PCSEL 光子晶體激光器

一光子晶體

光子晶體是指具有光子帶隙的周期性接電結(jié)構(gòu)材料，所謂光子帶隙是由于接電常熟不同的材料在空間周期性排列導(dǎo)致介電常數(shù)的空間周期性，使得光折射率產(chǎn)生周期性分布，光在其中傳播時(shí)產(chǎn)生能帶結(jié)構(gòu)，在帶隙中的光子頻率被禁止傳播，因此稱(chēng)為光子禁帶，具有光子禁帶特征的材料稱(chēng)為光子晶體。

依據(jù)不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，可以將光子晶體分為不同的種類(lèi)：按電磁波的波長(zhǎng)不同，可分為微波光子晶體，紅外波光子晶體、可見(jiàn)光子晶體等;

按照材料種類(lèi)不同，可分為金屬光子晶體、半導(dǎo)體光子晶體、氧化物光子晶體和聚合物光子晶體等;

按照用途不同，又可分為光子晶體微腔、光子晶體波導(dǎo)、光子晶體光纖和光子晶體激光器等;

按照折射率周期性變化的空間維度不同，則可分為1D光子晶體，2D和3D光子晶體。如下圖

圖1 光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖

二 光子晶體激光器(Photonic Crystal Surface-emitting Lasers PCSEL)

圖 2 包含22.5對(duì)p型頂部分布布拉格反射器(DBR)和34.5對(duì)n型底部DBR的光子晶體垂直腔表面發(fā)射激光器(PCSEL)的示意圖

在普通的半導(dǎo)體激光器諧振腔內(nèi),具有許多光損耗機(jī)制,如衍射損耗、反射鏡的透射、腔內(nèi)介質(zhì)的散射和非激活吸收等等,因此 Q(Quality Factor) 值很低。而在光子晶體激光器中,光子晶體微腔是由光子晶體中的一個(gè)或幾個(gè)點(diǎn)缺陷(通過(guò)改變幾個(gè)空氣孔的尺寸或者丟失幾個(gè)空氣孔的方法引入)構(gòu)成的,由于點(diǎn)缺陷的存在,光子帶隙中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)頻率極窄的缺陷態(tài),使頻率在光子禁帶范圍內(nèi)的光只能在缺陷處傳播,這樣就使腔內(nèi)的光損耗大大降低,微腔的 Q 值非常高。顯著降低了激光器的閾值。

半導(dǎo)體光子晶體激光器發(fā)展至今，常見(jiàn)的型態(tài)大致可分成兩類(lèi): 第一類(lèi)為光子晶體缺陷型激光器(Photonic Crystal Defect Laser)，其共振腔模態(tài)設(shè)計(jì)在光能隙內(nèi)，因此光無(wú)法在缺陷以外的區(qū)域存在，使得光只會(huì)在此缺陷區(qū)域共振而形成光子晶體缺陷型激光器。此種光子晶體激光器可獲得較高的品質(zhì)因子、較小的模體積、較大的珀塞爾效應(yīng)及低閾值條件。

第二類(lèi)為光子晶體能帶邊緣型激光器 (Photonic Crystal Band-edge Laser)，此種激光器操作于平坦的能帶邊緣上，由于光波在能帶邊緣處的群速度趨近于零，在滿(mǎn)足特定布拉格繞射條件下而形成駐波。由于具有特定布拉格繞射的特性，某特定波長(zhǎng)的光因需滿(mǎn)足能量與動(dòng)量守恒而成為垂直面發(fā)射的光，于是此類(lèi)激光器又稱(chēng)為光子晶體面射型激光器(Photonic Crystal Surface Emitting Laser，PCSEL) 光子晶體面射型激光器除具有大面積出光外，還有單模操作(Single-mode Operation)、低發(fā)散角(Divergence angle)及高功率輸出等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于高密度光學(xué)儲(chǔ)存、微投影機(jī)光源、生醫(yī)感測(cè)以及激光器固態(tài)照明。

下表為VCSEL與PCSEL的對(duì)比

圖3 Electrically pumped PCSELs on SOI substrate: (A) schematic and (B) detailed heterostructure and cavity design parameters.

審核編輯：湯梓紅