一種單模激射圓環(huán)微腔激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，尤其涉及一種可實(shí)現(xiàn)選擇性單模激射的圓環(huán)形微腔激光器，更具體地，本發(fā)明涉及具有內(nèi)壁光柵的圓環(huán)形微腔激光器，其中分布在圓環(huán)內(nèi)壁的光柵結(jié)構(gòu)可以有選擇性的抑制圓環(huán)微腔模式的品質(zhì)因子，使得只有角向量子數(shù)數(shù)目和光柵結(jié)構(gòu)的周期數(shù)目相等的模式才能夠保持足夠高的品質(zhì)因子，使得這種圓環(huán)形微腔激光器件能夠有選擇性的實(shí)現(xiàn)單一模式的激射。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，微電子工藝線寬逐漸接近物理極限，光電子集成成為了信息技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)之一，光信息處理、光通訊技術(shù)的飛速發(fā)展使得光電子器件逐漸朝著高密度集成、高效率、低功耗和微型化方向發(fā)展。光學(xué)微腔通過(guò)全反射來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的強(qiáng)限制，腔中產(chǎn)生了品質(zhì)因子極高的回音壁(Whispering-Gallery，WG)模式。這種支持高品質(zhì)因子回音壁模式的光學(xué)諧振腔非常適合于制備極低閾值、高密度集成的微腔激光器以及陣列，在光互聯(lián)和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，可用于大規(guī)模光子器件集成電路，并可以和光纖通信網(wǎng)絡(luò)和大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路匹配組成光電子信息網(wǎng)絡(luò)。由于激光模式的自由譜范圍較窄，而材料的增益譜較寬，因此在增益譜范圍內(nèi)可以同時(shí)支持多個(gè)回音壁模式的存在，導(dǎo)致多個(gè)模式同時(shí)激射。由于材料增益有限，多模激射會(huì)引起模式間的競(jìng)爭(zhēng)，因而對(duì)輸出光束質(zhì)量和時(shí)間穩(wěn)定性都會(huì)產(chǎn)生不利的影響。因此能夠?qū)崿F(xiàn)特定單一模式激射是微腔激光器具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的必備條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于，提供一種圓環(huán)形微腔激光器，其內(nèi)壁上分布有角向光柵結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激射模式的有效選擇，從而實(shí)現(xiàn)單一模式激射的微腔激光器。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種單模激射圓環(huán)微腔激光器，其特征在于，包括:圓環(huán)形微腔諧振腔，所述圓環(huán)形微腔諧振腔的內(nèi)壁上分布光柵結(jié)構(gòu)。
[0005]其中，所述光柵結(jié)構(gòu)的光柵周期數(shù)目等于所述單模激射圓環(huán)微腔激光器的單模激射模的角向量子數(shù)。
[0006]其中，所述圓環(huán)形微腔諧振腔包括上限制層、有源區(qū)和下限制層。
[0007]其中，所述光柵結(jié)構(gòu)垂直分布于所述圓環(huán)微腔諧振腔內(nèi)壁。
[0008]其中，所述圓環(huán)形微腔諧振腔與所述光柵結(jié)構(gòu)具有相同的結(jié)構(gòu)和材料。
[0009]其中，所述光柵結(jié)構(gòu)的每個(gè)光柵周期中凸起和凹槽所占的寬度比值在0.1-1之間。
[0010]其中，所述圓環(huán)形微腔諧振腔通過(guò)光泵浦方式或者電注入方式作為激勵(lì)源來(lái)實(shí)現(xiàn)激射。
[0011]其中，所述圓環(huán)形微腔諧振腔和光柵結(jié)構(gòu)的材料包括各種IV族半導(dǎo)體材料和其化合物以及II1-V、I1-VI族化合物，有機(jī)半導(dǎo)體材料和其他固體激光器的工作物質(zhì)；所述圓環(huán)形微環(huán)諧振腔的有源區(qū)的結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體體材料結(jié)構(gòu)、量子阱、量子線、量子點(diǎn)及量子級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。
[0012]其中，對(duì)于選定的圓環(huán)形微腔諧振腔的半徑和環(huán)寬，所述光柵結(jié)構(gòu)的刻蝕深度為使得單模激射模的品質(zhì)因子最優(yōu)時(shí)的刻蝕深度。
[0013]其中，對(duì)于選定的圓環(huán)形微腔諧振腔的半徑和光柵結(jié)構(gòu)的刻蝕深度，所述圓環(huán)形微腔諧振腔的環(huán)寬為使得單模激射模的品質(zhì)因子最優(yōu)時(shí)的環(huán)寬。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0015]1、本發(fā)明提供的這種圓環(huán)形半導(dǎo)體微腔激光器，通過(guò)分布在圓環(huán)內(nèi)壁上的光柵結(jié)構(gòu)對(duì)光進(jìn)行衍射，可以控制不同模式光場(chǎng)的向外輻射，抑制其他所有非激射模式的品質(zhì)因子，因此能夠使圓環(huán)微腔激光器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單一模式激射。
[0016]2、本發(fā)明通過(guò)巧妙選擇分布于圓環(huán)內(nèi)壁上的光柵結(jié)構(gòu)的周期數(shù)目，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激射模式的有效選擇。
【附圖說(shuō)明】
[0017]為了更好的說(shuō)明本發(fā)明的目的以及結(jié)構(gòu)和所能達(dá)到的功效，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖來(lái)做進(jìn)一步的說(shuō)明，其中:
[0018]圖1是本發(fā)明中內(nèi)壁分布有光柵結(jié)構(gòu)的圓環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)的平面示意圖；
[0019]圖2是本發(fā)明中內(nèi)壁分布有光柵結(jié)構(gòu)的圓環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)的立體示意圖；
[0020]圖3是本發(fā)明中利用2維有限元方法(finite element method，F(xiàn)EM)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算得到的圓環(huán)形微腔中不同橫電模式TE模的品質(zhì)因子隨模式的角量子數(shù)的變化曲線圖；
[0021]圖4是本發(fā)明中利用二維FEM方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算得到的圓環(huán)形微腔中不同TE模的品質(zhì)因子隨圓環(huán)環(huán)寬的變化曲線圖；
[0022]圖5是是利用二維FEM方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算得到的圓環(huán)形微腔中不同TE模的品質(zhì)因子隨光柵深度的變化曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參閱圖1-圖5所示，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0024]本發(fā)明提供的一種內(nèi)壁分布有光柵結(jié)構(gòu)的圓環(huán)形半導(dǎo)體微腔激光器，通過(guò)選擇不同的內(nèi)壁光柵周期數(shù)目來(lái)選擇和控制圓環(huán)微腔的激射模式。不同周期數(shù)目的光柵對(duì)圓環(huán)內(nèi)不同模式的光場(chǎng)衍射效果不同，通過(guò)改變光柵周期數(shù)目，可以有選擇性的使得只有一個(gè)腔模保持足夠高的品質(zhì)模式，而其他模式，由于光柵結(jié)構(gòu)增加了它們光場(chǎng)向腔外的輻射導(dǎo)致光更多的泄露到腔外，使得它們的品質(zhì)因子被抑制到很低，這樣唯一具有高品質(zhì)因子的模式就可以實(shí)現(xiàn)單模激射。通過(guò)選擇合適的圓環(huán)寬度和光柵深度，可以優(yōu)化被選激射模式的品質(zhì)因子，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的單一模式激射。
[0025]參閱圖1、圖2所示，本發(fā)明提供了一種具有單模激射模的圓環(huán)微腔激光器，其包括:圓環(huán)形微腔諧振腔，所述圓環(huán)微腔諧振腔的內(nèi)壁上分布有光柵結(jié)構(gòu)；其中，所述光柵結(jié)構(gòu)的光柵周期數(shù)目等于所述單模激射模的角向量子數(shù)目。且所述光柵結(jié)構(gòu)分布于所述圓環(huán)微腔諧振腔的內(nèi)壁上。
[0026]所述圓環(huán)形微腔諧振腔和所述光柵結(jié)構(gòu)通過(guò)平板波導(dǎo)刻蝕而成，所述平板波導(dǎo)包括上限制層、有源區(qū)和下限制層；在所述平板波導(dǎo)上刻蝕形成所述圓環(huán)形微腔諧振腔和所述光柵結(jié)構(gòu)時(shí)，所述圓環(huán)形微腔諧振腔和所述光柵結(jié)構(gòu)的外部區(qū)域被刻蝕到下限制層或襯底。
[0027]具體地，如圖1所示，在一襯底I上一部分為圓環(huán)形微腔諧振腔21，另一部分為分布在諧振腔內(nèi)壁上的光柵22 ；
[0028]該諧振腔21制作在襯底I上；
[0029]該光柵結(jié)構(gòu)22制作在襯底I上并與諧振腔21的內(nèi)壁相連接；
[0030]其中諧振腔21在垂直于襯底I的方向上為環(huán)形柱結(jié)構(gòu)，該諧振腔21包括:一下限制層211，該下限制層211與襯底I連接；一有源層212，該有源層212制備在下限制層211上，其形狀與下限制層211相同(如圖2所示)。
[0031]其中光柵結(jié)構(gòu)22位于諧振腔21的內(nèi)壁上且與諧振腔相連，該光柵結(jié)構(gòu)22與諧振腔21具有相同的結(jié)構(gòu)和材料。<