光栅辅助的基于TM模式的微柱腔面发射激光器制造技术

发明专利技术涉及半导体激光器技术领域，提出了一种光栅辅助的基于TM模式的微柱腔面发射激光器。该激光器的谐振腔腔体为支持回音壁模式的微柱腔。微柱腔从上往下包括欧姆接触层、光栅层、上盖层、有源区以及下盖层。光栅层上设的光栅位于微柱腔顶部外沿边，为二阶光栅；有源区采用张应变的量子阱材料，使激光器的工作模式为TM模式；微柱腔的外径最小可为激光器激射波长量级，因此可实现超高速调制。另外该激光器制作简便，只需要一次浅刻蚀二阶光栅就可以实现激光器的选模和输出。本发明专利技术具有体积小、检测方便、低成本、易于集成二维阵列、单模工作、阈值电流低、输出光易于与光纤耦合、可以在不同的材料体系上实现、制作简单等诸多优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体激光器
，涉及一种光栅辅助的基于TM模式的微柱腔面发射激光器。
技术介绍
现代信息技术的高速发展推动着光电子器件向着微型化、高密度集成、低功耗的方向发展。长波长面发射激光器广泛应用在光通信和局域网中的光源，其在宽带宽、高调制速率、小体积、高密度集成、高光交互容量以及低功耗方面面临巨大提升需求。微柱或微环腔具有高品质因子的回音壁模式(WhisperingGalleryMode,WGM)，因为WGM是通过光场在微腔圆弧的外边缘的全反射来实现光场的强限制的，所以WGM模式构成的激光器谐振腔具有非常高的品质因子。WGM构成的腔较容易形成小体积、低阈值的激光器(SLMcCall，etal.,\Whispering-gallerymodemicrodisklasers,\Appl.Phys.Lett.60,289.1992.)、(M.Fujita,etal.,\ContinuouswavelasinginGaInAsPmicrodiskinjectionlaserwiththresholdcurrentofμA,\Electron.Lett.,vol.36,no.9,Apr.2000.)。但由于其圆对称性，因此很难形成定向输出。对于采用压应变量子阱材料、以TE模式为激射模式的光栅辅助的微柱腔面发射激光器，已有专利进行说明(专利申请号201610031840.3)。通常情况下，微柱腔的上下盖层与芯层的折射率差比较小，光场在垂直方向的限制为弱限制。这种情况下TE模式只有当微柱的半径大于一定的临界值时才能保持高的品质因子。一般来说微柱激光器(光通信波长的激光器)半径只有大于5微米才能形成激射(M.Arzberger,etal.,“Continuousroom-temperatureoperationofelectricallypumpedquantum-dotmicrocylinderlasers,”Appl.Phys.Lett.,vol.79,pp.1766–1768,2001.)。而TM模式的激光器就不会有这种限制，TM的回音壁模式即使在微柱腔的半径只有波长量级时也能有高的品质因子(Y.D.Yang,etal.,\High-QTMwhispering-gallerymodesinthree-dimensionalmicrocylinders,\Phys.Rev.A,vol.75,p.013817,2007.)。因此采用TM模式工作的光栅辅助的微柱腔面发射激光器将能采用波长量级的半径，这样腔的体积将能大大减小，腔体积的减小意味着阈值电流的减小以及调制带宽的提高。因此本专利技术提出的光栅辅助的基于TM模式的微柱腔面发射激光器将会有很大的应用前景。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提出一种光栅辅助的基于TM模式的微柱腔面发射激光器，以克服上述缺陷和不足。为解决上述技术问题，本专利技术提出的光栅辅助的基于TM模式的微柱腔面发射激光器，所述激光器的谐振腔为微柱腔，所述微柱腔具有一定形状，该形状能支持回音壁模式作为激光器的谐振模式；所述微柱腔的外径最小为激光器激射波长量级；所述微柱腔包括欧姆接触层、光栅层、上盖层、有源区；所述欧姆接触层连接所述微柱腔的顶部中央，其外沿位于所述微柱腔外沿之内，用于避免给激光器的工作模式造成额外损耗；所述光栅层位于所述微柱腔的顶部外沿，所述光栅层上设有光栅，所述光栅层通过光栅对光场的散射形成激光器垂直方向的输出；所述光栅的周期数M等于所述微柱腔所支持的回音壁模式的角量子数m；这样，光栅层的光栅等同于直波导下的二阶光栅，同时具有激光器的选模光栅和输出光栅的功能。所述上盖层位于所述光栅层下方，用来控制所述光栅层与回音壁模式作用的大小，从而控制激光器输出的大小；所述有源区位于所述上盖层下方，用来给所述激光器提供增益，所述有源区采用张应变的量子阱材料，使激光器的工作模式为TM模式即其主要磁场平行于有源区平面；所述下盖层邻接所述有源区下部；所述下盖层位于衬底之上。优化的，在所述欧姆接触层下方的特定区域形成高阻区；所述高阻区包括所述有源区上方紧邻所述有源区的部分所述上盖层、所述有源区，以及所述有源区下方的紧邻所述有源区的部分所述下盖层。高阻区将使得注入电流只能从腔体的外边缘注入有源区，这样注入的载流子能最大程度地与回音壁模式作用，从而提高激光器的电流注入效率并且抑制激光器谐振腔的径向高阶模式。优选的，在所述光栅层的上面或有源区的下面添加反射镜，将所述光栅垂直双向输出转变成单向垂直输出，并且输出的大小可以通过光栅层和其上面添加的反射镜之间或有源区和其下面的反射镜之间的间隔层的厚度来控制。可选的，所述光栅的形状不限，例如矩形光栅、梯形光栅、三角形光栅、正弦光栅等。可选的，所述微柱的截面形状为圆形、多边形或圆环形等支持回音壁模式的形状。相比在先专利-光栅辅助的微柱腔面发射激光器(基于TE模式的)(专利申请号201610031840.3)，该光栅辅助的基于TM模式的微柱腔面发射激光器制作简化很多，可以不用在微柱侧面刻蚀光栅或缺陷而只靠一种浅刻蚀二阶光栅就可以选出合适的模式并对其进行有效输出。另外，由于该激光器可以实现波长量级的半径大小，因此有很低的阈值电流和超高的直调制带宽。本专利技术的激光器方案具有体积小、检测方便、低成本、易于集成二维阵列、良好的单模特性、阈值电流低、输出光易于与光纤耦合、可以在不同的材料体系上实现、制作简便等诸多优点。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术的技术方案作进一步具体说明。图1是本专利技术激光器的具体实施方式的外观示意图。图2是带有特制高阻区的具体实施方式的剖面示意图。图3是回音壁模式的各个电、磁场分量沿径向方向的分布图。图4是带光栅的微柱腔的对称面平面示意图。图5是数值模拟的激光器整体结构带有具体尺寸的剖面示意图。图6是光栅作用于微柱腔的情况下的M附近几个角量子数对应的对称和反对称模式的品质因子的关系图。图7(a)是m＝M＝26的对称、反对称模式对应的光栅上方的输出近场磁场图。图7(b)是m＝M＝26的对称、反对称模式对应的光栅上方的输出近场电场图。图8是光栅占空比为0.5时M附近几个角量子数对应模式的品质因子随上盖层厚度的变化关系图。图9是上盖层厚度为0.2μm时M附近几个角量子数对应模式的品质因子随光栅占空比的变化关系图。图10是由瞬态多模速率方程所得到的载流子密度和光子数随时间的变化关系图。图11是由瞬态多模速率方程所得到的LI曲线关系图。图12是对瞬态多模速率方程求解得到的小信号调制特性曲线图。具体实施方式下面是本专利技术的提出光栅辅助的基于TM模式的微柱腔面发射激光器。激光器的示意图如图1所示。激光器的谐振腔为微柱腔，微柱腔具有一定形状，该形状能支持回音壁模式作为激光器的谐振模式；微柱腔包括欧姆接触层1、光栅层6、上盖层2、有源区3，有源区域3通常包括量子阱区域以及上、下光限制层。激光器的欧姆接触层1连接微柱的顶部中央，其外沿位于微柱腔外沿之内，用于避免给激光器的工作模式造成额外损耗；光栅层6位于微柱腔的顶部外沿，光栅层6上设有光栅，光栅层通过光栅对光场的散射形成激光器垂直方向的输出；光栅的周期数M等于所述微柱腔所支持的回音壁模式的角量子数m。这样本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光栅辅助的基于TM模式的微柱腔面发射激光器，其特征在于，所述激光器的谐振腔为微柱腔，所述微柱腔具有一定形状，该形状能支持回音壁模式作为激光器的谐振模式；所述微柱腔的外径最小为激光器激射波长量级；所述微柱腔包括欧姆接触层、光栅层、上盖层、有源区和下盖层；所述欧姆接触层连接所述微柱腔的顶部中央，其外沿位于所述微柱腔外沿之内，用于避免给激光器的工作模式造成额外损耗；所述光栅层位于所述微柱腔的顶部外沿，所述光栅层上设有光栅，所述光栅层通过光栅对光场的散射形成激光器垂直方向的输出；所述光栅的周期数M等于所述微柱腔所支持的回音壁模式的角量子数m；所述上盖层位于所述光栅层下方，用来控制所述光栅层与回音壁模式作用的大小，从而控制激光器输出的大小；所述有源区位于所述上盖层下方，用来给所述激光器提供增益，所述有源区采用张应变的量子阱材料，使激光器的工作模式为TM模式即其主要磁场平行于有源区平面；所述下盖层邻接所述有源区下部；所述下盖层位于衬底之上。

【技术特征摘要】
1.一种光栅辅助的基于TM模式的微柱腔面发射激光器，其特征在于，所述激光器的谐振腔为微柱腔，所述微柱腔具有一定形状，该形状能支持回音壁模式作为激光器的谐振模式；所述微柱腔的外径最小为激光器激射波长量级；所述微柱腔包括欧姆接触层、光栅层、上盖层、有源区和下盖层；所述欧姆接触层连接所述微柱腔的顶部中央，其外沿位于所述微柱腔外沿之内，用于避免给激光器的工作模式造成额外损耗；所述光栅层位于所述微柱腔的顶部外沿，所述光栅层上设有光栅，所述光栅层通过光栅对光场的散射形成激光器垂直方向的输出；所述光栅的周期数M等于所述微柱腔所支持的回音壁模式的角量子数m；所述上盖层位于所述光栅层下方，用来控制所述光栅层与回音壁模式作用的大小，从而控制激光器输出的大小；所述有源区位于所述上盖层下方，用来给所述激光器提供增益，所述有源区采用张应变的量子阱材料，使激光器的工作模式为TM模式即其主要磁场平行于有源区平面；所述下盖层邻接所述有源区下...

【专利技术属性】
技术研发人员：国伟华，马向，陆巧银，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42