br>[0032]所述諧振腔21通過(guò)由下限制層211、有源區(qū)212和上限制層213構(gòu)成的平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制作而成，各層的厚度沒(méi)有限制，在實(shí)際工藝中可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)；所述光柵結(jié)構(gòu)通過(guò)刻蝕所述諧振腔21的內(nèi)壁制作而成。諧振腔21和光柵結(jié)構(gòu)22的四周為低折射率材料(包括空氣)。諧振腔21在垂直于襯底I的方向上為環(huán)形柱結(jié)構(gòu)，諧振腔21的半徑為激射波長(zhǎng)的幾倍到上千倍。其材料可以是公知的各種IV組半導(dǎo)體材料和其化合物以及II1-V、I1-VI族化合物等半導(dǎo)體材料，也可以是有機(jī)半導(dǎo)體材料和其他固體激光器的工作物質(zhì)。諧振腔有源區(qū)212可以是半導(dǎo)體體材料或者量子阱、量子線、量子點(diǎn)、量子級(jí)聯(lián)等各種結(jié)構(gòu)。在實(shí)施例中的襯底1、下限制層211和上限制層213不一定是必須的，只要能夠使得圓環(huán)形諧振腔21實(shí)現(xiàn)增益可以克服損耗即可。
[0033]在具體制備工藝上，諧振腔21可以通過(guò)干法刻蝕或者濕法化學(xué)腐蝕等方法將外延片腐蝕到下限制層或者襯底，而未腐蝕區(qū)域?yàn)橹C振腔21和光柵結(jié)構(gòu)22。在諧振腔21的內(nèi)壁上有光柵結(jié)構(gòu)22相連接，光柵結(jié)構(gòu)22可以和諧振腔21同時(shí)制作出來(lái)，他們具有相同的材料和結(jié)構(gòu)，如圖2所示。光柵結(jié)構(gòu)22的光柵周期數(shù)目根據(jù)所要選取的單模激射模來(lái)選擇，數(shù)目等于單模激射模的角向量子數(shù)。光柵結(jié)構(gòu)22的每個(gè)光柵周期中凸起和凹槽所占的寬度比值可以選擇0.1-1之間。
[0034]本發(fā)明中的激光器諧振腔21可以通過(guò)光泵浦方式或者電注入方式(可以在襯底I下面和上限制層213上面制作電極)作為激勵(lì)源來(lái)實(shí)現(xiàn)激射。
[0035]圖3是利用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)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，圓環(huán)形諧振腔的外半徑為2.4 μ m，圓環(huán)寬度為0.8 μ m，內(nèi)壁光柵的刻蝕深度為0.3 μ m，光柵周期數(shù)目為25，圓環(huán)諧振腔的折射率為3.2，腔外折射率為I。具體地，光柵周期數(shù)目與所選擇的激射模式的角量子數(shù)需要相同，圓環(huán)形諧振腔的外半徑根據(jù)工藝進(jìn)行選擇并固定，之后通過(guò)改變環(huán)寬和光柵深度，使得所選擇模式的品質(zhì)因子達(dá)到最大。如圖3所示，模式角量子數(shù)和圓環(huán)內(nèi)壁的光柵周期數(shù)目不相同的模式仍保持著雙重簡(jiǎn)并性，兩個(gè)角向量子數(shù)相同的簡(jiǎn)并模的品質(zhì)因子相當(dāng)且都被抑制到極低的值。原本雙重簡(jiǎn)并的TE25，I模式，由于內(nèi)壁光柵的存在分裂為兩個(gè)品質(zhì)因子不同的非簡(jiǎn)并模。其中一個(gè)TE25，I模式的品質(zhì)因子遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他各個(gè)模式的品質(zhì)因子。因此可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)TE25，I模式的單模激射。
[0036]圖4是利用二維FEM方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算得到的圓環(huán)微腔中不同模式的品質(zhì)因子隨光柵深度的變化曲線，圓環(huán)形諧振腔的外半徑為2.4 μπι，圓環(huán)寬度為0.8 μπι，光柵周期數(shù)目為25，圓環(huán)諧振腔的折射率為3.2，腔外折射率為I。如圖4所示，圓環(huán)內(nèi)壁的光柵深度在20nm和800nm之間變化時(shí)，作為激射模式的TE25，I模式的品質(zhì)因子始終保持遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他各個(gè)模式的品質(zhì)因子。因此光柵深度在一定的變化范圍內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)的圓環(huán)微腔可以實(shí)現(xiàn)非常穩(wěn)定的單模激射。
[0037]圖5是利用二維FEM方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算得到的圓環(huán)微腔中不同模式的品質(zhì)因子隨圓環(huán)寬度的變化曲線，圓環(huán)形諧振腔的外半徑為2.4 μπι，內(nèi)壁光柵的刻蝕深度為0.3 μπι。如圖5所示，圓環(huán)寬度在400nm到1120nm之間變化時(shí)，作為激射模式的TE25，I模式的品質(zhì)因子始終保持遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他各個(gè)模式的品質(zhì)因子。而當(dāng)圓環(huán)微腔的環(huán)寬繼續(xù)增加時(shí)，光柵對(duì)模式的控制作用開(kāi)始減弱，被抑制的其他各階模式的品質(zhì)因子開(kāi)始逐漸增大。因此圓環(huán)的環(huán)寬只要保持在一定的變化范圍內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)的圓環(huán)微腔就可以實(shí)現(xiàn)非常穩(wěn)定的單模激射。
[0038]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種單模激射圓環(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)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單模激射圓環(huán)微腔激光器，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)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單模激射圓環(huán)微腔激光器，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。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單模激射圓環(huán)微腔激光器，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。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單模激射圓環(huán)微腔激光器，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。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單模激射圓環(huán)微腔激光器，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。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單模激射圓環(huán)微腔激光器，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。8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種單模激射圓環(huán)微腔激光器，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)。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單模激射圓環(huán)微腔激光器，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。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單模激射圓環(huán)微腔激光器，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。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種單模激射圓環(huán)微腔激光器，其包括：圓環(huán)形微腔諧振腔，所述圓環(huán)形微腔諧振腔的內(nèi)壁上分布光柵結(jié)構(gòu)。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)。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。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。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。
【IPC分類(lèi)】H01S5/10
【公開(kāi)號(hào)】CN104993374
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510435081
【發(fā)明人】金鑫, 黃永箴, 肖金龍, 楊躍德
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
【公開(kāi)日】2015年10月21日
【申請(qǐng)日】2015年7月22日