專利名稱：具有等邊三角形微光學(xué)諧振腔的光電器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器和光波導(dǎo)器件(或半導(dǎo)體器件)，更具體地，本發(fā)明涉及具有輸出耦合波導(dǎo)的等邊三角形諧振腔半導(dǎo)體激光器，多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器和波長(zhǎng)選擇光探測(cè)器。
在半導(dǎo)體激光器及利用微光學(xué)腔的光上下復(fù)用器中諧振腔起到反饋光的作用并實(shí)現(xiàn)光的相干增強(qiáng)效應(yīng)，為實(shí)現(xiàn)這一功能可有多種結(jié)構(gòu)的諧振腔，如由平行解理面構(gòu)成的法布里-珀羅腔，由周期性折射率或增益變化引起光反饋的分布布拉格反饋諧振腔，以及具有全反射回音壁模式的微盤(pán)結(jié)構(gòu)等等。由折射率大于2的材料刻蝕形成的等邊三角形的諧振腔，在等邊三角形腔內(nèi)任一點(diǎn)與三角形邊平行的光線經(jīng)過(guò)在等邊三角形邊上的六次全反射，將回到原來(lái)出發(fā)點(diǎn)，并保持原來(lái)的方向，所經(jīng)過(guò)的路程正好是等邊三角形的周長(zhǎng)。而且在等邊三角形諧振腔中很容易實(shí)現(xiàn)基橫模激射，并最終得到單模微腔半導(dǎo)體激光器。1999年3月我們據(jù)此申請(qǐng)了中國(guó)發(fā)明專利“等邊三角形諧振腔半導(dǎo)體激光器”(申請(qǐng)?zhí)?9103364.7)。如何使微腔半導(dǎo)體激光器具有方向性高功率輸出，一直是微腔半導(dǎo)體激光器研制中的一大難題。為提高微盤(pán)腔的激光輸出，人們采用了刻槽及光柵等技術(shù)，但激光輸出功率仍很小。1998年6月美國(guó)[科學(xué)]雜志發(fā)表了一題為“混沌諧振腔微激光器中具有方向性的高功率輻射”(“High-power directional emission from microlasers with chaoticresonators”,Science,vol.280,pp.1556-1564,5june 1998)的論文，報(bào)道了一種變形的圓盤(pán)激光器，在腔內(nèi)傳播的激光模式所經(jīng)路徑類似于蝴蝶結(jié)形狀，輸出功率比具有回音壁模式的微盤(pán)激光器高三個(gè)量級(jí)。不過(guò)，這種激光器的輸出分布在四個(gè)不同的方向。最近，我們發(fā)現(xiàn)等邊三角形諧振腔可以直接與波導(dǎo)相連接以獲得光輸出，同時(shí)等邊三角形諧振腔的諧振模式仍具有很高的品質(zhì)因子。對(duì)于邊長(zhǎng)為5微米，折射率為3.2的等邊三角形諧振腔，我們的數(shù)值模擬計(jì)算表明波長(zhǎng)在1.5微米附近的基模的品質(zhì)因子可達(dá)15000以上，而當(dāng)諧振腔的一個(gè)角的開(kāi)口為0.4微米時(shí)，基模的品質(zhì)因子仍達(dá)2000以上，即模式壽命為10微微秒，大于普通300微米長(zhǎng)法布里一珀羅腔半導(dǎo)體激光器的模式壽命。這樣，等邊三角形微腔激光器將適于作集成光學(xué)的光源和具有方向性輸出的微腔單模半導(dǎo)體激光器。
本發(fā)明的目的在于提供一種具有等邊三角形微光學(xué)諧振腔的光電器件，其是采用等邊三角形諧振腔形成具有輸出波導(dǎo)的半導(dǎo)體激光器，多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器和波長(zhǎng)選擇的光探測(cè)器。
本發(fā)明的核心思想是在三角形諧振腔的角區(qū)引入與三角形相連接的波導(dǎo)，應(yīng)用平面工藝實(shí)現(xiàn)定向輸出的半導(dǎo)體激光器，波長(zhǎng)選擇的光探測(cè)器。在三角形諧振腔中，基模的光場(chǎng)強(qiáng)度在三角形諧振腔的三個(gè)角區(qū)非常弱，在諧振腔的角區(qū)引入相連接波導(dǎo)以得到定向光輸入輸出，可以保證三角形諧振腔的諧振模式仍具有很高品質(zhì)因數(shù)。利用不同大小的三角形諧振腔與同一波導(dǎo)連接，每一個(gè)三角形諧振腔輸出一激射波長(zhǎng)，可以得到多波長(zhǎng)輸出的半導(dǎo)體激光器。當(dāng)一個(gè)波導(dǎo)中有不同波長(zhǎng)的光信號(hào)輸入時(shí)，與這一波導(dǎo)相連的三角形諧振腔則會(huì)接收與它的諧振波長(zhǎng)一致的光信號(hào)，因此不同大小的三角形諧振腔與同一波導(dǎo)連接，也可形成波長(zhǎng)選擇的光探測(cè)器。
等邊三角形諧振腔比目前應(yīng)用較多的微形園盤(pán)更容易實(shí)現(xiàn)單模振蕩，而且可以與波導(dǎo)直接連接，因此制作工藝要簡(jiǎn)單。
本發(fā)明的目的是由以下方案實(shí)現(xiàn)的一種具有等邊三角形微光學(xué)諧振腔的光電器件，其是具有輸出或輸入波導(dǎo)的由一個(gè)或兩個(gè)等邊三角形構(gòu)成的三角形諧振腔或菱形諧振腔的光電器件，結(jié)構(gòu)包括由下限制層，有源區(qū)和上限制層構(gòu)成的平板波導(dǎo)，其特征在于等邊三角形、菱形諧振腔外部區(qū)域腐蝕到下限制層或襯底，而未腐蝕的等邊三角形區(qū)域作為諧振腔，三角形邊作為反射鏡面，而且在三角形的角區(qū)或邊上與波導(dǎo)相連接或耦合。
其中在等邊三角形的一個(gè)角區(qū)與一輸出波導(dǎo)相連接。
其中多個(gè)不同大小的等邊三角形諧振腔的輸出或輸入波導(dǎo)匯集到同一輸出或輸入波導(dǎo)。
其中多個(gè)不同大小的等邊三角形諧振腔與同一輸入波導(dǎo)相連或耦合。
其中在菱形諧振腔的一個(gè)角區(qū)與一輸出波導(dǎo)相連接。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和特征作進(jìn)一步的詳細(xì)描述如后，其中

圖1為具有輸出波導(dǎo)的等邊三角形諧振腔半導(dǎo)體激光器的頂視圖。
圖2為多個(gè)等邊三角形諧振腔的輸出波導(dǎo)與同一輸出相連，形成的多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的頂視圖，輸出波導(dǎo)同時(shí)可以作為光放大器。
圖3為由兩個(gè)等邊三角形諧振腔組成的菱形諧振腔半導(dǎo)體激光器的頂視圖。
圖4為多個(gè)等邊三角形諧振腔同時(shí)與輸入波導(dǎo)相連接或耦合形成的波長(zhǎng)選擇光探測(cè)器的頂視圖。
圖5為根據(jù)本發(fā)明制作等邊三角形諧振腔半導(dǎo)體激光器的步驟示意圖。
其中圖5a為步驟1的側(cè)視圖。
圖5b為步驟2的側(cè)視圖。
圖5c為步驟3的頂視圖。
圖5d為步驟4的頂視圖。
首先請(qǐng)參閱圖1所示，圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例，是具有輸出波導(dǎo)的等邊三角形諧振腔100的頂視圖。器件結(jié)構(gòu)材料為在襯底上生長(zhǎng)下限制層，有源層及上限制層的普通邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)材料。由長(zhǎng)度為幾微米到上千微米的三角形三條邊2、4、6圍成的等邊三角形40的外部區(qū)域都腐蝕透過(guò)下限制層以產(chǎn)生三角形區(qū)域內(nèi)外的折射率差，從而形成三角形諧振腔，由兩條邊50和60組成的寬為零點(diǎn)幾到幾十微米的輸出波導(dǎo)80與三角形諧振腔40相連形成輸出波導(dǎo)。在直線70的上部區(qū)域可以只淺刻蝕以形成弱波導(dǎo)80，這樣可得到較大的條寬的單模波導(dǎo)80。波導(dǎo)80的寬度大于三角形諧振腔的開(kāi)口，而且波導(dǎo)80與三角形諧振腔相連處可有零點(diǎn)幾微米到幾微米的深刻蝕，以限制輸出光的發(fā)散，即兩條邊50和60在與三角形諧振腔相連處可以是深刻蝕形成的波導(dǎo)。
圖2為多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器和波長(zhǎng)選擇光探測(cè)器200的頂視圖，不同大小的等邊三角形諧振腔40和40′的耦合波導(dǎo)55和65直接與輸出波導(dǎo)80相連，每一個(gè)諧振腔都是一個(gè)單模的諧振腔，改變?nèi)切蔚拇笮【涂梢哉{(diào)節(jié)輸出波長(zhǎng)和接收波長(zhǎng)，作為多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器時(shí)輸出波導(dǎo)還可以是一半導(dǎo)體光放大器以增大輸出功率。三角形諧振腔都與耦合波導(dǎo)55和65電隔離，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)輸出波長(zhǎng)的獨(dú)立調(diào)制和對(duì)每一個(gè)輸入波長(zhǎng)的單獨(dú)探測(cè)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖中只畫(huà)出兩個(gè)三角形諧振腔40和40′。
圖3為由四條邊10、15、20、25構(gòu)成的菱形諧振腔40”與兩條邊50和60組成的波導(dǎo)80相連形成的菱形微腔激光器300。菱形諧振腔相當(dāng)于由兩個(gè)三角形諧振腔組成。
圖4為波長(zhǎng)選擇光探測(cè)器400的頂視圖，不同大小的等邊三角形諧振腔40和40′等直接與輸入波導(dǎo)80相連或與輸入波導(dǎo)70相耦合，每一個(gè)諧振腔都是一個(gè)單獨(dú)的諧振腔，改變?nèi)切蔚拇笮【涂烧{(diào)節(jié)接收波長(zhǎng)。三角形諧振腔都與輸入波導(dǎo)80和70電隔離，可實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)輸入波長(zhǎng)的單獨(dú)探測(cè)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖中只畫(huà)出兩個(gè)三角形諧振腔40和40′。
圖5為制作圖1所示的三角形諧振腔半導(dǎo)體激光器的步驟圖5a為步驟1(側(cè)視圖)即采用分子束外延或金屬有機(jī)化合物氣相外延等方法在襯底520上生長(zhǎng)包括下限制層18，有源層16，上限制層及歐姆接觸層14的普通邊發(fā)射激光器片子；圖5b為步驟2(側(cè)視圖)，在外延層上蒸發(fā)電極12；圖5 c為步驟3(頂視圖)，在電極上光刻圖形并腐蝕掉除等邊三角形諧振腔40，輸出波導(dǎo)80兩個(gè)區(qū)域外的電極，頂視圖上40、80兩個(gè)區(qū)域內(nèi)為電極層12，其它區(qū)域則為上限制層14，然后淺刻蝕形成對(duì)輸出波導(dǎo)80的限制；圖5d為步驟4(頂視圖)，淀積刻蝕阻擋層，并把等邊三角形諧振腔40，以及邊70以上的區(qū)域150和波導(dǎo)區(qū)80以外的刻蝕阻擋層去掉，然后采用反應(yīng)離子束等刻蝕方法刻蝕到襯底520，并去掉所有區(qū)域的刻蝕阻擋層，這時(shí)頂視圖三角形諧振腔40，輸出波導(dǎo)80兩個(gè)區(qū)域內(nèi)為電極層12，150區(qū)為淺腐蝕區(qū)域，其他區(qū)域?yàn)橐r底層520。最后只要淀積襯底面的電極就可對(duì)器件進(jìn)行測(cè)試，不必解理腔面。
權(quán)利要求
1.一種具有等邊三角形微光學(xué)諧振腔的光電器件，其是具有輸出或輸入波導(dǎo)的由一個(gè)或兩個(gè)等邊三角形構(gòu)成的三角形諧振腔或菱形諧振腔的光電器件，結(jié)構(gòu)包括由下限制層，有源區(qū)和上限制層構(gòu)成的平板波導(dǎo)，其特征在于等邊三角形、菱形諧振腔外部區(qū)域腐蝕到下限制層或襯底，而未腐蝕的等邊三角形區(qū)域作為諧振腔，三角形邊作為反射鏡面，而且在三角形的角區(qū)或邊上與波導(dǎo)相連接或耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有等邊三角形微光學(xué)諧振腔的光電器件，其特征在于其中在等邊三角形的一個(gè)角區(qū)與一輸出波導(dǎo)相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有等邊三角形微光學(xué)諧振腔的光電器件，其特征在于其中多個(gè)不同大小的等邊三角形諧振腔的輸出或輸入波導(dǎo)匯集到同一輸出或輸入波導(dǎo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有等邊三角形微光學(xué)諧振腔的光電器件，其特征在于其中多個(gè)不同大小的等邊三角形諧振腔與同一輸入波導(dǎo)相連或耦合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有等邊三角形微光學(xué)諧振腔的光電器件，其特征在于其中在菱形諧振腔的一個(gè)角區(qū)與一輸出波導(dǎo)相連接。
全文摘要
一種具有等邊三角形微光學(xué)諧振腔的光電器件,其是具有輸出或輸入波導(dǎo)的由一個(gè)或兩個(gè)等邊三角形構(gòu)成的三角形諧振腔或菱形諧振腔的光電器件,結(jié)構(gòu)包括由下限制層,有源區(qū)和上限制層構(gòu)成的平板波導(dǎo),等邊三角形、菱形諧振腔外部區(qū)域腐蝕到下限制層或襯底,而未腐蝕的等邊三角形區(qū)域作為諧振腔,三角形邊作為反射鏡面,而且在三角形的角區(qū)或邊上與波導(dǎo)相連接或耦合;從而制作成半導(dǎo)體激光器,多波長(zhǎng)選擇波導(dǎo)光探測(cè)器。
文檔編號(hào)H01S5/00GK1318887SQ0010587
公開(kāi)日2001年10月24日 申請(qǐng)日期2000年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月17日
發(fā)明者黃永箴 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所