层可包括有源层。
有源层可包括III-V族半导体材料、II-VI族半导体材料和量子点的至少一个。
增益介质层还可包括设置在有源层的第一表面上的第一外覆层和设置在有源层的第二表面上的第二外覆层。
半导体激光谐振器还可包括设置在增益介质层的第一表面上的第一接触层和设置在增益介质层的第二表面上的第二接触层。
第一接触层可对应于至少一个突起。
第一接触层和第二接触层具有与增益介质层的形状对应的形状。
根据示范性实施例的另一个方面，提供一种半导体激光装置，该半导体激光装置包括：基板和半导体激光谐振器，半导体激光谐振器提供在基板上且配置为通过吸收能量而产生激光束，其中半导体激光谐振器可包括增益介质层，增益介质层包括半导体材料且包括由至少一个沟槽形成的至少一个突起以在增益介质层的上部中突出，并且至少一个突起配置为将激光束限制为在至少一个突起中的驻波。
半导体激光谐振器还可包括提供在增益介质层之外的金属层，金属层配置为限制从增益介质层产生的激光束。
半导体激光谐振器还可包括提供在增益介质层和金属层之间的缓冲层，缓冲层配置为减轻从增益介质层产生的激光束的光学损耗。
半导体激光谐振器还可包括提供在增益介质层之外的介电层，介电层配置为限制从增益介质层产生的激光束且使其折射率与增益介质层的折射率不同。
沟槽可具有选自线形状、圆形形状、多边形形状和环形形状的至少一个平面形状。
至少一个突起可包括沿着增益介质层的外边缘设置的至少一个第一突起。
至少一个突起还可包括从至少一个第一突起向内设置的至少一个第二突起。
增益介质层可包括有源层。
有源层可包括III-V族半导体材料、II-VI族半导体材料和量子点的至少一个。
增益介质层还可包括设置在有源层的第一表面上的第一外覆层和设置在有源层的第二表面上的第二外覆层。
半导体激光装置还可包括设置在增益介质层的第一表面上的第一接触层和设置在增益介质层的第二表面上的第二接触层。
第一接触层和第二接触层具有与增益介质层的形状对应的形状。
半导体激光装置还可包括电连接到第一接触层和第二接触层的多个电极。
附图说明
这些和/或其它方面通过下面结合附图对示范性实施例的描述将变得显见且容易理解，附图中：
图1是根据示范性实施例的半导体激光装置的透视图；
图2是图1的增益介质层的透视图；
图3是沿着图1的线III-III′截取的截面图；
图4是根据另一个示范性实施例的半导体激光装置的截面图；
图5是根据另一个示范性实施例的半导体激光装置的截面图；
图6是根据另一个示范性实施例的半导体激光装置的截面图；
图7A和7B是根据另一个示范性实施例的半导体激光谐振器的透视图；
图8A和8B是根据另一个示范性实施例的半导体激光谐振器的透视图；
图9A和9B是根据另一个示范性实施例的半导体激光谐振器的透视图；
图10A、10B和10C是根据另一个示范性实施例的半导体激光谐振器的透视图；
图11A和11B是根据示范性实施例的半导体激光谐振器的透视图；
图12A和12B是根据示范性实施例的半导体激光谐振器的透视图；
图13A、13B和13C示出了现有技术的半导体激光谐振器的时域有限差分(FDTD)模拟模型结构；
图14是图13A、13B和13C的半导体激光谐振器的内部结构的截面图；
图15是示出由图13A、13B和13C的半导体激光谐振器产生的TE模式激光束的光谱的图线；
图16A至16G是示出由图13A、13B和13C的半导体激光谐振器产生的TE模式激光束的电场强度分布的图像；
图17是示出由图13A、13B和13C的半导体激光谐振器产生的TM模式激光束的光谱的图线；
图18A、18B、18C和18D示出了根据示范性实施例的半导体激光谐振器的FDTD模拟模型结构；
图19是图18A、18B、18C和18D的半导体激光谐振器的内部结构的截面图；
图20是示出由图18A、18B、18C和18D的半导体激光谐振器产生的TE模式激光束的光谱的图线；
图21A、21B、21C和21D是示出由图18A、18B、18C和18D的半导体激光谐振器产生的TE模式激光束的电场强度分布的图像；
图22是示出由图18A、18B、18C和18D的半导体激光谐振器产生的TE模式激光束的光谱的图线；
图23A和23B是示出由图18A、18B、18C和18D的半导体激光谐振器产生的TM模式激光束的光谱的图线；
图24A、24B、24C和24D示出了根据另一个示范性实施例的半导体激光谐振器的FDTD模拟模型结构；
图25是示出由图24A、24B、24C和24D的半导体激光谐振器产生的TE模式激光束的光谱的图线；
图26A、26B、26C、26D、26E和26F是示出由图24A、24B、24C和24D的半导体激光谐振器产生的TE模式激光束的电场强度分布的图像；
图27是示出由图24A、24B、24C和24D的半导体激光谐振器产生的TE模式激光束的光谱的图线；以及
图28A和28B是示出由图24A、24B、24C和24D的半导体激光谐振器产生的TM模式激光束的光谱的图线。
具体实施方式
现在详细介绍示范性实施例，其示例在附图中示出，其中相同的附图标记通篇表示相同的元件，并且为了说明的简便和清楚可以夸大元件的厚度或尺寸。为此，示范性实施例可具有不同的形式，而不应解释为限于这里阐述的说明。因此，示范性实施例仅参考附图描述如下以说明本说明书各方面。在层结构中，当构成元件设置在另一个构成元件“上方”或“上”时，构成元件可仅直接在另一个构成元件上或者以非接触方式在另一个构成元件上方。再者，已知的功能或结构因它们可能以不必要的细节模糊示范性实施例而不再详细描述。
图1是根据示范性实施例的半导体激光装置100的透视图。图2是图1的增益介质层的透视图。图3是沿着图1的线III-III′截取的截面图。
参见图1至3，半导体激光装置100可包括基板110和提供在基板110上的半导体激光谐振器。基板110可为半导体基板，但不限于此，而是可由诸如玻璃的各种材料形成。具体而言，基板110可为磷化铟(InP)基板或砷化镓(GaAs)基板，但不限于此。
半导体激光谐振器可通过从外部吸收能量而产生激光束。半导体激光谐振器可具有例如纳米尺寸或微米尺寸，但不限于此。半导体激光谐振器可包括增益介质层120用于通过光泵浦或电泵浦吸收能量而产生激光束。增益介质层120可包括包含半导体材料的有源层122。有源层122可包括例如III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料。再者，有源层122可包括量子点。具体而言，有源层122可包括多个多量子阱，其包括铟镓砷(InGaAs)、铝镓砷(AlGaAs)、铟镓砷磷(InGaAsP)、或铝镓铟磷(AlGaInP)，但不限于此。
增益介质层120还可包括分别提供在有源层122之上和之下的第一和第二外覆层121和123。第一外覆层121设置在有源层122的第一表面上，即图3中的有源层122的上表面上，并且可包括n型或p型半导体材料。具体而言，第一外覆层121可包括n型InP或p型InP，但不限于此。第二外覆层123可设置在有源层122的第二表面上，即图3中的有源层122的下表面上。如果第一外覆层121包括n型半导体材料，则第二外覆层123可包括p型半导体材料。替代地，如果第一外覆层121包括p型半导体材料，则第二外覆层123可包括n型半导体材料。具体而言，第二外覆层123可包括p型InP或n型InP，但不限于此。
增益介质层120可具有例如圆柱形状，但不限于此，增益介质层120可具有立方形状或其它各种形状。在该示范性实施例中，至少一个沟槽191在增益介质层120的上部中形成至一定的深度。至少一个突起191′可由增益介质层120的上部中的沟槽191限定。
具体而言，参见图2，两个沟槽191在增益介质层120的上部中形成至一定的深度。沟槽191可具有线形状且彼此相交。沟槽191可从增益介质层120的上表面形成到各种深度。图3示出了其中沟槽191形成在第一外覆层121中的示例，但不限于此，沟槽191可形成在第一外覆层121和有源层122中或者在第一外覆层121、有源层122和第二外覆层123中。四个突起191′可由如上相交的沟槽191形成在增益介质层120的上部中。突起191′可沿着增益介质层120的外边缘环形地设置。
这样，因为由沟槽191形成在增益介质层120的上部中的突起191′环形地设置，所以从增益介质层120产生的激光束可在突起191′的至少一个中被限制为驻波。在突起191′中将激光束限制为驻波是指这样的特征，激光束的强度可根据时间而改变，但是该激光束被限制在突起191′中的一定位置。限制在突起191′中的激光束可具有朝着突起191′的表面而减小的强度。从增益介质层120产生的激光束不仅可被限制在提供于增益介质层120的上部中的突起191′中，而且可被限制在提供于增益介质层120的下部中的突起191′中。
这样，因为从增益介质层120产生的激光束被限制为在突起191′的至少一个中的驻波，所以期望的波长的谐振模式可如下所述被容易地选择。再者，可去除不期望的谐振模式，或者期望的谐振模式可与其它谐振模式有效地分离。因此，半导体激光谐振器的Q因数可以提高。谐振模式可根据由沟槽191限定的突起191′的数量、形状和尺寸以及突起191′之间的间隔的至少一个而被选择和/或分离。再者，通过在增益介质层120之外提供金属层150，从增益介质层120产生的激光束可以被有效地限制。
第一接触层131可设置在增益介质层120的上表面上。例如，第一接触层131可设置在第一外覆层121的上表面上。第一接触层131可具有与增益介质层120的上表面对应的形状。因此，形成在增益介质层120的上部中的沟槽191可延伸到第一接触层131。如果第一外覆层121包括n型半导体材料，则第一接触层131可包括n型半导体材料。如果第一外覆层121包括p型半导体材料，则第一接触层131可包括p型半导体材料。具体而言，第一接触层131可包括n型InGaAs或p型InGaAs，但不限于此。还可提供电连接到第一接触层131的电极(未示出)。
第二接触层132可设置在第二外覆层123的下表面上。第二接触层132可设置在基板110的上表面上。如果第二外覆层123包括p型半导体材料，则第二接触层132可包括p型半导体材料。如果第二外覆层123包括n型半导体材料，则第二接触层132可包括n型半导体材料。具体而言，第二接触层132可包括p型InGaAs或n型InGaAs，但不限于此。电连接到第二接触层132的电极160可进一步提供在基板110上。如果第二接触层132包括p型半导体材料，则电极160可为p型电极。如果第二接触层132包括n型半导体材料，则电极160可为n型电极。
金属层150还可提供为覆盖增益介质层120和第一接触层131。位于第一接触层131之上的金属层150可具有与第一接触层131对应的形状。因此，形成在增益介质层120的上部中的沟槽191可延伸到位于第一接触层131之上的金属层150。提供在增益介质层120之外的金属层150可将从增益介质层120产生的激光束限制到增益介质层120的内部。金属层150可包括例如银(Ag)、金(Au)、铜(Cu)或铝(Al)，但不限于此，而是可包括各种其它金属材料。从增益介质层120产生的激光束可由金属层150有效地限制。
缓冲层141可进一步提供在金属层150和增益介质层120之间。例如，缓冲层141可提供在增益介质层120的侧表面和金属层150之间。缓冲层141可在从增益介质层120产生的激光束接触金属层150时减轻光学损耗。缓冲层141可包括折射率与增益介质层120不同的材料。具体而言，缓冲层141可包括折射率小于增益介质层120的折射率的材料。例如，缓冲层141可包括硅氧化物或硅氮化物，但不限于此。绝缘层142可进一步形成在基板110上以覆盖第二接触层132的暴露的上表面。
如上所述，在根据示范性实施例的半导体激光装置100中，因为沟槽191形成在半导体激光谐振器的上部中且突起191′由沟槽191限定，所以从增益介质层120产生的激光束可在突起191′的至少一个中被限制为驻波。这样，如果从增益介质层120产生的激光束被限制为在增益介质层120的上部中提供的突起191′的至少一个中的驻波，则可容易地选择期望波长的谐振模式。再者，不期望的谐振模式可被去除或者期望的谐振模式可与其它谐振模式有效地分离。因此，可改善半导体激光谐振器的Q因数。再者，如果金属层150提供在增益介质层120之外，则从增益介质层120产生的激光束可被有效地限制。
图4是根据另一个示范性实施例的半导体激光装置100a的截面图。图4的半导体激光装置100a类似于图1至3的半导体激光装置100，除了介电材料143形成在形成于增益介质层120的上部中的沟槽191的内壁上外。
参见图4，半导体激光装置100a可包括基板110和半导体激光谐振器，半导体激光谐振器提供在基板110上且通过从外部吸收能量而产生激光束。半导体激光谐振器可包括增益介质层120，并且沟槽191形成在增益介质层120的上部中。介电材料143可形成在形成于增益介质层120的上部中的沟槽191的内壁上。介电材料143可包括例如与形成缓冲层141的材料相同的材料。因此，金属层150可覆盖增益介质层120、第一接触层131和介电材料143。
图5是根据另一个示范性实施例的半导体激光装置100b的截面图。图5的半导体激光装置100b类似于图1至3的半导体激光装置100，除了形成在增益介质层120的上部中的沟槽191填充有金属层150外。
参见图5，半导体激光装置100b可包括基板110和半导体激光谐振器，半导体激光谐振器提供在基板110上且通过从外部吸收能量而产生激光束。半导体激光谐振器可包括增益介质层120，并且沟槽191形成在增益介质层120的上部中。金属层150可覆盖增益介质层120和第一接触层131。在此情况下，形成在增益介质层120的上部中的沟槽191可填充有金属层150。
图6是根据另一个示范性实施例的半导体激光装置100c的截面图。
参见图6，半导体激光装置100c可包括基板110和半导体激光谐振器，半导体激光谐振器提供在基板110上且通过从外部吸收能量而产生激光束。半导体激光谐振器可包括增益介质层120，并且沟槽191形成在增益介质层120的上部中。
第一接触层131提供为覆盖增益介质层120的上表面。介电层170提供为覆盖增益介质层120的侧表面。介电层170限制从增益介质层120产生的激光束。为此，介电层170可包括折射率与增益介质层120的折射率不同的材料。具体而言，介电层170可包括折射率小于增益介质层120的折射率的材料。介电层170可包括例如硅氧化物或硅氮化物，但不限于此。
尽管在上面的示范性实施例中，两个沟槽191形成在增益介质层120的上部中，但是增益介质层120中形成的沟槽191的数量或形状可被不同地改变。
图7A和7B是根据另一个示范性实施例的半导体激光谐振器的透视图。
在图7A的半导体激光谐振器中，增益介质层120具有圆柱形状，并且一个线形沟槽192在增益介质层120的上部中形成至一定的深度。因此，两个突起192′可由一个线形沟槽192限定在增益介质层120的上部中。第一接触层131可设置在增益介质层120的上表面上，即在每个突起192′的上表面上，并且第二接触层132可设置在增益介质层120的下表面上。
在图7B的半导体激光谐振器中，三个线形沟槽193形成在具有圆柱形状的增益介质层120的上部中以彼此相交。六个突起193′可由三个线形沟槽193限定在增益介质层120的上部中。
图8A和8B是根据另一个示范性实施例的半导体激光谐振器的透视图。
在图8A的半导体激光谐振器中，圆形沟槽194在具有圆柱形状的增益介质层120的上部中形成至一定的深度。圆形沟槽194可位于增益介质层120的中心部分。围绕圆形沟槽194的突起194′可由圆形沟槽194限定在增益介质层120的上部中。
在图8B的半导体激光谐振器中，环形沟槽195在具有圆形形状的增益介质层120的上部中形成至一定的深度。在此情况下，环形沟槽195可位于增益介质层120的中心部分。从环形沟槽195向外设置的第一突起195a′和从环形沟槽195向内设置的第二突起195b′由环形沟槽195限定在增益介质层120的上部中。
图9A和9B是根据另一个示范性实施例的半导体激光谐振器的透视图。
在图9A的半导体激光谐振器中，线形沟槽196a和圆形沟槽196b在具有圆柱形状的增益介质层120的上部中形成至一定的深度。在此情况下，圆形沟槽196b可位于增益介质层120的中心部分，并且线形沟槽196a可连接到圆形沟槽196b。沿着增益介质层120的外边缘环形地设置的多个突起196′可由线形沟槽196a和圆形沟槽196b限定在增益介质层120的上部中。尽管图9A示出了其中形成多个线形沟槽196a的示例，但是可形成一个线形沟槽196a。
在图9B的半导体激光谐振器中，线形沟槽197a和环形沟槽197b在具有圆柱形状的增益介质层120的上部中形成至一定的深度。在此情况下，环形沟槽197b可位于增益介质层120的中心部分，并且线形沟槽197a可连接到环形沟槽197b。沿着增益介质层120的外边缘环形地设置的多个第一突起197a′和提供在增益介质层120的中心部分的第二突起197b′可由线形沟槽197a和环形沟槽197b限定在增益介质层120的上部中。尽管图9B示出了其中形成多个线形沟槽197a的示例，但是可形成一个线形沟槽197a。
尽管在上面描述的示范性实施例中描述了其中增益介质层120具有圆柱形状的情形，但是增益介质层120的形状可以被不同地改变。
图10A至10C是根据另一个示范性实施例的半导体激光谐振器的透视图。
在图10A的半导体激光谐振器中，增益介质层220具有立方形状。一个线形沟槽291在增益介质层220的上部中形成至一定的深度。两个突起291′可由一个线形沟槽291限定在增益介质层220的上部中。第一接触层231可设置在增益介质层220的上表面上，即在突起291′的上表面上，并且第二接触层232可设置在增益介质层220的下表面上。
在图10B的半导体激光谐振器中，彼此相交的两个线形沟槽292在具有立方形状的增益介质层220的上部中形成至一定的深度。四个突起292′可由四个线形沟槽292限定在增益介质层220的上部中。
在图10C的半导体激光谐振器中，三个线形沟槽293在具有立方形状的增益介质层220的上部中形成至一定的深度。在此情况下，两个线形沟槽293可形成为彼此平行，并且一个线形沟槽293可形成为与两个线形沟槽293相交。六个突起293′可由三个线形沟槽293限定在增益介质层220的上部中。
图11A和11B是根据另一个示范性实施例的半导体激光谐振器的透视图。
在图11A的半导体激光谐振器中，矩形沟槽294在具有立方形状的增益介质层220的上部中形成至一定的深度。在此情况下，矩形沟槽294可位于增益介质层220的中心部分，并且围绕矩形沟槽294的突起294′可限定在增益介质层220的上部中。
在图11B的半导体激光谐振器中，矩形环状沟槽295可在具有立方形状的增益介质层220的上部中形成至一定的深度。在此情况下，矩形环状沟槽295可位于增益介质层220的中心部分。因此，从矩形环状沟槽295向外设置的第一突起295a′和从矩形环状沟槽295向内设置的第二突起295b′可限定在增益介质层220的上部中。
图12A和12B是根据另一个示范性实施例的半导体激光谐振器的透视图。
在图12A的半导体激光谐振器中，线形沟槽296a和矩形沟槽296b在具有立方形状的增益介质层220的上部中形成至一定的深度。在此情况下，矩形沟槽296b可位于增益介质层220的中心部分，并且线形沟槽296a可连接到矩形沟槽296b。沿着增益介质层220的外边缘环形地设置的多个突起296′可由线形沟槽296a和矩形沟槽296b限定在增益介质层220的上部中。尽管图12A示出了其中形成多个线形沟槽296a的示例，但是可形成一个线形沟槽296a。
在图12B的半导体激光谐振器中，线形沟槽297a和矩形环状沟槽297b在具有立方形状的增益介质层220的上部中形成至一定的深度。在此情况下，矩形环状沟槽297b可位于增益介质层220的中心部分。线形沟槽297a可连接到矩形环状沟槽297b。因此，沿着增益介质层220的外边缘环形地设置的多个第一突起297a′和提供在增益介质层220的中心部分的第二突起297b′可限定在增益介质层220的上部中。尽管图12B示出了其中形成多个线形沟槽297a的示例，但是可形成一个线形沟槽297a。
尽管在上面描述的示范性实施例中增益介质层具有圆柱形状或矩形形状，但是增益介质层的形状可以被不同地改变。再者，谐振模式可通过不同地改变增益介质层中形成的沟槽的数量、长度、角度或形状而被控制。例如，如果沟槽的数量是奇数或偶数，则可产生奇数的谐振模式或偶数的谐振模式。与其中没有沟槽的情况相比，谐振模式的数量可减少到一半。再者，因为沟槽的结构被优化到期望的波长和模式，所以模式选择是可能的。再者，因为期望的谐振模式与不期望的谐振模式分离，可期待模式分离的效果。半导体激光谐振器的Q因数可以因谐振模式的限制效果而得到改善。
图13A至13C示出了现有技术的半导体激光谐振器30的时域有限差分(FDTD)模拟模型结构。
图13A是现有技术的半导体激光谐振器30被SiO2层40和Ag层50围绕的透视图。图13B示出了图13A的结构的内部。图13C是沿着图13B的线C-C′截取的截面图。参见图13A至13C，具有圆柱形状的现有技术的半导体激光谐振器30被SiO2层40围绕，并且SiO2层40被Ag层50围绕。
图14是图13A至13C的半导体激光谐振器的内部结构的截面图。
参见图14，用于模型化FDTD模拟的现有技术的半导体激光谐振器30可包括增益介质层20以及分别设置在增益介质层20的上表面和下表面上的第一和第二接触层31和32。在此情况下，增益介质层20可包括有源层22以及分别设置在有源层22的上表面和下表面上的第一和第二外覆层21和23。折射率n1为3.65的InGaAs用作有源层22，并且折射率n2为3.4的p-AlGaAs和n-AlGaAs分别用作第一和第二外覆层21和23。尽管有源层22通常具有量子阱结构，但是为了模拟的目的而被简化。折射率n3为3.65的p-GaAs和n-GaAs用作第一和第二接触层31和32。现有技术的半导体激光谐振器30的厚度和半径分别为约0.276μm和0.4μm。SiO2层40以约0.1μm的厚度围绕现有技术的半导体激光谐振器30的外边缘。
图15是示出由图13A至13C的现有技术的半导体激光谐振器30产生的横向(TE)模式激光束的光谱的图线。具体而言，图15示出了根据TE模式激光束波长的电场的快速傅里叶变换(FFT)的振幅。图16A至16G是示出由图13A至13C的现有技术的半导体激光谐振器30产生的TE模式激光束的电场强度分布的图像。具体而言，图16A至16G示出了根据激光束的波长的电场强度分布。图15和图16A至16G示出了当磁偶极子设定为在图13A至13C的现有技术的半导体激光谐振器30的z方向上时通过模拟获得的结果。
参见图15和图16A至16G，TE谐振模式，例如，图16A的0.625695μm波长、图16B的0.681405μm波长、图16C的0.803571μm波长、图16D的0.951777μm波长、图16E的0.967326μm波长、图16F的1.12164μm波长和图16G的1.34731μm波长可由图13A至13C的现有技术的半导体激光谐振器30产生。在此情况下，TE谐振模式可表示横向电场模式，其表示当电场垂直于电磁波的传播方向产生时谐振器中的电磁场。参见图15和图16A至16G，可以看出，多个TE谐振模式产生在现有技术的半导体激光谐振器30中。如图15所示，多个谐振模式随着波长的减小而产生，并且谐振模式之间的间隔随着波长的增大而增加。
图17是示出由图13A至图13C的现有技术的半导体激光谐振器30产生的横向(TM)模式激光束的光谱的图线。图17示出了当电偶极子设定在图13A至13C的现有技术的半导体激光谐振器30中的z方向上时通过模拟获得的结果。在此情况下，TM谐振模式可表示横向磁谐振模式，其表示当磁场垂直于电磁波的传播方向产生时谐振器中的电磁场。如图17所示，多个TM谐振模式产生在现有技术的半导体激光谐振器30中。
这样，因为多个谐振模式产生在图13A至13C的现有技术的半导体激光谐振器30中，所以难以在多个谐振模式当中选择期望波长的谐振模式。
图18A至18D示出了根据示范性实施例的半导体激光谐振器330的FDTD模拟模型结构。
图18A是根据示范性实施例的由SiO2层340和Ag层350围绕的半导体激光谐振器330的透视图。图18B示出了图18A的结构的内部。图18C是沿着图18B的线C-C′截取的截面图。图18D是沿着图18B的线D-D′截取的截面图。参见图18A至18D，半导体激光谐振器330具有圆柱形状，并且一个沟槽391形成在半导体激光谐振器330的上部中。半导体激光谐振器330由SiO2层340围绕，并且SiO2层340由Ag层350围绕。
图19是图18A至18D的半导体激光谐振器330的内部结构的截面图。图19的截面图与图14的相同，除了沟槽391形成在半导体激光谐振器330的上部中外。
参见图19，半导体激光谐振器330可包括增益介质层320以及分别设置在增益介质层320的上表面和下表面上的第一和第二接触层331和332。在此情况下，增益介质层320可包括有源层322以及分别设置在有源层322的上表面和下表面上的第一和第二外覆层321和323。线形沟槽391在半导体激光谐振器330的上部中形成至一定的深度d。沟槽391填充有SiO2层340。
图20是示出由图18A至18D的半导体激光谐振器330产生的TE模式激光束的光谱的图线。具体而言，图20示出了根据TE模式激光束波长的电场的FFT振幅。图21A至21D是示出由图18A至18D的半导体激光谐振器330产生的TE模式激光束的电场强度分布的图线。具体而言，图21A至21D示出了根据激光束波长的电场强度分布。图20和图21A至21D示出了当沟槽391的深度d设定为0.138μm且磁偶极子设定在图18A至18D的半导体激光谐振器330中的z方向上时通过模拟获得的结果。
参见图20和图21A至21D，TE谐振模式，例如，图21A的0.674056μm波长、图21B的0.796742μm波长、图21C的0.960717μm波长和图21D的1.10511μm波长可由包括图18A至18D的沟槽391的半导体激光谐振器330产生。这样，在包括沟槽391的半导体激光谐振器330中，与图13至图13C的现有技术的半导体激光谐振器30相比改变了谐振模式。例如，谐振波长或谐振强度可改变，并且在某些情况下，具体的谐振模式可消除。这是因为图18A至18D的半导体激光谐振器330包括沟槽391而消除了偶数谐振模式。再者，谐振模式由于边界条件的改变而由沟槽391改变。
具体而言，当图15和图20彼此比较时，因为由图13A至13C的现有技术的半导体激光谐振器30产生的1.34731μm波长的TE谐振模式、0.951777μm波长的TE谐振模式和0.625695μm波长的TE谐振模式不适合于沟槽结构，所以这些TE谐振模式从图18A至18D的半导体激光谐振器330消除。由现有技术的半导体激光谐振器30产生的1.12164μm波长的TE谐振模式轻微移动为具有图18A至18D的半导体激光谐振器330中的1.10511μm的谐振波长，并且光谱的振幅增加了。这样，因为沟槽391形成在半导体激光谐振器330中，所以可改变谐振特性。因此，可去除不期望的相邻谐振模式而仅留下期望的谐振模式，或者不期望的相邻谐振模式可以与期望的谐振模式分离。
图22是示出由图18A至18D的半导体激光谐振器330产生的TE模式激光束的光谱的图线。具体而言，图22示出了在图18A至18D的半导体激光谐振器330中当沟槽391的深度d设定为0.06μm时通过模拟获得的结果。
图22的TE模式激光束的光谱与图20的TE模式激光束的光谱在波长或TE谐振模式的量上不同。该差别的产生是因为图18A至18D的半导体激光谐振器330中的沟槽391的深度从0.138μm改变到0.06μm。这样，TE谐振模式可通过在图18A至18D的半导体激光谐振器330中改变沟槽391的深度而调整。
图23A和23B是示出由图18A至18D的半导体激光谐振器330产生的TM模式激光束的光谱的图线。图23A示出了在图18A至18D的半导体激光谐振器330中当沟槽391的深度d设定为0.138μm且电偶极子设定在z方向上时通过模拟获得的结果。图23B示出了在图18A至18D的半导体激光谐振器330中当沟槽391的深度d设定为0.06μm且电偶极子设定在z方向上时通过模拟获得的结果。
当图17和图23A彼此比较时，在由现有技术的半导体激光谐振器30产生的TM谐振模式和由图18A至18D的半导体激光谐振器330产生的TM谐振模式中，尽管波长上改变不大，但是光谱的振幅被改变。再者，当图23A和23B彼此比较时，在图18A至18D的半导体激光谐振器330中，TM谐振模式和光谱的量随着沟槽391的深度d的改变而改变。
图24A至24D示出了根据另一个示范性实施例的半导体激光谐振器的FDTD模拟模型结构。
图24A是根据另一个示范性实施例的由SiO2层440和Ag层450围绕的半导体激光谐振器430的透视图。图24B示出了图24A的内部结构。图24C是沿着图24B的线C-C′截取的截面图。图24D是沿着图24B的线D-D′截取的截面图。参见图24A至24D，彼此相交的两个线形沟槽491形成在具有圆柱形状的半导体激光谐振器430的上部中。半导体激光谐振器430由SiO2层440围绕，并且SiO2层440由Ag层450围绕。图24A至24D的半导体激光谐振器430的截面与图19的半导体激光谐振器330的截面相同，除了两个沟槽491形成在半导体激光谐振器430的上部中之外。
图25是示出由图24A至24D的半导体激光谐振器430产生的TE模式激光束的光谱的图线。具体而言，图25示出了根据TE模式激光束的波长的电场的FFT振幅。图26A至26F是示出由图24A至24D的半导体激光谐振器430产生的TE模式激光束的电场强度分布的图像。具体而言，图26A至26F示出了根据激光束的波长的电场强度分布。图25和图26A至26F示出了在图24A至24D的半导体激光谐振器430中当每个沟槽491的深度设定为0.138μm且磁偶极子设定在z方向上时通过模拟获得的结果。
参见图25和图26A至26F，TE谐振模式，例如，图26A的0.616438μm波长、图26B的0.665287μm波长、图26C的0.72208μm波长、图26D的0.947767μm波长、图26E的1.06032μm波长和图26F的1.29162μm波长，可由图24A至24D的半导体激光谐振器430产生。这样，与包括一个沟槽391的半导体激光谐振器330相比，在包括两个沟槽491的半导体激光谐振器430中更为严重地发生TE谐振模式的改变。换言之，TE谐振模式的波长可能严重移动，并且可产生新的TE谐振模式，例如在现有技术的半导体激光谐振器30中不曾产生的1.06032μm波长的谐振模式。与其它谐振模式相比，0.947767μm波长的TE谐振模式在谐振模式上具有很少的改变。这表明0.947767μm波长的TE谐振模式的谐振特性不太受两个沟槽491的深度改变的影响。这样，在包括两个沟槽491的半导体激光谐振器430中，可以容易地选择期望的TE谐振模式，并且不期望的相邻TE谐振模式可被去除或者可与期望的TE谐振模式分离。
图27是示出由图24A至24D的半导体激光谐振器430产生的TE模式激光束的光谱的图线。具体而言，图27示出了在图24A至24D的半导体激光谐振器430中当每个沟槽491的深度设定为0.06μm时通过模拟获得的结果。
图27的TE模式激光束与图25的TE模式激光束的光谱在TE谐振模式的波长和振幅上不同。该差别的产生是因为图24A至24D的半导体激光谐振器430中的每个沟槽491的深度从0.138μm改变到0.06μm。这样，TE谐振模式可通过在图24A至24D的半导体激光谐振器430中改变每个沟槽491的深度而调整。
图28A和28B是示出由图24A至24D的半导体激光谐振器430产生的TM模式激光束的光谱的图线。图28A示出了在图24A至24D的半导体激光谐振器430中当每个沟槽491的深度设定为0.138μm且电偶极子设定在z方向上时通过模拟获得的结果。图28B示出了在图24A至24D的半导体激光谐振器430中当每个沟槽491的深度设定为0.06μm且电偶极子设定在z方向上时通过模拟获得的结果。
当图17和图28A彼此比较时，由现有技术的半导体激光谐振器30产生的TM谐振模式与由包括图24A至24D的两个沟槽491的半导体激光谐振器430产生的TM谐振模式在谐振模式的光谱的波长和振幅上不同。再者，当图28A和图28B彼此比较时，TM谐振模式和光谱的振幅可通过在图24A至24D的半导体激光谐振器430中改变两个沟槽491的每一个的深度而改变。
如上面所描述，因为至少一个沟槽形成在半导体激光谐振器的上部中，所以从增益介质层产生的激光束可以在由沟槽限定的突起中被限制为驻波。在此情况下，谐振模式可通过改变沟槽的数量、长度、角度或形状而调整。因为沟槽的结构优化为期望的波长和模式，所以模式选择是可能的，并且因此可通过分离期望的谐振模式与不期望的谐振模式而预见模式选择的效果。再者，半导体激光谐振器的Q因数可由谐振模式限制效果而得到改善。
根据上面描述的示范性实施例，因为至少一个沟槽形成在纳米尺寸或微米尺寸的半导体激光谐振器中的增益介质层的上部中，所以从增益介质层产生的激光束可以在由沟槽限定的至少一个突起中被限制为驻波。因此，半导体激光谐振器可以在期望的谐振模式下以期望的波长运行。再者，谐振模式可通过去除不期望的谐振模式或者分离期望的谐振模式与不期望的相邻谐振模式而被选择性地分离。再者，可以仅加强期望的谐振模式的强度。TE谐振模式或TM谐振模式可通过调整增益介质层中形成的沟槽的形状、数量、长度、方向或角度而调整。从增益介质层产生的激光束可通过在增益介质层外提供金属层或介电层而被有效地限制，金属层或介电层的折射率与增益介质层的折射率不同。包括沟槽的纳米级半导体激光谐振器可采用精细的图案化而制造，例如，电子束光刻、聚焦离子束(FIB)或KrF型光刻。
如上面所描述，容易控制谐振模式的半导体激光谐振器可用于各种领域。例如，超快、低功耗和紧凑芯片上光子集成电路(IC)可通过在纳米激光谐振器中实现光源而制造。再者，如果纳米激光谐振器用作光信号传输装置，则可实现高速数据传输。再者，能以高速度传输信号且解决加热问题的光学硅通孔(TSV)可得以实施。纳米激光谐振器可用作高精度、高速度的光学时钟源，以与互补金属氧化物半导体(CMOS)相兼容。
应理解，这里描述的示范性实施例应看作仅为描述的意思而不是用于限制的目的。每个示范性实施例内的特征或方面的描述应典型地看作适合于其它示范性实施例中的其它类似的特征或方面。
尽管已经参考附图描述了一个或多个示范性实施例，但是本领域的普通技术人员应理解，在不脱离如所述权利要求限定的精神和范围的情况下这里可进行形式和细节上的各种改变。
本申请要求于2015年9月30在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2015-0138004号的权益，其内容通过全文引用结合于此。

Claims (24)

1.一种半导体激光谐振器，配置为产生激光束，所述半导体激光谐振器包括：
增益介质层，包括半导体材料且包括由至少一个沟槽形成的至少一个突起以在所述增益介质层的上部中突出；
第一接触层，设置在所述增益介质层的第一表面上，其中所述至少一个沟槽延伸到所述第一接触层；
第二接触层，设置在所述增益介质层的第二表面上；以及
提供在所述增益介质层之外的金属层，所述金属层配置为限制从所述增益介质层产生的激光束，其中所述金属层提供为覆盖所述增益介质层的侧表面和所述第一接触层，
其中所述至少一个突起配置为将所述激光束限制为在所述至少一个突起中的驻波，
其中所述至少一个沟槽关于所述增益介质层的中心对称地形成且彼此连接。
2.如权利要求1所述的半导体激光谐振器，还包括提供在所述增益介质层和所述金属层之间的缓冲层，所述缓冲层配置为减轻从所述增益介质层产生的激光束的光学损耗。
3.如权利要求1所述的半导体激光谐振器，还包括提供在所述增益介质层之外的介电层，所述介电层配置为限制从所述增益介质层产生的激光束且使其折射率与所述增益介质层的折射率不同。
4.如权利要求1所述的半导体激光谐振器，其中所述增益介质层的下部配置为进一步将所述激光束限制在其中。
5.如权利要求1所述的半导体激光谐振器，其中所述增益介质层为圆柱形状或矩形形状。
6.如权利要求1所述的半导体激光谐振器，其中所述沟槽具有选自线形状、圆形形状、多边形形状和环形形状的至少一个平面形状。
7.如权利要求1所述的半导体激光谐振器，其中所述至少一个突起包括沿着所述增益介质层的外边缘设置的至少一个第一突起。
8.如权利要求7所述的半导体激光谐振器，其中所述至少一个突起还包括从所述至少一个第一突起向内设置的至少一个第二突起。
9.如权利要求1所述的半导体激光谐振器，其中所述增益介质层包括有源层。
10.如权利要求9所述的半导体激光谐振器，其中所述有源层包括III-V族半导体材料、II-VI族半导体材料和量子点的至少一个。
11.如权利要求9所述的半导体激光谐振器，其中所述增益介质层还包括设置在所述有源层的第一表面上的第一外覆层和设置在所述有源层的第二表面上的第二外覆层。
12.如权利要求1所述的半导体激光谐振器，其中所述第一接触层对应于所述至少一个突起。
13.如权利要求1所述的半导体激光谐振器，其中所述第一接触层和所述第二接触层具有与所述增益介质层的形状对应的形状。
14.一种半导体激光装置，包括：
基板；以及
半导体激光谐振器，提供在所述基板上且配置为通过吸收能量产生激光束，
其中所述半导体激光谐振器包括：
增益介质层，所述增益介质层包括半导体材料且包括由至少一个沟槽形成的至少一个突起以在所述增益介质层的上部中突出；
第一接触层，设置在所述增益介质层的第一表面上，其中所述至少一个沟槽延伸到所述第一接触层；
第二接触层，设置在所述增益介质层的第二表面上；以及
提供在所述增益介质层之外的金属层，所述金属层配置为限制从所述增益介质层产生的激光束，其中所述金属层提供为覆盖所述增益介质层的侧表面和所述第一接触层，
其中所述至少一个突起配置为将所述激光束限制为在所述至少一个突起中的驻波，
其中所述至少一个沟槽关于所述增益介质层的中心对称地形成且彼此连接。
15.如权利要求14所述的半导体激光装置，其中所述半导体激光谐振器还包括提供在所述增益介质层和所述金属层之间的缓冲层，所述缓冲层配置为减轻从所述增益介质层产生的激光束的光学损耗。
16.如权利要求14所述的半导体激光装置，其中所述半导体激光谐振器还包括提供在所述增益介质层之外的介电层，所述介电层配置为限制从所述增益介质层产生的激光束且使其折射率与所述增益介质层的折射率不同。
17.如权利要求14所述的半导体激光装置，其中所述沟槽具有选自线形状、圆形形状、多边形形状和环形形状的至少一个平面形状。
18.如权利要求14所述的半导体激光装置，其中所述至少一个突起包括沿着所述增益介质层的外边缘设置的至少一个第一突起。
19.如权利要求18所述的半导体激光装置，其中所述至少一个突起还包括从所述至少一个第一突起向内设置的至少一个第二突起。
20.如权利要求14所述的半导体激光装置，其中所述增益介质层包括有源层。
21.如权利要求20所述的半导体激光装置，其中所述有源层包括III-V族半导体材料、II-VI族半导体材料和量子点的至少一个。
22.如权利要求20所述的半导体激光装置，其中所述增益介质层还包括设置在所述有源层的第一表面上的第一外覆层和设置在所述有源层的第二表面上的第二外覆层。
23.如权利要求14所述的半导体激光装置，其中所述第一接触层和所述第二接触层具有与所述增益介质层的形状对应的形状。
24.如权利要求14所述的半导体激光装置，还包括电连接到所述第一接触层和所述第二接触层的多个电极。
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