СПОСОБ СЕЛЕКЦИИ ОПТИЧЕСКИХ МОД В МИКРОРЕЗОНАТОРАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОАНТЕНН Российский патент 2020 года по МПК H01L21/36 B82B3/00 

Изобретение относится к области формирования микроструктур для использования в различных оптоэлектронных устройствах, а более конкретно к области формирования лазерных микрорезонаторов, обладающих одночастотным спектром излучения.

Одно из основных применений полупроводниковых лазеров - их использование в качестве передающего источника в системах оптической связи. В настоящее время полупроводниковые лазеры широко применяются в системах волоконно-оптической связи для передачи информации на дальние, средние и малые расстояния (от более чем несколько сотен километров до нескольких метров). К преимуществам оптической связи по сравнению с передачей информации в форме электрических сигналов по проводящим линиям относятся высокая скорость передачи данных, низкое поглощение/рассеяния сигнала и высокая помехозащищенность. В связи с этим ведутся исследования, направленные на создание систем оптической связи и на сверхмалые расстояния, в том числе в пределах электронной платы для обмена данными между ее отдельными элементами.

К лазерному источнику, предназначенному для использования в системе оптической связи, предъявляется требование одночастотной генерации (фиг. 1(а-в)), т.е. в спектре его излучения должна доминировать одна линия излучения, а все другие линии излучения должны быть подавлены. Это обусловлено тем обстоятельством, что в системах оптической связи используются, как правило, несколько лазерных источников, излучающих на различных длинах волн, что позволяет пропорционально повысить пропускную способность канала связи. В том случае, если какой-то лазерный источник одновременно излучает на нескольких длинах волн, передаваемая им информация может перекрыться с сигналом, передаваемым другим лазерным источником, что приведет к неправильному прочтению информации.

Для использования в системах оптической связи на плате требуются лазерные источники, обладающие микронными размерами лазерного резонатора. В настоящее время наиболее перспективные результаты в области микролазеров получены с использованием оптических резонаторов, обладающих осевой симметрией - микроколец и микродисков, с активной областью на основе массивов самоорганизующихся квантовых точек InAs. Спектр излучения таких микрорезонаторов определяется оптическими модами (называемыми модами шепчущей галереи), чья длина волны находится в пределах спектра усиления активной области. Для достижения одночастотной генерации требуется, чтобы спектральное расстояние между соседними модами (межмодовый интервал) превосходило бы ширину спектра усиления. Типичная ширина спектра усиления массива квантовых точек, составляет несколько десятков нанометров. В результате, в пределах полосы усиления находится несколько резонансных мод, которые и наблюдаются в спектрах излучения. Сходные проблемы существуют и в микролазерах с активной областью другого типа и/или материала, поскольку ширина спектра усиления полупроводниковой активной области, как правило, сопоставима с тепловой энергией, т.е. составляет несколько десятков нанометров.

Таким образом, актуальной является задача селекции оптических мод в микролазерах. Под селекцией мод понимается подавление интенсивности излучения каких-либо мод (в пределе, всех, кроме одной) и/или увеличение интенсивности излучения каких-либо мод (в пределе, единственной моды). Желательно, чтобы метод селекции мод не вносил бы существенного усложнения в технологию изготовления лазера, что способствовало бы их внедрению в оптические системы и распространению самих систем оптической связи на сверхмалые расстояния.

Моды шепчущей галереи характеризуются тремя квантовыми числами (порядками) - вертикальным, радиальным и азимутальным, описывающими пространственное распределение интенсивности моды вдоль соответствующей координаты (фиг. 2). Каждому набору квантовых чисел соответствует своя резонансная длина волны. Селекция вертикальных мод достигается, как правило, за счет использования достаточно тонкого волноводного слоя, что может быть легко реализовано в процессе эпитаксиального синтеза полупроводниковой структуры, из которой затем изготавливается микролазер. В то же время, селекция радиальных и азимутальных мод представляет собой серьезную проблему, на решение которой направлены в последние годы значительные усилия.

Межмодовый интервал, т.е. спектральное расстояние между соседними азимутальными модами, растет при уменьшении диаметра микролазера. Для размеров микродисковых лазеров с квантовыми точками, для которых получены наилучшие приборные характеристики (в частности, возможность достижения лазерной генерации при рекордно-высокой температуре 107°С), межмодовое расстояние составляет около 10-15 нм, что заметно меньше ширины полосы усиления. Вследствие этого спектр генерации является многочастотным. Уменьшение диаметра микрорезонатора не может быть использовано в качестве метода селекции мод, поскольку оно сопровождается ухудшением приборных характеристик (увеличением ширины линии излучения, снижением максимальной температуры генерации) вследствие влияния шероховатости боковых стенок микрорезонатора и безызлучательной рекомбинации на боковых поверхностях.

Радиальные моды высоких порядков могут быть подавлены за счет формирования внутреннего отверстия в микрорезонаторе, т.е. за счет превращения микродискового резонатора в микрокольцевой. Однако в спектре микрокольцевых резонаторов с внутренним диаметром оптимальной величины по-прежнему могут наблюдаться линии излучения, обусловленные радиальными модами малых порядков (1…3). Дальнейшее увеличение внутреннего диаметра микрокольца приводит к ухудшению других приборных характеристик микролазера вследствие влияния шероховатости внутренних стенок микрорезонатора и безызлучательной рекомбинации на внутренней поверхности.

Таким образом, существует потребность в разработке способа селекции оптических мод с целью достижения одночастотной генерации в микролазерах при одновременном сохранении их геометрических размеров на уровне, при котором шероховатость и безызлучательная рекомбинация не оказывают существенного влияния на их характеристики.

Известен способ селекции мод за счет придания микрорезонатору формы диска с выемкой (фиг. 3(a)) в процессе его изготовления с помощью плазмохимического травления [S. A. Backes, "Microdisk laser structures for mode control and directional emission," Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures 16, 3817 (1998)]. При формировании выемки оптимальной длины наблюдалось увеличение интенсивности лазерной моды вследствие увеличения вывода излучения из микрорезонатора во внешнее пространство. Недостаток описанного метода заключается в том, что он применим лишь к микролазерам, работающим при низких температурах (около 10 К), что обусловлено, по всей видимости, внесением центров безызлучательной рекомбинации при травлении выемки, пересекающей активную область лазера.

Известен способ селекции мод за счет травления на боковой поверхности микрорезонатора осесимметричной брэгговской решетки (фиг. 3(б)), в результате чего форма микродиска напоминает микрошестеренку (microgear) [М. Fujita and Т. Baba, "Microgear laser," Applied Physics Letters 80, 2051-2053 (2002)]. Суть метода заключается в том, что условие конструктивной интерференции устанавливается только для моды шепчущей галереи с азимутальным порядком М, таким что 2М=N, где N - число периодов брэгговской решетки. Это приводит к селекции моды с азимутальным порядком М за счет подавления всех прочих мод, для которых 2М≠N. Было продемонстрировано достижение лазерной генерации при комнатной температуре с использованием указанного метода в микрорезонаторах сверхмалого размера (менее 3 мкм). Недостатками является сложность формирования совершенной осесимметричной брэгговской решетки вследствие различной скорости травления полупроводникового кристалла вдоль различных кристаллографических направлений, а также низкая степень селекции мод.

Известен способ селекции мод за счет формирования микродиска, диаметр волноводной область которого превышает диаметр областей полупроводниковых обкладок (фиг. 3(в))_ [М.-Н. Мао, Н.-С. Chien, J.-Z. Hong, and C.-Y. Cheng, "Room-temperature low-threshold current-injection ingaas quantum-dot microdisk lasers with single-mode emission," Optics Express 19, 14145-14151 (2011)]. В результате на периферии микродиска вертикальное ограничение мод достигается за счет контраста воздух-полупроводник или диэлектрик-полупроводник, тогда как ближе к центру микродиска вертикальное ограничение реализуется за счет контраста полупроводник-полупроводник. Селекция радиальных мод реализуется за счет увеличения фактора оптического ограничения для мод более низких радиальных порядков, локализованных в пространстве ближе к периферии микродиска. Реализация данного способа продемонстрирована в микролазерах диаметром 6.5-10.5 мкм, работающих при комнатной температуре. Недостатком является отсутствие селективности по отношению к модам разных азимутальных порядков, поскольку вносимые в форму микродиска изменения имеют осесимметричный характер.

Известен способ селекции мод с помощью формирования двух и более субволновых выемок на боковой поверхности микрокольцевого резонатора (фиг. 3(г)), располагающихся по отношению друг к другу под определенным азимутальным углом [A. Schlehahn, F. Albert, С.Schneider, S. S. Reitzenstein, J. Wiersig, and M. Kamp, "Mode selection in electrically driven quantum dot microring cavities," Optics Express 21, 15951 (2013)]. Селекция мод реализуется за счет внесения дополнительных потерь для мод таких азимутальных порядков, пространственная конфигурация которых не позволяет реализовать близкую к нулю интенсивность распределения поля в местах формирования выемок. Способ характеризуется высокой степенью селективности азимутальных мод. Продемонстрировано увеличение межмодового интервала в 2-4 раза в микрокольцевых лазерах с диаметром 80 мкм, работающих при комнатной температуре. Недостатком способа является отсутствие селективности по отношению к радиальным модам, а также необходимость точного определения местоположения выемок, что предъявляет жесткие требования к позиционированию в процессе изготовления.

Также известен способ селекции мод с помощью формирования на верхней поверхности микрокольцевого резонатора регулярного массива металлических нанодисков (фиг. 3(д)), формирующих осесимметричную брэгговскую дифракционную решетку [D. Urbonas, A. Balytis, М. Gabalis, К. G. S. Juodkazis, and R. "Ultra-wide free spectral range, enhanced sensitivity, and removed mode splitting soi optical ring resonator with dispersive metal nanodisks," Optics Letters 40, 2977-2980 (2015)]. Селекция азимутальных мод реализуется за счет того, что брэгговское условие выполняется лишь для такой моды, чье пространственное распределение вдоль периферии микрокольца согласовано с периодом расположения металлических нанодисков. С использованием указанного метода было продемонстрировано увеличение межмодового интервала в пассивном оптическом резонаторе. О применении данного метода для селекции лазерных мод не сообщалось.

Наконец, известен способ селекции мод микрорезонатора, избранный в качестве способа-прототипа, заключающийся в травлении сфокусированным ионным пучком ямок или радиальных канавок на верхней поверхности микрорезонаторов диаметром 6-11 мкм (фиг. 3(e)) [N.V. Kryzhanovskaya, I.S. Mukhin, E.I. Moiseev, I.I. Shostak, A.A. Bogdanov, A.M. Nadtochiy, M.V. Maximov, A.E. Zhukov, M.M.Kulagina, K.A. Vashanova, Yu.M. Zadiranov, S.I. Troshkov, A.A. Lipovskii and A. Mintairov, Control of emission spectra in quantum dot microdisk/microring lasers, OPTICS EXPRESS 22(21), 25782- 25787 (2014)]. Принцип селекции заключается во внесении дополнительных потерь для тех радиальных мод, чье пространственное распределение имеет пучность в области травления. Было продемонстрировано подавление интенсивности излучения нежелательных мод в спектрах микролазеров диаметром 6 мкм, работающих вплоть до 230 К. Недостатком метода является его применимость для лазеров, работающих при пониженных температурах.

Таким образом, недостатком всех перечисленных выше способов селекции мод является то, что они позволяют осуществить селекцию либо только азимутальных, либо только радиальных мод. Для полной селекции мод всех типов и достижения, таким образом, одночастотной лазерной генерации, требуется сочетание нескольких способов одновременно, что не всегда возможно из-за несовместимости технологий, либо заметно усложняет процесс изготовления микролазера. Кроме того, многие способы селекции требуют применения прецизионных технологических методов изготовления. Также многие способы селекции не позволяют реализовать лазерную генерацию при комнатной температуре.

Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является способ, выбранный в качестве прототипа, в котором селекция радиальных мод микрорезонатора достигается за счет формирования поверхностных ямок или канавок [N.V. Kryzhanovskaya, I.S. Mukhin, E.I. Moiseev, I.I. Shostak, A.A. Bogdanov, A.M. Nadtochiy, M.V. Maximov, A.E. Zhukov, M.M.Kulagina, K.A. Vashanova, Yu.M. Zadiranov, S.I. Troshkov, A.A. Lipovskii and A. Mintairov, Control of emission spectra in quantum dot microdisk/microring lasers, OPTICS EXPRESS 22(21), 25782- 25787 (2014)].

Метод-прототип реализуется в три этапа, схематически изображенных на Фиг. 4(а-в). Принцип селекции мод, лежащий в основе способа-прототипа, заключается во внесении дополнительных потерь для тех радиальных мод, чье пространственное распределение имеет пучность в области травления.

Недостатком метода является его применимость для лазеров, работающих при пониженных температурах. Другим недостатком способа-прототипа является то, что селекция мод осуществляется только по отношению к радиальным модам. Еще одним недостатком способа-прототипа является то, что селекция мод происходит за счет подавления интенсивности боковых мод, при этом интенсивность лазерной моды не увеличивается или же несколько снижается.

Задачей настоящего изобретения является разработка простого в реализации способа селекции мод в работающих при комнатной температуре микролазерах, который бы был эффективен по отношению ко всем типам мод микрорезонатора, как радиальным, так и азимутальным.

Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является увеличение максимальной интенсивности излучения лазерной моды оптического микрорезонатора в 20 раз и увеличение коэффициента подавления боковых мод на 14 дБ.

Результат достигается за счет того, что способ селекции оптических мод в микрорезонаторах с использованием наноантенн включает эпитаксиальный синтез слоистой полупроводниковой структуры, содержащей светоизлучающую активную область и волноводный слой, реализующий селекцию вертикальных мод, отличающийся тем, что формируют осесимметричный микрорезонатор с помощью травления слоистой полупроводниковой структуры; формируют наноантенну, примыкающую к внешней боковой поверхности микрорезонатора и вытянуто в направлении, перпендикулярном слоям слоистой полупроводниковой структуры, наноантенну формируют под действием сфокусированного электронного пучка в присутствии газа-прекурсора. Наноатенна состоит из композита платина-углерод, формируемого из газа-прекурсора C₉Hi₆Pt, диаметр наноантенны составляет около 150 нм, длина наноантенны составляет около длины волны лазерного излучения, в качестве материала активной области используется массив самоорганизующихся квантовых точек InAs/InGaAs, В качестве материала активной области используется многослойный массив самоорганизующихся квантовых точек InAs/InGaAs. в качестве материала волноводного слоя используется GaAs, толщина волноводного слоя составляет около 0.2 мкм. осесимметричный микрорезонатор имеет форму диска с диаметром около 6 мкм.

Поставленная задача решается с помощью открытого авторами настоящего изобретения способа селекции оптических мод в микрорезонаторах, включающего эпитаксиальный синтез слоистой полупроводниковой структуры, формирование осесимметричного микрорезонатора с помощью травления слоистой полупроводниковой структуры и последующего формирования под действием сфокусированного электронного пучка в присутствии газа-прекурсора наноантенны, вытянутой в направлении, перпендикулярном слоям слоистой полупроводниковой структуры и примыкающей к внешней боковой поверхности микрорезонатора.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематически показаны спектры излучения многочастотного микролазера (а), а также спектры излучения одночастотного лазера, достигаемые с помощью селекции оптических мод за счет подавления боковых мод (б) и усиления доминантной моды (в);

На фиг. 2 схематически показаны моды осесимметричного микрорезонатора;

На фиг. 3(а-е) схематически показаны микрорезонаторы, формируемые с использованием различных известных методов селекции мод (prior art);

На фиг. 4(а-в) схематически проиллюстрированы этапы изготовления микрорезонатора с селекцией мод согласно способу-прототипу.

На фиг. 5(а-в) схематически проиллюстрированы этапы изготовления микрорезонатора с наноантенной с помощью заявляемого способа;

На фиг. 6 показана полученная методом сканирующей электронной микроскопии микрофотография микрорезонатора с наноантенной, изготовленного с помощью варианта заявляемого способа;

На фиг. 7 показаны спектры излучения микролазеров на основе микрорезонатора с наноантенной (а), изготовленного с помощью варианта заявляемого способа, а также аналогичного микрорезонатора без наноантенны (б);

На фиг. 8 показан коэффициент подавления боковых мод (а) и интенсивность лазерной моды (б) микролазеров на основе на микрорезонатора с наноантенной, изготовленного с помощью варианта заявляемого способа, а также аналогичного микрорезонатора без наноантенны.

Открытый авторами настоящего изобретения способ селекции мод оптического микрорезонатора сочетает достоинства способа-прототипа, позволяя при этом избежать его недостатков. В основе описываемого в настоящей патентной заявке метода лежит усиление излучения лазерной моды с помощью наноантенны, примыкающей к внешней боковой поверхности микрорезонатора. Наноантенна осуществляет захват излучения лазерной моды оптического микрорезонатора и ее излучение во внешнее пространство более эффективное, чем это имеет место в микрорезонаторе без наноантенны. Это достигается за счет соответствующего выбора размеров наноантенны. Существенным также является наличие оптических потерь на границе внешней боковой поверхности микрорезонатора и наноантенны. Хотя наноантенна способна, по-видимому, захватывать излучение и боковых (не лазерных мод), наличие оптических потерь на границе приводит к подавлению нелазерных, исходно менее интенсивных, мод, а не их усилению.

Более детально этапы изготовления микрорезонатора с селекцией мод с помощью заявляемого способа проиллюстрированы на Фиг. 5(а-в).

На первом этапе, проиллюстрированном на Фиг. 5(a), на полупроводниковой подложке 1 происходит эпитаксиальный синтез слоистой полупроводниковой структуры 2, содержащей светоизлучающую активную область 3, помещенных в волноводный слой 4. При этом толщина волноводного слоя 4 выбирается таким образом, что вертикальное оптического ограничение реализуется только для фундаментальной вертикальной оптической моды.

Слоистая полупроводниковая структура может содержать и другие слои, помимо слоев 3 и 4, например буферный слой, эмиттерные слои, контактный слой и т.д., в зависимости от используемых материалов, способа накачки активной области и метода реализации вертикального оптического ограничения.

Предпочтительным является использование в качестве подложки 1 подложек GaAs, ориентированных в плоскости (100), а в качестве слоистой полупроводниковой структуры 2 чередующихся полупроводниковых слоев, сформированных на основе материалов InAlGaAs. В качестве волноводного слоя 4 предпочтительно использование слоя GaAs толщиной около 0.2 мкм.

В качестве активной области 3 предпочтительно использовать несколько рядов самоорганизующихся квантовых точек InAs/InGaAs. Использование указанной активной области имеет ряд преимуществ по сравнению с другими типами активной области. Во-первых, возможно достижение длины волны излучения, попадающей в спектральный диапазон вблизи 1.3 мкм, который соответствует прозрачности стандартного оптического волокна, планарных волноводов на основе Si или SiGe, других материалов, что облегчает использование таких излучателей в системах оптической связи. Во-вторых, массив квантовых точек характеризуется подавленной миграцией носителей заряда в плоскости слоев, что приводит к меньшему влиянию безызлучательной рекомбинации на боковых стенках на приборные характеристики по сравнению с двумерной квантовой ямой. В-третьих, в активной области может быть последовательно осаждено несколько рядов квантовых точек, что позволяет добиться оптимального значения оптического усиления в зависимости от величины оптических потерь в лазерном резонаторе.

Эпитаксиальный синтез слоистой полупроводниковой структуры 2, включая активную область 3 и волноводный слой 4, может быть осуществлен с помощью метода молекулярно-пучковой эпитаксии.

На втором этапе, схематически проиллюстрированном на Фиг. 5(6), из слоистой полупроводниковой структуры 2 происходит формирование осесимметричного микрорезонатора 5 с помощью травления слоистой полупроводниковой структуры 2.

Глубину травления предпочтительно выбирать таким образом, чтобы фронт травления прошел бы сквозь волноводный слой 4, содержащий активную область 3. Это позволяет реализовать отражающую боковую поверхность для формирования мод шепчущей галереи.

Травление может быть осуществлено с помощью известных методов, например с помощью ионно-лучевого травления ионами Аr+ в сочетании со стандартными приемами фотолитографии. Размеры микрорезонатора предпочтительно выбирать таким образом, что шероховатость боковых стенок и безызлучательная рекомбинация вблизи них не оказывали бы существенного влияния на приборные характеристики. Наклон вертикальной стенки не должен превышать 7° относительно нормали к поверхности резонатора для реализации высокой добротности резонатора. При использовании в качестве активной области массива самоорганизующихся квантовых точек InAs/InGaAs, помещенных в волноводный слой GaAs, предпочтительный диаметр микрорезонатора, формируемого ионно-лучевым травлением, составляет около 6 мкм.

Формирование микрорезонатора может включать использование других технологических операций, например, селективного оксидирования буферного слоя AlGaAs.

На третьем этапе изготовления микрорезонатора с использованием заявляемого способа, проиллюстрированном на Фиг. 5(в), происходит формирование наноантенны 8, примыкающей к внешней боковой поверхности микрорезонатора 9, вытянутой в направлении, перпендикулярном слоям слоистой полупроводниковой структуры 2.

Предпочтительным является формирование антенны на основе металл-углеродных материалов под действием сфокусированного электронного пучка в присутствии газа-прекурсора. В точке фокусировки электронного пучка под действием вторичных электронов, рождаемых исходным электронным пучком, происходит разложение молекул газа-прекурсора на твердую компоненту и летучие части, удаляемые вакуумной системой. Диаметр области формирования твердого материала определяется размером области выхода вторичных электронов с поверхности образца.

Предпочтительными газом-прекурсором является C₉H₁₆Pt, который позволяет сформировать наноантенну на основе Pt-C. Для излучения с длиной волны около 1-1.3 мкм предпочтительный диаметр наноантенны составляет около 150 нм, длина наноантенны около 1 мкм.

Пример

Эпитаксиальный синтез слоистой структуры был осуществлен методом молекулярно-пучковой эпитаксии в установке Riber 49 на полуизолирующей подложке GaAs (100). Активная область в виде пяти рядов квантовых точек InAs/InGaAs была помещена в середину волноводного слоя GaAs толщиной 0.22 мкм, ограниченного со стороны подложки слоем Al_0.98Ga_0.02As толщиной 400 нм. Максимум излучения основного перехода квантовых точек находился на длине волны около 1.28 мкм при комнатной температуре.

Микродисковые резонаторы были сформированы методом фотолитографии и ионно-лучевого травления (Аr+). Внешний диаметр микрорезонаторов составил 6 мкм. Далее методом селективного окисления слой Al_0.98Ga_0.02As преобразовывался в слой (AlGa)_xO_y для формирования оптического ограничения со стороны подложки.

Наноантенны были сформированы под действием электронного пучка в присутствии газа-прекурсора C₉H₁₆Pt в системе перекрестных лучей Carl Zeiss. В камеру сканирующего электронного микроскопа с помощью микросопел в область фокусировки электронного пучка подавался газ-прекурсор, рабочее давление в камере составляло 2*10^-5 мБарр, диаметр электронного пучка 2-3 нм, ток пучка 50 пА, скорость роста Pt-C наноантенны около 160 нм/с. Наноантенна обладала поликристаллической структурой, состоящей из кристаллов платины размером 2-3 нм, распределенных в аморфной углеродной матрице.

Микрофотография микрорезонатора с наноантенной, изготовленных с помощью варианта заявляемого способа, показана на фиг. 6. Диаметр наноантенны составил 150 нм, длина 1.3 мкм.

Для выявления эффекта наноантенны на лазерные характеристики также был изготовлен аналогичный микролазер, в котором, однако, наноантенна отсутствовала, а формирование включало лишь первые два этапа.

Оптическая накачка микролазеров осуществлялась с помощью YAG:Nd лазера, работающего на второй гармонике (532 нм). Лазерный луч возбуждающего источника фокусировался с помощью объектива Olympus LMPlan IR 100 NA 0.8 на поверхность микрорезонатора. Этот же объектив использовался для сбора сигнала. Детектирование сигнала производилось с помощью монохроматора FHR1000 и многоканального охлаждаемого InGaAs фотодетектора Horiba Symphony (разрешение 0.03 нм). Измерения проводились при комнатной температуре при различной мощности возбуждения.

На фиг. 7(а-б) показаны спектры излучения микролазеров, один из которых имеет наноантенну (фиг. 7(a)), а другой нет (фиг. 7(б)). Как видно, у обоих микролазеров доминирующей модой является мода с длиной волны около 1277 нм. В спектрах также присутствуют дополнительные моды, из которых наиболее интенсивными являются моды, имеющие длину волны около 1290 и 1303 нм.

Коэффициент подавления боковых мод представляет собой выраженное в децибелах отношение интенсивности доминантной (лазерной) моды к интенсивности наиболее интенсивной из боковых (нелазерных) мод. Чем выше коэффициент подавления боковых мод, тем более спектр излучения лазера близок к одночастотному характеру. На Фиг. 8(a) для обоих микролазеров показана зависимость коэффициента подавления боковых мод от мощности возбуждения. Из приведенных данных видно, что максимальное значение коэффициента подавления боковых мод составляет в микролазере без наноантенны 10 дБ, тогда как в микролазере, изготовленном с помощью варианта заявляемого способа селекции мод, максимальное значение коэффициента подавления боковых мод возрастает на более чем 14 дБ до 24.7 дБ.

На фиг. 8(6) показана интенсивность лазерной моды для обоих микролазеров. Как видно, максимальная интенсивность лазерного излучения в микролазере, изготовленном с помощью варианта заявляемого способа селекции мод, превосходит максимальную интенсивность излучения микролазера без наноантенны более чем в 20 раз.

Таким образом, показаны преимущества заявляемого способа селекции оптических мод в микрорезонаторах за счет использования наноантенн, заключающиеся в увеличении коэффициента подавления боковых мод, увеличении максимальной интенсивности излучения лазерной моды, применимости способа к микролазерам, работающим при комнатной температуре с длиной волны около 1.3 мкм.

Изобретение относится к области формирования микроструктур для использования в различных оптоэлектронных устройствах, а более конкретно к области формирования лазерных микрорезонаторов, обладающих одночастотным спектром излучения. Задачей настоящего изобретения является разработка простого в реализации способа селекции мод в работающих при комнатной температуре микролазерах, который бы был эффективен по отношению ко всем типам мод микрорезонатора, как радиальным, так и азимутальным. Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является увеличение максимальной интенсивности излучения лазерной моды оптического микрорезонатора в 20 раз и увеличение коэффициента подавления боковых мод на 14 дБ. В способе селекции оптических мод микрорезонатора формируют осесимметричный микрорезонатор с помощью травления слоистой полупроводниковой структуры, формируют наноантенну, примыкающую к внешней боковой поверхности микрорезонатора и вытянутую в направлении, перпендикулярном слоям слоистой полупроводниковой структуры, наноантенну формируют под действием сфокусированного электронного пучка в присутствии газа-прекурсора. 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ селекции оптических мод микрорезонатора, включающий эпитаксиальный синтез слоистой полупроводниковой структуры, содержащей светоизлучающую активную область и волноводный слой, реализующий селекцию вертикальных мод, отличающийся тем, что формируют осесимметричный микрорезонатор с помощью травления слоистой полупроводниковой структуры; формируют наноантенну, примыкающую к внешней боковой поверхности микрорезонатора и вытянутую в направлении, перпендикулярном слоям слоистой полупроводниковой структуры, наноантенну формируют под действием сфокусированного электронного пучка в присутствии газа-прекурсора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что наноатенна состоит из композита платина-углерод, формируемого из газа-прекурсора C₉H₁₆Pt.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что диаметр наноантенны составляет около 150 нм.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длина наноантенны составляет около длины волны лазерного излучения.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала активной области используется массив самоорганизующихся квантовых точек InAs/InGaAs.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала активной области используется многослойный массив самоорганизующихся квантовых точек InAs/InGaAs.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала волноводного слоя используется GaAs.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что толщина волноводного слоя составляет около 0,2 мкм.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осесимметричный микрорезонатор имеет форму диска с диаметром около 6 мкм.