>[0037] 覆盖层30上的结构相互平行，并与激光器的解理面法线有夹角0。使其光场 在里面以Zig-Zag形式振荡，其对光场的影响可以用二维稳态标量耦合波方程表示为
，其中k0是自由空间的波矢，η (X，z)是用y方向有效折 射率近似得到的水平面上的折射率分布。可以看出光场在水平面内在x、z方向都会受到光 栅的影响，因此面上光栅结构对光场的调制是二维的调制，可以看作二维的光子晶体结构， 并且宽条光栅31和窄条光栅33形成对平面传播的光的不同反射特性，通过两个光栅不同 反射特性，对比较窄的光谱范围形成反馈，从而得到窄线宽的光发射。同时该激光器结构可 以在靠近腔面处制作面上耦合光栅（图未示），使光实现面上耦合输出，而不局限于边发射 光输出。
[0038] 该激光器的外延方向采用的是具有一维光子晶体的外延结构，并且其每层材料厚 度偏离布拉格反射条件，这就意味着光在外延方向的传播不受光子晶体结构的限制，并且 能够被每个周期中的高折射率层202有效的引导，实现近场垂直光模式的有效扩展，从而 得到小的垂直远场发散角。
[0039] 以下结合具体的实施例对本发明提供的准三维光子晶体窄线宽激光器作进一步 详细说明。
[0040] 如图1所示，为准三维光子晶体窄线宽激光器的三维结构示意图。图中包含一 η 型衬底10 ;其上制作有外延结构20,其为光子晶体周期结构；其中有源层20'制作在外延结 构20上；覆盖层30制作在有源层20'上由平面区域32,和两边平行分布的宽条光栅31和 窄条光栅33构成。
[0041] 如图2所示，为准三维光子晶体窄线宽激光器的俯视示意图，画出了沿χ-ζ面上分 布的倾斜平面区域32和宽条光栅31、窄条光栅33,并表示出了对倾斜角Θ的定义，是倾斜 条方向和解理面法线方向的夹角。
[0042] 如图3所示，为窄条光栅33在入射光与光栅条夹角Θ是15°的情况下的反射谱， 其反射谱峰值对应的波长是920. 2nm。反射谱的半高全宽（FWHM)是0.9nm。由于是高阶 光栅，要形成足够的反馈需要比较大的光栅周期数，这里的光栅33的周期是Λ 1，周期数是 80 〇
[0043] 如图4所示，为宽条光栅31在入射光与光栅条夹角Θ是15°的情况下的反射谱， 其反射谱峰值对应的波长是921. lnm。反射谱的半高全宽是0.55nm。为了使宽条光栅31 和窄条光栅33的反射率基本相同，这里的宽条光栅31的周期是Λ2,周期数是90。
[0044] 如图5所示，为宽条光栅31、窄条光栅33的反射谱的的叠加，反应了两个光栅共同 参与反馈的情况下对波长的选择，其FWHM是0. 5nm，优于窄条光栅33对波长的反馈，可与宽 条光栅31的波长反馈滤波相比。但是，若注入区两边都是宽条光栅31，则会由于宽条光栅 周期数的增加使器件尺度明显变大。
[0045] 如图6所示，为通过软件模拟的在面上光栅对数比较少的情况下，光在面上倾斜 光栅中以Zig-Zag形式振荡。通过模拟可知，光在传播过程中以设计的角度入射到光栅，并 得到反馈。
[0046] 如图7所示，为包括η型衬底10,外延结构20,有源层20'和覆盖层30在内的GaAs 材料系的折射率分布以及几个低阶模式在外延方向的分布，图中基模限制因子最大，为 1. 3532%，高阶模中限制因子最高的如图所示为0. 539%。因此远场主要是基模的贡献，图 中插图为其基模的垂直方向远场分布图，基模的垂直方向远场发散角仅有8. 58° (FWHM)， 相对于普通激光器的垂直发散角近40°的远场发散角，有明显的减小，利于与光纤的高效 耦合。
[0047] 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。
【主权项】
1. 一种准三维光子晶体窄线宽激光器，包括： 一 n型衬底； 一外延结构，其制作在n型衬底上； 一有源层，其制作在外延结构上； 一覆盖层，其制作在有源层上，该覆盖层上面的一侧形成多个凸起的宽条光栅，该覆盖 层上面的中间为一平面区域，该覆盖层上面的另一侧形成多个凸起的窄条光栅。2. 根据权利要求1所述的准三维光子晶体窄线宽激光器，其中外延结构为光子晶体周 期结构，每一周期包括一低折射率层和一高折射率层，并且低折射率层和高折射率层的厚 度偏离布拉格反射条件X =2nd/m，其中A是入射光波长，n是材料的有效折射率，d是折 射率层和高折射率层的厚度，m是正整数。3. 根据权利要求1所述的准三维光子晶体窄线宽激光器，其中有源层是量子点或量子 阱材料。4. 根据权利要求1所述的准三维光子晶体窄线宽激光器，其中覆盖层包括一 P型限制 层和P型接触层。5. 根据权利要求1所述的准三维光子晶体窄线宽激光器，其中所述平面区域与激光器 的解理面法线方向有一夹角0，5° < 0 <20°。6. 根据权利要求1所述的准三维光子晶体窄线宽激光器，其中宽条光栅和窄条光栅部 分的光栅条平行，且都平行于平面区域。7. 根据权利要求6所述的准三维光子晶体窄线宽激光器，其中宽条光栅和窄条光栅的 光栅周期满足公式A = 2nAsin0/m，其中A是入射光波长，n是材料的有效折射率，A 是光栅周期，9是光栅条与解理面法线方向的夹角，m是光栅级数。8. 根据权利要求7所述的准三维光子晶体窄线宽激光器，其中宽条光栅的光栅周期为 A 1，窄条光栅的光栅为A 2,该宽条光栅和窄条光栅的光栅结构为相同或不同。9. 根据权利要求8所述的准三维光子晶体窄线宽激光器，其中该宽条光栅和窄条光栅 为低阶光栅或高阶光栅。
【专利摘要】一种准三维光子晶体窄线宽激光器，包括：一n型衬底；一外延结构，其制作在n型衬底上；一有源层，其制作在外延结构上；一覆盖层，其制作在有源层上，该覆盖层上面的一侧形成多个凸起的宽条光栅，该覆盖层上面的中间为一平面区域，该覆盖层上面的另一侧形成多个凸起的窄条光栅。本发明具有窄线宽、低发散角的优点。
【IPC分类】H01S3/10
【公开号】CN105098582
【申请号】CN201510590526
【发明人】郑婉华, 刘云, 渠红伟, 刘磊, 王宇飞
【申请人】中国科学院半导体研究所
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年9月16日