掺杂肖特基节形成等离子体半导体激光器的研究

New types of lasers using the Fabry-Perot(FP) cavity with longitudinal non-periodic etchings are to be studied. Single-mode miniaturaturized semiconductor laser with high side-mode suppression ratio (SMSR), which can also be immune to the heavy optical feedbacks in fibre-optic communication networks, will be highly valuable for both research and industry. To combine the surface plasma polariton (SPP) effect into the laser design, which can significantly reduce the device's dimension to a few microns, the single-mode SPP laser is studied on the Schottky contact in the cross-section direction of the laser. This can enable the possibility of directly generating SPP by semiconductor and metal materials, with no resort to the dielectric isolations. Therefore, improvements over both size and mode selectivity for the device around 1310~1550nm wavelength range will further expand the device applications in the area of integrated optics and fiber communication networks. Throughout the design, modeling and simulation procedures, we can obtain insightful and practical knowledge about the combination of noval structures with the SPP material for new laser designs. It also enables us to further improve the device over possible problems, such as the high metal absorption loss and mirror gain reduction issues.

为解决现代光纤通信领域中，单模半导体激光器易受外界干扰、输出光波长不稳定等重要问题，在本项目中，我们将基于法布里-波罗（Fabry-Perot）纵向腔体结构，通过纵向非周期表面刻槽等多种方法，在肖特基节（Schottky contact）上直接产生等离子体模式，从而最终得到具有高边模抑制比的单模光通信用半导体激光器。纵向表面刻槽的设计方式，旨在器件制备时，避免进行二次外延生长和使用光隔离器，从而降低器件成本。利用掺杂在肖特基节上直接产生等离子体模式，可以有效提高电光转换效率，同时SPP的特殊电子-光子相互作用效应，可以将激光器的尺寸缩小至微米/纳米量级，使我们设计的单模器件的可集成度，比现有全介质材料的激光器提高4-6个数量级。本项目通过对激光器器件进行模拟和仿真，将深入探索此类新型结构和材料的单纵模激光器物理特性，为促进相关光器件的研究和发展，提供重要的理论基础。

本项目使用反向高浓度掺杂的肖特基节结构制作半导体激光器，利用光刻技术和单次外延生长的设计方案作为器件的制备手段、结合非周期浅槽对腔体共振条件的改善，来制备单模性能好、边模抑制比高、制作成本低的SPP激光通信光源，同时扩展了肖特基节结构中增益材料的可选范围到光通信波段材料，实现了肖特基节通过电注入直接产生SPP激射的功能，简化了激光器制作工艺，提高了载流子辐射复合效率，为板上/板间光互联提供了纳米/微米级尺寸的SPP光源。在后续进一步减小SPP损耗的条件下，可以帮助实际制备的SPP激光器器件应用在更广泛的领域，并得到更好的输出效果。.本项目同时实现了利用横截面的二维自由度构造台式结构，利用尖端效应将SPP光场引离金属板降低损耗，并在有源区通过混合模式的大部分光场得到电注入增益，从而进一步补偿SPP损耗，实现低阈值SPP半导体激光器。此方法可以降低金属损耗，使微米/纳米尺寸的SPP激光器的光功率接近十微米尺寸的传统VCSEL器件，而其阈值电流密度只是百微米级的DFB激光器的一倍。同时，我们设计的SPP激光器的双高反镀膜端面，也有效将增益转化给SPP模式并从界面处耦合输出，防止其在端面的近场消逝波效应。此方法可以解决SPP近场驻波的输出问题，为实际使用SPP激光器提供了途径。