CN110994358B - 电泵浦的切向偏振矢量光束激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体激光器技术领域，提出了一种电泵浦的切向偏振矢量光束激光器。该激光器的谐振腔腔体为支持横电模式回音壁模式的微柱或微环。包括上欧姆接触层、光栅层、上盖层、有源区、下盖层、下欧姆接触层和衬底。光栅层位于微柱腔的顶部，不包含有源区，光栅层上设有刻蚀深度的厚度不超过400纳米的浅刻蚀光栅，上盖层位于光栅层下方，厚度为几百纳米。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单模工作和面发射输出，输出为切向偏振的矢量光束。本发明具有小体积、低成本、易于集成二维阵列、单模工作、阈值电流低、输出光易与光纤耦合、可以在不同的材料体系上实现、制作简单等诸多优点。

Description

电泵浦的切向偏振矢量光束激光器

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，涉及一种电泵浦的单模工作的切向偏振矢量光束激光器。

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。

结构光等复杂光场因其在光通信、光交互、光成像尤其是在量子通信方面探索光的空间自由度等方面广泛的应用广泛的关注。矢量光束作为一种特殊的结构光，具有空心形状圆对称的光场分布，主要为径向偏振和切向偏振矢量光束。

为满足日益增长的带宽和通信安全的需求，柱矢量光束有望在传统和量子系统的数据传输中承担重要的角色。现在已有报道在光子集成中无源芯片可以产生矢量光束(Cai,X.et al.Integrated compact optical vortex beam emitters.Science 338,363–366,2012)。但是无源芯片需要额外的激光器来工作，这将增加系统的成本和复杂度。近来，有报道在半导体芯片上近红外光通信波段上实现矢量光束激光器(Miao,P.et al.Orbitalangular momentum microlaser.Science 353,464–467,2016)。但是，该激光器只能进行光泵浦，这就限制了其在通信中的应用。还有报道利用典型电泵浦激光器和光发射器件单片集成在一起实现径向偏振矢量光束激光器(Zhang,J.et al.An InP-based vortex beamemitter with monolithically integrated laser.Nat.Commun.9,2652，2018)。这样，器件的体积将会增大，同时制作比较困难，成本较高。

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.Fujita,et al.,"Continuous wave lasing inGaInAsP microdisk 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。

针对以上应用需求同时克服以上困难，这里我们提出了一种采用回音壁微腔实现电泵浦的可以有小体积且可以高度集成的单个光结构实现的面发射切向偏振矢量光束激光器。

技术内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种电泵浦的切向偏振矢量光束激光器，以克服上述缺陷和不足。

为解决上述技术问题，本发明提出的电泵浦的切向偏振矢量光束激光器，所述激光器的谐振腔为能支持回音壁模式作为激光器的谐振模式的微腔；所述微腔包括光栅层、上盖层、有源区和下盖层；

下欧姆接触层连接所述微腔的顶部，用于电流注入，其外沿位于所述微腔外沿之内，用于避免给激光器工作的回音壁模式带来额外损耗；

所述光栅层位于所述微柱腔的顶部，不包含有源区，所述光栅层设有浅刻蚀光栅，所述光栅层通过光栅对光场进行散射形成激光器垂直方向的输出；光栅刻蚀深度的厚度不超过400纳米；

所述上盖层位于所述光栅层下方，上盖层一般比较薄，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；上盖层的厚度为几百纳米；

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，所述有源区采用压应变的量子阱材料，使激光器的工作模式为TE模式即其主要电场平行于有源区平面；

所述下盖层位于所述有源区下部、下欧姆接触层之上；下欧姆接触层位于衬底之上。

所述微柱腔内TE回音壁模式的径向电场和切向电场分量的分布分别类似直波导的基膜和高阶模，光栅位于光栅层靠近微腔外边缘位置，该位置只对应回音壁模式切向分量分布的非零点部分区域。

所述光栅为二阶光栅，可以选择与光栅周期数M相等的角量子数m＝M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，激光器为单模激光器。

所述光栅为二阶光栅，对所选回音壁模式进行垂直散射，输出光为切向偏振矢量光束。

所述输出光与少模光纤中TE₀₁模式进行耦合。

所述激光器出光方向为垂直方向，激光器为面发射激光器，进行二维阵列集成。

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优化反射镜的位置来控制。

广泛地，该激光器可以容易实现在不同波段上，包括近红外的光通信波段。

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)，本发明的电泵浦的切向偏振矢量光束激光器同样基于TE模式的激光器，但是制作简化很多。前述专利中激光器需要两组二阶光栅分布实现选模和垂直输出，本专利中激光器不需要在微柱侧面刻蚀光栅或缺陷而只靠一种浅刻蚀二阶光栅(未刻蚀有源区)就可以选出合适的模式并对其进行有效输出，而前述专利的二阶光栅刻蚀区域进入了有源区。另外，前述专利激光器输出为径向偏振矢量光束，而本专利中激光器输出为切向偏振矢量光束。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、输出光为易于与光纤耦合的切向偏振的矢量光束、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是激光器的剖面示意图。

图3(a)是TE回音壁模式的径向电场分量图；图3(b)和是TE回音壁模式的切向分量图。

图4是光栅作用于微腔时M＝84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5(a)是m＝M＝84的反对称模式对应的光栅上方的输出光场的近场电场的分布图；图5(b)是m＝M＝84的反对称模式对应的光栅上方的输出光场的近场电场横轴分量分布图；图5(c)是m＝M＝84的反对称模式对应的光栅上方的输出光场的近场电场纵轴分量分布图。

图6(a)是m＝M＝84的反对称模式对应的光栅上方的输出光场的远场电场的分布图；图6(b)是m＝M＝84的反对称模式对应的光栅上方的输出光场的远场电场横轴分量分布图；图6(c)是m＝M＝84的反对称模式对应的光栅上方的输出光场的远场电场纵轴分量图。

具体实施方式

下面是本发明的提出电泵浦的切向偏振矢量光束激光器。激光器的示意图如图1所示。

激光器的谐振腔为微柱或微环等微腔，该微腔能支持TE回音壁模式作为激光器的谐振模式。激光器采用nip外延结构来实现。微腔包括N欧姆接触层1、上盖层2、有源区3、下盖层4、P欧姆接触层5、衬底6、光栅层7。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N欧姆接触层1连接微腔的顶部，用于电流注入，其外沿位于微腔外沿之内，用于避免给激光器工作的回音壁模式带来额外损耗；

光栅层7位于微腔的顶部、上盖层之上，光栅层7上设有光栅8。光栅的周期数M等于所述微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。光栅位于微腔外边沿的特定位置，只对应TE回音壁模式的部分区域，可以对光场进行散射形成激光器垂直方向的输出同时可以选择特定模式为激光器的工作模式；由于TE回音壁模式中径向电场和切向电场分量的分布分别类似于直波导中的基膜和高阶模，而所选模式输出主要为切向偏振光束，为得到理想的矢量光束，二阶光栅位于只对应TE回音壁模式切向电场分量的靠外边沿的部分区域。

上盖层2位于光栅层7下方，不同于常规微腔上盖层有两微米左右，这里上盖层比较薄，只有几百纳米，这样光栅可以与有源区进行耦合作用。同时，上盖层的厚度还可以控制所述光栅与回音壁模式作用的大小，从而控制激光器输出的大小；为使光栅与微腔的WG模式有效作用，光栅层与有源区域的间距即上盖层2的厚度比较薄，较优的，为一百多纳米。

所述有源区3位于所述上盖层2下方，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，用来给所述激光器提供增益，所述有源区采用压应变的量子阱材料，使激光器的工作模式为TE模式即其主要电场平行于有源区平面；

下盖层4位于所述有源区3的下部、衬底6之上。

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。光栅刻蚀深度比较小，不超过400nm。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 DBRlasers with first-order surface gratings fabricated using CAIBE,"IEEEPhoton.Technol.Lett.,vol.9,no.11,pp.1445-1447,Nov.1997.)。N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，这一点与我们之前的专利(专利申请号201610031840.3)类似的结构。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。

这里采用的是与我们之前的专利(专利申请号201610864498.5)类似的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。

光栅位于光栅层7上靠近微腔外侧边的位置，只对应TE回音壁模式中切向电场分量的靠外边沿的非零点区域。光栅的周期数M等于所述微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，可以对光场进行散射形成激光器垂直方向的输出同时可以选择特定模式为激光器的工作模式。选模原理与文章(X.Ma,et.al.,“Single-mode surface-emitting microcylinder/microring laser assistedby a shallowly-etched top gratings,”Optics Express,vo.27,no.15,pp.21729-21740,2019)中类似，不同之处在于光栅的刻蚀区域的大小。上述文章中光栅刻蚀区域包含了TE回音壁模式中切向电场分量的全部区域，包含了零点，影响了光束的质量。本发明中光栅只对应TE回音壁模式中切向电场分量的靠外边沿的部分区域，不带有零点的部分。因此激光器为单模面发射切向偏振矢量光束激光器，可以进行二维阵列集成。

具体地，根据TE WGM模式的在腔体中的分布位置设计光栅的位置。TE回音壁模式中径向电场和切向电场分量的分布分别类似于直波导中的基膜和高阶模。所选模式输出主要为切向偏振光束，几乎干涉相消掉径向电场分量。WGM模式的切向电场分量分两瓣，中间有一个零点，为得到理想的切向偏振矢量光束，光栅位于对应两瓣WGM模式切向分量的其中靠外边沿强度较强的一瓣的位置,如图3(b)所示。这样输出光束的圆环中不再带有零点。

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偏振的电场，由之后计算的输出场分布可知该模式的输出是理想的切向偏振矢量光束。

m＝M时，对称模式的径向散射场是干涉相涨的，切向散射场是干涉相消的；对于m＝M的反对称模式其径向场的输出是干涉相消的，而切向场是干涉增强的；对于m≠M的模式仍然间并，并且对径向和切向分量都有散射，且介于两个分裂模式之间。又因为WGM模式的切向分量小于径向分量，如图3(a)、(b)所示，因此反对称模式的品质因子最大的，成为激光器的激射模式。激射模式的品质因子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，从而控制激光器的输出功率。原理与文章(X.Ma,et.al.,“Single-mode surface-emittingmicrocylinder/microring laser assisted by a shallowly-etched top gratings,”Optics Express,vo.27,no.15,pp.21729-21740,2019)中类似。

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。在电泵浦的切向偏振矢量光束激光器的情况，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。

下面说明一个本发明公开的一种电泵浦的切向偏振矢量光束激光器的具体实施例。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，微柱腔体的外半径R为6μm；欧姆接触层圆盘半径为4.5μm，厚度为0.15μm；上、下盖层为InP材料，厚度分别为0.1μm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0.388μm。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84附近，光栅的周期数M取为84，光栅层与上盖层一共厚度为0.5μm，光栅横向长度为0.3μm。激光器是截面示意图如图2所示。

根据TE WGM模式的在腔体中的分布位置如图3(a)、(b)所示设计光栅的位置。WGM模式的切向偏振分量分两半，中间有一个零点，为得到理想的切向偏振矢量光束，光栅位于对应两半WGM模式切向分量的其中一半的位置,如图3(b)所示。

首先考虑基于光栅的微柱腔的一般情况。假定光栅层的厚度为0.4μm，光栅的占空比为0.5。图4显示的是M＝84附近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84分裂的两个模式的品质因子之间，这个和本发明前述的理论分析是吻合的。为了优化激光器激射模式的品质因子，我们计算了在光栅层和上盖层厚度共为0.5μm情况下，光栅层厚度变为0.3,0.35和0.45μm时的激射模式(m＝84的反对称模式)的品质因子做对比，结果如图4所示。可见，光栅层厚度可以影响激光器的输出功率，在实际制作中可以通过控制光栅层的厚度来控制模式的品质因子，进而可以控制其输出功率的大小。

对于m＝M＝84的反对称模式在光栅上方输出场的近场和远场的电场图及其横、纵分量如图5和6所示。反对称模式的输出场主要是切向偏振的，输出场是圆对称的。由图5、图6可知，输出光束中圆环不带有零点，是理想的切向偏振矢量光束激光器。

综上所述，本发明提出了一种电泵浦的切向偏振矢量光束激光器。该激光器通过微腔顶上刻蚀的二阶光栅来进行有效选模，同时对所选模式形成垂直输出，输出光为切向偏振矢量光束。本发明的激光器方案具有单模特性良好、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，本具体的光栅辅助的电泵浦的切向偏振矢量光束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 (8)

1.一种电泵浦的切向偏振矢量光束激光器，其特征在于，所述激光器的谐振腔为能支持TE回音壁模式作为激光器的谐振模式的微柱腔；所述微柱腔包括光栅层、上盖层、有源区和下盖层；上欧姆接触层连接所述微柱腔顶部，用于电流注入，其外沿位于所述微柱腔外沿之内，用于避免给激光器工作的回音壁模式带来额外损耗；

所述光栅层位于所述微柱腔的顶部，不包含有源区，所述光栅层上设有浅刻蚀光栅，所述光栅层通过光栅对光场进行散射形成激光器垂直方向的输出；光栅刻蚀深度的厚度不超过400纳米；

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；上盖层的厚度为几百纳米；

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，所述有源区采用压应变的量子阱材料，使激光器的工作模式为TE模式即其主要电场平行于有源区平面；

所述下盖层位于所述有源区下部、下欧姆接触层之上；下欧姆接触层位于衬底之上；

所述微柱腔内TE回音壁模式的径向电场和切向电场分量的分布分别类同于直波导的基膜和高阶模，光栅位于光栅层靠近微柱腔外边缘位置，该位置只对应回音壁模式切向分量分布的非零点部分区域。

2.根据权利要求1所述的电泵浦的切向偏振矢量光束激光器，其特征在于，所述光栅为二阶光栅，可以选择与光栅周期数M相等的角量子数m＝M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。

3.根据权利要求1所述的电泵浦的切向偏振矢量光束激光器，其特征在于，所述光栅为二阶光栅，对所选回音壁模式进行垂直散射，输出光为切向偏振矢量光束。

4.根据权利要求3所述的电泵浦的切向偏振矢量光束激光器，其特征在于，所述输出光与少模光纤中TE₀₁模式进行耦合。

5.根据权利要求3所述的电泵浦的切向偏振矢量光束激光器，其特征在于，所述激光器出光方向为垂直方向，激光器为面发射激光器，进行二维阵列集成。

6.根据权利要求1所述的电泵浦的切向偏振矢量光束激光器，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，以提高激光器的电流注入效率。

7.根据权利要求1所述的电泵浦的切向偏振矢量光束激光器，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反射镜的位置来控制。

8.根据权利要求1所述的电泵浦的切向偏振矢量光束激光器，其特征在于，所述激光器能实现在不同波段上，包括近红外光通信波段。

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