CN1527449A - 单模微腔半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

一种三角形谐振腔半导体激光器，结构包括普通边发射激光器由下限制层，有源区和上限制层构成的平板波导，等边三角形外部区域腐蚀到下限制层或衬底，而未腐蚀的等边三角形区域作为谐振腔，三角形边作为反射镜面，其特征在于：在等边三角形的中心点有一孔，以控制不同的简并态。

Description

单模微腔半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器和光波导器件(或半导体器件)，更具体地，本发明涉及一种能控制简并模式的等边三角形谐振腔的单模微腔半导体激光器。
背景技术
在半导体激光器中谐振腔起到反馈光的作用并实现光的相干增强效应，为实现这一功能可有多种结构的谐振腔，如由平行解理面构成的法布里—珀罗腔，由周期性折射率或增益变化引起光反馈的分布布拉格反馈谐振腔，具有全反射回音壁模式的微盘结构，以及采用等边三角形的谐振腔等等。在等边三角形谐振腔中，基横模具有比高阶横模高得多的品质因子，因此很容易实现基横模工作。而不同纵模的选择则依赖于它们之间较大的模式波长间隔。但有两个简并态具有同样的横模和纵模数，因此如何实现对简并态的控制是得到单模等边三角形谐振腔半导体激光器的关键。根据等边三角形的对称性，我们可以把等边三角形谐振腔中的模式进一步分类。我们发现对于纵模数为6的整数倍的模式的两个简并态，其中一个态对正三角形的所有镜面操作具有对称的特点，称为A1态，而另一个态则对所有镜面操作具有反对称的特点，称为A2态。而纵模数不为6的整数倍的模式的简并态则没有这样明显的对称性，这种态我们称为E态。重要的是对于TM模，三角形的中心点是A1态电场的极大值，A2态电场的零点，而E态则介于两者之间。这样当我们在等边三角形谐振腔的中心点刻蚀出一个小孔时，见图1，A1态将感受到最大的散射损耗，A2态的散射损耗最小，而E态的散射损耗介于A1态和A2态之间。采用时域有限差分数值模拟，我们发现在折射率为3.2的二维等边三角形谐振腔中，在三角形中心点引入小孔时，不同态的品质因子变化差别很大：A1态及具有镜面对称性的E态的品质因子急剧降低；A2态的品质因子只当小孔的孔径大于0.3～0.4微米时才有点下降，见图2的(0，24)态和图3的(0，36)态；而具有镜面反对称性的E态的品质因子比A1态及具有镜面对称性的E态的品质因子下降得慢，但在小孔孔径为0.3～0.4微米时也降低了一个量级以上，见图2的(0，26)态和图3的(0，38)态。因此在等边三角形谐振腔的中心点引入孔径为0.3～0.4微米的小洞，可以选择出具有最高品质因子的TM模的A2态，而把A1态和E态抑制下去，从而实现无简并模式的单模激射。而且A2态的模式波长间隔是等边三角形谐振腔的纵模波长间隔的三倍，更有利于实现单模工作。对于TE模，在在等边三角形谐振腔的中心点引入孔径小洞，同样可以选择出具有最高品质因子的TE模的A2态，只是孔径在0.2～0.3微米更好。
发明内容
本发明的目的是在等边三角形谐振腔中实现对简并模式的控制，从而得到单模微腔半导体激光器。以控制不同的简并态
本发明的核心思想是在三角形谐振腔的中心点引入小孔径的小孔，应用平面工艺实现单模激射的微腔半导体激光器。在三角形谐振腔中，TM模的A2态在三角形谐振腔的中心点的电场强度为零，它受中心点小孔影响最小，当小孔的孔径为0.3微米时，A2态的频率和品质因子几乎没有改变，而其它态的品质因子要降低一个量级以上，因此可以实现单模微腔半导体激光器。TE模的品质因子随小孔孔径的变化也具有同样的性质。
本发明的目的是由以下方案实现的：
一种三角形谐振腔半导体激光器，结构包括普通边发射激光器由下限制层，有源区和上限制层构成的平板波导，等边三角形外部区域腐蚀到下限制层或衬底，而未腐蚀的等边三角形区域作为谐振腔，三角形边作为反射镜面，其特征在于：在等边三角形的中心点有一孔径在0.1～0.5微米的小孔以控制不同的简并态。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明于后，其中：
图1是本发明具有控制简并态的刻蚀孔的等边三角形谐振腔半导体激光器的结构图。
图2为采用时域有限差分数值模拟得出的模式数为(0，24)的TM模A2态和模式数为(0，26)的镜面反对称TM模E态的模式频率和品质因子随刻蚀孔径的变化。等边三角形区域边长为3微米，折射率3.2。
图3为采用时域有限差分数值模拟得出的模式数为(0，36)的TM模A2态和模式数为(0，38)的镜面反对称TM模E态的模式频率和品质因子随刻蚀孔径的变化。等边三角形区域边长为5微米，折射率3.2。
图4为本发明制作单模等边三角形谐振腔半导体激光器的步骤示意图。
其中：图4a为步骤1的侧视图。
图4b为步骤2的顶视图。
图4c为步骤3的顶视图。
具体实施方式
首先请参阅图1所示，具有刻蚀孔100的等边三角形谐振腔40的示意图。本发明一种三角形谐振腔半导体激光器，结构包括普通边发射激光器由下限制层，有源区和上限制层构成的平板波导，等边三角形外部区域腐蚀到下限制层或衬底，而未腐蚀的等边三角形区域作为谐振腔，三角形边作为反射镜面，在等边三角形40的中心点有一孔100，以控制不同的简并态。其中所述孔100的孔径在0.1～0.5微米。
等边三角形谐振腔的外面刻蚀到衬底层520，以保证模式光场横向分布都限制在刻蚀端面内。
图2是具有刻蚀孔的边长3微米的等边三角形谐振腔中模式数为(0，24)的A2态和模式数为(0，26)的镜面反对称E态的模式频率和品质因子随刻蚀孔径的变化。模式数(m，l)代表横模数为m而纵模数为l，(0，24)是纵模数为24的基横模。当刻蚀孔径从零增加到0.4微米时，模式数为(0，24)的A2态的品质因子没有降低，而模式数为(0，26)的镜面反对称E态的品质因子当刻蚀孔径为0.3微米时已降低了一个量级。A1态和镜面对称E态的品质因子下降得更快，图中没有给出。
图3为具有刻蚀孔的边长5微米的等边三角形谐振腔中模式数为(0，36)的A2态和模式数为(0，38)的镜面反对称E态的模式频率和品质因子随刻蚀孔径的变化。当刻蚀孔径从零增加到0.3微米时，模式数为(0，36)A2态的品质因子变化很小，而模式数为(0，38)镜面反对称E态的品质因子已降低了一个量级。A1态和镜面对称E态的品质因子下降得更快，图中没有给出。
图4为制作图1所示的三角形谐振腔半导体激光器的步骤：图4a为步骤1(侧视图)即采用分子束外延或金属有机化合物气相外延等方法在衬底520上生长包括下限制层18，有源层16，上限制层及欧姆接触层14的普通边发射激光器片子；图4b为步骤2(顶视图)，采用剥离工艺在外延层上制作出等边三角形谐振腔40上的电极12及刻蚀阻挡层15，这时等边三角形谐振腔40区域外及刻蚀孔处没有电极及刻蚀阻挡层；图4c为采用反应离子束等刻蚀方法刻蚀到衬底520，并去掉刻蚀阻挡层14，这时顶示图三角形谐振腔40为电极层12，其他区域为衬底层520，而刻蚀洞处为衬底层520，或者由于刻蚀速度较慢为其它外延层。

Claims (2)

1、一种三角形谐振腔半导体激光器，结构包括普通边发射激光器由下限制层，有源区和上限制层构成的平板波导，等边三角形外部区域腐蚀到下限制层或衬底，而未腐蚀的等边三角形区域作为谐振腔，三角形边作为反射镜面，其特征在于：在等边三角形的中心点有一孔，以控制不同的简并态。
2、一种三角形谐振腔半导体激光器，其特征在于：其中所述的孔径在0.1～0.5微米。
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