CN113991421A - 半导体微腔激光器 - Google Patents

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CN113991421A CN202111247926.7A CN202111247926A CN113991421A CN 113991421 A CN113991421 A CN 113991421A CN 202111247926 A CN202111247926 A CN 202111247926A CN 113991421 A CN113991421 A CN 113991421A
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沈征征
陈幼玲
肖金龙
杨跃德
黄永箴
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Abstract

本发明公开了一种半导体微腔激光器，包括：N型电极层；衬底，设置于N型电极层上；微腔，其形状为弧边三角形，设置于衬底上；波导，连接于微腔角区；以及P型电极层，设置于微腔上。

Description

半导体微腔激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器领域，具体涉及一种半导体微腔激光器。
背景技术
近年来，半导体微腔激光器发展迅速，从最初的低温光泵浦微盘激光器，逐步发展到室温连续光泵浦和电注入激射。其中，回音壁模式光学微腔具有高品质因子和小模式体积，并且尺寸小，集成度高，这些优势使回音壁模式光学微腔受到广泛的关注。近年来，回音壁模式光学微腔为基础物理研究和前沿应用探索都提供了很好的平台。传统回音壁微腔由于旋转对称性，本征模式总是简并成对出现。在激发腔内模式时，会同时激发出顺时针(CW)模式和逆时针(CCW)模式的光，且这两个方向的光所占比例相同，使得出射光场呈现各向同性，降低了出射光的利用效率。因此，定向出射是半导体微腔激光器光源走向实际应用极为重要的一个因素。
为了实现定向出射，人们提出一些特殊的腔体设计来打破传统回音壁微腔的旋转对称性，如缺陷和边界变形等圆盘变形微腔。缺陷微腔例如带缺口的螺旋型微腔，通过缺口处的衍射虽然能够获得高手性的单向出射，但同时会降低模式的品质因子；边界变形微腔包括利马松形和短卵形微腔，均在特定边界变形条件下实现了双向出射。在短卵形微腔中，一旦变形量偏离最佳特定变形量，方向性将降低。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种半导体微腔激光器，用于解决上述问题，从而在保持高品质因子的同时实现单向出射。
为实现上述目的，本发明提供了一种半导体微腔激光器，包括：N型电极层；衬底，设置于N型电极层上；微腔，其形状为弧边三角形，设置于衬底上；波导，连接于微腔角区；以及P型电极层，设置于微腔上。
根据本发明的实施例，其中，微腔和波导中任一个还包括：下限制层，设置于衬底上；有源层，设置于下限制层上；上限制层，设置于有源层上；以及欧姆接触层，设置于上限制层上。
根据本发明的实施例，其中，有源层为多量子阱结构。
根据本发明的实施例，其中，通过改变弧边三角形的弧边半径和波导的尺寸调控激光器中光线的出射方向。
根据本发明的实施例，其中，弧边三角形中的第一弧边的半径和第二弧边的半径相等，都大于第三弧边的半径。
根据本发明的实施例，其中，弧边三角形中三条弧边半径的可调范围为13.5μm～16.5μm。
根据本发明的实施例，其中，波导的宽度为1.2μm～1.8μm，长度为4μm～6μm。
根据本发明的实施例，其中，波导与微腔的角区的连接角度为80°～120°，波导在微腔角区水平方向的移动范围为0μm～2.5μm。
根据本发明的实施例，其中，N型电极层包括以下一种或多种组合：金、锗、镍。
根据本发明的实施例，其中，P型电极层包括以下一种或多种组合：钛、铂、金。
根据本发明上述实施例的半导体微腔激光器，能够在保证高品质因子的同时实现单向出射；并且微腔尺寸和波导参数在一定范围内变化时，手性仍保持在较高水平，具有稳定性；同时本发明提出的半导体微腔激光器制作工艺简单，成本低，变形腔中丰富的相空间分布为基础量子力学的研究提供了优异的平台。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例的半导体微腔激光器截面结构示意图；
图2示意性示出了根据本发明实施例的半导体微腔激光器的平面结构示意图；
图3示意性示出了根据本发明实施例的无波导的半导体微腔激光器的有限元仿真模型示意图；
图4示意性示出了根据本发明实施例的半导体微腔激光器的有限元仿真模型示意图；
图5示意性示出了根据本发明实施例的半导体微腔激光器的微腔中基模近场图和基模远场图；
图6示意性示出了根据本发明另一实施例的半导体微腔激光器的微腔中基模近场图和基模远场图；
图7示意性示出了根据本发明实施例的半导体微腔激光器中波导长度l与微腔中基模的品质因子和定向度的关系；
图8示意性示出了根据本发明实施例的半导体微腔激光器中波导水平方向平移量d与微腔中基模的品质因子和定向度的关系；
图9示意性示出了根据本发明实施例的半导体微腔激光器中波导角度θ与微腔中基模的品质因子和定向度的关系；
图10示意性示出了根据本发明实施例的半导体微腔激光器中基模近场图和基模远场图；
图11示意性示出了根据本发明实施例的半导体微腔激光器中利用有限元法仿真的角量子数m分布和Husimi分布图。
【附图标记说明】：
1 第一弧边；
2 第二弧边；
3 第三弧边；
4 微腔；
5 波导；
100 N型电极层；
200 衬底；
300 下限制层；
400 有源层；
500 上限制层；
600 欧姆接触层；
700P型电极层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
为了实现激光器的定向输出，必须打破结构上的旋转对称性。本发明针对上述发现的问题提出了一种单向出射的弧边三角形微腔激光器。类似于圆盘微腔，弧边三角形通过边界的完全内反射达到对光场的强限制，将光线汇聚在弧边中点处，可以支持高品质因子的类回音壁模式行波模在腔内谐振。调节微腔弧边半径，当三条弧边半径不同时，微腔结构的旋转对称性被打破，从而获得定向出射。利用有限元法仿真，通过设置合适的弧边半径，使得微腔的各向同性出射变成了双向出射。进一步地，通过在微腔角区连接波导，在不破坏腔内模场的情况下，实现了较高品质因子的单向出射，同时具有较高的手性。通过精细地调节各个弧边的变形度、波导尺寸、波导平移量和波导旋转角度，系统地研究了其模式和激射光谱调控，实现了手性接近1的单向出射，出射角度较小，模式品质因子在105量级。在器件尺寸和波导参数变化时，如弧边半径±1μm，手性仍保持在0.94附近的高水平，表明对器件尺寸有较大的容忍度。
图1示意性示出了根据本发明实施例的半导体微腔激光器截面结构示意图，图2示意性示出了根据本发明实施例的半导体微腔激光器的平面结构示意图。
如图1和图2所示，半导体微腔激光器，包括：
N型电极层100。
根据本发明的实施例，N型电极层100的材料可以包括但不限于：金、锗、镍的一种或多种组合。
衬底200，设置于N型电极层100上，用于提供半导体微腔激光器的支撑。
根据本发明的实施例，衬底200的材料可以包括但不限于：N型InP，S的掺杂浓度为2×1018/cm3～8×1018/cm3。
微腔4，其形状为弧边三角形，设置于衬底200上，用于产生并调节行波模式。
根据本发明的实施例，弧边三角形的微腔，对光场产生了类似于圆盘微腔的限制，可以支持行波模式在腔内谐振。
波导5，连接于微腔4角区，用于调节行波的激射模式至单向出射。
P型电极层700，设置于微腔4上。
根据本发明的实施例，P型电极层700的材料可以包括但不限于：钛、铂、金的一种或多种组合。
根据本发明的实施例，N型电极层100和P型电极层用于提供电流通道。
根据本发明的实施例，微腔4和波导5还包括：
下限制层300，设置于衬底200上。
根据本发明的实施例，下限制层300的材料可以包括但不限于：N型InP，优选掺杂浓度为1×1018/cm3。
有源层400，设置于下限制层300上。
根据本发明的实施例，有源层400为多量子阱结构，优选为6个压应变量子势阱及7个势垒层交叠构成多量子阱结构。有源层400的材料可以包括但不限于AlGaInAs。
上限制层500，设置于有源层400上。
根据本发明的实施例，上限值层500的材料可以包括但不限于P型InP。
欧姆接触层600，设置于上限制层500上。
根据本发明的实施例，图2中，弧边三角形ABC代表微腔4，r1为第一弧边1的半径，O为第一弧边1对应的圆心，直线AB、AC、BC边长相等，用直边长a表示，直边长a的范围为15～25μm，优选为15μm。
根据本发明的实施例，通过将波导设置在微腔的角区，微腔的光场在角区分布很弱，因而波导的连接对微腔模式的品质因子影响很小，从而在激光器实现单向出射时仍具有高品质因子。
根据本发明的实施例，通过改变弧边三角形的弧边半径和波导的尺寸调控激光器中光线的出射方向。
图3示意性示出了根据本发明实施例的无波导的半导体微腔激光器的有限元仿真模型示意图。
如图3所示，四周的完美匹配层吸收边界条件用于终止模拟窗口。腔体和周围空气的最小网格尺寸分别设置为λ/n/12和λ/10，其中波长λ＝1550nm，n为微腔腔体材料的折射率，δ代表弧边相对于直边的变形量，计算公式为
Figure BDA0003321482780000061
因为器件为压应变多量子阱结构，因此在数值计算中仅考虑TE(Transverse Electric，横电波)模式。
图4示意性示出了根据本发明实施例的半导体微腔激光器的有限元仿真模型示意图。
如图4所示，图中标注w、l和d分别为波导的宽度、长度和偏移量。仿真计算了这些参数变化时对激光器基模品质因子和方向性的影响，结果如图7至图9所示。
图5示意性示出了根据本发明实施例的半导体微腔激光器的微腔中基模近场图和基模远场图。
如图5所示，利用有限元法仿真的直边长a为15μm，第一弧边1、第二弧边2和第三弧边3的半径均为15.5μm的弧边三角形微腔中基模的近场模式图和远场图。弧边半径参数的选定是保证品质因子和定向度均最好的情况。从图5中可以看出，对于三个弧边半径相同的对称弧边三角形微腔，由于具有旋转对称性，光从三个侧边的中点泄露，导致各向同性的远场发射。因此仅选择一个方向的出射光对方向性U进行计算。取θ＝0°～120°，此处θ为远场模式图中的角度，I(θ)是极角θ处的远场分布强度。取三条弧边半径均为15.5μm，其品质因子Q为3.762×105，方向性U为0.903。此时三条弧边半径相同，远场具有X、Y方向的双重对称性，为各向同性出射。
图6示意性示出了根据本发明另一实施例的半导体微腔激光器的微腔中基模近场图和基模远场图。
如图6所示，利用有限元法仿真的直边长a为15μm，第一弧边1的半径r1为14.5μm，第二弧边2半径为15.5μm，第三弧边3半径为15.5μm的弧边三角形微腔中基模的近场模式图和远场图。改变r1破坏了X轴方向的对称性。但由于Y方向仍存在对称性，CW与CCW方向的光同时存在，并从同一弧边r1分别沿着15°和165°角出射，如图6中的基模远场图所示。与此同时，由于弧边半径的改变导致微腔尺寸的改变，使得品质因子Q有所改变。为了同时保证较大的品质因子Q值和较高的方向性，选择r1＝14.5μm,其品质因子Q＝2.3091×105。
根据本发明的实施例，弧边三角形的第二弧边半径和第三弧边半径相等，都大于第一弧边半径。三条弧边半径的可调范围为13.5μm～16.5μm，优选r1＝14.5μm。
图7示意性示出了根据本发明实施例的半导体微腔激光器中波导长度l与微腔中基模的品质因子和定向度的关系。
如图7所示，利用有限元法仿真的直边长a为15μm，第一弧边1的半径r1为14.5μm，第二弧边2半径为15.5μm，第三弧边3半径为15.5μm的弧边三角形微腔中，微腔模式的品质因子和定向性随着波导长度的变化结果。波导宽度w的宽度为1.2μm～1.8μm，优选w＝1.5μm，连接位置d＝0μm，角度θ＝90°。随着波导长度l增加，一方面，微腔模式的品质因子也有所增加，但增加的幅度小于10％。另一方面，微腔出射的定向度U不断增加。这是由于波导对逆时针模式的远场出射光的非对称背向散射增强，使得腔内的CCW模式向CW模式耦合，从而使得腔内获得以CW模式为主的行波模式。基于此，当l为4～6μm时，U保持在0.733左右，其中，优选的长度l＝4.5μm。
图8示意性示出了根据本发明实施例的半导体微腔激光器中波导水平方向平移量d与微腔中基模的品质因子和定向度的关系。
如图8所示，利用有限元法仿真的直边长a为15μm，第一弧边1的半径r1为14.5μm，第二弧边2半径为15.5μm，第三弧边3半径为15.5μm的弧边三角形微腔中，微腔模式的品质因子和定向性随着波导水平方向平移量d的变化结果。波导长度l＝4.5μm，角度θ＝90°。当0＜d＜2.5μm时，微腔模式的品质因子Q和定向度U几乎保持不变。而当d≥3μm时，微腔模式的品质因子Q和定向度U均骤减，因为此时波导连接于模式的边界反射点，已经破坏了模式特性。基于此，波导水平方向平移量d的范围为0～2.5μm，优选d＝0μm。
图9示意性示出了根据本发明实施例的半导体微腔激光器中波导角度θ与微腔中基模的品质因子和定向度的关系。
如图9所示，利用有限元法仿真的直边长a为15μm，第一弧边1的半径r1为14.5μm，第二弧边2半径为15.5μm，第三弧边3半径为15.5μm的弧边三角形微腔中，微腔模式的品质因子和定向性随着波导角度θ的变化结果。波导宽度w＝1.5μm，长度l＝4.5μm,d＝0μm。当波导角度80°＜θ＜120°时，微腔模式的品质因子Q和定向度U几乎保持不变。在此范围之外，由于波导对逆时针模式的散射作用减弱，微腔模式的品质因子和方向性U均骤减。基于此，波导角度θ的范围为80°～120°，优选为θ＝90°。
图10示意性示出了根据本发明实施例的半导体微腔激光器中基模近场图和基模远场图。
如图10所示，利用有限元法仿真的直边长a为15μm，第一弧边1的半径r1为14.5μm，第二弧边2半径为15.5μm，第三弧边3半径为15.5μm的弧边三角形微腔，通过精细调节波导的长度、宽度、位置和角度，在单向性最优的情况下获得的腔中基模的近场模式图和相应的远场图。此时U＝0.733。另外在计算过程中发现，波导尺寸变化一定范围内，方向性仍保持在较高的水平，表明在后续的实验制备中，该器件对误差有较高的容忍性。
图11示意性示出了根据本发明实施例的半导体微腔激光器中利用有限元法仿真的角量子数m分布和Husimi分布图。
如图11所示，利用有限元法仿真的弧边三角形微腔分别在无波导和连接波导时的基模的角量子数分布如图11中的(a)和Husimi分布图如图11中的(b)和(c)。图中角量子数m＜0和m＞0分别对应CW模式和CCW模式。
如图11中的(a)所示，无波导连接时，腔内的模式在m＜0和m＞0时强度呈现对称分布。连接波导后，腔内的模式变为以m＜0分量为主的行波模式。由上下两图对比可知，波导的引入除对手性的改变之外对腔内的模场没有影响。
如图11中的(b)和(c)是模式波函数投影到相空间中得到的Husimi分布图。Husimi投影的相空间不仅包含腔内模式的分布信息，还包含模式的手性信息。其中sinχ＞0和sinχ＜0分别对应于腔体中光传播的CCW和CW方向。水平虚线代表全反射临界角。如图11中的(b)所示，加上波导后，在sinχ＞0的区域中，岛几乎是不可见的，这表明腔中的CCW模式分量强度非常低，而CW模式在腔中占主导地位。对于折射率为3.2的微腔，当|sinχ|＞0.3125时发生全反射。根据图11中的(b)和(c)可以发现，只有从左往右数的第三个岛中的光线可以从第一弧边1泄露。波导的引入导致基模的相空间分布明显不同，表明波导带来了手性的急剧增加。
根据本发明的实施例，若需要光线通过第二弧边2或第三弧边3出射，需要调节相应的第二弧边半径或第三弧边半径实现。
根据本发明的实施例，通过调节微腔的三条弧边半径以及波导位置和尺寸，获得手性接近于1的单向出射；单向出射的光更利于收集；在微腔尺寸和波导参数在一定范围内变化时，如弧边半径±1μm，手性仍保持在0.94的高水平；当微腔尺寸增加时，模式品质因子随之增加，且在波导尺寸和弧边半径参数在一定范围内变化时仍保持高手性的单向出射，同时还具有较高的品质因子。
根据本发明的实施例，优异的品质因子和手性在波导尺寸和微腔弧边半径变化的一定范围内仍能够保持，表明该器件对工艺制备有较高的容忍度。
根据本发明的实施例，本发明的新型变形弧边三角形微腔定向出射的机制为基础理论研究如奇异点和模式耦合等提供了优异的平台。本发明的半导体微腔激光器工艺制作简单，成本低，在光子集成系统中具有良好的应用前景。此外，本发明的半导体微腔激光器在高灵敏传感领域具有巨大的应用潜力。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。再者，单词"包含"不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，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)

1.一种半导体微腔激光器，包括：
N型电极层；
衬底，设置于所述N型电极层上；
微腔，其形状为弧边三角形，设置于所述衬底上；
波导，连接于所述微腔角区；以及
P型电极层，设置于所述微腔上。
2.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述微腔和所述波导中任一个还包括：
下限制层，设置于所述衬底上；
有源层，设置于所述下限制层上；
上限制层，设置于所述有源层上；以及
欧姆接触层，设置于所述上限制层上。
3.根据权利要求2所述的激光器，其中，所述有源层为多量子阱结构。
4.根据权利要求1所述的激光器，其中，通过改变所述弧边三角形的弧边半径和所述波导的尺寸调控所述激光器中光线的出射方向。
5.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述弧边三角形中的第二弧边的半径和第三弧边的半径相等，都大于第一弧边的半径。
6.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述弧边三角形中三条弧边半径的可调范围为13.5μm～16.5μm。
7.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述波导的宽度为1.2μm～1.8μm，长度为4μm～6μm。
8.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述波导与所述微腔的角区的连接角度为80°～120°，所述波导在所述微腔角区水平方向的移动范围为0μm～2.5μm。
9.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述N型电极层包括以下一种或多种组合：金、锗、镍。
10.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述P型电极层包括以下一种或多种组合：钛、铂、金。
CN202111247926.7A 2021-10-26 2021-10-26 半导体微腔激光器 Pending CN113991421A (zh)

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