[发明专利]基于金属-绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔

说明书

基于金属‑绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔，涉及半导体光学微腔领域。通过对完美圆形腔的切割获得D型谐振腔，在D型谐振腔和耦合波导区的外侧由内至外包裹一层低折射率绝缘介质层和一层具有复折射率的金属层；D型谐振腔内部为半导体增益材料，包括上限制层、有源介质层和下限制层。D型谐振腔的光线反射到切面时角动量发生突变，演化为混沌的光学模式。低折射率材料有效降低由金属引发的光学损耗，金属‑绝缘层对任意角度入射光高反射，D型微腔使混沌波多模共振，垂直方向的耦合波导收集光学辐射并耦合输出；实现高密度，低对比度Q值的模式光学谐振。D型光学混沌谐振腔可在低相干度激光源等领域应用。

技术领域

本发明涉及半导体光学微腔领域，尤其是涉及一种基于金属-绝缘层限制和波导耦合的D型光学混沌谐振腔。

背景技术

过去的几十年中，准二维光学限制的半导体微腔激光器在关于片上产生高相干信号光方向得到大量的研究。其中，典型的二维光学微腔之一是回音壁模式(whispering-gallery-mode，WGM)光学谐振腔，通过光的连续和全内反射，限制的光学模式具有模式体积小、模式Q值高的特点。但在介质腔中，由于模式共振具有高Q值对比度，比如基模比径向高阶模Q值高很多，在谐振光和增益介质的非线性互相作用下，由于强的模式竟争作用，回音壁微激光器往往表现出单个模式或者仅有几个模式的特征，因此，采用回音壁模腔作为光学谐振腔难以实现低相干发射的多模激光器。

近年来，混沌光线动力学的二维介质腔得到大量研究。文献[J.Wiersig andM.Hentschel,“Combining Directional Light Output and Ultralow Loss in DeformedMicrodisks,”Phys.Rev.Lett.,vol.100,no.3,033901,Jan 2008]提出一种几何结构为蜗牛型的光学谐振腔(-shaped cavity)，在腔内实现高度定向的光学发射；基于前述的蜗牛腔，文献[S.Shinohara et al.,“Ray-wave correspondence in-shapedsemiconductor microcavities,”Physical Review A,vol.80,no.3,031801,Sep 2009]中制作半导体激光器，得到低损耗，多模共振的定向发射。文献[H.Cao,R.Chriki,S.Bittner,A.A.Friesem,and N.Davidson,“Complex lasers with controllablecoherence,”Nat.Rev.Phys.1,156–168(2019).]综述了相干性可调的复杂激光器，提出低相干性的激光器的三种类型，文献[B.Redding et al.,“Low spatial coherenceelectrically pumped semiconductor laser for speckle-free full-field imaging,”Proc.Natl Acad.Sci.USA,vol.112,no.5,no.1304-1309,Feb 2015]中利用优化的D型介质混沌腔制备了半导体激光器，实现约1000个模式下同时发生的多模激光。文献[K.Kim etal.,“Electrically pumped semiconductor laser with lowspatial coherence anddirectional emission,”Appl.Phys.Lett.,vol.115,no.7,071101,Aug 2019]中基于准法布里-珀罗谐振腔(Fabry–Pérot-like，FP)设计并制造一种片上半导体激光源，产生具有低空间相干性的定向光束出射。文献[K.Kim,et al.,“Massively parallel ultrafastrandom bit generation with a chip-scale laser,”Science,vol.371,no.6532,pp.948-952,Feb 2021.]利用变形的简并介质谐振腔产生低相干光源，获得多路的高速随机数。文献[Stefan Bittner et al.,“Spatial structure of lasing modes in wave-chaotic semiconductor microcavities”New J.Phys.22(2020)083002]针对D型和跑道形光学谐振腔分析研究了多模激光的空间分布。然而，在上述方案中，由于边界存在的光学折射逃逸，即当光在腔内共振时，若入射角小于全反射角，光会产生折射泄露，腔内谐振模式因此会表现出巨大的损耗，不同的模式损耗差异也较大，因此模式激射存在不均匀性和高阈值的特点。另外，对于采用类FP谐振腔构建的低相干激光器，光波在腔边界上以近垂直方向入射，折射损耗较大，准FP模式的Q值也仅能达到约10²，相应地激光器的阈值很高。因此，采用介质腔制作的激光器能够获得多模和低对比度的非相干光源发射，但存在要么阈值高，要么发射的光难得收集等问题。