光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器

摘要

本发明公开了一种光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器，由制作于半导体芯片上的空气孔型光子晶体结构构成，分为三个部分，左边部分为慢光波导结构，用来产生激光；右端为输出波导结构，该输出波导结构内侧相邻的两行空气孔的直径都略小于周围光子晶体的空气孔直径；慢光波导结构与输出波导结构中间为啁啾波导结构，该啁啾波导结构内侧相邻两行空气孔的直径从与慢光波导结构空气孔直径相同而逐渐变小，直到与输出波导结构的空气孔直径相同。本发明提供的边发射激光器，采用光子晶体波导的带边慢光模式，突破了缺陷腔模式体积受限制的瓶颈，利用啁啾波导结构，将慢光模式高效转换为正常群速度导波模式，使得边发射激光的输出效率得到大幅提高。

权利要求

1.一种光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器，其特征在于，该边发射激光器由制作于半导体材料上的空气孔型光子晶体结构构成，分为三个部分，左边部分为慢光波导结构，用来产生激光；右端为输出波导结构，该输出波导结构内侧相邻的两行空气孔的直径都略小于周围光子晶体的空气孔直径；慢光波导结构与输出波导结构中间为啁啾波导结构，该啁啾波导结构内侧相邻两行空气孔的直径从与慢光波导结构空气孔直径相同而逐渐变小，直到与输出波导结构的空气孔直径相同。

2.根据权利要求1所述光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器，其特征在于，所述半导体材料为InGaAsP/InP材料、GaAs/AlGaAs材料或GaN/AlGaN材料；所述制作于半导体材料上的空气孔型光子晶体结构为三角晶格空气孔型光子晶体结构。

3.根据权利要求1所述光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器，其特征在于，所述慢光波导结构由在完好的空气孔型光子晶体结构中，去除一行空气孔形成的单一线缺陷波导构成。

4.根据权利要求1所述光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器，其特征在于，所述慢光波导结构使用波导的慢光效应产生激光，激光频率在慢光波导的导波模式的带边附近。

5.根据权利要求1所述光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器，其特征在于，所述输出波导结构为去除一行空气孔的线缺陷光子晶体波导结构，并且该线缺陷光子晶体波导结构的两侧相邻的空气孔的直径略小于光子晶体空气孔的直径。

6.根据权利要求1所述光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器，其特征在于，所述输出波导结构中，传输的激光的模式为具有正常群速度的非慢光模式。

7.根据权利要求1所述光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器，其特征在于，所述的啁啾波导结构为去除一行空气孔的线缺陷光子晶体波导结构，并且该线缺陷波导的两侧相邻的空气孔的直径从慢光波导结构空气孔直径渐变到输出波导结构的空气孔的直径。

8.根据权利要求1所述光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器，其特征在于，所述啁啾波导结构中，激光的模式由低群速度慢光模式高效转换为正常群速度的导波模式。

9.根据权利要求1所述光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器，其特征在于，该边发射激光器出射的激光，通过输出波导结构，从材料侧面的解理边出射。

10.根据权利要求1所述光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器，其特征在于，该边发射激光器的输出波长在红外波段，波长范围在0.7微米至1.7微米范围内。

说明书

光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体光电子器件技术领域，特别是涉及一种悬浮薄板型大功率光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器。

背景技术

[0002] 光子晶体，自其概念被提出以来，一直受到人们的关注。它独有的“光子带隙”(Photonic Band Gap，PBG)使其在激光器的应用中有着特殊的地位，它能抑制自发辐射产生频率处于带隙中的光子的几率。当光子晶体中加入某种缺陷后，带隙中会出现频宽很窄的缺陷态，这样自发辐射产生频率处于缺陷态的光子的几率不受抑制，而该频率附近的自发辐射也有向该频率转化的几率，增强了缺陷态的自发辐射。通过对光子晶体的设计，可以将激光器的激射频率设定在缺陷态频率，这样能大大提高激光器的自发辐射因子，获得极低阈值的激光器。同时，基于光子晶体的多种有源和无源器件相对于传统器件具有尺寸紧凑、易于集成等优点，这使得光子晶体成为未来光子集成芯片的重要候选方案。

[0003] 对光子芯片而言，是在二维平板之上集成各个器件，需要光信号在平板内部传播，点缺陷微腔面发射激光器可作为芯片与芯片间的光信息传播的光源，但是作为平板集成光路的光源来说并不理想，需要一种能够在平板内部发光的激光光源。而线缺陷波导型边发射激光器从侧面出光，可以直接经由波导进入集成的无源器件中，因此作为光子集成回路光源的实现途径具有重要价值。

[0004] 目前波导型边发射激光器有两种实现方法。第一种是微腔-波导耦合型。它利用点缺陷微腔激光器中光场的倏逝波与邻近的波导发生耦合，从而实现激光沿波导方向传播并侧向输出。微腔-波导的耦合效率可以达到80％，如文献：“Photonic crystal nanolaser monolithically integrated withpassive waveguide for effective light extraction”，Kengo Nozaki，HidekiWatanabe，and Toshihiko Baba，Appl.Phys.Lett.，920211082008，甚至达到90％，如文献：“Efficient photonic crystal cavity-waveguide coupler”，AndreiFaraon，Edo Waks，Dirk Englund，Llya Fushman，and Jelena ，Appl.Phys.Lett.，900731022007。这种方案虽可以实现较高的微腔-波导耦合效率，但是其激光是由模式体积很小的微腔产生的，很难获得较高的增益，这大大限制了激光的输出功率。

[0005] 另一种波导边发射激光器的实现方法是光子晶体波导带边激光器。利用光子晶体波导的色散曲线在带边处具有低群速度的特性，在波导中产生慢光效应。慢光模式在波导谐振产生激光，如文献：“Line-defect-waveguidelaser integrated with a point defect in a two-dimensional photonic crystal slab”，Atsushi Sugitatsu，Takashi Asano and Susumu Noda，APL，Vol.86，171106，2005。由于该带边共振模式在水平方向和垂直方向的品质因子都非常高，这导致了激光边发射输出的功率极低。

[0006] 上述两种方案的边发射激光输出功率都受限于各自的激光产生机制而较低，这对于未来的光子芯片的光源应用是很大的瓶颈。因此，实现一种大功率高效边发射激光器成为当务之急。

发明内容

[0007] (一)要解决的技术问题

[0008] 有鉴于此，本发明的主要目的在于克服已有的光子晶体边发射激光器输出功率较低的缺点，提供一种大功率光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器，以提高边发射激光器的输出功率。

[0009] (二)技术方案

[0010] 为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

[0011] 一种光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器，该边发射激光器由制作于半导体材料上的空气孔型光子晶体结构构成，分为三个部分，左边部分为慢光波导结构，用来产生激光；右端为输出波导结构，该输出波导结构内侧相邻的两行空气孔的直径都略小于周围光子晶体的空气孔直径；慢光波导结构与输出波导结构中间为啁啾波导结构，该啁啾波导结构内侧相邻两行空气孔的直径从与慢光波导结构空气孔直径相同而逐渐变小，直到与输出波导结构的空气孔直径相同。

[0012] 上述方案中，所述半导体材料为InGaAsP/InP材料、GaAs/AlGaAs材料或GaN/AlGaN材料；所述制作于半导体材料上的空气孔型光子晶体结构为三角晶格空气孔型光子晶体结构。

[0013] 上述方案中，所述慢光波导结构由在完好的空气孔型光子晶体结构中，去除一行空气孔形成的单一线缺陷波导构成。

[0014] 上述方案中，所述慢光波导结构使用波导的慢光效应产生激光，激光频率在慢光波导的导波模式的带边附近。

[0015] 上述方案中，所述输出波导结构为去除一行空气孔的线缺陷光子晶体波导结构，并且该线缺陷光子晶体波导结构的两侧相邻的空气孔的直径略小于光子晶体空气孔的直径。

[0016] 上述方案中，所述输出波导结构中，传输的激光的模式为具有正常群速度的非慢光模式。

[0017] 上述方案中，所述的啁啾波导结构为去除一行空气孔的线缺陷光子晶体波导结构，并且该线缺陷波导的两侧相邻的空气孔的直径从慢光波导结构空气孔直径渐变到输出波导结构的空气孔的直径。

[0018] 上述方案中，所述啁啾波导结构中，激光的模式由低群速度慢光模式高效转换为正常群速度的导波模式。

[0019] 上述方案中，该边发射激光器出射的激光，通过输出波导结构，从材料侧面的解理边出射。

[0020] 上述方案中，该边发射激光器的输出波长在红外波段，波长范围在0.7微米至1.7微米范围内。

[0021] (三)有益效果

[0022] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

[0023] 1、本发明提供的光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器，采用光子晶体波导的慢光效应产生激光模式，相对于微腔激光器具有更大的有源区域，可获得更高的增益，从而提高激光功率。采用本发明的这种啁啾波导设计，可得到大输出功率的激光器，其有效泵浦阈值功率为46μW，输出功率达到10μW，较原有的普通慢光激光器输出功率提高214倍。

[0024] 2、本发明提供的光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器，可实现激光的侧向边发射，使得它更容易实现与无源波导器件的耦合输出，成为光子晶体集成芯片的理想光源。

[0025] 3、本发明提供的光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器，采用啁啾波导设计，使得慢光激光模式转化为群速度正常的导波模式，转换效率高；

[0026] 4、本发明提供的光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器，激光的边模抑制比可达37dB，实现良好的单模特性。

附图说明

[0027] 图1是本发明中大功率光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器的结构示意图；

[0028] 图2是本发明中大功率光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器的慢光波导的能带(实线)与输出波导的能带(虚线)示意图；

[0029] 图3是本发明中光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器与普通慢光波导激光器的输出光场强度对比的仿真结果示意图；

[0030] 图4是本发明中制作出的大功率光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器的扫描电镜实物照片；

[0031] 图5是本发明中制作出的边发射激光器的测量激光频谱；

[0032] 图6是本发明中制作出的边发射激光器的测量到的边发射光斑；

[0033] 图7是本发明中制作出的激光器的阈值特性曲线。

具体实施方式

[0034] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

[0035] 请参照图1，图1是本发明中大功率光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器的结构示意图。该激光器基于空气孔光子晶体三角晶格设计，分为三个部分，左边部分为慢光波导结构，用来产生激光。这部分由在完好光子晶体中去除一行空气孔形成的单一线缺陷波导构成。右端为输出波导结构。在这一部分，波导内侧相邻的两行空气孔的直径都设计为略小于周围光子晶体的孔径。慢光波导结构与输出波导结构中间为啁啾波导结构，它的波导内侧相邻两行空气孔的直径从与慢光波导结构相同逐渐变小，直到与输出波导结构的直径相同。

[0036] 波导的导波能带特性示于图2。图中黑色实线表示慢光波导的导波模式。该导波模式是偶模，并且在光锥之下，因此可以在平板内部中存在并在波导中传播。在该模式的带边处(黑色水平虚线所示)，色散曲线十分平坦，斜率接近于零。根据光波的群速度公式vg＝dω/dk，这一频率范围内的光波具有较低的群速度，称之为慢光。慢光与普通导波模式的最大不同在于低群速度导致其在波导中无法正常传播，由于光子晶体的布拉格(Bragg)散射，慢光会在波导中形成类似F-P腔中的谐振。谐振的模式由于处于光子晶体波导带边的慢光处，具有高光子态密度，并增强光与有源介质的相互作用，当获得足够多的增益后即可产生激光。

[0037] 慢光效应虽然能够带来足够的增益并产生激光，但是由于激光频率处在慢光范围内，群速度较低，同时产生很强的光与物质的相互作用，导致光在波导中被强烈吸收，大大限制了激光的有效输出。激光器的输出波导就是用来解决这一问题的。输出波导的导波模能带如图2中的黑色虚线所示。孔径的变小使得波导区域的有效折射率增大，因而导波模式向低频方向移动。这使得慢光模式对应的频率在输出波导中进入了非慢光区域，光波重新具有了正常的传播速度，因此谐振消失，输出功率得到增强。

[0038] 在慢光波导结构与输出波导结构之间是啁啾波导结构，如附图1中的矩形区域所示。由于输出波导结构内侧相邻的两行空气孔与慢光波导结构有较大差异，如果直接将两段波导相连接，结构的突变会引起场的突变，一方面对慢光波导结构的谐振有所破坏，另一方面在界面处散射增多，加大了损耗。而采用孔径渐变的啁啾波导结构，可使孔径平缓变化，模式场也从慢光模式平缓的过渡到导波模式。光波的群速度也由慢光的低群速度渐变至导波模的正常群速度，这样可以显著提高激光的光输出效率。

[0039] 图3是本发明中光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器与普通慢光波导激光器的输出光场强度对比的仿真结果示意图。普通慢光波导中的模式更加向波导两侧扩展，这是慢光模式的明显特征。在波导中出现了波节，这说明形成了明显的谐振。大部分光波被局域在波导中，输出很小。而在本发明提供的啁啾波导边发射激光器结构中，慢光波导结构中也发生了谐振，而渐变波导和输出波导中的场向波导两侧的扩展明显减弱，说明已经过渡到了正常群速度的导波模式，输出明显增强。

[0040] 图4是本发明中制作出的大功率光子晶体啁啾波导慢光边发射激光器的扫描电镜实物照片。通过使用电子束曝光技术和感应耦合等离子体干法刻蚀技术，在InGaAsP/InP材料上制作出光子晶体图形，最后通过湿法选择腐蚀制作出悬浮薄板结构的光子晶体边发射激光器件。三角晶格的晶格常数为a＝420nm，光子晶体的空气孔直径为d＝260nm，输出波导的相邻空气孔直径略小，为d′＝190nm。渐变波导部分的长度为25个周期，波导内侧空气孔直径从260nm渐变为190nm。

[0041] 图5是本发明中制作出的边发射激光器的测量激光频谱。采用980nm激光器脉冲泵浦，激射波长为1576nm，边模抑制比达到37dB。图6是本发明中制作出的边发射激光器的测量到的边发射光斑，可见激光沿着输出波导从侧面出光的。图7是本发明中制作出的激光器的阈值特性曲线。在占空比为0.075％条件下，有效阈值功率为46uW，输出功率可达10uW，相比普通的慢光波导激光器提高了214倍。

[0042] 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，所应理解的是，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。