CN113964647A - 基于金属-绝缘层限制和波导耦合的d型光学混沌谐振腔 - Google Patents

基于金属-绝缘层限制和波导耦合的d型光学混沌谐振腔 Download PDF

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Abstract

基于金属‑绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔，涉及半导体光学微腔领域。通过对完美圆形腔的切割获得D型谐振腔，在D型谐振腔和耦合波导区的外侧由内至外包裹一层低折射率绝缘介质层和一层具有复折射率的金属层；D型谐振腔内部为半导体增益材料，包括上限制层、有源介质层和下限制层。D型谐振腔的光线反射到切面时角动量发生突变，演化为混沌的光学模式。低折射率材料有效降低由金属引发的光学损耗，金属‑绝缘层对任意角度入射光高反射，D型微腔使混沌波多模共振，垂直方向的耦合波导收集光学辐射并耦合输出；实现高密度，低对比度Q值的模式光学谐振。D型光学混沌谐振腔可在低相干度激光源等领域应用。

Description

基于金属-绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔
技术领域
本发明涉及半导体光学微腔领域，尤其是涉及一种基于金属-绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔。
背景技术
过去的几十年中，准二维光学限制的半导体微腔激光器在关于片上产生高相干信号光方向得到大量的研究。其中，典型的二维光学微腔之一是回音壁模式(whispering-gallery-mode，WGM)光学谐振腔，通过光的连续和全内反射，限制的光学模式具有模式体积小、模式Q值高的特点。但在介质腔中，由于模式共振具有高Q值对比度，比如基模比径向高阶模Q值高很多，在谐振光和增益介质的非线性互相作用下，由于强的模式竟争作用，回音壁微激光器往往表现出单个模式或者仅有几个模式的特征，因此，采用回音壁模腔作为光学谐振腔难以实现低相干发射的多模激光器。
近年来，混沌光线动力学的二维介质腔得到大量研究。文献[J.Wiersig andM.Hentschel,“Combining Directional Light Output and Ultralow Loss in DeformedMicrodisks,”Phys.Rev.Lett.,vol.100,no.3,033901,Jan 2008]提出一种几何结构为蜗牛型的光学谐振腔(
Figure BDA0003374281320000011
-shaped cavity)，在腔内实现高度定向的光学发射；基于前述的蜗牛腔，文献[S.Shinohara et al.,“Ray-wave correspondence in
Figure BDA0003374281320000012
-shapedsemiconductor microcavities,”Physical Review A,vol.80,no.3,031801,Sep 2009]中制作
Figure BDA0003374281320000013
半导体激光器，得到低损耗，多模共振的定向发射。文献[H.Cao,R.Chriki,S.Bittner,A.A.Friesem,and N.Davidson,“Complex lasers with controllablecoherence,”Nat.Rev.Phys.1,156–168(2019).]综述了相干性可调的复杂激光器，提出低相干性的激光器的三种类型，文献[B.Redding et al.,“Low spatial coherenceelectrically pumped semiconductor laser for speckle-free full-field imaging,”Proc.Natl Acad.Sci.USA,vol.112,no.5,no.1304-1309,Feb 2015]中利用优化的D型介质混沌腔制备了半导体激光器，实现约1000个模式下同时发生的多模激光。文献[K.Kim etal.,“Electrically pumped semiconductor laser with lowspatial coherence anddirectional emission,”Appl.Phys.Lett.,vol.115,no.7,071101,Aug 2019]中基于准法布里-珀罗谐振腔(Fabry–Pérot-like，FP)设计并制造一种片上半导体激光源，产生具有低空间相干性的定向光束出射。文献[K.Kim,et al.,“Massively parallel ultrafastrandom bit generation with a chip-scale laser,”Science,vol.371,no.6532,pp.948-952,Feb 2021.]利用变形的简并介质谐振腔产生低相干光源，获得多路的高速随机数。文献[Stefan Bittner et al.,“Spatial structure of lasing modes in wave-chaotic semiconductor microcavities”New J.Phys.22(2020)083002]针对D型和跑道形光学谐振腔分析研究了多模激光的空间分布。然而，在上述方案中，由于边界存在的光学折射逃逸，即当光在腔内共振时，若入射角小于全反射角，光会产生折射泄露，腔内谐振模式因此会表现出巨大的损耗，不同的模式损耗差异也较大，因此模式激射存在不均匀性和高阈值的特点。另外，对于采用类FP谐振腔构建的低相干激光器，光波在腔边界上以近垂直方向入射，折射损耗较大，准FP模式的Q值也仅能达到约102，相应地激光器的阈值很高。因此，采用介质腔制作的激光器能够获得多模和低对比度的非相干光源发射，但存在要么阈值高，要么发射的光难得收集等问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供可克服谐振模式因光学入射角小于全反射角引发的折射损耗问题，获得低对比度Q值多模共振，同时通过倏逝波的波导耦合，获得波导耦合输出的一种基于金属-绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔。
本发明自下而上依次包括衬底、耦合波导区和D型谐振腔，在D型谐振腔和耦合波导区的外侧由内至外包裹一层低折射率绝缘介质层和一层具有复折射率的金属层；D型谐振腔内部为半导体增益材料，由上至下分别为上限制层、有源介质层和下限制层。
所述D型谐振腔的二维几何结构具有字母D型特征，可通过对完整圆形腔直线切割形成D型获得。
所述上限制层的厚度由半导体材料的生长决定，上限制层的厚度可为2～3μm，所述下限制层的厚度小于上限制层，所述有源介质层的厚度可为100～500nm。所述半导体增益材料可选择用于电注入半导体激光器的已实用化的半导体外延片，如InP基，GaAs基，GaN基的InGaAsP，GaAs，GaN等半导体外延片。
所述低折射率绝缘介质层具有比半导体材料更低的折射率，低折射率绝缘介质层的材料可选自SiO2、Si3N4等，低折射率绝缘介质层的厚度介于0和激光器波长之间。
所述具有复折射率的金属层材料可选自金Au、银Ag、铜Cu、铝Al等，所述金属层的厚度可为20nm～1μm。以银为例，其折射率在1.55μm波长附近为0.14+11.35i。所述绝缘层和金属层用于径向对微腔光场限制，避免光学折射损耗，同时以金属的耗散损耗为代价。
所述耦合波导区可通过在垂直方向倏逝波的方式进行光学耦合，所述耦合波导区的宽度大于或等于D型腔在衬底上的宽度，耦合波导区可由半导体平面工艺在半导体外延片上加工而成，如光刻和干法刻蚀相结合的方式。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和技术效果：
1、本发明提供一种基于金属-绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔，腔的二维几何结构为D型。通过对完美圆形腔的切割，获得D型二维光学谐振腔，谐振模多的光线反射到切面时角动量发生突变，演化为混沌的光学模式。
2、低折射率材料通常作为电泵浦半导体器件的绝缘介质，同时有效降低由金属引发的光学损耗。
3、由于金属折射率的虚数部分较大，等离子体在金属中的场衰减深度仅为几十纳米，金属等离子体损耗替代光学损耗，克服因光学入射角小于全反射角引发的折射损耗问题，可获得低对比度，高Q值的多模共振。
4、有源介质的光通过上下波导缓冲层限制，绝缘层和金属层用于径向对微腔光场限制，避免光学折射损耗，同时以金属的耗散损耗为代价。
5、本发明能够实现高密度，低对比度Q值的模式光学谐振。其中，金属-绝缘层起到对任意角度入射光的高反射作用。D型微腔起到使混沌波多模共振的作用，垂直方向的耦合波导起到了收集光学辐射并耦合输出的作用。本发明可在低相干度激光源等领域应用。
附图说明
图1为本发明金属-绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔的三维结构示意图。
图2为本发明D型光学混沌谐振腔二维平面结构示例图。
图3为本发明图1中虚线部分二维截面示意图。
图4为二维D型腔60个TE模式的Q值分布对比图。其中腔体半径r为10μm，二氧化硅厚度为0.2μm，切割宽度为0.5，银的厚度为0.1μm，分析模式在波长1.55μm附近。
图5为60个模式的Q值波动随切割宽度变化图，切割宽度为0到1，其中腔体半径r为10μm，二氧化硅厚度为0.2μm，银的厚度为0.1μm，分析模式在波长1.55μm附近。
图6为不同模式二维场分布及其对应的庞加莱剖面Husimi投影图。其中，(a),(b)和(c)分别为波长在1.55μm附近的三个谐振模式。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
参见图1的D型腔三维结构，本发明为一种基于金属-绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔，包括：
一谐振腔，谐振腔二维几何结构为D型。
一耦合波导，耦合波导在垂直方向与D型腔倏逝波耦合。
参见图2的二维平面结构，本发明为一种基于金属-绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔，包括：
其中，所述谐振腔1的形状通过对完整圆形横向切割形成D型腔获得，所述切割可定义切割宽度ε＝(r-Δr)/r，ε＝0时为完整完圆腔，当ε＝1时为半圆形腔；其中r为微腔半径，r介于3μm和1000μm之间，切割宽度ε大于0，小于1。
其中，所述谐振腔1的材料为半导体增益材料，如InP基，GaAs基，GaN基半导体外延片。
其中，所述绝缘层2的构成为具有折射率比半导体材料低的绝缘介质材料，可为二氧化硅(SiO2)，氮化硅(Si3N4)材料等。
其中，所述金属层3的材料为具有复折射率的金属材料，如金属银、金、铜、铝等。
其中，所述一绝缘层2和一金属层3构成的复合层起到对微腔横向光场的限制作用。
图3为提供由金属(银)-绝缘层限制(二氧化硅)的D型光学混沌谐振腔实施例的截面结构示意图。其中，谐振腔横向由低折射率的绝缘层和复折射率的金属层限制。垂直方向半导体材料分为上下限制层和中间有源层，以及耦合波导，衬底。其中上限制层的厚度为hu，由半导体材料的生长决定，通常为2～3μm厚，有源层的厚度ha介于100纳米和500纳米之间，为下限制层的厚度hl小于上限制层，耦合波导区宽度W大于或等于D型腔在衬底上的宽度，高度hw不限。
图4基于有限元的电磁分析方法，分析当切割宽度ε在0，0.7和1，nsk0r＝～130下的60个TE模式的Q值分布对比图。其中微腔半径r＝10μm，侧面由0.1μm厚的Ag和0.2μm厚的绝缘介质SiO2限制，Ag和SiO2材料的折射率分别为0.14+11.35i和1.45，半导体介质有效折射率ns＝3.2,k0为光学波矢。从图4可以看出，对于完美腔(ε＝0)，Q值覆盖104～5×106的波段，对比度较大，而ε＝0.7的腔中，Q值覆盖2.2×104～5.6×104，其模态对比度较低。从对称性的角度看，半圆腔中的模态具有类似于回音壁模的特征，半圆中模态Q值的对比度也较大。
图5给出基于有限元的电磁分析方法，分析在nsk0r＝～130时，所考虑的60个模式的Q值波动随切割度ε从0变化至1的变化图，其中微腔半径10μm，侧面由0.1μm厚的银和0.2μm绝缘介质SiO2限制，银和SiO2材料的折射率分别为0.14+11.35i和1.45，半导体介质有效折射率ns＝3.2,k0为光学波矢。定义参数δ描述谐振模式的Q值对比度：Q值的标准差与所考虑的模式nsk0r覆盖范围的平均Q值Qa的比值。δ随切割宽度变化如图5所示。对腔几何结构(例如ε＝0.1)的轻微修改会导致横电模(TE)和横磁模(TM)模式的δ巨大变化，其中，对TE和TM模式都存在一个最小值，TE模在ε＝0.7时，δ有最小值为0.17，TM模在ε＝0.5时，δ有最小值为0.06。基模和低阶模，将由沿圆形腔界面传播的光线，切换至靠近切割界面的波反射，最终演化成为混沌模式，相应的模式Q值降低。此外，在半径为r＝15μm的腔中，计算nsk0r＝195附近135个模式的光谱，发现对于TE和TM模式，δ与腔体变形参数的关系几乎相同，因此，本结果对于尺寸远大于谐振波长的腔具有普遍性。
图6为采用基于有限元的电磁分析方法，(a)到(c)3个TE模式场分布及其对应的庞加莱剖面(Poincarésurface of section，SOS)的Husimi投影。分别具有FP模式特征的混沌模式，另外两种是由腔边界决定的自调谐混沌场模式的典型模式，Husimi投影显示混沌波的特征。其中光学混沌腔的半径为10μm，侧面由0.1μm银和0.2μm绝缘介质SiO2限制，银和SiO2材料的折射率分别为0.14+11.35i和1.45，半导体介质有效折射率ns＝3.2,k0为光学波矢。对于金属-绝缘层限制的D型光学混沌谐振腔中的所有混沌模态，都形成一组依赖于腔几何结构的特殊射线轨迹。
本发明通过对完整圆形横向切割形成D型腔，谐振腔内部为增益有源介质，外部光学限制层包裹，其中光学限制层由低折射率的绝缘介质和具有复折射率的金属材料依次构成。通过光学仿真和理论分析，金属-绝缘层限制的D型结构光学混沌谐振腔内同时存在大量的光学混沌谐振模式，且各谐振模式具有相近的模式Q值。可见，利用本发明，能获得Q值相对均一的光学多模共振，同时保持相对较高的模式Q值。通过引入耦合波导，可实现基于金属-绝缘介质限制的D型结构光学混沌谐振腔的激光器的辐射输出耦合，以这种金属-绝缘介质限制的D型结构光学混沌谐振腔制作的激光器在低相干激光源中有望得到应用。
以上所述附图说明和实施例，对本发明的目的和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述附图说明，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于金属-绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔，其特征在于自下而上依次包括衬底、耦合波导区和D型谐振腔，在D型谐振腔和耦合波导区的外侧由内至外包裹一层低折射率绝缘介质层和一层具有复折射率的金属层，绝缘介质层和金属层用于径向对微腔光场限制，以避免光学折射损耗；所述D型谐振腔内部为半导体增益材料，由上至下分别为上限制层、有源介质层和下限制层。
2.如权利要求1所述基于金属-绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔，其特征在于所述D型谐振腔的二维几何结构具有字母D型特征，D型谐振腔通过对完整圆形腔直线切割形成D型获得。
3.如权利要求1所述基于金属-绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔，其特征在于所述上限制层的厚度为2～3μm，所述下限制层的厚度小于上限制层，所述有源介质层的厚度为100～500nm。
4.如权利要求1所述基于金属-绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔，其特征在于所述半导体增益材料选自InP基，GaAs基，GaN基的InGaAsP，GaAs，GaN等半导体外延片。
5.如权利要求1所述基于金属-绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔，其特征在于所述低折射率绝缘介质层的材料选自SiO2或Si3N4。
6.如权利要求1所述基于金属-绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔，其特征在于所述低折射率绝缘介质层的厚度介于0和激光器波长之间。
7.如权利要求1所述基于金属-绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔，其特征在于所述具有复折射率的金属层材料选自Au、Ag、Cu或Al。
8.如权利要求1所述基于金属-绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔，其特征在于所述金属层的厚度为20nm～1μm。
9.如权利要求1所述基于金属-绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔，其特征在于所述耦合波导区的宽度大于或等于D型腔在衬底上的宽度。
10.如权利要求1所述基于金属-绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔，其特征在于所述耦合波导区通过在垂直方向倏逝波的方式进行光学耦合，耦合波导区由半导体平面工艺在半导体外延片上加工而成。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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