CN108054633B - 单模面发射oam激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体激光器技术领域，提出了一种单模面发射轨道角动量激光器。该激光器的谐振腔腔体为支持回音壁模式的微柱、微环或微盘结构。激光器腔体外侧面刻蚀光栅或缺陷能选出有特定角量子数的回音壁模式成为激光器的激射模式，顶上光栅对所选模式垂直散射输出，该输出为带涡旋相位的行波模式即OAM模式。顶上光栅位于光栅层靠近微柱外侧边的位置，包含两组光栅分别调制模式有效折射率的实部和虚部从而形成行波模式的散射输出。该激光器的腔体积小，损耗低，因此可实现超高速调制。本发明具有体积小、检测方便、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、能在不同的材料体系上实现等诸多优点。

Description

单模面发射OAM激光器
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，涉及一种单模面发射OAM激光器。
背景技术
随着通讯行业的飞速发展，大数据、云计算、物联网等对通信容量的需求成指数增长趋势。
电磁波角动量包括自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)两部分。其中SAM与光子旋转相关，仅有两个正交状态。OAM则与光子波函数空间分布相关，具有“涡旋电磁波”的基本属性，表现为具有涡旋状等相位并且沿涡旋线传播。OAM光束具有涡旋型相位分布和环形空心强度分布。涡旋电磁波中每个光子携带l的轨道角动量，光场分布包含相位exp(ilθ)，不同拓扑荷l的OAM模式是正交的，是除传统平面波的频率幅度相位和偏振态四个维度以外添加的一个新的维度-轨道角动量。OAM光束可以用于光通信，因为它每一个不同的l对应不同的编码状态和不同的信息通道有望成倍提升无线通信系统容量和频谱效率。OAM光束应用很广泛，比如光学显微镜，光量子通信，光量子操控等。
产生OAM光束的传统方法是利用螺旋相位板、全息光栅或空间光调制器等相位元件，近年来也有在硅基上制作产生OAM光束的无源器件(X.Cai,et al.,“Integratedcompact optical vortex beam emitters,”Science 338,363–366，2012.)。由于无源器件本身的限制，需要额外添加光源，增加了器件的成本，其发展受限。也有产生OAM的有源器件，在垂直腔面发射激光器的基础上添加相位板制作形成(H.Li，X.Cai and et al.,“Orbital angular momentum vertical-cavity surface-emitting lasers,”Optica.2,pp.547–552，2015.)其制作不能用常规半导体器件制作步骤形成。还有就是利用水平腔-微环腔，在腔顶上形成折射率调制光栅来选出行波模式，再利用侧壁刻蚀小占空比的二阶光栅进行输出OAM光束(P.Miao,L.Feng,et al.,“Orbital angular momentum microlaser,”Science 353,464–467，2016)。但其不能用电泵浦，而且有源区暴露在表面，表面复合会非常严重，影响激光器的性能。
我们之前提出了一种光栅辅助的微柱腔面发射激光器(专利申请号201610031840.3)，该激光器为单模工作、面发射、输出径向偏振光束、并且可以实现高速调制。其结构为压应变量子阱材料、以TE模式为激射模式的激光器。这种能产生OAM的单模面发射激光器将具有极大的应用潜力和价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种单模工作的面发射OAM激光器，克服现有的产生OAM器件的各种不足。
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种单模面发射OAM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，该形状能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，所述顶部欧姆接触层的外沿位于所述微柱外沿之内，以避免给激光器的工作模式造成额外损耗；
优化的，在所述有源区附近的特定区域形成高阻区；所述高阻区的形成方式本申请人提交的专利申请号201610031840.3公开的在先专利相同或近似。该高阻区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。
可选的，顶上光栅位于所述光栅层上靠近微柱外侧边的位置，包括两套二阶光栅，即实部光栅和虚部光栅，所述实部光栅调制模式的有效折射率的实部，所述虚部光栅调制模式的有效折射率的虚部，用以对光场散射形成垂直方向的OAM模式输出。
优选的，所述顶上光栅实部光栅和虚部光栅的调制振幅相等，从而使得光场在与光栅耦合作用时顺时针或逆时针只有一个方向的光可以通过，从而光栅垂直散射出的光场为行波。
所述顶上光栅周期数为M，两组光栅同时作用可以对激光器中角量子数m的模式进行散射形成(m-M)阶的OAM行波模式输出。
所述光栅产生的输出场对圆周角
Figure BDA0001498680560000032
的依赖将主要包含如下分量：
Figure BDA0001498680560000031
其中输出光栅周期数为M，激光器工作的回音壁模式的角量子数为m。
可选的，所述顶上光栅的两组二阶光栅周期数为M，该光栅形成实部调制的一组可以通过刻蚀光栅层区域的材料形成，其中光栅层的材料可以与上盖层材料相同，也可以是沉积的电介质材料等。而另一组调制折射率虚部的光栅可以通过沉积金属等损耗材料形成对模式的吸收损耗等从而调制模式折射率的虚部。
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；
可选的，上盖层的厚度可以改变，可通过调整上盖层的厚度从而控制激光器的输出效率。
有源区位于所述上盖层下方，用来给所述激光器提供增益，可以是半导体体材料、量子阱、量子线、量子点、量子级联等结构；
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。
优选的，在所述激光器的微柱腔的侧面刻蚀二阶光栅或者缺陷等可以选择与光栅周期数N相等的角量子数m＝N的一个回音壁模式作为激光器的激射模式，有源区内为驻波模。这样激光器单模工作。
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，所述激光器可以是TE模式为主的激光器，即主要电场分量平行于有源区，输出是径向偏振的OAM；也可以是TM模式为主的激光器，即主要磁场分量平行于有源区，输出是切向偏振的OAM。
可选的，所述激光器是TE模式的激光器，该TE模式的激光器的微柱的外径大于等于一定的临界值，尤其是对于上下盖层与有源区折射率相差不大即弱限制的情况下，只有微柱半径足够大才能够使所述微柱的回音壁模式向衬底的辐射损耗为忽略不计获得低损耗，否则腔体损耗比较大；或者，
所述TE模式的微柱的外径小于所述临界值，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。
可选的，所述激光器是TM模式的激光器，该激光器的微柱的外径不受限制。
本发明通过在激光器微柱腔的顶部添加两组不同的二阶光栅分别调制模式有效折射率的实部和虚部实现光栅散射光方向的选择，形成行波模式的输出。另外由于微柱腔内回音壁模式谐振的存在，使得散射输出的光场带有涡旋相位形成OAM光束。再加上在微柱腔的侧面刻蚀光栅或者缺陷对激光器进行选模，选出唯一的一个驻波模式激射，形成了单模OAM激光器。通过三套二阶光栅共同作用，形成了一个单模工作的面发射OAM激光器。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、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，可以提高通讯容量等诸多优点。
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M＝84，N＝85的OAM激光器的光谱图。
图4是M＝84，N＝85的OAM激光器的输出近场光场图。
图5是N＝85，M为N附近数值情况下的OAM激光器的传播方向的输出相位图。
具体实施方式
下面是本发明的单模面发射OAM激光器。激光器的示意图如图1所示。1代表N欧姆接触层，2代表光栅层，3代表上盖层，4代表有源区域，有源区域4通常包括量子阱区域以及上、下光限制层，5代表下盖层，6代表P欧姆接触层，7代表衬底，8代表顶上光栅中的实部光栅，9代表顶上光栅中的虚部光栅。
激光器的谐振腔为微柱，微柱使激光器的谐振模式为回音壁模式；微柱的顶部设有N欧姆接触层1和光栅层2，P欧姆接触层位于下盖层5下；N欧姆接触层1用于电流注入，N欧姆接触层1的外沿位于微柱外沿之内，用以避免给激光器的工作模式造成额外损耗；上盖层3位于光栅层2下方，用来控制光栅层2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4于上盖层3下方，用来给所述激光器提供增益，可以是半导体体材料、量子阱、量子线、量子点、量子级联等结构；下盖层5位于所述有源区之下的微柱下部。N欧姆接触层1的外沿位于微柱外沿之内，以避免给激光器的工作模式造成额外损耗。没有有源区的话，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。
顶上光栅位于光栅层2上靠近微柱外侧边的位置，包括两组二阶光栅，即实部光栅8和虚部光栅9，分别调制模式有效折射率的实部和虚部，用以对光场散射形成垂直方向的OAM模式输出。为使两套光栅对模式折射率的调制幅度相等，可选的两套光栅可以是占空比0.25，相位差为π/2的奇数倍，这样实、虚折射率光栅联合作用可以对光场散射出行波模式，并形成垂直方向的输出。
具体地，折射率的实部调制采用的是InP未被刻蚀部分(如占空比0.25)来提高折射率的实部。实部光栅刻蚀深度比较小，比如0.2微米。这里的虚部调制采用的剥离金属如锗(Ge)。顶上光栅中的两组二阶光栅分别调制模式有效折射率的实部和虚部，并且调制的幅度相等，从而使得光场在与光栅耦合作用时顺时针或逆时针只有一个方向的光可以通过，从而光栅垂直散射出的光场为行波。周期数为M，两组光栅同时作用可以对激光器中角量子数m的模式进行散射形成(m-M)阶的OAM行波模式输出。
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如图1中结构3的厚度，一般控制的比较薄，比如说0.3微米左右。
在激光器的微柱腔的侧面刻蚀二阶光栅可以选择与光栅周期数N相等的角量子数m＝N的一个回音壁模式作为激光器的激射模式，有源区内为驻波模。这样激光器可以单模工作，形成单模激光器。
光栅产生的输出场对圆周角
Figure BDA0001498680560000062
的依赖将主要包含如下分量：
Figure BDA0001498680560000061
其中顶上光栅周期数为M，激光器工作的回音壁模式的角量子数为N，该模式为侧面光栅所选出的模式。
下面结合一个具体实施例对本发明公开的一种单模OAM激光器进行完整详细的说明。具体结构如图1所示，微柱腔外半径为6μm，N欧姆接触层半径为4.5μm，上、下盖层为InP材料，厚度分别为0.3μm和1.5μm，衬底也是InP材料，有源区为多压应变量子阱和上下光限制层，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1.31μm附近的WGM，其顶上光栅的周期数M取为84，实部光栅的刻蚀深度假定为0.2μm，虚部光栅假设为45nm的Ge材料。两套二阶光栅的占空比均为0.25，光栅长度为1μm。侧面光栅的角量子数在85，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2中。该激光器为TE模式为主的激光器，即主要电场分量平行于有源区。
对于M＝84，N＝85的OAM激光器的光谱图如图3所示，图中可以看出激光器在增益谱范围内有较好的单模特性，证明了激光器是单模工作的。输出近场电场图如图4所示。输出光场强度是圆对称的，而Ex和Ey分量是沿x方向分成两半和沿y方向分成两半的，可以说明输出是径向偏振的输出光束。
对于N＝85，M为83到87对应的OAM激光器输出的传播方向上的传输电场相位如图5所示。从左到右，从上到下分别是-2、-1、0、1、2阶OAM激光器输出的涡旋相位。在沿圆周方向分别有2、1、0、1、2个相位周期的变化，片匹配OAM的阶数。
综上所述，本发明提出了一种单模OAM面发射激光器。该激光器利用顶上两种不同折射率调制的二阶光栅对光束进行散射输出行波OAM光束，再加上微柱侧面刻蚀二阶光栅对激光器进行选模作用，使得激光器为单模工作面发射OAM激光器。本发明的激光器方案具有体积小、单模特性良好、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OAM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、占空比做具体限定。
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 (8)

1.一种单模面发射OAM激光器，其特征在于，所述激光器的谐振腔为微柱，所述微柱使激光器的谐振模式为回音壁模式，所述激光器是TM模式的激光器，该TM模式的激光器微柱的外径不受限制；
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；
顶上光栅位于所述光栅层上靠近微柱外侧边的位置，包括两组二阶光栅即实部光栅和虚部光栅，所述实部光栅调制模式的有效折射率的实部，所述虚部光栅调制模式的有效折射率的虚部，用以对光场散射形成垂直方向的OAM模式输出；
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；
在所述激光器的微柱的侧面光栅选择与光栅周期数N相等的角量子数m＝N的一个回音壁模式作为激光器的激射模式，有源区内为驻波模。
2.根据权利要求1所述的单模面发射OAM激光器，其特征在于，在所述有源区中心附近的特定区域形成高阻区，以提高电流注入效率。
3.根据权利要求1所述的单模面发射OAM激光器，其特征在于，所述顶上光栅实部光栅和虚部光栅的调制幅度相等。
4.根据权利要求3所述的单模面发射OAM激光器，其特征在于，所述实部光栅和虚部光栅的周期数均为M，以对激光器中角量子数m的模式进行散射形成(m-M)阶的行波OAM模式输出。
5.根据权利要求4所述的单模面发射OAM激光器，其特征在于，所述实部光栅和虚部光栅产生的输出场均对圆周角
Figure FDA0002287744290000011
的依赖包含如下分量：
Figure FDA0002287744290000012
。
6.根据权利要求1所述的单模面发射OAM激光器，其特征在于，所述激光器是TE模式的激光器，所述TE模式的激光器微柱的外径大于等于一定的临界值，所述临界值为：微柱半径大于该临界值时，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TE模式的微柱的外径小于所述临界值，则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所述的单模面发射OAM激光器，其特征在于，所述光栅为矩形光栅、梯形光栅、三角形光栅或正弦光栅。
8.根据权利要求1所述的单模面发射OAM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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