单模面发射OAM激光器制造技术

本发明专利技术涉及半导体激光器技术领域，提出了一种单模面发射轨道角动量激光器。该激光器的谐振腔腔体为支持回音壁模式的微柱、微环或微盘结构。激光器腔体外侧面刻蚀光栅或缺陷能选出有特定角量子数的回音壁模式成为激光器的激射模式，顶上光栅对所选模式垂直散射输出，该输出为带涡旋相位的行波模式即OAM模式。顶上光栅位于光栅层靠近微柱外侧边的位置，包含两组光栅分别调制模式有效折射率的实部和虚部从而形成行波模式的散射输出。该激光器的腔体积小，损耗低，因此可实现超高速调制。本发明专利技术具有体积小、检测方便、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、能在不同的材料体系上实现等诸多优点。

【技术实现步骤摘要】
单模面发射OAM激光器
本专利技术属于半导体激光器
，涉及一种单模面发射OAM激光器。
技术介绍
随着通讯行业的飞速发展，大数据、云计算、物联网等对通信容量的需求成指数增长趋势。电磁波角动量包括自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)两部分。其中SAM与光子旋转相关，仅有两个正交状态。OAM则与光子波函数空间分布相关，具有“涡旋电磁波”的基本属性，表现为具有涡旋状等相位并且沿涡旋线传播。OAM光束具有涡旋型相位分布和环形空心强度分布。涡旋电磁波中每个光子携带l的轨道角动量，光场分布包含相位exp(ilθ)，不同拓扑荷l的OAM模式是正交的，是除传统平面波的频率幅度相位和偏振态四个维度以外添加的一个新的维度-轨道角动量。OAM光束可以用于光通信，因为它每一个不同的l对应不同的编码状态和不同的信息通道有望成倍提升无线通信系统容量和频谱效率。OAM光束应用很广泛，比如光学显微镜，光量子通信，光量子操控等。产生OAM光束的传统方法是利用螺旋相位板、全息光栅或空间光调制器等相位元件，近年来也有在硅基上制作产生OAM光束的无源器件(X.Cai,etal.,“Integratedcompactopticalvortexbeamemitters,”Science338,363–366，2012.)。由于无源器件本身的限制，需要额外添加光源，增加了器件的成本，其发展受限。也有产生OAM的有源器件，在垂直腔面发射激光器的基础上添加相位板制作形成(H.Li，X.Caiandetal.,“Orbitalangularmomentumvertical-cavitysurface-emittinglasers,”Optica.2,pp.547–552，2015.)其制作不能用常规半导体器件制作步骤形成。还有就是利用水平腔-微环腔，在腔顶上形成折射率调制光栅来选出行波模式，再利用侧壁刻蚀小占空比的二阶光栅进行输出OAM光束(P.Miao,L.Feng,etal.,“Orbitalangularmomentummicrolaser,”Science353,464–467，2016)。但其不能用电泵浦，而且有源区暴露在表面，表面复合会非常严重，影响激光器的性能。我们之前提出了一种光栅辅助的微柱腔面发射激光器(专利申请号201610031840.3)，该激光器为单模工作、面发射、输出径向偏振光束、并且可以实现高速调制。其结构为压应变量子阱材料、以TE模式为激射模式的激光器。这种能产生OAM的单模面发射激光器将具有极大的应用潜力和价值。
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单模工作的面发射OAM激光器，克服现有的产生OAM器件的各种不足。为了解决上述技术问题，本专利技术提出了一种单模面发射OAM激光器，所述激光器的谐振腔为微柱，所述微柱具有一定形状，该形状能支持回音壁模式作为激光器的谐振模式；所述微柱的顶部设有欧姆接触层和光栅层；所述欧姆接触层，用于电流注入，所述顶部欧姆接触层的外沿位于所述微柱外沿之内，以避免给激光器的工作模式造成额外损耗；优化的，在所述有源区附近的特定区域形成高阻区；所述高阻区的形成方式本申请人提交的专利申请号201610031840.3公开的在先专利相同或近似。该高阻区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。可选的，顶上光栅位于所述光栅层上靠近微柱外侧边的位置，包括两套二阶光栅，即实部光栅和虚部光栅，所述实部光栅调制模式的有效折射率的实部，所述虚部光栅调制模式的有效折射率的虚部，用以对光场散射形成垂直方向的OAM模式输出。优选的，所述顶上光栅实部光栅和虚部光栅的调制振幅相等，从而使得光场在与光栅耦合作用时顺时针或逆时针只有一个方向的光可以通过，从而光栅垂直散射出的光场为行波。所述顶上光栅周期数为M，两组光栅同时作用可以对激光器中角量子数m的模式进行散射形成(m-M)阶的OAM行波模式输出。所述光栅产生的输出场对圆周角的依赖将主要包含如下分量：其中输出光栅周期数为M，激光器工作的回音壁模式的角量子数为m。可选的，所述顶上光栅的两组二阶光栅周期数为M，该光栅形成实部调制的一组可以通过刻蚀光栅层区域的材料形成，其中光栅层的材料可以与上盖层材料相同，也可以是沉积的电介质材料等。而另一组调制折射率虚部的光栅可以通过沉积金属等损耗材料形成对模式的吸收损耗等从而调制模式折射率的虚部。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；可选的，上盖层的厚度可以改变，可通过调整上盖层的厚度从而控制激光器的输出效率。有源区位于所述上盖层下方，用来给所述激光器提供增益，可以是半导体体材料、量子阱、量子线、量子点、量子级联等结构；下盖层位于所述有源区之下的微柱下部。可选的，所述微柱的截面形状为圆形、多边形或圆环形等可以支持回音壁模式的形状。优选的，在所述激光器的微柱腔的侧面刻蚀二阶光栅或者缺陷等可以选择与光栅周期数N相等的角量子数m＝N的一个回音壁模式作为激光器的激射模式，有源区内为驻波模。这样激光器单模工作。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，所述激光器可以是TE模式为主的激光器，即主要电场分量平行于有源区，输出是径向偏振的OAM；也可以是TM模式为主的激光器，即主要磁场分量平行于有源区，输出是切向偏振的OAM。可选的，所述激光器是TE模式的激光器，该TE模式的激光器的微柱的外径大于等于一定的临界值，尤其是对于上下盖层与有源区折射率相差不大即弱限制的情况下，只有微柱半径足够大才能够使所述微柱的回音壁模式向衬底的辐射损耗为忽略不计获得低损耗，否则腔体损耗比较大；或者，所述TE模式的微柱的外径小于所述临界值，在所述微柱的下盖层柱形波导中插入布拉格反射镜，该布拉格反射镜减小回音壁模式向衬底的辐射损耗，从而恢复所述回音壁模式的高品质因子。可选的，所述激光器是TM模式的激光器，该激光器的微柱的外径不受限制。本专利技术通过在激光器微柱腔的顶部添加两组不同的二阶光栅分别调制模式有效折射率的实部和虚部实现光栅散射光方向的选择，形成行波模式的输出。另外由于微柱腔内回音壁模式谐振的存在，使得散射输出的光场带有涡旋相位形成OAM光束。再加上在微柱腔的侧面刻蚀光栅或者缺陷对激光器进行选模，选出唯一的一个驻波模式激射，形成了单模OAM激光器。通过三套二阶光栅共同作用，形成了一个单模工作的面发射OAM激光器。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、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，可以提高通讯容量等诸多优点。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M＝84，N＝85的OAM激光器的光谱图。图4是M＝84，N＝85的OAM激光器的输出近场光场图。图5是N＝85，M为N附近数值情况下的O本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单模面发射OAM激光器，其特征在于，所述激光器的谐振腔为微柱，所述微柱使激光器的谐振模式为回音壁模式；所述微柱的顶部设有欧姆接触层和光栅层；所述欧姆接触层，用于电流注入，所述欧姆接触层的外沿位于微柱外沿之内，用以避免给激光器的工作模式造成额外损耗；顶上光栅位于所述光栅层上靠近微柱外侧边的位置，包括两组二阶光栅即实部光栅和虚部光栅，所述实部光栅调制模式的有效折射率的实部，所述虚部光栅调制模式的有效折射率的虚部，用以对光场散射形成垂直方向的OAM模式输出；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；有源区位于所述上盖层下方，用来给所述激光器提供增益；下盖层位于所述有源区之下的微柱下部。

【技术特征摘要】
1.一种单模面发射OAM激光器，其特征在于，所述激光器的谐振腔为微柱，所述微柱使激光器的谐振模式为回音壁模式；所述微柱的顶部设有欧姆接触层和光栅层；所述欧姆接触层，用于电流注入，所述欧姆接触层的外沿位于微柱外沿之内，用以避免给激光器的工作模式造成额外损耗；顶上光栅位于所述光栅层上靠近微柱外侧边的位置，包括两组二阶光栅即实部光栅和虚部光栅，所述实部光栅调制模式的有效折射率的实部，所述虚部光栅调制模式的有效折射率的虚部，用以对光场散射形成垂直方向的OAM模式输出；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；有源区位于所述上盖层下方，用来给所述激光器提供增益；下盖层位于所述有源区之下的微柱下部。2.根据权利要求1所述的单模面发射OAM激光器，其特征在于，在所述有源区中心附近的特定区域形成高阻区，以提高电流注入效率。3.根据权利要求1所述的单模面发射OAM激光器，其特征在于，所述顶上光栅实部光栅和虚部光栅的调制幅度相等。4.根据权利要求3所述的单模面发射OAM激光器，其特征在于，所述实部光栅和虚部光栅的周期数均为M，以对激光器中角量子数m的模式进行散射形成(m-M)阶的行波OAM模式输出。5....

【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