中文题目 - 中国科学院上海技术物理研究所联合编辑部.DOC

布拉格反射波导光子晶体宽光谱量子阱激光器 李珍1,2 汪丽杰2 侯冠宇2王涛2 卢泽丰2 陆寰宇2孙宝瑞3丁国龙3佟存柱2李洪祚1? (1. 长春理工大学电子信息工程学院,长春 130022； 2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033； 3.长春机械科学研究院有限公司半导体宽谱激光在传感、光谱学等有着重要的应用。传统半导体宽谱激光器主要宽增益全反射波导，简单量子阱结构制备宽谱激光器一直是个难题。本文证明了一种基于布拉格反射波导一维光子晶体新型量子阱宽谱激光器，其结构主要包括量子阱和上下布拉格反射镜，通过偏离解理激光。研究发现在偏离角7o时，器件展现宽谱超辐射发光二极管特性，4.4o偏离角时实现了宽光谱激光输出，光谱宽度达到33.7 nm，连续输出功率36 mW。本研究为探索新型量子阱宽谱激光器提出了一种新的技术途径。: TN365, TN248.4　　　 文献标识码: A 引言 高功率宽谱半导体激光器在光纤通讯、传感、成像、光谱学、超短脉冲的产生等方面有着重要的应用[1-3]。传统的宽光谱半导体激光器主要是通过具有较宽增益谱的材料，如量子点[4-6]、量子带[7]，利用量子尺寸效应实现展宽的增益谱，获得超宽谱激光输出。相比于量子点、量子带材料，量子阱材料在生长上更简单也更成熟，但利用它去实现宽谱激光器一直比较困难。2014年中科院半导体所Pan等人[8]通过在量子阱与上波导层间加隧穿结实现了第一支宽光谱InGaAs/GaAs量子阱激光器，谱宽达到38 nm，该结果被Nature Photonics作重点报道[9]，随后通过将隧穿结加在两个量子阱之间[10]，器件功率提高到790 mW。上述方法主要是围绕增益介质或者有源区进行，而器件光限制结构都是全反射波导。本文首次证明了一种基于布拉格反射波导一维光子晶体结构的InGaAs/GaAs量子阱宽光谱激光器器件激射谱宽达到33.7 nm，连续功率36 mW。 布拉格反射波导是一种具有光学线缺陷的一维光子晶体波导结构，光在这种周期性介质中传输会发生布拉格反射，产生光子禁带，当光传输常数位于光子禁带内时，光将不能沿着某种特定方向传输[11,12]。因此，布拉格反射波导可以替代传统的全反射波导来实现光场限制，能够获得比传统器件高一个数量级的光模式尺寸，并具有大的模式间增益损耗差[13,14]。已经证明了高功率极低发散角激光[15]、圆形光束激光[16]、双光束激光[17]腔内非线性[18]等，而且该类波导器件还存在特殊的周期性调制光谱[]，即工作模式存在小的周期性的波长间隔，表明该类波导适合用于宽光谱器件。61474119),吉林省自然基金(20140101203JC,20150520105JH) 作者简介: 李珍(1978－), 男, 朝鲜族, 吉林省长春市人，在职博士，主要从事激光及电路驱动研究。Email: lizhen_2016@1布拉格反射波导理论模型 图1. 布拉格反射波导 Fig.1 Schematic diagram of (a) Bragg reflection waveguide lasers with broad spectrum and (b) Bragg reflection waveguide 本文所研究的布拉格反射波导宽光谱激光器结构如图所示 (1) 式中KTE为布洛赫波矢，满足如下方程： (2) 当|χ|1时，对应的布洛赫传输波矢KTE为实数，对应于光子晶体的允带；当|χ|1时，对应的布洛赫传输波矢KTE为虚数，表明色散关系不成立，即对应频率的光并不能在介质中传播，这就是光子禁带区域。因此由上式即可计算得到布拉格反射波导光子晶体的禁带分布。取厚度为四分之一波长条件，即k1a=k2b=(/2，得到exp(iKTE()=-k2/k1，代入布拉 , (3) 其中，。可得，即，从而波导导模有效折射率可以写成： (4) 式中，m=1,2…为导模阶数，高、低折射率层厚度为 (5) 由此可以确定上下布拉格反射镜的结构参数。简而言之，布拉格反射波导只对满足模式角(c=arcsin(neff/nc)的模式有良好的限制，而全反射波导对于满足全反射条件，即(大于等于临界角(c的所有模式均有限制。 2器件结构 制备的布拉格反射波导宽光谱激光器其上下部分别为p型和n型掺杂的6对厚度分别为100nm/750nm的Al0.1Ga0.9As/Al0.3Ga0.7As分布式布拉格反射镜增益介质为两个In0.2Ga0.8As/GaAs量子阱布拉格反射镜的界面为20 nm的组分渐变层，重掺杂欧姆接触层到有源区厚度为5.3 (m。