用于垂直腔面发射激光器的超薄光子晶体反射镜

王海静，王俊，李家琛，肖春阳，贾艳星，明蕊，马博杰，刘倬良，刘凯，白一鸣，黄永清，任晓敏

（1 北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室，北京 100876）

（2 华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206）

0 引言

垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）因其低功耗、阈值电流低、易与光纤耦合、功率转换效率高等优点，被广泛应用于光通信、光互连和光信息处理中。

传统VCSEL 主要由N 型分布布拉格反射镜（Distributed Bragg Reflector，DBR）、量子阱有源区、P 型DBR 三部分构成。由于VCSEL 的谐振腔长度较短，所以要求它的反射镜具有极高的反射率（一般反射率R≥99.5%）。因此，DBR 的对数通常为20～40 对，但是DBR 对数的增加，又会使整个器件串联电阻增大，特别是P 型DBR，其形成的同型异质结在界面处存在较大的势垒，会产生更高的串联电阻和严重的发热情况，从而导致VCSEL 整个器件内部的温度较高，影响器件的性能［1］。因此，从减小反射镜厚度使串联电阻降低的角度出发，设计新型P 面反射镜是提高VCSEL 整体性能的有效途径。

针对传统VCSEL 中P 面反射镜存在的问题，目前提出的解决方法主要是利用亚波长光栅结构作为P 面反射镜。2007 年，HUANG M C Y［2］首次成功制备了高对比度亚波长光栅（High Contrast Grating，HCG）作为反射镜的VCSEL，结构中使用4 对DBR 补偿了HCG 反射率的不足，但是由于DBR 的引入降低了器件的偏振选择性。2015 年，李秀山等［3］报道了适用于850 nm 的SiO2和Si 结构的亚波长光栅，并利用有限元分析软件进行了模拟计算，在825～878 nm 之间的反射率大于99.5%。但是，这种P 面反射镜的高反射率带宽（R≥99.5%时对应的波长范围）较小，器件制备的容差性较差。2020 年，王凤玲等［1］设计制备了一种适用于850 nm 波长GaAs 基VCSEL 的P 面HCG 反射镜。整体结构采用GaAs 材料体系，AlOx和GaAs 分别作为低折射率层和高折射率层，并在低折射率层上设计了应力缓冲层，反射率大于99.9%的带宽为91 nm。但是HCG 反射镜的氧化层会使反射镜的串联电阻增加和引入应力等。为了解决应力问题，有研究［1］提出引入应力缓冲层，但应力缓冲层的引入导致HCG 整体厚度增加，影响散热效果。

为了解决传统VCSEL 中P 面反射镜的高串联电阻造成的严重发热和HCG 反射镜中的氧化层带来的高电阻、应力等问题。本文提出一种新型光子晶体反射镜，并采用三维时域有限差分法（Three Dimensional Finite Difference Time Domain，3D-FDTD）分析了其反射特性。详细研究了二维光子晶体结构中气孔半径、周期、高度等结构参数对反射谱的影响。最优化二维光子晶体层中的气孔半径为84 nm，周期为212 nm，高度为90 nm。光子晶体反射镜的整体厚度为338 nm，是传统P 型DBR 反射镜厚度的12.4%，并且其热导率比DBR 反射镜提高了46%，所以光子晶体反射镜有利于散热，降低吸收损耗，提高器件的光学性能。除此之外，它的光子晶体结构刻蚀深度比较小，并且存在着很强的光学限制，所以几乎不会对串联电阻和电流密度产生影响［4］，还有利于进一步降低激光器的阈值电流密度［5］，也避免了高铝化合物氧化生成AlOx后因体积收缩带来的应力问题。光子晶体反射镜代替VCSEL 中P 型DBR，对提高器件性能具有重要意义，可促进VCSEL 在光通信、光互连和光信息处理等领域的发展。

1 结构设计与仿真模型

针对波长850 nmGaAs 基VCSEL 设计了一种新型光子晶体反射镜来代替VCSEL 中的P 型DBR，其结构主要包括GaAs 光栅层、GaAs 间隔层、Ga0.5In0.5P 二维光子晶体层，如图1 所示。对于这种类似二维光子晶体结构的制备方法，已有京都大学［6-8］和新墨西哥大学［9］等研究组进行了报道。

本文主要通过研究分析光子晶体反射镜的反射谱是否满足VCSEL 的激射条件验证其是否可作为VCSEL 的P 面反射镜。首先优化二维光子晶体层的参数，包括气孔直径D、周期T和高度h3，再优化光栅结构参数，包括光栅的周期Λ、占空比d/Λ、高度h1，最后优化光栅层与二维光子晶体层之间的间隔层厚度h2，如图1。光栅单个周期内的二维光子晶体结构排布，如图2。由于电流限制氧化孔容易产生光学损耗，因此将氧化层放在光场驻波波腹处，以降低光损耗［10］，如图3。

本文采用有限差分法3D-FDTD研究了850 nm波段的TE 和TM 光学模式入射下光子晶体反射镜的反射谱。在波长850 nm 处，空气、GaAs 和Ga0.5In0.5P 等材料的复折射率分别为1，3.675+0.05i 和3.18+0.1i。考虑到计算机存储量和计算时间限制，对FDTD 仿真参数进行如下设置：采用完美匹配层吸收边界和周期性边界条件，来终止FDTD 计算窗口，使电磁波在无反射地进入边界处吸收介质后被衰减掉；为保证计算结果准确，将网格精度设置为2.5 nm，仿真时间设置为1 000 fs；然后，分别采用中心波长为850 nm，波长范围为600～1 200 nm 的TE 和TM 光学模式，从有源区入射再从光子晶体反射镜的光栅层出射；最后分别计算TE 和TM 光学模式入射下的光子晶体反射镜的反射谱。

2 分析与讨论

为了保证光子晶体反射镜作为P 面反射镜的VCSEL 能够实现850 nm 波长的激射，需要新型光子晶体反射镜在以850 nm 为中心波长的波段内都有高反射率。

二维光子晶体层中气孔的半径、周期、高度、光栅层和间隔层等结构参数都会对光子晶体反射镜的反射谱有影响。为了使光子晶体反射镜在TE 光学模式下的850 nm 波段有较高的高反射率带宽，需要采用控制变量法对光子晶体反射镜的各个参数进行仿真计算，并确定各个结构最优参数。目前本课题组已对光栅结构做了大量研究工作，为本结构中光栅初始参数的选取提供了参考。因此，为了减少工作量，先优化二维光子晶体再优化光栅结构。

为了研究二维光子晶体层的作用，对比分析了有、无二维光子晶体层即Ga0.5In0.5P 层有、无气孔结构时反射镜的反射谱，如图4。在相同TE 光学模式入射下，可清楚地看出具有二维光子晶体层的光子晶体反射镜的高反射率带宽更宽。因为二维光子晶体结构会使Ga0.5In0.5P 材料层的等效折射率降低，从而光栅层与二维光子晶体层形成较大的折射率差，最终实现高反射率带宽的扩展。

首先，对二维光子晶体层进行优化。对于二维光子晶体层，主要研究二维光子晶体层中气孔半径、周期和高度对各个波长对应的反射率的影响。

初步设定光栅周期为600 nm，占空比为15%，厚度为150 nm，间隔层为80 nm，二维光子晶体层中的气孔半径为60 nm，高度为85 nm，周期变化范围为125～260 nm，如图5。图5 中，实线轮廓内的反射率大于99.5%。随着二维光子晶体结构周期的增大，高反射率带宽的中心波长会向长波长方向移动，同时随着周期从125 nm 到140 nm（图5 的A1），高反射率带宽变化比较明显，从0 nm 增大到29 nm，然后高反射率带宽大小基本稳定增加，最后从200 nm（图5的B1）至260 nm 时高反射率带宽先从75 nm 增大到96 nm 再减小到70 nm。同时，周期的大小影响着气孔的大小，气孔边界之间的距离若太小，不利于结构的工艺制备，考虑到光栅周期，避免光栅周期边界处气孔间距太小。因此，二维光子晶体结构的周期设计为212 nm。

根据图5 的计算结果，将二维光子晶体层中的气孔周期确定为212 nm，调节气孔半径从25 nm 到85 nm，气孔高度为85 nm，研究光子晶体反射镜的反射谱，其中光栅周期为600 nm，占空比为15%，厚度为150 nm，间隔层为80 nm。图6 中两条虚线分别表示反射率99.5%的边界，它们之间的区域反射率大于99.5%，则虚线之间的距离表示高反射率带宽。随着二维光子晶体层中气孔半径的增大，虚线的间距不断增大，即高反射率带宽逐渐增加。高反射率带宽不断增大，是由于气孔的增大会使其所在的Ga0.5In0.5P 层的等效折射率降低。当二维光子晶体结构周期一定时，气孔较大会导致相邻气孔的边界间距较小，工艺难度增大，所以气孔半径最大设定为气孔周期的0.4 倍。因此，最优化的二维光子晶体层中的气孔半径大小为84 nm。

经过二维光子晶体层中气孔周期和半径的优化，气孔周期和半径定为212 nm 和84 nm，设置气孔高度从0 nm 到150 nm，光栅周期为600 nm，占空比为15%，厚度为150 nm，间隔层为80 nm，研究光子晶体反射镜的反射谱。在图7 中可以发现，随着二维光子晶体层中气孔高度的增大，高反射率带宽的中心波长先向长波长方向移动，然后再向短波长方向移动，并且高反射率带宽从气孔高度由57 nm（图7 的A2）增加到97 nm（图7 的B2）后基本稳定不变。最后考虑到高反射率带宽的大小和高反射率带宽的中心波长应为850 nm，二维光子晶体层中气孔的高度设计为90 nm。

将二维光子晶体层的参数确定后，进一步优化光栅层和其与二维光子晶体层之间的间隔层参数。首先，对比分析有、无光栅层时光子晶体反射镜的反射谱，从图8 中可以明显地看出光栅层可以提高波长的反射率。结合图4 中无二维光子晶体层的反射谱和图8 的反射谱，可知光栅层仅使850 nm 波长在内的短波段（805～860 nm）的反射率提高到了99.5%以上，而反射率带宽的扩展由二维光子晶体层实现。

在二维光子晶体层参数优化之后，气孔周期、半径和高度定为212 nm、84 nm 和90 nm，然后优化光栅参数。从图9 可以看出，VCSEL 的中心波长决定光栅的周期，周期的增加会使高反射带向长波长方向漂移，高反射率带宽的大小也会发生改变，在周期为620～750 nm（图9 的A3～B3）时，850 nm 波段的反射率均大于99.5%，最终将光栅周期设计为636 nm，厚度为162 nm，占空比为16.35%。

经过二维光子晶体层和光栅层参数优化后，气孔周期、半径和高度定为212 nm、84 nm 和90 nm，光栅周期确定为636 nm，厚度为162 nm，占空比为16.35%，设置间隔层范围为0～300 nm，研究光子晶体反射镜的反射谱。图10 显示了二维光子晶体层与光栅层之间的间隔层厚度对各波长反射率的影响。随着间隔层厚度的增加，高反射率带宽的中心波长逐渐向短波长方向移动，高反射率带宽大小出现周期性变化。间隔层厚度的取值范围为60～100 nm（图10 的A4～B4）时，可以使850 nm 波段的反射率大于99.5%，考虑到结构整体厚度要尽量薄，所以间隔层需要适中的厚度，因此，最后间隔层厚度设计为86 nm。

基于上述分析，确定了光子晶体反射镜的结构参数。图11 为TE 和TM 光学模式垂直入射时的反射谱。在TE 光学模式入射时，反射率大于99.5%的波段范围为781～887 nm，高反射率带宽与中心波长之比为12.5%，中心波长850 nm 的反射率为99.99%，满足VCSEL 的激射条件。而TM 光学模式在781～887 nm 波段范围内的反射率最大为80%，无法满足VCSEL 的激射条件。因此，光子晶体反射镜不仅具有高反射率带宽还具有良好的偏振选择性。同时，光子晶体反射镜整体厚度为338 nm，是HCG反射镜［1］厚度的61.7%，传统VCSEL P 型DBR 反射镜厚度的12.4%。此外，通过对光子晶体反射镜和DBR 反射镜的等效热导率计算［11-15］，得出光子晶体反射镜比DBR 反射镜等效热导率提高了46%，所以光子晶体反射镜有利于散热，降低吸收损耗，提高器件的光学性能。

3 结论

本文提出了一种不同于DBR 反射镜和HCG 反射镜的超薄光子晶体反射镜。通过3D-FDTD 方法对光子晶体反射镜的反射谱进行了计算优化，结果表明，当二维光子晶体层中的气孔高度、半径、周期分别为90 nm、84 nm、212 nm 时，TE 光学模式下的高反射率带宽为106 nm，是SiO2/Si 结构的亚波长光栅反射镜［3］高反射率带宽的2 倍，并且中心波长850 nm 的反射率为99.99%，满足VCSEL 的激射条件。而TM 光学模式下的反射率都低于80%，因此还有稳定的偏振特性。光子晶体反射镜不仅具有高反射率带宽和单偏振特性，且整体结构薄，厚度只有338 nm。其厚度是传统VCSEL P 面反射镜的12.4%，有利于降低吸收损耗。因此，可作为VCSEL 的P 面反射镜，促进其在光通信、光互连和光信息处理等领域的发展。