[发明专利]光子晶体自准直激光器

说明书

技术领域

本发明提供了一种光子晶体自准直激光器及其设计方法，包括结构参数设计和激光腔设计，属于光电子、光通信等技术领域。

背景技术

光子晶体，这一概念是E.Yablonovitch和S.John在二十年前提出的，它是一种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。光子晶体所具有的特殊性质，例如光子带隙，缺陷态，负折射，自准直效应等，决定了它有着广泛的应用潜力。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和三维光子晶体器件的应用步伐。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，主要包括光子晶体垂直共振腔面型激光器(PC-VCSEL)、点缺陷型激光器、线缺陷直波导型激光器、线缺陷波导环形激光器等。

不同于线缺陷型光子晶体波导机制，光子晶体自准直现象来源于光子晶体独特的色散性质，即等频图上在特定的频率区间和很大张角范围内存在着非常平坦的等频率面。由于光波能量的传播总是垂直于等频面，这一频率区间的光波在光子晶体内将只沿着垂直等频面的方向传播。如果在光子晶体中引入线缺陷，可以使自准直光束发生弯折和分束。例如，利用光子晶体-空气界面作为内全反射镜使自准直光束发生90°的弯折。对分束机制，可以利用改变两近邻光子晶体之间的距离或者线缺陷上介质柱或空气孔的半径来调节能量分束比。除自准直分束器之外，这些反射和分束机制容易用来设计其他光学器件包括有源器件。我们利用自准直效应以及这些弯折和分束机制首次设计了平行平面腔和环形腔激光器。

现有光子晶体激光器中没有利用光子晶体自准直模式设计平行平面腔型激光器。

现有的光子晶体环形激光器是利用光子晶体线缺陷构成六角形的波导环，线缺陷模作为激光器的工作模式。这种环形微腔结构的设计原理与我们的设计完全不同：我们选择光子晶体的自准直模式作为激光器工作频率，利用线缺陷作为光束的弯折和分束机制构成环形回路。现有技术也有采用光子晶体-空气界面作为全反射镜和线缺陷作为部分反射镜，但没有将反射机制和自准直效应结合起来设计光子晶体自准直环形激光器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光子晶体自准直激光器及其设计方法，该类型激光器避免了光子晶体波导型环形激光器中存在的波导耦合问题，同时激光器的出射比和方向很容易通过部分反射镜的透射比和位置来控制，并且一块光子晶体上可以形成多个环形腔，多频率激射。

所述的二维光子晶体自准直激光器设计方法，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、利用平面波展开法计算该结构的色散关系得到自准直模式，即自准直激光器的工作频率；其特征在于，还包括：

步骤3、利用光子晶体-空气界面或线缺陷作为全反射或部分反射镜设计平行平面腔、单环形和多环形腔结构；

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。

所述的引入线缺陷作为部分反射镜是指：改变光子晶体方向一排介质柱或空气孔的半径或折射率，使其不同于主体介质柱或空气孔。

所述的光子晶体-空气界面作为全反射镜可以是：沿光子晶体方向上截断的光子晶体-空气界面或光子晶体边界。

所述的光子晶体-空气界面作为全反射镜也可以是：沿光子晶体方向上挖去多排介质柱或空气柱而产生的光子晶体-空气界面。

进一步地，本发明还提供一种光子晶体自准直平行平面腔激光器，包括光子晶体、两个部分反射镜，所述的沿光子晶体(11)方向截断的光子晶体-空气界面作为端反射镜构成平行平面腔。

进一步地，本发明还提供一种光子晶体自准直单环形激光器，包括光子晶体、三个全反射镜和一个部分反射镜，所述的三个全反射和一个部分反射镜构成矩形回路腔。

此外，本发明还提供一种光子晶体自准直多环形激光器，包括光子晶体、多个全反射镜和部分反射镜，其特征在于，设有多个由三个全反射和一个部分反射镜构成的单环形腔，所述多个单环形腔相互垂直交叉分布。

进一步地，光子晶体自准直多环形激光器的特征还包括，根据部分反射镜的位置控制每个单环激光的出射方向，而且多环腔中不同长度的环形腔可产生不同频率的激光。