天游线路检测中心 光子晶体激光器

简介

　半导体激光器已得到广泛应用，特别是在信息通信和光存储领域，并因其在波长和时间轴上性能的提高，如扩大波长范围、提高速度等，为社会做出了巨大贡献。未来，光技术不仅有望应用于信息通信和光存储领域，还将应用于制造技术（制造）、医疗技术和生命科学。对于这些应用，以传统半导体激光器尚未充分实现的功率（光输出）为中心的研究和开发至关重要。尤其是对利用激光的制造技术，包括材料加工（包括三维加工），即光学制造，有着极高的需求。
通常，半导体激光器的光输出的最大值与其发光面积成比例地确定。然而，在传统的半导体激光器中，当发光面积增大时，激发电流增大，发光端激光的波前变形，导致输出光束的形状显着恶化。无论聚焦多少光，光斑必然变大，因此不适合光学制造。
　1999年，我们提出了通过使用称为光子晶体的人造光学纳米结构，可以最大限度地减少光束质量的恶化并提高半导体激光器的输出功率的基本概念，并成功地演示了该基本概念[1, 2]。从那时起，通过对器件物理的详细理解[3,4]和反馈以提高性能[5]，以及控制输出光束的偏振状态[2]、控制光束形状[6]、通过缩短波长开发蓝紫光[7]以及添加光束扫描功能[8]，新的可能性和功能相继实现。在此期间，我们积极推动与多家企业的产学合作研究，积极致力于“光子晶体激光器”的实现和实际应用，超越传统的半导体激光器概念，同时实现高输出、高光束质量和高功能。
下面，我们将首先根据我们建立的理论和实验结果，详细描述该光子晶体激光器的工作原理和器件结构，以及迄今为止获得的基本器件特性。
 

设备基本结构及工作原理

　该装置的基本结构是图1所示基本上，光子晶体被放置在有源层附近，并且限制在有源层中的光波的倏逝分量被配置为接收光子晶体的谐振和衍射效应。图中，光子晶体具有方形晶格结构，晶格常数a设置为与有源层中产生的光波的波长匹配（考虑有效折射率）。由于光子晶体内部存在周期性折射率分布，光波呈现布洛赫波表示的状态。特别是，如果我们考虑方晶格光子晶体（晶格常数 a）（其倒晶格点和相关的布洛赫波矢量）图2如(a))所示，光子能带结构 Γ 的奇点之一₂点（图2（b）左侧红色方块所包围的点，图中右侧为其附近的放大图），波数为2π/a的基波和波数为基波整数倍的多个高次波，由于光子晶体的各种衍射效应相互结合，形成驻波态。使用群论的约定表达式， Γ₂此时，由于这些光波的组合，A₁,B₁,E（简并）四种共振模式。在图2(b)中，简并E对应的带边模式表示为C、D和A₁,B₁对应的模式记为A和B。此外，由于光子晶体的衍射效应，这些谐振模式可以与晶体外部的辐射模式耦合。耦合到辐射模式的容易程度的差异导致模式的阈值增益的差异。模式 C 和 D 与辐射模式强耦合，具有高阈值增益，并且不再有助于振荡。模式A和B基本上是晶体外部辐射极难发生的模式，但通过控制构成晶体的晶格点的形状等，可以在它们之间产生阈值增益差，并且可以实现单模振荡。注意，由于光子晶体本身的衍射效应，光输出在垂直于光子晶体平面的方向上被提取，因此用作表面发射激光器。通过使用三维耦合波理论[9]，可以非常定量和严格地处理上述讨论。


[图1光子晶体激光器的基本结构]


[图2(a)方晶格光子晶体中的衍射效应(倒晶格点和相关的布洛赫矢量)，(b)能带结构]
 

大面积相干振荡和光束方向图控制

首先，我们使用晶圆熔合方法在有源层附近形成光子晶体结构。该方法包括将两个晶圆熔合在一起，并将由空气/半导体制成的光子晶体嵌入设备内部。首先是通过电子束曝光和干法蚀刻形成方晶格光子晶体，然后通过晶圆熔合方法嵌入并激光振荡时的近场图像和各部分的振荡光谱图3发光度为150μ米×150μm的大面积上，并且单模相干操作发生在所有位置。这里得到的发射部分的面积是普通半导体激光器发射部分面积的1000倍以上，可以说普通半导体激光器不可能以单模振荡，而这个结果可以说证明了这种激光器的有用性。
现在，如上一节所述，激光束沿垂直于光子晶体平面的方向发射。此时，光束图案由激光振荡的二维平面内的电磁场分布的傅里叶变换给出（严格来说，是空气光线内部的电磁场分量的傅里叶变换）。这意味着可以通过改变二维平面内的电磁场分布来获得各种波束图案。改变电磁场分布的一种方法是改变二维平面内各个方向传播的光的耦合状态。例如，改变光子晶体中晶格点的形状或晶格的间距被认为是有效的方法。图4(a)和(b)分别示出了当晶格点形状为正圆形和三角形时，一个晶体周期(晶胞)内的电磁场分布。从图中可以看出，通过将格点从正圆形变为三角形，电磁场分布从90度旋转对称的电磁场分布变为旋转对称性被破坏且在x方向上不对称的电磁场分布。另一方面，图 4(c)-(g) 显示了当在光子晶体中引入晶格间距移动同时保持晶格点形状完美圆形时整个晶体上的电磁场分布。图4（c）显示了没有偏移的情况，图（d）至（g）显示了偏移变化时的电磁场分布。从这些结果可以看出，当晶格间距移动时，电磁场分布在移动的位置处发生反转。可以看出，随着移位次数的增加，电磁场反复反转。通过结合上述方法，预计可以通过多种方式控制面内电磁场分布。
基于上述，我们实际制作了如图4所示的器件。基于上述讨论，器件中引入的光子晶体结构为图5我们创建了六种类型的晶体，如（a）至（f）左图中的电子显微照片所示。 (a)是没有晶格间距移动的完美圆形晶格点，(b)是引入了晶格间距一移动的完美圆形晶格，(c)是平行引入了两次晶格间距移动的完美圆形晶格点，(d)是完美圆形晶格。 (e)是晶格间距有十字形偏移的点形状，(e)是正交引入两个平行晶格偏移的正圆形晶格点，(f)是晶格间距没有偏移的三角形晶格点形状。所有制造的器件都在室温下振荡并以稳定的单一模式运行。获得的光束形状如图 5(a)-(f) 的右图所示。获得了非常有趣的光束形状，例如单环形、双环形、四环形，甚至完美的圆形。发现光束发散角极窄，小于2°，反映了大面积的相干振荡。
其中，获得如图5(a)和(f)所示的特征光束的原因如下。首先，在图5(a)的情况下，晶格点形状是正圆，电磁场分布具有良好的旋转对称性，如图4(a)所示。当具有这种电磁场分布的激光束从发射表面发射到外部自由空间时，电磁场在光束中心相互抵消，从而产生环形光束。另一方面，如果如图5（f）所示将格点形状设为三角形，则如图4（b）所示，电磁场分布的旋转对称性将崩溃，因此波束中心的抵消将消失，波束将变为圆形波束形状。引入这种不对称性在增加光输出时特别有效，下一节将展示采用直角三角形晶格点的结果。


[图3 激光振荡后的近场图像以及各部分的振荡光谱。 】


[图4各种面内电磁场分布，(a)、(b)完美圆形晶格点和三角形晶格点的晶胞内的电磁场分布。磁场用颜色表示，面内电场矢量用箭头表示。 (c)−(g)，各种晶格位移和电磁场分布。 (c)在完美圆形晶格点处没有晶格位移，(d)在完美圆形晶格点处有1个晶格位移，(e)在完美圆形晶格点处有2个平行晶格位移，(h)在完美圆形晶格点形状处以十字形状引入晶格位移，(g)在完美圆形晶格点处正交引入2个平行晶格位移。 】


[图5 通过控制光子晶体结构产生的各种形状的光束。左图显示了晶体结构的电子显微照片，右图显示了相应的光束形状。 (a) 完美圆形晶格点，无晶格位移，(b) 完美圆形晶格点，1 个晶格位移，(c) 完美圆形晶格点，2 个平行晶格位移，(d) 完美圆形晶格点，2 个交叉晶格位移，(e) 完美圆形晶格点，4 个交叉晶格位移，(f) 三角形晶格点，无晶格位移。从上面可以看出，可以从单个甜甜圈获得具有非常有趣形状的梁，例如双甜甜圈、四甜甜圈，甚至完美的圆形。 】
 

瓦特级室温连续振荡的实现

在晶圆熔合的情况下，熔合界面处会出现缺陷，导致激光吸收损失并成为热源。因此，我们接下来尝试使用金属有机气相外延等再生长方法在器件内部形成光子晶体结构[11,12]。通过适当控制生长条件，可以在晶体内部保留空气/半导体结构或光子晶体结构的同时形成器件。图6（a）和（b）显示了所制造的器件（使用两步有机金属气相外延方法形成）的示意图以及有源层附近形成的直角三角形晶格点的电子显微照片。图（c）显示了第二次使用金属有机气相外延将直角三角形光子晶体嵌入器件内部后的横截面电子显微照片（注意，在图中的照片中，晶体生长是向下进行的）。有趣的是，可以看到晶体生长非常干净，晶体内部留下了空腔。对该空腔的结构分析表明，虽然直角三角形的基本结构保持完整，但在垂直方向上也引入了不对称性。详细的理论分析表明，晶体生长过程中产生的垂直不对称形状的空腔有利于实现高输出。此外，在被光子晶体沿垂直方向衍射的激光发射光中，朝向背面发射的光被下p电极有效地反射，从而进一步增加光输出。
　图7(a)和(b)表示室温下连续工作时的光输出特性和振荡后的光谱特性。如图（a）所示，我们成功获得了15W的瓦级光输出。此外，从图（b）所示的光谱特性可以看出，该器件工作在单一波长下。另外，同一图的(c)中示出了各种驱动电流下的远场图像。虽然通过进一步增加电流值，光束发散角略有增加，但发现仍然可以获得小于3°的极窄辐射角的操作。请注意，最高约 05W 的光输出，M²的光束质量特别高。可以获得 10 的 (M-square) [13]。
　该激光器的一个重要特点是能够利用如此窄的辐射角的高亮度特性构建无透镜光学系统。例如，在室温下连续工作时，从光子晶体激光器发射的激光不经过透镜而直接照射到纸张目标上。图8在用激光束照射之后立即确认纸张被烧毁。这是传统半导体激光器极难实现的，并且表明该器件具有高亮度并且可以应用于无透镜或简单的光学系统。通过利用这一特性，光子晶体激光器已被证明适合作为低成本、鲁棒系统的光源。


[图6（a）通过两步金属有机气相外延形成的器件示意图，（b）通过电子束曝光（JEOL JBX-6300FS）和干法蚀刻形成的具有直角三角形基本晶格结构的光子晶体结构的电子显微照片。 (c) 使用金属有机气相外延嵌入晶体内部的腔光子晶体结构。 】


[图7 光子晶体激光器的激光特性：(a)电流-光输出特性和电流-电压特性。 (b) 光谱特性（线宽 002 nm 或更小（恒定极限））。 (c) 不同电流值下的远场图像。 】


[图8 激光发射的光直接照射纸张。看到立即燃烧。 】
 

结论（总结、结论）

　我们介绍了光子晶体激光器的发展现状，光子晶体激光器堪称下一代半导体激光光源。首先，我们基于光子晶体的大面积相干谐振，证明了这种激光器具有传统半导体激光器所没有的各种优异特性。一个有趣的一点是，可以通过改变晶格点的形状来发射有趣的光束。此外，我们最近在世界上首次成功实现了在 15 瓦瓦级光输出下连续室温运行，同时保持窄辐射角（<3°）。实现如此高的光束质量和瓦特级的运行，是应用于支持制造业的光学制造的重要基础性成果，也可以说将应用范围扩展到波长转换、光激发、生物技术和分析等广泛领域。
 

致谢

　这项研究是与京都大学野田实验室的教员、研究人员和学生合作进行的，也是与罗姆和滨松光子学等公司共同研究的结果。我谨向所有参与者表示深深的谢意。这项研究的一部分还得到了日本科学技术振兴机构 (JST) 战略创意研究促进项目 ACCEL 计划、CREST 计划以及旨在创造尖端光的文部科学省网络研究中心计划的支持。对此我深表感谢。

参考文献

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[ 2 ] S Noda、M Yokoyama、M Imada、A Chutinan、M Mochizuki，“通过晶胞结构设计控制二维光子晶体激光器的偏振模式”科学, 第293卷，第 1123-1125 页 (2001)。
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[10] T Sakaguchi、W Kunishi、S Arimura、K Nagase、E Miyai, D Ohnishi, K Sakai, S Noda，“具有 35W 峰值功率的表面发射光子晶体激光器”，激光和电光会议以及 2009 年国际量子电子会议，CTuH1 (2009)。
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