CN107703624B - 基于非周期亚波长光栅和分布布拉格反射镜的谐振腔 - Google Patents

基于非周期亚波长光栅和分布布拉格反射镜的谐振腔 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体光电子器件领域，提供了一种基于非周期亚波长光栅和分布布拉格反射镜的谐振腔，具有可以控制谐振腔内驻波光场的分布的特性。所述谐振腔的结构自下而上为：分布布拉格反射镜、谐振腔、非周期亚波长光栅反射镜。平面入射光通过谐振腔到达非周期亚波长光栅反射镜，实现偏向谐振腔中心的斜反射，斜反射在谐振腔内多次振荡耦合，形成光场能量集中于腔中部的稳定驻波场，驻波场宽度由非周期亚波长光栅结构决定，从而通过改变非周期亚波长光栅结构实现了对谐振腔内驻波场宽度的控制。本发明解决了传统谐振腔不能控制驻波场宽度的问题，能够广泛应用于光通信及光学***领域。

Description

基于非周期亚波长光栅和分布布拉格反射镜的谐振腔
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件领域，更具体地，涉及基于非周期亚波长光栅和分布布拉格反射镜的谐振腔。
背景技术
随着光通信***的快速发展，半导体光电子器件得到了广泛的应用。为研究速率更高、容量更大的光通信***，要求科研人员设计集成度更高、结构更优、性能更稳定的半导体光电子器件。
谐振腔是半导体光电子器件中一种重要的腔结构，广泛应用于激光器和光探测器中。其中，法布里-珀罗谐振腔(F-P腔)是一种典型的谐振腔。F-P腔也称作平面平行腔，由两个平行平面反射镜(两个反射镜的曲率半径为无穷大)组成，一条平行于谐振腔轴线的光线，经平行平面反射镜反射后传播方向仍平行于轴线，始终不会溢出腔外，在谐振腔内形成稳定的驻波场。如图1所示，图1中由两个包含5对InP-空气隙的分布布拉格反射镜11和13形成的F-P腔12，入射光线14经分布布拉格反射镜13进入F-P腔12内。在F-P腔12内形成与F-P腔12宽度相差不大的稳定的驻波场15。
由于每一个谐振腔中可形成的稳定驻波场的宽度固定，且与谐振腔的宽度相差不大，不能控制驻波场的宽度发生变化，限制了谐振腔在光通信***中应用范围。现急需提供一种能够形成宽度变化的驻波场的谐振腔。
发明内容
为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供了基于非周期亚波长光栅和分布布拉格反射镜的谐振腔。
本发明提供了一种谐振腔，谐振腔的器件结构自下而上为：分布布拉格反射镜、谐振腔、非周期亚波长光栅反射镜，为两镜一腔结构。
其中，分布布拉格反射镜是由折射率高低交替的介质材料构成，每层具有特定的厚度，能够在较宽光谱范围内实现高反射特性。
其中，所述非周期亚波长光栅反射镜是由折射率差较大的两种材料制成，其具有特定的光栅结构，能够在较高反射率基础上，对入射光束进行斜反射。
其中，在谐振腔内，入射光通过谐振腔到达非周期亚波长光栅反射镜，反射光束实现偏向谐振腔中心的斜反射，反射光束再次通过谐振腔，经分布布拉格反射镜反射，再次到达非周期亚波长光栅反射镜实现斜反射，该过程不断重复，形成向腔中心靠拢的多次振荡。谐振腔边缘光束与腔中部光束互相耦合，形成光场能量集中于腔中部的稳定驻波场，驻波场宽度由非周期亚波长光栅结构决定，从而通过改变非周期亚波长光栅结构实现了对谐振腔内光场分布的控制。
其中，所述非周期亚波长光栅反射镜的特定光栅结构包括：一维、二维和三维的非周期亚波长光栅构成的反射镜；所述一维光栅为周期和占空比在一维方向上随位置特定排列的亚波长光栅；所述二维光栅为周期和占空比在二维方向上随位置特定排列的亚波长光栅；所述三维光栅是在二维非周期亚波长光栅的基础上，光栅高度随位置改变的光栅。
本发明提供的谐振腔，利用非周期亚波长光栅反射镜和分布布拉格反射镜构成一个可形成宽度可变的驻波场的谐振腔，通过改变非周期亚波长光栅反射镜的结构参数，可在谐振腔内产生宽度可控的驻波场，突破了传统谐振腔不能控制驻波场宽度的限制，使得谐振腔可以更灵活广泛地应用于半导体光电子器件的设计和制作中，得到集成度更高、结构更优、性能更稳定的半导体光电子器件。
附图说明
图1为现有技术中谐振腔内的驻波场分布图；
图2为本发明一实施例提供的谐振腔的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的谐振腔内的驻波场分布效果示意图；
图4为本发明一实施例提供的谐振腔中非周期亚波长光栅反射镜的一维条状结构示意图；
图5为本发明一实施例提供的谐振腔中非周期亚波长光栅反射镜的二维环状结构示意图；
图6为本发明一实施例提供的谐振腔中非周期亚波长光栅反射镜的二维块状阵列结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图2所示，本发明一实施例中提供了一种谐振腔，所述谐振腔具有两镜一腔结构，所述两镜分别为非周期亚波长光栅反射镜和分布布拉格反射镜(Distributed BraggReflector，DBR)，所述两镜平行且相对放置；所述一腔为所述两镜构成的谐振腔。
图2中，谐振腔的结构自下而上为：分布布拉格反射镜24、谐振腔22、非周期亚波长光栅反射镜21，构成两镜一腔结构。两镜均利用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)或金属有机元化学气相沉淀(Metal Organic Chemical Vapour Deposition，MOCVD)等技术外延生长。所述分布布拉格反射镜24是由InP和空气部分组成，谐振腔22为空气隙，非周期亚波长光栅反射镜21由InP和空气部分组成，由于InP与空气的折射率相差很大，因此可以制成高折射率差的亚波长光栅。其中所用空气材料部分均采用镂空腐蚀方法处理，反射镜整体为InP框架结构。
入射光25通过谐振腔22到达非周期亚波长光栅反射镜21，反射光束实现偏向谐振腔中心的斜反射，反射光束再次通过谐振腔22，经分布布拉格反射镜24反射，再次到达非周期亚波长光栅反射镜21实现斜反射，该过程不断重复，形成向谐振腔22中心靠拢的多次振荡。谐振腔边缘光束与腔中部光束互相耦合，形成光场能量集中于腔中部的稳定驻波场23，驻波场23的宽度由非周期亚波长光栅反射镜21结构决定，从而通过改变非周期亚波长光栅反射镜21结构实现了对谐振腔内驻波场23宽度的控制。
在上述实施例的基础上，在所述谐振腔内，入射光经往复反射，形成宽度可控的驻波场，所述驻波场的宽度由所述非周期亚波长光栅使反射光产生的斜偏转角度以及所述谐振腔腔长决定。
参见图3，图3为本发明的一个具体实施特例，图中由上至下分别为分布布拉格反射镜、谐振腔和非周期亚波长光栅反射镜，在该实施例中，非周期亚波长光栅反射镜和分布布拉格反射镜构成一个宽为25.14μm、高为18.63μm(即腔长)的谐振腔，非周期亚波长光栅反射镜的厚度为0.5μm，其在垂直入射至非周期亚波长光栅反射镜时的反射斜偏转角度为1°，形成了宽度为9.13μm的驻波场。
参见图4，图4为一维条状非周期亚波长光栅反射镜结构示意图，该反射镜由多个不同周期的InP光栅条41排列构成，光栅条块间的空气部分42由镂空腐蚀得到。
参见图5，图5为二维环状非周期亚波长光栅反射镜结构示意图，该反射镜由多个不同周期的InP光栅环51嵌套构成，光栅条块间为空气52。
参见图6，图6为二维块状阵列非周期亚波长光栅反射镜结构示意图，该反射镜由多个不同周期的InP块61排列构成，光栅块间为空气62。
参见图4-图6，三维非周期亚波长光栅反射镜为在图4-图6的基础上改变各个光栅条、光栅环或者光栅块的厚度得到。
在上述实施例的基础上，所述非周期亚波长光栅反射镜为斜偏转反射镜或汇聚反射镜。
在上述实施例的基础上，所述非周期亚波长光栅反射镜由多个周期不同的亚波长光栅条块构成，所述多个周期不同的亚波长光栅条块关于所述非周期亚波长光栅反射镜的中心轴左右对称。
在上述实施例的基础上，所述非周期亚波长光栅反射镜为一维、二维或三维的非周期亚波长光栅。
在上述实施例的基础上，可用分布布拉格反射镜作为谐振腔的一反射镜，也可由其他具有高反射率特性的反射镜代替，如周期亚波长光栅反射镜等。
在上述实施例的基础上，可设置非周期亚波长光栅反射镜的光栅周期在0.3μm～1.8μm之间，光栅占空比为15％～85％，光栅高度为0.1～1.2μm。
本发明提出的谐振腔，通过改变非周期亚波长光栅反射镜的结构参数，可在谐振腔内产生宽度可控的驻波场，突破了传统谐振腔不能控制驻波场宽度的限制，使得谐振腔可以更灵活广泛地应用于半导体光电子器件的设计和制作中，得到集成度更高、结构更优、性能更稳定的半导体光电子器件。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种谐振腔，其特征在于，所述谐振腔具有两镜一腔结构，所述两镜分别为非周期亚波长光栅反射镜和分布布拉格反射镜，或者所述分布布拉格反射镜由其他具有高反射特性的反射镜代替；所述两镜平行且相对放置；所述一腔为所述两镜构成的谐振腔；
所述非周期亚波长光栅反射镜为斜偏转反射镜；
所述非周期亚波长光栅反射镜由多个周期不同的亚波长光栅条块构成，所述多个周期不同的亚波长光栅条块关于所述非周期亚波长光栅反射镜的中心轴左右对称；
在所述谐振腔内，入射光经往复斜反射，形成宽度可控的驻波场，所述驻波场的宽度由所述非周期亚波长光栅使反射光产生的斜偏转角度以及所述谐振腔腔长决定。
2.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，所述分布布拉格反射镜用周期亚波长光栅反射镜代替。
3.根据权利要求1或2所述的谐振腔，其特征在于，所述非周期亚波长光栅反射镜的光栅周期为0.3μm～1.8μm，占空比为15％～85％，光栅高度为0.1～1.2μm。
4.根据权利要求1或2所述的谐振腔，其特征在于，所述非周期亚波长光栅反射镜为一维、二维或三维的非周期亚波长光栅。
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