一种垂直腔面发射光子晶体表面波激光器及其设计方法转让专利
申请号 : CN200710037989.3
文献号 : CN101267089B
文献日 : 2010-10-06
发明人 : 蒋寻涯 , 赵德印 , 周传宏 , 张永亮
申请人 : 中国科学院上海微系统与信息技术研究所
摘要 :
本发明提供一种垂直腔面发射光子晶体表面波激光器及其设计方法，所述的设计方法，包括如下步骤：步骤1、选定发光材料，确定材料折射率，选择光子晶体结构类型，确定结构参数；步骤2、利用超原胞技术和平面波展开法计算该结构的色散关系，得到表面模式，计算得到对应该表面模式的晶格周期；步骤3、设计表面波微腔腔体，该腔体的表面层具有周期性的波状起伏。本发明适当改变光子晶体表面层结构，使表面层或表面层的近邻层具有周期性的波状起伏，从而改变表面波激光器的发射方向，由原来的端发射转变为垂直腔面发射，而且出射光的等相位面非常平坦。本发明的设计思路简单，集成性好，适用范围广，可根据不同材料的发光特性设计不同波段的表面波激光器，特别是用半导体材料设计光通讯波段的光源器件具有更重要的实用价值。
权利要求 :
1.一种垂直腔面发射光子晶体表面波激光器的设计方法，包括如下步骤：
步骤1、选定发光材料，确定材料折射率，选择光子晶体结构类型，确定结构参数；
步骤2、利用超原胞技术和平面波展开法计算该结构的色散关系，得到表面模式，计算得到对应该表面模式的晶格周期；其特征在于，还包括：步骤3、设计表面波微腔腔体，使该腔体的表面层或表面层的最近邻层具有周期性的波状起伏，所述的设计表面波微腔腔体包括如下步骤：步骤31、在选定的光子晶体的一侧从中间向下挖除一部分，两端留下的部分作为全反射镜；
步骤32、改变中间凹下部分的表面层结构，使该表面层具有表面模式；
步骤33、对中间部分的表面层或表面层的最近邻层进行周期调制，调制周期为两倍的晶格周期，使该表面层或表面层的最近邻层具有周期性的波状起伏。
2.根据权利要求1所述的一种垂直腔面发射光子晶体表面波激光器的设计方法，其特征在于，还包括：步骤4、利用有限时域差分方法数值模拟该激光器的激射过程。
3.一种垂直腔面发射光子晶体表面波激光器，其设计方法如下：步骤1、选定发光材料，确定材料折射率，选择光子晶体结构类型，确定结构参数；步骤2、利用超原胞技术和平面波展开法计算该结构的色散关系，得到表面模式，计算得到对应该表面模式的晶格周期；该垂直腔面发射光子晶体表面波激光器包括具有表面层的腔体，其特征在于，还包括步骤3，在选定的光子晶体的一侧从中间向下挖除一部分，两端留下的部分作为全反射镜；改变中间凹下部分的表面层结构，使该表面层具有表面模式；对中间部分的表面层或表面层的最近邻层进行周期调制，调制周期为两倍对应该表面模式的晶格周期，使该表面层或表面层的最近邻层具有周期性的波状起伏。
4.根据权利要求3所述的光子晶体表面波激光器，其特征在于，所述的周期性波状起伏是指在中间部分的表面层每隔一个介质柱沿垂直腔面方向向上或向下微小移动一定距离。
5.根据权利要求3所述的垂直腔面发射光子晶体表面波激光器，其特征在于，所述的周期性波状起伏是指在中间部分的表面层的最近邻层每隔一个介质柱沿垂直腔面方向向上或向下微小移动一定距离。
说明书 :
技术领域
本发明提供了一种垂直腔面发射光子晶体表面波激光器及其设计方法，属于光电子、光通信等技术领域。
背景技术
光子晶体是折射率在空间周期性变化的介质材料，它能够有效地控制光子的传播行为。自E.Yablonovitch和S.John在二十年前提出这一概念以来，人们就对光子晶体的应用给予广泛关注。特别是在光通信技术领域，光子晶体光纤、微谐振腔激光器、滤波器、集成光路等光子晶体器件有着广阔的应用前景。半导体材料微细加工技术的不断提高大大地推动了二维甚至三维光子晶体器件在实际中的应用步伐。光子晶体激光器是光通信中重要的光源器件，目前人们已经设计出很多不同类型的光子晶体激光器，主要包括垂直共振腔面型激光器(VCSEL)、点缺陷型激光器、线缺陷波导型激光器、环形激光器，表面波微腔激光器等。
表面波微腔激光器是一种新型的激光器，在截断的光子晶体(半无限大)表面上，即光子晶体与空气的交界面处，存在只能沿光子晶体表面传播的电磁波模式，因此称为光子晶体表面波。它是由于光子晶体的带隙效应和光子晶体与空气分界面的全内反射双重因素造成的。这种具有表面模式的光子晶体表面结构可以用来设计表面波微腔激光器，它的特点是一方面这种微腔是开腔，而另一方面它同样具有很高的品质因子(Q)。
现有文献公开了一种光子晶体薄板边模激光器，也即光子晶体表面波激光器。它利用光子晶体薄板截断断面上的表面波作为激光器的工作模式，两端未截断的部分当作端反射镜。这种微腔结构的表面层或表面层的近邻层没有周期性的起伏，即没有对表面层或表面层的近邻层进行调制，激光仍然只沿着表面层传播，且从两端出射。
现有文献还公开一种二维光子晶体薄板型表面波微腔，与上述光子晶体薄板边模激光器属于同一种光子晶体表面波激光器，该激光器重在改变微腔的一些性质，比如腔模数和品质因子与腔长的关系，并没有改变腔的结构，特别是表面层或表面层的近邻层结构。
现有公开的光子晶体表面波激光器均是端发射型激光器，所发射的激光均只沿着表面层传播，且从两端出射，并没有垂直腔面发射的激光器。
现有技术的表面波激光器均属于端发射型，由于衍射，出射激光束有较大的发散角，所以方向性差，等相位面不平坦。
表面波微腔激光器是一种新型的激光器，在截断的光子晶体(半无限大)表面上，即光子晶体与空气的交界面处，存在只能沿光子晶体表面传播的电磁波模式，因此称为光子晶体表面波。它是由于光子晶体的带隙效应和光子晶体与空气分界面的全内反射双重因素造成的。这种具有表面模式的光子晶体表面结构可以用来设计表面波微腔激光器，它的特点是一方面这种微腔是开腔，而另一方面它同样具有很高的品质因子(Q)。
现有文献公开了一种光子晶体薄板边模激光器，也即光子晶体表面波激光器。它利用光子晶体薄板截断断面上的表面波作为激光器的工作模式，两端未截断的部分当作端反射镜。这种微腔结构的表面层或表面层的近邻层没有周期性的起伏，即没有对表面层或表面层的近邻层进行调制，激光仍然只沿着表面层传播，且从两端出射。
现有文献还公开一种二维光子晶体薄板型表面波微腔，与上述光子晶体薄板边模激光器属于同一种光子晶体表面波激光器，该激光器重在改变微腔的一些性质，比如腔模数和品质因子与腔长的关系，并没有改变腔的结构，特别是表面层或表面层的近邻层结构。
现有公开的光子晶体表面波激光器均是端发射型激光器，所发射的激光均只沿着表面层传播，且从两端出射，并没有垂直腔面发射的激光器。
现有技术的表面波激光器均属于端发射型，由于衍射，出射激光束有较大的发散角，所以方向性差，等相位面不平坦。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种垂直腔面发射光子晶体表面波激光器及其设计方法，该激光器可垂直腔面发射，且具有很好的单模性，出射光的波阵面非常平坦。
为了解决上述技术问题，本发明采用了下述技术手段：
首先提供一种垂直腔面发射光子晶体表面波激光器的设计方法，包括如下步骤：
步骤1、选定发光材料，确定材料折射率，选择光子晶体结构类型，确定结构参数；
步骤2、利用超原胞技术和平面波展开法计算该结构的色散关系，得到表面模式，计算得到对应该表面模式的晶格周期；
步骤3、设计表面波微腔腔体，使该腔体的表面层或表面层的最近邻层具有周期性的波状起伏，所述的设计表面波微腔腔体包括以下步骤：步骤31、在选定的光子晶体的一侧从中间向下挖除一部分，两端留下的部分作为全反射镜；
步骤32、改变中间凹下部分的表面层结构，使该表面层具有表面模式；
步骤33、对中间部分的表面层或表面层的最近邻层进行周期调制，调制周期为两倍的晶格周期，使该表面层或表面层的最近邻层具有周期性的波状起伏。
进一步地，还包括：
步骤4、利用有限时域差分方法数值模拟该激光器的激射过程。
同时，本发明还提供一种垂直腔面发射光子晶体表面波激光器，其设计方法如下：步骤1、选定发光材料，确定材料折射率，选择光子晶体结构类型，确定结构参数；步骤2、利用超原胞技术和平面波展开法计算该结构的色散关系，得到表面模式，计算得到对应该表面模式的晶格周期；该垂直腔面发射光子晶体表面波激光器包括具有表面层的腔体，该设计方法还包括步骤3，在光子晶体的一侧从中间向下挖除一部分，两端留下的部分作为全反射镜；改变中间凹下部分的表面层结构，使该表面层具有表面模式；对中间部分的表面层或表面层的最近邻层进行周期调制，调制周期为两倍对应该表面模式的晶格周期，使该表面层或表面层的近邻层具有周期性的波状起伏。
进一步地，所述的周期性波状起伏是指在中间部分的表面层每隔一个介质柱沿垂直腔面方向向上或向下微小移动一定距离。
进一步地，所述的周期性波状起伏是指在中间部分表面层的最近邻层每隔一个介质柱沿垂直腔面方向向上或向下微小移动一定距离。
本发明适当改变光子晶体表面层或表面层的近邻层结构，使表面层或表面层的近邻层具有周期性的波状起伏，从而改变表面波激光器的发射方向，由原来的端发射转变为垂直腔面发射，而且出射光的等相位面非常平坦。本发明的激光器具有单模性好，品质因子高，方向性好，体积小，易集成等优点。该技术设计思路简单，集成性好，适用范围广，可以使用任意发光材料构成一维(多层膜)、二维、三维(包括二维周期的薄板结构)光子晶体，而且光子晶体的结构可以是任意类型。可根据不同材料的发光特性设计不同波段的表面波激光器，特别是用半导体材料设计光通讯波段的光源器件具有更重要的实用价值。
为了解决上述技术问题，本发明采用了下述技术手段：
首先提供一种垂直腔面发射光子晶体表面波激光器的设计方法，包括如下步骤：
步骤1、选定发光材料，确定材料折射率，选择光子晶体结构类型，确定结构参数；
步骤2、利用超原胞技术和平面波展开法计算该结构的色散关系，得到表面模式，计算得到对应该表面模式的晶格周期；
步骤3、设计表面波微腔腔体，使该腔体的表面层或表面层的最近邻层具有周期性的波状起伏，所述的设计表面波微腔腔体包括以下步骤：步骤31、在选定的光子晶体的一侧从中间向下挖除一部分，两端留下的部分作为全反射镜；
步骤32、改变中间凹下部分的表面层结构，使该表面层具有表面模式；
步骤33、对中间部分的表面层或表面层的最近邻层进行周期调制，调制周期为两倍的晶格周期，使该表面层或表面层的最近邻层具有周期性的波状起伏。
进一步地，还包括：
步骤4、利用有限时域差分方法数值模拟该激光器的激射过程。
同时，本发明还提供一种垂直腔面发射光子晶体表面波激光器，其设计方法如下：步骤1、选定发光材料，确定材料折射率，选择光子晶体结构类型，确定结构参数；步骤2、利用超原胞技术和平面波展开法计算该结构的色散关系，得到表面模式，计算得到对应该表面模式的晶格周期；该垂直腔面发射光子晶体表面波激光器包括具有表面层的腔体，该设计方法还包括步骤3，在光子晶体的一侧从中间向下挖除一部分，两端留下的部分作为全反射镜；改变中间凹下部分的表面层结构，使该表面层具有表面模式；对中间部分的表面层或表面层的最近邻层进行周期调制，调制周期为两倍对应该表面模式的晶格周期，使该表面层或表面层的近邻层具有周期性的波状起伏。
进一步地，所述的周期性波状起伏是指在中间部分的表面层每隔一个介质柱沿垂直腔面方向向上或向下微小移动一定距离。
进一步地，所述的周期性波状起伏是指在中间部分表面层的最近邻层每隔一个介质柱沿垂直腔面方向向上或向下微小移动一定距离。
本发明适当改变光子晶体表面层或表面层的近邻层结构，使表面层或表面层的近邻层具有周期性的波状起伏，从而改变表面波激光器的发射方向，由原来的端发射转变为垂直腔面发射，而且出射光的等相位面非常平坦。本发明的激光器具有单模性好，品质因子高，方向性好，体积小，易集成等优点。该技术设计思路简单，集成性好，适用范围广，可以使用任意发光材料构成一维(多层膜)、二维、三维(包括二维周期的薄板结构)光子晶体，而且光子晶体的结构可以是任意类型。可根据不同材料的发光特性设计不同波段的表面波激光器，特别是用半导体材料设计光通讯波段的光源器件具有更重要的实用价值。
附图说明
图1二维光子晶体表面波微腔结构及超原胞结构示意图，该腔的表面层被周期调制；
图2二维光子晶体表面波微腔结构示意图，该腔表面层的最近邻层被周期调制；
图3二维正方晶格柱状结构TM模式色散曲线示意图；
图4表面层调制型激光器稳定工作时电场的瞬态分布图；
图5表面层调制型激光器腔外一点电场随时间变化图；
图6表面层调制型激光器稳定工作时的频谱图；
图7表面层的最近邻层调制型激光器稳定工作时电场的瞬态分布图；
图8表面层的最近邻层调制型激光器腔外一点电场随时间变化图；
图9表面层的最近邻层调制型激光器稳定工作时的频谱图。
图2二维光子晶体表面波微腔结构示意图，该腔表面层的最近邻层被周期调制；
图3二维正方晶格柱状结构TM模式色散曲线示意图；
图4表面层调制型激光器稳定工作时电场的瞬态分布图；
图5表面层调制型激光器腔外一点电场随时间变化图；
图6表面层调制型激光器稳定工作时的频谱图；
图7表面层的最近邻层调制型激光器稳定工作时电场的瞬态分布图；
图8表面层的最近邻层调制型激光器腔外一点电场随时间变化图；
图9表面层的最近邻层调制型激光器稳定工作时的频谱图。
具体实施方式
下面通过两个具体实施例来说明本发明的垂直腔面发射光子晶体表面波激光器的设计方法，
1、选定发光材料，确定材料折射率，选择光子晶体结构类型，确定结构参数；本发明具体实施例中选用半导体发光材料InGaAsP，折射率为n＝3.4，其中心波长为1.55μm，是目前广泛应用光通信波段，而且这种材料的制备技术成熟。由这种半导体介质柱构造光子晶体表面波腔体(如图1所示，介质柱的轴线沿z轴方向，表面沿x轴方向，y轴垂直腔面)：所述腔体是由多个介质柱组成的二维正方晶格结构，表面层介质柱的半径为r2＝0.1a，其它介质柱的半径为r1＝0.2a，这里a是晶格周期，暂为变量。
2、利用超原胞技术和平面波展开法计算该结构的色散关系，得到表面模式：
本发明选择的超原胞结构，大小为1a×20a。如图1所示，x方向上为一个晶格周期a，y方向上选择周期为h1+h2＝20a，其中光子晶体表面层以上为空气层，高度为h1＝10a；表面波既不能在光子晶体中传播也不能在空气中传播，所以这些表面模式应该处于光子晶体带隙中，且不满足空气中的传播模式。根据这一限定条件，我们可以在其色散曲线上找到相应的表面模式，即图3中带隙内的粗虚线就代表了该结构具有的表面波。其频率范围是(0.287c/a、0.424c/a)，c为真空中光速。由于带边态具有很小的群速度，有利于提高激光腔的品质因子。这里我们选择表面波f＝0.3914c/a附近的带边模式为激光器的工作频率。根据InP发光材料的中心波长λ＝1.55μm，我们可以确定光子晶体的晶格周期为a＝0.61μm。
3、设计表面波微腔腔体，并使该腔体的表面层或表面层的最近邻层具有周期性的波状起伏：
图1为本发明的一个具体实例，腔体表面层具有周期性的波状起伏，图2为本发明的另一个具体实例，腔体表面层的最近邻层具有周期性的波状起伏，体系大小都为26a×13a。
首先、在选定的光子晶体的一侧从中间向下挖除几排介质柱，两端留下的部分作为全反射镜；微腔腔体的腔长为L1＝26a，表面一层的长度为L2＝20a，腔的高度为h2+h3＝12a，表面层中心到腔顶的高度为h3＝2a，到腔底的距离为h2＝10a，端面反射镜的高度为h3＝2a。
其次、改变中间凹下部分的表面层介质柱的半径，使其小于其他介质柱的半径；本具体实施例中改变中间凹下的表面层介质柱的半径为0.1a。
最后、对中间部分的表面层和表面层的最近邻层分别进行周期调制，即每隔一个介质柱沿垂直腔面方向向上或向下微小移动一定距离(在本具体实施例中该距离为0.1a)，从而使该表面层和表面层的最近邻层具有周期性的波状起伏，从而得到如图1、2所示的微腔结构。这样表面层和表面层的最近邻层就具有调制周期Λ＝2a。带边态的Bloch波矢kx＝π/a，相应的波长λx＝2a，而调制周期Λ＝2a满足表面波的零角度衍射条件，所以激光能够定向出射，即垂直腔面发射。然而这种微调不会严重影响腔结构，也即表面态不会严重漂移。根据以上设计思路，我们得到两种垂直腔面发射的二维光子晶体表面波激光器。
4、利用有限时域差分方法数值模拟激光器的激射过程，验证我们设计的正确性：
验证的结果如4～9所示：图4、7为两个激光器稳定起振后的瞬时电场空间分布。从图上可以清楚的看到激光是垂直于腔面发射，且具有非常平坦的波阵面。图5、8为两激光器垂直腔面上空间一点的电场随时间的变化关系E(t)。从图上可以看出两激光器都是单模起振。根据E(t)对应的傅立叶频谱，如图6、9所示，可知两激光器的激射波长分别为1.568μm和1.573μm。从这些图上可以看出，该类型激光器实现了垂直腔面发射，且具有很好的单模性，出射光的波阵面非常平坦。
上面描述的是本发明的两个较佳的具体实施例，本发明的保护范围并不局限于上述具体实施例，比如，对表面层或表面层近邻层的周期调制还可以采用其他方式，例如对于空气孔可以是每隔一个孔切掉不同的程度。比如，不一定非得使表面层介质柱的半径小于其他介质柱的半径，只需是表面层介质柱不同于其它介质柱均可实现同样的效果，包括半径不同、折射率不同或形状不同。
1、选定发光材料，确定材料折射率，选择光子晶体结构类型，确定结构参数；本发明具体实施例中选用半导体发光材料InGaAsP，折射率为n＝3.4，其中心波长为1.55μm，是目前广泛应用光通信波段，而且这种材料的制备技术成熟。由这种半导体介质柱构造光子晶体表面波腔体(如图1所示，介质柱的轴线沿z轴方向，表面沿x轴方向，y轴垂直腔面)：所述腔体是由多个介质柱组成的二维正方晶格结构，表面层介质柱的半径为r2＝0.1a，其它介质柱的半径为r1＝0.2a，这里a是晶格周期，暂为变量。
2、利用超原胞技术和平面波展开法计算该结构的色散关系，得到表面模式：
本发明选择的超原胞结构，大小为1a×20a。如图1所示，x方向上为一个晶格周期a，y方向上选择周期为h1+h2＝20a，其中光子晶体表面层以上为空气层，高度为h1＝10a；表面波既不能在光子晶体中传播也不能在空气中传播，所以这些表面模式应该处于光子晶体带隙中，且不满足空气中的传播模式。根据这一限定条件，我们可以在其色散曲线上找到相应的表面模式，即图3中带隙内的粗虚线就代表了该结构具有的表面波。其频率范围是(0.287c/a、0.424c/a)，c为真空中光速。由于带边态具有很小的群速度，有利于提高激光腔的品质因子。这里我们选择表面波f＝0.3914c/a附近的带边模式为激光器的工作频率。根据InP发光材料的中心波长λ＝1.55μm，我们可以确定光子晶体的晶格周期为a＝0.61μm。
3、设计表面波微腔腔体，并使该腔体的表面层或表面层的最近邻层具有周期性的波状起伏：
图1为本发明的一个具体实例，腔体表面层具有周期性的波状起伏，图2为本发明的另一个具体实例，腔体表面层的最近邻层具有周期性的波状起伏，体系大小都为26a×13a。
首先、在选定的光子晶体的一侧从中间向下挖除几排介质柱，两端留下的部分作为全反射镜；微腔腔体的腔长为L1＝26a，表面一层的长度为L2＝20a，腔的高度为h2+h3＝12a，表面层中心到腔顶的高度为h3＝2a，到腔底的距离为h2＝10a，端面反射镜的高度为h3＝2a。
其次、改变中间凹下部分的表面层介质柱的半径，使其小于其他介质柱的半径；本具体实施例中改变中间凹下的表面层介质柱的半径为0.1a。
最后、对中间部分的表面层和表面层的最近邻层分别进行周期调制，即每隔一个介质柱沿垂直腔面方向向上或向下微小移动一定距离(在本具体实施例中该距离为0.1a)，从而使该表面层和表面层的最近邻层具有周期性的波状起伏，从而得到如图1、2所示的微腔结构。这样表面层和表面层的最近邻层就具有调制周期Λ＝2a。带边态的Bloch波矢kx＝π/a，相应的波长λx＝2a，而调制周期Λ＝2a满足表面波的零角度衍射条件，所以激光能够定向出射，即垂直腔面发射。然而这种微调不会严重影响腔结构，也即表面态不会严重漂移。根据以上设计思路，我们得到两种垂直腔面发射的二维光子晶体表面波激光器。
4、利用有限时域差分方法数值模拟激光器的激射过程，验证我们设计的正确性：
验证的结果如4～9所示：图4、7为两个激光器稳定起振后的瞬时电场空间分布。从图上可以清楚的看到激光是垂直于腔面发射，且具有非常平坦的波阵面。图5、8为两激光器垂直腔面上空间一点的电场随时间的变化关系E(t)。从图上可以看出两激光器都是单模起振。根据E(t)对应的傅立叶频谱，如图6、9所示，可知两激光器的激射波长分别为1.568μm和1.573μm。从这些图上可以看出，该类型激光器实现了垂直腔面发射，且具有很好的单模性，出射光的波阵面非常平坦。
上面描述的是本发明的两个较佳的具体实施例，本发明的保护范围并不局限于上述具体实施例，比如，对表面层或表面层近邻层的周期调制还可以采用其他方式，例如对于空气孔可以是每隔一个孔切掉不同的程度。比如，不一定非得使表面层介质柱的半径小于其他介质柱的半径，只需是表面层介质柱不同于其它介质柱均可实现同样的效果，包括半径不同、折射率不同或形状不同。