稳定、定向输出微腔激光器的制造方法
【专利摘要】一种稳定、定向输出微腔激光器，包括：一衬底；一圆形谐振腔，其制作在衬底的上面，该圆形谐振腔的圆周上具有一凹口或具有一凸口；一输出波导，该输出波导为条形，其制作在衬底的上面，位于圆形谐振腔的一侧或下面。本发明能够保持很高的品质因子，并且实现了稳定、定向输出特性。
【专利说明】
稳定、定向输出微腔激光器
技术领域
[0001]本发明涉及半导体光电集成领域，尤其涉及一种稳定、定向输出微腔激光器。
【背景技术】
[0002]光子集成和光电子集成的提出为解决处理器的性能继续沿“摩尔定律”发展提供了实际可行的方案，而受到了研究人员的极大关注。尤其是近些年来基于SOI平台的硅基光子集成技术，由于其与CMOS工艺相兼容的优点有望实现高集成密度、高传输速率、低成本的硅光集成芯片。其中，微腔激光器由于具有低阈值、小体积和便于集成的优点是作为片上光源的理想选择之一。这种微腔内部的模式为回音壁模式，是通过模式光线在高折射率微腔界面上发生全反射实现对模式光场的限制，从而实现很高的品质因子。作为片上光互连应用的微型光源，一般是采用波导耦合的方式实现光输出，主要分为波导与圆形谐振腔侧向耦合输出和波导与圆形谐振腔垂直耦合输出两种方式。
[0003]然而，由于完整圆盘或圆环型微腔激光器内部存在顺时针(CW)和逆时针(CCW)两种行波模式。并且这两种行波模式是完全简并的，其模式品质因子和模式场分布完全相同。因此在外部工艺制作精度或者测试条件改变下，这两种模式之间的相互竞争会导致微腔激光器输出功率震荡的现象。并且对于波导与圆形谐振腔侧向耦合输出或者波导与圆形谐振腔垂直耦合输出来说，由于输出波导存在两个输出端，并且微腔内部同时存在顺时针和逆时针两种完全简并的行波模式，导致了从输出波导两端都会有功率输出，并且输出功率大小基本相同。所以对于波导耦合输出的完整圆盘或圆环型微腔激光器来说，在波导输出端会发生双向、不稳定的功率输出，这增加了器件的功耗并且限制了其在实际当中的应用。近些年来，研究人员提出了一种螺旋线(spiral)型微腔结构可以实现定向输出特性，但是相比于完整圆盘或圆环形微腔，螺旋线形谐振腔已经完全变形，因此品质因子较低，不利于实现低阈值的定向输出激光器。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明的目的在于提出一种稳定、定向输出微腔激光器，该微腔激光器是基于带有凹口或凸口的圆盘或圆环形谐振腔实现了从输出波导的稳定、定向输出，由于谐振腔保持了完整圆盘或圆环形状，只是在圆形谐振腔圆周上引入一凹口或凸口结构，因此能够保持很高的品质因子，并且实现了稳定、定向输出特性。
[0005]本发明提出的一种稳定、定向输出微腔激光器的优点在于通过在圆盘或圆环谐振腔圆周上制作出凹口或凸口，可以使得圆形谐振腔内部顺时针模式和逆时针模式之间发生耦合，从而消除了二者之间的模式竞争。并且圆形谐振腔上的凹口或凸口的反射端面会对CW传播方向的光场分量具有反射作用，从而改变其传播方向，使CW传播方向的光场分量变为CCW传播方向的光场分量，因此通过在带有凹口或凸口的圆形谐振腔水平方向或垂直方向上连接输出波导可以实现稳定、定向输出的微腔激光器。
[0006]本发明提出的一种稳定、定向输出微腔激光器，包括:
[0007]—衬底；
[0008]—圆形谐振腔，其制作在衬底的上面，该圆形谐振腔的圆周上具有一凹口或具有一凸口；
[0009]一输出波导，该输出波导为条形，其制作在衬底的上面，位于圆形谐振腔的一侧或下面。
[0010]根据以上所提出的结构设计方案，可以看出所提出的稳定、定向输出微腔激光器主要有以下特点:
[0011]圆形谐振腔包括一凹口或一凸口，圆形谐振腔内部包含CW与CCW两个传播方向的光场分量，通过在凹口或凸口处的反射端面对CW传播方向的光场分量的反射作用，可以使得圆形谐振腔内部CW和CCW模式之间发生耦合，从而消除二者之间的模式竞争导致的输出功率不稳定的问题；凹口或凸口上的反射端面会对CW传播方向的光场分量具有反射作用，使CW传播方向的光场分量变为CCW传播方向的光场分量，并且不会改变CW光场分量的传播方向，从而使得圆形谐振腔内部的光场以CCW传播方向的光场分量为主;通过将圆形谐振腔与输出波导相连接可以获得从输出波导CCW端的的输出功率大于CW端的输出功率，从而实现了从输出波导CCW输出端口的稳定、定向输出；此外，由于带有凹口或凸口的圆形谐振腔结构保留了完整圆形谐振腔的形状函数，因此可以实现很高的品质因子。
【附图说明】
[0012]为了更加清楚的说明本发明的技术内容，以下结合附图和【具体实施方式】对本发明做详细的描述，其中:
[0013]图1a是本发明第一实施例带有凹口的圆形谐振腔示意图；其中，圆形谐振腔中两个箭头分别表不CW和CCW两个传播方向的光场分量；
[0014]图1b是本发明第二实施例带有凸口的圆形谐振腔示意图；
[0015]图2a和图2b是带有侧向耦合输出波导的稳定、定向输出微腔激光器立体结构示意图；其中，输出波导带有CW和CCW两个输出端口，分别对应输出CW和CCW两个传播方向的光场分量；
[0016]图3a和图3b是带有垂直倏逝波耦合输出波导的稳定、定向输出微腔激光器立体结构示意图；
[0017]图4a是利用有限元方法(f inite-element_method，FEM)计算得到的基于凹口和凸口的圆形谐振腔内部光场模式的归一化强度随着角动量指数的变化关系。其中圆形谐振腔的半径R=20ym，凹口或凸口的反射端面的宽度为d = 500nm，圆形谐振腔的内部折射率为3.2，外部折射率为I;
[0018]图4b是本发明提出的稳定、定向输出微腔激光器从输出波导的CW和CCW两个输出端口获得的输出功率随注入电流的变化关系曲线。带有凹口或凸口的圆形谐振腔的半径R= 20μηι，凹口或凸口上的反射端面的宽度d = 500nm，输出波导是通过垂直倏逝波親合的方式与圆形谐振腔相连接的，输出波导是多模波导，宽度为2μπι。
【具体实施方式】
[0019]请参阅图1a、图1b、图2a、图2b、图3a和图3b所示，本发明提供一种稳定、定向输出微腔激光器，包括:
[0020]—衬底4，所述的衬底4的材料为娃、氧化娃、InP、GaAs或几种材料的混合材料；
[0021]—圆形谐振腔1，其制作在衬底4的上面，所述的圆形谐振腔I的形状为圆盘形状或圆环形状。圆形谐振腔I在垂直于衬底4的方向上为圆柱形结构，该圆形谐振腔I的圆周上具有一凹口 2或具有一凸块2 ’，参照图1a和图1b，它们分别表示了带有凹口 2结构和凸口 2 ’结构的圆形谐振腔I的结构示意图。其中圆形谐振腔I包括但不限于以下六层:电极接触层、上限制层、分别限制异质结层、多量子阱或体材料有源区、分别限制异质结层、下限制层;其中有源区可以为量子阱、也可以为量子点或其它半导体材料，用于光的产生。在圆形谐振腔I内部产生的光场包含顺时针(CW)和逆时针(CCW)两个传播方向的光场分量。圆形谐振腔I的凹口2或凸块2’上具有一个反射端面，能够改变CW光场分量的传播方向，可以将CW传播方向的光场分量变成CCW传播方向的光场分量。因此在圆形谐振腔I的内部形成了 CW和CCW传播方向光场分量组成的耦合模式，并且在耦合模式中以CCW传播方向的光场分量占主导作用，从而消除了 CW和CCW行波模式之间的竞争，实现了 CCW传播方向光场分量的稳定、定向输出。
[0022]—输出波导3，该输出波导3为条形，其制作在衬底4的上面，位于圆形谐振腔I的一侧或下面。输出波导3与圆形谐振腔I之间的间距为接触状态或相隔一定距离，用于将圆形谐振腔I中产生的光进行耦合输出。输出波导3包含CW和CCW两个输出端口，对应于圆形谐振腔I内部的CW和CCW两个传播方向的光场分量，分别用于对CW和CCW两个传播方向光场分量进行耦合输出。输出波导3两个输出端口的输出光功率是不同的，由于在圆形谐振腔I内部的光场是以CCW传播方向光场分量为主、CW传播方向光场分量为辅的耦合模式，因此在输出波导3中CCW端输出的光功率大于CW端的输出光功率，从而实现了从硅波导3的CCW端的稳定、定向的光输出。所述的输出波导3是单模波导，或是多模波导。
[0023]在具体制作工艺上，首先需要制备用于激光器制作的半导体外延片，可以采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)等材料生长技术，其材料可以是InP基量子阱、量子点或量子级联等材料，也可以是GaAs基或其它衬底的半导体材料，只要能够使得圆形谐振腔I实现激射即可。参考图2a和图2b，它表示了本发明的两个具体实施例，在生长完半导体外延片后，利用光刻技术和感应耦合等离子体刻蚀(ICP)技术，对半导体外延片进行刻蚀至衬底4层，制作出带有凹口 2或凸口 2 ’结构的圆形谐振腔I，侧向耦合的输出波导3的制作是在刻蚀圆形谐振腔I的过程中同时完成的。输出波导3可以是单模波导也可以是多模波导结构，并且输出波导3与圆形谐振腔I是在圆形谐振腔I的圆周上以侧向耦合的方式进行光耦合输出的。输出波导3与圆形谐振腔I之间的耦合间距由具体的光刻和刻蚀过程控制，可以是直接接触状态，也可以相距一定距离，为了保证高耦合效率，耦合间距一般小于500nm。其工作原理和优势在于光在圆形谐振腔I中产生，光在圆形谐振腔中存在CW和CCW两个传播方向的光场模式，在圆形谐振腔I圆周上的凹口 2或凸口 2’的反射端面的作用下，使得CW的光场模式的传播方向发生了改变，变成了 CCW传播方向的光场模式，因此在圆形谐振腔I内部的光场是有CCW传播方向的光场分量为主、CW传播方向的光场分量为辅的耦合光场模式，这种耦合模式由于凹口2或凸口2’的作用消除了CW与CCW行波模式之间的竞争，保证了激光器稳定的功率输出。通过在圆形谐振腔I的圆周上连接一输出波导3，利用光场侧向耦合的方式，将圆形谐振腔I中产生的光耦合进输出波导3中进行输出。由于圆形谐振腔I中的光场以CCW传播方向的光场分量占主导作用，因此实现了从输出波导3的CCW端口的输出功率大于CW端口的输出功率的目的，获得了从输出波导3的CCW端口的稳定定向输出特性。
[0024]参考图3a和图3b，它表不了本发明的另外两个实施例。与图2a和图2b中表不的两个实施例不同之处在于输出波导3的耦合方式的不同。在图3a和图3b表示的两个实施例中，输出波导3是通过垂直倏逝波耦合的方式实现与圆形谐振腔I之间的耦合连接的。考虑到圆形谐振腔I的光场集中分布在圆周周围，因此输出波导3位于圆形谐振腔I圆周的下方。在具体的工艺制作上可以利用键合技术实现。首先要制作衬底4和圆形谐振腔I所用到的材料，其衬底4可以采用绝缘体上的硅(SOI)材料或其他结构的材料，并且在衬底4上刻蚀出需要的输出波导3。随后，利用键合技术将半导体增益芯片和带有输出波导3结构的衬底4键合在一起。最后，利用光刻和ICP技术等半导体加工工艺在键合片上制作出所需要的带有凹口 2或凸口 2’结构的圆形谐振腔I，与此同时实现了圆形谐振腔I与下方的输出波导3的垂直对准耦合。其中，输出波导3也存在两个输出端口，分别为CW和CCW输出端口分别对应于圆形谐振腔I中的CW和CCW两个传播方向的光场分量。实现从输出波导3的CCW输出端口的稳定、定向的光功率输出。
[0025]图4a是利用有限元方法(f inite-element_method，FEM)计算得到的带有凹口 2或凸口 2’结构的圆形谐振腔I的内部光场模式的归一化强度随着角动量指数的变化关系曲线。其中，CW代表顺时针传播方向(clockwise)光场分量，CCW代表逆时针传播方向(counter-clockwise)光场分量。带有凹口 2或凸口 2’结构的圆形谐振腔I的半径R = 20ym，凹口 2或凸口 2’的反射端面的宽度d = 500nm，圆形谐振腔I内部的折射率为3.2，圆形谐振腔I外部的折射率为I。计算结果表明，在模式波长为1555nm附近，由于凹口 2或凸口 2’对圆形谐振腔I内部的模式场分布的影响，使得圆形谐振腔I内的CW与CCW两个模式之间发生耦合，消除了输出功率震荡的现象，实现了稳定输出。并且凹口2或凸口2’上的反射端面会对CW传播方向的光场分量起到反射作用，改变CW光场分量的传播方向，变为CCW传播方向的光场分量，因此从图4a中可以看出耦合模式中CCW传播方向的光场分量的强度高于CW传播方向的光场分量强度，从而实现了从输出波导3的CCW端的定向输出。
[0026]为了说明本发明的发明效果，图4b是本发明提出的稳定、定向输出微腔激光器从输出波导3的CW和CCW两个输出端口获得的输出功率随注入电流的变化关系曲线。其中，带有凹口 2或凸口 2’的圆形谐振腔I的半径R = 20μπι，凹口 2或凸口 2’上的反射端面的宽度d =500nm，输出波导3是通过垂直倏逝波耦合的方式与圆形谐振腔I相连接的，输出波导3是多模波导，宽度为2μπι。可以发现，通过采用带有凹口 2或凸口 2’的圆形谐振腔I的结构，可以实现从输出波导3的CCW输出端口的的稳定、定向输出。其中，从输出波导3的CCW输出端口的输出功率要远大于CW输出端口的输出功率。
[0027]本发明中，以上所述的【具体实施方式】中提供了四种带有带有凹口或凸口的圆形谐振腔的稳定、定向输出微腔激光器的结构及制备方案，但本发明不仅局限于此，可以根据实际需求和结构设计对本发明阐述的结构和制备方法进行相关参数的更改，只要能够保证圆形谐振腔具有凹口或凸口结构即可。比如:
[0028]本实施例中应用的光刻、ICP刻蚀制备工艺，实际也可以用其它的半导体加工工艺代替，只要能刻蚀出缺口圆形谐振腔结构即可。
[0029]本实施例中实现的是从输出波导的CCW端获得了稳定、定向输出。在实际器件结构中，也可以从输出波导的CW端实现稳定、定向输出，这是与圆形谐振腔中的凹口或凸口的方向有关的，圆形谐振腔中的凹口或凸口所朝的方向不同，则凹口或凸口上的反射端面对模式的影响作用也不同，只要能使得只从输出波导中的一端的输出功率大于另一端的输出功率即可。
[0030]本实施例中实现的是简化的激光器结构，在实际器件结构中可以根据栗浦方式的不同对实施例中的结构进行优化，可以增加注入电极结构或其它激光器结构，只要能保持激光器谐振腔为带有缺陷切口的缺口圆形谐振腔即可。
[0031 ]本实施中给出了输出波导侧向親合和垂直親合两种结构的稳定、定向输出微腔激光器结构及其制备方法，在实际器件设计过程中，可以结合实际要求对输出波导的耦合方式进行更改，只要能保证输出波导与带有凹口或凸口的圆形谐振腔进行耦合实现稳定、定向输出特性即可。
[0032]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，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】
1.一种稳定、定向输出微腔激光器，包括: 一衬底； 一圆形谐振腔，其制作在衬底的上面，该圆形谐振腔的圆周上具有一凹口或具有一凸P； 一输出波导，该输出波导为条形，其制作在衬底的上面，位于圆形谐振腔的一侧或下面。2.根据权利要求1所述的稳定、定向输出微腔激光器，其中所述的衬底的材料为硅、氧化娃、InP或GaAs，或几种材料的混合材料。3.根据权利要求1所述的稳定、定向输出微腔激光器，其中所述的圆形谐振腔的形状为圆盘形状或圆环形状。4.根据权利要求3所述的稳定、定向输出微腔激光器，其中所述的圆形谐振腔内部的光场包含顺时针和逆时针两个传播方向的光场分量。5.根据权利要求1所述的稳定、定向输出微腔激光器，其中所述的圆形谐振腔的凹口或凸口具有一个反射端面，能够改变顺时针光场分量的传播方向，可以将顺时针传播方向的光场分量变成逆时针传播方向分量。6.根据权利要求1所述的稳定、定向输出微腔激光器，其中所述的输出波导与圆形谐振腔之间的间距为接触状态或相隔一定距离。7.根据权利要求6所述的稳定、定向输出微腔激光器，其中所述的输出波导包含顺时针和逆时针两个输出端口，分别对圆形谐振腔内部的顺时针和逆时针两个传播方向的光场分量进行耦合输出。8.根据权利要求7所述的稳定、定向输出微腔激光器，其中所述的输出波导两个输出端口的输出光功率是不同的，其中逆时针端输出的光功率大于顺时针端的输出光功率。9.根据权利要求8所述的稳定、定向输出微腔激光器，其中所述的输出波导是单模波导，或是多模波导。
【文档编号】H01S5/10GK106058640SQ201610647891
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月9日 公开号201610647891.9, CN 106058640 A, CN 106058640A, CN 201610647891, CN-A-106058640, CN106058640 A, CN106058640A, CN201610647891, CN201610647891.9
【发明人】隋少帅, 唐明英, 杜云, 黄永箴
【申请人】中国科学院半导体研究所