一种环形光子晶体微腔光放大面发射激光器制造技术

一种环形光子晶体微腔光放大面发射激光器，在半导体激光器有源层的一侧制作环形光子晶体结构，该环形光子晶体有若干圈周期性空孔结构，同时在环形光子晶体中心形成微腔结构，并获得微腔模式。微腔模式光场扩展到环形光子晶体区域中，利用该扩展的光场，通过在光子晶体覆盖区域内加载电流，扩展部分的有源层光子产生受激辐射，与微腔区域内的光子同频、同相位、同光场分布，即将微腔模式光场在环形光子晶体中实现光放大，实现大功率单模激光输出。实现大功率单模激光输出。实现大功率单模激光输出。

【技术实现步骤摘要】
一种环形光子晶体微腔光放大面发射激光器
一、
技术介绍

[0001]目前常规的半导体激光器结构有：FP、DFB、VCSEL等，受到横向尺寸、器件形状等的影响，提高输出激光功率和控制发散角难以兼得。1999年，日本京都大学Noda教授团队提出光子晶体面发射激光器(PCSEL)，经过20多年的发展，2023年他们做出了直径3mm的PCSEL器件，实现了连续50W单模激光输出，且发散角约0.05
°
。他们不仅验证了PCSEL技术路径的可行性，也将推动半导体激光器进一步发展，有望颠覆半导体激光器甚至整个激光器行业的发展。
[0002]PCSEL结构的器件存在以下几个问题：第一，产生激光谐振的XY平面内，难以控制X方向与Y方面的激光耦合，当器件做大后容易分别在X方向和Y方向出现线状激射，影响输出光场分布。第二，PCSEL为带边模式，利用光子带隙带边的Γ点产生驻波，需要打开带隙以更好控制模式，因此光子晶体与基底材料折射率差应尽可能大。这也就导致X方向和Y方向的面内反馈较强。若将器件做大后，容易出现多点激射，导致输出激光不再是单模。
[0003]美国加州理工学院Yariv教授团队20年前研究了环形DFB、环形光子晶体等结构。与PCSEL在直角坐标系中分析不同，圆形的光栅、光子晶体需在柱坐标下进行分析，求解贝塞尔函数得到结果。由于采用的环形光栅贯穿整个器件，光栅对光场的调制作用很强，将器件做大后易造成多模。
[0004]为弥补现有光子晶体面发射激光器的不足，本申请提出一种环形光子晶体微腔光放大面发射激光器，以实现单模大功率激光输出。在半导体激光器有源层的一侧制作环形光子晶体结构，光子晶体的折射率小于基底材料的折射率。该环形光子晶体有若干圈周期性空孔结构，通常大于1000圈，甚至10000圈，同时在环形光子晶体中心形成微腔结构，相应地可获得微腔模式的光场分布。当光子晶体折射率与基底材料折射率相差较大，微腔直径较大时，微腔模式光场被限制在微腔中；当光子晶体折射率与基底材料折射率相差较小或者光子晶体层的限制因子较小亦或是微腔直径较小时，微腔模式光场向四周扩展到光子晶体结构中，并迅速衰减。利用扩展的光场，通过在光子晶体覆盖区域内均加载电流，扩展部分的有源层光子产生受激辐射，与微腔区域内的光子同频、同相位、同光场分布，即将微腔模式光场在环形光子晶体中实现光放大。因此，本申请环形光子晶体结构既可视为反射镜，在结构中心获得微腔模式；同时利用扩展的微腔模式，在环形光子晶体覆盖区域实现对微腔模式的光放大，进而实现大功率单模激光输出。
二、
技术实现思路

[0005]文献1公开了一种环形光子晶体谐振器，用于获得宽自由光谱范围以及高Q值，并对比了光子晶体空孔按照m分别为8、9的Hankel函数径向分布的谐振波长和模式情况。由于其光场模式为多瓣状，不利于获得单模激光。并且仅输出微腔模式，难以获得大功率。
[0006]文献2公开了环形DFB、盘形布拉格和环形布拉格结构的激光器，其中环形DFB结构为带边模式，盘形布拉格和环形布拉格结构为禁带模式。该文献公开的结构，面内反馈较强，导致环形槽圈数无法过多，否则无法实现单模输出，因此器件较小，3类器件中直径最大
为43.6μm。此外，其盘形布拉格结构激光器，中心微腔直径是环形光栅结构直径的一半，最小约为5.2μm，最大约为12.2μm，其多个微腔模式之间阈值相差较小，难以区分选择，故无法保证单模。因此，其设计的光栅结构无法实现单模大功率激光输出。
[0007]本申请的环形光子晶体微腔光放大面发射激光器结构如图1所示，自上而下分别为上电极7、上包层6、上波导层5、有源层4、下波导层3、下包层2。环形光子晶体层8位于有源层的一侧，其可以在上包层6中，也可以在上包层6和上波导层5中，也可以贯穿上电极层7和上包层6。
[0008]优选的，在下包层2的下方还有下电极1，下电极1中间留有出光孔，下电极1的内径大于上电极7的外径，该结构如图1(a)所示。
[0009]优选的，下电极1也可以设置在下包层2的外侧，该结构如图1(b)所示。
[0010]优选的，上电极7为ITO。
[0011]优选的，在上电极7的上方还有一层反射层，使得产生的激光均从下方出射，提高出光效率。
[0012]为实现器件单模大功率激光输出，参照图1所示的器件结构，若激光从下包层2侧出光，上电极7的覆盖面应足够大，使得环形光子晶体层8覆盖范围内有源层4获得电注入产生激光。因此，上电极7的覆盖面应当与光子晶体层8的覆盖面相当，或者上电极7的覆盖面略小于环形光子晶体层8的覆盖面，例如环形光子晶体层8的覆盖直径约为上电极7直径的1.05
‑
1.2倍，优选为1.1倍。而下包层2处为出光面，下电极1中间留有出光孔，外围为电极部分，下电极1的内径大于上电极7的外径，优选的，下电极1的内径为上电极7外径的1.1倍。
[0013]环形光子晶体层8如图2(b)所示，分别为基底材料8
‑
1、光子晶体8
‑
2、微腔8
‑
3。所述基底材料8
‑
1指的是上包层6或上波导层5或下波导层3或下包层2。基底材料8
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1的折射率大于光子晶体8
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2的折射率。光子晶体8
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2可以是空孔，也可以填埋或部分填充SiN、ITO等其它材料。所述上包层6与上波导层5之间还可以设置一层电子阻挡层，用于促使电子与空穴在有源层4处复合，避免在光子晶体层处复合。
[0014]图2给出了按照1阶贝塞尔函数零点位置排布的环形光子晶体图案。图2(a)为完整的环形光子晶体结构，图2(b)为包含微腔结构的环形光子晶体。对于图2(b)，微腔外围的环形光子晶体可视为反射镜，光场集中在环形光子晶体中心。通过调整最内圈光子晶体空孔形成的圆周大小，可获得不同m数值的微腔模式，即可抑制高阶微腔模式。同时，调整微腔内偏振孔位置、大小和个数，可进一步控制并选择所需微腔模式。
[0015]本申请的方案是利用环形光子晶体结构，在中心形成微腔。环形光子晶体空孔根据贝塞尔函数方程的解(例如第一类贝塞尔函数、第二类贝塞尔函数、第三类贝塞尔函数等)或其它形式贝塞尔函数方程的解，确定各圈光子晶体的相位，相邻两圈光子晶体之间相位差为2π。所述贝塞尔函数优选为0阶或1阶贝塞尔函数，也可以对0阶或1阶贝塞尔函数进行相移。相邻两圈环形光子晶体之间的间距周期约为a；每一圈环形光子晶体空孔的间距约为a；每一个光子晶体空孔直径约为0.4a
‑
0.6a，优选为0.45a
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0.55a，更优选为0.5a，以降低面内反馈强度(参见文献3的图3)，这将有利于器件面积做大。考虑到光场优先分布在介电常数高的材料中，为减小光子晶体结构对径向传播的影响，更好地控制光场模式，优先将光子晶体空孔分布在贝塞尔函数零点处。所述a大致为
光在基底材料中的波长，即a＝λ/n，根据实际情况适当调整a的大小以与有源层发光波长一致或接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种环形光子晶体微腔光放大面发射激光器，包括上电极、上包层、上波导层、有源层、下波导层、下包层，当载流子被注入到有源层时，所述有源层发射光，其特征在于：在有源层的一侧设置二维环形光子晶体结构，所述二维环形光子晶体被形成为环形点阵，所述二维环形光子晶体形成的环形点阵在中心形成微腔结构。2.根据权利要求1所述的环形光子晶体微腔光放大面发射激光器，其特征在于，所述二维环形光子晶体形成的环形点阵，按照贝塞尔函数或其它形式贝塞尔函数方程的解分布各圈环形光子晶体；所述有源层发射光在微腔结构中发生谐振，形成微腔模式；所述有源层发射光在环形光子晶体中，将微腔模式进行光放大；所述上电极的覆盖面积小于或等于所述环形光子晶体结构的覆盖面积。3.根据权利要求1所述的环形光子晶体微腔光放大面发射激光器，其特征在于，所述环形光子晶体微腔光放大面发射激光器的直径大于等于0.5mm或边长大于等于0.5mm。4.根据权利要求1所述的环形光子晶体微腔光放大面发射激光器，其特征在于，环形光子晶体微腔结构谐振频率在有源层显示增益的频率内。5.根据权利要求4所述的环形光子晶体微腔光放大面发射激光器，其特征在于，所述环形光子晶体微腔结构谐振频率在环形光子晶体的禁带频率内。6.根据权利要求2所述的环形光子晶体微腔光放大面发射激光器，其特征在于，相邻两圈所述环形光子晶体相位差2π。7.根据权利要求6所述的环形光子晶体微腔光放大面发射激光器，其特征在于，相邻两圈所述环形光子晶体间距周期为a。8.根据权利要求7所述的环形光子晶体微腔光放大面发射激光器，其特征在于，组成所述环形光子晶体点阵的空孔，每一圈环形光子晶体空孔的间距为a。9....

【专利技术属性】
技术研发人员：郁骁琦，杨辉，
申请(专利权)人：苏州实验室，
类型：发明
国别省市：