CN1972043A

CN1972043A - 光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出方法及输出器

Info

Publication number: CN1972043A
Application number: CN 200510086955
Authority: CN
Inventors: 郑婉华; 马小涛; 任刚; 蔡向华
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2005-11-23
Filing date: 2005-11-23
Publication date: 2007-05-30

Abstract

本发明公开了一种使用于光子集成芯片的光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出方法及输出器。该方法包括：1)在半导体芯片上依次放置一二维半导体光子晶体激光器和一二维半导体光子晶体波导；2)利用泵浦源泵浦半导体光子晶体激光器，产生边发射激光；3)所述边发射激光与光子晶体波导耦合，实现二维半导体光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出。该耦合输出器包括：二维半导体光子晶体激光器，二维半导体光子晶体波导与所述二维半导体光子晶体激光器依次放置在半导体芯片上，所述二维半导体光子晶体波导的区域与所述二维半导体光子晶体激光器的输出激光场有交叠，满足激光与波导耦合的要求。本发明具有耦合效率高、损耗低的优点。

Description

光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出方法及输出器

技术领域

本发明涉及一种二维光子晶体激光输出方法及装置，特别是涉及一种使用于光子集成芯片的二维半导体光子晶体激光耦合输出方法及装置。

背景技术

光源与波导是集成光学中关键性的器件。传统的半导体边发射激光器与光波导的耦合长期以来一直面临着耦合效率低，工艺复杂的问题。光子晶体材料与器件的研究与发展为实现光子集成开拓了新思路和新方法。

光子晶体是由不同介质按周期或准晶结构排列形成的材料。二维光子晶体由于相对容易制造，而且其二维结构能够充分表现光子晶体的特性，在研究中受到关注。常见的这一类结构有在高介电常数的薄板材料上挖出周期排列的小孔，孔内填充低介电常数的材料，如空气，而得到孔型二维光子晶体薄板。满足薄板波导条件的光波在水平方向受光子晶体结构调制。光子晶体的一个重要特性是存在光子禁带。在光子晶体中引入缺陷后，由于缺陷模的出现，就可以对光子进行控制，如引入点缺陷，可以实现谐振微腔，而引入线缺陷，就可以实现光子晶体波导。

光子晶体是光子集成一个具有很大潜力的发展方向，因此近来出现了许多基于二维光子晶体的光无源器件，而如何将光有效的耦合进光子晶体波导也随之受到关注。如文献1：光钎对光子晶体波导有效的输入和输出耦合，Paul E.Barclay，KartikSrinivasan，Matthew Borselli，和Oskar Painter，光学快报，29卷，697(2004)中公开了通过光纤与光子晶体波导相接近，而将光耦合进波导的方法。再如文献2：小型低损耗六极模与光子晶体薄板波导模式的耦合，Guk-Hyun Kim，Yong-Hee Lee，Akihiko Shinya和Masaya Notomi，OPTICS EXPRESS，12卷，6624(2004)；和文献3：一个基于色散的单向光子晶体发光器件，Caihua Chen，Ge Jin，ShouyuanShi，Ahmed Sharkawy，和Dennis W.Prather，应用物理快报，84卷，3151(2004)中公开了将二维光子晶体高Q值微腔与波导集成，使腔的谐振模式与波导模式耦合的方法。

以上现有的各种方法有一共同的缺陷，即都是利用了光源的瞬逝波，因而与波导模式重叠区域少，耦合效率低。此外，文献2和3所用的微腔激光器输出功率低，并且在垂直方向有较大损耗，这将降低它们的实用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服已有光源与二维光子晶体波导耦合效率低、输出功率小的缺点，提供一种二维半导体光子晶体边发射激光器与光子晶体波导的耦合输出方法及装置，以实现可直接用于光子集成芯片的光源与波导的耦合输出。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出方法，包括如下步骤：

1)在半导体芯片上依次设置一二维半导体光子晶体激光器和一二维半导体光子晶体波导；

2)利用泵浦源泵浦半导体光子晶体激光器，产生边发射激光；

3)所述边发射激光与光子晶体波导耦合，实现二维半导体光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出。

在上述技术方案中，步骤2)中所述的二维半导体光子晶体激光器是光泵浦，或是电注入泵浦。

在上述技术方案中，所述的二维半导体光子晶体激光器是在空气桥类型薄板结构实现，也可以在低折射率材料覆盖型薄板结构实现，或者是在传统半导体覆盖型薄板结构实现。

在上述技术方案中，所述的二维半导体光子晶体激光器发出的激光是侧向输出。

在上述技术方案中，所述的二维半导体光子晶体波导与二维半导体光子晶体激光器的输出激光场有交叠，满足激光与波导耦合的要求。

在上述技术方案中，所述的二维半导体光子晶体激光器发出的激光波长范围在0.4微米～1.6微米。

在上述技术方案中，所述的半导体材料为GaN/AlGaN材料、GaAs/AlGaAs材料或InP/InGaAsP材料。

一种光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出器，包括：

一二维半导体光子晶体激光器；

一二维半导体光子晶体波导与所述二维半导体光子晶体激光器依次设置在半导体芯片上，所述二维半导体光子晶体波导的区域与所述二维半导体光子晶体激光器的输出激光场有交叠，满足激光与波导耦合的要求。

在上述技术方案中，所述的二维半导体光子晶体激光器是光泵浦，或是电注入泵浦。

在上述技术方案中，所述二维半导体光子晶体激光器由周期为a、小孔直径为d1的光子晶体结构A包围周期为a、小孔直径为d2的光子晶体结构B形成，所述周期a可参考图1是指相邻两个小孔的中心距离，小孔直径d1小于小孔直径d2；所述光子晶体由第一介电常数的半导体薄板材料上挖出按周期a排列的小孔，在孔内填充有第二介电常数的材料制成；所述第一介电常数大于所述第二介电常数；所述第二介电常数的材料如空气等。

在上述技术方案中；所述的二维半导体光子晶体激光器发出的激光波长范围在0.4微米～1.6微米。

在上述技术方案中，所述的二维半导体光子晶体波导是在所述半导体芯片上形成的周期为a，小孔直径为d3的线缺陷型光子晶体波导，该小孔直径d3使激射模式落在导波模内并避开导波模的带边。

进一步地，在上述技术方案中，所述波导的小孔直径d3与所述光子晶体结构A的小孔直径d1相等。

本发明的激光输出是通过微腔与二维光子晶体波导对接，激射模式与波导的导波模式有很大耦合作用区域，激射模式直接耦合进波导中。二维光子晶体波导的结构应使激射模式落在导波模内，并避开导波模的带边。

与现有技术相比，本发明的优越性在于：

1)耦合效率高：本发明中微腔的激射模式与波导的导波模式有很大的光场重叠区域，因此激射模式直接耦合进波导，使得耦合结构有很高的耦合效率；

2)损耗低：本发明使用边发射激光器与波导耦合，输出功率大，在垂直方向损耗低。

附图说明

图1表示本发明中的二维光子晶体边发射激光器微腔的结构示意图；

图2表示本发明的二维光子晶体边发射激光器微腔与二维光子晶体波导耦合的示意图；

图3表示由本发明实施例1得到的耦合输出激光的信号；

图4表示由本发明实施例2得到的耦合输出激光的信号。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

参照附图1，数字10表示本发明中的二维半导体光子晶体激光器，该光子晶体激光器10是在具有增益谱从0.4微米～1.6微米的半导体有源材料11上，挖出由周期为a，小孔直径为d1的光子晶体结构A包围周期为a，小孔直径为d2的光子晶体结构B形成，其中图1中数字12表示直径为d1的小孔，数字13表示直径为d2的小孔，虚线14包围的区域就表示上述的光子晶体结构B，虚线14以外的区域就是上述的光子晶体结构A。一般来说，光子晶体结构A的厚度不小于7个周期a，光子晶体结构B的长和宽都不小于13个周期a，这样形成一个微腔，结构A是微腔的反射层。结构A横电(TE)模的第一条禁带比结构B横电(TE)模的第一条禁带低，但两个禁带有相交处。微腔内存在两个谐振模式。其中模式1的频率位于结构A的禁带底与结构B的禁带底之间，这一模式的场分布位于微腔边缘，水平方向泄露损耗较大，并且可以通过改变微腔结构抑制。模式2的频率位于结构B的禁带的带底附近，其场分布集中于微腔中心，能量集中在电介质材料中，模式在水平方向损耗很小，并且在泵浦时能获得很高的增益。由于位于禁带底附近，模式2在垂直于薄板方向的损耗也能被有效地限制。模式2最终会通过模式竞争成为激射模式，在水平方向输出。

参照附图2，图2表示了依照本发明的二维半导体光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出器，它包括以图中点划线30为分界线的光子晶体激光器10和光子晶体波导20。二维光子晶体波导20的结构为：周期为a，小孔直径d1的线缺陷型光子晶体，线缺陷的长度取决于用户需要把激光引出的距离。耦合输出的激光将从开口15发出。

实施例1

按照图2在InP半导体材料上实现的1.55微米的激光耦合输出。各部分参数选用如下：

材料：InGaAsP四元系半导体量子阱材料，增益扑谱中心波长1.55微米，有效折射率3.36。

二维半导体光子晶体激光器10：结构B的周期a为380纳米，小孔直径d2为273.6纳米，尺寸为横向13个小孔，纵向13个小孔；结构A的周期a为380纳米，小孔直径d1为266纳米，包围结构B的厚度为7个周期。

二维光子晶体波导20：在完整的二维光子晶体结构中去掉一排小孔形成线缺陷型二维光子晶体波导，结构周期a为380纳米，该小孔直径为266纳米。参考图2，从分界线30处开始到右侧边界处的线缺陷长度为18个周期，即6840纳米；宽度为1个周期，即缺陷两边正对的小孔中心距为760纳米。

按上述参数配置的激光耦合输出中，模式1被有效抑制，模拟得到模式2的输出波长为1.55微米，见图3所示波长—功率分布图。

实施例2：

同样按照图2在GaAs半导体材料上实现的0.86微米的激光耦合输出。各部分选用如下：

材料：AlGaAs三元系半导体量子阱材料，增益扑谱中心波长0.86微米，有效折射率3.46。

二维半导体光子晶体激光器10：结构B的周期a为202纳米，小孔直径d2为142纳米，尺寸为横向13个小孔，纵向13个小孔；结构A的周期a为202纳米，小孔直径d1为137纳米，包围结构B的厚度为7个周期

二维光子晶体波导20：在完整的二维光子晶体结构中去掉一排小孔形成线缺陷型二维光子晶体波导，结构周期a为202纳米，小孔直径为137纳米。参考图2，从分界线30处开始到右侧边界处的线缺陷长度为18个周期，即3636纳米；宽度为1个周期，即缺陷两边正对的小孔中心距为404纳米。

按上述参数配置的激光耦合输出中，模式1被有效抑制，模拟得到模式2的输出波长为0.86微米，见图4所示波长—功率分布图。

一般来说，光子晶体波导20的方向并无特别限制，可以在分界线30处与光子晶体结构B的边界垂直或成一定角度，并且线缺陷型的光子晶体波导20可以是直线型、折线型或曲线型。光子晶体波导20与光子晶体结构B接触的区域可以在光子晶体结构B的边界的中间，也可以是靠近边界一侧的一个位置。这些不同的实现方式对于本领域技术人员依照本发明而实施是可以胜任的。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1、一种光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出方法，包括如下步骤：

2、根据权利要求1所述光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出方法，其特征在于，步骤2)中所述的二维半导体光子晶体激光器是光泵浦，或是电注入泵浦：所述的二维半导体光子晶体激光器发出的激光是侧向输出。

3、根据权利要求1或2所述光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出方法，其特征在于，步骤1)中所述的二维半导体光子晶体激光器是在空气桥类型薄板结构实现，或在低折射率材料覆盖型薄板结构实现，或者是在传统半导体覆盖型薄板结构实现。

4、根据权利要求1所述光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出方法，其特征在于，所述的二维半导体光子晶体激光器发出的激光波长范围在0.4微米～1.6微米。

5、根据权利要求1所述光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出方法，其特征在于，所述半导体芯片的材料为GaN/AlGaN材料、GaAs/AlGaAs材料或InP/InGaAsP材料。

6、一种光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出器，包括：

一二维半导体光子晶体激光器；

7、根据权利要求6所述光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出器，其特征在于，所述的二维半导体光子晶体激光器是光泵浦，或是电注入泵浦；所述的二维半导体光子晶体激光器发出的激光是侧向输出；所述的二维半导体光子晶体激光器是在空气桥类型薄板结构实现，或在低折射率材料覆盖型薄板结构实现，或者是在传统半导体覆盖型薄板结构实现。

8、根据权利要求6或7所述光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出器，其特征在于，所述二维半导体光子晶体激光器由第一光子晶体结构包围第二光子晶体结构组成，所述第一和第二光子晶体结构的周期相同，第一光子晶体结构的小孔具有第一直径，第二光子晶体结构的小孔具有第二直径，所述第一直径小于所述第二直径；所述光子晶体由第一介电常数的薄板材料上挖出按所述周期排列的小孔，在孔内填充有第二介电常数的材料制成；所述第一介电常数大于所述第二介电常数。

9、根据权利要求1所述光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出器，其特征在于，所述半导体芯片的材料为GaN/AlGaN材料、GaAs/AlGaAs材料或InP/InGaAsP材料；所述二维半导体光子晶体波导是周期与所述第一和第二光子晶体结构的周期相同，且其小孔具有第三直径的线缺陷型光子晶体波导，该第三直径使激射模式落在导波模内并避开导波模的带边。

10、根据权利要求9所述光子晶体激光器与光子晶体波导耦合输出器，其特征在于，所述波导的小孔第三直径与所述第一光子晶体结构的小孔第一直径相等，使波导模式与激光模式耦合。