多功能和实用化的耦合微腔激光器

黄永箴

2020年第7期《中国激光》出版“半导体激光器”专题。中国科学院半导体研究所黄永箴研究员课题组受邀撰写《正方形-FP耦合腔半导体激光器的激射及热特性研究》优秀论文,并作为封面论文发表。该文理论分析并制备了1.31 μm 正方形-Fabry-Perot(FP)耦合腔半导体激光器,正方形模式和FP模式之间的模式耦合能够抑制其他边模,易于实现单模激射,克服了传统耦合腔激光器稳定性的缺点。这种耦合腔激光器还具有光双稳激光输出特性,可实现高速全光触发。

封面文章|黄勇涛,马春光,郝友增,肖金龙,杨跃德,黄永箴. 正方形-FP耦合腔半导体激光器的激射及热特性研究[J]. 中国激光, 2020, 47(7): 0701017

背景介绍

单模可调谐半导体激光器近年来被广泛应用于光通信和光互连,以满足信息传输容量日益增长的需求。目前,可实现单模的半导体激光器主要包括分布反馈(DFB)激光器、分布布拉格光栅(DBR)激光器和耦合腔激光器等。耦合腔激光器通过将两个不同结构或尺寸的腔体耦合,可实现模式的选择。

上世纪八十年代初,由两个相隔微米量级空气隙的法珀腔组成的耦合腔激光器率先实现了动态单模半导体激光器,引起人们极大重视。但是这种耦合腔激光器稳定性差,并没有真正进入实际的应用。

随着硅基光子学的兴起,Si基微环腔波导以及光子晶体微腔等结构与III-V半导体混合集成的Si上耦合腔半导体激光器也引起了人们的重视。不过,Si上耦合腔半导体激光器需要消逝波耦合,工艺比较复杂。

中国科学院半导体研究所黄永箴研究员课题组设计了1.31 ?m正方形微腔—法珀(FP)耦合腔激光器(HSRL),利用正方形微腔的高Q模式间距大的优点,结合FP腔在耦合输出方面的优势,研制出波长可调谐耦合腔激光器。

论文详解

首先采用二维有限元方法模拟计算HSRL的横电(TE)模的模式特性。耦合腔的二维结构示意图如图1(a)所示,其中正方形腔边长a = 15 ?m, FP 腔长 L = 300 ?m, 宽w = 3 ?m。图1(b)、(c)和(d)分别对应于正方形微腔基模、一阶模以及高阶模对应的TE耦合模的磁场强度分布图,其中FP腔部分的场强放大了4倍。结果表明正方形微腔基模对应的耦合模具有较高的模式品质因子,而且光场更多集中在正方形微腔,在FP腔中光场主要集中在波导基模从而可以获得较高的激光定向输出和光纤耦合效率。

图1 (a)由FP腔和正方形微腔组成的耦合腔激光器的示意图,HSRL中波长分别为(b)1298.3 nm (c) 1297.63 nm (d) 1297.85 nm的模式场分布

采用基于接触式光刻的平面半导体加工工艺完成器件的制备,制作完成的耦合腔半导体激光器的显微镜照片如图2(a)所示。图2(b)为实验测量的单模光纤耦合输出功率随FP偏置电流IFP的变化曲线,其中正方形微腔的偏置电流ISQ等于1、5、10和15 mA时,耦合腔激光器的阈值电流分别为24、17、15和15 mA,相应的单模光纤耦合输出最大功率为1.37、1.85、2.12和2.23 mW。随着ISQ的增大,激光器阈值降低且单模光纤耦合输出功率增加,这主要是因为电注入提高了正方形腔中的增益系数,进一步增加了FP腔中激射模式在波导-正方形微腔端面的等效反射率。

图2 (a) 带有图形化的P电极的HSRL的显微图像; (b) ISQ分别为1、5、10和15 mA时,SMF耦合输出功率随IFP的变化曲线

图3(a)为IFP 固定为23 mA时,激光器的激射波长及边模抑制比(SMSR)与ISQ的关系。当ISQ从4 mA变化到52 mA时,激光器的激射光谱如图3(b)和3(c)所示。改变ISQ,激光器的激射波长从1310.126 nm红移到1316.22 nm,其可调谐范围约6 nm。ISQ的增加使有源区温度上升,从而改变了正方形腔的谐振波长,进而引起了等效反射率峰值位置的红移,造成激射模式的跳模。

图3 (a)激光器的主激射波长及相应的边模抑制比与ISQ的关系曲线; (b)固定IFP = 23 mA, ISQ分别为11、20、28、34、41、47和51 mA激光器的激射光谱; (c)固定IFP = 23 mA,激光器的激射波长随ISQ的变化曲线图

总结与展望

课题组之前还研制出1550nm耦合腔激光器,实现了稳定单模激射,边模抑制比(SMSR)最高到45 dB;在保持微腔单模激射的情况下(SMSR>35dB),通过改变注入电流实现了单模连续调谐21 nm,是一种结构简单、紧凑且低成本的激光器[1-5]。

与传统的DFB和DBR可调激光器相比,HSRL不仅可提高输出功率及单模光纤的耦合效率,还具有光信息处理的功能,如激光双稳态输出和高速全光触发器功能。另外,由于高Q微腔的光子存储效应,HSRL还具有对外部光反馈低敏感的特点,有望研制无光隔离器封装的通信用激光器。
 

参考文献:

[1] Ma X W, Huang Y Z, Yang Y D, et al. Mode coupling in hybrid square-rectangular lasers for single mode operation. Applied Physics Letters, 2016, 109(7): 071102.

[2] Ma X W, Huang Y Z, Yang Y D, et al. Mode and lasing characteristics for hybrid square-rectangular lasers. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2017, 23(6): 1500409.

[3] Ma X W, Huang Y Z, Yang Y D, et al. All-optical flip-flop based on hybrid square- rectangular bistable lasers. Optics Letters, 2017, 42(12): 2291-2294

[4] Wang F L, Ma X W, Huang Y Z, et al. Relative intensity noise in high-speed hybrid square-rectangular lasers. Photonics Research, 2018, 6(3): 193-197.

[5] Hao Y Z, Wang F L, Tang M, et al. Widely tunable single-mode lasers based on a hybrid square/rhombus-rectangular microcavity[J]. Photonics Research, 2019, 7(5): 543-548.

 

课题组介绍

中国科学院半导体研究所和中国科学院大学黄永箴教授科研团队面向光子集成、光互连和光信息处理应用需求,开展适于集成的微腔半导体激光器研究。

团队近年来围绕变形多边形微腔和耦合微腔激光器,以模式调控和激光器非线性动力学过程研究为主轴,开展新型微腔激光器设计、制作及应用研究。研制出应用于拍频光生微波和太赫兹波,以及四波混频光频梳的双模微腔激光器,具有高速光存储读取功能的双稳及可调谐单模耦合腔激光器,以及自发混沌的多模微腔激光器。

团队目前主持国家重点研发计划项目,国家自然科学基金重大仪器项目和重点项目等。黄永箴教授多次获得中科院优秀导师奖,所指导的博士获得全国百篇优秀博士论文及四次中国科学院优秀博士论文。



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2、向进,徐毅,兰胜. 基于高折射率半导体微纳颗粒米氏共振的荧光调控[J]. 中国激光, 2020, 47(7): 0701015

3、艾康,程骏骥,朱坤峰,吴克军,刘钟远,刘志伟,赵建明,黄磊,徐开凯. 基于标准CMOS技术的新型多晶硅发光器件的设计与实现[J]. 中国激光, 2020, 47(7): 0701027

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