金属限制微纳激光器的模式分析与制作

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:king1981001
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现代信息产业的快速发展使得芯片间和芯片内数据传输所需要的带宽快速增长。由于在高频下受到串扰,带宽和延迟的限制,电互连技术很难适应这种传输带宽快速发展的需要。而光作为信息载体,有着电子不可比拟的优势:高宽带,高速度和抗干扰。基于这些优点,制造光电集成和全光光子集成回路是目前人们研究的热点课题之一。随着集成密度的提高,小尺寸,低功耗的微纳激光器非常适合应用于大规模光电集成中,因而逐渐成为国内外科研人员重点研究的课题,本文主要对微纳激光器的不同偏振模式TE模和TM模分别进行了理论上的研究,并在实验上制作了TM模微腔激光器,取得以下研究成果:  理论上通过求解本征值方程分析了金属限制下微腔激光器中TE模式和TM模式随金属层厚度和隔离层厚度的影响,我们发现当增益介质层和金属层直接接触时,对于TE模式而言,由于存在着表面等离子模式分量,金属对TE模式的吸收要远远高于TM模式,所以必须增益层和金属层之间引入隔离层来减少金属层对光场的吸收,但是隔离层厚度不仅影响模式在增益介质中的光限制因子,而且还会引起不同径向量子数的模式发生耦合,在耦合区域会造成阈值增益的提高,因此有一个最佳的隔离层厚度获得最低的阈值增益。  将三维散射矩阵法推广并用来分析了金属限制的微柱激光器的模式。通过与三维FDTD比较,我们发现该方法不仅能快速准确得到模式波长,品质因子而且还能得到各个场分量的径向和垂直方向上的模场分布,推广后的散射矩阵法能区分HE和EH模式。根据计算结果,我们发现了引入金属层不仅会带来很强的吸收,而且还会影响到垂直方向上的场分布,这是用以往三维FDTD方法很难发现的,三维散射矩阵法因为能快速计算模式波长和品质因子,非常适用于微纳激光器的优化和设计。  金属限制微纳激光器的输出断面小,光散射比较强,如何得到具有高Q值和定向性好的模式是设计中的一个难点。为此我们利用边界元方法分析了金属限制的切口圆的模式,这是边界元方法首次被应用来分析金属限制的多层微纳谐振腔结构,通过模拟结果我们发现了小的切口会造成反对称和对称模的分裂,一般反对称模式的品质因子要高于对称模式,但是反对称模式的远场是一个不利于光的收集双峰结构,计算还发现适当的切口不仅会带来很大的模式分裂,而且会造成FP模式与混沌模的耦合形成一种品质因子高且定向性好的模式,而且这种模式耦合机制具有普遍性,所以能给出一种在金属限制的微纳激光器中得到定向性好的模式的方案。  TM模式的纵向限制不随径向宽度减小而发生改变,因此在微纳激光器中TM模式的品质因子要明显的高于TE模式,为了得到TM偏振的模式激射,必须采用张应变的量子阱材料。为此我们设计了发光波长在1.5μm附近的0.43%张应变多量子阱外延结构,通过光刻,ICP刻蚀,沉积电极等半导体器件制作工艺,我们制作了微盘激光器,室温下实现了连续电注入激射,在半径15μm的微盘中实现了边摸抑制比超过30dB的激射。
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