CN118073962A - 一种二维光子晶体面发射激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维光子晶体面发射激光器，涉及半导体激光器技术领域。该面发射激光器包括由上至下依次设置的n掺杂衬底、n掺杂包层、有源层、光子晶体层、p掺杂包层和p掺杂接触层；所述的光子晶体层由相同的晶胞周期排列而成，且每个晶胞包括与母材折射率不同的第1异折射率区域、第2异折射率区域和第3异折射率区域。基于该光子晶体结构的面发射激光器，可以在大的模场面积下维持器件的单模工作特性，从而获得一种高功率单模面发射激光器。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种二维光子晶体面发射激光器。
背景技术
半导体激光器具有体积小、电光转换效率高、成本低的优势，因此被广泛用于激光泵浦、激光加工、激光雷达、激光照明等领域。通常，这些应用场景对激光器的输出功率、光束发散角或者亮度也具有较高要求。由于半导体激光器的单模发光区域面积较小，因此光束发散角较大，成为了一大短板。比如，边发射半导体激光器的快轴发散角在20°左右，垂直腔面发射激光器的发散角也在10°左右。为了满足应用需求，往往需要增加额外的透镜系统来进行准直，提高了应用成本，降低了系统的可靠性。
光子晶体面发射激光器(PCSEL)的出现改变了这一现状，它可以实现大模场面积下的单模工作，因而可以获得小的发散角。这是因为，相比于边发射激光器和垂直腔面发射激光器利用法布里-珀罗腔作为谐振腔，光子晶体面发射激光器谐振腔的分布反馈机制对谐振模式拥有更好的选择性。通过调控光子晶体的参数，可以改变腔内不同谐振模式的激射阈值，基模和高阶模阈值差越大，激光器的单模工作稳定性越好。并且，能够利用二阶布拉格衍射将平行于结平面振荡的光场能量提取到垂直于结平面的方向上，从而实现激光的垂直输出。
目前，增大基模和高阶模的阈值差主要有两条路线：1.采用双晶格光子晶体腔，改变两个相互嵌套晶格之间的间距，并且调节光子晶体孔的形状。这种方法结构较为简单，但是它要求两套晶格具有不同的孔形状，比如目前主要采用的是“椭圆+圆”的配置。这种图案上的差别给后续图案曝光和孔刻蚀工艺带来很大挑战，增加制备成本。这是因为在微纳尺度上，相同刻蚀条件下，孔的形状尺寸对刻蚀孔深影响很大。这意味着两个刻蚀孔之间深度将会存在较大差别，进而对批量制备工艺，如纳米压印，带来困难。2.采用拓扑光子晶体腔，利用带隙模式作为激光器的工作模式。这种方法同样可以获得较大的阈值差，且孔的形状都是相同的，不存在刻蚀深度不均匀的问题。但是，拓扑腔相对于正方晶格光子晶体腔(前述的双晶格光子晶体腔属于正方晶格光子晶体腔的一种)来说，光子晶体的面内图案更为复杂，对电子束曝光的要求更高。此外，还存在电泵浦困难、远场图案复杂等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种二维光子晶体面发射激光器，基于该光子晶体面发射激光器的，可以在大的模场面积下维持器件的单模工作特性，从而获得一种高功率单模面发射激光器。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种二维光子晶体面发射激光器，包括由上至下依次设置的n掺杂衬底、n掺杂包层、有源层、光子晶体层、p掺杂包层和p掺杂接触层；
所述的光子晶体层由相同的晶胞周期排列而成，且每个晶胞包括与母材折射率不同的第1异折射率区域、第2异折射率区域和第3异折射率区域。
优选的，所述的在n掺杂衬底和p掺杂接触层的表面分别沉积了方形Ni/Au-Ge/Ni/Au金属膜和圆形Ti/Pt/Au金属膜206b，并在方形金属膜的中心位置分别留有圆形出光孔。
优选的，所述第2异折射率区域的重心和第1异折射率区域的重心在x方向上的距离为0.31a～0.37a，在y方向上的距离为0.14a～0.2a；
所述第3异折射率区域的重心和第1异折射率区域的重心在x方向上的距离为0.14a～0.2a，在y方向上的距离为0.31a～0.37a，其中a为晶格常数。
优选的，所述第1异折射率区域、第2异折射率区域和第3异折射率区域在周期平面内的形状相同或不同。
优选的，所述第1异折射率区域、第2异折射率区域、第3异折射率区域在周期平面内的形状为圆形、矩形、椭圆形或三角形。
优选的，所述第1异折射率区域、第2异折射率区域、第3异折射率区域面积的总和占包括母材区域和异折射率区域在内的所有区域总面积的5％～20％。
优选的，所述第1异折射率区域、第2异折射率区域、第3异折射率区域的厚度相同或不同，厚度均处于0.5a～5a范围内。
优选的，所述第1异折射率区域、第2异折射率区域、第3异折射率区域在垂直于周期平面方向上的截面形状为矩形、锥形、梯形或水滴形。
优选的，所述第1异折射率区域、第2异折射率区域、第3异折射率区域为相同材料，且与母材材料均属于半导体材料、气体、绝缘体或金属中的一种或两种。
优选的，所述半导体材料为III-V族、II-VI族或IV族中的任一种单质或者合金材料。
本发明的有益效果
本发明公开了一种二维光子晶体面发射激光器，该二维光子晶体是由三个相互独立的、具有相同晶格常数的光子晶体结构按照预设的晶格偏移量相互嵌套而成，从而实现对光子晶体内模式耦合系数在平行和垂直于晶格周期方向上的分别调控。通过这种方法构造的光子晶体每个晶胞内含有三处分立的、和母材(101)折射率不同的区域。基于该光子晶体结构的面发射激光器，可以在大的模场面积下维持器件的单模工作特性，从而获得一种高功率单模面发射激光器。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种二维光子晶体面发射激光器中二维光子晶体的结构示意图；
图2为本发明一种二维光子晶体面发射激光器的三维结构示意图；
图3为图1所述二维光子晶体实现增大模式阈值差别的原理图；
图4为图1所述二维光子晶体参数耦合系数调控图；
图5为本发明实施例和比较例对应的谐振模式分布；
图6为本发明实施例的远场和近场仿真结果。
其中，201、n掺杂衬底，202、n掺杂包层，203、有源层，101、光子晶体层，102a、第1异折射率区域，102b、第2异折射率区域，102c、第3异折射率区域，103、晶胞，204、p掺杂包层，205、p掺杂接触层，206a、Ni/Au-Ge/Ni/Au金属膜，206b、Ti/Pt/Au金属膜。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如前所述，在激光器的实际应用中，我们希望器件始终工作在基模状态。但是，这通常是难以满足的，尤其是当光子晶体器件的面积较大时，基模和高阶模的阈值差往往较小。这时，在大注入电流的条件下，激光器将呈现出多模工作状态。此外，不同带边模式间的阈值差别也会影响到器件单模工作的稳定性。
为此，我们需要提升谐振腔内部基模和高阶模式的阈值增益差别。光子晶体腔在二阶Γ点处对应着四个带边，在进行腔设计时，我们选择性的降低其中一个带边的模式损耗，使得其优先于另外三个带边激射。然而，激射的带边仍然拥有较多的本征横模。因此，我们通过对光子晶体腔耦合系数的精确控制，增大基横模和其他模式的损耗差别，使得在增大光子晶体谐振腔尺寸的情况下仍然能够保证器件稳定工作在最低阈值模式，从而获得单模激光器。
本实施方式中的二维光子晶体具有图1所示的结构，其中1a为俯视图，1b为主视图，光子晶体的晶格结构为正方晶格，即在相互垂直的两个周期性排列方向上具有相同的晶格常数a，且该晶格常数在数值上与本实施例所涉及激光器在材料中的激射波长λn大致相等。在本实施例中，晶格常数被设置为280nm。
该二维光子晶体的每个晶胞103均包含三处折射率与光子晶体层101(母材)折射率不同的区域，即第1异折射率区域102a、第2异折射率区域102b和第3异折射率区域102c，在本实施例中这三个区域具有相同的折射率。
本实施方式所述第1异折射率区域102a、第2异折射率区域102b和第3异折射率区域102c在周期平面内的形状相同或不同，可以为圆形、矩形、椭圆形或三角形，优选为圆形。所述第1异折射率区域、第2异折射率区域、第3异折射率区域在垂直于周期平面方向上的截面形状为矩形、锥形、梯形或水滴形。
本实施方式所述第1异折射率区域102a、第2异折射率区域102b和第3异折射率区域102c面积的总和占包括母材区域和异折射率区域在内的所有区域总面积的(占空比即区域面积与晶胞面积的比值)5％～20％，优选为3.3％。
本实施方式所述第1异折射率区域102a、第2异折射率区域102b和第3异折射率区域102c的厚度h相同或不同，厚度均处于0.5a～5a范围内，优选为200nm。
本实施方式所述的第1异折射率区域102a与第2异折射率区域102b之间沿x方向的重心距离记为d1x，区域102a与区域102c之间沿x方向的重心距离记为d2x，其数值分别为97nm和48nm。本实施例中的光子晶体结构关于y＝x对称，光子晶体谐振腔直径为500μm。
本实施方式所述第1异折射率区域102a、第2异折射率区域102b和第3异折射率区域102c为相同材料，且与母材材料均属于半导体材料、气体、绝缘体或金属中的一种或两种。所述半导体材料为III-V族、II-VI族或IV族中的任一种单质或者合金材料。
本实施方式所述以该二维光子晶体作为谐振腔构建的光子晶体面发射激光器的整体结构如图2所示。该激光器在垂直于结平面方向上具有多个功能层，依次为n掺杂衬底201、n掺杂包层202、有源层203、光子晶体层101、p掺杂包层204和p掺杂接触层205，且这六个功能层的材料组分分别为GaAs、Al0.7Ga0.3As、InGaAs多量子阱、GaAs、Al0.4Ga0.6As、GaAs。光子晶体层101主要功能是对激光器内光场进行调控，构建谐振腔模式。有源层的目的是对谐振模式进行持续的光放大，以实现激光器激射。此外，为了实现有效的电注入，在n掺杂衬底201和p掺杂接触层205的表面分别沉积了方形Ni/Au-Ge/Ni/Au金属膜206a和圆形Ti/Pt/Au金属膜206b，分别并在方形金属膜的中心位置留有圆形出光孔。
图3给出了光子晶体折射率分布进行傅里叶展开后，二阶和一阶展开系数的相对大小与d1x和d2x间的函数关系，其结果分别如3(a)和3(b)所示。图中点301a和301b对应的(d1x,d2x)取值分别为(0.17a,0.33a)和(0.33a,0.17a)。根据文献【Inoue,T.etal.Nat.Commun.13,3262(2022).】,为了实现获得单模激光器，需要维持较大的模式阈值差，这需要维持较低的一维耦合强度(与折射率分布的二阶傅里叶系数正相关)。又根据图3(a)，二阶傅里叶系数在点301a和301b处具有极小值，因此在其附近进行取值有利于获得单模激光器。同时，根据图3(b)，这两点远离一阶系数的极小值点，因此能够保证激光器具有足够的垂直光输出。在图3所示的设计基础上，对d1x的进一步的优化，图4展示了耦合系数R和μ与d1x间的函数关系(d2x固定为0.17a)。当d1x取值为0.348a时，R≈μ，基于此构建的激光器将获得最大的阈值增益差别，图1中所展示的光子晶体结构参数也对应于该点。
图5(a)给出了本实施例的模式分布图，其基模与高阶模之间的阈值差别△α为4.65cm-1，满足单模激光器的谐振腔要求。作为对比，图5(b)给出了比较例的模式分布，其晶胞内的孔形状为单个圆孔，占空比为10％，该结构的阈值差别仅为0.026cm-1。图6(a)和图6(b)给出了本实施例对应的远场和近场仿真结果，可以看出该激光器具有近高斯分布的近场和发散角小于0.3°的单瓣远场。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种二维光子晶体面发射激光器，包括由上至下依次设置的n掺杂衬底、n掺杂包层、有源层、光子晶体层、p掺杂包层和p掺杂接触层；
其特征在于，所述的光子晶体层由相同的晶胞周期排列而成，且每个晶胞包括与母材折射率不同的第1异折射率区域、第2异折射率区域和第3异折射率区域。
2.根据权利要求1所述的一种二维光子晶体面发射激光器，其特征在于，所述的在n掺杂衬底和p掺杂接触层的表面分别沉积了方形Ni/Au-Ge/Ni/Au金属膜和圆形Ti/Pt/Au金属膜206b，并在方形金属膜的中心位置分别留有圆形出光孔。
3.根据权利要求1所述的一种二维光子晶体面发射激光器，其特征在于，所述第2异折射率区域的重心和第1异折射率区域的重心在x方向上的距离为0.31a～0.37a，在y方向上的距离为0.14a～0.2a；
所述第3异折射率区域的重心和第1异折射率区域的重心在x方向上的距离为0.14a～0.2a，在y方向上的距离为0.31a～0.37a，其中a为晶格常数。
4.根据权利要求1所述的一种二维光子晶体面发射激光器，其特征在于，所述第1异折射率区域、第2异折射率区域和第3异折射率区域在周期平面内的形状相同或不同。
5.根据权利要求4所述的一种二维光子晶体面发射激光器，其特征在于，所述第1异折射率区域、第2异折射率区域、第3异折射率区域在周期平面内的形状为圆形、矩形、椭圆形或三角形。
6.根据权利要求1所述的一种二维光子晶体面发射激光器，其特征在于，所述第1异折射率区域、第2异折射率区域、第3异折射率区域面积的总和占包括母材区域和异折射率区域在内的所有区域总面积的5％～20％。
7.根据权利要求1所述的一种二维光子晶体面发射激光器，其特征在于，所述第1异折射率区域、第2异折射率区域、第3异折射率区域的厚度相同或不同，厚度均处于0.5a～5a范围内。
8.根据权利要求1所述的一种二维光子晶体面发射激光器，其特征在于，所述第1异折射率区域、第2异折射率区域、第3异折射率区域在垂直于周期平面方向上的截面形状为矩形、锥形、梯形或水滴形。
9.根据权利要求1所述的一种二维光子晶体面发射激光器，其特征在于，所述第1异折射率区域、第2异折射率区域、第3异折射率区域为相同材料，且与母材材料均属于半导体材料、气体、绝缘体或金属中的一种或两种。
10.根据权利要求9所述的一种二维光子晶体面发射激光器，其特征在于，所述半导体材料为III-V族、II-VI族或IV族中的任一种单质或者合金材料。
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