专利名称：等边三角形谐振腔半导体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光器(或半导体器件)，更具体地，本发明涉及等边三角形谐振腔半导体激光器。
在半导体激光器中谐振腔起到反馈光的作用并实现光的相干增强效应，为实现这一功能可有多种结构的谐振腔，如由平行解理面构成的法布里-珀罗腔，由周期性折射率或增益变化引起光反馈的分布布拉格反馈谐振腔，以及具有全反射回音壁模式的微盘结构等等。在微盘结构中，回音壁模式在微盘内传播时以大于全反射临界角的角度入射到盘的边缘而被限制在盘内传播。微盘激光器能高效地利用有源介质，得到极低阈值激射，但它对光的限制很强，激光输出主要依靠泄漏及表面粗糙引起的光散射，结果输出功率很小而且没有方向性。为提高微盘腔的激光输出，人们采用了刻槽及光栅等技术，但激光输出功率仍很小。1998年6月美国《科学》杂志发表了一题为“混沌谐振腔微激光器中具有方向性的高功率辐射”(“High-power directional emission from microlasers with chaoticresonators”，Science，vol.280，pp.1556-1564，5 June，1998)的论文，报道了一种变形的圆盘激光器，在腔内传播的激光模式所经路径类似于蝴蝶结形状，输出功率比具有回音壁模式的微盘激光器高三个量级。
本发明的目的是提出一种等边三角形谐振腔半导体激光器，其结构简单，易于实施，并能够实现腔内光场较均匀分布及提高激光辐射方向性，能制作成很小尺寸谐振腔的微腔半导体激光器。
本发明的核心思想是形成一个等边三角形的谐振腔，在等边三角形腔内任一点与三角形边平行的光线经过在等边三角形边上的六次全反射，将回到原来出发点，并保持原来的方向，而且所经过的路程正好是等边三角形的周长。平行于三角形边的光在边界的入射角是30°，因此谐振腔材料的折射率只要大于1/sin30°＝2就可实现所述光的全反射。这样由折射率大于2的材料刻蚀形成的等边三角形相当于是一个腔长为三角形周长的谐振腔，而且具有接近于1的反射系数。在这个谐振腔中，平面上6个方向(每个方向间隔60°)上的自发发射都将耦合进入激光模式，因此可以预计得到的激光器具有较大的自发发射因子，即进入模式的自发辐射的比例较高。
采用离子束刻蚀可以得到接近于镜面的三角形界面，并得到微米量级的三角形，因此等边三角形谐振腔适于制作微腔激光器。腔长短的谐振腔纵模间距很大，易于单纵模工作，因此三角形谐振腔可用于制作单纵模半导体激光器。制作出一系列大小不等的三角形谐振腔列阵，通过三角形的大小调节激光波长，可得到多波长的激光列阵。在波分复用光系统中，令含有不同光信号的波导与不同谐振腔耦合，当波导中的信号光波长与某个谐振腔的模式波长一致时，会产生强耦合，从而可从这个谐振腔的得到所对应波长的光信号。采用三角形谐振腔，我们可制作波分复用光通信系统所需的解复用器。
在三角形谐振腔中，与三角形边平行并处于中心区的光线总是远离三个角区传播，而在三角形边附近与三角形边平行的光线则限制在外侧传播，这样通过对谐振腔的三个角区的修饰能够形成横向光波导，从而实现横模的控制。在小尺度的等边三角形谐振腔中结合横向波导，可以得到单模激光器。对于一个每边长5μm的三角形谐振腔构成的1.5μm InGaAsP激光器，谐振腔长为15μm，取群折射率为4，则纵横间隔为18.75nm，但这时的横向波导是条宽为5sin60°＝4.3μm的强折射率波导，将有许多横模存在。为了进一步控制横模，在三角形的三个角区浅刻出边长为1.5μm的三个小三角形形成横向的弱波导，这样在4.3μm条宽的强折射率波导中形成条宽为2sin60°＝1.7μm的弱波导，从而有利于单横模工作.但是在这弱波导外仍有三角形边形成的强折射率波导，为了更彻底地实现单基横模，我们在第一次深刻蚀以形成全反射的三角形边时，只刻蚀三角形边的中心部分，然后浅刻蚀三条横向波导的边把全反射的三角形边连接起来，这样只有由弱波导限制的模式在三角形边得到全反射，而外部的强折射率波导限制的模式只有部分得到全反射，而部分将泄漏出去。由不同横模间的损耗差，我们可以得到单基横模振荡。
为了得到耦合光输出，我们可以在三角形谐振腔的一个边上通过耦合波导以突破全反射的限制或降低两边的折射率差，控制光场在这位置的反射系数，从而得到耦合光输出。
两个或多个等边三角形组成的菱形或梯形也具有谐振腔的特性，由此我们也可以实现菱形或梯形微谐振腔半导体激光器。
其中这种菱形和梯形是由两个到多个同样大小的等边三角形所组成的，菱形和梯形的外部区域腐蚀到下限制层或衬底，而未腐蚀的菱形和梯形区域作为谐振腔，边界作为反射镜面。
本发明的目的是由以下方案实现的一种三角形谐振腔半导体激光器，结构包括普通边发射激光器由下限制层，有源区和上限制层构成的平板波导，其特征在于等边三角形外部区域腐蚀到下限制层或衬底，而未腐蚀的等边三角形区域作为谐振腔，三角形边作为反射镜面。
三角形谐振腔的三个角区浅腐蚀三个小等边三角形以形成横向波导。
只深刻蚀三角形三条边的中心段作为高反射镜面，并在三角形谐振腔的三个角区浅腐蚀三个小等边三角形以形成横向波导。
三角形的一边上有一耦合波导以得到激光输出。
下面结合附图和实施例对本发明的结构和特征作进一步描述，其中
图1为等边三角形谐振腔的顶视图及其中一条光线的传播途径示意图。
图2为本发明第一实施例等边三角形谐振腔半导体激光器结构示意图，在等边三角形谐振腔三个角区又浅腐蚀三个小三角形以控制横向模式。
图3是图2所示的三角形谐振腔中一个周期折迭传播光束的展开图以及对应的横向光波导的示意图。
图4为本发明第二实施例等边三角形谐振腔半导体激光器结构示意图，谐振腔由刻蚀等边三角形三边的中心段所形成，横向波导由连接等边三角形三边中心段的浅刻蚀所形成。
图5为根据本发明制作三角形谐振腔半导体激光器的步骤示意图。
其中图5a为步骤1的侧视图。
图5b为步骤2的侧视图。
图5c为步骤3的顶视图。
图5d为步骤4的顶视图。
图5e为步骤5的顶视图。
图6为具有耦合输出光波导的等边三角形谐振腔半导体激光器。
首先请参阅图1所示，图1是等边三角形谐振腔100的顶视图及其中一条周期性传播的光线10的示意图。器件结构材料为在衬底上生长下限制层，有源层及上限制层的普通边发射半导体激光器的平板波导结构材料。由三角形三条边2，4，6围成的三角形40的外部区域都腐蚀透过下限制层以产生三角形区域内外的折射率差，从而形成三角形谐振腔。图中虚线为任意一条平行于三角形边的光线10在腔内的传播途径，可以看出经过在等边三角形边2，4和6上的六次反射，光线回到原出发点，而且所经距离正好是三角形的周长。
图2为本发明第一实施例，在边长为几微米到上千微米的等边三角形谐振腔100的三个角区又浅腐蚀三个小等边三角形101、201、301形成侧向弱波导。只在中心区401注入载流子，则只在中心区401内传播的模式能得到有效的增益。光在中心区401内传播时受到分界线15，25，和35的横向弱波导及等边三角形边2、4和6的横向强波导的限制。没有注入的小等边三角形101、201、301将减小三角形边2，4和6的横向强波导的作用。
图3是在图2所示的等边三角形谐振腔中心区401内折迭传播一个周期光束45的展开图以及横向光波导示意图。横向弱波导由浅腐蚀区101、201和301所构成，未注入的腐蚀区101、201和301同时也限制了光束进一步扩展以及三角形边所形成强折射率波导的影响。两条虚线45也代表了横向弱波导的宽度。标明2+4+6的最外面的两条线形成的横向强波导，由于小三角形101、201、301没有注入而降低了作用。
图4为本发明第二实施例，深刻蚀出几微米到几百微米长的等边三角形三条边的中心段55、65和75形成的谐振腔，并浅刻蚀出横向弱波导。这样横向模式除了受横向弱波导限制外还受到反射端面尺寸的控制。50、60和70区为深刻蚀区以得到界面的全反射，而110、210和310为浅刻蚀区域以形成横向的弱波导。载流子只在中心区402注入，402区与50、60和70的交界55、65和75是深刻蚀能得到全反射的界面，而402与110、210和310的界面是横向弱波导。
图5为制作图2所示的三角形谐振腔半导体激光器的步骤图5a为步骤1(侧视图)即采用分子束外延或金属有机化合物气相外延等方法在衬底520上生长包括下限制层18，有源层16，上限制层及欧姆接触层14的普通边发射激光器片子；图5b为步骤2(侧视图)，在外延层上蒸发电极12；图5c为步骤3(顶视图)，在电极上光刻图形并腐蚀掉除中心区401外的电极，同时浅刻蚀以形成横向弱波导，顶视图上中心区401内为电极层12，中心区以外则为上限制层14；图5d为步骤4(顶视图)，淀积刻蚀阻挡层510，并在阻挡层上光刻出等边三角形100，并腐蚀掉三角形外的阻挡层，顶视图上三角形100内为阻挡层510，三角形外为上限制层14；图5e为步骤5(顶视图)，采用反应离子束刻蚀得到三角形谐振腔，并去掉刻蚀阻挡层，这时顶示图上中心区401内为电极层12，等边三角形三个角区内为上限制层14，而三角形外为上限制层18或衬底520。
图6为在三角形谐振腔半导体激光器40的一边连接上耦合波导50以获得激光输出。在三角形谐振腔边上模式光线是全反射的，但如果输出波导的端面505与三角形边405的距离，即沟槽90的宽度，小至全反射光在三角形外的消逝长度的量级，则可调节模式光线在这一边上的反射系数从而实现激光输出。沟槽90的宽度可通过电子束曝光及离子束腐蚀实现。
权利要求
1.一种三角形谐振腔半导体激光器，结构包括普通边发射激光器由下限制层，有源区和上限制层构成的平板波导，其特征在于等边三角形外部区域腐蚀到下限制层或衬底，而未腐蚀的等边三角形区域作为谐振腔，三角形边作为反射镜面。
2.根据权利要求1所述的等边三角形谐振腔半导体激光器，其特征在于三角形谐振腔的三个角区浅腐蚀三个小等边三角形以形成横向波导。
3.根据权利要求1所述的等边三角形谐振腔半导体激光器，其特征在于只深刻蚀三角形三条边的中心段作为高反射镜面，并在三角形谐振腔的三个角区浅腐蚀三个小等边三角形以形成横向波导。
4.根据权利要求1所述的等边三角形谐振腔半导体激光器，其特征在于三角形的一边上有一耦合波导以得到激光输出。
5.根据权利要求1所述的等边三角形谐振腔半导体激光器，结构包括普通边发射激光器由下限制层，有源区和上限制层构成的平板波导，其特征在于，这种菱形和梯形是由两个到多个同样大小的等边三角形所组成的，菱形和梯形的外部区域腐蚀到下限制层或衬底，而未腐蚀的菱形和梯形区域作为谐振腔，边界作为反射镜面。
全文摘要
一种三角形谐振腔半导体激光器,结构包括普通边发射激光器由下限制层,有源区和上限制层构成的平板波导,其特征在于:等边三角形外部区域腐蚀到下限制层或衬底,而未腐蚀的等边三角形区域作为谐振腔,三角形边作为反射镜面;本发明结构简单,易于实施,并能够实现腔内光场较均匀分布及提高激光辐射方向性,能制作成很小尺寸谐振腔的微腔半导体激光器。
文档编号H01S3/081GK1267106SQ9910336
公开日2000年9月20日 申请日期1999年3月16日 优先权日1999年3月16日
发明者黄永箴 申请人:中国科学院半导体研究所