光子晶体微腔激光器增益特性的研究

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1、哈尔滨工业大学理学硕士学位论文第1章绪言1.1光子晶体微腔激光器研究的背景及意义1987年，E.Yabionovitch和S.John在研究周期性电介质结构对材料中光传播行为的影响时，各自独立提出了光子晶体的概念[1,2]。光子晶体的概念主要来自于半导体物理，它是一种高介电常数和低介电常数在空间呈周期性排列的人工材料，反映在折射率方面，就是高低折射率交替排列的一种周期性人造晶体，其晶格常数与工作光波的波长为同一数量级，也就是折射率变化的周期与光波长有着相同的量级。根据组成光子晶体的介质在空间排列方式的不同，它可以分为三类：一维光子晶体，如图1-1；二维光子晶体，图1-2为其示意

2、图；图1-3表示的是三维光子晶体。图1-1一维光子晶体图1-2二维光子晶体 图1-3三维光子晶体Fig.1-11DphotoniccrystalFig.1-22Dphotoniccrystal Fig.1-33Dphotoniccrystal光子晶体主要有两大特性：光子禁带和光子局域效应。光子晶体的最基本特征是具有光子禁带，即落在禁带中的光被禁止传播，光子晶体可以被自发辐射[1]。光子晶体的第二大特性是具有光子局域效应。在一种经过精心设计的无序介电材料组成的光子晶体中，光子呈现出很强的Anderson局域[2]。将某种程度的缺陷引入光子晶体中，与缺陷态频率吻合的光子有可能被局域

3、在缺陷位置，一旦偏离缺陷处，光将会迅速衰减。光子晶体理想无缺陷时，根据其边界条件的周期性要求，不存在光的衰减模式。但是一旦破坏其原有的对称–1–哈尔滨工业大学理学硕士学位论文性，在光子晶体中央就可能出现频率及窄的缺陷态。光子晶体有点缺陷、线缺陷和面缺陷[3–7]。缺陷的属性决定了光子局域的形状和特性：点缺陷就像被反射墙包围起来，利用点缺陷可以将光”俘获”在特定的位置，光无法从这个位置向任何方向传播，形成一个光能量密度的共振场–相当于微腔。如果引入线缺陷，在垂直于线缺陷的平面上，光被局域在线缺陷的位置，类似于波导管，光只能沿线缺陷的方向传播，达到光学导播的效果。而平面缺陷却像一个

4、完善的反射镜，光被局域在缺陷面上[8–10]。由于光子晶体具有独特的光学性质:在光子晶体中，位于禁带范围内的光子是不被允许存在的，所以当频率位于禁带范围内的光入射到光子晶体上时，这束光将会被全反射回去。利用这一点，可以制造出高品质因子的反射镜[11]。而具有光子局域的光子晶体可以控制原子的自发辐射。如果将一个带有缺陷的光子晶体引入激光器中，缺陷态的频率正好对应原子自发辐射频率，自发辐射将显著增强，这样可以得到高品质因子的谐振腔[12,13]，大大降低激光器的阈值，实现低阈值激光震荡[14–19]。利用这一原理同样可以用来制作高效率的发光二极管[20,21]。光子晶体的发现和它们

5、在控制光传播方面的应用是一个全新的激动人心的领域，它给材料界、物理学界和通信界的科学家带来了许多提示。光子晶体的发现是光和电磁波传播与控制技术方面的一次革命。1.1国内外研究现状1.2.1光子晶体微腔激光器简介微腔激光器是当前光电子和光子学迅速发展起来的一种新器件。所谓微腔一般是之至少有一维的尺寸在光波长量级的微型光学谐振腔[22]。微腔最重要的作用是改变物质的自发辐射特性，使其在微腔内受到抑制或增强。目前，半导体微腔大体可以归结为三种典型的结构:F–P腔、“回音壁模式”(WG)和光子晶体缺陷模微腔[23,24]。其中，光子晶体缺陷模微腔以其独特的特性引起了人们广泛的关注。作为

6、一种新型的激光器，根据工作机理的不同，光子晶体激光器可以分为两类：一类的谐振腔形成于晶体中的缺陷，腔模的谐振形成激光。被人们称为光子晶体缺陷模激光器[25–29]；另一类没有传统的谐振腔，激光形成于带边低群速导致的光学增益加强，被称为光子晶体带边激光器。传统的半导体激光器以其成熟的制作工艺广泛应用于通信领域，但是由于其阈值高、发散角大、量子转换效率低等缺点已经无法满足现实应用中的–2–哈尔滨工业大学理学硕士学位论文苛刻要求。而且受到半导体激光材料能带宽度和器件本身的限制，普通的半导体激光器的单色性和方向性很差。而利用光子晶体的反射光和局域光的原理制备的光子晶体激光器[30–32

7、]，有望提高激光的输出特性和实现光子集成回路。类似于传统的激光器，光子晶体缺陷模激光器包括增益介质和微腔两部分。如果微腔的损耗很低，这种激光器可以实现低阈值运行。目前，研究这种微腔特性的方法包括：有限时域差分法(FDTD)[33,34]、平面波法(PWE)和传输 矩阵法(TMM)[35,36]等多种方法。微腔的Q值以及它与缺陷的半径，晶体的层 数、折射率等结构参量都有密切的关系[7,16,17]。1.1研究现状分析1999年，O.Painter，R.K.Lee等人第一次报道了在室温下工作 的