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光子前沿:纳腔光子晶体激光器

本地收藏评论投稿 2008-02-13 14:31:58 文章来源:激光世界 我要分享 腾讯微博 QQ空间 QQ好友 新浪微博
  • 导读: 光子晶体的限光特性可以降低纳腔激光器的阈值,提高信号的调制速率,为开发下一代光互联和量子计算器件奠定了基础。
  •  光子晶体的限光特性可以降低纳腔激光器的阈值,提高信号的调制速率,为开发下一代光互联和量子计算器件奠定了基础。

    作者:Jeff Hecht

       纵观半导体激光器的发展历程,对泵浦能量和输出激光进行限制一直扮演着重要角色。第一个基于同质结的二极管激光器需要低温冷却。随后,单异质结、双异质结、窄条状、量子阱结构的相继出现,极大地推动了半导体激光器的进步。目前纳腔结构光子晶体的问世,又将光限制提高到一个新阶段,纳腔的体积甚至小于波长的立方。 

       纳腔光子晶体激光器的目标不只是实现世界上最小的激光器。波士顿大学光子学中心的Hatice Altug表示:“光子晶体利用纳腔控制自发辐射,大大增加了耦合到激光模式的能量,从而降低了激光阈值。因为纳腔的尺寸约等于波长的平方,因而可以获得很高的信号调制速率。”斯坦福大学的Altug和Jelena Vuckovic研究小组在室温下采用光泵浦单个光子晶体腔,获得了3ps的激光输出,并且预计采用1ps的泵浦脉冲,可以将响应时间降低到1ps,从而将激光器的信号调制速率提高到太赫兹频段,这对于高速光互联是一个巨大的诱惑。”[1]

    光子晶体和纳腔   

       光子晶体激光器中的纳腔是半导体微结构中的一个“缺陷”区域。在半导体中蚀刻一系列孔,从而在微结构区域的两种材料――空气和高折射率半导体之间产生巨大的折射率差。高折射率差形成一个带宽为几百纳米的光子带隙,在带隙区域,光无法传输。

    图1 光子晶体纳腔中一个可能的四极场分布,红色和蓝色分别表示电场和磁场。纳腔本身是一个“缺陷”,腔的宽度约等于输出激光在材料中的波长。 

       孔蚀刻穿透多个量子阱,量子阱位于III-V族化合物(如InGaAsP)连接层之上。从孔中间半导体区域发出的激光,被周围的微结构限制在纳腔平面内(见图1),所以光只能在垂直方向输出。半导体及周围空气之间的折射率差提供反馈,维持垂直方向的激光输出。 



       二维纳腔尺寸的设计需要与输出激光在半导体中的波长相匹配。对于输出波长为1500nm的InGaAsP(折射率为3)纳腔激光器,腔长约为500nm。单个纳腔的微小尺寸既降低了激光阈值,又保证了在腔的垂直方向上激光的单模输出,同时也将输出功率限制在1?W以内。 

       光子晶体纳腔的Q因子非常高,双异质结材料中实测值达到60万,京都大学Susumo Noda研究小组在理论上指出,通过优化结构参数可以使Q因子超过2000万。[2]目前,纳腔光子晶体激光器只有在低温和光泵浦条件下才能输出连续激光,已报道有采用780nm光泵浦获得950nm的连续激光输出,阈值为9?W。在室温下纳腔光子晶体激光器的阈值较高,只能输出脉冲激光。
     
       通过在光子晶体薄层上设计纳腔阵列,可以实现电磁场在纳腔之间相互耦合,从而获得较高的输出功率。一个周期为500nm,边墙厚度为280nm,输出波长为1500 nm的纳腔阵列光子晶体激光器,输出功率可达12?W,是单个纳腔光子晶体激光器输出功率的100倍。[3]对于纳腔阵列光子晶体激光器,虽然总阈值增加,但每个纳腔的阈值仍然很低,同时由于阵列的空间面积较大,其响应时间也相应地变长。 

       增加光子晶体激光器输出功率的另一种方法是设计耦合纳腔阵列,使激光在阵列平面中输出,从而使得光从结构边缘耦合进入光纤成为可能。在2007年5月的CLEO会议上,南加州大学报道了他们的重大研究成果:进入多模裸光纤的峰值功率高达60?W。[4]

    大尺寸光子晶体激光器 

       另一种类型的边发射光子晶体激光器由一个窄缺陷条纹组成,进而形成一个长条状谐振腔。光子晶体由沉积在孔中(孔蚀刻到半导体上)的聚合物构成,在纳腔激光器中,聚合物的折射率更接近半导体的折射率,因而在600?m长的器件上形成一个有效的折射率波导。加州理工大学Axel Scherer研究小组的Lin Zhu表示:“整个波导像一个脊波导,波导核只有1.5?m宽,但是可以输出25?m宽的单纵模(见图2)。” 

       将横向折射率波导和纵向布拉格反射有机地结合起来,可以在器件边缘产生单纵模和单横模激光输出。折射率对比将光限制在光子晶体层,整个结构的体积比纳腔大得多,因而可以获得更高的输出功率。[5]加州理工大学研究小组还开发出另一种结构,利用有角度的端面压缩有效折射率波导,从而使激光输出完全取决于布拉格反射。[6]两种结构均采用电泵浦方式。


     
    图2. 加州理工大学开发的大尺寸光子晶体激光器,利用聚合物填充孔从而减小光子晶体的折射率差。波导是一个缺陷,缺陷宽度只有1.5?m,但可以产生宽度为25?m的单纵模。孔蚀刻在光子晶体层(左上方)上,但没有渗透到量子阱层(右上方)。



    电泵浦 

       虽然大多数纳腔激光器仍然采用光泵浦方式,但也有不少厂商在研究电泵浦方式,电泵浦的一个关键问题是电连接。
    韩国科学技术院Yong-Hee Lee研究小组在世界上首次开发出电泵浦纳腔激光器,其结构如图3所示,光子晶体薄片上面为互相接触的环形和n-型表层,下面通过中心站与p-型InP衬底相连。[7]该小组最近开发出包括六个光子晶体波导的纳腔,使电泵浦纳腔激光器的垂直输出特性获得了大幅改善。在2007年5月的CLEO会议上,Lee报道了他们的最新成果,通常六极模式电场可以达到微妙的平衡,将中间的两个孔对换位置,从而打破这种对称性,可以使70%的激光在30°的垂直轴内输出。[8]

    材料和波长 
       目前对激光的大部分研究和应用都集中在1550nm窗口,因为该窗口具有最低的光纤损耗。设计光子晶体纳腔激光器时,纳腔大小取决于输出波长与材料折射率的比值,输出波长为1550nm的激光器要求纳腔长度为500nm。其他报道显示,采用GaAs泵浦InGaAs获得950nm的激光输出,纳腔长度为300nm。[9] 

       利用光子晶体纳腔激光器实现短波长激光输出给工艺带来了巨大的挑战,目前利用光泵浦锌氧化物纳腔(周期为120nm)光子晶体已经实现了紫外激光输出。[10]刻蚀氮化镓化合物用于半导体激光器实现蓝光和紫光输出仍然是一个巨大的挑战。
    图3. 世界上第一个电泵浦纳腔光子晶体激光器,电流通过环状结构流经n型表层,通过中心站进入p型InP衬底。


       光子晶体腔的特性是提高硅晶中激光输出的关键。2006年,斯坦福大学Vuckovic小组提出,一个单一的光子晶体腔可以将富硅氮化硅的发光效率提高七倍。缩短辐射寿命对于开发硅晶激光器至关重要,其制作工艺与目前的CMOS电子工艺兼容。[11]研究人员选择氮化硅作为高折射率对比材料是为了保证更强的光限制。

    应用前景 
       要开发出实用的、能在室温运行的电泵浦光子晶体纳腔激光器,仍然存在巨大的挑战。挑战之一是如何实现光子晶体纳腔激光器与其他光电器件的集成、与光纤和波导的耦合。精细调谐光子晶体的结构也许可以解决这些问题。
     
       光子晶体激光器的应用前景十分广阔。Vuckovic表示:“光子晶体激光器对信号的太赫兹调制速率对于光互连具有巨大的优势,在光互联中单一器件的有限功率相对于长距离传输而言不再那么重要。利用纳腔阵列可以产生中等距离传输所要求的高功率,而且其调制速度可能比目前的VCSEL更快,当然前提是开发出电泵浦光子晶体激光器。” 

       光子晶体激光器的另一项极其诱人的潜在应用是作为低抖动的单光子源,用于量子信息处理及相关领域。严格意义上说,如果激光器的输出是自发辐射光子,则不能称之为单光子源,但原理上光子晶体纳腔激光器可以同时产生几乎相同的光子,而开发出真正意义上的单光子源一直是个艰难的课题。光子晶体激光器的成功必将开辟更广的应用天地。

    参考文献
    1. D. Englund et al., Appl. Physics Lett. 91, 071126 (2007).
    2. B-S Song et al., Nature Materials 4, 207 (March 2005).
    3. H. Altug and J. Vuckovic, IEEE Lasers and Electro-Optics Society News 20, 4 (April 2006).
    4. L. Lu et al., paper CMV3 at CLEO 2007.
    5. L. Zhu et al., Optics Express 15, 5966 (May 14, 2007).
    6. L. Zhu et al., Optics Lett. 32, 1256 (May 15, 2007).
    7. H-G Park et al., Science 305, 1444 (Sept. 3, 2004).
    8. H-K Park et al., paper CMV1, CLEO 2007.
    9. H. Altug et al., Nature Physics 2, 484 (July 2006).
    10. X. Wu et al., Appl. Physics Lett. 85, 3657, (Oct 25, 2004).
    11. M. Makarova et al., Appl. Physics Lett. 89, 221101 (2006).

     

文章标签: 光子  光子晶体  激光器  
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原始称呼是光量子(light quantum),电磁辐射的量子,传递电磁相互作用的规范粒子,记为γ。其静止量为零,不带电荷,其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积,E=hv,在真空中以光速c运行,其自旋为1,是玻色子。

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