正多邊形微腔雙穩半導體雷射器的製作方法

2023-10-06 12:46:14

專利名稱：正多邊形微腔雙穩半導體雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體雷射器技術領域，尤其涉及一種正多邊形微腔雙穩半導體雷射
器，更具體地，本發明涉及具有輸出波導的正多邊形微腔雷射器，其中不同對稱性的模式競 爭及其在輸出波導上的耦合輸出效率不同使這種正多邊形微腔雷射器具有輸出雙穩特性。 平面工藝製作的雙穩半導體雷射器作為光存儲和光觸發器在光子集成技術中有 著重要的應用。隨著現代信息技術的進步與革新，光子集成和光電子集成有了極大的發展。 高效率、低功率和微型化是目前光電子發展的方向，而目前大多數傳統的雙穩半導體雷射 器很難實現這一目標。 光學微腔通過全內反射來實現對光場的強限制，腔中產生了極高品質因子的回音 壁(Wispering-Gallery， WG)模式，具有很小的模式體積和高品質因子等特點，適合製作極 低閾值、高密度集成的微腔雷射器及其陣列，在光集成、光互連、光通訊以及光神經網絡等 方面有著廣泛的應用前景。 因此，基於半導體微腔的雙穩雷射器也引起了人們廣泛的關注，如耦合微盤雷射
器(S. Ishii，etc. Modal characteristics and bistability in twinmicrodisk photonic molecule lasers. IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 12， pp. 71-77(2006))禾口微環 雷射器(M. Sorel， etc. Unidirectional bistability insemiconductor waveguide ring
lasers.Appl.Phys. Lett. 80， pp. 3051-3053 (2002))等。其中，耦合微盤雷射器是基於可 飽和吸收，而微環雷射器是利用逆時針和順時針模式間的模式競爭來實現雙穩輸出特性。 但是微盤雷射器和微環雷射器很難獲得定向輸出，為了能夠獲得定向輸出，我們研製了 帶輸出波導的正三角微腔雷射器(Y.Z.Huang， etc. Room-temperature continuous-wave
electrically injected InP/GalnAsPequilateral—triangle—resonator lasers. IEEE
Photon. Technol. Lett. 19， pp. 963-965 (2007))和正方形微腔雷射器(Y Z. Huang ， etc.
Directionalemission InP/GalnAsP square—resonator microlasers， Opt.Lett. 33， 而在本發明中採用帶輸出波導的正多邊形微腔來製作雙穩半導體雷射器。正多邊 形微腔中不同對稱性模式的品質因子和耦合效率隨波導的變化有著不同的關係，從而可以 通過控制波導寬度實現正多邊形微腔雷射器的輸出雙穩特性。

發明內容
( — )要解決的技術問題 有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種正多邊形微腔雙穩半導體雷射器，以 實現輸出雙穩特性。
( 二 )技術方案 為達到上述目的，本發明提供了一種正多邊形微腔雙穩半導體雷射器，該半導體
背景技術：
(2008))。雷射器由平板波導經刻蝕製成，包括一正多邊形的諧振腔和一輸出波導，且該輸出波導與 該正多邊形的諧振腔連接或耦合。 上述方案中，該平板波導由下限制層、有源區和上限制層構成，在該平板波導上 刻蝕形成該半導體雷射器時，正多邊形和波導的外部區域被刻蝕到下限制層或襯底，而未 刻蝕的多邊形和輸出波導分別作為諧振腔和定向輸出路徑，在輸出波導的另一端得到光輸 出。
上述方案中，所述刻蝕採用幹法刻蝕或溼法化學腐蝕方式進行；有源區採用
iii-v族體材料、量子阱或量子點材料，限制層採用相應的半導體限制材料。 上述方案中，該諧振腔為正三角形，輸出波導的一端與三角形頂點相連接或耦合，
在輸出波導的另一端得到光輸出，輸出波導與諧振腔材料相同並同時刻蝕成形。 上述方案中，該諧振腔為正方形，輸出波導的一端與正方形一邊的中點相連接或
耦合，或者與正方形一邊偏離中點的位置相連接或耦合，在輸出波導的另一端得到光輸出，
輸出波導與諧振腔材料相同並同時刻蝕成形。 上述方案中，該半導體雷射器通過輸出波導寬度的選擇，使得對稱和反對稱模式
具有相同的閾值增益和不同的輸出效率，從而實現雙穩輸出。(三)有益效果 本發明提供的這種正多邊形微腔雙穩半導體雷射器，由於正多邊形微腔中不同對 稱性模式的品質因子和耦合效率隨波導的變化有著不同的關係，通過控制輸出波導的寬度 使不同對稱性模式具有相同的閾值增益和不同的耦合效率，所以能夠實現正多邊形微腔激 光器的輸出雙穩特性。


為了更好的說明本發明的目的以及結構和所能達到的功效，以下結合實施例及附 圖對本發明主要以正三角形為例作一詳細的描述，其中 圖1是本發明提供的正多邊形微腔雙穩半導體雷射器的結構示意圖；其中，a是正 三角形微腔雙穩半導體雷射器，b是正方形微腔雙穩半導體雷射器； 圖2是利用2維時域有限差分(finite-difference time-domain, FDTD)法進行 數值計算得到的正三角形微腔中不同對稱性的TE模的品質因子隨著輸出波導寬度的變化 曲線，諧振腔邊長為10y m，腔內折射率為3. 2，腔外折射率為1 ; 圖3是利用二維FDTD方法單模激發TEe。,33模的Hz場分布，在輸出波導部分區域， 磁場被放大了 5倍，輸出波導寬度為0. 7ii m ; 圖4是利用二維FDTD方法單模激發TE°。,33模的Hz場分布，在輸出波導部分區域， 磁場被放大了 5倍，輸出波導寬度為0. 7ii m ; 圖5實驗中用測量的InGaAsP/InP正三角形微腔雙穩半導體雷射器的輸出功率隨 注入電流的增加和降低的變化關係；該雷射器的邊長為30iim，輸出波導寬度2iim，測量溫 度為236K。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照
4附圖，對本發明進一步詳細說明。 本發明提供的這種正多邊形微腔雙穩半導體雷射器，其是考慮不同寬度的輸出波 導對微腔雷射器的不同對稱性模式品質因子的影響，從而選擇合適的結構參數，以實現輸 出雙穩特性。該半導體雷射器由平板波導經刻蝕製成，包括一正多邊形的諧振腔和一輸出 波導，且該輸出波導與該正多邊形的諧振腔連接或耦合。 該平板波導由下限制層、有源區和上限制層構成，在該平板波導上刻蝕形成該半 導體雷射器時，正多邊形和波導的外部區域被刻蝕到下限制層或襯底，而未刻蝕的多邊形 和輸出波導分別作為諧振腔和定向輸出路徑，在輸出波導的另一端得到光輸出。所述刻蝕
採用幹法刻蝕或溼法化學腐蝕方式進行，有源區採用ni-v族體材料、量子阱或量子點材
料，限制層採用限制材料。 該諧振腔為正三角形時，輸出波導的一端與三角形頂點相連接或耦合，在輸出波 導的另一端得到光輸出，輸出波導與諧振腔材料相同並同時刻蝕成形。 該諧振腔為正方形，輸出波導的一端與正方形一邊的中點相連接或耦合，或者與 正方形一邊偏離中點的位置相連接或耦合，在輸出波導的另一端得到光輸出，輸出波導與 諧振腔材料相同並同時刻蝕成形。 該半導體雷射器通過輸出波導寬度的選擇，使得對稱和反對稱模式具有相同的閾 值增益和不同的輸出效率，從而實現雙穩輸出。 如圖1所示，帶輸出波導的正三角形微腔雙穩半導體雷射器由正三角形諧振腔和
輸出波導組成，諧振腔為由下限制層、有源區和上限制層構成的平板波導結構，其有源區可
以是各禾中III-V族體材料InGaAsP， GaAs， InGaAs， InGaN， InAs，以及InGaAsP/InGaAsP，
InGaAs/InGaAsP， InGaAs/GaAs， InGaN/GaN量子阱，InGaAs/GaAs， GaAs/InP， InGaN/GaN量
子點等，上下限制層為相應的限制材料。在正三角外部區域採用幹法刻蝕或溼法化學腐蝕
到下限制層或襯底，而未腐蝕的正三角形區域作為諧振腔，在正三角形諧振腔一個頂角有
輸出波導相連接或耦合。電極可製作在未刻蝕的正三角形頂端和襯底面。諧振腔的四周可
以是空氣或其他低折射率材料。輸出波導的一端設置在正三角形的頂點位置並與其相連接
或耦合，從輸出波導另一端得到定向光輸出，輸出波導一般可以與諧振腔材料相同並同時
刻蝕成形。其寬度可以小於激射波長，也可以是激射波長的l至2倍。 正方形微腔雷射器諧振腔的材料採用與正三角形微腔相同的材料，輸出波導位於
正方形一個邊的中點，也可以偏離中點在其它位置。諧振腔的四周可以是空氣或其他低折
射率材料。輸出波導一般可以與諧振腔材料相同並同時刻蝕成形。 下面重點以正三角形微腔為例來對本發明進行說明。 圖2是利用2維時域有限差分(finite-difference time-domain, FDTD)法進行 數值模擬計算得到的正三角形微腔中對稱和反對稱TE模品質因子隨著輸出波導寬度的變 化，諧振腔邊長為10y m，腔內折射率為3. 2，腔外折射率為1。其中"e"代表對稱模，"o"代 表反對稱模。正三角形諧振腔中WG模具有很高的品質因子，其他模式的品質因子要遠小於 這兩種模式。計算結果表明，隨著輸出波導寬帶增加，對稱模和反對稱模的品質因子交替下 降，通過選擇輸出波導的寬度可以使對稱模和反對稱模具有同樣的品質因子，從而實現雙 穩輸出特性。 圖3、4是利用二維FDTD方法單模激發TEe。,33和TE°。,33模的Hz場分布，在輸出波
5導部分區域，電場被放大了 5倍，輸出波導寬度分別0.7ym。這兩種情況下，在輸出波導中 均有很強的光功率輸出。 圖5是用測量InGaAsP/InP正三角形微腔雙穩半導體雷射器的輸出功率隨注入電
流的增加和降低的變化關係。該雷射器的邊長為30 m，輸出波導寬度為2 m，測量溫度為
236K。注入電流為連續電流，當注入電流在28至44毫安實現雙穩輸出。 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳
細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡
在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保
護範圍之內。
權利要求
一種正多邊形微腔雙穩半導體雷射器，其特徵在於，該半導體雷射器由平板波導經刻蝕製成，包括一正多邊形的諧振腔和一輸出波導，且該輸出波導與該正多邊形的諧振腔連接或耦合。
2. 根據權利要求1所述的正多邊形微腔雙穩半導體雷射器，其特徵在於，該平板波導 由下限制層、有源區和上限制層構成，在該平板波導上刻蝕形成該半導體雷射器時，正多邊 形和波導的外部區域被刻蝕到下限制層或襯底，而未刻蝕的多邊形和輸出波導分別作為諧 振腔和定向輸出路徑，在輸出波導的另一端得到光輸出。
3. 根據權力要求2所述的正多邊形微腔雙穩半導體雷射器，其特徵在於，所述刻蝕採 用幹法刻蝕或溼法化學腐蝕方式進行。
4. 根據權力要求2所述的正多邊形微腔雙穩半導體雷射器，其特徵在於，有源區採用 III-V族體材料、量子阱或量子點材料，限制層採用相應的半導體限制材料。
5. 根據權利要求1所述的正多邊形微腔雙穩半導體雷射器，其特徵在於，該諧振腔為 正三角形，輸出波導的一端與三角形頂點相連接或耦合，在輸出波導的另一端得到光輸出， 輸出波導與諧振腔材料相同並同時刻蝕成形。
6. 根據權利要求1所述的正多邊形微腔雙穩半導體雷射器，其特徵在於，該諧振腔為 正方形，輸出波導的一端與正方形一邊的中點相連接或耦合，或者與正方形一邊偏離中點 的位置相連接或耦合，在輸出波導的另一端得到光輸出，輸出波導與諧振腔材料相同並同 時刻蝕成形。
7. 根據權利要求1所述的正多邊形微腔雙穩半導體雷射器，其特徵在於，該半導體激 光器通過輸出波導寬度的選擇，使得對稱和反對稱模式具有相同的閾值增益和不同的輸出 效率，從而實現雙穩輸出。
全文摘要
本發明公開了一種正多邊形微腔雙穩半導體雷射器，該半導體雷射器由平板波導經刻蝕製成，包括一正多邊形的諧振腔和一輸出波導，且該輸出波導與該正多邊形的諧振腔連接或耦合。利用本發明，由於正多邊形微腔中不同對稱性模式的品質因子和耦合效率隨波導的變化有著不同的關係，通過控制輸出波導的寬度使不同對稱性模式具有相同的閾值增益和不同的耦合效率，所以能夠實現正多邊形微腔雷射器的輸出雙穩特性。
文檔編號H01S5/20GK101728760SQ20081022410
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月15日 優先權日2008年10月15日
發明者楊躍德, 王世江, 黃永箴 申請人:中國科學院半導體研究所