CN103887711B - 一种大面阵相干光子晶体面发射激光光源结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大面阵相干光子晶体面发射激光光源结构，包括：光子晶体阵列，其由位于中心的中心光子晶体和围绕所述中心光子晶体对称分布的多个边缘光子晶体形成的多个阵列结构组成；其中，所述中心光子晶体和边缘光子晶体具有完全相同的结构。整个结构具有旋转对称性，完整光子晶体利用带边模式具有面发射的特性。利用本发明，能够实现低发散角、高亮度的大面阵相干激光光源，并且通过对光子晶体参数的调整，使得波长覆盖从可见光到近红外波段。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种大面阵相干光子晶体面发射激光器光源结构。
背景技术
半导体激光器自从其问世以来就受到了极大的关注，这是由于它应用范围十分广泛。其覆盖波长从中红外到近紫外，输出功率毫瓦至百瓦水平，高效率、小型化、可集成等诸多优势决定了它在光纤通信、光盘存储、激光传感以及军事等许多领域的广泛应用。
随着现代科技的发展，半导体激光器的研究也取得了举世瞩目的成就，其也在朝着大功率、无闽值、高亮度发展。
对于N个单元阵列输出，相干输出情况下比非相干输出的强度要大。可以将很多个低功率的激光器做成相干的高亮度阵列，同时保持效率和频谱特性。早在三十多年前，一维的边发射阵列已经研究了相当多了，在横向大面积的保持相干对一维的边发射阵列来说是主要的挑战。面发射技术使得单片集成的二维阵列半导体激光器可行，保持相干、单频控制的困难有很多，随着二维阵列尺寸增加，模式数增加，模式分辨成为一个问题。
光子晶体由于其介电常数的周期性调制，能控制光的传播行为。在光子晶体中引入缺陷后能形成微腔，这样的微腔激光器有小的模式体积和非常高的品质因子，因此人们设计了多种多样的缺陷腔光子晶体激光器。完整光子晶体利用其带边模式可以在有源区上面光子晶体区域形成大面积的谐振，垂直输出激光同时具有较小的发射角。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种大面阵相干光子晶体面发射激光器光源结构，在实现大面阵谐振、获得相干激光光源的同时，降低远场发散角、提高亮度。
为达到上述目的，本发明提供了一种大面阵相干光子晶体面发射激光光源结构，其特征在于，包括：光子晶体阵列，其由位于中心的中心光子晶体和围绕所述中心光子晶体对称分布的多个边缘光子晶体形成的多个阵列结构组成；其中，所述中心光子晶体和边缘光子晶体具有完全相同的结构。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的这种大面阵相干光子晶体面发射激光光源设计，其阵列元素利用完整光子晶体结构，并利用其面发射特性，阵列元素之间场相干叠加，可以降低远场发散角和提高亮度；光子晶体有尺寸效应，改变参数可以使得波长覆盖从可见光到近红外波段。
附图说明
图1为依照本发明的一种大面阵相于光子晶体面发射激光光源结构中光子晶体阵列示意图。
图2为依照本发明的大面阵光子晶体中的阵列单元1的能带图。
图3为依照本发明的一种大面阵相干光子晶体面发射激光光源结构的近场分量Ex分布。
图4为依照本发明的一种大面阵相干光子晶体面发射激光光源结构中的单个阵列元素光子晶体1的极坐标远场分布。
图5为依照本发明的一种大面阵相干光子晶体面发射激光光源结构的极坐标远场图。
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，对本发明作进一步的详细说明。
图1示出了一种大面阵相干光子晶体面发射激光光源结构。如图1所示，所述光源结构包括：光子晶体阵列，该光子晶体阵列由位于中心的中心光子晶体1和围绕所述中心光子晶体1对称分布的多个边缘光子晶体2构成的多个阵列结构组成；其中，所述中心光子晶体1和边缘光子晶体2完全等同。所述中心光子晶体1和边缘光子晶体2为正六边形结构。优选地，所述边缘光子晶体2的数量为六个，所述六个边缘光子晶体2位于中心光子晶体1六个角位置处，且中心光子晶体1和六个边缘光子晶体2形成的光子晶体阵列具有六重旋转对称性，。所述光子晶体由按照一定的晶格类型排列的空气孔组成，其晶格类型可以为三角晶格
完整光子晶体利用其带边模式能够形成大面积的谐振并且具有较小的远场发散角。进一步，由于所述中心光子晶体1和六个边缘光晶体的排列方式具有六重旋转对称性，这种排布方式有利于获得对称的圆形远场光斑。单个阵列单元的远场呈现高斯分布光强，而阵列的远场呈稳定的干涉条纹，所述高斯分布为干涉条纹的包络，因此干涉条纹的中心瓣发散角降低了。
上述方案中，缘光子晶体2与光子晶体1具有全同结构，其个数为6，所有的边缘光子晶体对称的排布在光子晶体1周围。阵列单元即光子晶体之间距离较近时，同相位相干叠加之后，相对于只有一个阵列单元的情况功率会升高，远场发散角会减小。
上述方案中，边缘光子晶体与光子晶体1最近邻距离为1～10个周期，所述周期为完整光子晶体中空气孔之间的排列周期。
上述方案中，所述光子晶体由InP或GaAs等半导体材料制成。
上述方案中，所述光子晶体结构采用在激光器顶端刻蚀形成按照一定晶格类型排列的圆形孔而形成。
以下结合具体的实例对本发明提供的一种大面阵相干光子晶体面发射激光光源设计作进一步详细说明。
实施例一
在计算过程中，相邻两个阵列单元即光子晶体的边缘间隔4.5个周期。
如图2所示，为大面阵光子晶体的阵列单元之一光子晶体1的能带结构，我们采用Γ2-1带边模式，因为该带边模式在Γ点附近变得平坦，群速度趋近于0，能够在光子晶体区域形成大面积的驻波谐振。该模式为六极模，与其他的模式间隔较大，是比较理想的模式。
如图3所示，为采用FDTD方法计算的大面阵光子晶体三维板结构的近场图，每个阵列单元中间形成了大面积的谐振，同时阵列单元间也有部分场分布。
如图4所示，为计算的上述方案中的阵列单元光子晶体1的极坐标远场，其计算过程中采用的计算方法和计算精度均与图1所示的大面阵光子晶体结构保持一致，计算得到了10度的单峰远场，最大强度仅为57。
如图5所示，为采用FDTD方法计算的图1中的光子晶体阵列三维板结构的极坐标远场图，远场中心有一个较强的光斑，周围有6个侧瓣围绕，这是阵列单元同相位相干叠加的结果，最后获得了2.8度的单峰远场，相对于同等精度情况下计算的阵列单元远场发散角10度，阵列结构远场发散角降低了7.2度，同时最大强度为318，远场中心单峰强度也提高了。
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，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 (4)
1.一种大面阵相干光子晶体面发射激光光源结构，其特征在于，包括：光子晶体阵列，其由位于中心的中心光子晶体和围绕所述中心光子晶体对称分布的多个边缘光子晶体形成的多个阵列结构组成；其中，所述中心光子晶体和边缘光子晶体具有完全相同的结构；所述中心光子晶体和边缘光子晶体为正六边形光子晶体，且边缘光子晶体的数量为六个，晶格类型为三角晶格；
其中，边缘光子晶体和中心光子晶体最近距离为1-10个周期，所述周期为光子晶体中空气孔之间的排列周期。
2.如权利要求1所述的激光光源结构，其特征在于，所述中心光子晶体和边缘光子晶体由按照三角晶格方式排列的空气孔组成。
3.如权利要求1所述的激光光源结构，其特征在于，所述六个边缘光子晶体位于所述中心光子晶体的六个角位置处。
4.如权利要求1-3任一项所述的激光光源结构，其特征在于，所述光子晶体材料为InP或GaAs。
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