根據(jù)示范性實施例的設備和方法涉及半導體激光器，更具體而言，涉及能選擇諧振模式或者能從其它諧振模式分離諧振模式的半導體激光諧振器以及包括其的半導體激光裝置。

背景技術：

在半導體激光裝置中，半導體激光諧振器是獲得光學增益的核心部分。通常，半導體激光諧振器的增益介質具有圓盤形狀或者立方形狀。增益介質及其附近用金屬或介電材料覆蓋。然而，半導體激光諧振器產(chǎn)生的諧振模式的數(shù)目很高，并且諧振模式是復雜的。

技術實現(xiàn)要素：

所提供的是能從其它諧振模式選擇或分離諧振模式的半導體激光諧振器以及包括其的半導體激光裝置。

其它方面將部分地在下面的描述中闡述，并且部分地將通過描述而明顯易懂，或者可通過示范性實施例的實施而掌握。

根據(jù)示范性實施例的一個方面，提供一種配置為產(chǎn)生激光束的半導體激光諧振器，該半導體激光諧振器包括：增益介質層，包括半導體材料且包括由至少一個溝槽形成的至少一個突起以在增益介質層的上部中突出，其中至少一個突起配置為將激光束限制為在至少一個突起中的駐波。

半導體激光諧振器還可包括提供在增益介質層之外的金屬層，金屬層配置為限制從增益介質層產(chǎn)生的激光束。

半導體激光諧振器還可包括提供在增益介質層和金屬層之間的緩沖層，緩沖層配置為減輕從增益介質層產(chǎn)生的激光束的光學損耗。

半導體激光諧振器還可包括提供在增益介質層之外的介電層，介電層配置為限制從增益介質層產(chǎn)生的激光束且使其折射率與增益介質層的折射率不同。

增益介質層的下部配置為進一步將激光束限制在其中。

增益介質層可為圓柱形狀或矩形形狀。

溝槽可具有選自線形狀、圓形形狀、多邊形形狀和環(huán)形形狀的至少一個平面形狀。

至少一個突起可包括沿著增益介質層的外邊緣設置的至少一個第一突起。

至少一個突起還可包括從至少一個第一突起向內(nèi)設置的至少一個第二突起。

增益介質層可包括有源層。

有源層可包括III-V族半導體材料、II-VI族半導體材料和量子點的至少一個。

增益介質層還可包括設置在有源層的第一表面上的第一外覆層和設置在有源層的第二表面上的第二外覆層。

半導體激光諧振器還可包括設置在增益介質層的第一表面上的第一接觸層和設置在增益介質層的第二表面上的第二接觸層。

第一接觸層可對應于至少一個突起。

第一接觸層和第二接觸層具有與增益介質層的形狀對應的形狀。

根據(jù)示范性實施例的另一個方面，提供一種半導體激光裝置，該半導體激光裝置包括：基板和半導體激光諧振器，半導體激光諧振器提供在基板上且配置為通過吸收能量而產(chǎn)生激光束，其中半導體激光諧振器可包括增益介質層，增益介質層包括半導體材料且包括由至少一個溝槽形成的至少一個突起以在增益介質層的上部中突出，并且至少一個突起配置為將激光束限制為在至少一個突起中的駐波。

半導體激光諧振器還可包括提供在增益介質層之外的金屬層，金屬層配置為限制從增益介質層產(chǎn)生的激光束。

半導體激光諧振器還可包括提供在增益介質層和金屬層之間的緩沖層，緩沖層配置為減輕從增益介質層產(chǎn)生的激光束的光學損耗。

半導體激光諧振器還可包括提供在增益介質層之外的介電層，介電層配置為限制從增益介質層產(chǎn)生的激光束且使其折射率與增益介質層的折射率不同。

溝槽可具有選自線形狀、圓形形狀、多邊形形狀和環(huán)形形狀的至少一個平面形狀。

至少一個突起可包括沿著增益介質層的外邊緣設置的至少一個第一突起。

至少一個突起還可包括從至少一個第一突起向內(nèi)設置的至少一個第二突起。

增益介質層可包括有源層。

有源層可包括III-V族半導體材料、II-VI族半導體材料和量子點的至少一個。

增益介質層還可包括設置在有源層的第一表面上的第一外覆層和設置在有源層的第二表面上的第二外覆層。

半導體激光裝置還可包括設置在增益介質層的第一表面上的第一接觸層和設置在增益介質層的第二表面上的第二接觸層。

第一接觸層和第二接觸層具有與增益介質層的形狀對應的形狀。

半導體激光裝置還可包括電連接到第一接觸層和第二接觸層的多個電極。

附圖說明

這些和/或其它方面通過下面結合附圖對示范性實施例的描述將變得顯見且容易理解，附圖中：

圖1是根據(jù)示范性實施例的半導體激光裝置的透視圖；

圖2是圖1的增益介質層的透視圖；

圖3是沿著圖1的線III-III′截取的截面圖；

圖4是根據(jù)另一個示范性實施例的半導體激光裝置的截面圖；

圖5是根據(jù)另一個示范性實施例的半導體激光裝置的截面圖；

圖6是根據(jù)另一個示范性實施例的半導體激光裝置的截面圖；

圖7A和7B是根據(jù)另一個示范性實施例的半導體激光諧振器的透視圖；

圖8A和8B是根據(jù)另一個示范性實施例的半導體激光諧振器的透視圖；

圖9A和9B是根據(jù)另一個示范性實施例的半導體激光諧振器的透視圖；

圖10A、10B和10C是根據(jù)另一個示范性實施例的半導體激光諧振器的透視圖；

圖11A和11B是根據(jù)示范性實施例的半導體激光諧振器的透視圖；

圖12A和12B是根據(jù)示范性實施例的半導體激光諧振器的透視圖；

圖13A、13B和13C示出了現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器的時域有限差分(FDTD)模擬模型結構；

圖14是圖13A、13B和13C的半導體激光諧振器的內(nèi)部結構的截面圖；

圖15是示出由圖13A、13B和13C的半導體激光諧振器產(chǎn)生的TE模式激光束的光譜的圖線；

圖16A至16G是示出由圖13A、13B和13C的半導體激光諧振器產(chǎn)生的TE模式激光束的電場強度分布的圖像；

圖17是示出由圖13A、13B和13C的半導體激光諧振器產(chǎn)生的TM模式激光束的光譜的圖線；

圖18A、18B、18C和18D示出了根據(jù)示范性實施例的半導體激光諧振器的FDTD模擬模型結構；

圖19是圖18A、18B、18C和18D的半導體激光諧振器的內(nèi)部結構的截面圖；

圖20是示出由圖18A、18B、18C和18D的半導體激光諧振器產(chǎn)生的TE模式激光束的光譜的圖線；

圖21A、21B、21C和21D是示出由圖18A、18B、18C和18D的半導體激光諧振器產(chǎn)生的TE模式激光束的電場強度分布的圖像；

圖22是示出由圖18A、18B、18C和18D的半導體激光諧振器產(chǎn)生的TE模式激光束的光譜的圖線；

圖23A和23B是示出由圖18A、18B、18C和18D的半導體激光諧振器產(chǎn)生的TM模式激光束的光譜的圖線；

圖24A、24B、24C和24D示出了根據(jù)另一個示范性實施例的半導體激光諧振器的FDTD模擬模型結構；

圖25是示出由圖24A、24B、24C和24D的半導體激光諧振器產(chǎn)生的TE模式激光束的光譜的圖線；

圖26A、26B、26C、26D、26E和26F是示出由圖24A、24B、24C和24D的半導體激光諧振器產(chǎn)生的TE模式激光束的電場強度分布的圖像；

圖27是示出由圖24A、24B、24C和24D的半導體激光諧振器產(chǎn)生的TE模式激光束的光譜的圖線；以及

圖28A和28B是示出由圖24A、24B、24C和24D的半導體激光諧振器產(chǎn)生的TM模式激光束的光譜的圖線。

具體實施方式

現(xiàn)在詳細介紹示范性實施例，其示例在附圖中示出，其中相同的附圖標記通篇表示相同的元件，并且為了說明的簡便和清楚可以夸大元件的厚度或尺寸。為此，示范性實施例可具有不同的形式，而不應解釋為限于這里闡述的說明。因此，示范性實施例僅參考附圖描述如下以說明本說明書各方面。在層結構中，當構成元件設置在另一個構成元件“上方”或“上”時，構成元件可僅直接在另一個構成元件上或者以非接觸方式在另一個構成元件上方。再者，已知的功能或結構因它們可能以不必要的細節(jié)模糊示范性實施例而不再詳細描述。

圖1是根據(jù)示范性實施例的半導體激光裝置100的透視圖。圖2是圖1的增益介質層的透視圖。圖3是沿著圖1的線III-III′截取的截面圖。

參見圖1至3，半導體激光裝置100可包括基板110和提供在基板110上的半導體激光諧振器?；?10可為半導體基板，但不限于此，而是可由諸如玻璃的各種材料形成。具體而言，基板110可為磷化銦(InP)基板或砷化鎵(GaAs)基板，但不限于此。

半導體激光諧振器可通過從外部吸收能量而產(chǎn)生激光束。半導體激光諧振器可具有例如納米尺寸或微米尺寸，但不限于此。半導體激光諧振器可包括增益介質層120用于通過光泵浦或電泵浦吸收能量而產(chǎn)生激光束。增益介質層120可包括包含半導體材料的有源層122。有源層122可包括例如III-V族半導體材料或II-VI族半導體材料。再者，有源層122可包括量子點。具體而言，有源層122可包括多個多量子阱，其包括銦鎵砷(InGaAs)、鋁鎵砷(AlGaAs)、銦鎵砷磷(InGaAsP)、或鋁鎵銦磷(AlGaInP)，但不限于此。

增益介質層120還可包括分別提供在有源層122之上和之下的第一和第二外覆層121和123。第一外覆層121設置在有源層122的第一表面上，即圖3中的有源層122的上表面上，并且可包括n型或p型半導體材料。具體而言，第一外覆層121可包括n型InP或p型InP，但不限于此。第二外覆層123可設置在有源層122的第二表面上，即圖3中的有源層122的下表面上。如果第一外覆層121包括n型半導體材料，則第二外覆層123可包括p型半導體材料。替代地，如果第一外覆層121包括p型半導體材料，則第二外覆層123可包括n型半導體材料。具體而言，第二外覆層123可包括p型InP或n型InP，但不限于此。

增益介質層120可具有例如圓柱形狀，但不限于此，增益介質層120可具有立方形狀或其它各種形狀。在該示范性實施例中，至少一個溝槽191在增益介質層120的上部中形成至一定的深度。至少一個突起191′可由增益介質層120的上部中的溝槽191限定。

具體而言，參見圖2，兩個溝槽191在增益介質層120的上部中形成至一定的深度。溝槽191可具有線形狀且彼此相交。溝槽191可從增益介質層120的上表面形成到各種深度。圖3示出了其中溝槽191形成在第一外覆層121中的示例，但不限于此，溝槽191可形成在第一外覆層121和有源層122中或者在第一外覆層121、有源層122和第二外覆層123中。四個突起191′可由如上相交的溝槽191形成在增益介質層120的上部中。突起191′可沿著增益介質層120的外邊緣環(huán)形地設置。

這樣，因為由溝槽191形成在增益介質層120的上部中的突起191′環(huán)形地設置，所以從增益介質層120產(chǎn)生的激光束可在突起191′的至少一個中被限制為駐波。在突起191′中將激光束限制為駐波是指這樣的特征，激光束的強度可根據(jù)時間而改變，但是該激光束被限制在突起191′中的一定位置。限制在突起191′中的激光束可具有朝著突起191′的表面而減小的強度。從增益介質層120產(chǎn)生的激光束不僅可被限制在提供于增益介質層120的上部中的突起191′中，而且可被限制在提供于增益介質層120的下部中的突起191′中。

這樣，因為從增益介質層120產(chǎn)生的激光束被限制為在突起191′的至少一個中的駐波，所以期望的波長的諧振模式可如下所述被容易地選擇。再者，可去除不期望的諧振模式，或者期望的諧振模式可與其它諧振模式有效地分離。因此，半導體激光諧振器的Q因數(shù)可以提高。諧振模式可根據(jù)由溝槽191限定的突起191′的數(shù)量、形狀和尺寸以及突起191′之間的間隔的至少一個而被選擇和/或分離。再者，通過在增益介質層120之外提供金屬層150，從增益介質層120產(chǎn)生的激光束可以被有效地限制。

第一接觸層131可設置在增益介質層120的上表面上。例如，第一接觸層131可設置在第一外覆層121的上表面上。第一接觸層131可具有與增益介質層120的上表面對應的形狀。因此，形成在增益介質層120的上部中的溝槽191可延伸到第一接觸層131。如果第一外覆層121包括n型半導體材料，則第一接觸層131可包括n型半導體材料。如果第一外覆層121包括p型半導體材料，則第一接觸層131可包括p型半導體材料。具體而言，第一接觸層131可包括n型InGaAs或p型InGaAs，但不限于此。還可提供電連接到第一接觸層131的電極(未示出)。

第二接觸層132可設置在第二外覆層123的下表面上。第二接觸層132可設置在基板110的上表面上。如果第二外覆層123包括p型半導體材料，則第二接觸層132可包括p型半導體材料。如果第二外覆層123包括n型半導體材料，則第二接觸層132可包括n型半導體材料。具體而言，第二接觸層132可包括p型InGaAs或n型InGaAs，但不限于此。電連接到第二接觸層132的電極160可進一步提供在基板110上。如果第二接觸層132包括p型半導體材料，則電極160可為p型電極。如果第二接觸層132包括n型半導體材料，則電極160可為n型電極。

金屬層150還可提供為覆蓋增益介質層120和第一接觸層131。位于第一接觸層131之上的金屬層150可具有與第一接觸層131對應的形狀。因此，形成在增益介質層120的上部中的溝槽191可延伸到位于第一接觸層131之上的金屬層150。提供在增益介質層120之外的金屬層150可將從增益介質層120產(chǎn)生的激光束限制到增益介質層120的內(nèi)部。金屬層150可包括例如銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)或鋁(Al)，但不限于此，而是可包括各種其它金屬材料。從增益介質層120產(chǎn)生的激光束可由金屬層150有效地限制。

緩沖層141可進一步提供在金屬層150和增益介質層120之間。例如，緩沖層141可提供在增益介質層120的側表面和金屬層150之間。緩沖層141可在從增益介質層120產(chǎn)生的激光束接觸金屬層150時減輕光學損耗。緩沖層141可包括折射率與增益介質層120不同的材料。具體而言，緩沖層141可包括折射率小于增益介質層120的折射率的材料。例如，緩沖層141可包括硅氧化物或硅氮化物，但不限于此。絕緣層142可進一步形成在基板110上以覆蓋第二接觸層132的暴露的上表面。

如上所述，在根據(jù)示范性實施例的半導體激光裝置100中，因為溝槽191形成在半導體激光諧振器的上部中且突起191′由溝槽191限定，所以從增益介質層120產(chǎn)生的激光束可在突起191′的至少一個中被限制為駐波。這樣，如果從增益介質層120產(chǎn)生的激光束被限制為在增益介質層120的上部中提供的突起191′的至少一個中的駐波，則可容易地選擇期望波長的諧振模式。再者，不期望的諧振模式可被去除或者期望的諧振模式可與其它諧振模式有效地分離。因此，可改善半導體激光諧振器的Q因數(shù)。再者，如果金屬層150提供在增益介質層120之外，則從增益介質層120產(chǎn)生的激光束可被有效地限制。

圖4是根據(jù)另一個示范性實施例的半導體激光裝置100a的截面圖。圖4的半導體激光裝置100a類似于圖1至3的半導體激光裝置100，除了介電材料143形成在形成于增益介質層120的上部中的溝槽191的內(nèi)壁上外。

參見圖4，半導體激光裝置100a可包括基板110和半導體激光諧振器，半導體激光諧振器提供在基板110上且通過從外部吸收能量而產(chǎn)生激光束。半導體激光諧振器可包括增益介質層120，并且溝槽191形成在增益介質層120的上部中。介電材料143可形成在形成于增益介質層120的上部中的溝槽191的內(nèi)壁上。介電材料143可包括例如與形成緩沖層141的材料相同的材料。因此，金屬層150可覆蓋增益介質層120、第一接觸層131和介電材料143。

圖5是根據(jù)另一個示范性實施例的半導體激光裝置100b的截面圖。圖5的半導體激光裝置100b類似于圖1至3的半導體激光裝置100，除了形成在增益介質層120的上部中的溝槽191填充有金屬層150外。

參見圖5，半導體激光裝置100b可包括基板110和半導體激光諧振器，半導體激光諧振器提供在基板110上且通過從外部吸收能量而產(chǎn)生激光束。半導體激光諧振器可包括增益介質層120，并且溝槽191形成在增益介質層120的上部中。金屬層150可覆蓋增益介質層120和第一接觸層131。在此情況下，形成在增益介質層120的上部中的溝槽191可填充有金屬層150。

圖6是根據(jù)另一個示范性實施例的半導體激光裝置100c的截面圖。

參見圖6，半導體激光裝置100c可包括基板110和半導體激光諧振器，半導體激光諧振器提供在基板110上且通過從外部吸收能量而產(chǎn)生激光束。半導體激光諧振器可包括增益介質層120，并且溝槽191形成在增益介質層120的上部中。

第一接觸層131提供為覆蓋增益介質層120的上表面。介電層170提供為覆蓋增益介質層120的側表面。介電層170限制從增益介質層120產(chǎn)生的激光束。為此，介電層170可包括折射率與增益介質層120的折射率不同的材料。具體而言，介電層170可包括折射率小于增益介質層120的折射率的材料。介電層170可包括例如硅氧化物或硅氮化物，但不限于此。

盡管在上面的示范性實施例中，兩個溝槽191形成在增益介質層120的上部中，但是增益介質層120中形成的溝槽191的數(shù)量或形狀可被不同地改變。

圖7A和7B是根據(jù)另一個示范性實施例的半導體激光諧振器的透視圖。

在圖7A的半導體激光諧振器中，增益介質層120具有圓柱形狀，并且一個線形溝槽192在增益介質層120的上部中形成至一定的深度。因此，兩個突起192′可由一個線形溝槽192限定在增益介質層120的上部中。第一接觸層131可設置在增益介質層120的上表面上，即在每個突起192′的上表面上，并且第二接觸層132可設置在增益介質層120的下表面上。

在圖7B的半導體激光諧振器中，三個線形溝槽193形成在具有圓柱形狀的增益介質層120的上部中以彼此相交。六個突起193′可由三個線形溝槽193限定在增益介質層120的上部中。

圖8A和8B是根據(jù)另一個示范性實施例的半導體激光諧振器的透視圖。

在圖8A的半導體激光諧振器中，圓形溝槽194在具有圓柱形狀的增益介質層120的上部中形成至一定的深度。圓形溝槽194可位于增益介質層120的中心部分。圍繞圓形溝槽194的突起194′可由圓形溝槽194限定在增益介質層120的上部中。

在圖8B的半導體激光諧振器中，環(huán)形溝槽195在具有圓形形狀的增益介質層120的上部中形成至一定的深度。在此情況下，環(huán)形溝槽195可位于增益介質層120的中心部分。從環(huán)形溝槽195向外設置的第一突起195a′和從環(huán)形溝槽195向內(nèi)設置的第二突起195b′由環(huán)形溝槽195限定在增益介質層120的上部中。

圖9A和9B是根據(jù)另一個示范性實施例的半導體激光諧振器的透視圖。

在圖9A的半導體激光諧振器中，線形溝槽196a和圓形溝槽196b在具有圓柱形狀的增益介質層120的上部中形成至一定的深度。在此情況下，圓形溝槽196b可位于增益介質層120的中心部分，并且線形溝槽196a可連接到圓形溝槽196b。沿著增益介質層120的外邊緣環(huán)形地設置的多個突起196′可由線形溝槽196a和圓形溝槽196b限定在增益介質層120的上部中。盡管圖9A示出了其中形成多個線形溝槽196a的示例，但是可形成一個線形溝槽196a。

在圖9B的半導體激光諧振器中，線形溝槽197a和環(huán)形溝槽197b在具有圓柱形狀的增益介質層120的上部中形成至一定的深度。在此情況下，環(huán)形溝槽197b可位于增益介質層120的中心部分，并且線形溝槽197a可連接到環(huán)形溝槽197b。沿著增益介質層120的外邊緣環(huán)形地設置的多個第一突起197a′和提供在增益介質層120的中心部分的第二突起197b′可由線形溝槽197a和環(huán)形溝槽197b限定在增益介質層120的上部中。盡管圖9B示出了其中形成多個線形溝槽197a的示例，但是可形成一個線形溝槽197a。

盡管在上面描述的示范性實施例中描述了其中增益介質層120具有圓柱形狀的情形，但是增益介質層120的形狀可以被不同地改變。

圖10A至10C是根據(jù)另一個示范性實施例的半導體激光諧振器的透視圖。

在圖10A的半導體激光諧振器中，增益介質層220具有立方形狀。一個線形溝槽291在增益介質層220的上部中形成至一定的深度。兩個突起291′可由一個線形溝槽291限定在增益介質層220的上部中。第一接觸層231可設置在增益介質層220的上表面上，即在突起291′的上表面上，并且第二接觸層232可設置在增益介質層220的下表面上。

在圖10B的半導體激光諧振器中，彼此相交的兩個線形溝槽292在具有立方形狀的增益介質層220的上部中形成至一定的深度。四個突起292′可由四個線形溝槽292限定在增益介質層220的上部中。

在圖10C的半導體激光諧振器中，三個線形溝槽293在具有立方形狀的增益介質層220的上部中形成至一定的深度。在此情況下，兩個線形溝槽293可形成為彼此平行，并且一個線形溝槽293可形成為與兩個線形溝槽293相交。六個突起293′可由三個線形溝槽293限定在增益介質層220的上部中。

圖11A和11B是根據(jù)另一個示范性實施例的半導體激光諧振器的透視圖。

在圖11A的半導體激光諧振器中，矩形溝槽294在具有立方形狀的增益介質層220的上部中形成至一定的深度。在此情況下，矩形溝槽294可位于增益介質層220的中心部分，并且圍繞矩形溝槽294的突起294′可限定在增益介質層220的上部中。

在圖11B的半導體激光諧振器中，矩形環(huán)狀溝槽295可在具有立方形狀的增益介質層220的上部中形成至一定的深度。在此情況下，矩形環(huán)狀溝槽295可位于增益介質層220的中心部分。因此，從矩形環(huán)狀溝槽295向外設置的第一突起295a′和從矩形環(huán)狀溝槽295向內(nèi)設置的第二突起295b′可限定在增益介質層220的上部中。

圖12A和12B是根據(jù)另一個示范性實施例的半導體激光諧振器的透視圖。

在圖12A的半導體激光諧振器中，線形溝槽296a和矩形溝槽296b在具有立方形狀的增益介質層220的上部中形成至一定的深度。在此情況下，矩形溝槽296b可位于增益介質層220的中心部分，并且線形溝槽296a可連接到矩形溝槽296b。沿著增益介質層220的外邊緣環(huán)形地設置的多個突起296′可由線形溝槽296a和矩形溝槽296b限定在增益介質層220的上部中。盡管圖12A示出了其中形成多個線形溝槽296a的示例，但是可形成一個線形溝槽296a。

在圖12B的半導體激光諧振器中，線形溝槽297a和矩形環(huán)狀溝槽297b在具有立方形狀的增益介質層220的上部中形成至一定的深度。在此情況下，矩形環(huán)狀溝槽297b可位于增益介質層220的中心部分。線形溝槽297a可連接到矩形環(huán)狀溝槽297b。因此，沿著增益介質層220的外邊緣環(huán)形地設置的多個第一突起297a′和提供在增益介質層220的中心部分的第二突起297b′可限定在增益介質層220的上部中。盡管圖12B示出了其中形成多個線形溝槽297a的示例，但是可形成一個線形溝槽297a。

盡管在上面描述的示范性實施例中增益介質層具有圓柱形狀或矩形形狀，但是增益介質層的形狀可以被不同地改變。再者，諧振模式可通過不同地改變增益介質層中形成的溝槽的數(shù)量、長度、角度或形狀而被控制。例如，如果溝槽的數(shù)量是奇數(shù)或偶數(shù)，則可產(chǎn)生奇數(shù)的諧振模式或偶數(shù)的諧振模式。與其中沒有溝槽的情況相比，諧振模式的數(shù)量可減少到一半。再者，因為溝槽的結構被優(yōu)化到期望的波長和模式，所以模式選擇是可能的。再者，因為期望的諧振模式與不期望的諧振模式分離，可期待模式分離的效果。半導體激光諧振器的Q因數(shù)可以因諧振模式的限制效果而得到改善。

圖13A至13C示出了現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30的時域有限差分(FDTD)模擬模型結構。

圖13A是現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30被SiO₂層40和Ag層50圍繞的透視圖。圖13B示出了圖13A的結構的內(nèi)部。圖13C是沿著圖13B的線C-C′截取的截面圖。參見圖13A至13C，具有圓柱形狀的現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30被SiO₂層40圍繞，并且SiO₂層40被Ag層50圍繞。

圖14是圖13A至13C的半導體激光諧振器的內(nèi)部結構的截面圖。

參見圖14，用于模型化FDTD模擬的現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30可包括增益介質層20以及分別設置在增益介質層20的上表面和下表面上的第一和第二接觸層31和32。在此情況下，增益介質層20可包括有源層22以及分別設置在有源層22的上表面和下表面上的第一和第二外覆層21和23。折射率n₁為3.65的InGaAs用作有源層22，并且折射率n₂為3.4的p-AlGaAs和n-AlGaAs分別用作第一和第二外覆層21和23。盡管有源層22通常具有量子阱結構，但是為了模擬的目的而被簡化。折射率n₃為3.65的p-GaAs和n-GaAs用作第一和第二接觸層31和32。現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30的厚度和半徑分別為約0.276μm和0.4μm。SiO₂層40以約0.1μm的厚度圍繞現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30的外邊緣。

圖15是示出由圖13A至13C的現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30產(chǎn)生的橫向(TE)模式激光束的光譜的圖線。具體而言，圖15示出了根據(jù)TE模式激光束波長的電場的快速傅里葉變換(FFT)的振幅。圖16A至16G是示出由圖13A至13C的現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30產(chǎn)生的TE模式激光束的電場強度分布的圖像。具體而言，圖16A至16G示出了根據(jù)激光束的波長的電場強度分布。圖15和圖16A至16G示出了當磁偶極子設定為在圖13A至13C的現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30的z方向上時通過模擬獲得的結果。

參見圖15和圖16A至16G，TE諧振模式，例如，圖16A的0.625695μm波長、圖16B的0.681405μm波長、圖16C的0.803571μm波長、圖16D的0.951777μm波長、圖16E的0.967326μm波長、圖16F的1.12164μm波長和圖16G的1.34731μm波長可由圖13A至13C的現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30產(chǎn)生。在此情況下，TE諧振模式可表示橫向電場模式，其表示當電場垂直于電磁波的傳播方向產(chǎn)生時諧振器中的電磁場。參見圖15和圖16A至16G，可以看出，多個TE諧振模式產(chǎn)生在現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30中。如圖15所示，多個諧振模式隨著波長的減小而產(chǎn)生，并且諧振模式之間的間隔隨著波長的增大而增加。

圖17是示出由圖13A至圖13C的現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30產(chǎn)生的橫向(TM)模式激光束的光譜的圖線。圖17示出了當電偶極子設定在圖13A至13C的現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30中的z方向上時通過模擬獲得的結果。在此情況下，TM諧振模式可表示橫向磁諧振模式，其表示當磁場垂直于電磁波的傳播方向產(chǎn)生時諧振器中的電磁場。如圖17所示，多個TM諧振模式產(chǎn)生在現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30中。

這樣，因為多個諧振模式產(chǎn)生在圖13A至13C的現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30中，所以難以在多個諧振模式當中選擇期望波長的諧振模式。

圖18A至18D示出了根據(jù)示范性實施例的半導體激光諧振器330的FDTD模擬模型結構。

圖18A是根據(jù)示范性實施例的由SiO₂層340和Ag層350圍繞的半導體激光諧振器330的透視圖。圖18B示出了圖18A的結構的內(nèi)部。圖18C是沿著圖18B的線C-C′截取的截面圖。圖18D是沿著圖18B的線D-D′截取的截面圖。參見圖18A至18D，半導體激光諧振器330具有圓柱形狀，并且一個溝槽391形成在半導體激光諧振器330的上部中。半導體激光諧振器330由SiO₂層340圍繞，并且SiO₂層340由Ag層350圍繞。

圖19是圖18A至18D的半導體激光諧振器330的內(nèi)部結構的截面圖。圖19的截面圖與圖14的相同，除了溝槽391形成在半導體激光諧振器330的上部中外。

參見圖19，半導體激光諧振器330可包括增益介質層320以及分別設置在增益介質層320的上表面和下表面上的第一和第二接觸層331和332。在此情況下，增益介質層320可包括有源層322以及分別設置在有源層322的上表面和下表面上的第一和第二外覆層321和323。線形溝槽391在半導體激光諧振器330的上部中形成至一定的深度d。溝槽391填充有SiO₂層340。

圖20是示出由圖18A至18D的半導體激光諧振器330產(chǎn)生的TE模式激光束的光譜的圖線。具體而言，圖20示出了根據(jù)TE模式激光束波長的電場的FFT振幅。圖21A至21D是示出由圖18A至18D的半導體激光諧振器330產(chǎn)生的TE模式激光束的電場強度分布的圖線。具體而言，圖21A至21D示出了根據(jù)激光束波長的電場強度分布。圖20和圖21A至21D示出了當溝槽391的深度d設定為0.138μm且磁偶極子設定在圖18A至18D的半導體激光諧振器330中的z方向上時通過模擬獲得的結果。

參見圖20和圖21A至21D，TE諧振模式，例如，圖21A的0.674056μm波長、圖21B的0.796742μm波長、圖21C的0.960717μm波長和圖21D的1.10511μm波長可由包括圖18A至18D的溝槽391的半導體激光諧振器330產(chǎn)生。這樣，在包括溝槽391的半導體激光諧振器330中，與圖13至圖13C的現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30相比改變了諧振模式。例如，諧振波長或諧振強度可改變，并且在某些情況下，具體的諧振模式可消除。這是因為圖18A至18D的半導體激光諧振器330包括溝槽391而消除了偶數(shù)諧振模式。再者，諧振模式由于邊界條件的改變而由溝槽391改變。

具體而言，當圖15和圖20彼此比較時，因為由圖13A至13C的現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30產(chǎn)生的1.34731μm波長的TE諧振模式、0.951777μm波長的TE諧振模式和0.625695μm波長的TE諧振模式不適合于溝槽結構，所以這些TE諧振模式從圖18A至18D的半導體激光諧振器330消除。由現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30產(chǎn)生的1.12164μm波長的TE諧振模式輕微移動為具有圖18A至18D的半導體激光諧振器330中的1.10511μm的諧振波長，并且光譜的振幅增加了。這樣，因為溝槽391形成在半導體激光諧振器330中，所以可改變諧振特性。因此，可去除不期望的相鄰諧振模式而僅留下期望的諧振模式，或者不期望的相鄰諧振模式可以與期望的諧振模式分離。

圖22是示出由圖18A至18D的半導體激光諧振器330產(chǎn)生的TE模式激光束的光譜的圖線。具體而言，圖22示出了在圖18A至18D的半導體激光諧振器330中當溝槽391的深度d設定為0.06μm時通過模擬獲得的結果。

圖22的TE模式激光束的光譜與圖20的TE模式激光束的光譜在波長或TE諧振模式的量上不同。該差別的產(chǎn)生是因為圖18A至18D的半導體激光諧振器330中的溝槽391的深度從0.138μm改變到0.06μm。這樣，TE諧振模式可通過在圖18A至18D的半導體激光諧振器330中改變溝槽391的深度而調整。

圖23A和23B是示出由圖18A至18D的半導體激光諧振器330產(chǎn)生的TM模式激光束的光譜的圖線。圖23A示出了在圖18A至18D的半導體激光諧振器330中當溝槽391的深度d設定為0.138μm且電偶極子設定在z方向上時通過模擬獲得的結果。圖23B示出了在圖18A至18D的半導體激光諧振器330中當溝槽391的深度d設定為0.06μm且電偶極子設定在z方向上時通過模擬獲得的結果。

當圖17和圖23A彼此比較時，在由現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30產(chǎn)生的TM諧振模式和由圖18A至18D的半導體激光諧振器330產(chǎn)生的TM諧振模式中，盡管波長上改變不大，但是光譜的振幅被改變。再者，當圖23A和23B彼此比較時，在圖18A至18D的半導體激光諧振器330中，TM諧振模式和光譜的量隨著溝槽391的深度d的改變而改變。

圖24A至24D示出了根據(jù)另一個示范性實施例的半導體激光諧振器的FDTD模擬模型結構。

圖24A是根據(jù)另一個示范性實施例的由SiO₂層440和Ag層450圍繞的半導體激光諧振器430的透視圖。圖24B示出了圖24A的內(nèi)部結構。圖24C是沿著圖24B的線C-C′截取的截面圖。圖24D是沿著圖24B的線D-D′截取的截面圖。參見圖24A至24D，彼此相交的兩個線形溝槽491形成在具有圓柱形狀的半導體激光諧振器430的上部中。半導體激光諧振器430由SiO₂層440圍繞，并且SiO₂層440由Ag層450圍繞。圖24A至24D的半導體激光諧振器430的截面與圖19的半導體激光諧振器330的截面相同，除了兩個溝槽491形成在半導體激光諧振器430的上部中之外。

圖25是示出由圖24A至24D的半導體激光諧振器430產(chǎn)生的TE模式激光束的光譜的圖線。具體而言，圖25示出了根據(jù)TE模式激光束的波長的電場的FFT振幅。圖26A至26F是示出由圖24A至24D的半導體激光諧振器430產(chǎn)生的TE模式激光束的電場強度分布的圖像。具體而言，圖26A至26F示出了根據(jù)激光束的波長的電場強度分布。圖25和圖26A至26F示出了在圖24A至24D的半導體激光諧振器430中當每個溝槽491的深度設定為0.138μm且磁偶極子設定在z方向上時通過模擬獲得的結果。

參見圖25和圖26A至26F，TE諧振模式，例如，圖26A的0.616438μm波長、圖26B的0.665287μm波長、圖26C的0.72208μm波長、圖26D的0.947767μm波長、圖26E的1.06032μm波長和圖26F的1.29162μm波長，可由圖24A至24D的半導體激光諧振器430產(chǎn)生。這樣，與包括一個溝槽391的半導體激光諧振器330相比，在包括兩個溝槽491的半導體激光諧振器430中更為嚴重地發(fā)生TE諧振模式的改變。換言之，TE諧振模式的波長可能嚴重移動，并且可產(chǎn)生新的TE諧振模式，例如在現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30中不曾產(chǎn)生的1.06032μm波長的諧振模式。與其它諧振模式相比，0.947767μm波長的TE諧振模式在諧振模式上具有很少的改變。這表明0.947767μm波長的TE諧振模式的諧振特性不太受兩個溝槽491的深度改變的影響。這樣，在包括兩個溝槽491的半導體激光諧振器430中，可以容易地選擇期望的TE諧振模式，并且不期望的相鄰TE諧振模式可被去除或者可與期望的TE諧振模式分離。

圖27是示出由圖24A至24D的半導體激光諧振器430產(chǎn)生的TE模式激光束的光譜的圖線。具體而言，圖27示出了在圖24A至24D的半導體激光諧振器430中當每個溝槽491的深度設定為0.06μm時通過模擬獲得的結果。

圖27的TE模式激光束與圖25的TE模式激光束的光譜在TE諧振模式的波長和振幅上不同。該差別的產(chǎn)生是因為圖24A至24D的半導體激光諧振器430中的每個溝槽491的深度從0.138μm改變到0.06μm。這樣，TE諧振模式可通過在圖24A至24D的半導體激光諧振器430中改變每個溝槽491的深度而調整。

圖28A和28B是示出由圖24A至24D的半導體激光諧振器430產(chǎn)生的TM模式激光束的光譜的圖線。圖28A示出了在圖24A至24D的半導體激光諧振器430中當每個溝槽491的深度設定為0.138μm且電偶極子設定在z方向上時通過模擬獲得的結果。圖28B示出了在圖24A至24D的半導體激光諧振器430中當每個溝槽491的深度設定為0.06μm且電偶極子設定在z方向上時通過模擬獲得的結果。

當圖17和圖28A彼此比較時，由現(xiàn)有技術的半導體激光諧振器30產(chǎn)生的TM諧振模式與由包括圖24A至24D的兩個溝槽491的半導體激光諧振器430產(chǎn)生的TM諧振模式在諧振模式的光譜的波長和振幅上不同。再者，當圖28A和圖28B彼此比較時，TM諧振模式和光譜的振幅可通過在圖24A至24D的半導體激光諧振器430中改變兩個溝槽491的每一個的深度而改變。

如上面所描述，因為至少一個溝槽形成在半導體激光諧振器的上部中，所以從增益介質層產(chǎn)生的激光束可以在由溝槽限定的突起中被限制為駐波。在此情況下，諧振模式可通過改變溝槽的數(shù)量、長度、角度或形狀而調整。因為溝槽的結構優(yōu)化為期望的波長和模式，所以模式選擇是可能的，并且因此可通過分離期望的諧振模式與不期望的諧振模式而預見模式選擇的效果。再者，半導體激光諧振器的Q因數(shù)可由諧振模式限制效果而得到改善。

根據(jù)上面描述的示范性實施例，因為至少一個溝槽形成在納米尺寸或微米尺寸的半導體激光諧振器中的增益介質層的上部中，所以從增益介質層產(chǎn)生的激光束可以在由溝槽限定的至少一個突起中被限制為駐波。因此，半導體激光諧振器可以在期望的諧振模式下以期望的波長運行。再者，諧振模式可通過去除不期望的諧振模式或者分離期望的諧振模式與不期望的相鄰諧振模式而被選擇性地分離。再者，可以僅加強期望的諧振模式的強度。TE諧振模式或TM諧振模式可通過調整增益介質層中形成的溝槽的形狀、數(shù)量、長度、方向或角度而調整。從增益介質層產(chǎn)生的激光束可通過在增益介質層外提供金屬層或介電層而被有效地限制，金屬層或介電層的折射率與增益介質層的折射率不同。包括溝槽的納米級半導體激光諧振器可采用精細的圖案化而制造，例如，電子束光刻、聚焦離子束(FIB)或KrF型光刻。

如上面所描述，容易控制諧振模式的半導體激光諧振器可用于各種領域。例如，超快、低功耗和緊湊芯片上光子集成電路(IC)可通過在納米激光諧振器中實現(xiàn)光源而制造。再者，如果納米激光諧振器用作光信號傳輸裝置，則可實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。再者，能以高速度傳輸信號且解決加熱問題的光學硅通孔(TSV)可得以實施。納米激光諧振器可用作高精度、高速度的光學時鐘源，以與互補金屬氧化物半導體(CMOS)相兼容。

應理解，這里描述的示范性實施例應看作僅為描述的意思而不是用于限制的目的。每個示范性實施例內(nèi)的特征或方面的描述應典型地看作適合于其它示范性實施例中的其它類似的特征或方面。

盡管已經(jīng)參考附圖描述了一個或多個示范性實施例，但是本領域的普通技術人員應理解，在不脫離如所述權利要求限定的精神和范圍的情況下這里可進行形式和細節(jié)上的各種改變。

本申請要求于2015年9月30在韓國知識產(chǎn)權局提交的韓國專利申請第10-2015-0138004號的權益，其內(nèi)容通過全文引用結合于此。