CN101499622A - 高偏振单偶极模的光子晶体微腔结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高偏振单偶极模的光子晶体微腔结构，该结构采用准三维的光子晶体薄板结构，由形成于半导体材料薄板上的空气孔构成，该结构的中心为缺陷腔，与缺陷腔最邻近六个空气孔的半径小于其他空气孔的半径，该结构在半导体材料薄板平面的纵向(y方向)上进行了拉伸。利用本发明，能够获得高偏振的单偶极模，并且在工艺上也较为容易实现。
Description
技术领域
本发明涉及光学微腔，尤其涉及一种高偏振单偶极模的光子晶体微腔结构。
背景技术
激光技术和探测技术已经广泛应用于军事、医疗、通讯、多媒体等技术领域。而光子晶体微腔已经成为实现激光器和探测器的重要手段之一，特别是在实现小体积、低阈值的激光器中和高精度探测器上，光子晶体微腔更是不可或缺。
光子晶体是一种折射率周期性变化的结构，缺陷腔的引入可使光子带隙中出现某些模式，利用腔对腔模的限制作用可以实现模式的激射或是模式的耦合探测。腔模的特性取决于微腔的结构，因此所得到的激光特性或是探测性能也就取决于腔的设计。
光子晶体微腔设计有过很多报道，也有各种方法用以控制偏振特性。在VCSEL中引入椭圆孔的光子晶体可以实现对出射激光偏振特性的控制，另外，O.painter等人在文献：“Oskar Painter and Kartik Srinivasan，“Polarization properties of dipolelike defect modes in photonic crystalnanocavities”，Opt.Lett 27，339-341，2002”中也报道过具有消光比为25：1的x-dipole模式的三角晶格微腔。由于在工艺实现上会存在一定的误差，孔的形状会对结果有影响，而采用圆形的孔相对来说效果更佳，因此圆孔型的光子晶体微腔更适合实现高偏振的单模微腔。
由于高偏振单模的要求，模式的选择就很重要，而且为了能够使模式在腔中形成振荡，模式也必须具有高的品质因子，这些都对光子晶体微腔结构的设计提出了要求。因此，要合理的设计微腔的结构，使得在工艺上能够较容易的获得理想性能的结构。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明提供了一种高偏振单偶极模的光子晶体微腔结构，解决了光子晶体微腔的设计问题，达到了高偏振单偶极模激射和高光谱分辨率和高偏振分辨率探测的目的。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种高偏振单偶极模的光子晶体微腔结构，该结构采用准三维的光子晶体薄板结构，由形成于半导体材料薄板上的空气孔构成，该结构的中心为缺陷腔，与缺陷腔最邻近六个空气孔的半径小于其他空气孔的半径，该结构在半导体材料薄板平面的纵向进行了拉伸。
优选地，该结构是三角晶格空气孔结构。
优选地，所述缺陷腔是通过去除中心空气孔实现的。
优选地，所述半导体材料为有源高介质折射率材料，其模式的波长范围可覆盖近紫外到红外波段，该有源高介质折射率材料为III至V族半导体量子阱或量子点材料，或者为II至VI族半导体材料。
优选地，所述III至V族半导体量子阱或量子点材料为GaN/AlGaN材料、GaAs/AlGaAs材料或InP/InGaAsP材料；所述II至VI族半导体材料为ZnO材料。
优选地，该结构具有两种不同频率的高偏振模式，并且偏振方向相互垂直。
优选地，所述三角晶格空气孔结构的周期a，空气孔半径r＝0.3a，与缺陷腔最邻近六个空气孔的半径r2＝0.7r，在空气孔所在平面的纵向上拉伸了δ＝1.1倍，半导体材料薄板的厚度d＝0.55a。
优选地，所述空气孔所在平面的纵向为y方向。
优选地，所述半导体材料薄板平面的纵向为y方向。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种高偏振单偶极模的光子晶体微腔结构，由于针对缺陷腔邻近的孔进行了修正，提高了腔中偶极模的品质因子，在激光器应用方面，更容易实现模式的激射，在光探测应用方面，提高了探测的光谱分辨率。
2、本发明提供的这种高偏振单偶极模的光子晶体微腔结构，在一个方向上进行了晶格拉伸，因此能够实现偶极模的分离，在激光器应用方面，将得到单模激射，同时由于偶极模本身的高偏振特性，因此能够获得高偏振的单偶极模激射，在光探测方面，将实现有偏振选择的探测，提高了探测的光谱分辨率和偏振分辨率。
3、本发明提供的这种高偏振单偶极模的光子晶体微腔结构，其选用的材料范围广泛，模式波长范围覆盖近紫外到红外波段。因此能够在很宽的波段实现激光和探测。
4、本发明提供的这种高偏振单偶极模的光子晶体微腔结构，采用的空气孔为圆形，这从工艺实现上来说，生成的误差相对较小。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1为本发明提供的高偏振单偶极模光子晶体微腔的结构示意图；其中图1(a)为本发明提供的光子晶体微腔结构的俯视图，图1(b)为其的薄板结构的立体图。
图2为采用InP/InGaAsP材料作为有源层时得到的波长谱，此时微腔的模式处在红外波段。
图3为沿x方向偏振模式在薄板外的电场分布；图3(a)为薄板外辐射场中x方向偏振电场Ex的场分布，图3(b)为薄板外辐射场中y方向偏振电场Ey的分布。
图4为沿y方向偏振模式在薄板外的电场分布；图4(a)为薄板外辐射场中x方向偏振电场Ex的场分布，图4(b)为薄板外辐射场中y方向偏振电场Ey的分布。
图5为采用ZnO材料作为有源层时得到的波长谱，此时微腔的模式处于近紫外波段。
具体实施方式
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。
如图1所示，图1(a)为本发明提供的光子晶体微腔结构的俯视图，图1(b)为其的薄板结构的立体图。该光子晶体微腔采用准三位的光子晶体薄板结构，并在结构上做了一系列修正。
该结构是三角晶格空气孔结构，采用准三维的光子晶体薄板结构，由形成于半导体材料薄板上的空气孔构成，该结构的中心为缺陷腔，与缺陷腔最邻近六个空气孔的半径小于其他空气孔的半径，该结构在半导体材料薄板平面的纵向(y方向)上进行了拉伸。
所述的半导体材料为任意有源高介质折射率材料，如III—V族半导体量子阱或量子点材料如GaN/AlGaN材料，GaAs/AlGaAs材料，或InP/InGaAsP材料、II—VI族半导体材料如ZnO材料等，其模式的波长范围可覆盖近紫外到红外波段。
该结构可以具有两种不同频率的高偏振模式，并且偏振方向相互垂直。
如图1(b)所示，微腔的准三位光子晶体薄板结构的周期为a，空气孔半径为r，缺陷腔邻近孔半径修正后为r2，板的厚度为d，并沿y方向拉伸到原来δ倍。在这样的一个腔结构中，存在简并分离的两个偶极模，这两个模式都具有良好的偏振特性，它们的偏振方向分别沿x方向和y方向，调节周期a可以控制模式的波长。
基于图1所述的这种高偏振单偶极模的光子晶体微腔，以下结合具体的实施例对本发明提供的高偏振单偶极模的光子晶体微腔进一步详细说明。
实施例一
本实例中高偏振单偶极模光子晶体微腔中选用的是InP/InGaAsP材料，其增益峰在红外波段。三角晶格空气孔结构的周期a＝0.415μm，空气孔半径r＝0.3a，与缺陷腔最邻近六个空气孔的半径r2＝0.7r，在空气孔所在平面的纵向(y方向)上拉伸了δ＝1.1倍，半导体材料薄板的厚度d＝0.55a。
如图2所示，微腔中存在简并分离的两个偶极模。(1)偶极模为偏振沿x方向的TE模式。相应的模式波长为1.51μm。如图3所示，(a)、(b)分别为其薄板外辐射场中x方向偏振电场Ex和y方向偏振Ey的场分布，Ex分量远远强于Ey分量，因此可得到沿x方向偏振的单偶极模。
(2)选用的偶极模为偏振沿y方向的TE模式，此时相应的模式波长为1.446μm。图3(a)、(b)分别为其薄板外辐射场中沿x方向偏振电场Ex和y方向偏振Ey的场分布，Ey分量远远强于Ex分量，因此可得到沿y方向偏振的单偶极模。在此条件下，可以实现红外激光或是红外探测。
实施例二
本实例中高偏振单偶极模光子晶体微腔中选用的材料为ZnO材料，其增益峰在近紫外波段。周期为a＝0.160μm，空气孔半径r＝0.3a，缺陷邻近孔的半径r2＝0.7r，薄板的厚度d＝0.55a，并沿y方向拉伸到原来δ＝1.1倍。偶极模为偏振沿x方向的TE模式，如图5所示，在此条件下，相应的模式波长为0.38μm。在此条件下，可以实现紫外激光或是紫外探测。
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。
Claims (9)
1、一种高偏振单偶极模的光子晶体微腔结构，其特征在于，该结构采用准三维的光子晶体薄板结构，由形成于半导体材料薄板上的空气孔构成，该结构的中心为缺陷腔，与缺陷腔最邻近六个空气孔的半径小于其他空气孔的半径，该结构在半导体材料薄板平面的纵向进行了拉伸。
2、根据权利要求1所述的高偏振单偶极模的光子晶体微腔结构，其特征在于，该结构是三角晶格空气孔结构。
3、根据权利要求1所述的高偏振单偶极模的光子晶体微腔结构，其特征在于，所述缺陷腔是通过去除中心空气孔实现的。
4、根据权利要求1所述的高偏振单偶极模的光子晶体微腔结构，其特征在于，所述半导体材料为有源高介质折射率材料，其模式的波长范围可覆盖近紫外到红外波段，该有源高介质折射率材料为III至V族半导体量子阱或量子点材料，或者为II至VI族半导体材料。
5、根据权利要求4所述的高偏振单偶极模的光子晶体微腔结构，其特征在于，所述III至V族半导体量子阱或量子点材料为GaN/AlGaN材料、GaAs/AlGaAs材料或InP/InGaAsP材料；所述II至VI族半导体材料为ZnO材料。
6、根据权利要求1所述的高偏振单偶极模的光子晶体微腔结构，其特征在于，该结构具有两种不同频率的高偏振模式，并且偏振方向相互垂直。
7、根据权利要求1所述的高偏振单偶极模的光子晶体微腔结构，其特征在于，所述三角晶格空气孔结构的周期a，空气孔半径r＝0.3a，与缺陷腔最邻近六个空气孔的半径r2＝0.7r，在空气孔所在平面的纵向拉伸了δ＝1.1倍，半导体材料薄板的厚度d＝0.55a。
8、根据权利要求7所述的高偏振单偶极模的光子晶体微腔结构，其特征在于，所述空气孔所在平面的纵向为y方向。
9、根据权利要求1所述的高偏振单偶极模的光子晶体微腔结构，其特征在于，所述半导体材料薄板平面的纵向为y方向。
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