[發明專利]一種優化光子晶體面發射激光器方法

無效

• 申請號: 201210084836.5
• 申請日: 2012-03-27
• 公開（公告）號: CN102611001A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 徐晨;解意洋;朱彥旭;鄧軍;毛明明;魏思民;曹田;闞強;王春霞;陳弘達
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01S5/183
• 分類號: H01S5/183
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術領域

本發明涉及一種優化光子晶體面發射激光器性能的新方法，特別是一種基于氧化限制型面發射激光器和二維光子晶體橫向耦合基礎的氧化孔徑與光子晶體缺陷孔徑縱向耦合匹配的新方法，該方法可應用于各種類型材料的氧化限制型光子晶體面發射激光器，屬于半導體光電子技術領域。

背景技術

垂直腔面發射激光器(VCSEL)有低閾值電流、動態單縱模工作、小發散角的、圓對稱光束、高調制帶寬、易于二維集成等優勢，廣泛應用于光通訊、光存儲和光顯示等領域。常見的氧化限制型垂直腔面發射半導體激光器材料主要由三五族化合物半導體材料通過分子束外延(MBE)或金屬化學汽相淀積(MOCVD)技術外延得到。經過半導體工藝得到面發射激光器器件，其基本結構如圖1所示。常見為單個管芯和陣列結構。在很多應用中需要器件工作在單模高功率狀態，然而普通的氧化限制型面發射激光器要實現單模工作，必須使有源區中心部分的載流子密度分布比較均勻，故一般氧化孔的直徑要小于5μm才可以使器件實現單模工作。如此小的氧化孔直徑必然引起大的串聯電阻。同時很大的串聯電阻必然會產生很多熱量使器件的熱穩定性變差。同時，制作如此小的氧化孔直徑在工藝上很難實現，小的氧化孔直徑也使得有效發光面積減小，單模輸出功率低。

光子晶體結構引入到面發射激光器(通過在面發射激光器的反射鏡上刻蝕缺陷型光子晶體空氣孔)是實現單模大功率面發射激光器的方法之一。且制備技術相對簡單，易于移植到各種材料體系。目前，制約光子晶體面發射激光器性能的有閾值電流過大，發光效率過低等因素，其主要是由于光子晶體的刻蝕損傷帶來的非輻射符合和光子晶體孔所產生模式泄露和散射損耗等造成的，其中最重要的是注入電流區域過大高價模式激射無法激射，大部分能量都以其他形式損耗掉。

為了克服光子晶體面發射激光器以上問題，我們利用氧化孔徑和光子晶體缺陷孔徑縱向耦合匹配方案成功解決了以上問題。

發明內容

本發明的目的在于克服以上現有光子晶體面發射激光器的技術缺點，設計和制作一種低閾值電流、小串聯電阻、高單模輸出功率的面發射激光器。

一種優化光子晶體面發射激光器方法，所述激光器結構依次為上金屬電極、P型歐姆接觸層、周期交替生長的上分布布拉格反射鏡、氧化限制層、有源區，下分布布拉格反射鏡、襯底、N型金屬電極、氧化孔、出光孔、光子晶體空氣孔，光子晶體缺陷孔；

其特征在于：氧化孔的直徑比光子晶體缺陷孔的直徑大一個光子晶體空氣孔的直徑b，即D＝d+b。

我們知道面發射激光器的閾值電流I_th由下式確定：其中D為氧化孔9的直徑，J_th是電流密度。在一定的范圍內只要保證J_th不變，縮小氧化孔9的直徑D是一種有效的降低器件閾值電流的方法。光子晶體面發射激光器是通過在氧化限制型面發射激光器的上分布布拉格反射鏡3上刻蝕缺陷型光子晶體空氣孔11來實現的。氧化孔9的直徑D同樣是決定氧化限制型光子晶體面發射激光器閾值電流的最主要的因素之一。但同時激射功率由光子晶體缺陷孔13的直徑d決定，通常選用較大的氧化孔9直徑D(即氧化孔9直徑D遠大于光子晶體缺陷孔13的直徑d)，以保證光子晶體對光的限制作用而得到單模、高功率輸出。但在實際應用中要求器件具有較低的閾值電流，要求采取盡量小的氧化孔9直徑D；而為保持大的功率，則要求采取盡量大的光子晶體缺陷孔13直徑d。制備低閾值單模高功率的器件的關鍵是這氧化孔9和光子晶體缺陷孔13的合理匹配耦合。當光子晶體缺陷孔13的直接d和氧化孔9的直徑D接近時，器件的模式特性不僅受到二維缺陷型光子晶體結構12的調制，同時還要受到氧化限制層4的影響。只有通過合理的匹配光子晶體缺陷孔13和氧化孔9之間的關系才可以制備出高性能的光子晶體面發射激光器。

在分析光子晶體面發射半導體激光器的模式問題中，我們將氧化限制層4和氧化孔9的作用考慮進去，利用3D-FDTD方法進行模擬。通過模擬分析可以得到不同模式對應的模式損耗和光強分布。得到了光子晶體缺陷孔13直徑d與氧化孔9的直徑D的關系即D-d/b≥1(b為光子晶體空氣孔11的直徑)，器件可以工作在單模狀態下。通過以上分析可知，當器件的氧化孔9的直徑比光子晶體缺陷孔13的直徑大一個光子晶體空氣孔11的直徑b時，器件可實現單模工作，即D＝d+b。此時器件具有最佳的氧化孔9和光子晶體缺陷孔13匹配條件，既提高單基模占整個激射模式輸出功率的比例，同時又使器件的高階模式被抑制，使器件工作在低閾值電流和單模高功率狀態。

與現有技術相比，本發明具有以下優點