阅读说明：本技术 一种基于全介质超表面的激光发射器及参数确定方法 (Laser transmitter based on all-dielectric super surface and parameter determination method ) 是由 方明 徐珂 黄志祥 吴杰 杨利霞 任信钢 刘瑜 于 2019-11-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于全介质超表面的激光发射器。所述激光发射器从底部到顶部依次包括：第一反射镜、有源层和第二反射镜；所述第一反射镜和所述第二反射镜均由周期性排列的硅圆柱粒子组成。本发明的第一反射镜和第二反射镜通过采用周期性排列的硅圆柱粒子的结构,大大降低了反射镜的厚度,有效减小了激光发射器的整体体积。(The invention discloses a laser transmitter based on an all-dielectric super surface. The laser emitter comprises the following components in sequence from bottom to top: a first mirror, an active layer, and a second mirror; the first reflecting mirror and the second reflecting mirror are each composed of periodically arranged silicon cylindrical particles. The first reflector and the second reflector of the invention greatly reduce the thickness of the reflector and effectively reduce the whole volume of the laser emitter by adopting the structure of silicon cylindrical particles which are periodically arranged.)

一种基于全介质超表面的激光发射器及参数确定方法

技术领域

本发明涉及计算电磁学超材料与多物理仿真技术领域，特别是涉及一种基于全介质超表面的激光发射器及参数确定方法。

背景技术

超表面是二维片状超材料，其厚度比工作波长小几倍。它们的亚波长结构以周期或非周期的方式在二维空间中传播。超表面可以用来为设备提供一些天然材料薄膜无法实现的特殊的光学特性。近年来，全介质超材料和超表面被认为是等离子体材料的更有效的对应物。全介质超材料和超表面的核心原理是高折射率介质纳米粒子的光学响应。目前，由于在可见光范围内存在电共振和磁共振，高折射率的介电纳米粒子能够有效控制光散射和强度增强，具有消光系数可忽略、损耗极低的优点。这种全介电质超表面已应用于波前工程、电磁感应透明、高透过率、宽频带完美镜、光束准直器等领域，特别是宽频带完美镜，为光学透镜，特别是半导体激光谐振器的设计提供了新的独特机遇。

半导体激光器具有小巧、高效、寿命长、易于集成等诸多优点。高光束质量、窄线宽半导体激光器，具有更高的光束质量、更小的慢轴发散角和更窄的光谱线宽，更适用于大规模半导体激光整形合束。在工业、军事、医疗等方面具有更加广泛的应用前景。制造出高功率、高光束质量、窄线宽的半导体激光器一直是人们追求的目标。然而传统的分布式布拉格光栅结构的激光器，虽然在制备工艺和设计上具有易操作的特点，但是在传统的分布式布拉格反射器中，其反射镜由一层高折射率介质和一层低折射率介质交替组成，入射光进入介质层，由介质层逐层反射。所以，在布拉格反射器中控制反射镜反射率的方法为增加或减少整周期数目的反射层，这对于控制反射镜的厚度和激光器的尺寸非常不方便。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于全介质超表面的激光发射器及参数确定方法，大大降低了反射镜的厚度，有效减小了激光发射器的整体体积。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于全介质超表面的激光发射器，

所述激光发射器从底部到顶部依次包括：第一反射镜、有源层和第二反射镜；

所述第一反射镜和所述第二反射镜均由周期性排列的硅圆柱粒子组成。

可选的，所述激光发射器还包括：第一限制层和第二限制层；

所述第一限制层设置在所述第一反射镜和所述有源层之间；所述第二限制层设置在有源层和所述第一反射镜之间；所述第一限制层和所述第二限制层用于限制载流子并调节谐振波长，使谐振波长等于激光波长。

可选的，所述激光发射器还包括：衬底；

所述第一反射镜所述衬底位于所述第一反射镜的下面。

可选的，所述激光发射器还包括：第一金属接触层和第二金属接触层；

所述第一金属接触层位于所述衬底的下面，所述第一金属接触层与所述衬底欧姆接触；

所述第二金属接触层位于所述第二反射镜的上面，所述第二金属接触层与所述第二反射镜欧姆接触。

可选的，所述第一反射镜的硅圆柱粒子中掺入三价元素；所述第二反射镜的硅圆柱粒子中掺入五价元素。

可选的，在所述第二反射镜和所述第二金属接触层上分别对应开设一出光口；所述出光口用于输出激光光束。

可选的，所述有源层包括多个量子阱层。

可选的，多个所述量子阱层之间填充增益介质。

一种应用于激光发射器的硅圆柱粒子的参数确定方法，所述参数确定方法包括：

根据激光的工作波长确定反射镜的硅圆柱粒子的直径；

通过实验确定所述反射镜的反射率为预设反射率时硅圆柱粒子的纵横比；

根据所述硅圆柱粒子的纵横比和直径确定所述反射镜的硅圆柱粒子的厚度；

通过实验获得所述反射镜的反射率与所述硅圆柱粒子排列的周期的关系曲线图以及所述反射镜的调制带宽与所述硅圆柱粒子排列的周期的关系折线图；

根据所述反射镜的反射率与所述硅圆柱粒子排列的周期的关系曲线图，确定所述反射镜的反射率为预设反射率时的所述硅圆柱粒子排列的周期范围；

根据所述反射镜的调制带宽与所述硅圆柱粒子排列的周期的关系折线图，确定所述反射镜的反射率为预设反射率时的所述硅圆柱粒子排列的周期。

可选的，所述根据硅圆柱粒子的纵横比和直径确定所述反射镜的硅圆柱粒子的厚度，包括：

根据所述硅圆柱粒子的纵横比和直径，利用公式计算得到所述反射镜的硅圆柱粒子的厚度；

其中，α_i为反射镜的硅圆柱粒子的纵横比，S_i为反射镜的硅圆柱粒子的厚度，D_i为反射镜的硅圆柱粒子的直径，i＝1或i＝2，当i＝1时，所述反射镜为第一反射镜，当i＝2时，所述反射镜为第二反射镜。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的激光发射器中第一反射镜和第二反射镜均为周期性排列的硅圆柱粒子结构，周期性排列的硅圆柱粒子具有高反射率和纳米级厚度，使本发明提供的激光发射器在保证了高反射率的前提下，大大降低了激光发射器中反射镜的厚度，有效减小了激光发射器的整体体积。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的激光发射器的结构图；

图2为本发明提供的反射镜的结构图；

图3为本发明提供的反射镜的平面图；

图4为本发明提供的反射镜的反射率与反射镜的频率的关系示意图；

图5为本发明提供的反射率与纵横比的关系示意图；

图6为本发明提供的反射率与周期的关系曲线图；

图7为本发明提供的带宽与周期的关系折线图；

图8为本发明提供的四能级系统示意图；

图9为传统的分布式布拉格光栅激光发射器的质量因子与波长的关系示意图；

图10为本发明提供的激光发射器的质量因子与波长的关系示意图；

图11为本发明提供的激光发射器的激光时域图；

图12为图11对应的频域图；

符号说明：1-第一反射镜，2-第二反射镜，3-有源层，4-衬底，5-第一限制层，6-第二限制层，7-第一金属接触层，8-第二金属接触层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于全介质超表面的激光发射器及参数确定方法，大大降低了反射镜的厚度，有效减小了激光发射器的整体体积。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例提供了一种基于全介质超表面的激光发射器，激光发射器从底部到顶部依次包括：第一反射镜1、有源层3和第二反射镜2。优选地，激光发射器为VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)。

如图2所示，第一反射镜1和第二反射镜2均由周期性排列的硅圆柱粒子组成；优选地，第一反射镜1的反射率几乎可达100％；第二反射镜2的反射率介于99％与100％之间，如图4所示，第一反射镜和第二反射镜构成输出耦合器。第一反射镜1的硅圆柱粒子和第二反射镜2的硅圆柱粒子的直径和周期均相同，而第二反射镜2的硅圆柱粒子的厚度大于所述第一反射镜1的硅圆柱粒子的厚度，其中，周期指的是两个相邻的硅圆柱粒子的中心轴之间的距离a(如图3所示)，硅圆柱粒子的直径、周期、第一反射镜1的硅圆柱粒子的厚度和第二反射镜2的硅圆柱粒子的厚度根据以下方法确定，具体包括：

根据激光的工作波长确定硅圆柱粒子的直径；优选地，激光的工作波长为1500nm；电共振是激光发射器能产生激光的一个基础，现有技术已公开当时，产生电共振，其中，λ为工作波长，D为硅圆柱粒子的直径；而本申请实施例中的反射镜的硅圆柱粒子呈周期性排列，当硅圆柱粒子呈周期性排列时，所得到的反射镜在高于单个硅圆柱粒子的波长处共振，并且通过实验仿真得到，当反射镜的硅圆柱粒子的直径为400nm时，产生电共振。

通过实验确定反射率为预设反射率时的纵横比，如图5所示。

根据硅圆柱粒子的纵横比和直径确定反射镜的硅圆柱粒子的厚度，包括：利用硅圆柱粒子的直径与纵横比的公式

计算得到硅圆柱粒子的厚度；其中α_i为反射镜的硅圆柱粒子的纵横比，S_i为反射镜的硅圆柱粒子的厚度，D_i为反射镜的硅圆柱粒子的直径，i＝1或i＝2，当i＝1时，所述反射镜为第一反射镜1，当i＝2时，所述反射镜为第二反射镜2。

通过实验获得反射镜的反射率与硅圆柱粒子排列的周期的关系曲线图以及反射镜的调制带宽与硅圆柱粒子排列的周期的关系折线图，如图6和图7所示。

根据反射镜的反射率与硅圆柱粒子排列的周期的关系曲线图，确定反射镜的反射率为预设反射率时的硅圆柱粒子排列的周期范围；反射镜的反射率接近1时，周期范围为630～660nm。

根据反射镜的调制带宽与硅圆柱粒子排列的周期的关系折线图，确定反射镜的反射率为预设反射率时的硅圆柱粒子排列的周期；当周期为630nm时，带宽要比其它带宽大得多，因此，周期宽度选择630nm。

激光发射器还包括：第一限制层5和第二限制层6；第一限制层5设置在第一反射镜1和有源层3之间；第二限制层6设置在有源层3和第一反射镜1之间；第一限制层5和第二限制层6用于限制载流子并调节谐振波长，使谐振波长等于激光波长。

激光发射器还包括：衬底4；第一反射镜1位于有源层3和衬底4之间。

激光发射器还包括：第一金属接触层7和第二金属接触层8；第一金属接触层7设置在激光发射器的底部，第一金属接触层7与衬底4接触，第一金属接触层7与衬底4欧姆接触；第二金属接触层8设置在激光发射器的顶部，第二金属接触层8与第二反射镜2接触，第二金属接触层8与第二反射镜2欧姆接触。

第一反射镜1的硅圆柱粒子中掺入三价元素，第一反射镜1为n型的基于全介质超表面的反射镜；第二反射镜2的硅圆柱粒子中掺入五价元素，第二反射镜2为p型的基于全介质超表面的反射镜。

在第二反射镜2和第二金属接触层8上分别对应开设一出光口；出光口用于输出激光光束。优选地，出光口为圆形的出光口，输出圆形的激光光束。

有源层3包括多个量子阱层。优选地，有源层3由1～3个量子阱组成。

多个量子阱层之间填充增益介质，增益介质在仿真中由一个通用的四能级系统描述，仿真方法为FDTD(Finite-Difference Time-Domain，时域有限差分算法)。对于各向同性介质，麦克斯韦方程在时域中的表达式如下：

其中，B＝μμ₀H表示磁感应强度，μ表示导磁系数，μ₀表示真空中磁导率，H磁场强度，E表示电场强度，ε表示介电常数，ε₀表示空气介电常数，t表示时间，P＝Σ_i＝a,bP_i表示增益材料的电极化密度。

如图8所示，P_a是第二能级N₂和第一能级N₁之间原子跃迁的激发极化密度。P_b在第三能级N₃和基态能级N₀之间原子跃迁的激发极化密度。电子是从基态能级N₀到第三能级N₃以抽运频率ω_b抽运，其中抽运频率

E₃为第三能级所代表的能量大小，E₀:为基态能级的所代表的能量大小，

为普朗克常量。第二能级N₂是一个亚稳态激光器的上能级。经过一个短时间τ₃₂后，粒子在第三能级N₃上通过非辐射跃迁迅速转移到第二能级N₂，第二能级N₂为亚稳态，亚稳态具有较长的寿命，粒子可以在第二能级N₂上积累，从而实现电三能级N₃和第二能级N₂的粒子数反转。当电子从高到低辐射时，它们以中心频率ω_a辐射光子，其中，

E₂：第二能级的所代表的能量大小，E₁：第一能级的所代表的能量大小，为普朗克常量。最后，电子从第一能级N₁上快速无辐射地转移到基态能级N₀。原子总体密度遵循以下速率方程：

其中，τ₃₂表示粒子从N₃衰落到N₂的时间，τ₂₁表示粒子从N₂衰落到N₁的时间，τ₁₀表示粒子从N₁衰落到N₀的时间。

在不使用外部电磁波的情况下，将电子从基态能级N0光学抽运到第三能级N3，方程(2)和(5)可以通过以均匀抽运速率f_pump抽运电子来简化，均匀抽运速率f_pump与实验中的光抽运强度成正比。基于这种简化，得出以下等式：

本发明实施例还提供了一种应用于激光发射器的硅圆柱粒子的参数确定方法，参数确定方法包括：

根据激光的工作波长确定硅圆柱粒子的直径；优选地，激光的工作波长为1500nm；电共振是激光发射器能产生激光的一个基础，现有技术已公开当时，产生电共振，其中，λ为工作波长，D为一个硅圆柱粒子的直径；而本申请实施例中的反射镜的硅圆柱粒子呈周期性排列，当硅圆柱粒子呈周期性排列时，所得到的反射镜在高于单个硅圆柱的波长处共振，并且通过实验仿真得到，当反射镜的硅圆柱粒子的直径为400nm时，产生电共振。

通过实验确定反射率为预设反射率时的纵横比。

根据硅圆柱粒子的纵横比和直径确定反射镜的硅圆柱粒子的厚度，包括：利用直径与纵横比的公式计算得到硅圆柱粒子的厚度；其中α_i为反射镜的硅圆柱粒子的纵横比，S_i为反射镜的硅圆柱粒子的厚度，D_i为反射镜的硅圆柱粒子的直径，i＝1或i＝2，当i＝1时，所述反射镜为第一反射镜1，当i＝2时，所述反射镜为第二反射镜2。

通过实验获得反射镜的反射率与硅圆柱粒子排列的周期的关系曲线图以及反射镜的调制带宽与硅圆柱粒子排列的周期的关系折线图。

根据反射镜的反射率与硅圆柱粒子排列的周期的关系曲线图，确定反射镜的反射率为预设反射率时的硅圆柱粒子排列的周期范围；反射镜的反射率接近1时，周期范围为630～660nm。

根据反射镜的调制带宽与硅圆柱粒子排列的周期的关系折线图，确定反射镜的反射率为预设反射率时的硅圆柱粒子排列的周期；当周期为630nm时，带宽要比其它带宽大得多，因此，周期宽度选择630nm。

利用本发明实施例提供的一种应用于激光发射器的硅圆柱粒子的参数确定方法，确定第一反射镜1的硅圆柱粒子的厚度为460nm，直径为400nm，周期为630nm；第二反射镜2的硅圆柱粒子的厚度为465nm，直径为400nm，周期为630nm；优选地，工作波长为1500nm，第一反射镜1和第二反射镜2均有16个周期性排列的硅圆柱粒子组成。

质量因子是激光的一个重要指标。为了获得具有更高质量因数的激光器，两个反射镜之间的反射率应尽可能接近。对于激光腔，质量因子为：

其中，Q为质量因子，ν₀为模式频率，n₀为腔体内介质的折射率，c为光速，d为柱间间距，α为硅圆柱粒子的纵横比，R₁为第一反射镜1的反射率，R₂为第二反射镜2的反射率。

通过公式(10)可以发现当第一反射镜1的反射率R₁几乎可达100％时，第二反射镜2的反射率R₂越接近100％，质量因子Q越高，激光的品质越好。通过稍微增加硅圆柱粒子的厚度可使第二反射镜2的反射率小于100％但大于99％，即，本申请实施例提供的激光发射器仅仅通过略微增加硅圆柱粒子的厚度从而达到控制反射镜反射率的方法，因此表现出对激光发射器具有良好的微控制能力。本申请实施例提供的激光发射器相比于传统的分布式布拉格反射器，真正做到了易控制，制备简单和便于生产。

本申请实施例提供的激光发射器的反射镜的厚度只有460nm，而分布式布拉格反射器的反射镜达到99％以上的反射率时，分布式布拉格反射器的反射镜的尺寸至少为1450nm，本申请实施例提供的激光发射器与分布式布拉格反射器相比，激光器的尺寸减小了约70％，本申请实施例提供的激光发射器大大降低了反射镜的厚度，有效地减小了激光器的整体体积，尺寸上具有超小型。并且当分布式布拉格反射器的反射镜达到99％以上的反射率，工作波长为1500nm时，质量因子Q约为500，如图9所示；而本申请实施例提供的激光发射器的工作波长为1500nm(频率为200THz)时，质量因子Q最大为2505(如图10所示)；可见，本申请实施例提供的激光发射器在有效减小激光器整体体积的同时，还增大了激光器的Q值，使得激光线宽更小，具有较好的单模输出稳定性和较高的单模输出功率。

本发明实施例提供的激光发射器的激光时域图和对应的激光频域图，如图11和图12所示。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。