回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器

技术领域

本发明涉及半导体光电子技术领域，尤其涉及一种回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器。

背景技术

模式稳定的高功率窄线宽半导体激光器在光通信、光信息处理和光子集成电路等中具有重要的应用，回音壁-FP耦合微腔半导体激光器能够实现高边模抑制比的单模工作、较高的光纤耦合输出效率及波长可调谐等特性，且具有高品质因子、易于集成、制备成本低等优点。

回音壁型半导体微腔激光器利用光线在侧壁的全内反射形成谐振模式，具有小模式体积、高品质因子、低阈值、低功耗和易于集成等优点。但是由于其体积较小，输出功率较低，难以满足单片或片上集成光路中的光传输、光转换和数据处理。

利用回音壁微腔作为FP腔的一个选择性等效反射端面，与FP腔集成，形成耦合微腔结构，能够实现功率在毫瓦量级的单模激光输出。由于回音壁微腔存在较宽且杂乱的反射谱，与FP腔耦合时激射波长存在不确定性，而且随着注入电流的变化，激射波长会在不同的FP模式或者回音壁模式间发生跳变；此外，由于FP腔中的纵模间隔与腔长成反比，且回音壁腔有较宽的反射谱，FP腔过长容易导致在回音壁腔的一个反射谱包络内的多模激射，限制了FP的腔长，从而限制了增益的进一步提高，不利于实现稳定的单模、高功率、窄线宽激光输出，在光通信、光信息处理和光子集成电路等中的应用中仍然存在着困难。

因此，有必要发明一种小体积、低功耗、低成本、稳定单模激射的耦合微腔半导体激光器，进而实现高功率窄线宽的激光输出。

发明内容

有鉴于此，为了能够至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器。

为了实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器，包括：N面电极；下接触层，形成在所述N面电极上；N型衬底，形成在所述下接触层上；回音壁-FP-侧向光栅耦合腔，形成在所述N型衬底上，所述回音壁-FP-侧向光栅耦合腔包括：回音壁型微腔；FP型微腔，一端与所述回音壁型微腔连接；侧向光栅，与所述FP型微腔的另一端连接；其中，回音壁型微腔、FP型微腔和侧向光栅波导均为叠层结构，由下到上依次包括N型限制层、有源层、P型限制层、P型盖层、上接触层和P面电极。

根据本发明的实施例，其中，回音壁型微腔在所述N型衬底上的正投影的形状包括圆盘型、圆环形、椭圆形、多边形、弧边多边形等。

根据本发明的实施例，其中，回音壁型微腔为深刻蚀结构，所述深刻蚀结构的刻蚀深度大于4.5μm。

根据本发明的实施例，激光从所述FP型微腔进入所述回音壁型微腔后在所述回音壁型微腔中反射后能够部分返回所述FP型微腔中，从而形成耦合模式。

根据本发明的实施例，其中，所述FP型微腔在所述N型衬底上的正投影的形状包括条状。

根据本发明的实施例，其中，所述FP型微腔为深刻蚀波导，所述深刻蚀波导的刻蚀深度大于4.5μm；或着，所述FP型微腔为脊波导结构。

根据本发明的实施例，其中，侧向光栅与所述FP型微腔的侧向形成耦合光栅结构。

根据本发明的实施例，其中，侧向光栅满足布拉格条件，单个周期长度为

根据本发明的实施例，其中，侧向光栅在布拉格波长处具有最大反射率，其中，激光从所述FP型微腔进入所述侧向光栅，波长在布拉格波长处的光被部分反射回所述型微FP腔。

根据本发明的实施例，其中，侧向光栅的周期数与反射率满足公式：

其中，R表示反射率，Δβ表示失谐波矢，Λ表示单个光栅周期长度，P表示光栅周期数。

根据本发明的实施例，一种回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器，还包括：

第一电隔离槽，设置在所述FP型微腔的P型盖层和所述回音壁型微腔的P型盖层的连接处的上表面上；

第二电隔离槽，设置在所述FP型微腔的P型盖层和所述侧向光栅的的P型盖层连接处的上表面上；

其中，所述第一电隔离槽和所述第二电隔离槽适用于对所述回音壁型微腔、所述FP型微腔和所述侧向光栅进行电隔离以便于进行电流控制。

基于上述技术方案可知，本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明提供的回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器，回音壁微腔具有特定的反射率谱，通过将回音壁微腔高品质因子模式的波长设定为侧向耦合光栅的布拉格波长，从而确定光栅的单个周期长度，布拉格波长处的光被回音壁微腔和侧向光栅反射，形成高品质因子的谐振模式，实现模式稳定的单模激射，有利于实现激光器线宽压窄；

(2)本发明提供的回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器，减弱甚至消除了回音壁-FP耦合腔激光器为实现单模激射对FP腔长的限制，因此可以大幅度增加FP腔长，从而提高激光器的增益，提高模式光子数密度，有利于实现高功率窄线宽激光输出；

(3)本发明提供的回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器，通过设计光栅的周期数可以控制侧向光栅的反射率，根据实际需要细致设计光栅周期数有利于提高激光器输出效率和保持耦合腔高品质因子；

(4)本发明提供的回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器中，回音壁微腔与FP型微腔、FP型微腔与侧向光栅结构直接对接，实现高效稳定耦合，工作稳定性好；

(5)本发明提供的回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器能够实现模式稳定的单模输出，具有体积小、制备工艺简单、成品率高、成本低等优点，在光通信、光信息处理和光子集成电路等中具有重要的应用。

附图说明

图1示意性示出了根据本发明实施例的回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器立体结构示意图；

图2示意性示出了根据本发明实施例的回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器二维平面俯视示意图；

图3(a)示意性示出了本发明实施深刻蚀波导的叠层结构，图3(b)示意性示出了基于有限元法仿真得到的波导内TE基模的模场；

图4示意性示出了根据有限元法计算得到的TE基模有效折射率随波导宽度的变化关系；

图5(a)示意性示出了侧向耦合光栅的耦合系数与光栅侧向宽度D的关系；图5(b)示意性示出了侧向耦合光栅的耦合系数与占空比γ的关系；

图6示意性示出了根据有限元法计算得到的内侧波导宽度W为1.5μm，侧向波导宽度D为1μm，占空比γ为0.5，周期数50的侧向光栅的反射率谱与单个光栅周期长度Λ的关系；

图7示意性示出了根据有限元法计算得到的边长a为18μm、输出波导宽度1.5μm的正方形腔反射率；

图8示意性示出了根据有限元法计算得到侧向耦合光栅的反射率和透射率；

图9(a)示意性示出了边长18μm的正方形腔反射率和W为1.5μm、D为1μm、占空比为0.5、周期数200的侧向光栅反射率的对应关系；图9(b)示意性示出了基于有限元法计算的a＝18μm、d＝1.5μm,、L＝300μm、Λ＝0.735μm、W＝1.5μm、D＝1μm、γ＝0.5、周期数别为100和200的回音壁-FP-侧向光栅耦合腔的品质因子；

图10示意性示出了根据有限元方法计算得到的回音壁-FP-侧向光栅耦合腔的模式场分布。

【附图标记说明】

101-N面电极；102-下接触层；103-N型衬底；104-N型限制层；105-有源层；106-P型限制层；107-P型盖层；108-上接触层；109-P面电极；201-回音壁型微腔；202-第一电隔离槽；203-FP型微腔；204-第二电隔离槽；205-侧向光栅。

具体实施方式

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，对本发明作进一步的详细说明。

回音壁型半导体微腔激光器利用光线在侧壁的全内反射形成谐振模式，具有小模式体积、高品质因子、低阈值、低功耗和易于集成等优点。但是由于其体积较小，输出功率较低，难以满足单片或片上集成光路中的光传输、光转换和数据处理。

将回音壁微腔作为FP腔的一个选择性等效反射端面，与FP腔集成，形成耦合微腔结构，能够实现功率为十毫瓦量级的单模激光输出。由于回音壁微腔存在较宽且杂乱的反射谱，与FP腔耦合时激射波长存在不确定性，而且随着注入电流的变化，激射波长会在不同的FP模式或者回音壁模式间发生跳变；此外，由于FP腔中的纵模间隔与腔长成反比，且回音壁腔有较宽的反射谱，FP腔过长容易导致在回音壁腔的一个反射谱包络内多个FP模式与回音壁模式耦合，形成多模激射，从而限制了FP的腔长、限制了激光器增益的进一步提高，不利于实现稳定的单模、高功率、窄线宽激光输出，不利于在光通信、光信息处理和光子集成电路等中的应用。

因此，本发明针对上述发现的技术问题提出了一种回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器，有利于实现模式稳定的单模高功率、窄线宽激光输出，同时回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器具有体积小、制备工艺简单、成品率高、成本低等优点，在光通信、光信息处理和光子集成电路等中具有重要的应用。

本发明的实施例提供了一种回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器。

下面示意性举例说明设计的回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器。需要说明的是，该举例说明只是本发明的具体实施例，并不能限制本发明的保护范围。

图1示意性示出了根据本发明实施例的回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器立体结构示意图。

如图1所示，该回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器包括：N面电极101；下接触层102，形成在N面电极101上；N型衬底103，形成在下接触层102上；回音壁-FP-侧向光栅耦合腔，形成在N型衬底103上，其中，的侧向光栅耦合腔包括回音壁型微腔201；FP型微腔203，一端与回音壁型微腔201连接；侧向光栅204，与FP型微腔203的另一端连接，侧向光栅204与回音壁型微腔201谐振以实现半导体激光器的单模激射，从而压窄半导体激光器的线宽；回音壁-FP-侧向光栅耦合腔包括回音壁型微腔201、FP型微腔203和侧向光栅204均为叠层结构，由下到上依次包括N型限制层104、有源层105、P型限制层106、P型盖层107、上接触层108和P面电极109。

根据本发明的实施例，回音壁型微腔201在N型衬底103上的正投影的形状可以为正方形。

根据本发明的另一实施例，回音壁型微腔201在N型衬底103上的正投影的形状包括以下至少之一：圆盘型、圆环形、椭圆形、多边形、弧边多边形。

需要说明的是，回音壁型微腔在N型衬底上的正投影的形状可以不局限于上述限定，只要使其便于与FP型微腔耦合即可。

根据本发明的实施例，回音壁型微腔201具有规定的反射率，光从FP型微腔203进入回音壁型微腔201后，在回音壁型微腔201中经过一定的光程后能够部分返回FP型微腔203中，形成耦合模式。

根据本发明的实施例，通过调控回音壁型微腔201的结构参数例如边长a，可以获得特定的反射率谱。

根据本发明的实施例，FP型微腔203在N型衬底103上的正投影的形状包括条状。

根据本发明的实施例，FP型微腔203用于提供足够的增益，其长度和宽度应以实际需求为准，例如要提高功率可以加长其长度，FP型微腔203和回音壁微腔201的尺寸都要进行相应的变化以满足实际应用的需求。

图2示意性示出了根据本发明实施例的回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器俯视示意图。

如图2所示，根据回音壁-FP-侧向光栅耦合腔激光器的俯视示意图，从左到右依次为回音壁微腔201，电隔离槽202，FP腔203，电隔离槽204，侧向光栅205。

根据本发明的实施例，如图2所示，侧向光栅的结构参数主要包括侧向光栅内侧波导宽度W、光栅侧向宽度D、光栅单个周期长度Λ、光栅横向长度Λ

根据本发明的实施例，FP腔若进行深刻蚀(大于4.5μm)则侧向光栅的刻蚀深度与FP腔刻蚀深度一致；若FP腔采取深浅刻蚀结合的脊波导方式，则侧向光栅的刻蚀深度与FP腔脊波导的浅刻蚀脊的深度一致。

根据本发明的实施例，侧向光栅满足布拉格条件，单个周期长度为

根据本发明的实施例，一种回音壁-FP-侧向光栅耦合腔激光器，还包括：在FP型微腔203和回音壁型微腔201的连接处的P型盖层107上表面设置有电隔离槽202，在FP型微腔203和侧向光栅205的连接处的P型盖层107上表面设置有电隔离槽204，确保可以分别对回音壁型微腔201、FP型微腔203和侧向光栅205进行电流控制。

图3示意性示出了本发明实施深刻蚀波导的叠层结构及基于有限元法仿真得到的波导内TE基模的模场。图3(a)为基于商用AlGaInAs/InP外延片制备深刻蚀波导的示意图，基于该外延结构我们仿真了刻蚀深度为4.5μm，宽度为1到6μm的波导结构，波导的两侧为BCB，其折射率为1.54，图3(b)为仿真得到的宽度为2μm波导的TE基模模场分布，并得到其有效折射率为3.201。

图4示意性示出了根据有限元法计算得到的TE基模有效折射率随波导宽度的变化关系。利用有效折射率与波导宽度的关系，根据光栅耦合系数的公式：

计算了内侧波导宽度W为1.5μm，占空比γ为0.5，波长λ

图6示意性示出了根据有限元法计算得到的内侧波导宽度W为1.5μm，侧向波导宽度D为1μm，占空比γ为0.5，周期数50的侧向光栅的反射率谱与单个光栅周期长度Λ的关系。

如图6所示，为了准确的得到侧向光栅的布拉格波长、反射率等参数，我们采用二维有限元法计算了内侧波导宽度W为1.5μm，侧向波导宽度D为1μm，占空比γ为0.5，周期数50的侧向光栅的反射率，光栅外侧由BCB限制，其折射率为1.54。如图6(a)，对于三阶光栅，当单个光栅的周期长度Λ由0.72μm变化到0.75μm时，其反射谱从1520nm移动到1580nm处，图6(b)给出了相应的布拉格波长随周期长度Λ的变化关系，基于此我们可以根据所需的布拉格波长设计侧向光栅的单周期长度。

图7示意性示出了根据有限元法计算得到的边长a为18μm、输出波导宽度1.5μm的正方形腔反射率，其中腔体部分折射率设为3.1839，腔体由BCB包裹，BCB折射率设为1.54。如图7(a)所示，三角形标记的位置为正方形腔的基模，其品质因子为4.6×10

图8示意性示出了根据有限元法计算得到侧向耦合光栅的反射率和透射率。在回音壁-FP-侧向光栅耦合腔激光器的设计中，为了利用正方微腔的高品质因子模式，我们将光栅的布拉格波长设置在正方形腔的基模位置处，根据光栅单周期长度与布拉格波长的对应关系，光栅的单周期长度设置为0.735μm，内侧波导宽度与正方形腔输出波导宽度相同，即W为1.5μm，光栅侧向宽度D为1μm，光栅占空比为0.5。如图8(a)所示，周期数分别为100、200和300的侧向光栅，其布拉格波长处的反射率分别为0.395、0.595和0.637，其透射率如图8(b)所示，分别为0.290、0.045和0.006。设计中应考虑激光器的耦合输出效率，选择合适的光栅周期数，既能获得高品质因子的模式又能实高效的耦合输出。

正方形腔作为FP腔一个等效反射端面，其基模具有10

图9(a)示意性示出了边长18μm的正方形腔反射率和W为1.5μm、D为1μm、占空比为0.5、周期数200的侧向光栅反射率的对应关系，其中正方形腔的基模与侧向光栅的布拉格波长对齐，正方形腔的一阶模在布拉格波长的短波处，该波长处的光栅仍具有较高的反射率，约为0.441。图9(b)示意性示出了基于有限元法计算的a＝18μm、d＝1.5μm,、L＝300μm、Λ＝0.735μm、W＝1.5μm、D＝1μm、γ＝0.5、周期数分别为100和200的回音壁-FP-侧向光栅耦合腔的品质因子，当周期数为100时，正方形腔基模和一阶模对应的耦合模式品质因子分别为2.9×10

图10示意性示出了根据有限元方法计算得到的回音壁-FP-侧向光栅耦合腔的模式场分布，图10(a)和图10(b)分别为正方形腔基模和一阶模对应的耦合模式正方形微腔中模场强度远大于FP型微腔和光栅中的模场，表明正方形腔可以储存大量光子，提高模式光子数，有利于激光器线宽的压窄。

根据本发明的实施例，本发明提供的回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器各部分直接对接耦合，工作稳定性好，此外本发明提供的回音壁-FP-侧向光栅耦合腔半导体激光器有利于实现高功率、窄线宽以及稳定的单模输出，具有体积小、制备工艺简单、成品率高、成本低等优点，在相干光通信、光信息处理和光子集成电路等方面具有重要应用。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

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，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。