CN101335426A - 光子晶体自准直激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了两种光子晶体自准直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.利用平面波展开法计算该结构的色散关系得到自准直模式，即自准直激光器的工作频率；步骤3.利用光子晶体－空气界面或线缺陷作为全反射或部分反射镜设计平行平面腔、单环形和多环形腔结构；该方法设计思路简单，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自准直光子晶体激光器，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。

Description

光子晶体自准直激光器

技术领域

本发明提供了一种光子晶体自准直激光器及其设计方法，包括结构参数设计和激光腔设计，属于光电子、光通信等技术领域。

背景技术

光子晶体，这一概念是E.Yablonovitch和S.John在二十年前提出的，它是一种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。光子晶体所具有的特殊性质，例如光子带隙，缺陷态，负折射，自准直效应等，决定了它有着广泛的应用潜力。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和三维光子晶体器件的应用步伐。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，主要包括光子晶体垂直共振腔面型激光器(PC-VCSEL)、点缺陷型激光器、线缺陷直波导型激光器、线缺陷波导环形激光器等。

不同于线缺陷型光子晶体波导机制，光子晶体自准直现象来源于光子晶体独特的色散性质，即等频图上在特定的频率区间和很大张角范围内存在着非常平坦的等频率面。由于光波能量的传播总是垂直于等频面，这一频率区间的光波在光子晶体内将只沿着垂直等频面的方向传播。如果在光子晶体中引入线缺陷，可以使自准直光束发生弯折和分束。例如，利用光子晶体-空气界面作为内全反射镜使自准直光束发生90°的弯折。对分束机制，可以利用改变两近邻光子晶体之间的距离或者线缺陷上介质柱或空气孔的半径来调节能量分束比。除自准直分束器之外，这些反射和分束机制容易用来设计其他光学器件包括有源器件。我们利用自准直效应以及这些弯折和分束机制首次设计了平行平面腔和环形腔激光器。

现有光子晶体激光器中没有利用光子晶体自准直模式设计平行平面腔型激光器。

现有的光子晶体环形激光器是利用光子晶体线缺陷构成六角形的波导环，线缺陷模作为激光器的工作模式。这种环形微腔结构的设计原理与我们的设计完全不同：我们选择光子晶体的自准直模式作为激光器工作频率，利用线缺陷作为光束的弯折和分束机制构成环形回路。现有技术也有采用光子晶体-空气界面作为全反射镜和线缺陷作为部分反射镜，但没有将反射机制和自准直效应结合起来设计光子晶体自准直环形激光器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光子晶体自准直激光器及其设计方法，该类型激光器避免了光子晶体波导型环形激光器中存在的波导耦合问题，同时激光器的出射比和方向很容易通过部分反射镜的透射比和位置来控制，并且一块光子晶体上可以形成多个环形腔，多频率激射。

所述的二维光子晶体自准直激光器设计方法，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、利用平面波展开法计算该结构的色散关系得到自准直模式，即自准直激光器的工作频率；其特征在于，还包括：

步骤3、利用光子晶体-空气界面或线缺陷作为全反射或部分反射镜设计平行平面腔、单环形和多环形腔结构；

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。

所述的引入线缺陷作为部分反射镜是指：改变光子晶体方向一排介质柱或空气孔的半径或折射率，使其不同于主体介质柱或空气孔。

所述的光子晶体-空气界面作为全反射镜可以是：沿光子晶体方向上截断的光子晶体-空气界面或光子晶体边界。

所述的光子晶体-空气界面作为全反射镜也可以是：沿光子晶体方向上挖去多排介质柱或空气柱而产生的光子晶体-空气界面。

进一步地，本发明还提供一种光子晶体自准直平行平面腔激光器，包括光子晶体、两个部分反射镜，所述的沿光子晶体(11)方向截断的光子晶体-空气界面作为端反射镜构成平行平面腔。

进一步地，本发明还提供一种光子晶体自准直单环形激光器，包括光子晶体、三个全反射镜和一个部分反射镜，所述的三个全反射和一个部分反射镜构成矩形回路腔。

此外，本发明还提供一种光子晶体自准直多环形激光器，包括光子晶体、多个全反射镜和部分反射镜，其特征在于，设有多个由三个全反射和一个部分反射镜构成的单环形腔，所述多个单环形腔相互垂直交叉分布。

进一步地，光子晶体自准直多环形激光器的特征还包括，根据部分反射镜的位置控制每个单环激光的出射方向，而且多环腔中不同长度的环形腔可产生不同频率的激光。

该自准直激光器的特点是激光束在光子晶体中自引导不需要导波结构，制作简单，一块晶体可以制作多个腔体，可以产生不同频率的激光，而且环形腔具有高品质因子。该技术设计思路简单，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自准直光子晶体自准直激光器。该方法适用于由任意发光材料构成二维、三维(包括二维周期薄板结构)光子晶体，而且晶体结构可以是任意类型，结构参数可以根据需要灵活选择。在实际应用中，特别是用半导体材料设计光通讯波段的光源器件具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是GaAs材料中空气圆孔组成的二维正方光子晶体结构示意图，a为晶格周期；

图2是该结构第一能带TM模式等频图，图中粗线表示具有自准直效应的等频线；

图3二维光子晶体自准直平行平面腔激光器结构图，左右两截断端面相互平行且作为法布里-玻罗腔的反射镜，图中颜色较深的区域代表工作物质增益区域；

图4是平行平面腔激光器稳态工作时的瞬态电场分布图；

图5是平行平面腔激光器稳态工作时的频谱图；

图6二维光子晶体自准直单环激光器结构图，图中M₁，M₂，M₃代表全反射镜，S代表部分反射镜，I₁，I₂代表激光的出射方向，图中颜色较深的区域代表增益区域；

图7是单环激光器稳态工作时的瞬态电场分布图；

图8是单环激光器稳态工作时的频谱图；

图9二维光子晶体自准直双环激光器结构图，图中全反射镜M₁₁，M₁₂，M₁₃和部分反射镜S₁构成第一个环形回路，图中全反射镜M₂₁，M₂₂，M₂₃和部分反射镜S₂构成第二个环形回路，M₁₄，M₂₄代表全反射镜，I₁，I₂代表激光的出射方向，图中颜色较深的区域代表增益区域；

图10是双环激光器稳态工作时的瞬态电场分布图；

图11是双环激光器稳态工作时的频谱图。

具体实施方式

下面通过三个具体实施例来说明本发明光子晶体自准直激光器的设计方法，

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＝3.46，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。由这种半导体介质基底上的空气孔阵列构成二维正方晶格光子晶体，如图1所示，空气孔的轴线沿z轴方向，光子晶体(11)方向沿x轴方向，空气孔半径为r₁＝0.35a，a是晶格周期，暂为变量。

2、利用平面波展开法计算该结构的色散关系得到自准直模式

用平面波展开法计算该结构TM(电场极化偏振)模式的等频图(第一个带)，如图2所示，图中粗线就代表了该结构具有的自准直频率f＝0.18c/a，c为真空中光速。根据发光材料的中心波长λ＝1.55μm可以确定光子晶体的晶格周期a＝0.18×1.55μm＝0.279μm。

3、利用光子晶体-空气界面或线缺陷作为全反射或部分反射镜设计平行平面腔、单环形和多环形腔结构：

(1)平行平面腔激光器：如图3所示，腔体由沿(11)方向截断的光子晶体-空气界面作为2个反射镜构成。腔长为 $L=27\sqrt{2}a,$ 腔体宽 $W=14\sqrt{2}a,$ 图中颜色较深的区域代表工作物质激射区域或泵浦光的照射区域，宽度为 $W_1=2\sqrt{2}a.$

(2)单环形激光器：如图6所示，利用沿(10)方向截断的光子晶体-空气界面设计3个全反射镜M₁，M₂和M₃，分别位于晶体的上、下和左侧。由于界面很宽容易形成其他环路而影响主环路，所以利用挖去部分介质减少界面宽度达到破坏其他环路的目的。部分反射镜S，即竖直方向上一排10层半径r_d＝0.4a的空气孔，位于矩形环路的另一个角上。M₁，M₂、M₃和S构成一单环形腔。腔长为 $L_1\×4=26\sqrt{2}a\×4,$ 环路宽

S右面的三角形区域为激光的输出通道，可长可短，这里为L₁/2。可以根据部分反射镜的位置灵活控制激光的出射方向，利用不同腔长产生不同频率的激光。

(3)双环形激光器：如图9所示，环形回路的设计方法与图6一样，全反射镜M₁₁，M₁₂，M₁₃和部分反射镜S₁构成第一个环形腔，全反射镜M₂₁，M₂₂，M₂₃和部分反射镜S₂构成第二个环形腔。这里关键是两个环路位置彼此错开，并且改变第一个环路的长度。第一个腔长为环路宽

第二个腔长为

环路宽

另外，为了使两环形腔的独立出射，在第一个环形腔的向上输出端和第二个环形腔的向下输出端设置全反射镜M₁₄和M₂₄。可以根据部分反射镜的位置控制每个单环激光的出射方向，还可以利用不同腔长产生不同频率的激光。

本发明中对于环形腔，发光材料的增益区域只分布在环形回路上较窄的范围，这样有利于腔模式选择，对于平行平面腔，发光材料的增益区域宽度可以只有

也可以由泵浦光照射区域来控制增益宽度为

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

依据上面设定的参数，利用有限时域差分方法进行数值模拟该三种类型激光器的激射过程。图4和图5分别是平行平面腔激光器稳定起振后的瞬时电场空间分布图和频谱图，由图5可知，激光器为单模起振。图7和图8分别是单环激光器稳定起振后的瞬时电场空间分布图和频谱图，由图8可知，激光器为多模起振。图10和图11分别是双环激光器稳定起振后的瞬时电场空间分布图和频谱图，由图11可知，激光器为多模起振，但是两个环形腔的主频率彼此错开。

Claims (9)

1、一种光子晶体自准直激光器的设计方法，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、利用平面波展开法计算该结构的色散关系得到自准直模式，即自准直激光器的工作频率；其特征在于，还包括：

步骤3、利用光子晶体-空气界面或线缺陷作为全反射或部分反射镜设计平行平面腔、单环形和多环形腔结构；

2、根据权利要求1所述的一种光子晶体自准直激光器的设计方法，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、根据权利要求1所述的光子晶体自准直激光器的设计方法，其特征在于，所述的引入线缺陷作为部分反射镜是指：改变光子晶体(10)方向上一排介质柱或空气孔的半径或折射率，使其不同于主体介质柱或空气孔。

4、根据权利要求1所述的光子晶体自准直激光器的设计方法，其特征在于，所述的光子晶体-空气界面作为全反射镜可以是：沿光子晶体(10)方向上截断的光子晶体-空气界面或光子晶体边界。

5、根据权利要求1所述的光子晶体自准直激光器的设计方法，其特征还在于，所述的光子晶体-空气界面作为全反射镜也可以是：沿光子晶体(10)方向上挖去多排介质柱或空气柱而产生的光子晶体-空气界面。

6、一种光子晶体自准直平行平面腔激光器，包括光子晶体、两个部分反射镜，其特征在于，沿光子晶体(11)方向截断的光子晶体-空气界面作为端反射镜构成平行平面腔。

7、一种光子晶体自准直单环形激光器，包括光子晶体、三个全反射镜和一个部分反射镜，其特征在于，三个全反射和一个部分反射镜构成矩形回路腔。

8、一种光子晶体自准直多环形激光器，包括光子晶体、多个全反射镜和部分反射镜，其特征在于，设有多个由三个全反射和一个部分反射镜构成的单环形腔，所述多个单环形腔相互垂直交叉分布。

9、按权利要求8所述光子晶体自准直多环形激光器，其特征在于，根据部分反射镜的位置控制每个单环激光的出射方向，而且多环腔中不同长度的环形腔可产生不同频率的激光。

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