[发明专利]一种垂直腔面发射光子晶体表面波激光器及其设计方法

说明书

技术领域

本发明提供了一种垂直腔面发射光子晶体表面波激光器及其设计方法，属于光电子、光通信等技术领域。

背景技术

光子晶体是折射率在空间周期性变化的介质材料，它能够有效地控制光子的传播行为。自E.Yablonovitch和S.John在二十年前提出这一概念以来，人们就对光子晶体的应用给予广泛关注。特别是在光通信技术领域，光子晶体光纤、微谐振腔激光器、滤波器、集成光路等光子晶体器件有着广阔的应用前景。半导体材料微细加工技术的不断提高大大地推动了二维甚至三维光子晶体器件在实际中的应用步伐。光子晶体激光器是光通信中重要的光源器件，目前人们已经设计出很多不同类型的光子晶体激光器，主要包括垂直共振腔面型激光器(VCSEL)、点缺陷型激光器、线缺陷波导型激光器、环形激光器，表面波微腔激光器等。

表面波微腔激光器是一种新型的激光器，在截断的光子晶体(半无限大)表面上，即光子晶体与空气的交界面处，存在只能沿光子晶体表面传播的电磁波模式，因此称为光子晶体表面波。它是由于光子晶体的带隙效应和光子晶体与空气分界面的全内反射双重因素造成的。这种具有表面波模式的光子晶体表面结构可以用来设计表面波微腔激光器，它的特点是一方面这种微腔是开腔，而另一方面它同样具有很高的品质因子(Q)。

现有文献公开了一种光子晶体薄板边模激光器，也即光子晶体表面波激光器。它利用光子晶体薄板截断断面上的表面波作为激光器的工作模式，两端未截断的部分当作端反射镜。这种微腔结构的表面层或表面层的近邻层没有周期性的起伏，即没有对表面层或表面层的近邻层进行调制，激光仍然只沿着表面层传播，且从两端出射。

现有文献还公开一种二维光子晶体薄板型表面波微腔，与上述光子晶体薄板边模激光器属于同一种光子晶体表面波激光器，该激光器重在改变微腔的一些性质，比如腔模数和品质因子与腔长的关系，并没有改变腔的结构，特别是表面层或表面层的近邻层结构。

现有公开的光子晶体表面波激光器均是端发射型激光器，所发射的激光均只沿着表面层传播，且从两端出射，并没有垂直腔面发射的激光器。

现有技术的表面波激光器均属于端发射型，由于衍射，出射激光束有较大的发散角，所以方向性差，等相位面不平坦。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种垂直腔面发射光子晶体表面波激光器及其设计方法，该激光器可垂直腔面发射，且具有很好的单模性，出射光的波阵面非常平坦。

为了解决上述技术问题，本发明采用了下述技术手段：

首先提供一种垂直腔面发射光子晶体表面波激光器的设计方法，包括如下步骤：

步骤1、选定发光材料，确定材料折射率，选择光子晶体结构类型，确定结构参数；

步骤2、利用超原胞技术和平面波展开法计算该结构的色散关系，得到表面模式；

步骤3、设计表面波微腔腔体，使该腔体的表面层或表面层的近邻层具有周期性的波状起伏。

进一步地，还包括：

步骤4、利用有限时域差分方法数值模拟该激光器的激射过程。

进一步地，所述的设计表面波微腔腔体的方法包括如下步骤：

步骤31、在选定的光子晶体的一侧从中间向下挖除一部分，两端留下的部分作为全反射镜；

步骤32、改变中间凹下部分的表面层结构，使该表面层具有表面波模式；

步骤33、对中间部分的表面层或表面层的近邻层进行周期调制，使该表面层或表面层的近邻层具有周期性的波状起伏。

同时，本发明还提供一种垂直腔面发射光子晶体表面波激光器，包括具有表面层的腔体，所述表面层具有周期性的波状起伏。

进一步地，所述的周期性波状起伏是指在中间部分的表面层每隔一个介质柱沿垂直腔面方向向上或向下微小移动一定距离。

此外，本发明还提供另一种垂直腔面发射光子晶体表面波激光器，包括具有表面层的腔体，所述表面层的最近邻层具有周期性的波状起伏。

进一步地，所述的周期性波状起伏是指在中间部分表面层的最近邻层每隔一个介质柱沿垂直腔面方向向上或向下微小移动一定距离。