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構材料，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致介電常數的空間周期性，使得光折射率產生周期性分布，光在其中傳播時產生能帶結構，在帶隙中的光子頻率被禁止傳播，因此稱為光子禁帶，具有光子禁帶特征的材料稱為光子晶體。

依據不同的分類標準，可以將光子晶體分為不同的種類：按電磁波的波長不同，可分為微波光子晶體，紅外波光子晶體、可見光子晶體等;

按照材料種類不同，可分為金屬光子晶體、半導體光子晶體、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、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 光子晶體結構示意圖

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

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

在普通的半導體激光器諧振腔內,具有許多光損耗機制,如衍射損耗、反射鏡的透射、腔內介質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或幾個點缺陷(通過改變幾個空氣孔的尺寸或者丟失幾個空氣孔的方法引入)構成的,由于點缺陷的存在,光子帶隙中就會出現一個頻率極窄的缺陷態,使頻率在光子禁帶范圍內的光只能在缺陷處傳播,這樣就使腔內的光損耗大大降低,微腔的 Q 值非常高。顯著降低了激光器的閾值。

半導體光子晶體激光器發展至今，常見的型態大致可分成兩類: 第一類為光子晶體缺陷型激光器(Photonic Crystal Defect Laser)，其共振腔模態設計在光能隙內，因此光無法在缺陷以外的區域存在，使得光只會在此缺陷區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因子、較小的模體積、較大的珀塞爾效應及低閾值條件。

第二類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，某特定波長的光因需滿足能量與動量守恒而成為垂直面發射的光，于是此類激光器又稱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)、低發散角(Divergence angle)及高功率輸出等優點，非常適用于高密度光學儲存、微投影機光源、生醫感測以及激光器固態照明。

下表為VCSEL與PCSEL的對比

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