专利名称：一种定向输出的圆盘微腔激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光器领域，尤其涉及到激光光源，更具体地，本发明涉及具有 条形输出波导的圆盘微腔激光器，其中条形输出波导可以使微腔激光器实现定向输出和单 模运转。
背景技术：
随着现代信息技术的进步和革新，光电子器件逐渐朝着高密度集成、高效率、低功 耗和微型化方向发展，目前大多数传统的半导体激光器很难实现这一目标。光学微腔通过 全反射来实现对光场的强限制，腔中产生了品质因子极高的回音壁(Wispering-Gallery， WG)模式，具有很小的模式体积、低功耗、超快响应和极低噪声，适合制作极低阈值、高密 度集成的微腔激光器及其阵列，在光集成、光互连、光通讯以及光神经网络等方面有着广 泛的应用前景。能够实现定向光功率输出是微腔激光器具有实际应用价值的必备条件， 在实现定向输出方面，我们研制了带输出波导的正三角微腔激光器(Y.Z.Huang，etc. Room-temperature continuous-waveelectricalIy injected InP/GalnAsP equilatera 1-triangle-resonatorlasers. IEEE Photon. Technol. Lett. 19, pp. 963-965 (2007))禾口IE 方形微腔激光器(Y. Ζ. Huang, etc. Directional emission InP/GalnAsPsquare-resonator microlasers,0pt. Lett. 33，(2008))。以圆盘为代表的WG型微腔激光器也一直是人们所关 注的。现在我们提出一种结构用于实现圆盘微腔激光器的定向输出。在本发明中采用带输出波导的圆盘微腔激光器。引进波导后，圆盘微腔中对称性 相同波长相近的模式会发生耦合产生损耗很小的模式，可以实现高效率的定向高功率输 出。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明的目的在于提出一种带输出波导的圆盘微腔激光器，其输出波导可实现模 式高效率的定向光功率输出，并通过波长相近的两个模式发生耦合，使单个微腔激光器实 现单模工作。本发明能实现定向光输出的低阈值、高密度集成的微腔激光器。( 二 )技术方案本发明提供一种带输出波导的圆盘微腔激光器，其中包括一衬底，该衬底为矩形；一上层结构，该上层结构制作在衬底上，该上层结构包括一谐振腔，该谐振腔为圆形；一条形输出波导，该条形输出波导的一端与谐振腔的侧面相连接，该谐振腔和条 形输出波导形成概似乒乓球拍状结构。其中所述的上层结构的谐振腔和与之连接的条形输出波导包括一下限制层；
一有源层，该有源层生长在下限制层上；一上限制层，该上限制层生长在有源层上。其中所述的条形输出波导为单模波导或多模波导，该条形输出波导的宽度小于谐 振腔的半径。其中所述的条形输出波导的结构和材料与谐振腔的结构和材料相同或不相同。其中条形输出波导与谐振腔相连接处的夹角在横截面上的形状为直角或具有弧 度的圆角或切角。(三)有益效果本发明提供的这种圆盘微腔导体激光器，由于在圆盘的边缘引进输出波导后，会 造成模式波长相近的模式发生模式耦合，其品质因子仍然很高，具有很好的选模特性，并且 有着很高的耦合输出效率，所以能够实现圆盘微腔激光器高效率的定向光功率输出。
为了更清楚地介绍本发明的上述目的和优点，本说明将结合实施例及附图来做进 一步的说明，其中图1是带输出波导的圆盘微腔激光器平面图。图2是带输出波导的圆盘微腔激光器结构立体图及输出波导与谐振腔相连接处 的夹角在横截面上的各种形状。图 3 是利用二维时域有限差分(finite-difference time-domain, FDTD)法进行 数值计算得到的圆盘微腔中WG模品质因子随着输出波导宽度的变化，谐振腔直径为4 μ m， 腔内折射率为3. 2，腔外折射率为1。图4是直径为4μπι的正方形微腔中TM和TM模的耦合输出效率随输出波导宽度 的变化。
具体实施例方式下面结合图1-图4详细介绍本发明请参阅图1、图2所示，本发明为一种带输出波导的圆盘微腔激光器，其中包括一衬底1，该衬底1的形状为矩形，其上面的一侧为谐振腔21，另一侧为条形输出 波导22(图1)；该谐振腔21制作在衬底1上；该条形输出波导22制作在衬底1上并与谐振腔21的侧面相连接；其中谐振腔21在垂直于衬底1的方向上为圆柱形结构，其横截面为矩形，该谐振 腔21包括一下限制层201，该下限制层201与衬底1连接；一有源层202，该有源区202制 作在下限制层201上，其形状与下限制层201相同；一上限制层203，该上限制层203制作 在有源区202上，其形状与下限制层201相同(图2)。其中条形输出波导22位于谐振腔21的侧边且与谐振腔相连，其为单模波导或多 模波导，该条形输出波导22可以与谐振腔21具有相同的结构和材料，或者是其他波导材料 和结构。谐振腔21和条形输出波导22相连接处的夹角在横截面上的形状可以为直角，也可以具有一定的弧度的圆角或切角(如图2中的a、b、c)。请再参阅图1及图2，它表示本发明的一个实施例，本发明中带输出波导的圆盘微 腔激光器由谐振腔21和条形输出波导22组成。谐振腔21和条形输出波导22制作在衬底 1上，谐振腔为由下限制层201、有源区202和上限制层203构成的平板波导结构，各层的厚 度没有限制，在实际工艺中可根据需要调节。谐振腔21和输出波导22的四周为低折射率 材料(包括空气)。谐振腔21在垂直于衬底1的方向上为圆柱形结构，其横截面最好为矩 形，谐振腔21的边长为激射波长的几倍到上千倍。其材料可以是公知的各种IV族半导体 材料和其化合物以及ιπ-ν、II-VI, IV-VI族化合物等半导体材料，也可以是有机半导体材 料和其他固体激光器有源材料。谐振腔有源区可以以使半导体体材料、量子阱、量子线、量 子点、量子级联等各种结构。在实施例中的衬底1、下限制层201和上限制层203不一定是 必须的，只要能够形成圆形谐振腔21实现激射即可。在具体制作工艺上，谐振腔21可以通过采用干法刻蚀或湿法化学刻蚀等方法将 外延片腐蚀到下限制层或衬底，而未腐蚀的圆形区域作为谐振腔21。在圆形谐振腔21侧面 有条形输出波导22相连接或耦合，条形输出波导22可以和谐振腔21同时制作出来，他们 具有相同的材料和结构，如图2所示。但也可以先制作出谐振腔21，然后再生长其他波导材 料，进行腐蚀等工艺，制作出与谐振腔材料和结构不同的输出波导。条形输出波导22为单 模波导或多模波导，宽度不超过谐振腔的半径，输出波导22的作用在于定向输出谐振腔21 中的激光，它的长度没有限制，其一端与谐振腔相连接，另外一端可以和其他光电子器件进 行集成。如图2所示，谐振腔21和条形输出波导22相连接处的夹角在横截面上的形状可 以为直角，也可以具有一定的弧度的圆角或切角(如图2中的a、b、c)。本发明中的激光器谐振腔21可以通过公知的光泵浦方式或电注入方式(可以在 衬底1下面和上限制层203上制作电极)来实现激射。图 3 是利用二维时域有限差分(finite-difference time-domain, FDTD)法进行 数值模拟计算得到的圆盘微腔中WG模品质因子随着输出波导宽度的变化，谐振腔直径为 4ym，腔内折射率为3. 2，腔外折射率为1。圆盘谐振腔由于引入了直输出波导而导致模式 间发生耦合，发生耦合的模式比其他模式有着更高的品质因子。如图4中所示，在引见直输 出波导之后，波长相近的模式TM15.4和TM18.3与TM16.4和TM19.3分别发生耦合，形成类三角形 状的模式场分布，如图3中的嵌入图所示，发生耦合后的模式然有较高的品质因子。图4给出了模式TM15.4和TM18.3与TM16.4和TM19.3耦合后的输出效率随输出波导宽 度的变化。耦合输出效率定义为从输出波导向外输出的光功率与整个谐振腔向外辐射的光 功率之比。可以看出这些模式的耦合输出效率都很高，光能够有效的从输出波导中耦合输 出。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种带输出波导的圆盘微腔激光器，其中包括一衬底，该衬底为矩形；一上层结构，该上层结构制作在衬底上，该上层结构包括一谐振腔，该谐振腔为圆形；一条形输出波导，该条形输出波导的一端与谐振腔的侧面相连接，该谐振腔和条形输出波导形成概似乒乓球拍状结构。
2.根据权利要求1所述的一种带输出波导的圆盘微腔激光器，其中所述的上层结构的 谐振腔和与之连接的条形输出波导包括一下限制层；一有源层，该有源层生长在下限制层上； 一上限制层，该上限制层生长在有源层上。
3.根据权利要求1所述的一种带输出波导的圆盘微腔激光器，其中所述的条形输出波 导为单模波导或多模波导，该条形输出波导的宽度小于谐振腔的半径。
4.根据权利要求1所述的一种带输出波导的圆盘微腔激光器，其中所述的条形输出波 导的结构和材料与谐振腔的结构和材料相同或不相同。
5.根据权利要求1所述的一种带输出波导的圆盘微腔激光器，其中条形输出波导与谐 振腔相连接处的夹角在横截面上的形状为直角或具有弧度的圆角或切角。
全文摘要
一种带输出波导的圆盘微腔激光器，其中包括一衬底，该衬底为矩形；一上层结构，该上层结构制作在衬底上，该上层结构包括一谐振腔，该谐振腔为圆形；一条形输出波导，该条形输出波导的一端与谐振腔的侧面相连接，该谐振腔和条形输出波导形成概似乒乓球拍状结构。
文档编号H01S5/20GK101997267SQ20091009163
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月26日 优先权日2009年8月26日
发明者杨跃德, 王世江, 黄永箴 申请人:中国科学院半导体研究所