CN117526086A - 一种高斜率效率光子晶体面发射激光器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高斜率效率光子晶体面发射激光器及制备方法，其中方法包括：将光子晶体区域划分为中心谐振区域和外围限制区域，其中，中心谐振区域包括用于形成谐振与面发射结构的内层光子晶体，外围限制区域包括用于控制反射面内波矢的外圈光子晶体，以及使得外围限制区域晶格位错，以形成边缘位置相位突变，进而限制中心谐振区域能量，以及通过调节光学反馈，以对中心谐振区域形成光场限制，以及在中心谐振区域构建中心势阱，以将能量限制在器件中心区域。本发明通过增加侧向周期结构及特殊外延设计，提高光子晶体对非发射方向的限制，进而提升斜率效率。

Description

一种高斜率效率光子晶体面发射激光器及制备方法

技术领域

本公开属于半导体激光器领域，特别涉及一种高斜率效率光子晶体面发射激光器及制备方法。

背景技术

面发射半导体激光器具有其他激光器（例如气体、固态和光纤激光器）所没有的各种有益特性，例如垂直出射、紧凑、高效率和高可控性，是现代社会各种应用的关键器件，例如通讯器件和各种光学器件等。然而，要实现在面发射单模工作、具有高输出功率和高光束质量的半导体激光器仍然是光子学和激光物理领域的一个最终但难以实现的目标。许多新兴应用都需要这种高功率的半导体激光器，包括下一代激光加工、遥感、远程自由空间通信等。传统半导体激光器受到可支持单模操作的最大发射面积的限制；也就是说，扩大发射面积以增加输出功率会导致多模振荡的发生，从而降低光束质量且在单模时输出功率低。

发明内容

本发明提供一种高斜率效率光子晶体面发射激光器及制备方法，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明的技术方案一方面涉及高斜率效率光子晶体面发射激光器制备方法，根据本发明的方法包括以下步骤：

将光子晶体区域划分为中心谐振区域和外围限制区域；所述中心谐振区域包括用于形成谐振与面发射结构的内层光子晶体，所述外围限制区域包括用于控制反射面内波矢的外圈光子晶体；使得所述外围限制区域晶格位错，以形成边缘位置相位突变，进而限制所述中心谐振区域能量；通过调节光学反馈，以对所述中心谐振区域形成光场限制；在所述中心谐振区域构建中心势阱，以将能量限制在器件中心区域。

进一步，所述中心谐振区域和所述外围限制区域采用同类型正方晶格光子晶体结构或正交光子晶体结构。

进一步，所述外圈光子晶体的内圈与外圈位错，以形成相位失配。

进一步，利用不同类型光子晶体，控制光子带隙宽度，以在所述外围限制区域形成完全带隙。

进一步，选择性调节Γ-M方向的光学反馈。

进一步，利用光子晶体分布方式变换，以形成中心势阱区域。

进一步，通过在光子晶体不同位置调整光子晶体晶格大小，以在中心谐振区域构建能量势阱。

进一步，按照渐变函数值调整晶格或者孔大小，以改变带隙结构。

进一步，所述渐变函数为二次函数，所述二次函数表示如下：

或者，所述渐变函数为四次函数，所述四次函数表示如下：

或者，所述渐变函数为一次及高次双曲正切函数，所述一次及高次双曲正切函数表示如下：

式中，表示不同位置的晶格常数，/>表示晶格位置矢量，/>表示初始晶格常数；表示晶格变换的参考中心；/>表示变换的参考中心区域半径；/>、/>、/>为常数项。

进一步，其中，利用光子晶体单胞形状，通过单次刻蚀深度形成光场限制结构。

本发明的技术方案另一方面涉及高斜率效率光子晶体面发射激光器，采用上述实施例的高斜率效率光子晶体面发射激光器制备方法制备。

本发明的有益效果如下。

本发明提出一种高斜率效率光子晶体面发射激光器及制备方法，通过增加侧向周期结构及特殊外延设计，提高光子晶体对非发射方向的限制，进而提升斜率效率，可实现高功率、高效率的单模面发射半导体激光器。本发明通过设计外围反射结构的形状、位置，高效制作外圈限制结构，并满足反射相位匹配条件，引导光场能量集中在中心区域，提高工作斜率效率。

附图说明

图1是根据本发明的内层光子晶体和外圈光子晶体的第一结构示意图。

图2是根据本发明的内层光子晶体和外圈光子晶体的第二结构示意图。

图3是根据本发明的内层光子晶体和外圈光子晶体的第三结构示意图。

图4是根据本发明的外圈光子晶体能带及激光工作点的示意图。

图5是根据本发明的内层光子晶体和外圈光子晶体的第四结构示意图。

图6是根据本发明的晶格位错型光子晶体结构示意图。

图7是根据本发明方法的内外层光子晶体中模场中具有相反的相位分布图。

图8是根据本发明方法的增强特定对称方向的反射结构示意图。

图9是根据本发明方法的增强Γ-M方向反馈的器件与普通光子晶体对比图。

图10是根据本发明方法的势阱结构不同实施例的光子晶体结构示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、顶、底等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。

参照图1至图10，在一些实施例中，根据本发明的高斜率效率光子晶体面发射激光器制备方法，可用于高斜率效率光子晶体面发射激光器的制备，至少包括以下步骤：将光子晶体区域划分为中心谐振区域和外围限制区域；其中，所述中心谐振区域包括用于形成谐振与面发射结构的内层光子晶体，所述外围限制区域包括用于控制反射面内波矢的外圈光子晶体；以及，使得所述外围限制区域晶格位错，以形成边缘位置相位突变，进而限制所述中心谐振区域能量；以及，通过调节光学反馈，以对所述中心谐振区域形成光场限制；以及，在所述中心谐振区域构建中心势阱，以将能量限制在器件中心区域。需要说明的是，本发明实施例方法通过增强特定方向的光学反馈形成光场限制。

本发明的高斜率效率光子晶体面发射激光器制备方法，通过增加侧向周期结构及特殊外延设计，提高光子晶体对非发射方向的限制，进而提升斜率效率，可实现高功率、高效率的单模面发射半导体激光器。本发明通过设计外围反射结构的形状、位置，高效制作外圈限制结构，并满足反射相位匹配条件，引导光场能量集中在中心区域，提高工作斜率效率。

在一实施例中，本发明实施例方法提出利用光子晶体，调整不同区域晶体形状实现对中心区域能量的限制，减少侧向发射损耗从而增强斜率效率。其中，中心谐振区域结构与外圈限制区域结构为同类型正方晶格光子晶体或正交光子晶体结构，内外结构可具有不同形状，光子晶体可以为近似圆形、近似三角形、近似正方形等（参见图1至图3），且不同区域光子晶体可以有不同的旋转角度，孔大小。可以理解的是，本发明实施例方法也可利用两种不同的正交结构光子晶体，实现对中心区域能量的限制。

在一实施例中，本发明实施例方法将光子晶体区域分成两个部分，分别为中心谐振区域与外围限制区域，中心谐振区域包括用于形成谐振与面发射结构的内层光子晶体2，外围限制区域包括用于控制反射面内波矢的外圈光子晶体1。其中，中心谐振区域利用二维光子晶体在有源层中形成大面积、稳定、相干光场谐振，从而获得低阈值、高增益的激光器，与此同时，利用二维光子晶体干涉、衍射作用，形成垂直、低发散角的面发射工作方式。而外围限制区域通过控制光子晶体的晶格、能带、相位等参数，使得中心区域场分布无法与外圈光子晶体耦合，被限制在中心增益区域，形成高Q值腔体，增强面内谐振与面外辐射耦合。

在一实施例中，本发明实施例方法采用深刻蚀光子晶体反射型设计，其利用光子晶体单胞形状，通过单次刻蚀深度形成光场限制结构。参见图1至图3，利用相同类型的光子晶体对中央区域形成限制，可以选择性限制与工作波长最接近的模式。令光场能量位于器件中央，显著增加Γ点的光场能量，提高斜率效率。可以调整空气孔大小、晶格大小，在刻蚀过程中，更大的空洞将引入更多刻蚀气体，进而导致不同尺寸、形状在加工刻蚀过程中速度的不同，形成中央区域与外层区域相同或不同深度的结构，获得不同能带，限制中央光场。

在一实施例中，参见图4和图5，本发明实施例方法采用光子晶体带隙反射型设计，利用不同类型光子晶体，以在器件工作波长形成完全带隙，处于带隙中的波长将被光子晶体反射，其可以控制光子带隙宽度形成反射结构，从而形成显著的限制效果。令光场能量位于器件中央，显著增加Γ点的光场能量，提高斜率效率。参见图5外圈光子晶体能带如左图所示，图中中间灰色长带标出光子晶体禁带。光子晶体激光器工作点参见图5右图标出灰色方框所示。通过调整光子晶体结构，令激光器的工作波长与外圈光子晶体禁带匹配，从而令光场无法离开中心区域，形成限制。

在一实施例中，本发明实施例方法利用位错型光子晶体限制光场在光子晶体层的分布，具体的，设计外圈限制区域晶格位错，形成边缘位置相位突变限制中心区域能量。参见图6和图7，本发明实施例方法采用相位失配反射型设计，外圈光子晶体在光子晶体内圈与外圈位错，形成相位失配，导致中央区域光场无法进入外层，从而形成对光场限制。

在一实施例中，本发明实施例方法利用光子晶体对称性，增强特定方向（例如Γ-X，Γ-K方向等）光学反馈以限制光场。具体的，通过增强正方晶格光子晶体沿晶格特定对称方向的光学反馈，以实现对中心区域的能量限制。需要说明的是，光学反馈可以通过空气沟槽、周期性折射率材料等实现，参见图8左图的Γ-M方向的空气槽结构示意图，以及参见图8右图的Γ-M方向的反射光栅结构示意图。在光子晶体能带中，沿Γ-X方向有相对平缓的能带，容易形成横向谐振，而在Γ-M方向能带较为陡峭，因此本发明实施例方法中，选择性增强Γ-M方向的光学反馈，在限制光场同时降低二维相干谐振阈值，增加Q值，增强斜率效率。增强Γ-M方向反馈后，光场可以得到有效限制。同时，由于器件能带在Γ-X方向有较平缓的能带，导致Γ-X方向群速度较低，激光器工作点容易偏离Γ点，增强Γ-M方向反馈有助于形成低发散角的光子晶体面发射激光器。参见图9，在引入反馈后，光场被有效限制在器件中心区域，且分布均匀。在未限制情况下，光场只在较小区域有分布，且伴随较严重的侧向能量流失。

在一实施例中，本发明实施例方法利用不同类型光子晶体形成势阱，从而达到限制光场能量，提高斜率效率的作用。进一步地，本发明实施例方法利用光子晶体的晶格、填充因子等参数，按照渐变函数值调整晶格、孔大小等调控参数，例如二次函数、双曲正切函数或其他存在极值函数等构建光学势阱，限制光场分布。需要说明的是，渐变函数分布可以为任意线性或非线性函数。

在一应用实施例中，本发明实施例方法中，在光子晶体不同位置调整光子晶体晶格大小，从而在中心区域构建能量势阱，将能量限制在器件中心区域。中心区域光子晶体晶格为常数，越远离中心位置，晶格逐渐发生位移变化，形成包围中心的势阱。针对光子晶体不同工作点，本发明实施例的中心势阱可以为舒张势阱或收缩势阱。

在一应用实施例中，本发明实施例方法利用光子晶体分布方式变换形成中心势阱区域。各个位置光子晶体参数可以用函数表达式写出。例如，以中心位置为原点，器件整体晶格常数分布为二次函数、或双曲正切函数，在越远离中心区域位置，晶格变换越大，进而令势阱与势垒之间存在更大的模式差距。需要说明的是，本发明方法可以渐变中心谐振区域与周围势阱区域的耦合，使得过渡更缓和，从而不影响中心区域光场相位，同时利用势阱限制光场在器件中的分布，减少能量在侧向的流失。

在一应用实施例中，参见图10，本发明实施例方法构建光子晶体舒张或收缩势阱中，按照渐变函数值通过调整晶格、孔大小改变带隙结构，其令晶格或孔大小分布满足二次函数、四次函数、一次及高次双曲正切函数，从而平缓地令光场限制在中央区域，达到更好地限制效果。

对于晶格变换：

渐变函数为二次函数，二次函数表示如下：

或者，渐变函数为四次函数，所述四次函数表示如下：

或者，渐变函数为一次及高次双曲正切函数，所述一次及高次双曲正切函数表示如下：

式中，表示不同位置的晶格常数，/>表示晶格位置矢量，/>表示初始晶格常数；表示晶格变换的参考中心；/>表示变换的参考中心区域半径；/>、/>、/>为常数项。

对于孔大小变换：

渐变函数为二次函数，二次函数表示如下：

或者，渐变函数为四次函数，所述四次函数表示如下：

或者，渐变函数为一次及高次双曲正切函数，所述一次及高次双曲正切函数表示如下：

式中，表示不同位置的空洞直径，/>表示晶格位置矢量，/>表示初始孔直径常数；/>表示晶格变换的参考中心；/>表示变换的参考中心区域半径；/>、/>、/>为常数项。

进一步地，本发明实施例方法的渐变函数也可以采用非线性函数，譬如，采用如下等非线性函数调整晶体变化，从而令光场限制在中央区域，达到更好地限制效果。非线性函数可以为：

、/>、/>。

需要说明的是，本发明实施例方法可以在多种正交光子晶体体系中实现上述结构。光子晶体面发射激光器可以由任意满足正交关系的晶体体系实现，在此基础上，本发明方法可以在势垒区域应用各类光子晶体以满足束缚光场的需要。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (10)

1.一种高斜率效率光子晶体面发射激光器制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将光子晶体区域划分为中心谐振区域和外围限制区域；所述中心谐振区域包括用于形成谐振与面发射结构的内层光子晶体，所述外围限制区域包括用于控制反射面内波矢的外圈光子晶体；

使得所述外围限制区域晶格位错，以形成边缘位置相位突变，进而限制所述中心谐振区域能量；通过调节光学反馈，以对所述中心谐振区域形成光场限制；在所述中心谐振区域构建中心势阱，以将能量限制在器件中心区域。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述中心谐振区域和所述外围限制区域采用同类型正方晶格光子晶体结构或正交光子晶体结构。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外圈光子晶体的内圈与外圈位错，以形成相位失配。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用不同类型光子晶体，控制光子带隙宽度，以在所述外围限制区域形成完全带隙。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，选择性调节Γ-M方向的光学反馈。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在光子晶体不同位置调整光子晶体晶格大小，以在中心谐振区域构建能量势阱。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，按照渐变函数值调整晶格或者孔大小，以改变带隙结构。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

所述渐变函数为二次函数，所述二次函数表示如下：

或者，所述渐变函数为四次函数，所述四次函数表示如下：

或者，所述渐变函数为一次及高次双曲正切函数，所述一次及高次双曲正切函数表示如下：

式中，表示不同位置的晶格常数，/>表示晶格位置矢量，/>表示初始晶格常数；/>表示晶

格变换的参考中心；表示变换的参考中心区域半径；/>、/>、/>为常数项。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用光子晶体单胞形状，通过单次刻蚀深度形成光场限制结构。

10.一种高斜率效率光子晶体面发射激光器，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项所述的高斜率效率光子晶体面发射激光器制备方法制备。