光子前沿納腔光子晶體激光器

1、    光子前沿:納腔光子晶體激光器光子晶體的限光特性可以降低納腔激光器的閾值，提高信號的調(diào)制速率，為開發(fā)下一代光互聯(lián)和量子計(jì)算器件奠定了基礎(chǔ)。作者：JeffHecht縱觀半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷程，對泵浦能量和輸出激光進(jìn)行限制一直扮演著重要角色。第一個(gè)基于同質(zhì)結(jié)的二極管激光器需要低溫冷卻。隨后，單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)、窄條狀、量子阱結(jié)構(gòu)的相繼出現(xiàn)，極大地推動了半導(dǎo)體激光器的進(jìn)步。目前納腔結(jié)構(gòu)光子晶體的問世，又將光限制提高到一個(gè)新階段，納腔的體積甚 光子晶體的限光特性可以降低納腔激光器的閾值，提高信號的調(diào)制速率，為開發(fā)下一代光互聯(lián)和量子計(jì)算器件奠定了基

2、礎(chǔ)。作者：JeffHecht   縱觀半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷程，對泵浦能量和輸出激光進(jìn)行限制一直扮演著重要角色。第一個(gè)基于同質(zhì)結(jié)的二極管激光器需要低溫冷卻。隨后，單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)、窄條狀、量子阱結(jié)構(gòu)的相繼出現(xiàn)，極大地推動了半導(dǎo)體激光器的進(jìn)步。目前納腔結(jié)構(gòu)光子晶體的問世，又將光限制提高到一個(gè)新階段，納腔的體積甚至小于波長的立方。    納腔光子晶體激光器的目標(biāo)不只是實(shí)現(xiàn)世界上最小的激光器。波士頓大學(xué)光子學(xué)中心的Hatice Altug表示：“光子晶體利用納腔控制自發(fā)輻射，大大增加了耦合到激光模式的能量，從而降低了激光閾值。因?yàn)榧{腔的尺寸約等于波長

3、的平方，因而可以獲得很高的信號調(diào)制速率?！彼固垢４髮W(xué)的Altug和Jelena Vuckovic研究小組在室溫下采用光泵浦單個(gè)光子晶體腔，獲得了3ps的激光輸出，并且預(yù)計(jì)采用1ps的泵浦脈沖，可以將響應(yīng)時(shí)間降低到1ps，從而將激光器的信號調(diào)制速率提高到太赫茲頻段，這對于高速光互聯(lián)是一個(gè)巨大的誘惑?！?光子晶體和納腔      光子晶體激光器中的納腔是半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)中的一個(gè)“缺陷”區(qū)域。在半導(dǎo)體中蝕刻一系列孔，從而在微結(jié)構(gòu)區(qū)域的兩種材料空氣和高折射率半導(dǎo)體之間產(chǎn)生巨大的折射率差。高折射率差形成一個(gè)帶寬為幾百納米的光子帶隙，在帶隙區(qū)域，光無法傳輸。圖

4、1 光子晶體納腔中一個(gè)可能的四極場分布，紅色和藍(lán)色分別表示電場和磁場。納腔本身是一個(gè)“缺陷”，腔的寬度約等于輸出激光在材料中的波長。    孔蝕刻穿透多個(gè)量子阱，量子阱位于III-V族化合物（如InGaAsP）連接層之上。從孔中間半導(dǎo)體區(qū)域發(fā)出的激光，被周圍的微結(jié)構(gòu)限制在納腔平面內(nèi)（見圖1），所以光只能在垂直方向輸出。半導(dǎo)體及周圍空氣之間的折射率差提供反饋，維持垂直方向的激光輸出。    二維納腔尺寸的設(shè)計(jì)需要與輸出激光在半導(dǎo)體中的波長相匹配。對于輸出波長為1500nm的InGaAsP（折射率為3）納腔激光器，腔長約為500nm。單個(gè)

5、納腔的微小尺寸既降低了激光閾值，又保證了在腔的垂直方向上激光的單模輸出，同時(shí)也將輸出功率限制在1?W以內(nèi)。    光子晶體納腔的Q因子非常高，雙異質(zhì)結(jié)材料中實(shí)測值達(dá)到60萬，京都大學(xué)Susumo Noda研究小組在理論上指出，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)可以使Q因子超過2000萬。2目前，納腔光子晶體激光器只有在低溫和光泵浦條件下才能輸出連續(xù)激光，已報(bào)道有采用780nm光泵浦獲得950nm的連續(xù)激光輸出，閾值為9?W。在室溫下納腔光子晶體激光器的閾值較高，只能輸出脈沖激光。    通過在光子晶體薄層上設(shè)計(jì)納腔陣列，可以實(shí)現(xiàn)電磁場在納腔之間相互耦合

6、，從而獲得較高的輸出功率。一個(gè)周期為500nm，邊墻厚度為280nm，輸出波長為1500 nm的納腔陣列光子晶體激光器，輸出功率可達(dá)12?W，是單個(gè)納腔光子晶體激光器輸出功率的100倍。3對于納腔陣列光子晶體激光器，雖然總閾值增加，但每個(gè)納腔的閾值仍然很低，同時(shí)由于陣列的空間面積較大，其響應(yīng)時(shí)間也相應(yīng)地變長。    增加光子晶體激光器輸出功率的另一種方法是設(shè)計(jì)耦合納腔陣列，使激光在陣列平面中輸出，從而使得光從結(jié)構(gòu)邊緣耦合進(jìn)入光纖成為可能。在2007年5月的CLEO會議上，南加州大學(xué)報(bào)道了他們的重大研究成果：進(jìn)入多模裸光纖的峰值功率高達(dá)60?W。4大尺寸光子晶體激光

7、器    另一種類型的邊發(fā)射光子晶體激光器由一個(gè)窄缺陷條紋組成，進(jìn)而形成一個(gè)長條狀諧振腔。光子晶體由沉積在孔中（孔蝕刻到半導(dǎo)體上）的聚合物構(gòu)成，在納腔激光器中，聚合物的折射率更接近半導(dǎo)體的折射率，因而在600?m長的器件上形成一個(gè)有效的折射率波導(dǎo)。加州理工大學(xué)Axel Scherer研究小組的LinZhu表示：“整個(gè)波導(dǎo)像一個(gè)脊波導(dǎo)，波導(dǎo)核只有1.5?m寬，但是可以輸出25?m寬的單縱模（見圖2）。”    將橫向折射率波導(dǎo)和縱向布拉格反射有機(jī)地結(jié)合起來，可以在器件邊緣產(chǎn)生單縱模和單橫模激光輸出。折射率對比將光限制在光子晶體層，整個(gè)結(jié)

8、構(gòu)的體積比納腔大得多，因而可以獲得更高的輸出功率。5加州理工大學(xué)研究小組還開發(fā)出另一種結(jié)構(gòu)，利用有角度的端面壓縮有效折射率波導(dǎo)，從而使激光輸出完全取決于布拉格反射。6兩種結(jié)構(gòu)均采用電泵浦方式。 圖2. 加州理工大學(xué)開發(fā)的大尺寸光子晶體激光器，利用聚合物填充孔從而減小光子晶體的折射率差。波導(dǎo)是一個(gè)缺陷，缺陷寬度只有1.5?m，但可以產(chǎn)生寬度為25?m的單縱模?？孜g刻在光子晶體層（左上方）上，但沒有滲透到量子阱層（右上方）。電泵浦    雖然大多數(shù)納腔激光器仍然采用光泵浦方式，但也有不少廠商在研究電泵浦方式，電泵浦的一個(gè)關(guān)鍵問題是電連接。韓國科學(xué)技術(shù)院Yon

9、g-HeeLee研究小組在世界上首次開發(fā)出電泵浦納腔激光器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，光子晶體薄片上面為互相接觸的環(huán)形和n-型表層，下面通過中心站與p-型InP襯底相連。7該小組最近開發(fā)出包括六個(gè)光子晶體波導(dǎo)的納腔，使電泵浦納腔激光器的垂直輸出特性獲得了大幅改善。在2007年5月的CLEO會議上，Lee報(bào)道了他們的最新成果，通常六極模式電場可以達(dá)到微妙的平衡，將中間的兩個(gè)孔對換位置，從而打破這種對稱性，可以使70%的激光在30°的垂直軸內(nèi)輸出。8材料和波長    目前對激光的大部分研究和應(yīng)用都集中在1550nm窗口，因?yàn)樵摯翱诰哂凶畹偷墓饫w損耗。設(shè)計(jì)光子晶體納腔

10、激光器時(shí)，納腔大小取決于輸出波長與材料折射率的比值，輸出波長為1550nm的激光器要求納腔長度為500nm。其他報(bào)道顯示，采用GaAs泵浦InGaAs獲得950nm的激光輸出，納腔長度為300nm。9    利用光子晶體納腔激光器實(shí)現(xiàn)短波長激光輸出給工藝帶來了巨大的挑戰(zhàn)，目前利用光泵浦鋅氧化物納腔（周期為120nm）光子晶體已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了紫外激光輸出。10刻蝕氮化鎵化合物用于半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)藍(lán)光和紫光輸出仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。圖3. 世界上第一個(gè)電泵浦納腔光子晶體激光器，電流通過環(huán)狀結(jié)構(gòu)流經(jīng)n型表層，通過中心站進(jìn)入p型InP襯底。   光子晶體腔的

11、特性是提高硅晶中激光輸出的關(guān)鍵。2006年，斯坦福大學(xué)Vuckovic小組提出，一個(gè)單一的光子晶體腔可以將富硅氮化硅的發(fā)光效率提高七倍?？s短輻射壽命對于開發(fā)硅晶激光器至關(guān)重要，其制作工藝與目前的CMOS電子工藝兼容。11研究人員選擇氮化硅作為高折射率對比材料是為了保證更強(qiáng)的光限制。應(yīng)用前景    要開發(fā)出實(shí)用的、能在室溫運(yùn)行的電泵浦光子晶體納腔激光器，仍然存在巨大的挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)之一是如何實(shí)現(xiàn)光子晶體納腔激光器與其他光電器件的集成、與光纖和波導(dǎo)的耦合。精細(xì)調(diào)諧光子晶體的結(jié)構(gòu)也許可以解決這些問題。    光子晶體激光器的應(yīng)用前景十分廣闊。V

12、uckovic表示：“光子晶體激光器對信號的太赫茲調(diào)制速率對于光互連具有巨大的優(yōu)勢，在光互聯(lián)中單一器件的有限功率相對于長距離傳輸而言不再那么重要。利用納腔陣列可以產(chǎn)生中等距離傳輸所要求的高功率，而且其調(diào)制速度可能比目前的VCSEL更快，當(dāng)然前提是開發(fā)出電泵浦光子晶體激光器?！?#160;   光子晶體激光器的另一項(xiàng)極其誘人的潛在應(yīng)用是作為低抖動的單光子源，用于量子信息處理及相關(guān)領(lǐng)域。嚴(yán)格意義上說，如果激光器的輸出是自發(fā)輻射光子，則不能稱之為單光子源，但原理上光子晶體納腔激光器可以同時(shí)產(chǎn)生幾乎相同的光子，而開發(fā)出真正意義上的單光子源一直是個(gè)艱難的課題。光子晶體激光器的成功必將

13、開辟更廣的應(yīng)用天地。參考文獻(xiàn)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-OpticsSociety News 20, 4 (April 2006).4. L. Lu et al., paper CMV3 at CLEO 2007.5. L. Zhu et al., Optics Express 15, 5966 (May14, 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