[发明专利]一种用于纳米激光器的高斯型金属半导体谐振腔

说明书

本发明公开了一种用于纳米激光器的高斯型金属半导体谐振腔，谐振腔是由半导体材料外包金属壳层构成的双凹形半导体谐振腔，具有高斯光束形状的谐振腔结构。本发明提出了一种新型的高斯型的谐振腔结构来减小金属半导体腔的表面等离激元损耗，这种谐振腔的圆弧形反射面可以将谐振模式集中在腔的中心，使谐振模式的场分布远离金属侧壁从而有效减少金属损耗；谐振腔的弯曲侧壁减小谐振模式垂直于金属侧壁的电场分量，可以进一步抑制表面等离激元损耗；通过合理设计谐振腔的反射面以及弯曲侧壁，可以有效的降低激发谐振腔的阈值电流，为纳米激光器的谐振腔设计及其在光子集成电路、光互连等相关领域提供了技术参考。

技术领域

本发明属于半导体激光器领域，特别是一种用于纳米激光器的高斯型金属半导体谐振腔。

背景技术

金属半导体激光器由于具有小尺寸、激发能量低等特点，其在半导体光子集成电路、光通信等领域具有广泛应用。

目前科研工作者已经提出了许多不同结构的金属半导体谐振腔，但是传统的矩形金属半导体谐振腔具有较大的表面等离激元损耗，激发激光所需的阈值电流很大，较难实现激射。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于纳米激光器的高斯型金属半导体谐振腔，提高金属半导体谐振腔的能量激发效率。

实现本发明目的的技术方案为：一种用于纳米激光器的高斯型金属半导体谐振腔，所述金属半导体谐振腔是高斯光束型的结构，由外到内由金属、绝缘体以及半导体材料构成，该结构反射面具有0.6-1.5倍腔长的曲率，侧壁为具有腔长尺寸的高斯光束构型。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)本发明结构简单、制作容易，且能够有效的降低激发谐振腔的阈值电流；(2)本发明提出的高斯型的金属半导体激光器谐振腔具有较小的金属表面等离激元损耗，谐振腔的圆弧形反射面将谐振模式集中在腔的中心，使谐振模式远离金属侧壁来有效减少金属损耗；谐振腔的弯曲侧壁减小谐振模式垂直于金属侧壁的电场分量，进一步抑制表面等离激元损耗。

附图说明

图1是高斯型金属半导体谐振腔的三维示意图。

图2为高斯型金属半导体谐振腔的剖视图。

图3(a)为高斯型金属半导体谐振腔x-y平面(核心层)、x-z平面、y-z平面光强分布图，图3(b)为传统矩形金属半导体谐振腔x-y平面(核心层)、x-z平面、y-z平面光强分布图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种用于纳米激光器的高斯型金属半导体谐振腔，所述金属半导体谐振腔是高斯光束型的结构，由外到内由金属、绝缘体以及半导体材料构成，该结构反射面具有0.6-1.5倍腔长的曲率，侧壁为具有腔长尺寸的高斯光束构型。

InGaAs为谐振腔的核心层，核心层的上层为n参杂的InP材料层，下层为p参杂的InP材料层，使用p参杂的InGaAsP作为顶上接触层；半导体侧壁及反射面由绝缘体材料SiO₂包裹，最后整个谐振腔由金属材料Ag包裹并和顶部的半导体材料层相接触。

谐振腔的侧壁形状遵循基膜高斯光束光斑半径随坐标轴的双曲线变化规律，反射面曲率遵循高斯光束等相位面的曲率变化规律；金属半导体谐振腔侧壁的双曲线形状和反射面曲率由公式得出:

其中m＝1，m表示高斯光束的模式数；λ＝1.55μm，λ表示谐振腔输出激光波长；w₀表示双曲线的束腰半径；zr表示高斯光束的共焦参数；wz表示高斯光束的光斑半径；z为谐振腔长的一半，rz表示光束等相位面的曲率半径,其中c表示比例系数。