CN101771240A - 光子晶体可调谐边发射激光器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光子晶体可调谐边发射激光器及其制作方法，该方法包括：在半导体材料上制作一二维半导体光子晶体波导；利用低群速度的导波模式使得光波在光子晶体波导内形成共振；调整光子晶体波导最近邻空气孔半径的大小，从而使得导波能带带边的频率位置发生变化；光子晶体的低群速度导波模式的共振频率发生变化；泵浦光子晶体波导不同的位置，不同波长的增益得到增强，获得边发射光子晶体激光的可调谐输出。该光子晶体可调谐边发射激光器包括：一二维薄板结构的光子晶体边发射可调谐激光器；和一用于泵浦所述激光器的泵浦源。本发明提供的光子晶体可调谐边发射激光器易于集成，并且可以作为未来微纳尺寸集成光路的光源，且实施简便，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及光子集成技术领域，尤其涉及一种光子晶体可调谐边发射激光器及其制作方法。
背景技术
光子集成一直是科学工作者的梦想。但是由于波色子的特点导致对于光子的操控非常困难。器件尺寸要在毫米量级，不利于集成。光子晶体可以有效的调控光子态密度，从而实现对光的控制，利用光子晶体的性质可以实现小型化的光子集成器件，以完成信息的传输和处理。
现今为止，可以作为光源的光子晶体激光器已经受到了人们广泛关注，最近的进展都集中在低阈值以及室温连续激射的情况。但是这些光子晶体激光器都仅仅工作在一个固定的激光频率。而在未来的全光网络中，光纤通讯技术以及光学集成起着重要的作用。波长可调谐的光源则是现有光纤通讯的技术如密集波分复用(DWDM)技术中不可或缺的一部分。
如果在光纤通讯技术中选用多个固定波长的光源，那么系统将变得很复杂，同时也会很大的提高系统的成本。因为光源是光纤通讯技术中需要解决的关键瓶颈，因此，如何实现光子晶体可调谐边发射激光器一直是人们努力的方向之一。
利用光子晶体能带带边处慢光效应来实现光子晶体激光器，根据光波群速度的公式：vg＝dω/dk，频率处于光子晶体能带结构中带边处，其光子群速度很小，甚至可以为零，所以处于带边频率处的光子可以形成很强的反馈，具有很大的光子态密度，从而可以实现激光共振。利用完整光子晶体能带中的慢光效应制作激光器，也可利用光子晶体线缺陷的慢光效应制作激光器。由于光子晶体的尺寸较小并能控制光子，所以光子晶体可以应用小型化光子集成方面。
目前的面发射光子晶体激光器在光子集成方面存在一定的困难。光子晶体线缺陷可以实现光的传播，利用光子晶体缺陷腔和光子晶体波导的集成制作的边发射激光器可以达到光子在平面内传播的目的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光子晶体可调谐边发射激光器，以实现光子晶体可调谐边发射激光器。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种光子晶体可调谐边发射激光器，包括：
一光子晶体激光器；以及
一用于泵浦所述光子晶体激光器的泵浦源。
上述方案中，所述泵浦源是光泵浦源。
为达到上述目的，本发明还提供了一种光子晶体可调谐边发射激光器的制作方法，该方法包括：
步骤1：在半导体材料上制作一个二维薄板结构的光子晶体波导，使该光子晶体波导的一边用完整的光子晶体晶格包围，实现光场的100％反射；
步骤2：利用低群速度的导波模式，使得当泵浦源泵浦光子晶体边发射激光器时，光波在光子晶体波导内形成很强的共振，从而产生激光；
步骤3：调整光子晶体波导最近邻空气孔半径的大小，改变光子晶体导波能带的带边频率；
步骤4：光子晶体波导的导波能带的变化使得光子晶体低群速度的导波模式的频率位置发生变化；
步骤5：通过泵浦源泵浦光子晶体可调谐边发射激光器结构的不同位置使得不同频率的低群速度的导波模式发生共振，从而实现可调谐激光的输出。
上述方案中，步骤1中所述半导体材料为GaN/AlGaN材料、GaAs/AlGaAs材料、InP/InGaAsP或GaSb/InGaSb等材料。
上述方案中，步骤2中所述激光的产生，是频率处于光子晶体波导导波能带中带边处，其光子群速度很小，甚至可以为零，具有很大的光子态密度，使得增益得到增强，从而处于带边频率处的光子形成很强的反馈，从而实现激光谐振，产生激光。
上述方案中，步骤2中所述泵浦源是光泵浦源。
上述方案中，步骤5中所述可调谐激光的输出是侧向输出的。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明的优越性在于：
本发明提供的光子晶体可调谐边发射激光器易于集成，并且可以作为未来微纳尺寸集成光路的光源。
附图说明
图1表示一光子晶体可调谐边发射激光器的结构；
图2表示了光子晶体可调谐部分的结构示意图，其中临近光子晶体波导的空气孔的半径以2nm的精度从左到右逐渐减小。；
图3表示了光子晶体可调谐边发射激光器的不同位置的能带图。图中分别显示了光子晶体孔孔径变化之前和变化之后的能带，可调谐部分的结构的带边的频率应该在两者的能带带边频率之间；
图4表示光子晶体可调谐边发射激光器的透射谱线，在光子晶体边发射激光器四个不同的位置放置相同的高斯型脉冲电磁场，在光子晶体边发射激光器的输出端得到四个透射谱；
图5表示分别是四个不同的频率在不同的位置下以连续波入射的情况下得到的纵向磁场Hz的分布图；
图6表示了本发明光子晶体可调谐边发射激光器的制作方法。
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。
本发明利用光子晶体线缺陷波导能带中的带边效应设计了光子晶体可调谐边激光器，主要通过调整光子晶体波导临近空气孔径的变化，从而调整光子晶体波导的导波模式的带边频率。当改变泵浦光的泵浦位置的时候，光子晶体边发射激光器的共振频率就会发生改变，从而实现光子晶体可调谐边发射激光器。
参照附图1所示，图1中展示了光子晶体可调谐边发射激光器的结构，包括一光子晶体激光器和一用于泵浦所述光子晶体激光器的泵浦源，该泵浦源是光泵浦源。光子晶体波导的一个输出端利用光子晶体结构封住，以便光波实现100％反射，这种结构的设计类似于传统半导体激光器一端镀反射膜。设计的光子晶体结构的周期为0.42μm，半径为0.3a。
参照附图2，图2中显示了，光子晶体可调谐部分为图1结构的中间部分。在此结构之前光子晶体波的空气孔半径保持0.3a。而可调谐部分的光子晶体波导的最近邻空气孔的半径逐渐变小。孔径从左至右依次减小，每个孔径的半径较前一个孔径小2nm。而当变化到80nm的时候则停止变化。在可调谐结构的输出波导端临近波导的空气孔的半径保持80nm不变。
参照附图3，图3中显示了光子晶体可调谐边发射激光器的不同位置的能带图。图中分别显示了光子晶体孔孔径变化之前和变化之后的能带，可调谐部分的带边频率应该在上述两能带带边频率之间。
参照附图4，图4中显示了通过有效折射率的方法把二维光子晶体平板结构转化为二维光子晶体结构，选用折射率为2.76。在上述结构的不同位置放置相同的一个高斯型的脉冲源，高斯脉冲的中心波长为1.55μm，半高全宽为0.1418μm。然后在结构的输出位置检测功率输出。一共计算了四个不同的位置得到了四个不同的输出谱。
参照附图5，图5中显示了利用FDTD方法模拟了四个不同位置在不同带边频率的连续波入射情况下的纵向磁场Hz的分布。可以看到四个不同的带边频率在不同的位置发生很强的共振。
参照附图6，图6表示了本发明光子晶体可调谐边发射激光器的制作方法，该方法包括：
步骤1：在半导体材料上制作一个二维薄板结构的光子晶体波导，使该光子晶体波导的一边用完整的光子晶体晶格包围，实现光场的100％反射；所述半导体材料为GaN/AlGaN材料、GaAs/AlGaAs材料、InP/InGaAsP或GaSb/InGaSb等材料。
步骤2：利用低群速度的导波模式，使得当泵浦源泵浦光子晶体边发射激光器时，光波在光子晶体波导内形成很强的共振，从而产生激光；所述激光的产生，是频率处于光子晶体波导导波能带中带边处，其光子群速度很小，甚至可以为零，具有很大的光子态密度，使得增益得到增强，从而处于带边频率处的光子形成很强的反馈，从而实现激光谐振，产生激光。
步骤3：调整光子晶体波导最近邻空气孔半径的大小，改变光子晶体导波能带的带边频率；
步骤4：光子晶体波导的导波能带的变化使得光子晶体低群速度的导波模式的频率位置发生变化；
步骤5：通过泵浦源泵浦光子晶体可调谐边发射激光器结构的不同位置使得不同频率的低群速度的导波模式发生共振，从而实现可调谐激光的输出；所述可调谐激光的输出是侧向输出的。
实施例1
按照图1在半导体材料上实现光子晶体可调谐边发射激光器。各部分参数选用如下：
材料：半导体材料，折射率为3.36。
光子晶体可调谐边发射激光器：在完整的二维光子晶体结构中去掉一排小孔形成线缺陷型二维光子晶体波导，同时在波导结构的一边保留光子晶体，结构的周期为a＝420nm，半径为0.3a。，光子晶体可调谐部分如图2所示，在此结构之前光子晶体波的空气孔半径保持0.3a。而可调谐部分的光子晶体波导的最近邻空气孔的半径逐渐变小。孔径从左至右依次减小，每个孔径的半径较前一个孔径小2nm。而当变化到80nm的时候则停止变化。在可调谐结构的输出波导端临近波导的空气孔的半径保持80nm不变。整体的设计结构如图1所示。
图2显示了光子晶体波导结构的能带图。采用平面波展开方法计算二维光子晶体薄板结构的波导能带。模拟参数选择：折射率＝3.36板厚为＝0.6*a。分别计算了光子晶体可调谐部分左边和右边的输出端的光子晶体波导的能带。分别用实线和虚线表示。因为中间光子晶体波导的最近邻空气孔的大小位于变化之前和变化之后之间，所以其能带也应介于两者之间，并且由于此结构的半径逐渐减小，所以此结构的光子晶体的导波能带的带边也应该逐渐减小。所以当泵浦光泵浦到不同地位置时，激光的谐振频率也发生变化。从而输出不同频率的激光，实现光子晶体可调谐边发射激光器。
通过有效折射率的方法把二维光子晶体平板结构转化为二维光子晶体结构，选用折射率为2.76。在上述结构的不同位置放置相同的一个高斯型的脉冲源，高斯脉冲的中心波长为1.55μm，半高全宽为0.1418μm。然后在结构的输出位置检测功率输出。如图4所示，一共计算了四个不同的位置得到了四个不同的输出谱。可以看到不同带边频率输出。因为光子晶体边发射激光器仅仅发生在波导的带边位置，因此本发明主要关注输出谱线的带边处的输出峰值的变化。可以发现带边的输出频率随着高斯脉冲的位置的变化而发生变化。输出谱线的带边频率的变化说明了可调谐边发射激光器的可行性。
在实际的光子晶体可调谐边发射激光器中，通过泵浦光泵浦光子晶体波导结构的不同位置，可以得到不同带边频率的激光共振，从而实现光子晶体可调谐边发射激光器。
实施例2
按照图1制作光子晶体可调谐边发射激光器，各部分的参数选用如下：
材料：半导体材料。
光子晶体可调谐边发射激光器：在完整的二维光子晶体结构中去掉一排小孔形成线缺陷型二维光子晶体波导，同时在波导结构的一边保留光子晶体，结构的周期为a＝420nm，半径为0.3a。，光子晶体可调谐部分如图2所示，在此结构之前光子晶体波的空气孔半径保持0.3a。而可调谐部分的光子晶体波导的最近邻空气孔的半径逐渐变小。孔径从左至右依次减小，每个孔径的半径较前一个孔径小2nm。而当变化到80nm的时候则停止变化。在可调谐结构的输出波导端临近波导的空气孔的半径保持80nm不变。整体的设计结构如图1所示。
通过输出谱线的计算得到不同的带边峰值的频率，然后利用FDTD方法模拟了四个不同位置的不同带边频率的连续波入射情况下的纵向磁场Hz的分布。如图5所示，可以看到不同的带边频率在不同的位置发生很强的共振。从而进一步验证了光子晶体可调谐边发射激光器实现的可能性。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种光子晶体可调谐边发射激光器，其特征在于，包括：
一光子晶体激光器；以及
一用于泵浦所述光子晶体激光器的泵浦源。
2.根据权利要求1所述的光子晶体可调谐边发射激光器，其特征在于，所述泵浦源是光泵浦源。
3.一种光子晶体可调谐边发射激光器的制作方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：在半导体材料上制作一个二维薄板结构的光子晶体波导，使该光子晶体波导的一边用完整的光子晶体晶格包围，实现光场的100％反射；
步骤2：利用低群速度的导波模式，使得当泵浦源泵浦光子晶体边发射激光器时，光波在光子晶体波导内形成很强的共振，从而产生激光；
步骤调整光子晶体波导最近邻空气孔半径的大小，改变光子晶体导波能带的带边频率；
步骤4：光子晶体波导的导波能带的变化使得光子晶体低群速度的导波模式的频率位置发生变化；
步骤5：通过泵浦源泵浦光子晶体可调谐边发射激光器结构的不同位置使得不同频率的低群速度的导波模式发生共振，从而实现可调谐激光的输出。
4.根据权利要求3所述的光子晶体可调谐边发射激光器的制作方法，其特征在于，步骤1中所述半导体材料为GaN/AlGaN材料、GaAs/AlGaAs材料、InP/InGaAsP或GaSb/InGaSb材料。
5.根据权利要求3所述的光子晶体可调谐边发射激光器的制作方法，其特征在于，步骤2中所述激光的产生，是频率处于光子晶体波导导波能带中带边处，其光子群速度很小，甚至可以为零，具有很大的光子态密度，使得增益得到增强，从而处于带边频率处的光子形成很强的反馈，从而实现激光谐振，产生激光。
6.根据权利要求3所述的光子晶体可调谐边发射激光器的制作方法，其特征在于，步骤2中所述泵浦源是光泵浦源。
7.根据权利要求3所述的光子晶体可调谐边发射激光器的制作方法，其特征在于，步骤5中所述可调谐激光的输出是侧向输出的。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN103825196A (zh) * | 2014-03-11 | 2014-05-28 | 青岛大学 | 一种二维硅基光子晶体微纳波导激光器 |
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2009
- 2009-12-30 CN CN200910244533A patent/CN101771240A/zh active Pending
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| CN103825196B (zh) * | 2014-03-11 | 2016-05-04 | 青岛大学 | 一种二维硅基光子晶体微纳波导激光器 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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