单模耦合微腔半导体激光器及其调控方法

本公开涉及光纤通信和半导体激光器，尤其涉及一种单模耦合微腔半导体激光器。

背景技术：

1、半导体激光器是光通信系统中最重要的组成部分之一，其性能和稳定性对光通信系统有至关重要的作用。理想的低阈值、窄线宽半导体激光器要求回音壁微腔具有高品质因子和小模式体积，且易于平面集成。在此基础上，有研究者提出了将fp腔与回音壁微腔集成耦合在一起，把回音壁腔当作fp腔的一个等效反射端面，利用回音壁腔内的高品质因子模式具有高反射率的特点，实现对fp腔的选模作用。通过分别调节fp腔与回音壁腔的注入电流，可实现对谐振腔的有效折射率进行调控，进而对激光器的激射波长实现大范围的连续调谐。这种激光器在光通信、光信息处理等领域良好的应用价值。

2、然而，上述激光器结构也存在一些缺陷。在回音壁微腔的反射谱中，往往存在一些由低品质因子高阶模式形成的宽包络，这些宽包络与高品质因子模式相干干涉形成具有非对称分布的fano线形。这些低品质因子的宽包络往往具有较高的反射率，对器件的单模性有所影响。在某些情况下，宽包络模式的激射甚至会抑制掉高品质因子模式的激射。在这种结构的激光器中，如果能将这些宽包络模式抑制掉，有望提高器件的单模性、相干性以及抗反馈能力。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供了一种单模耦合微腔半导体激光器，以解决传统的回音壁-fp耦合腔激光器反射谱中宽包络激射的问题。

2、本公开的一个方面提供了一种单模耦合微腔半导体激光器，包括：回音壁微腔，其横截面为弧边四边形切掉一个顶角后的形状，所述弧边四边形的四个顶点相连构成正方形；fp腔，为条状结构，其第一端连接所述回音壁微腔的横截面的第一顶角，所述第一顶角与所述回音壁微腔的横截面上切掉的顶角相对；当所述fp腔内的fp模式与所述回音壁微腔内的回音壁模式耦合，形成的耦合模可沿所述fp腔的第二端输出。

3、根据本公开的实施例，所述回音壁微腔的上表面设有第一p面电极，所述fp腔的上表面设有第二p面电极；所述回音壁微腔和所述fp腔的底部均设置在同一衬底上，所述衬底底部设有n面电极。

4、根据本公开的实施例，所述回音壁微腔和所述fp腔的p面电极之间设置有电隔离槽。

5、根据本公开的实施例，所述回音壁微腔和所述fp腔中的至少一个包含有源层，所述有源层位于所述回音壁微腔和/或所述fp腔的中间层。

6、根据本公开的实施例，所述有源层包括量子阱结构和量子点结构中的其中一种。

7、根据本公开的实施例，所述回音壁微腔的横截面被切掉的顶角的两侧弧边长度相等，且长度小于被切掉的顶角两侧相邻的弧边总长度。

8、根据本公开的实施例，所述弧边四边形的四条弧边的曲率处处相等。

9、根据本公开的实施例，所述fp腔的第二端的端面为解理面或端面镀膜结构。

10、本公开的另一方面提供了一种单模耦合微腔半导体激光器的调控方法，应用于如第一方面任意一项所述的单模耦合微腔半导体激光器，包括：调控单模耦合微腔半导体激光器中回音壁微腔和fp腔各自的p面电极注入的电流，改变所述回音壁微腔和所述fp腔的折射率，实现对耦合模式的选择和激射波长的调谐。

11、根据本公开的实施例，所述方法还包括：调控单模耦合微腔半导体激光器中回音壁微腔和fp腔各自的p面电极的载流子密度或温度，改变所述回音壁微腔和所述fp腔的折射率，实现对耦合模式的选择和激射波长的调谐。

12、在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

13、(1)通过将fp腔与截面为弧边四边形的回音壁微腔的一个顶角直接相连，微腔内的耦合模式与fp腔内模式耦合，形成的耦合模受回音壁微腔的四条弧边聚光作用的影响，模场趋于微腔中心分布，在几个顶角处场分布较弱；回音壁微腔的辐射损耗主要集中于顶角处，所以这种结构内的耦合模式品质因子较高(约为100000)，模式激射阈值较低；

14、(2)回音壁微腔削掉一个顶角，高品质因子模式的场分布在顶角处较弱，所以削掉顶角不会对高品质因子模式造成较大影响。同时，腔内的宽包络高阶模式在与fp腔面对的顶角处由较强的场分布，所以削掉顶角可以有效抑制掉宽包络模式，使其反射率降低，得到较为纯净的反射谱；

15、(3)将宽包络模式抑制掉后，容易得到纯净的高品质因子模式激射。高品质因子模式往往具有更低的激射阈值，更好的相干性以及更好的抗反馈能力。

技术特征：

1.一种单模耦合微腔半导体激光器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的单模耦合微腔半导体激光器，其特征在于，所述回音壁微腔(1)的上表面设有第一p面电极(3)，所述fp腔(2)的上表面设有第二p面电极(4)；所述回音壁微腔(1)和所述fp腔(2)的底部均设置在同一衬底上，所述衬底底部设有n面电极(5)。

3.根据权利要求2所述的单模耦合微腔半导体激光器，其特征在于，所述回音壁微腔(1)和所述fp腔(2)的p面电极之间设置有电隔离槽(6)。

4.根据权利要求1所述的单模耦合微腔半导体激光器，其特征在于，所述回音壁微腔(1)和所述fp腔(2)中的至少一个包含有源层(7)，所述有源层(7)位于所述回音壁微腔(1)和/或所述fp腔(2)的中间层。

5.根据权利要求1所述的单模耦合微腔半导体激光器，其特征在于，所述有源层(7)包括量子阱结构和量子点结构中的其中一种。

6.根据权利要求1所述的单模耦合微腔半导体激光器，其特征在于，所述回音壁微腔(1)的横截面被切掉的顶角的两侧弧边长度相等，且长度小于被切掉的顶角两侧相邻的弧边总长度。

7.根据权利要求1所述的单模耦合微腔半导体激光器，其特征在于，所述弧边四边形的四条弧边的曲率处处相等。

8.根据权利要求1所述的单模耦合微腔半导体激光器，其特征在于，所述fp腔(2)的第二端的端面为解理面或端面镀膜结构。

9.一种单模耦合微腔半导体激光器的调控方法，应用于如权利要求1至8任意一项所述的单模耦合微腔半导体激光器，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的单模耦合微腔半导体激光器，其特征在于，所述方法还包括：

技术总结
本公开提供了一种单模耦合微腔半导体激光器，包括：回音壁微腔(1)，其横截面为弧边四边形切掉一个顶角后的形状，弧边四边形的四个顶点相连构成正方形；FP腔(2)，为条状结构，其第一端连接回音壁微腔(1)的横截面的第一顶角，第一顶角与回音壁微腔(1)的横截面上切掉的顶角相对；当FP腔(2)内的FP模式与回音壁微腔(1)内的回音壁模式耦合，形成的耦合模可沿FP腔(2)的第二端输出。本公开的半导体激光器兼具高品质因子、高反射率、反射谱纯净的优点，使得激光器易实现低阈值、高边模抑制比的单模激射且具备良好的抗反馈能力。

技术研发人员：白化宇,郝友增,杨跃德,肖金龙,黄永箴
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13