本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光柵輔助的基于TM模式的微柱腔面發(fā)射激光器。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展推動著光電子器件向著微型化、高密度集成、低功耗的方向發(fā)展。長波長面發(fā)射激光器廣泛應(yīng)用在光通信和局域網(wǎng)中的光源，其在寬帶寬、高調(diào)制速率、小體積、高密度集成、高光交互容量以及低功耗方面面臨巨大提升需求。

微柱或微環(huán)腔具有高品質(zhì)因子的回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM)，因為WGM是通過光場在微腔圓弧的外邊緣的全反射來實現(xiàn)光場的強限制的，所以WGM模式構(gòu)成的激光器諧振腔具有非常高的品質(zhì)因子。WGM構(gòu)成的腔較容易形成小體積、低閾值的激光器(SL McCall，et al.,"Whispering-gallery mode microdisk lasers,"Appl.Phys.Lett.60,289.1992.)、(M.Fuj ita,et al.,"Continuous wave lasing in GaInAsPmicrodisk injection laser with threshold current ofμA,"Electron.Lett.,vol.36,no.9,Apr.2000.)。但由于其圓對稱性，因此很難形成定向輸出。

對于采用壓應(yīng)變量子阱材料、以TE模式為激射模式的光柵輔助的微柱腔面發(fā)射激光器，已有專利進行說明(專利申請?zhí)?01610031840.3)。通常情況下，微柱腔的上下蓋層與芯層的折射率差比較小，光場在垂直方向的限制為弱限制。這種情況下TE模式只有當(dāng)微柱的半徑大于一定的臨界值時才能保持高的品質(zhì)因子。一般來說微柱激光器(光通信波長的激光器)半徑只有大于5微米才能形成激射(M.Arzberger,et al.,“Continuous room-temperature operation of electrically pumped quantum-dot microcylinder lasers,”Appl.Phys.Lett.,vol.79,pp.1766–1768,2001.)。而TM模式的激光器就不會有這種限制，TM的回音壁模式即使在微柱腔的半徑只有波長量級時也能有高的品質(zhì)因子(Y.D.Yang,et al.,"High-Q TM whispering-gallery modes in three-dimensional microcylinders,"Phys.Rev.A,vol.75,p.013817,2007.)。因此采用TM模式工作的光柵輔助的微柱腔面發(fā)射激光器將能采用波長量級的半徑，這樣腔的體積將能大大減小，腔體積的減小意味著閾值電流的減小以及調(diào)制帶寬的提高。因此本發(fā)明提出的光柵輔助的基于TM模式的微柱腔面發(fā)射激光器將會有很大的應(yīng)用前景。

技術(shù)內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出一種光柵輔助的基于TM模式的微柱腔面發(fā)射激光器，以克服上述缺陷和不足。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的光柵輔助的基于TM模式的微柱腔面發(fā)射激光器，所述激光器的諧振腔為微柱腔，所述微柱腔具有一定形狀，該形狀能支持回音壁模式作為激光器的諧振模式；所述微柱腔的外徑最小為激光器激射波長量級；

所述微柱腔包括歐姆接觸層、光柵層、上蓋層、有源區(qū)；

所述歐姆接觸層連接所述微柱腔的頂部中央，其外沿位于所述微柱腔外沿之內(nèi)，用于避免給激光器的工作模式造成額外損耗；

所述光柵層位于所述微柱腔的頂部外沿，所述光柵層上設(shè)有光柵，所述光柵層通過光柵對光場的散射形成激光器垂直方向的輸出；所述光柵的周期數(shù)M等于所述微柱腔所支持的回音壁模式的角量子數(shù)m；這樣，光柵層的光柵等同于直波導(dǎo)下的二階光柵，同時具有激光器的選模光柵和輸出光柵的功能。

所述上蓋層位于所述光柵層下方，用來控制所述光柵層與回音壁模式作用的大小，從而控制激光器輸出的大??；

所述有源區(qū)位于所述上蓋層下方，用來給所述激光器提供增益，所述有源區(qū)采用張應(yīng)變的量子阱材料，使激光器的工作模式為TM模式即其主要磁場平行于有源區(qū)平面；

所述下蓋層鄰接所述有源區(qū)下部；所述下蓋層位于襯底之上。

優(yōu)化的，在所述歐姆接觸層下方的特定區(qū)域形成高阻區(qū)；所述高阻區(qū)包括所述有源區(qū)上方緊鄰所述有源區(qū)的部分所述上蓋層、所述有源區(qū)，以及所述有源區(qū)下方的緊鄰所述有源區(qū)的部分所述下蓋層。高阻區(qū)將使得注入電流只能從腔體的外邊緣注入有源區(qū)，這樣注入的載流子能最大程度地與回音壁模式作用，從而提高激光器的電流注入效率并且抑制激光器諧振腔的徑向高階模式。

優(yōu)選的，在所述光柵層的上面或有源區(qū)的下面添加反射鏡，將所述光柵垂直雙向輸出轉(zhuǎn)變成單向垂直輸出，并且輸出的大小可以通過光柵層和其上面添加的反射鏡之間或有源區(qū)和其下面的反射鏡之間的間隔層的厚度來控制。

可選的，所述光柵的形狀不限，例如矩形光柵、梯形光柵、三角形光柵、正弦光柵等。

可選的，所述微柱的截面形狀為圓形、多邊形或圓環(huán)形等支持回音壁模式的形狀。相比在先專利-光柵輔助的微柱腔面發(fā)射激光器(基于TE模式的)(專利申請?zhí)?01610031840.3)，該光柵輔助的基于TM模式的微柱腔面發(fā)射激光器制作簡化很多，可以不用在微柱側(cè)面刻蝕光柵或缺陷而只靠一種淺刻蝕二階光柵就可以選出合適的模式并對其進行有效輸出。另外，由于該激光器可以實現(xiàn)波長量級的半徑大小，因此有很低的閾值電流和超高的直調(diào)制帶寬。本發(fā)明的激光器方案具有體積小、檢測方便、低成本、易于集成二維陣列、良好的單模特性、閾值電流低、輸出光易于與光纖耦合、可以在不同的材料體系上實現(xiàn)、制作簡便等諸多優(yōu)點。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步具體說明。

圖1是本發(fā)明激光器的具體實施方式的外觀示意圖。

圖2是帶有特制高阻區(qū)的具體實施方式的剖面示意圖。

圖3是回音壁模式的各個電、磁場分量沿徑向方向的分布圖。

圖4是帶光柵的微柱腔的對稱面平面示意圖。

圖5是數(shù)值模擬的激光器整體結(jié)構(gòu)帶有具體尺寸的剖面示意圖。

圖6是光柵作用于微柱腔的情況下的M附近幾個角量子數(shù)對應(yīng)的對稱和反對稱模式的品質(zhì)因子的關(guān)系圖。

圖7(a)是m＝M＝26的對稱、反對稱模式對應(yīng)的光柵上方的輸出近場磁場圖。

圖7(b)是m＝M＝26的對稱、反對稱模式對應(yīng)的光柵上方的輸出近場電場圖。

圖8是光柵占空比為0.5時M附近幾個角量子數(shù)對應(yīng)模式的品質(zhì)因子隨上蓋層厚度的變化關(guān)系圖。

圖9是上蓋層厚度為0.2μm時M附近幾個角量子數(shù)對應(yīng)模式的品質(zhì)因子隨光柵占空比的變化關(guān)系圖。

圖10是由瞬態(tài)多模速率方程所得到的載流子密度和光子數(shù)隨時間的變化關(guān)系圖。

圖11是由瞬態(tài)多模速率方程所得到的LI曲線關(guān)系圖。

圖12是對瞬態(tài)多模速率方程求解得到的小信號調(diào)制特性曲線圖。

具體實施方式

下面是本發(fā)明的提出光柵輔助的基于TM模式的微柱腔面發(fā)射激光器。激光器的示意圖如圖1所示。

激光器的諧振腔為微柱腔，微柱腔具有一定形狀，該形狀能支持回音壁模式作為激光器的諧振模式；微柱腔包括歐姆接觸層1、光柵層6、上蓋層2、有源區(qū)3，有源區(qū)域3通常包括量子阱區(qū)域以及上、下光限制層。激光器的歐姆接觸層1連接微柱的頂部中央，其外沿位于微柱腔外沿之內(nèi)，用于避免給激光器的工作模式造成額外損耗；

光柵層6位于微柱腔的頂部外沿，光柵層6上設(shè)有光柵，光柵層通過光柵對光場的散射形成激光器垂直方向的輸出；光柵的周期數(shù)M等于所述微柱腔所支持的回音壁模式的角量子數(shù)m。這樣，光柵層的光柵等同于直波導(dǎo)下的二階光柵，同時具有激光器的選模光柵和輸出光柵的功能。

上蓋層2位于光柵層6下方，用來控制所述光柵層與回音壁模式作用的大小，從而控制激光器輸出的大??；

所述有源區(qū)位于所述上蓋層下方，用來給所述激光器提供增益，所述有源區(qū)采用張應(yīng)變的量子阱材料，使激光器的工作模式為TM模式即其主要磁場平行于有源區(qū)平面；

下蓋層4鄰接所述有源區(qū)3下部；所述下蓋層4位于襯底5之上；

微柱腔的外徑可以為激光器激射波長量級，微柱腔的品質(zhì)因子仍然大于5000。

這里的光柵是通過刻蝕半導(dǎo)體材料或電介質(zhì)材料形成的折射率光柵。為使光柵與微柱腔的WG模式有效作用，光柵層與有源區(qū)域的間距即上蓋層－圖1中結(jié)構(gòu)2的厚度，一般控制的比較薄，比如說0.2微米左右。光柵刻蝕深度比較小，比如0.2微米左右。所以這種表面光柵的制作比通常的基于表面光柵的分布反饋激光器的表面光柵要容易很多(R.M.Lammert,et al.,"InGaAsP-InP ridge-waveguide DBR lasers with first-order surface gratings fabricated using CAIBE,"IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.9,no.11,pp.1445-1447,Nov.1997.)。P電極將做在歐姆接觸層的上面，歐姆接觸層以及電極層的半徑需要控制，以避免這兩層與WG模式重疊，從而避免他們對WG模式造成損耗。如果是簡單的這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)電流注入時大部分載流子將注入到微柱的中心區(qū)域，與WG模式只有很小的重合，這樣整個激光器的注入效率就會非常低，而且也會給激光器造成非常多的模式，尤其是高階徑向模式。

為克服這個困難，在歐姆接觸層下面的特定區(qū)域形成一個高阻區(qū)，如圖2所示，高阻區(qū)位于歐姆接觸層下方的投影內(nèi)特定區(qū)域。圖2代表激光器在垂直方面的剖面示意圖，圖中1代表歐姆接觸層，2代表上蓋層，3代表有源區(qū)域，通常包括量子阱區(qū)域以及上下光限制層，4代表下蓋層，5代表襯底，6代表光柵層，7代表光柵區(qū)，8代表上面所說的高阻區(qū)域，9代表電流的路徑。圖2所代表的結(jié)構(gòu)可以是一個PIN結(jié)構(gòu)，其中歐姆接觸層、光柵層、以及上蓋層都是P摻雜層，有源層是不摻雜的，下蓋層是N摻雜層，襯底是N摻雜的或半絕緣的。也可以做成NIP結(jié)構(gòu)，上蓋層N摻雜，電子遷移率高，這樣歐姆接觸層、光柵層、上蓋層都是N摻雜的，有源區(qū)不摻雜，下蓋層是P摻雜的，下蓋層的下面有重?fù)诫s的P型歐姆接觸層，襯底仍然是N摻雜的或半絕緣的。高阻區(qū)的形成方式高阻區(qū)的形成方式包括：通過離子注入的方法形成該高阻區(qū)。該高阻區(qū)將使得注入電流只能從腔體的邊緣注入有源區(qū)，這樣注入的載流子能最大程度地與回音壁模式作用，從而提高激光器的電流注入效率并且抑制激光器諧振腔的徑向高階模式?；蛘?，在所述上蓋層中靠近有源層的地方插入一與上蓋層摻雜類型相反的薄層，在該薄層靠近所述微柱側(cè)邊的地方摻雜濃度高形成隧道結(jié)，在靠近中心的地方摻雜濃度低形成反向PN結(jié)，電流不能通過，這樣，該高阻區(qū)將使得注入電流只能從腔體的外邊緣注入有源區(qū)，這樣注入的載流子能最大程度地與回音壁模式作用，從而提高激光器的電流注入效率并且抑制激光器諧振腔的徑向高階模式。

除了截面為圓形的微柱腔，光柵輔助的基于TM模式的微柱腔面發(fā)射激光器的腔體也可以采用類似微柱的結(jié)構(gòu)，包括截面為正多邊形、圓環(huán)形等形狀，只要支持高品質(zhì)因子的回音壁模式就滿足要求。

微柱腔的TM WGM模式的主要電磁場分量是垂直方向的電場(z方向)以及徑向(r方向)和切向(方向)的磁場。其中垂直方向的電場以及徑向和切向的磁場等場分量可簡單近似表達為

其中E_z代表垂直方向的電場分量，H_r代表徑向的磁場分量，代表切向的磁場分量；場分量對z的依賴關(guān)系h(z)主要取決于腔體區(qū)域的垂直方向的折射率分布；對的依賴關(guān)系可表達為m為標(biāo)記WGM的角量子數(shù)；WGM是二重完全簡并的，分別對應(yīng)逆時針和順時針傳播的場(分別對應(yīng)上式中的正負(fù)號)；場分量對r的依賴有很大不同，用三維時域有限差分法(3D-FDTD)計算了電場和磁場的各分量沿徑向方向的典型分布，如圖3所示，其中模擬的微柱腔的半徑為2μm，芯層和上、下蓋層折射率分別為3.33和3.2，周圍覆蓋材料的折射率為1.5。選取TM模式的波長為1.31μm附近的角量子數(shù)為26的WGM模式?？梢钥吹紿_r是主要的磁場分量，是次要的磁場分量，E_z是主要的電場分量。由于基于TM模式的激光器，腔中有源區(qū)主要的電磁分量是H_r、和E_z，因此在后面分析光柵的作用時我們主要分析H_r和

電場和磁場關(guān)于腔體的某個對稱面的對稱性是相反的，這里的電場和磁場是指的電矢量和磁矢量。比如位于垂直方向波導(dǎo)芯區(qū)中心的平面近似是整個微柱腔體結(jié)構(gòu)的對稱面，TM模式關(guān)于這個對稱面磁場是對稱的，電場是反對稱的。這一點可以從圖3的分布中看出，其中H_r和是對稱分布的，E_z的矢量是反對稱的，但考慮到E_z的方向性，E_z的分布仍然是對稱的。下面在敘述對稱性時，指的是磁場矢量的對稱性。m是WGM模式在方向上的周期數(shù)，也是用于描述WGM的角量子數(shù)。光柵的周期數(shù)是M，等于WGM模式的角量子數(shù)，所以這種光柵近似于傳統(tǒng)直波導(dǎo)意義上的二階光柵。WGM模式被光柵散射，形成垂直方向的向上和向下的輸出場。

下面將著重描述向上的輸出場，向下的輸出場是類似的。實際上通過在上面或下面加反射鏡面，最后可以形成單一方向的輸出場。光柵上方并靠近光柵的輸出場是向上輸出的近場，可簡化表達為

其中A，B系數(shù)分別決定于WGM的H_r和分量與光柵耦合的大小。兩個完全簡并的WGM分別有自己對應(yīng)的輸出。徑向輸出磁場要大于切向輸出磁場，光柵會導(dǎo)致原來完全簡并的兩個WGM模式的重新組合。由于M個周期的光柵的對稱性和M邊的正多變形相同(每個周期相當(dāng)于正多邊形的一個邊)，通過光柵的一個齒的中心以及圓心的軸線與z軸形成了帶光柵的微柱的對稱面，見圖4。

新的腔模式的分布關(guān)于這個對稱面具有對稱性和反對稱的特性，它們將由原來的WGM組合而成，

其中上標(biāo)e表示對稱模式(磁場對稱)，o表示反對稱模式。所以對于對稱模式，磁場分布H_r是對稱的，又因為垂直于對稱面，其分布是反對稱的。輸出磁場也要進行相應(yīng)的組合為

當(dāng)m等于M的時候，反對稱模式的徑向輸出場為0，即切向輸出場達到最大對稱模式的徑向輸出場達到最大而切向輸出場為由于WGM模式的徑向磁場大于切向磁場，這導(dǎo)致對稱模式的輸出要大于反對稱模式，因此對稱模式的品質(zhì)因子小于反對稱模式。所以當(dāng)光柵周期數(shù)等于WGM的角量子數(shù)時，原來完全簡并的兩個模式發(fā)生分裂，這一點也是由正多變形的對稱性決定的(Y.D.Yang,et al.,"Symmetry analysis and numerical simulation of mode characteristics for equilateral-polygonal optical microresonators,"Phys.Review A,vol.76,no.2,pp.023822,2007.)。

當(dāng)m不等于M時，新的兩個模式將仍然是完全簡并的，并且輸出場將同時包含徑向場和切向場，但主要是徑向場。簡單考慮對稱模式的徑向場，由于主要的徑向輸出場不存在完全的干涉相消和干涉相長，這意味著它們的品質(zhì)因子將介于簡并分裂的兩個模式的品質(zhì)因子之間。如果考慮輸出功率并且在方向上積分，可以發(fā)現(xiàn)和m＝M的情況相比，其他模式的垂直方向的輸出功率減小了一半。然而此時切向也有一定量的輸出，這意味著m≠M的情況下，兩個仍然簡并的模式的品質(zhì)因子稍小于m等于M情況下的對稱模式的2倍，但仍然遠小于m等于M情況下的反對稱模式。

所以光柵加在微柱腔頂上后，如前面描述角量子數(shù)等于光柵周期數(shù)對應(yīng)的反對稱模式將會具有最高的品質(zhì)因子，其向上輸出的散射磁場主要為

在激光器中，品質(zhì)因子最高的模式往往會成為激射模式。微柱腔在光柵的作用下，最后激射的模式將是m等于M情況下的反對稱模式。反對稱模式輸出的是切向的磁場，徑向的電場，由之后計算的輸出場分布可知該模式的輸出是理想的輸出場。

通過數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)占空比會影響輸出場中徑向場和切向場所占的比重，也就是上面公式中的A、B系數(shù)。當(dāng)占空比比較小時會有更多的是切向場被散射，反之當(dāng)占空比比較大時，會有更多的徑向場被散射。由于m＝M時，對于反對稱模式其徑向場的輸出是干涉相消的，但切向場是干涉增強的，所以如果散射的切向場增加、徑向場減小，那么反對稱模式的品質(zhì)因子是減小的。也就是說當(dāng)光柵占空比減小時，反對稱模式的品質(zhì)因子減小，對稱模式的品質(zhì)因子增加，光柵是選模效果變?nèi)?。在模擬中觀察到這一點。因此為利于激光器的單模激射，通過模擬所取占空比大于0.3。對于激光器激射模式來說，其品質(zhì)因子除了依賴占空比以外，還依賴光柵的刻蝕深度或者說光柵層與有源層之間的間隔層的厚度。實際當(dāng)中可以通過控制間隔層的厚度來控制對稱模式的品質(zhì)因子。

微柱腔中光柵輸出類似直波導(dǎo)中二階光柵，既向上散射輸出，又向下散射輸出。在上面的介紹中，著重介紹了向上的輸出。對激光器而言，希望激光器是單向輸出的，要么完全向上輸出，要么完全向下輸出。在光柵輔助的基于TM模式的微柱腔面發(fā)射激光器的情況，也可以采用類似Fabry-Perot(FP)腔激光器一端鍍增反膜來實現(xiàn)單向輸出的方法，同前述專利(專利申請?zhí)?01610031840.3)類似。

下面介紹一個光柵輔助的基于TM模式的微柱腔面發(fā)射激光器的例子。用時域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)方法對其進行完整的數(shù)值模擬。具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示：微柱腔體的外半徑為2μm；歐姆接觸層圓盤半徑為1μm，厚度為0.1μm；上、下蓋層為InP材料，厚度分別為0.2μm和3μm；襯底為InP材料；有源區(qū)包括多量子阱層和上下光限制層，等效折射率為3.33，厚度為0.34μm。歐姆接觸層下面的有源區(qū)域由于沒有電流注入，為其折射率添加了虛部以模擬對應(yīng)的吸收損耗以及離子注入所造成的額外損耗。整個結(jié)構(gòu)的覆蓋材料的折射率假定為1.5?？紤]波長在1.31μm附近的WGM，其角量子數(shù)在26附近，光柵的周期數(shù)M取為26，光柵的刻蝕深度假定為0.2μm，光柵長度為1μm。具體長度以及折射率參數(shù)等都標(biāo)識在垂直方向的截面示意圖5中。

首先考慮基于光柵的微柱腔的一般情況。假定上蓋層的厚度為0.2μm，光柵的占空比為0.5。圖6顯示的是M附近各角量子數(shù)所對應(yīng)的對稱和反對稱模式的品質(zhì)因子。因為該微柱腔半徑很小，縱模間隔很大約為7.6THz(45nm),因此只給出與角量子數(shù)26相鄰兩個模式的品質(zhì)因子?？梢钥吹浇橇孔訑?shù)為26(m＝M的情況)的兩個模式發(fā)生分裂，反對稱模式的品質(zhì)因子變大，對稱模式的品質(zhì)因子變小。其他相鄰模式仍然保持簡并，即對稱和反對稱的模式仍然具有幾乎相同的品質(zhì)因子。這些模式的品質(zhì)因子介于26分裂的兩個模式的品質(zhì)因子之間，且品質(zhì)因子大約為26對稱模式品質(zhì)因子的1.5倍，這個和我們前面的簡單估計是吻合的。

對于26(m＝M)的對稱模式和反對稱模式在光柵上方輸出場的近場磁場圖如圖7(a)所示。圖中，左右兩列分別對應(yīng)為對稱模式和反對稱模式的輸出磁場分量。從上往下分別為總的磁場強度H、磁場分量H_x、磁場分量H_y。對稱模式輸出場主要是徑向場，而反對稱模式的輸出場主要是切向場。輸出磁場為m＝M的反對稱模式，輸出場是圓對稱的。與輸出磁場相對應(yīng)的輸出近場電場如圖7(b)中所示，從上往下分別為總的電場強度E、電場分量E_x、電場分量E_y。由圖中看出，反對稱模式對應(yīng)的輸出場為理想輸出場(光柵正上方就是輸出光場最大處)。

接著分析上蓋層厚度對模式品質(zhì)因子的影響。考察角量子數(shù)m分別為25(M-1)，26(M)，27(M+1)模式的品質(zhì)因子，這時頂上光柵的占空比為0.5。由于25、27所對應(yīng)的對稱和反對稱模式是完全簡并的，所以下面只顯示了對稱模式的結(jié)果。26所對應(yīng)的兩個模式發(fā)生了簡并分裂，所以分別對其進行了計算，結(jié)果如圖8所示?？梢钥吹礁鱾€模式的品質(zhì)因子對上蓋層的厚度有指數(shù)依賴關(guān)系，實際中可以通過控制上蓋層的厚度來控制模式的品質(zhì)因子。對于輸出的模式可以控制其輸出功率的大小。

同時還分析了光柵占空比對模式品質(zhì)因子的影響。考察角量子數(shù)m分別為25(M-1)，26(M)，27(M+1)模式的品質(zhì)因子，這時上蓋層的厚度固定在0.2μm，結(jié)果如圖9所示?？梢钥吹?6所對應(yīng)的反對稱模式的品質(zhì)因子隨著占空比的減小而減小，而26所對應(yīng)的對稱模式的品質(zhì)因子則隨之增加。一是因為當(dāng)占空比減小后，切向場散射增加了，徑向場散射減小了，這樣反對稱模式的品質(zhì)因子減小了，對稱模式的品質(zhì)因子增加了。但當(dāng)占空比小于0.3以后，或者大于0.7以后所有模式的品質(zhì)因子都增加了，這主要是光柵的散射作用減弱了，也就是說這時再減小或增加占空比和增加上蓋層的厚度有類似的作用。

光柵占空比大于0.3的時候，高品質(zhì)因子的模式均為反對稱模式，且由以上分析可知反對稱模式在微柱腔頂上輸出的切向場為理想輸出。這樣微柱腔中光柵不僅可以有效選模還可以有理想輸出場，這樣有高品質(zhì)因子的模式即角量子數(shù)為26的反對稱模式成為激光器激射的模式，并且使之有理想的輸出，為切向偏振的磁場，徑向偏振的電場。

為進一步分析激光器的特性，通過求解瞬態(tài)的多模速率方程對該激光器進行簡單模擬，并分析其激射和調(diào)制特性。多模速率方程為：

$\frac{{\mathrm{dP}}_i}{dt}={\mathrm{\β}}_i{\mathrm{BN}}^2{V}_e-\frac{c}{n_g}{\mathrm{\α}}_i{P}_i+\frac{c}{n_g}{g}_i{P}_i$

$\frac{dN}{dt}=\frac{\mathrm{\η}I}{{\mathrm{eV}}_e}-\frac{4v_{s}N}{D}-AN-{\mathrm{BN}}^2-{\mathrm{CN}}^3-\frac{1}{V_e}\underset{i}{\Σ}\frac{c}{n_g}{g}_i{P}_i$

其中P_i為第i個模式的光子數(shù)，N為有源區(qū)載流子濃度，t為時間，β_i為第i個模式的自發(fā)輻射因子，D是微柱腔體直徑，v_s代表表面復(fù)合速率，V_e為有源區(qū)的體積。A為線性復(fù)合系數(shù)，B為自發(fā)輻射系數(shù)，C俄歇復(fù)合系數(shù)，c為真空中的光速，n_g為群折射率，g_i為第i個模式的模式增益，e為單位電荷電量，I為有源區(qū)注入電流，α_i為第i個模式的損耗。選取了主模(模式數(shù)為M的反對稱模式，Q約為7000)，及其附近幾個模式(諧振波長100nm以內(nèi)的模式)。為了使模擬結(jié)果更加可靠，在求解過程中采用實際測量的增益曲線。瞬態(tài)多模速率方程的求解所得光子數(shù)的結(jié)果如圖10所示。圖中可見除了主模之外的其他模式的光子數(shù)基本忽略不計(一般很小為幾個)，邊模抑制比SMSR大于50dB。所以激光器具有非常良好的單模特性。其中模擬所用的參數(shù)為表一所示。

表一、光柵輔助的微柱腔面發(fā)射激光器模擬所用參數(shù)

除此之外，還利用求解瞬態(tài)的多模速率方程得到激光器的小信號調(diào)制特性，如圖12所示?？梢姡す馄鞯?dB調(diào)制帶寬在15mA的注入電流的情況下可以達到54GHz，有很好的高速調(diào)制特性。如圖11中LI曲線，y＝-0.02904+0.1361*X，閾值電流只有0.2mA。

綜上所述，本發(fā)明提出了一種光柵輔助的基于TM模式的微柱腔面發(fā)射激光器。該激光器的微柱從上往下主要包括歐姆接觸層、光柵層、上蓋層、有源區(qū)以及下蓋層。腔體采用圓柱形狀，也可以采用圓環(huán)、正多邊形等可以支持高品質(zhì)因子的回音壁模式的形狀。光柵層和有源區(qū)之間由上蓋層分割，光柵刻蝕于光柵層靠近圓柱外側(cè)邊的位置為二階光柵，這樣能和微柱腔的回音壁模式有效作用。該光柵能將回音壁模式向上和向下散射，從而形成垂直方向的輸出。歐姆接觸層以及金屬電極層成圓盤狀，其半徑小于微柱的外半徑以避免和回音壁模式作用從而避免給模式造成額外的損耗。歐姆接觸層下方的特定區(qū)域被制成高阻區(qū)，這樣載流子將注入到有源區(qū)中靠近微柱邊緣的區(qū)域。注入?yún)^(qū)域和回音壁模式的分布重合，這樣可以提高激光器的注入效率。通過微柱頂上刻蝕的二階光柵不僅可以有效選模，選出具有理想輸出形態(tài)的模式，還能對所選模式形成垂直輸出，這樣可以實現(xiàn)單模的垂直輸出(面發(fā)射)激光器。更重要的是，其實現(xiàn)不受微柱半徑大小的限制，微柱可以制成很小半徑甚至到波長量級。而且其制作方便簡單，只需要一個淺刻蝕的二階光柵就可以實現(xiàn)小體積的單模工作且有非常高調(diào)制速率的面發(fā)射激光器。本發(fā)明的激光器方案具有體積小、單模特性良好、制作簡便、檢測方便、低成本、易于集成二維陣列、輸出光易于與光纖耦合、可以在不同的材料體系上實現(xiàn)等諸多優(yōu)點。

基于上述本發(fā)明的設(shè)計和運行原理，本領(lǐng)域人員完全能夠理解，本具體的頂上光柵和側(cè)面光柵輔助的微柱腔面發(fā)射激光器僅僅只是舉例說明，并未對選模方法以及光柵的材料、形狀、位置、周期個數(shù)做具體限定。

最后所應(yīng)說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。