用于显示和成像的光子晶体激光器

摘要

一种用于显示和成像的光子晶体激光器，包括：光子晶体；以该光子晶体为切口的圆盘状的混沌模式共振腔。本发明能够克服单独切口圆盘腔由于支持多个混沌模式造成出射无主方向的瓶颈问题，实现既有低相干性又有高方向性的圆盘形的光子晶体激光器，以降低直至消除激光显示和成像中出现的散斑效应，同时具有较高亮度。

权利要求

1.一种用于显示和成像的光子晶体激光器，包括：

光子晶体；

以该光子晶体为切口的圆盘状的混沌模式共振腔；

通过采用光子晶体Γ处的Dirac点及附近的工作频率来调整激光出射的方向性。

2.根据权利要求1所述的用于显示和成像的光子晶体激光器，其中，所述混沌模式共振腔的半径为R，光子晶体到混沌模式共振腔的圆心的距离D，光子晶体单元半径为r，周期为d，混沌模式数由R和D决定，光子晶体反射和准直波长由r和d决定。

3.根据权利要求1所述的用于显示和成像的光子晶体激光器，其中，所述光子晶体为四方晶格、六角晶格、介质柱结构或者空气孔结构。

4.根据权利要求1所述的用于显示和成像的光子晶体激光器，其中，所述光子晶体激光器的工作波长范围自可见光到近中红外。

5.一种用于显示和成像的光子晶体激光器的制备方法，包括：以光子晶体为切口制备一个圆盘状的混沌模式共振腔；

其中，该光子晶体激光器产生的激光出射的方向性根据光子晶体Γ处的Dirac点及附近的频率变化而变化。

6.根据权利要求5所述的用于显示和成像的光子晶体激光器的制备方法，其中，所述混沌模式共振腔和光子晶体采用深刻蚀工艺，刻蚀深度接近有源区或超过有源区，以形成对混沌模式的有效约束和调控，防止侧面或衬底的泄漏损耗。

7.根据权利要求6所述的用于显示和成像的光子晶体激光器的制备方法，其中，所述深刻蚀指在所述混沌模式共振腔进行平滑的圆形腔面刻蚀以及光子晶体切口的刻蚀。

8.根据权利要求5所述的用于显示和成像的光子晶体激光器的制备方法，其中，在所述混沌模式共振腔的侧面还生长反馈泄漏场的材料，所述反馈泄漏场的材料包括氧化硅、氮化硅和金。

9.根据权利要求5所述的用于显示和成像的光子晶体激光器的制备方法，其中，通过电注入方式，在所述混沌模式共振腔的上表面制作电极。

说明书

用于显示和成像的光子晶体激光器

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体激光器、光子晶体人工微结构及激光显示和成像技术领域，特别涉及一种用于显示和成像的光子晶体激光器。

背景技术

[0002] 激光具有发射线宽窄、光谱纯，具有高色域覆盖率、高饱和度、长寿命等特点，色域可覆盖达到人眼能识别色彩空间的90％以上，因此激光显示作为新一代的显示技术，被称为“人类视觉史上的革命”。

[0003] 在激光显示和成像系统中，激光光源是必不可少的关键组成部分之一，它的发展制约着激光显示和成像的发展。激光光源具有很好的时空相干性。时间相干性好源于单色性好，单色性好意味着色域大、色纯度高，但也有其弊端——容易产生散斑和干涉/衍射条纹。散斑的存在严重影响了照明光斑的均匀性和图像显示质量，需要尽量消除或降低。

[0004] 降低光源的相干性是抑制散斑的一个主要方法，包括降低光源的时间相干性和空间相干性。一些专利运用了激光光源谱线增宽的方法，对激光谐振腔内或腔镜调制使激光纵模随时变化以及声光耦合、参量振荡、超短脉冲增加谱线宽度等，这些方法比较受限于带宽、成本、体积等因素。最新的混沌腔技术虽使散斑对比度降低到了3％，但激光出射的方向性非常差，需要外接光纤耦入测试。而我们设计的激光器既可以实现低的相干性也能实现高方向性输出，不需额外的光路准直器件或者光纤。

发明内容

[0005] (一)要解决的技术问题

[0006] 鉴于上述问题，本发明的主要目的在于设计了一种简单易集成、电注入的低相干性高方向性光子晶体激光器，解决激光显示和成像中的散斑效应问题以及引入的光路消散斑系统使得显示和成像系统尺寸大的问题和低相干性半导体激光光源的方向性差的问题。

[0007] (二)技术方案

[0008] 本发明实施例提供了一种用于显示和成像的光子晶体激光器，包括：

[0009] 光子晶体；

[0010] 以该光子晶体为切口的圆盘状的混沌模式共振腔。

[0011] 在本发明的一些实施例中，所述混沌模式共振腔的半径为R，光子晶体到混沌模式共振腔的圆心的距离D，光子晶体单元半径为r，周期为d，混沌模式数由R和D决定，光子晶体反射和准直波长由r和d决定。

[0012] 在本发明的一些实施例中，所述光子晶体为四方晶格、六角晶格、介质柱结构或者空气孔结构。

[0013] 在本发明的一些实施例中，通过采用光子晶体Γ处的Dirac点及附近的工作频率来调整激光出射的方向性。

[0014] 在本发明的一些实施例中，所述光子晶体激光器的工作波长范围自可见光到近中红外。

[0015] 本发明实施例还提供了一种用于显示和成像的光子晶体激光器的制备方法，包括：

[0016] 以光子晶体为切口制备一个圆盘状的混沌模式共振腔。

[0017] 在本发明的一些实施例中，所述混沌模式共振腔和光子晶体采用深刻蚀工艺，刻蚀深度接近有源区或超过有源区，以形成对混沌模式的有效约束和调控，防止侧面或衬底的泄漏损耗。

[0018] 在本发明的一些实施例中，所述深刻蚀指在所述混沌模式共振腔进行平滑的圆形腔面刻蚀以及光子晶体切口的刻蚀。

[0019] 在本发明的一些实施例中，在所述混沌模式共振腔的侧面还生长反馈泄漏场的材料，所述反馈泄漏场的材料包括氧化硅、氮化硅和金。

[0020] 在本发明的一些实施例中，通过电注入方式，在所述混沌模式共振腔的上表面制作电极。

[0021] (三)有益效果

[0022] 从上述技术方案可以看出，本发明的相较于现有技术，至少具有以下优点：

[0023] 1.本发明能够克服单独切口圆盘腔由于支持多个混沌模式造成出射无主方向的瓶颈问题，实现既有低相干性又有高方向性的圆盘形的光子晶体激光器，以降低直至消除激光显示和成像中出现的散斑效应，同时具有较高亮度；

[0024] 2.本发明的用于显示和成像的光子晶体激光器由切口圆盘和光子晶体构成，光子晶体对不同入射角度光的反射等效为切口圆盘共振腔的腔面，支持多个混沌模式的激射，降低了激光的相干性；

[0025] 3.本发明利用光子晶体Γ处的Dirac点及其附近的工作频率，对于非垂直入射的光反射大甚至可达到全反射，对于垂直入射的光部分反射部分透射，这种准直传输效果使得激光出射具有高的方向性；

[0026] 4.本发明不需额外的光路准直器件或者光纤，整体尺度在几十微米量级，对于发展无散斑的片上集成显示和成像光源芯片具有潜在的应用价值。

附图说明

[0027] 图1为本发明设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器的结构示意图；

[0028] 图2为本发明设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器的共振谱图(半高宽7nm)；

[0029] 图3为本发明设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器波长625nm的模场分布图；

[0030] 图4为本发明设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器波长620nm的模场分布图；

[0031] 图5为本发明设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器波长627nm的模场分布图；

[0032] 图6为本发明设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器波长625nm的模场在不同水平位置处的光强分布图，(1)为3微米，(2)为7微米；

[0033] 图7为本发明设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器波长620nm的模场在不同水平位置处的光强分布图，(1)为3微米，(2)为7微米；

[0034] 图8为本发明设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器波长627nm的模场在不同水平位置处的光强分布图，(1)为3微米，(2)为7微米。

具体实施方式

[0035] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

[0036] 图1为本发明设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器结构示意图，如图1所示，该光子晶体激光器包括：光子晶体；以该光子晶体为切口的圆盘状的混沌模式共振腔。光子晶体在切口处充当反射器和准直器。圆盘的半径为R，切口到圆心的距离为D，切口处光子晶体为按正方晶格排列的周期性介质柱结构，半径为r，周期为d。材料与圆盘相同，可利用同一晶片采用电子束曝光和感应耦合等离子体刻蚀制作。在本发明实施例中，没置的参数为R＝10μm，D＝8.4μm，r＝68.7nm，d＝343.5nm，材料折射率为n＝3.536，在其他实施例中可以根据实际情况进行调整。

[0037] 其中，光子晶体可以为四方晶格、六角晶格、介质柱结构或者空气孔结构，可以根据实际情况进行选择。

[0038] 该光子晶体激光器产生的激光出射的方向性根据光子晶体Γ处的Dirac(狄拉克)点及附近的频率变化而变化，也就是说，可以通过采用光子晶体Γ处的Dirac点及附近的工作频率来调整激光出射的方向性，从而达到改善的效果。且该光子晶体激光器的工作波长范围自可见光到近中红外。

[0039] 所述的光子晶体激光器可以采用多量子阱或单量子阱作为有源区，对有源材料没有具体限制。

[0040] 本发明实施例还提供了一种用于显示和成像的光子晶体激光器的制备方法，包括：

[0041] 以光子晶体为切口制备一个圆盘状的混沌模式共振腔。

[0042] 其中，所述混沌模式共振腔和光子晶体可以采用深刻蚀工艺，刻蚀深度接近有源区或超过有源区，以形成对混沌模式的有效约束和调控，防止侧面或衬底的泄漏损耗。深刻蚀指在所述混沌模式共振腔进行平滑的圆形腔面刻蚀以及光子晶体切口的刻蚀。

[0043] 还需说明的是，在所述混沌模式共振腔的侧面还可以生长反馈泄漏场的材料，所述反馈泄漏场的材料包括但不限于氧化硅、氮化硅和金。

[0044] 在本发明的一些实施例中，可以通过电注入方式，在所述混沌模式共振腔的上表面制作电极。

[0045] 图2为本发明设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器的共振谱图(半高宽7nm)，与单独的切口圆盘共振腔相比，在同一中心工作波长(625nm)下，仅仅减小了1nm(经计算切口圆盘共振腔半高宽为8nm)，虽使得所设计的激光器结构支持的混沌模式数略有下降，但仍维持了低相干性。

[0046] 图3为本发明设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器波长625nm的模场分布图，在切口圆盘共振腔内呈现典型的混沌模场分布，是因为光子晶体对于非垂直入射的光反射大甚至可达到全反射；切口圆盘共振腔周围有大范围的泄漏场，这体现了混沌模式缺乏主方向的本质特征，可以通过平滑的圆形腔面刻蚀改善，还可以通过侧面生长氧化硅或氮化硅以及金等反馈泄漏场；而对于垂直入射的光部分反射部分透射，因此对从光子晶体出射的光有天然的准直效果，光子晶体同时起到了反射器和准直器的作用。

[0047] 图4为本发明设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器波长620nm的模场分布图，图5为本发明设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器波长627nm的模场分布图，如图4和图5所示，这两个模式处于共振谱半高宽的边界波长，光子晶体对于输出光仍具有良好的准直效果。

[0048] 图6、图7和图8分别示出了本发明设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器波长625nm、620nm和627nm的模场在3um和7um位置处的光强分布，用以判断光子晶体输出激光的准直方向性。纵坐标Y表示垂直方向的位置坐标，与模场分布图(图3、图4和图5)的纵坐标Z相同，横坐标表示相对光强。随着输出激光在模场分布图中横坐标X从3um到7um距离范围内的演化，中心波长625nm的模式光场准直特性最好，对应表1(本发明设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器出射光强最大值点的方位差和相对强度差的表格)中光强最大值点垂直方位差为0，即最大值点在垂直方向没有偏移，光强相对强度差仅为0.001，从而激光输出具有高方向性。中心波长627nm和620nm的模式光场准直特性次之，因对应表1中光强最大值点垂直方位差分别为0.159和0.237。

[0049] 表1

[0050]

[0051] 综上，本发明提供的用于显示和成像的光子晶体激光器及制备方法，以光子晶体为切口制备一个圆盘状的混沌模式共振腔，能够克服单独切口圆盘腔由于支持多个混沌模式造成出射无主方向的瓶颈问题，实现既有低相干性又有高方向性的圆盘形的光子晶体激光器，以降低直至消除激光显示和成像中出现的散斑效应，同时具有较高亮度。

[0052] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案、和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

[0053] 除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

[0054] 再者，“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

[0055] 说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

[0056] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。