CN114256739B - 一种面发射多阶涡旋光束的分布反馈激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面发射多阶涡旋光束的分布反馈激光器，其包括相邻的有源区和无源区，其中，有源区包括依次堆叠的衬底、下包层、下波导层、有源层、上波导层、上内包层和上包层，上内包层内具有选模光栅；无源区包括依次堆叠的衬底、下包层、波导芯层、上包层和叉状光栅，波导芯层侧壁与有源区中至少包含有源层的子叠层具有接触界面，上包层位于无源区的部分呈梳状结构，梳状结构的末端具有至少两个分离的条形波导，每个条形波导上形成有叉状光栅。有源区为谐振腔结构用来产生激光，无源区可以将激光器输出模式分成多个不同的模式，然后在条形波导上的叉状光栅输出不同阶数的面发射涡旋光束。

Description

一种面发射多阶涡旋光束的分布反馈激光器
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，更具体地，涉及一种面发射多阶涡旋光束的分布反馈激光器。
背景技术
半导体激光器通常被应用在数据通信网络的收发模块中，能够为短距、长距通信提供高可靠的激光光源。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)。OAM光束与光场的空间结构相关，其光场在传播轴上具有exp(ilθ)的相位剖面，光场呈现出环形强度分布，形成涡旋光束。这为传统平面波的频率幅度相位和偏振态四个维度以外，提供了一个新的操控维度。因此，如何产生高质量的涡旋光束是一个比较热门的问题。
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，或者是通过在硅基平台利用微环结构中导模与辐射模耦合机制产生OAM光束。但是，此类基于无源器件都是需要外部光源来间接生成OAM光束，无法提高器件集成度。目前已经有通过集成微环腔的分布反馈激光器(DFB)，光栅辅助的微柱腔面发射激光器来实现单个阶次的OAM光束。然而单个阶次的光束无法满足高复用需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种面发射多阶涡旋光束的分布反馈激光器，其目的在于解决单个阶次的光束无法满足高复用需求的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种面发射多阶涡旋光束的分布反馈激光器，其包括相邻的有源区和无源区，其中，
所述有源区包括依次堆叠的衬底、下包层、下波导层、有源层、上波导层、上内包层和上包层，所述上内包层内具有选模光栅，所述选模光栅用于调控所述有源区向所述无源区发射的光场模式；
所述无源区包括依次堆叠的所述衬底、所述下包层、波导芯层、所述上包层和叉状光栅，所述波导芯层侧壁与所述有源区中至少包含所述有源层的子叠层具有接触界面，所述上包层位于所述无源区的部分呈梳状结构，所述梳状结构的末端具有至少两个分离的条形波导，每个条形波导上形成有所述叉状光栅，所述无源区接收到所述有源区发射的光波后分别从各个所述叉状光栅输出涡旋光束。
优选地，还包括位于所述衬底背离所述下包层一侧的下电极以及位于所述上包层背离所述上内包层一侧的上电极，所述上电极和所述下电极均位于所述有源区内。
优选地，所述上内包层与所述波导芯层的材料组分一致，所述波导芯层与子叠层侧壁具有接触界面，所述子叠层包括所述下波导层、所述有源层和所述上波导层。
优选地，所述上内包层与所述波导芯层的材料组分不一致，所述波导芯层与子叠层侧壁具有接触界面，所述子叠层包括所述下波导层、所述有源层、所述上波导层和所述上内包层。
优选地，所述接触界面为自所述上内包层指向所述下波导层的方向倾斜的倾斜界面。
优选地，所述倾斜界面的倾斜角度范围为30°≤α≤50°。
优选地，所述无源区的波导芯层与所述有源区的有源层的光致发光波长相同，所述波导芯层为体材料结构，所述有源层为量子阱结构。
优选地，所述梳状结构包括与所述有源区相接的矩形波导以及自所述矩形波导侧面沿背离所述无源区一侧延伸的并排的多个条形波导。
优选地，所述矩形波导的长度范围是140μm≤L≤160μm、宽度范围是10μm≤W≤15μm，每个条形波导的宽度范围是2μm≤W1≤4μm，位于有源区的上包层形成脊波导，所述脊波导的宽度为2μm≤W2≤4μm。
优选地，所述有源区的矩形波导相对于所述脊波导呈轴对称结构。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本申请中的激光器集成了有源区和无源区，其中，有源区为谐振腔结构用来产生激光，无源区设置条形波导，可以将激光器输出模式分成多个不同的模式，然后在条形波导上刻蚀不同的叉状光栅结构就可以实现不同阶数的面发射涡旋光束。由于本申请中在同一衬底上集成了有源区和无源区大大提高了器件的集成度。同时，由于无源区的波导芯层与有源部结构分离设置，可以提高对内部光场的调控，降低传输损耗，提高激光发射效率
附图说明
图1是本申请一实施例中的面发射多阶涡旋光束的分布反馈激光器的结构侧剖图；
图2是本申请另一实施例中的面发射多阶涡旋光束的分布反馈激光器的结构侧剖图
图3是本申请一实施例中的上包层的俯视图；
图4是本申请一实施例中的叉状光栅的形貌图；
图5是本申请一实施例中的激光器输出的涡旋光束的远场光场强度分布和相位图。
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。
如图1所示为本申请一实施例中的面发射多阶涡旋光束的分布反馈激光器的结构示意图，其包括有源区和无源区；
其中，有源区包括依次堆叠的衬底2、下包层3、下波导层4、有源层5、上波导层6、上内包层7和上包层8，上内包层7内具有选模光栅12，选模光栅12用于调控所述有源区向所述无源区发射的光场模式。
其中，无源区包括依次堆叠的衬底2、下包层3、波导芯层11、上包层8和叉状光栅。结合图3所示，上包层8位于无源区的部分呈梳状结构，梳状结构的末端具有至少两个分离的条形波导，每个条形波导上形成有叉状光栅，例如图3所示的一阶叉状光栅13和二阶叉状光栅14，叉状光栅的形貌如图4所示。无源区接收到有源区发射的光波后分别从各个叉状光栅沿垂直方向输出多阶涡旋光束。其中，波导芯层11的材料组分相同，可以视为一个整体，且波导芯层11的侧壁与有源区中至少包含有源层5的子叠层具有接触界面，即无源区与有源区的膜层并非完全一体成型。研究表明，通过形成分界面，可以更好地调控光线并降低功率损耗。具体的，无源区和有源区的衬底2为一体成型结构，无源区和有源区的下包层3为一体成型结构，无源区和有源区的上包层8也为一体成型结构。
应当说明的是，叉状光栅的结构可以通过标准的全息投影方法计算得到，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，叉状光栅结构也可以选用其他高阶光栅或者算法优化的不规则分布的光栅等。
具体的，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。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，提高光场限制能力，并限制载流子的注入区域，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。
具体的，选模光栅12的结构根据光场模式调制要求进行设计，其可以是均匀光栅、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。若选模光栅为一阶光栅，其光栅周期为Λ，占空比为η；一阶光栅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Λ1也决定了激光器的激射波长λDFB，二者关系具体如下：
Λ1＝λDFB/2nDFB
其中，nDFB为DFB激光器波导的有效折射率；
在一实施例中，激光器还包括位于衬底2背离所述下包层3一侧的下电极1以及位于上包层8背离上内包层7一侧的上电极10，上电极10和下电极1均位于有源区内，无源区中无电极。进一步的，在上电极10和上包层8之间还设置有欧姆接触层9。在本实施例中，电极仅位于有源区而不延伸至无源区，可以减小器件功率损耗。
利用本申请的面发射多阶涡旋光束的分布反馈激光器，在上下电极施加偏置直流电流，同时加载正弦交流信号，使电子空穴在有源区的有源层复合发光并进入无源区的波导芯层，经波导芯层上方的梳状上包层进行分流并经过条状波导上的叉状光栅输出多阶涡旋光束。其中，控制激光器注入电流的大小，可以控制无源区输出端面发射光束的功率大小，从而实现对面发射光束的强度调制。
在本申请中，无源区的结构与有源区的结构并非完全一体成型，无源区的波导芯层与有源区相关子叠层的材料组分并不相同，形成接触界面。该子叠层至少包含有源层，具体可以只包含有源层或者包含有源层及与有源层相邻的波导层。
在一实施例中，参考图1，有源区中的下波导层4、有源层5、上波导层6、上内包层7形成有源区的子叠层，波导芯层11与该子叠层侧面相接并在侧壁形成接触界面。在另一实施例中，如图2所示，上内包层7与波导芯层11的材料组分相同，波导芯层11可以与上内包层7一体成型。此时，有源区内的下波导层4、有源层5、上波导层6形成有源区的子叠层，波导芯层11与该子叠层侧面相接并在侧壁形成接触界面。
在一实施例中，当波导芯层与有源区结构形成接触界面时，该接触界面的性能会影响光线的调制。本申请人经研究发现，当接触接触为自图示结构顶部向底部方向倾斜的倾斜界面，即子叠层的宽度自顶部向底部增大时，所形成的界面具有较好的特性，激光器的激光发射调制效果更好。进一步地，当倾斜角度α的范围为30°≤α≤50°，能避免不可控的损耗吸收，保证较低的反射，获得较好的耦合效率。
在一实施例中，无源区中波导芯层的光致发光波长与有源区中有源层的光致发光波长相同，以减小光传播损耗。需要说明的是，此处的相同并不是绝对相同，可以允许一定范围的偏差。波导芯层和有源层具有接触界面，两者的结构本质是不同的，具体的，有源层位量子阱结构，而波导芯层为体材料结构。
在一实施例中，位于有源区的上包层8具体为脊波导，且厚度在微米量级，具体可为2μm左右；作为一种优选的实施方式，为了进一步降低电容，提高调制速率，本实施例中，在激光器的有源区的上包层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。
在一实施例中，位于无源区的上包层呈梳状结构，其包括矩形波导和自矩形波导侧面沿背离无源区一侧延伸的并排的多个条形波导。具体的，为使得输出波导能够保持单模输出特性，条形波导的宽度W1设置在2μm～4μm，为使输出端实现两个自镜像输出，矩形波导的长度L＝140μm～160μm，宽度W＝10μm～15μm，进一步的，有源区的脊波导宽度设计在2μm～4μm，同样为了保持单模输出特性；有源区的输出波导设计在无源区宽度方向的中间位置，可以较好地获得对称的输入光场效果。
在一些具体的实施例中，对有源区中各层的材料及参数选择如下：
下电极1、衬底2、下包层3、下波导层4为N型，上波导层6、上内包层7、上包层8和上电极10为P型。
有源区的谐振腔的腔长为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；N型下包层3的材料为N型InP，厚度为500nm；N型下波导层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；P型上波导层6的材料为AlGaInAs，厚度为100nm；P型上内包层7为光栅层，材料为P型InGaAsP，厚度为40nm；一阶光栅长度为250μm，光栅周期Λ为202nm，占空比η为0.5；P型上包层8为脊波导层，材料为P型InP，厚度为1.8μm，宽度为1.8～2μm；欧姆接触层9材料为P型InGaAs，厚度为180nm。
对无源区中各层的材料及参数选择如下：激光器无源区与有源区具有相同的N型衬底2，其材料为N型InP，厚度为100μm；无源区与有源区具有相同的N型下包层3，其材料为N型InP，厚度为500nm；无源区与有源区具有相同的P型上包层8，其为脊波导层，材料为P型InP，厚度为1.8μm；波导芯层11为AlGaInAs材料。矩形波导结构的长度L＝150μm，宽度W＝12μm，其中一个条形波导宽度为4μm，另一个条形波导宽度为4μm。一阶叉状光栅13长度和宽度为4μm，二阶叉状光栅14长度和宽度为4μm。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。
综上，本申请中的激光器集成了有源区和无源区，其中，有源区为谐振腔结构用来产生激光，无源区设置条形波导，可以将激光器输出模式分成多个不同的模式，然后在条形波导上刻蚀不同的叉状光栅结构就可以实现不同阶数的面发射涡旋光束。由于本申请中在同一衬底上集成了有源区和无源区大大提高了器件的集成度。同时，由于无源区的波导芯层与有源部结构分离设置，可以提高对波导模式的调控，提高激光发射效率，降低器件损耗。
图5表示通过光学仿真软件仿真得到的经过一阶叉状光栅和二阶叉状光栅垂直耦合出来的远场涡旋光束光场强度分布图和相位分布图，其中，(a1)和(a2)分别为一阶涡旋光束光场分布和相位分布图，(b1)和(b2)分别为二阶涡旋光束光场分布和相位分布图。可以看到远场图像近似环形的涡旋光斑以及相应的相位旋转分布情况。因此，该实施例激光器可以有效的产生多阶涡旋光束，通过设计更多分支的条形波导，通过不同的叉状光栅耦合就可以实现更高阶的涡旋光束。
综上，本申请中的激光器集成了有源区和无源区，其中，有源区为谐振腔结构用来产生激光，无源区设置条形波导，可以将激光器输出模式分成多个不同的模式，然后在条形波导上刻蚀不同的叉状光栅结构就可以实现不同阶数的面发射涡旋光束。由于本申请中在同一衬底上集成了有源区和无源区大大提高了器件的集成度。同时，由于无源区的波导芯层与有源部结构分离设置，可以提高对波导模式的调控，提高激光发射效率，降低器件损耗。同时，本申请提出的面发射多阶涡旋光束激光器就是能够在同一个芯片上面同时产生2种甚至更多种不同阶数的涡旋光源，通过后端复用技术，极大地提升了通信系统的容量和频带利用率。
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 (10)

1.一种面发射多阶涡旋光束的分布反馈激光器，其特征在于，包括相邻的有源区和无源区，其中，
所述有源区包括依次堆叠的衬底、下包层、下波导层、有源层、上波导层、上内包层和上包层，所述上内包层内具有选模光栅，所述选模光栅用于调控所述有源区向所述无源区发射的光场模式；
所述无源区包括依次堆叠的所述衬底、所述下包层、波导芯层、所述上包层和叉状光栅，所述波导芯层侧壁与所述有源区中至少包含所述有源层的子叠层具有接触界面，所述上包层位于所述无源区的部分呈梳状结构，所述梳状结构的末端具有至少两个分离的条形波导，每个条形波导上形成有不同的所述叉状光栅，所述无源区接收到所述有源区发射的光波后分别从各个所述叉状光栅输出不同阶数的面发射涡旋光束。
2.如权利要求1所述的面发射多阶涡旋光束的分布反馈激光器，其特征在于，还包括位于所述衬底背离所述下包层一侧的下电极以及位于所述上包层背离所述上内包层一侧的上电极，所述上电极和所述下电极均位于所述有源区内。
3.如权利要求1所述的面发射多阶涡旋光束的分布反馈激光器，其特征在于，所述上内包层与所述波导芯层的材料组分一致，所述波导芯层与子叠层侧壁具有接触界面，所述子叠层包括所述下波导层、所述有源层和所述上波导层。
4.如权利要求1所述的面发射多阶涡旋光束的分布反馈激光器，其特征在于，所述上内包层与所述波导芯层的材料组分不一致，所述波导芯层与子叠层侧壁具有接触界面，所述子叠层包括所述下波导层、所述有源层、所述上波导层和所述上内包层。
5.如权利要求1所述的面发射多阶涡旋光束的分布反馈激光器，其特征在于，所述接触界面为自所述上内包层指向所述下波导层的方向倾斜的倾斜界面。
6.如权利要求5所述的面发射多阶涡旋光束的分布反馈激光器，其特征在于，所述倾斜界面的倾斜角度范围为30°≤α≤50°。
7.如权利要求1所述的面发射多阶涡旋光束的分布反馈激光器，其特征在于，所述无源区的波导芯层与所述有源区的有源层的光致发光波长相同，所述波导芯层为体材料结构，所述有源层为量子阱结构。
8.如权利要求1所述的面发射多阶涡旋光束的分布反馈激光器，其特征在于，所述梳状结构包括与所述有源区相接的矩形波导以及自所述矩形波导侧面沿背离所述无源区一侧延伸的并排的多个条形波导。
9.如权利要求8所述的面发射多阶涡旋光束的分布反馈激光器，其特征在于，所述矩形波导的长度范围是140μm≤L≤160μm、宽度范围是10μm≤W≤15μm，每个条形波导的宽度范围是2μm≤W1≤4μm，位于有源区的上包层形成脊波导，所述脊波导的宽度为2μm≤W2≤4μm。
10.如权利要求9所述的面发射多阶涡旋光束的分布反馈激光器，其特征在于，所述有源区的矩形波导相对于所述脊波导呈轴对称结构。
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