CN112467516B - 一种面发射oam光束的分布反馈激光器及其调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面发射OAM光束的分布反馈激光器及其调制方法，属于半导体激光器领域，其谐振腔为FP腔，且其谐振模式为FP振荡的驻波形式；从下至上依次包括：N型衬底、下波导层、有源层、上波导层、上内包层以及上包层；有源层用于为激光器提供增益；在激光器的注入电流的作用下，有源层内的电子、空穴复合，辐射出光子，形成光场；上波导层和下波导层用于限制注入电流和光场；上内包层内刻写有选模光栅和耦合结构；选模光栅用于实现模式选择；耦合结构用于实现波导模式到目标OAM模式的耦合，形成垂直出射的OAM光束；上包层用于限制激光器横模的模场并限制载流子的注入区域。本发明能够在激光器腔内光产生OAM光束，并实现对OAM光束强度的快速调制。

Description

一种面发射OAM光束的分布反馈激光器及其调制方法

技术领域

本发明属于半导体激光器领域，更具体地，涉及一种面发射OAM光束的分布反馈激光器。

背景技术

电磁波的角动量分为两个部分，即自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)。SAM与圆偏振态有关，简单地说，光的SAM状态可以被理解为左圆偏振状态或右圆偏振状态。基于不同的自旋角动量状态，可以实现动态可变的光束、全息图、不对称传输等。

OAM光束在20世纪90年代首次被发现，之后便掀起来了广泛的研究热潮，这种光束在传播轴上具有exp(ilθ)形式的相位剖面，其中l和θ分别代表OAM的拓扑荷数和方位角。具有不同l值的OAM模态本质上是正交的，彼此是可分离的。这种光束在沿传播轴方向上会形成环形强度分布。近年来，基于OAM光束的各种应用研究技术层出不穷，包括高速光通信、光镊、量子信息处理等。

现有的产生OAM光束的方法主要分为两种类型：间接产生和直接产生。间接产生主要是利用外部光源结合特性的相位调制方法实现。传统方法是利用螺旋相位板、全息光栅、空间光相位调制器或者超表面结构对高斯光源进行相位调制，从而产生不同拓扑状态的OAM光束。当然，近年来也报道了在硅片或者绝缘衬底的硅(SOI)芯片上利用导模与辐射模耦合机制产生OAM光束的无源器件。但是，此类基于无源器件间接生成OAM光束都需要额外的外部光源，不仅增加了器件成本，同时也无法提高器件集成度，这就使得能够直接生成OAM光束的集成光源变得尤为重要。鉴于此，学者们提出了很多直接产生OAM光束的方案，有研究通过在垂直腔面发射激光器(VCSEL)的出光面上制作螺旋相位板来调制VCSEL激射的高斯光，实现OAM光输出(H.Li,et al."Orbital angular momentum vertical-cavitysurface-emitting lasers."Optica 2,547-552,(2015))。还有通过级联脊波导型分布反馈激光器(DFB)与微环腔，在微环腔上制作光栅结构，一方面通过DFB的光源注入耦合到微环腔生成回音壁模式(WGM),另一方面通过光栅将WGM耦合成垂直的OAM行波模式(J.Zhang,et al."An InP-based vortex beam emitter with monolithically integratedlaser."Nature communications 9,1-6,(2018))。

由于上述的产生OAM光束的技术方案都是在激光器腔外实现的，他们都需要首先产生光源然后再通过集成的外部结构来实现OAM光输出，这导致器件尺寸相对较大，结构工艺复杂，效率低，且很难做到较高的调制速率。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种面发射OAM光束的分布反馈激光器，其目的在于，在分布反馈激光器腔内直接耦合形成OAM光束，以解决现有的OAM光束产生方法导致器件尺寸大、结构工艺复杂、效率、调制速率受限的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种面发射OAM光束的分布反馈激光器，其谐振腔为FP腔，且其谐振模式为FP振荡的驻波形式；激光器从下至上依次包括：N型衬底、下波导层、有源层、上波导层、上内包层以及上包层；

有源层用于为激光器提供增益；在激光器的注入电流的作用下，有源层内的电子、空穴复合，辐射出光子，形成光场；

下波导层和上波导层用于限制注入电流和光场；

上内包层内刻写有选模光栅和耦合结构；选模光栅具有周期性变化的折射率，用于实现模式选择；耦合结构用于实现波导模式到目标OAM模式的耦合，形成垂直出射的OAM光束；

上包层用于限制激光器横模的模场并限制载流子的注入区域，其厚度大于其余各层的厚度。

本发明通过在上内包层中刻写选模光栅和耦合结构，前者通过折射率调制实现模式选择，后者用于实现波导模式到目标OAM模式的耦合，形成垂直出射的OAM光束，因此，本发明能够直接在分布反馈激光器的腔内形成OAM光束，无需使用外部结构，能够有效解决现有的OAM光束产生方法导致器件尺寸大、工艺复杂、效率、调制速率受限的技术问题。

进一步地，耦合结构为叉状光栅。

进一步地，叉状光栅的形状满足如下表达式：

H_fork＝A²+B²+2ABcos(n_DFBkx-lθ)；

其中，A和B分别为目标OAM模式和波导模式的振幅，n_DFB为激光器波导模式的有效折射率，k为真空波矢，x为光场传播距离，l为拓扑荷数，θ为方位角，H_fork表示波导模式和目标OAM模式形成的叉状干涉光场强度分布。

进一步地，上包层的外围填充有介电材料和SiO₂，介电材料的介电常数低于预设的阈值。

本发明中，上包层的外围填充有低介电常数的介电材料和SiO₂，能够进一步降低电容，提高调制速率。

进一步地，上内包层之上的各层均未遮挡耦合结构，由此能够提供充分的出光口，获得高耦合效率的OAM光束。

进一步地，耦合结构刻写于上包层的中间位置。

进一步地，在N型衬底之下还包括N型电极；在上包层之上还依次包括欧姆接触层和P型电极。

进一步地，在N型衬底和下波导层之间还包括：下包层，该层为一层缓冲层，用来弥补衬底缺陷和进一步限制光场。

按照本发明的另一个方面，提供了上述面发射OAM光束的分布反馈激光器的调制方法，包括：

在激光器上加上偏置直流电流得到稳定的光输出，同时加载正弦交流信号，从而控制激光器的注入电流的大小，以控制OAM光束的功率大小，从而实现对OAM光束的强度调制。

本发明直接控制激光器注入电流的大小，即可实现对OAM光束的强度调制，能够为高速空分复用数据传输技术提供高可靠激光光源。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明通过在上内包层中刻写选模光栅和耦合结构，前者通过折射率调制实现模式选择，后者用于实现波导模式到目标OAM模式的耦合，形成垂直出射的OAM光束，因此，本发明能够直接在分布反馈激光器的腔内形成OAM光束，无需使用外部结构，能够有效解决现有的OAM光束产生方法导致器件尺寸大、工艺复杂、效率、调制速率受限的技术问题。

(2)本发明直接控制激光器注入电流的大小，即可实现对OAM光束的强度调制，能够为高速空分复用数据传输技术提供高可靠激光光源。

附图说明

图1为本发明实施例提供的面发射OAM光束的分布反馈激光器的三维结构示意图；

图2为本发明实施例提供的面发射OAM光束的分布反馈激光器的剖面示意图；

图3为本发明实施例提供的面发射OAM光束的分布反馈激光器的顶部俯视面示意图；

图4为本发明实施例提供的叉状光栅平面结构的示意图；

图5为本发明实施例提供的面发射OAM光束的分布反馈激光器输出的OAM光束的远场光场图；其中，(a)为光场强度分布示意图，(b)为光场相位分布示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为N型电极层、2为N型衬底、3为下包层、4为下波导层、5为有源层、6为上波导层、7为上内包层、8为上包层，9为欧姆接触层，10为P型电极层，11为耦合结构，12为选模光栅。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

实施例1：

一种面发射OAM光束的分布反馈激光器，其谐振腔为FP腔，且其谐振模式为FP振荡的驻波形式；

如图1和图2所示，激光器从下至上依次包括：N型电极层1、N型衬底2、下包层3、下波导层4、有源层5、上波导层6、上内包层7、上包层8、欧姆接触层9以及P型电极层10；

N型衬底2作为整个激光器的衬底层，同时也是一层欧姆接触层；

N型电极层1和P型电极层10用于实现电流注入；

有源层5用于为激光器提供增益；在激光器的注入电流的作用下，有源层5内的电子、空穴复合，辐射出光子，形成光场；有源层5具体可以是半导体材料、量子阱、量子线、量子点、量子级联等结构；

下波导层4和上波导层6用于限制注入电流和光场，以改善激光器远场特性；下波导层4和上波导层6的折射率分布可以是渐变的，也可以是突变的；

上包层8的厚度大于其余各层的厚度，以有效降低结电容和非辐射复合；上包层8用于限制激光器横模的模场，以减小光场远场发散角，并限制载流子的注入区域，以避免严重的侧向扩散；下包层3为一层缓冲层，用于弥补衬底缺陷和进一步限制光场；

上内包层7内刻写有选模光栅12和耦合结构11；选模光栅12具有周期性变化的折射率，用于实现模式选择；耦合结构11用于实现波导模式到目标OAM模式的耦合，形成垂直出射的OAM光束；选模光栅12可以是均匀光栅、相移光栅、啁啾光栅等，光栅形状可以为矩形、梯形、三角形或正弦形等。

可选地，本实施例中，上包层8具体为脊波导，且厚度在微米量级，具体为2μm左右；作为一种优选的实施方式，为了进一步降低电容，挺高调制速率，本实施例中，上包层(8)的外围还填充有介电材料和SiO₂，介电材料的介电常数低于预设的阈值，介电材料具体是低介电常数材料苯并环丁烯(BCB)；在本发明其他的一些实施例中，也可以采用聚酰亚胺(Polymide)，氮化硅(SiN)等其他的低介电常数材料。

作为一种优选的实施方式，本实施例中，如图3和图4所示，耦合结构具体为叉状光栅11，且叉状光栅11刻写于上内包层7的中间位置，相应地，选模光栅12被分为两段，分别位于叉状光栅11的两侧；

叉状光栅11的形状满足如下表达式：

H_fork＝|E_OAM+E_waveguide|²＝A²+B²+2ABcos(n_DFBkx-lθ)；

其中，A和B分别为目标OAM模式和波导模式的振幅，n_DFB为激光器波导模式的有效折射率，k为真空波矢，x为光场传播距离，l为拓扑荷数，θ为方位角，H_fork表示波导模式和目标OAM模式形成的叉状干涉光场强度分布；E_OAM和E_waveguide分别表示目标OAM模式和波导模式的复振幅，具体表达式如下：

E_OAM＝Aexp(ilθ)；

E_waveguide＝Bexp(in_DFBkx)；

选模光栅12为光场模式调制光栅，其光栅周期为Λ，占空比为η；选模光栅12提供的周期性折射率不仅提供了布拉格反射效果，同时也影响往返光场模式的反馈，从而调节激光器的纵模特性；此外，光栅周期Λ也决定了激光器的激射波长λ_DFB，二者关系具体如下：

Λ＝mλ_DFB/2n_DFB；

其中，n_DFB为DFB激光器波导的有效折射率，m为光栅的阶次，正常情况下m为1；

本实施例中，上内包层7之上的各层均未遮挡耦合结构，由此能够提供充分的出光口，获得高耦合效率的OAM光束；如图1和图3所示，上包层8、欧姆接触层9以及P型电极层10相应被分为两段，且两段的间隔长度大于等于叉状光栅的长度。

本实施例在分布反馈激光器的上内包层设置了两种不同的光栅结构，即选模光栅和叉状光栅，前者对激光器纵向光场模式进行调控，后者将波导模式耦合成目标OAM模式，形成自由空间传播的OAM光束，使得激光器成为面发射的OAM激光器，因此，本实施例能够直接在分布反馈激光器的腔内形成OAM光束，无需使用外部结构，能够有效解决现有的OAM光束产生方法导致器件尺寸大、工艺复杂、效率、调制速率受限的技术问题。

应当说明的是，上述关于耦合结构的选择，及其在上内包层7之上的刻写位置，仅为本发明一种优选的实施方式，不应理解为对本发明唯一的限定，在本发明其他的一些实施例中，也可使用规则图形阵列结构、算法优化的不规则图形阵列结构等作为耦合结构，也可在上内包层7的任意位置刻写该耦合结构。

以下结合具体的结构参数对本实施例输出的OAM光束的质量进行说明。

如图1所示的分布反馈激光器，其谐振腔的腔长为250μm，整体侧向宽度为20μm；N型衬底2的材料为N型InP，厚度为100μm；下包层3的材料为N型InP，厚度为500nm；下波导层4的材料为AlGaInAs，厚度为100nm；有源层5为量子阱和量子垒交叠区域，材料为AlGaInAs，厚度为86nm；上波导层6的材料为AlGaInAs，厚度为100nm；上内包层7为光栅层，材料为P型InGaAsP，厚度为40nm；两边的选模光栅12长度均为115μm，光栅周期Λ为202nm，占空比η为0.5；叉状光栅11的长度与宽度相等，为10μm；上包层8为脊波导层，材料为P型InP，厚度为1.7μm，宽度为2μm；欧姆接触层9材料为P型InGaAsP，厚度为180nm；应当说明的是，本发明中，各层的材料及尺寸，不限于此处的描述；

激光器的激射波长为1310nm，波导有效折射率n_DFB＝3.34，OAM光束拓扑荷l＝1，由此可得叉状光栅的结构，具体如图4所示。

图5表示经过叉状光栅垂直耦合出来的远场OAM光束，其中的(a)表示OAM光束的的强度分布图，从中可以清晰的看到环形的强度分布，较好地展现了OAM光束质量。根据如下公式(I)～(II)，通过标准拉盖尔高斯光束与产生的OAM光束进行重叠积分，得出OAM光束的纯度可以达到89％。

在上式中，E_OAM为OAM的复振幅，E_LG为拉盖尔高斯光束的复振幅。式(5)中，

(x，y)表示笛卡尔坐标点，w表示光束的束腰，

为拉盖尔多项式，p表示径向标号，l为角向标号，也表示拓扑荷数，

为方位角。

图5中的(b)表示OAM光束的相位分布图，可以清晰看到螺旋型的相位分布图案，相位覆盖为2π，符合1阶OAM光束的特征。

实施例2：

一种面发射OAM光束的分布反馈激光器，本实施例与上述实施例1类似，所不同之处在于，其中不包括下包层3。

实施例3：

上述实施例1或实施例2提供的面发射OAM光束的分布反馈激光器的调制方法，包括：

在激光器上加上偏置直流电流得到稳定的光输出，同时加载正弦交流信号，从而控制激光器的注入电流的大小，以控制OAM光束的功率大小，从而实现对OAM光束的强度调制；

本实施例直接控制激光器注入电流的大小，即可实现对OAM光束的强度调制，能够为高速空分复用数据传输技术提供高可靠激光光源；

注入电流较小时，OAM光束的功率较低；注入电流较大时，OAM光束的功率较大；例如，当正弦交流信号为高电流时，假定为“1”的高电平，激光器出射光功率较大，那么耦合OAM光束的功率较高，可以看作“1”的高电平信号；当注入电流为低电流时，假定为“0”的低电平，激光器出射光功率较小，那么耦合OAM光束的功率较低，可以看作“0”的低电平信号；因此，控制注入电流大小即可实现“0”和“1”的OAM信号；通过激光器电极将直流偏置的高速交流电信号注入到激光器中，基于交流信号的调制频率影响，就可以实现高速调制的OAM信号。

总体而言，本发明在分布反馈激光器的腔内产生了OAM光束，并且可以直接实现对OAM光束的强度调制，本发明提供的面发射OAM光束的分布反馈激光器具有工艺简单、检测方便、易于二维集成、输出光易与光纤耦合、易于扩展到其他不同的材料体系实现其他波段的光源等诸多优点；能够适用于不同的面发射耦合结构，通过控制耦合结构的形状，可相应产生Bessel光束、聚焦光束等不同的面发射激光；适用于InP基、GaAs基、GaN基等多种外延材料，可产生多波段的高速OAM信号，满足不同的应用需求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种面发射OAM光束的分布反馈激光器，其特征在于，其谐振腔为FP腔，且其谐振模式为FP振荡的驻波形式；所述激光器从下至上依次包括：N型衬底(2)、下波导层(4)、有源层(5)、上波导层(6)、上内包层(7)以及上包层(8)；

所述有源层(5)用于为所述激光器提供增益；在所述激光器的注入电流的作用下，所述有源层(5)内的电子、空穴复合，辐射出光子，形成光场；

所述下波导层(4)和所述上波导层(6)用于限制所述注入电流和所述光场；

所述上内包层(7)内刻写有选模光栅(12)和耦合结构(11)；所述选模光栅(12)具有周期性变化的折射率，用于实现模式选择；所述耦合结构(11)用于实现波导模式到目标OAM模式的耦合，形成垂直出射的OAM光束；

所述上包层(8)用于限制所述激光器横模的模场并限制载流子的注入区域，其厚度大于其余各层的厚度；

所述耦合结构(11)为叉状光栅，所述叉状光栅的形状满足如下表达式：

H_fork＝A²+B²+2ABcos(n_DFBkx-lθ)；

其中，A和B分别为所述目标OAM模式和所述波导模式的振幅，n_DFB为所述激光器波导模式的有效折射率，k为真空波矢，x为光场传播距离，l为拓扑荷数，θ为方位角，H_fork表示所述波导模式和所述目标OAM模式形成的叉状干涉光场强度分布。

2.如权利要求1所述的面发射OAM光束的分布反馈激光器，其特征在于，所述上包层(8)的外围填充有介电材料和SiO₂，所述介电材料的介电常数低于预设的阈值。

3.如权利要求1或2所述的面发射OAM光束的分布反馈激光器，其特征在于，所述上内包层(7)之上的各层均未遮挡所述耦合结构(11)。

4.如权利要求3所述的面发射OAM光束的分布反馈激光器，其特征在于，所述耦合结构(11)刻写于所述上内包层(7)的中间位置。

5.如权利要求1所述的面发射OAM光束的分布反馈激光器，其特征在于，在所述N型衬底(2)之下还包括N型电极层(1)；在所述上包层(8)之上还依次包括欧姆接触层(9)和P型电极层(10)。

6.如权利要求1所述的面发射OAM光束的分布反馈激光器，其特征在于，在所述N型衬底(2)和所述下波导层(4)之间还包括：下包层(3)，用于弥补衬底缺陷和进一步限制光场。

7.如权利要求1-6任一项所述的面发射OAM光束的分布反馈激光器的调制方法，其特征在于，包括：

在所述激光器上加上偏置直流电流得到稳定的光输出，同时加载正弦交流信号，从而控制所述激光器的注入电流的大小，以控制所述OAM光束的功率大小，从而实现对所述OAM光束的强度调制。

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