光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器的製作方法
2023-08-08 12:22:31 1
專利名稱：光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體光電子器件技術領域，特別是涉及一種懸浮薄板型 大功率光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器。
背景技術：
光子晶體，自其概念被提出以來， 一直受到人們的關注。它獨有的"光
子帶隙"(Photonic Band Gap, PBG)使其在雷射器的應用中有著特殊的地 位，它能抑制自發輻射產生頻率處於帶隙中的光子的機率。當光子晶體中 加入某種缺陷後，帶隙中會出現頻寬很窄的缺陷態，這樣自發輻射產生頻 率處於缺陷態的光子的機率不受抑制，而該頻率附近的自發輻射也有向該 頻率轉化的機率，增強了缺陷態的自發輻射。通過對光子晶體的設計，可 以將雷射器的激射頻率設定在缺陷態頻率，這樣能大大提高雷射器的自發 輻射因子,獲得極低閾值的雷射器。同時，基於光子晶體的多種有源和無源 器件相對於傳統器件具有尺寸緊湊、易於集成等優點，這使得光子晶體成 為未來光子集成晶片的重要候選方案。
對光子晶片而言，是在二維平板之上集成各個器件，需要光信號在平 板內部傳播，點缺陷微腔面發射雷射器可作為晶片與晶片間的光信息傳播 的光源，但是作為平板集成光路的光源來說並不理想，需要一種能夠在平 板內部發光的雷射光源。而線缺陷波導型邊發射雷射器從側面出光，可以 直接經由波導進入集成的無源器件中，因此作為光子集成迴路光源的實現 途徑具有重要價值。
目前波導型邊發射雷射器有兩種實現方法。第一種是微腔-波導耦合 型。它利用點缺陷微腔雷射器中光場的倏逝波與鄰近的波導發生耦合，從 而實現雷射沿波導方向傳播並側向輸出。微腔-波導的耦合效率可以達到 80%， 如文獻 "Photonic crystal nanolaser monolithically integrated with passive waveguide for effective light extraction", Kengo Nozaki,HidekiWatanabe, and Toshihiko Baba， Appl. Phys. Lett, 92 021108 2008，甚至達到 90%，如文獻"Efficient photonic crystal cavity-waveguide coupler" , Andrei Faraon， Edo Waks, Dirk Englund, Llya Fushman, and Jelena Vu汰ovi6, Appl, Phys. Lett., 90 073102 2007。這種方案雖可以實現較高的微腔-波導耦合效 率，但是其雷射是由模式體積很小的微腔產生的，很難獲得較高的增益， 這大大限制了雷射的輸出功率。
另一種波導邊發射雷射器的實現方法是光子晶體波導帶邊雷射器。利 用光子晶體波導的色散曲線在帶邊處具有低群速度的特性，在波導中產生 慢光效應。慢光模式在波導諧振產生雷射，如文獻"Line-defect-waveguide laser integrated with a point defect in a two-dimensional photonic crystal slab", Atsushi Sugitatsu, Takashi Asano and Susumu Noda, APL, Vol.86, 171106, 2005。由於該帶邊共振模式在水平方向和垂直方向的品質因子都非常高， 這導致了雷射邊發射輸出的功率極低。
上述兩種方案的邊發射雷射輸出功率都受限於各自的雷射產生機制 而較低，這對於未來的光子晶片的光源應用是很大的瓶頸。因此，實現一 種大功率高效邊發射雷射器成為當務之急。
發明內容
(一) 要解決的技術問題
有鑑於此，本發明的主要目的在於克服已有的光子晶體邊發射雷射器 輸出功率較低的缺點，提供一種大功率光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射 器，以提高邊發射雷射器的輸出功率。
(二) 技術方案
為了達到上述目的，本發明採取的技術方案如下.-
一種光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器，該邊發射雷射器由製作於 半導體材料上的空氣孔型光子晶體結構構成，分為三個部分，左邊部分為 慢光波導結構，用來產生雷射；右端為輸出波導結構，該輸出波導結構內 側相鄰的兩行空氣孔的直徑都略小於周圍光子晶體的空氣孔直徑；慢光波 導結構與輸出波導結構中間為啁啾波導結構，該啁啾波導結構內側相鄰兩行空氣孔的直徑從與慢光波導結構空氣孔直徑相同而逐漸變小，直到與輸 出波導結構的空氣孔直徑相同。
上述方案中，所述半導體晶片的材料為InGaAsP/InP材料、 GaAs/AIGaAs材料或GaN/AlGaN材料；所述製作於半導體材料上的空氣 孔型光子晶體結構為三角晶格空氣孔型光子晶體結構。
上述方案中，所述慢光波導結構由在完好的空氣孔型光子晶體結構 中，去除一行空氣孔形成的單一線缺陷波導構成。
上述方案中，所述慢光波導結構使用波導的慢光效應產生雷射，雷射 頻率在慢光波導的導波模式的帶邊附近。
上述方案中，所述輸出波導結構為去除一行空氣孔的線缺陷光子晶體 波導結構，並且該線缺陷光子晶體波導結構的兩側相鄰的空氣孔的直徑略 小於光子晶體空氣孔的直徑。
上述方案中，所述輸出波導結構中，傳輸的雷射的模式為具有正常群 速度的非慢光模式。
上述方案中，所述的啁啾波導結構為去除一行空氣孔的線缺陷光子晶 體波導結構，並且該線缺陷波導的兩側相鄰的空氣孔的直徑從慢光波導結 構空氣孔直徑漸變到輸出波導結構的空氣孔的直徑。
上述方案中，所述啁啾波導結構中，雷射的模式由低群速度慢光模式 高效轉換為正常群速度的導波模式。
上述方案中，該邊發射雷射器出射的雷射，通過輸出波導結構，從材 料側面的解理邊出射。
上述方案中，該邊發射雷射器的輸出波長在紅外波段，波長範圍在0.7 微米至1.7微米範圍內。
(三)有益效果 從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果 1、本發明提供的光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器，採用光子晶 體波導的慢光效應產生雷射模式，相對於微腔雷射器具有更大的有源區 域，可獲得更高的增益，從而提高雷射功率。採用本發明的這種啁啾波導 設計，可得到大輸出功率的雷射器，其有效泵浦閾值功率為46pW，輸出功率達到10|iW，較原有的普通慢光雷射器輸出功率提高214倍。
2、 本發明提供的光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器，可實現雷射 的側向邊發射，使得它更容易實現與無源波導器件的耦合輸出，成為光子 晶體集成晶片的理想光源。
3、 本發明提供的光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器，採用啁啾波 導設計，使得慢光雷射模式轉化為群速度正常的導波模式，轉換效率高；
4、 本發明提供的光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器，雷射的邊模 抑制比可達37dB，實現良好的單模特性。
圖1是本發明中大功率光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器的結構示 意圖2是本發明中大功率光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器的慢光波 導的能帶(實線)與輸出波導的能帶(虛線)示意圖3是本發明中光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器與普通慢光波導 雷射器的輸出光場強度對比的仿真結果示意圖4是本發明中製作出的大功率光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器 的掃描電鏡實物照片；
屈5是本發明中製作出的邊發射雷射器的測量雷射頻譜；
圖6是本發明中製作出的邊發射雷射器的測量到的邊發射光斑；
圖7是本發明中製作出的雷射器的閾值特性曲線。
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，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
請參照圖1，圖1是本發明中大功率光子晶體啁啾波導慢光邊發射激 光器的結構示意圖。該雷射器基於空氣孔光子晶體三角晶格設計，分為三 個部分，左邊部分為慢光波導結構，用來產生雷射。這部分由在完好光子 晶體中去除一行空氣孔形成的單一線缺陷波導構成。右端為輸出波導結 構。在這一部分，波導內側相鄰的兩行空氣孔的直徑都設計為略小於周圍光子晶體的孔徑。慢光波導結構與輸出波導結構中間為啁啾波導結構，它 的波導內側相鄰兩行空氣孔的直徑從與慢光波導結構相同逐漸變小，直到 與輸出波導結構的直徑相同。
波導的導波能帶特性示於圖2。圖中黑色實線表示慢光波導的導波模 式。該導波模式是偶模，並且在光錐之下，因此可以在平板內部中存在並 在波導中傳播。在該模式的帶邊處(黑色水平虛線所示)，色散曲線十分 平坦，斜率接近於零。根據光波的群速度公式Vg^"^"、這一頻率範圍 內的光波具有較低的群速度，稱之為慢光。慢光與普通導波模式的最大不 同在於低群速度導致其在波導中無法正常傳播，由於光子晶體的布拉格
(Bragg)散射，慢光會在波導中形成類似F-P腔中的諧振。諧振的模式 由於處於光子晶體波導帶邊的慢光處，具有高光子態密度，並增強光與有 源介質的相互作用，當獲得足夠多的增益後即可產生雷射。
慢光效應雖然能夠帶來足夠的增益並產生雷射，但是由於雷射頻率處 在慢光範圍內，群速度較低，同時產生很強的光與物質的相互作用，導致 光在波導中被強烈吸收，大大限制了雷射的有效輸出。雷射器的輸出波導 就是用來解決這一問題的。輸出波導的導波模能帶如圖2中的黑色虛線所 示。孔徑的變小使得波導區域的有效折射率增大，因而導波模式向低頻方 向移動。這使得慢光模式對應的頻率在輸出波導中進入了非慢光區域，光 波重新具有了正常的傳播速度，因此諧振消失，輸出功率得到增強。
在慢光波導結構與輸出波導結構之間是啁啾波導結構，如附圖1中的 矩形區域所示。由於輸出波導結構內側相鄰的兩行空氣孔與慢光波導結構 有較大差異，如果直接將兩段波導相連接，結構的突變會引起場的突變， 一方面對慢光波導結構的諧振有所破壞，另一方面在界面處散射增多，加 大了損耗。而採用孔徑漸變的啁啾波導結構，可使孔徑平緩變化，模式場 也從慢光模式平緩的過渡到導波模式。光波的群速度也由慢光的低群速度 漸變至導波模的正常群速度，這樣可以顯著提高雷射的光輸出效率。
圖3是本發明中光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器與普通慢光波導 雷射器的輸出光場強度對比的仿真結果示意圖。普通慢光波導中的模式更 加向波導兩側擴展，這是慢光模式的明顯特徵。在波導中出現了波節，這 說明形成了明顯的諧振。大部分光波被局域在波導中，輸出很小。而在本發明提供的啁啾波導邊發射雷射器結構中，慢光波導結構中也發生了諧 振，而漸變波導和輸出波導中的場向波導兩側的擴展明顯減弱，說明己經 過渡到了正常群速度的導波模式，輸出明顯增強。
圖4是本發明中製作出的大功率光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器 的掃描電鏡實物照片。通過使用電子束曝光技術和感應耦合等離子體幹法
刻蝕技術，在lnGaAsP/InP材料上製作出光子晶體圖形，最後通過溼法選 擇腐蝕製作出懸浮薄板結構的光子晶體邊發射雷射器件。三角晶格的晶格 常數為a=420nm，光子晶體的空氣孔直徑為d=260nm，輸出波導的相鄰空 氣孔直徑略小，為d'-190nm。漸變波導部分的長度為25個周期，波導內 側空氣孔直徑從260nm漸變為190nm。
圖5是本發明中製作出的邊發射雷射器的測量雷射頻譜。採用980nm 雷射器脈衝泵浦，激射波長為1576nm，邊模抑制比達到37dB。圖6是本 發明中製作出的邊發射雷射器的測量到的邊發射光斑，可見雷射沿著輸出 波導從側面出光的。圖7是本發明中製作出的雷射器的閾值特性曲線。在 佔空比為0.075%條件下，有效閾值功率為46uW，輸出功率可達10uW， 相比普通的慢光波導雷射器提高了 214倍。
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
1、一種光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器，其特徵在於，該邊發射雷射器由製作於半導體材料上的空氣孔型光子晶體結構構成，分為三個部分，左邊部分為慢光波導結構，用來產生雷射；右端為輸出波導結構，該輸出波導結構內側相鄰的兩行空氣孔的直徑都略小於周圍光子晶體的空氣孔直徑；慢光波導結構與輸出波導結構中間為啁啾波導結構，該啁啾波導結構內側相鄰兩行空氣孔的直徑從與慢光波導結構空氣孔直徑相同而逐漸變小，直到與輸出波導結構的空氣孔直徑相同。
2、 根據權利要求1所述光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器，其特 徵在於，所述半導體晶片的材料為InGaAsP/InP材料、GaAs/AlGaAs材料 或GaN/AlGaN材料；所述製作於半導體材料上的空氣孔型光子晶體結構 為三角晶格空氣孔型光子晶體結構。
3、 根據權利要求1所述光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器，其特 徵在於，所述慢光波導結構由在完好的空氣孔型光子晶體結構中，去除一 行空氣孔形成的單一線缺陷波導構成。
4、 根據權利要求1所述光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器，其特 徵在於，所述慢光波導結構使用波導的慢光效應產生雷射，雷射頻率在慢 光波導的導波模式的帶邊附近。
5、 根據權利要求1所述光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器，其特 徵在於，所述輸出波導結構為去除一行空氣孔的線缺陷光子晶體波導結 構，並且該線缺陷光子晶體波導結構的兩側相鄰的空氣孔的直徑略小於光 子晶體空氣孔的直徑。
6、 根據權利要求1所述光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器，其特 徵在於，所述輸出波導結構中，傳輸的雷射的模式為具有正常群速度的非 慢光模式。
7、 根據權利要求1所述光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器，其特 徵在於，所述的啁啾波導結構為去除一行空氣孔的線缺陷光子晶體波導結 構，並且該線缺陷波導的兩側相鄰的空氣孔的直徑從慢光波導結構空氣孔 直徑漸變到輸出波導結構的空氣孔的直徑。
8、 根據權利要求1所述光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器，其特 徵在於，所述啁啾波導結構中，雷射的模式由低群速度慢光模式高效轉換 為正常群速度的導波模式。
9、 根據權利要求1所述光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器，其特 徵在於，該邊發射雷射器出射的雷射，通過輸出波導結構，從材料側面的 解理邊出射。
10、 根據權利要求1所述光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器，其特徵在於，該邊發射雷射器的輸出波長在紅外波段，波長範圍在0.7微米至 1.7微米範圍內。
全文摘要
本發明公開了一種光子晶體啁啾波導慢光邊發射雷射器，由製作於半導體晶片上的空氣孔型光子晶體結構構成，分為三個部分，左邊部分為慢光波導結構，用來產生雷射；右端為輸出波導結構，該輸出波導結構內側相鄰的兩行空氣孔的直徑都略小於周圍光子晶體的空氣孔直徑；慢光波導結構與輸出波導結構中間為啁啾波導結構，該啁啾波導結構內側相鄰兩行空氣孔的直徑從與慢光波導結構空氣孔直徑相同而逐漸變小，直到與輸出波導結構的空氣孔直徑相同。本發明提供的邊發射雷射器，採用光子晶體波導的帶邊慢光模式，突破了缺陷腔模式體積受限制的瓶頸，利用啁啾波導結構，將慢光模式高效轉換為正常群速度導波模式，使得邊發射雷射的輸出效率得到大幅提高。
文檔編號H01S5/20GK101635433SQ200810117070
公開日2010年1月27日 申請日期2008年7月23日 優先權日2008年7月23日
發明者剛 任, 劉安金, 周文君, 邢名欣, 鄭婉華, 微 陳, 陳良惠 申請人:中國科學院半導體研究所