專(zhuān)利名稱(chēng)：光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光子集成技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器及其
制作方法。
背景技術(shù)：
光子集成一直是科學(xué)工作者的夢(mèng)想。但是由于波色子的特點(diǎn)導(dǎo)致對(duì)于光子的操控非常困難。器件尺寸要在毫米量級(jí)，不利于集成。光子晶體可以有效的調(diào)控光子態(tài)密度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光的控制，利用光子晶體的性質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)小型化的光子集成器件，以完成信息的傳輸和處理。 現(xiàn)今為止，可以作為光源的光子晶體激光器已經(jīng)受到了人們廣泛關(guān)注，最近的進(jìn)展都集中在低閾值以及室溫連續(xù)激射的情況。但是這些光子晶體激光器都僅僅工作在一個(gè)固定的激光頻率。而在未來(lái)的全光網(wǎng)絡(luò)中，光纖通訊技術(shù)以及光學(xué)集成起著重要的作用。波長(zhǎng)可調(diào)諧的光源則是現(xiàn)有光纖通訊的技術(shù)如密集波分復(fù)用(DW匿)技術(shù)中不可或缺的一部分。 如果在光纖通訊技術(shù)中選用多個(gè)固定波長(zhǎng)的光源，那么系統(tǒng)將變得很復(fù)雜，同時(shí)也會(huì)很大的提高系統(tǒng)的成本。因?yàn)楣庠词枪饫w通訊技術(shù)中需要解決的關(guān)鍵瓶頸，因此，如何實(shí)現(xiàn)光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器一直是人們努力的方向之一。 利用光子晶體能帶帶邊處慢光效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光子晶體激光器，根據(jù)光波群速度的公式Vg二d"/dk，頻率處于光子晶體能帶結(jié)構(gòu)中帶邊處，其光子群速度很小，甚至可以為零，所以處于帶邊頻率處的光子可以形成很強(qiáng)的反饋，具有很大的光子態(tài)密度，從而可以實(shí)現(xiàn)激光共振。利用完整光子晶體能帶中的慢光效應(yīng)制作激光器，也可利用光子晶體線缺陷的慢光效應(yīng)制作激光器。由于光子晶體的尺寸較小并能控制光子，所以光子晶體可以應(yīng)用小型化光子集成方面。 目前的面發(fā)射光子晶體激光器在光子集成方面存在一定的困難。光子晶體線缺陷可以實(shí)現(xiàn)光的傳播，利用光子晶體缺陷腔和光子晶體波導(dǎo)的集成制作的邊發(fā)射激光器可以達(dá)到光子在平面內(nèi)傳播的目的。

發(fā)明內(nèi)容
( — )要解決的技術(shù)問(wèn)題 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器，以實(shí)
現(xiàn)光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器。
( 二 )技術(shù)方案 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器，包括
—光子晶體激光器；以及 —用于泵浦所述光子晶體激光器的泵浦源。
上述方案中，所述泵浦源是光泵浦源。
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為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器的制作方 法，該方法包括 步驟1 :在半導(dǎo)體材料上制作一個(gè)二維薄板結(jié)構(gòu)的光子晶體波導(dǎo)，使該光子晶體 波導(dǎo)的一邊用完整的光子晶體晶格包圍，實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的100%反射； 步驟2 :利用低群速度的導(dǎo)波模式，使得當(dāng)泵浦源泵浦光子晶體邊發(fā)射激光器時(shí)， 光波在光子晶體波導(dǎo)內(nèi)形成很強(qiáng)的共振，從而產(chǎn)生激光； 步驟3 :調(diào)整光子晶體波導(dǎo)最近鄰空氣孔半徑的大小，改變光子晶體導(dǎo)波能帶的 帶邊頻率； 步驟4 :光子晶體波導(dǎo)的導(dǎo)波能帶的變化使得光子晶體低群速度的導(dǎo)波模式的頻 率位置發(fā)生變化； 步驟5 :通過(guò)泵浦源泵浦光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)的不同位置使得不同 頻率的低群速度的導(dǎo)波模式發(fā)生共振，從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧激光的輸出。 上述方案中，步驟1中所述半導(dǎo)體材料為GaN/AlGaN材料、GaAs/AlGaAs材料、InP/ InGaAsP或GaSb/InGaSb等材料。 上述方案中，步驟2中所述激光的產(chǎn)生，是頻率處于光子晶體波導(dǎo)導(dǎo)波能帶中帶
邊處，其光子群速度很小，甚至可以為零，具有很大的光子態(tài)密度，使得增益得到增強(qiáng)，從而
處于帶邊頻率處的光子形成很強(qiáng)的反饋，從而實(shí)現(xiàn)激光諧振，產(chǎn)生激光。 上述方案中，步驟2中所述泵浦源是光泵浦源。 上述方案中，步驟5中所述可調(diào)諧激光的輸出是側(cè)向輸出的。(三)有益效果 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)越性在于 本發(fā)明提供的光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器易于集成，并且可以作為未來(lái)微納尺 寸集成光路的光源。


圖1表示一光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)； 圖2表示了光子晶體可調(diào)諧部分的結(jié)構(gòu)示意圖，其中臨近光子晶體波導(dǎo)的空氣孔 的半徑以2nm的精度從左到右逐漸減小。； 圖3表示了光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器的不同位置的能帶圖。圖中分別顯示了 光子晶體孔孔徑變化之前和變化之后的能帶，可調(diào)諧部分的結(jié)構(gòu)的帶邊的頻率應(yīng)該在兩者 的能帶帶邊頻率之間； 圖4表示光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器的透射譜線，在光子晶體邊發(fā)射激光器四 個(gè)不同的位置放置相同的高斯型脈沖電磁場(chǎng)，在光子晶體邊發(fā)射激光器的輸出端得到四個(gè) 透射譜； 圖5表示分別是四個(gè)不同的頻率在不同的位置下以連續(xù)波入射的情況下得到的 縱向磁場(chǎng)Hz的分布圖； 圖6表示了本發(fā)明光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器的制作方法。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。 本發(fā)明利用光子晶體線缺陷波導(dǎo)能帶中的帶邊效應(yīng)設(shè)計(jì)了光子晶體可調(diào)諧邊激 光器，主要通過(guò)調(diào)整光子晶體波導(dǎo)臨近空氣孔徑的變化，從而調(diào)整光子晶體波導(dǎo)的導(dǎo)波模 式的帶邊頻率。當(dāng)改變泵浦光的泵浦位置的時(shí)候，光子晶體邊發(fā)射激光器的共振頻率就會(huì) 發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器。 參照附圖1所示，圖1中展示了光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)，包括一光子 晶體激光器和一用于泵浦所述光子晶體激光器的泵浦源，該泵浦源是光泵浦源。光子晶體 波導(dǎo)的一個(gè)輸出端利用光子晶體結(jié)構(gòu)封住，以便光波實(shí)現(xiàn)100%反射，這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)類(lèi)似 于傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器一端鍍反射膜。設(shè)計(jì)的光子晶體結(jié)構(gòu)的周期為0. 42 ii m，半徑為0. 3a。
參照附圖2，圖2中顯示了，光子晶體可調(diào)諧部分為圖1結(jié)構(gòu)的中間部分。在此結(jié) 構(gòu)之前光子晶體波的空氣孔半徑保持O. 3a。而可調(diào)諧部分的光子晶體波導(dǎo)的最近鄰空氣孔 的半徑逐漸變小?？讖綇淖笾劣乙来螠p小，每個(gè)孔徑的半徑較前一個(gè)孔徑小2nm。而當(dāng)變 化到80nm的時(shí)候則停止變化。在可調(diào)諧結(jié)構(gòu)的輸出波導(dǎo)端臨近波導(dǎo)的空氣孔的半徑保持 80nm不變。 參照附圖3，圖3中顯示了光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器的不同位置的能帶圖。圖 中分別顯示了光子晶體孔孔徑變化之前和變化之后的能帶，可調(diào)諧部分的帶邊頻率應(yīng)該在 上述兩能帶帶邊頻率之間。 參照附圖4，圖4中顯示了通過(guò)有效折射率的方法把二維光子晶體平板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化
為二維光子晶體結(jié)構(gòu)，選用折射率為2. 76。在上述結(jié)構(gòu)的不同位置放置相同的一個(gè)高斯型
的脈沖源，高斯脈沖的中心波長(zhǎng)為1.55iim，半高全寬為0. 1418 iim。然后在結(jié)構(gòu)的輸出位
置檢測(cè)功率輸出。 一共計(jì)算了四個(gè)不同的位置得到了四個(gè)不同的輸出譜。 參照附圖5，圖5中顯示了利用FDTD方法模擬了四個(gè)不同位置在不同帶邊頻率的
連續(xù)波入射情況下的縱向磁場(chǎng)Hz的分布?？梢钥吹剿膫€(gè)不同的帶邊頻率在不同的位置發(fā)
生很強(qiáng)的共振。 參照附圖6，圖6表示了本發(fā)明光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器的制作方法，該方法 包括 步驟1 :在半導(dǎo)體材料上制作一個(gè)二維薄板結(jié)構(gòu)的光子晶體波導(dǎo)，使該光子晶體 波導(dǎo)的一邊用完整的光子晶體晶格包圍，實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的100%反射；所述半導(dǎo)體材料為GaN/ AlGaN材料、GaAs/AlGaAs材料、InP/InGaAsP或GaSb/InGaSb等材料。
步驟2 :利用低群速度的導(dǎo)波模式，使得當(dāng)泵浦源泵浦光子晶體邊發(fā)射激光器時(shí)，光 波在光子晶體波導(dǎo)內(nèi)形成很強(qiáng)的共振，從而產(chǎn)生激光；所述激光的產(chǎn)生，是頻率處于光子晶 體波導(dǎo)導(dǎo)波能帶中帶邊處，其光子群速度很小，甚至可以為零，具有很大的光子態(tài)密度，使得 增益得到增強(qiáng)，從而處于帶邊頻率處的光子形成很強(qiáng)的反饋，從而實(shí)現(xiàn)激光諧振，產(chǎn)生激光。
步驟3 :調(diào)整光子晶體波導(dǎo)最近鄰空氣孔半徑的大小，改變光子晶體導(dǎo)波能帶的 帶邊頻率； 步驟4 :光子晶體波導(dǎo)的導(dǎo)波能帶的變化使得光子晶體低群速度的導(dǎo)波模式的頻 率位置發(fā)生變化；
步驟5 :通過(guò)泵浦源泵浦光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)的不同位置使得不同 頻率的低群速度的導(dǎo)波模式發(fā)生共振，從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧激光的輸出；所述可調(diào)諧激光的輸 出是側(cè)向輸出的。
實(shí)施例1 按照?qǐng)D1在半導(dǎo)體材料上實(shí)現(xiàn)光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器。各部分參數(shù)選用如 下 材料半導(dǎo)體材料，折射率為3. 36。 光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器在完整的二維光子晶體結(jié)構(gòu)中去掉一排小孔形 成線缺陷型二維光子晶體波導(dǎo)，同時(shí)在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一邊保留光子晶體，結(jié)構(gòu)的周期為3 = 420nm，半徑為0. 3a。，光子晶體可調(diào)諧部分如圖2所示，在此結(jié)構(gòu)之前光子晶體波的空氣孔 半徑保持0.3a。而可調(diào)諧部分的光子晶體波導(dǎo)的最近鄰空氣孔的半徑逐漸變小?？讖綇?左至右依次減小，每個(gè)孔徑的半徑較前一個(gè)孔徑小2nm。而當(dāng)變化到80nm的時(shí)候則停止變 化。在可調(diào)諧結(jié)構(gòu)的輸出波導(dǎo)端臨近波導(dǎo)的空氣孔的半徑保持80nm不變。整體的設(shè)計(jì)結(jié) 構(gòu)如圖l所示。 圖2顯示了光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的能帶圖。采用平面波展開(kāi)方法計(jì)算二維光子晶體 薄板結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)能帶。模擬參數(shù)選擇折射率=3.36板厚為=0.6*&。分別計(jì)算了光子晶 體可調(diào)諧部分左邊和右邊的輸出端的光子晶體波導(dǎo)的能帶。分別用實(shí)線和虛線表示。因?yàn)?中間光子晶體波導(dǎo)的最近鄰空氣孔的大小位于變化之前和變化之后之間，所以其能帶也應(yīng) 介于兩者之間，并且由于此結(jié)構(gòu)的半徑逐漸減小，所以此結(jié)構(gòu)的光子晶體的導(dǎo)波能帶的帶 邊也應(yīng)該逐漸減小。所以當(dāng)泵浦光泵浦到不同地位置時(shí)，激光的諧振頻率也發(fā)生變化。從 而輸出不同頻率的激光，實(shí)現(xiàn)光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器。 通過(guò)有效折射率的方法把二維光子晶體平板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為二維光子晶體結(jié)構(gòu)，選用
折射率為2. 76。在上述結(jié)構(gòu)的不同位置放置相同的一個(gè)高斯型的脈沖源，高斯脈沖的中心
波長(zhǎng)為1.55iim，半高全寬為0. 1418 iim。然后在結(jié)構(gòu)的輸出位置檢測(cè)功率輸出。如圖4所
示，一共計(jì)算了四個(gè)不同的位置得到了四個(gè)不同的輸出譜?？梢钥吹讲煌瑤н咁l率輸出。
因?yàn)楣庾泳w邊發(fā)射激光器僅僅發(fā)生在波導(dǎo)的帶邊位置，因此本發(fā)明主要關(guān)注輸出譜線的
帶邊處的輸出峰值的變化?？梢园l(fā)現(xiàn)帶邊的輸出頻率隨著高斯脈沖的位置的變化而發(fā)生變
化。輸出譜線的帶邊頻率的變化說(shuō)明了可調(diào)諧邊發(fā)射激光器的可行性。 在實(shí)際的光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器中，通過(guò)泵浦光泵浦光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的
不同位置，可以得到不同帶邊頻率的激光共振，從而實(shí)現(xiàn)光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器。 實(shí)施例2 按照?qǐng)D1制作光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器，各部分的參數(shù)選用如下
材料半導(dǎo)體材料。 光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器在完整的二維光子晶體結(jié)構(gòu)中去掉一排小孔形 成線缺陷型二維光子晶體波導(dǎo)，同時(shí)在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一邊保留光子晶體，結(jié)構(gòu)的周期為3 = 420nm，半徑為0. 3a。，光子晶體可調(diào)諧部分如圖2所示，在此結(jié)構(gòu)之前光子晶體波的空氣孔 半徑保持0.3a。而可調(diào)諧部分的光子晶體波導(dǎo)的最近鄰空氣孔的半徑逐漸變小?？讖綇?左至右依次減小，每個(gè)孔徑的半徑較前一個(gè)孔徑小2nm。而當(dāng)變化到80nm的時(shí)候則停止變 化。在可調(diào)諧結(jié)構(gòu)的輸出波導(dǎo)端臨近波導(dǎo)的空氣孔的半徑保持80nm不變。整體的設(shè)計(jì)結(jié)
6構(gòu)如圖1所示。 通過(guò)輸出譜線的計(jì)算得到不同的帶邊峰值的頻率，然后利用FDTD方法模擬了四 個(gè)不同位置的不同帶邊頻率的連續(xù)波入射情況下的縱向磁場(chǎng)Hz的分布。如圖5所示，可以 看到不同的帶邊頻率在不同的位置發(fā)生很強(qiáng)的共振。從而進(jìn)一步驗(yàn)證了光子晶體可調(diào)諧邊 發(fā)射激光器實(shí)現(xiàn)的可能性。 最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參 照較佳實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù) 方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā) 明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器，其特征在于，包括一光子晶體激光器；以及一用于泵浦所述光子晶體激光器的泵浦源。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器，其特征在于，所述泵浦源是光泵浦源。
3. —種光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器的制作方法，其特征在于，該方法包括 >步驟1 :在半導(dǎo)體材料上制作一個(gè)二維薄板結(jié)構(gòu)的光子晶體波導(dǎo)，使該光子晶體波導(dǎo)的一邊用完整的光子晶體晶格包圍，實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的100%反射；步驟2 :利用低群速度的導(dǎo)波模式，使得當(dāng)泵浦源泵浦光子晶體邊發(fā)射激光器時(shí)，光波在光子晶體波導(dǎo)內(nèi)形成很強(qiáng)的共振，從而產(chǎn)生激光；步驟3 :調(diào)整光子晶體波導(dǎo)最近鄰空氣孔半徑的大小，改變光子晶體導(dǎo)波能帶的帶邊頻率-步驟4 :光子晶體波導(dǎo)的導(dǎo)波能帶的變化使得光子晶體低群速度的導(dǎo)波模式的頻率位置發(fā)生變化；步驟5 :通過(guò)泵浦源泵浦光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)的不同位置使得不同頻率的低群速度的導(dǎo)波模式發(fā)生共振，從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧激光的輸出。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器的制作方法，其特征在于，步驟1中所述半導(dǎo)體材料為GaN/AlGaN材料、GaAs/AlGaAs材料、InP/InGaAsP或GaSb/InGaSb材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器的制作方法，其特征在于，步驟2中所述激光的產(chǎn)生，是頻率處于光子晶體波導(dǎo)導(dǎo)波能帶中帶邊處，其光子群速度很小，甚至可以為零，具有很大的光子態(tài)密度，使得增益得到增強(qiáng)，從而處于帶邊頻率處的光子形成很強(qiáng)的反饋，從而實(shí)現(xiàn)激光諧振，產(chǎn)生激光。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器的制作方法，其特征在于，步驟2中所述泵浦源是光泵浦源。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器的制作方法，其特征在于，步驟5中所述可調(diào)諧激光的輸出是側(cè)向輸出的。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器及其制作方法，該方法包括在半導(dǎo)體材料上制作一二維半導(dǎo)體光子晶體波導(dǎo)；利用低群速度的導(dǎo)波模式使得光波在光子晶體波導(dǎo)內(nèi)形成共振；調(diào)整光子晶體波導(dǎo)最近鄰空氣孔半徑的大小，從而使得導(dǎo)波能帶帶邊的頻率位置發(fā)生變化；光子晶體的低群速度導(dǎo)波模式的共振頻率發(fā)生變化；泵浦光子晶體波導(dǎo)不同的位置，不同波長(zhǎng)的增益得到增強(qiáng)，獲得邊發(fā)射光子晶體激光的可調(diào)諧輸出。該光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器包括一二維薄板結(jié)構(gòu)的光子晶體邊發(fā)射可調(diào)諧激光器；和一用于泵浦所述激光器的泵浦源。本發(fā)明提供的光子晶體可調(diào)諧邊發(fā)射激光器易于集成，并且可以作為未來(lái)微納尺寸集成光路的光源，且實(shí)施簡(jiǎn)便，成本低。
文檔編號(hào)H01S5/30GK101771240SQ20091024453
公開(kāi)日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者劉安金, 周文君, 邢名欣, 鄭婉華, 陳微 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所