本發(fā)明涉及片上集成激光光源，尤其涉及一種用于片上集成的金屬限制f-p腔激光器。

背景技術(shù)：

1、半導(dǎo)體激光器作為所有類型激光器中體積最小、能效最高的激光器，在光子集成芯片、片上光互連、光通信、醫(yī)療、生物傳感等領(lǐng)域有著非常巨大的應(yīng)用前景。自1962年美國(guó)科學(xué)家成功研制的第一代半導(dǎo)體—gaas同質(zhì)結(jié)注入型半導(dǎo)體激光器，首次將激光器從米縮小至毫米級(jí)以來，垂直腔面發(fā)射激光器(vcsels)、基于回音壁模式的微柱、微盤、微球激光器、光子晶體激光器以及半導(dǎo)體納米線或納米棒激光器等的陸續(xù)出現(xiàn)，逐步將半導(dǎo)體激光器的體積縮小了5個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，這些微型激光器在實(shí)際應(yīng)用中仍存在許多局限性，如：微盤、微柱激光器的模式雖然主要被限制在有源區(qū)域，但會(huì)超出諧振腔物理邊界進(jìn)而與相鄰器件產(chǎn)生模式耦合，難以實(shí)現(xiàn)密集集成；光子晶體激光器模式體積雖小，但布拉格周期的存在使激光器整個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸仍相當(dāng)大，而且光子晶體激光器特別是電激勵(lì)光子晶體激光器的制備工藝相對(duì)復(fù)雜；微盤、光子晶體等激光器與光波導(dǎo)的耦合相對(duì)困難，要實(shí)現(xiàn)較高的耦合效率對(duì)激光器與波導(dǎo)之間的對(duì)準(zhǔn)精度提出了嚴(yán)苛的要求。

2、2007年，hill等人利用有金屬涂層的半導(dǎo)體激光器在低溫電泵浦下實(shí)現(xiàn)激射，并且將激光器的尺寸減小至亞波長(zhǎng)。金屬涂層的引入不僅可以作為反射鏡將光限制在遠(yuǎn)小于光波波長(zhǎng)的體積內(nèi)，抑制光學(xué)模式泄露并有效將其與周圍相鄰器件隔離開，還可以作為電泵浦下的金屬接觸角實(shí)現(xiàn)電流注入，為激光器小型化以適應(yīng)高集成度的發(fā)展帶來了新的機(jī)會(huì)。

3、f-p腔激光器作為半導(dǎo)體激光器中的一種，以f-p腔為諧振腔，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、波長(zhǎng)可調(diào)諧、寬波長(zhǎng)范圍等特點(diǎn)，并且其諧振模式與波導(dǎo)導(dǎo)模類似，容易與波導(dǎo)進(jìn)行耦合實(shí)現(xiàn)能量的高效耦合輸出，這使其在光通信、光傳感、光譜分析等方面具有廣泛應(yīng)用前景。

4、但是目前常見的f-p腔激光器由于腔長(zhǎng)較長(zhǎng)，通常在幾百微米到幾毫米之間，這嚴(yán)重限制了其集成度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、1.要解決的技術(shù)問題

2、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中f-p腔激光器由于腔長(zhǎng)較長(zhǎng)，通常在幾百微米到幾毫米之間，這嚴(yán)重限制了其集成度的問題，而提出的一種用于片上集成的金屬限制f-p腔激光器。

3、2.技術(shù)方案

4、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

5、一種用于片上集成的金屬限制f-p腔激光器，包括有源半導(dǎo)體f-p腔、光學(xué)介質(zhì)層、金屬限制層、電極、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和鍵合層，所述光學(xué)介質(zhì)層位于半導(dǎo)體f-p腔兩端，所述金屬限制層位于f-p腔頂部和f-p腔兩端光學(xué)介質(zhì)層之上，所述電極與f-p腔的電注入層相連，所述f-p腔與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間通過透明鍵合層鍵合。

6、優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體f-p腔為產(chǎn)生激光的區(qū)域，其工作波長(zhǎng)在可見光和近紅外波段，所述有源層采用多量子阱、量子點(diǎn)、納米線或其他半導(dǎo)體材料中的任意一種。

7、優(yōu)選地，所述光學(xué)介質(zhì)層為介質(zhì)材料，所述介質(zhì)材料為二氧化硅、氮化硅、氧化鋁等介質(zhì)材料中的任意一種。

8、優(yōu)選地，所述金屬限制層為對(duì)f-p腔內(nèi)光全反射的金屬材料，所述金屬材料包括金、鋁、銀、銅、鉑、鈀、鉻、鈦、鎳中的任意一種或任意組合。

9、優(yōu)選地，所述電極是用于電流注入的金屬材料，所述金屬材料包括金、鋁、銀、銅、鉑、鈀、鉻、鈦、鎳中的任意一種或任意組合。

10、優(yōu)選地，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)用于能量的耦合輸出，所述波導(dǎo)材料包括硅、氮化硅、石英、鈮酸鋰等材料中的任意一種。

11、優(yōu)選地，所述鍵合層是粘接f-p腔和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的中間層，所述鍵合材料為苯并環(huán)丁烯(bcb)、聚酰亞胺、環(huán)氧樹脂、硅橡膠、酚醛膠等膠材料中的任意一種。

12、3.有益效果

13、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

14、(1)本發(fā)明中，通過金屬限制層大幅提高了f-p腔激光器的q值，可以將激光器的尺寸縮小到10微米以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了f-p腔的微型化，在片上光互連、片上集成等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

15、(2)本發(fā)明中，通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)節(jié)f-p腔共振模式和波導(dǎo)導(dǎo)模之間的耦合，分別實(shí)現(xiàn)了超過55％的單端耦合輸出和超過80％的雙端耦合輸出。

16、(3)本發(fā)明中，金屬限制f-p腔激光器具有較大的制備容差，當(dāng)f-p腔與波導(dǎo)間的對(duì)準(zhǔn)誤差為800nm時(shí)，雙端波導(dǎo)耦合輸出效率仍可達(dá)到70％左右。

技術(shù)特征：

1.一種用于片上集成的金屬限制f-p腔激光器，包括有源半導(dǎo)體f-p腔、光學(xué)介質(zhì)層、金屬限制層、電極、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和鍵合層，其特征在于，所述光學(xué)介質(zhì)層位于半導(dǎo)體f-p腔兩端，所述金屬限制層位于f-p腔頂部和f-p腔兩端光學(xué)介質(zhì)層之上，所述電極與f-p腔的電注入層相連，所述f-p腔與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間通過透明鍵合層鍵合。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于片上集成的金屬限制f-p腔激光器，其特征在于，所述半導(dǎo)體f-p腔為產(chǎn)生激光的區(qū)域，其工作波長(zhǎng)在可見光和近紅外波段，所述有源層采用多量子阱、量子點(diǎn)、納米線或其他半導(dǎo)體材料中的任意一種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于片上集成的金屬限制f-p腔激光器，其特征在于，所述光學(xué)介質(zhì)層為介質(zhì)材料，所述介質(zhì)材料為二氧化硅、氮化硅、氧化鋁等介質(zhì)材料中的任意一種。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于片上集成的金屬限制f-p腔激光器，其特征在于，所述金屬限制層為對(duì)f-p腔內(nèi)光全反射的金屬材料，所述金屬材料包括金、鋁、銀、銅、鉑、鈀、鉻、鈦、鎳中的任意一種或任意組合。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于片上集成的金屬限制f-p腔激光器，其特征在于，所述電極是用于電流注入的金屬材料，所述金屬材料包括金、鋁、銀、銅、鉑、鈀、鉻、鈦、鎳中的任意一種或任意組合。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于片上集成的金屬限制f-p腔激光器，其特征在于，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)用于能量的耦合輸出，所述波導(dǎo)材料包括硅、氮化硅、石英、鈮酸鋰等材料中的任意一種。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于片上集成的金屬限制f-p腔激光器，其特征在于，所述鍵合層是粘接f-p腔和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的中間層，所述鍵合材料為苯并環(huán)丁烯(bcb)、聚酰亞胺、環(huán)氧樹脂、硅橡膠、酚醛膠等膠材料中的任意一種。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種用于片上集成的金屬限制F?P腔激光器，包括有源半導(dǎo)體F?P腔、光學(xué)介質(zhì)層、金屬限制層、電極、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和鍵合層，所述光學(xué)介質(zhì)層位于半導(dǎo)體F?P腔兩端，所述金屬限制層位于F?P腔頂部和F?P腔兩端光學(xué)介質(zhì)層之上，所述電極與F?P腔的電注入層相連，所述F?P腔與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間通過透明鍵合層鍵合。本發(fā)明通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)節(jié)F?P腔共振模式和波導(dǎo)導(dǎo)模之間的耦合，分別實(shí)現(xiàn)了超過55％的單端耦合輸出和超過80％的雙端耦合輸出；通過金屬限制層大幅提高了F?P腔激光器的Q值，可以將激光器的尺寸縮小到10微米以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了F?P腔的微型化，在片上光互連、片上集成等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：郭楚才,孫巧歌,周青偉,陳丹,劉肯,朱志宏,江金豹
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)人民解放軍國(guó)防科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23