專利名稱：一種雙諧振腔與波導的耦合結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光子集成或光電集成技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高效的雙諧振腔與波導 的耦合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以確保高效的耦合輸出及高的模式品質(zhì)因子，實現(xiàn)器件低閾值和高 功率運轉(zhuǎn)。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的進步和革新，光電子器件逐漸朝著高密度集成、高效率、低功 耗和微型化方向發(fā)展，目前大多數(shù)傳統(tǒng)的半導體激光器很難實現(xiàn)這一目標。光學微腔通過 全反射來實現(xiàn)對光場的強限制，腔中產(chǎn)生了品質(zhì)因子極高的回音壁(Wispering-Gallery， WG)模式，具有很小的模式體積、低功耗、超快響應和極低噪聲，適合制作極低閾值、高密度 集成的微腔激光器及其陣列，在光集成、光互連、光通訊以及光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方面有著廣泛的 應用前景。能夠?qū)崿F(xiàn)定向光功率輸出是微腔激光器具有實際應用價值的必備條件， 在實現(xiàn)定向輸出方面，我們研制了帶輸出波導的正三角微腔激光器(Y.Z.Huang， etc.Room-temperature continuous-wave electrically injectedlnP/GalnAsP equilateral-triangle-resonator lasers. IEEE Photon. Techno 1. Lett. 19， pp. 963-965 (2007))、正方形微腔激光器(Y. Z. Huang, etc. Directionalemission InP/ GalnAsP square-resonator microlasers, Opt. Lett. 33，(2008))和帶直輸出波導的圓盤 微腔激光器。同時諧振腔與波導的耦合一直以來就倍受人們關(guān)注，相關(guān)的器件也早已應用 于商業(yè)化的光電集成中，但單圓盤與波導之間的側(cè)向耦合受限于模式品質(zhì)因子較低，耦合 效率也不高。而圓盤與波導間隙的制備也受限于當前的工藝條件，不能做得足夠小。而圓 盤與波導的垂直耦合，則受限于材料生長，對鍵合要求也較高，可重復性差。因此工藝簡單 且耦合效率高的波導與圓盤耦合結(jié)構(gòu)一直備受人們關(guān)注，現(xiàn)在我們提出一種結(jié)構(gòu)-雙圓盤 與波導的耦合結(jié)構(gòu)，用于實現(xiàn)高效率的耦合輸出。在本發(fā)明中采用雙諧振腔與波導的耦合結(jié)構(gòu)。在引進波導后，對諧振腔的模式損 耗影響較小，仍然有105量級的品質(zhì)因子，并且耦合輸出效率能達到99%以上，而諧振腔 與波導的間距可以相切、相交，也可以有一定間隙，間隙大小能實現(xiàn)波導與諧振腔的耦合即 可，從而可以實現(xiàn)高效率的諧振腔與波導耦合結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種雙諧振腔與波導的耦合結(jié)構(gòu)，以克服原來 諧振腔與波導的間隙限制問題，提高耦合模式的品質(zhì)因子和耦合輸出效率。( 二 )技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種雙諧振腔與波導的耦合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括一個襯底；
兩個制作于襯底上的諧振腔；以及一個制作于襯底上且位于兩個諧振腔之間的條形輸出波導。上述方案中，所述諧振腔具有形成諧振的腔體結(jié)構(gòu)。上述方案中，所述諧振腔具有一含有有下限制層、有源層和上限制層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu) 包括一個制作于襯底上的下限制層；一個制作于下限制層上的有源層，該有源層的形狀與下限制層相同；以及一個制作于有源層上的上限制層，該上限制層的形狀與下限制層相同。上述方案中，所述條形輸出波導為單模波導或多模波導，寬度小于所述諧振腔的 半徑。上述方案中，所述條形輸出波導為淺刻蝕輸出波導，或者為深刻蝕輸出波導。上述方案中，所述兩個諧振腔結(jié)構(gòu)相同，呈圓柱、圓環(huán)或者正方形。上述方案中，所述條形輸出波導與所述諧振腔相切、相交或具有一定的間隙，間隙 的大小需要能夠保證諧振腔與波導形成有效耦合。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的這種雙諧振腔與波導的耦合結(jié)構(gòu)，由于此種結(jié)構(gòu)對波導與諧振腔 的間隙要求不高，因此可以有效的解決了原來諧振腔與波導間隙不能做的比較小的問題， 并且有效的提高了耦合模式的品質(zhì)因子和耦合輸出效率。2、本發(fā)明提供的這種雙諧振腔與波導的耦合結(jié)構(gòu)，由于兩個諧振腔對稱的放置在 波導的兩側(cè)，使得在波導位置的場分布也很強，這些場又可以耦合回圓形諧振腔中去，因此 使得模式損耗小，品質(zhì)因子高，同時光通過波導定向輸出，耦合效率很高。3、本發(fā)明提供的這種雙諧振腔與波導的耦合結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)高效的耦合輸出結(jié)構(gòu)， 可用于定向光輸出的低閾值、高密度集成的微腔激光器及濾波器等。


為了更清楚地介紹本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點，本說明將結(jié)合實施例及附圖來做進 一步的說明，這里諧振腔采用圓形諧振腔結(jié)構(gòu)，其中圖1是雙圓形諧振腔與波導的耦合結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖2是雙圓形諧振腔與波導的耦合結(jié)構(gòu)的立體示意圖。圖3是波導與圓形諧振腔的幾種間隔形狀。圖 4 是利用二維時域有限差分(finite-difference time-domain, FDTD)法進 行數(shù)值計算得到的半徑為2微米的兩個圓形諧振腔在與波導相切的情況下，圓形諧振腔中 TM20,3模和TM24,2模的模式場分布圖。圖 5 是利用二維時域有限差分(finite-difference time-domain, FDTD)法進行 數(shù)值計算得到的半徑為2微米的兩個圓形諧振腔在與寬度為0. 4微米波導間隙為0. 1微米 情況下，圓形諧振腔中TM2Q,3模和TM24,2模附近的模式場分布圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。下面結(jié)合圖1至圖5詳細介紹本發(fā)明請參閱圖1、圖2所示，本發(fā)明提供的這種雙諧振腔與波導的耦合結(jié)構(gòu)，包括一襯底1，該襯底1的形狀為矩形或圓形，襯底的材料可以是公知的IV族半導體 材料和其化合物以及III-V、II-VI、IV-VI族化合物等半導體材料，也可以是有機半導體材 料，襯底上面的分別為兩個諧振腔22和波導23，該兩個諧振腔22分布于波導23的兩側(cè)，；該兩個諧振腔22制作在襯底1上，諧振腔22可以是圓柱、圓環(huán)或正方形諧振腔 等，這兩個諧振腔材料、結(jié)構(gòu)和尺寸等盡量一致，對稱分布于波導兩側(cè)；該條形輸出波導23制作在襯底1上并與諧振腔22的側(cè)面相切、相交疊或有一定 的間隙；其中諧振腔22在垂直于襯底1的方向上為圓形(或多邊形)結(jié)構(gòu)，其橫截面為矩 形，該諧振腔22包括一下限制層201，該下限制層201與襯底1連接；一有源層202，該有 源區(qū)202制作在下限制層201上，其形狀與下限制層201相同；一上限制層203，該上限制 層203制作在有源區(qū)202上，其形狀與下限制層201相同。其中波導23位于兩個諧振腔22的兩側(cè)，與諧振腔相切，交疊或者有一定間隙，波導 23可以為單模波導或多模波導，該條形輸出波導23可以與諧振腔22具有相同的結(jié)構(gòu)和材 料，或者是其他波導材料和結(jié)構(gòu)。波導深度可以是淺刻蝕(弱耦合)或強刻蝕(強耦合)。兩個諧振腔22分布于波導23的兩側(cè)，在沿輸出波導23方向可以級聯(lián)多個諧振腔 22，這些圓形諧振腔其尺寸可以相同，也可以不相同。根據(jù)功能的不同，它們可以對稱或非 對稱分布于波導23兩側(cè)。請再參閱圖2，它表示本發(fā)明的兩個實施例，圖2是本發(fā)明中波導23兩側(cè)各帶有一 個諧振腔22的一個實施例。本發(fā)明中的耦合結(jié)構(gòu)由諧振腔22和條形輸出波導23組成。諧 振腔22和條形輸出波導23制作在襯底1上，諧振腔為由下限制層201、有源區(qū)202和上限 制層203構(gòu)成的平板波導結(jié)構(gòu)，各層的厚度沒有限制，在實際工藝中可根據(jù)需要調(diào)節(jié)。諧振 腔22和輸出波導23的四周為低折射率材料(包括空氣)。諧振腔22在垂直于襯底1的方 向上為圓柱形(或正多邊形)結(jié)構(gòu)，其橫截面最好為矩形，諧振腔22的尺寸為激射波長的 幾倍到上千倍。其材料可以是公知的各種IV族半導體材料和其化合物以及III-V、II-VI、 IV-VI族化合物等半導體材料，也可以是有機半導體材料和其他固體激光器有源材料。諧振 腔有源區(qū)可以是半導體體材料、量子阱、量子線、量子點、量子級聯(lián)等各種結(jié)構(gòu)。在實施例中 的襯底1、下限制層201和上限制層203不一定是必須的，只要能夠形成諧振腔22實現(xiàn)激射 即可。在具體制作工藝上，諧振腔22可以通過采用干法刻蝕或濕法化學刻蝕等方法將 外延片腐蝕到下限制層或襯底，而未腐蝕的區(qū)域作為諧振腔22。在諧振腔22側(cè)面有條形輸 出波導23相連接或耦合，條形輸出波導23可以和諧振腔22同時制作出來，他們具有相同 的材料和結(jié)構(gòu)，如圖2所示。但也可以先制作出諧振腔22，然后再生長其他波導材料，進行 腐蝕等工藝，制作出與諧振腔材料，結(jié)構(gòu)和刻蝕深度不同的輸出波導，如圖2所示。條形輸 出波導23為單模波導或多模波導，寬度不超過諧振腔的半徑，輸出波導23的作用在于與兩側(cè)的諧振腔22發(fā)生耦合，它的長度沒有限制，其兩端都可以與其他光電子器件進行集成。如圖3所示，諧振腔22和條形輸出波導23相連接處的可以有一定間隙(圖3a)、 相切(圖3b)和相交(圖3c)，間隙的大小能保證諧振腔與波導形成有效耦合即可。而諧振 腔在沿波導方向的兩側(cè)，可以級聯(lián)多個諧振腔。本發(fā)明中的諧振腔22可以通過公知的光泵浦方式或電注入方式(可以在襯底1 下面和上限制層40上制作電極)來實現(xiàn)激射。也可以通過制作不同的電極，從而通過控制 某個諧振腔上的電流而制備出電調(diào)制器。表1 是利用二維時域有限差分(finite-difference time-domain, FDTD)法進行 數(shù)值模擬計算得到的兩個半徑為2微米的圓形諧振腔對稱放置于波導兩側(cè)，并且與波導相 切的情況下，諧振腔中f = 244THz附近的模式頻率，品質(zhì)因子和耦合輸出效率隨著輸出波 導寬度的變化。耦合輸出效率定義為從輸出波導向外輸出的光功率與整個諧振腔向外輻射 的光功率之比。諧振腔直徑為4i!m，腔內(nèi)折射率為3. 2，腔外折射率為1。圓盤諧振腔由于 引入了直輸出波導而導致模式間發(fā)生耦合，輸出光能有效地通過波導耦合出去，其耦合效 率能達到90%以上，并且其品質(zhì)因子也在104以上。在這種結(jié)構(gòu)中，諧振腔與波導之間沒有 間隙，有效地解決了原來間隙gap需要做得非常小的難題。圖4為在這種結(jié)構(gòu)下中的TM2Q, 3模和TM24,2模式場分布圖，可以看出光有效地通過波導耦合出去。 表 1表2給出了半徑為2微米的兩個圓盤諧振腔對稱的分布于寬度為0. 4微米的波導 兩側(cè)，其模式的耦合輸出效率和品質(zhì)因子隨諧振腔與波導的間隙變化的情況。腔和波導折 射率為3. 2，腔外折射率為1?？梢钥闯觯词鼓Ｊ降钠焚|(zhì)因子和耦合輸出效率與間隙gap的 寬度關(guān)系不大，只要間隙能保證諧振腔與波導能形成耦合，這些模式就有較高的耦合輸出 效率，耦合輸出效率都差不多接近于100%，并且品質(zhì)因子高達105以上。圖5為在gap為 0. 1微米情況下，這種結(jié)構(gòu)中的TM2(I,3模和11124,2模式場分布圖，可以看出光有效地通過波導 華禹合出去。 表 2本發(fā)明還可以有其它作用，例如，它可以作為一個調(diào)制器來使用，通過在諧振腔22 或波導23上分別制作電極，從而對輸出光起到調(diào)制作用。同樣本發(fā)明也可以作為濾波器使 用，當光從波導23注入時，諧振腔22會對輸入光進行濾波。更為重要的是，本發(fā)明可以做 為多波長激光器使用，通過在波導23的一側(cè)或兩側(cè)設(shè)計不同尺寸的諧振腔22，以制備出不 同輸出波長的半導體激光器。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種雙諧振腔與波導的耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括一個襯底；兩個制作于襯底上的諧振腔；以及一個制作于襯底上且位于兩個諧振腔之間的條形輸出波導。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙諧振腔與波導的耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述諧振腔具有 形成諧振的腔體結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙諧振腔與波導的耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述諧振腔具有 一含有有下限制層、有源層和上限制層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括一個制作于襯底上的下限制層；一個制作于下限制層上的有源層，該有源層的形狀與下限制層相同；以及一個制作于有源層上的上限制層，該上限制層的形狀與下限制層相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙諧振腔與波導的耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述條形輸出波 導為單模波導或多模波導，寬度小于所述諧振腔的半徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙諧振腔與波導的耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述條形輸出波 導為淺刻蝕輸出波導，或者為深刻蝕輸出波導。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙諧振腔與波導的耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述兩個諧振腔 結(jié)構(gòu)相同，呈圓柱、圓環(huán)或者正方形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙諧振腔與波導的耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述條形輸出波 導與所述諧振腔相切、相交或具有一定的間隙，間隙的大小需要能夠保證諧振腔與波導形 成有效耦合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙諧振腔與波導的耦合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括一個襯底；兩個制作于襯底上的諧振腔；以及一個制作于襯底上且位于兩個諧振腔之間的條形輸出波導。利用本發(fā)明，由于此種結(jié)構(gòu)對波導與諧振腔的間隙要求不高，因此可以有效地解決了原來諧振腔與波導間隙不能做的比較小的問題，并且有效地提高了耦合模式的品質(zhì)因子和耦合輸出效率。
文檔編號H01S5/40GK101859979SQ20101017544
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月12日
發(fā)明者楊躍德, 王世江, 黃永箴 申請人:中國科學院半導體研究所