JPhysD编辑优选：有源光栅-DBR超结构中的谐振模式
文章介绍
Chenxi Hao（郝晨曦）, Jing Zhang（张靖）, Bo Yang（杨波）, Minglu Wang（王鸣禄）, Wanhua Zheng（郑婉华） and Anjin Liu（刘安金）
通讯作者：
- 刘安金，中国科学院半导体研究所
研究背景：
由亚波长光栅和有限对数分布式布拉格反射镜（DBR）构成的超结构（简称光栅-DBR超结构）具有独特的光学性能。由于平移对称性被打破，有限对数DBR中存在布洛赫表面波（Bloch surface wave，简称BSW）。在有限对数DBR上表面引入一维亚波长光栅，光栅-DBR超结构在Г点形成两个带边模式：对称模式具有高损耗；反对称模式是连续域中的束缚态，具有高品质因子，同时具有表面发射的分量。这种光栅-DBR超结构有望实现基于BSW的单模、高效、大功率、低发散角面发射激光器，且制作简单。本文设计、制作并优化了有源光栅-DBR超结构，测试结果表明，室温连续电注入条件下有源光栅-DBR超结构中存在BSW对称模和反对称模，为实现基于BSW的面发射激光器奠定了基础。
研究内容：
本文研究的有源光栅-DBR超结构由一维亚波长光栅、低折射率层、垂直多层结构、p电极和n电极构成。有限对数DBR的平移对称性被含有量子阱的顶层打破，使垂直多层结构中存在BSW。
图1 有源光栅-DBR超结构、色散、BSW场分布
在图1所示的低折射率层上方引入140 nm厚的表面亚波长光栅。在x方向引入横向周期，BSW色散曲线以kx=K/2为对称轴折叠。光栅-DBR超结构在kx=0处有2个带边模式，如图2所示，其中对称模式频率为320.2 THz (936.9 nm)，反对称模式频率为317.7 THz (944.3 nm)。反对称模式具有高品质因子，在x方向分布反馈形成驻波，且具有垂直衍射分量实现面发射。
图2 光栅-DBR超结构色散
制作了如图1所示的有源光栅-DBR超结构。光栅周期为296 nm，占空比为0.65，刻蚀深度为115 nm。在20 ℃连续电注入下测量了引入光栅前后有源光栅-DBR超结构的光谱，如图3所示，发现引入光栅后光谱中在945 nm和962.2 nm处出现两个峰，对应对称模式和反对称模式，与理论分析一致。由于光栅-DBR超结构的模式损耗较大，提出引入异质结光栅和940 nm DBR，如图4所示，在x和z方向增强光场限制。该有源光栅-DBR超结构有望用于实现新型单模、高效、大功率、低发散角面发射激光器和高灵敏度传感器。
图3 有源光栅-DBR超结构的SEM图和光谱
图4 异质结有源光栅-DBR超结构
作者介绍
刘安金 研究员
中国科学院半导体研究所
- 刘安金，中国科学院半导体研究所研究员，中国科学院高层次引进人才计划入选者，德国“洪堡”学者。长期从事VCSEL、新型半导体激光器等方向研究，发表学术论文近70篇。获得美国/中国授权专利19项，在SPIE Photonics Europe、iNOW等作邀请报告30多次。获得国家技术发明奖二等奖、中国光学工程学会创新技术奖一等奖、北京市科学技术奖二等奖等。
期刊介绍
- 2023年影响因子：3.1 Citescore：6.8
- Journal of Physics D: Applied Physics（JPhysD，《物理学报D：应用物理》）发表应用物理各领域的前沿研究和综述，具体包括：应用磁学和磁性材料、半导体和光子学、低温等离子体和等离子表面相互作用、凝聚态物理、表面科学和纳米结构、生物物理以及能源等六个领域。文章类型包括原创性论文、研究路线图、通讯以及每年针对热点研究的专题综述和特刊。