[发明专利]一种基于有机增益杂化腔激光器及设计方法

说明书

本发明公开了一种基于有机增益杂化腔激光器及设计方法，现有技术中垂直腔表面发射激光器凭借其尺寸小、低功耗、小发散角、可集成、易与光纤耦和等优点，近年来在光通信、光传感等领域发挥着重要作用。然而对于VCSEL的制备工艺要求较高，特别是量子阱增益区，通常需要金属有机化学气相沉积或者分子束外延等方法制备。这样，不仅制备工艺复杂、污染环境，还增加了激光器的成本。因此，本发明考虑通过采用非线性有机增益材料代替半导体量子阱增益，进而可以大大减少制备工艺的复杂性，同时还可以解决激光器的成本问题。

技术领域

本发明涉及垂直腔表面发射激光器件领域，特别是对于有机染料作为有源增益的垂直腔表面发射激光器的理论设计和仿真方法。

背景技术

近年来，随着物联网产业的快速发展，对通信速度以及传感性能的要求越来越高。其中垂直腔表面发射激光器(VCSEL)以低功耗、小尺寸、发散角小、单模激射、高的调制速率和带宽、易于光纤耦合、易于二维集成、低成本等优点，广泛应用于光通信、光传感、光存储等领域。然而在不同领域的应用上，对于VCSEL的波长需求也是不同的，这就对于VCSEL有源增益的设计提出了更高的要求。目前，为了达到所需波段和高功率，大多数VCSEL使用多层量子阱结构作为其有源增益，这一方面对于材料的选择增加了难度，由于晶格匹配的问题，对于器件的制备也是一个很大的挑战；另一方面，选择半导体材料或量子阱作为有源增益的VCSEL波长可调谐性差，需要通过机械调谐来实现，这无疑增加了整个器件的制造成本。

发明内容

为了解决上述垂直腔表面发射激光器的制备困难的问题，本发明提出了一种基于有机增益杂化腔激光器的设计方法，结构简单，制备成本低，同时有很好的单模输出。

一种基于有机增益杂化腔激光器，激光器结构从下往上依次包括Si衬底、N型DBRs、有机染料、P型DBRs。

所述的Si衬底折射率为4。其厚度为2μm，直径为6μm；

所述的N型DBRs的高低折射率材料分别为Si₃N₄/SiO₂,其折射率分别为2/1.5，每一对DBR中高低折射率材料的厚度通过公式d＝λ/4n得出，因此Si₃N₄/SiO₂的厚度是71.25nm/95nm，N型DBRs有18对；

所述的有机染料为Rhodamine 6G，其增益谱在570nm，厚度为122.198nm。

所述的P型DBRs的高低折射率材料分别为Si₃N₄/SiO₂,其折射率分别为2/1.5，每一对DBR中高低折射率材料的厚度通过公式d＝λ/4n得出，因此Si3N4/SiO2的厚度是71.25nm/95nm，P型DBRs有15对。

一种基于有机增益杂化腔激光器的设计方法，其特征在于，

步骤一：通过Matlab利用传输矩阵法计算布拉格反射镜的反射率，通过调节DBR对数优化使其达到最优参数，确定P型和N型DBRs的对数分别为15和18对；使其在570nm具有高于99.5％的反射率；

步骤二：利用传输矩阵法计算谐振腔的透射率找到谐振腔模式，设计腔模式为570nm，与增益谱重叠。

本发明将有机染料Rhodamine 6G作为有源增益层，两侧利用DBR作为高反镜实现了有机VCSEL的设计。一方面有机染料的制备并不困难，结构简单，降低了器件的制备难度；另一方面有机激光器的可调谐性好，可以制造出良好的可调谐激光器。本发明的激射波长在可见光波段，有望在海底光通信、光传感以及光存储等领域有着广泛应用。

附图说明

附图1为本发明一种基于有机增益杂化腔激光器的结构示意图。