稳定、定向输出微腔激光器制造技术

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。本发明专利技术能够保持很高的品质因子，并且实现了稳定、定向输出特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术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。本专利技术提出的一种稳定、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。本专利技术提出的一种稳定、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。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：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。附图说明为了更加清楚的说明本专利技术的
技术实现思路
，以下结合附图和具体实施方式对本专利技术做详细的描述，其中：图1a是本专利技术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示CW和CCW两个传播方向的光场分量；图1b是本专利技术第二实施例带有凸口的圆形谐振腔示意图；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；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；图4a是利用有限元方法(finite-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＝20μm，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1；图4b是本专利技术提出的稳定、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＝20μm，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耦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2μm。具体实施方式请参阅图1a、图1b、图2a、图2b、图3a和图3b所示，本专利技术提供一种稳定、定向输出微腔激光器，包括：一衬底4，所述的衬底4的材料为硅、氧化硅、InP、GaAs或几种材料的混合材料；一圆形谐振腔1，其制作在衬底4的上面，所述的圆形谐振腔1的形状为圆盘形状或圆环形状。圆形谐振腔1在垂直于衬底4的方向上为圆柱形结构，该圆形谐振腔1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1的结构示意图。其中圆形谐振腔1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1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1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1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。一输出波导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1的一侧或下面。输出波导3与圆形谐振腔1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1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1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1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C本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。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、氧化硅、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...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋少帅，唐明英，杜云，黄永箴，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11