1.3微米量子点带边模式光子晶体面发射激光器的理论研究与工艺制备

发布时间：2020-11-15 08:36

　　 1.3μm波段激光有着在光纤中低损耗且色散小的特点,所以1.3微米垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)作为一种具有与光纤耦合效率高、调制速率高的低功耗光源,在大数据中心之间的光互联与中心主干网等中短程需要高传输容量的系统中有着不可取代的优势。但是目前所采用的1.3微米波段垂直腔面发射激光器存在着DBR生长难度高、难以高温工作等问题,而采用光子晶体结构以实现面发射的电泵浦激光器虽然可以无需生长DBR但仍然有着输出功率较低的缺点。本论文通过将具有特殊能带结构的光子晶体结构引入量子点面发射激光器中并加入混合腔的设计,制备出了带边模式的光子晶体面发射激光器(Photonic-Crystal Surface-Emitting Laser,PCSEL),以达到高温连续激射、降低阈值、提高边模抑制比的目的,并提高输出功率以满足其在实际应用中的条件。本论文主要研究内容和成果如下:1.对光子晶体的特性与光子晶体面发射激光器的谐振与垂直出光原理进行了论述并对如何增强其出光功率做出了讨论。2.对二维光子晶体能带结构的计算方法和光子晶体平带进行了较为详细的介绍和分析。并对实验测量二维光子晶体能带结构的方法进行了论述。3.采用有限元差分法(FDTD)对带边模式光子晶体进行模拟,探究光子晶体各参数对其能带结构的影响并对其能带结构图进行分析,通过调整光子晶体孔径与深度等参数获得在1.3微米波段具有平带奇异点能带结构结构的光子晶体。4.对二维平板光子晶体的制备工艺进中的关键问题行了系统的研究工作,分析了曝光过程中曝光计量以及束流速度对图形的影响,电感耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺,深刻蚀光子晶体图形的掩膜选择与制备工艺,并提出了一种新的适用于光子晶体图形深刻蚀的复合掩膜的制备方式,达到简化工艺条件提高光子晶体图形精度的目的。5.首次将具有平带奇异点能带结构的光子晶体引入到带边模式的光子晶体面发射激光器的制备中,从理论上证明具有该结构的光子晶体可以通过增加K空间中Γ点附近群速度为零的位置以提高带边模式光子晶体面发射激光器的谐振效率与输出功率。6.将耦合腔结构应用到1.3μm量子点面发射激光器中,通过将FP腔与光子晶体腔相结合限制光子晶体腔的光泄露,增强光子晶体激光器的横向谐振进一步提高出光功率。得到了室温连续电流条件下输出功率达到13mW且单量子点层阈值电流密度为48.9A/cm~2,最小半高宽为0.03nm,且在70 C°条件下仍可工作的面发射激光器。并提出使用具有禁带结构的光子晶体作为限制腔,进一步限制泄露提高输出功率。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TN248;O734
【部分图文】：

由于光子晶体是介电系数呈周期排布的材料,根据其介电系数的空间排布特点的不同可以将其分为如图1.2所示的一维、二维、三维三种类型。上图中不同的颜色代表不同介电常数的材料。光子晶体的定义特征是介电材料沿一个或多个轴的周期性。其中一维光子晶体材料其介电系数在一个空间维度上呈周期分布,在另外的两个空间维度上其介电系数不发生变化,比较常见的例子为多层的膜结构。二维光子晶体的介电系数则是在两个空间维度上呈周期性的分布而在第三个空间维度上不发生变化,其中比较常见的有在二维平板上挖出空气空洞或者通过腐蚀获得柱形结构。三维光子晶体的介电系数在三个空间维度上都呈周期性的分布,其制备方法较为复杂,多采用层层堆积或者激光全息干涉成像的方式。

由此我们可知光子和电子的运动方程具有相似性,所以我们可以通过固体物理中电子能带理论对光子的能带结构进行描述。即在布里渊区之中,频率随波矢的变化而连续变化,而在布里渊区的边界处,频率发生突变从而出现禁带。如下图所示在一般材料和二维光子晶体平板中波数与频率对折射率的影响,其x轴为波数,y轴为频率其中曲线的斜率为群速度。从图中我们可以看出对于任意的波长波数的光来说其折射率是一定的。当能带结构中出现带隙则能量落于其中的波就不能传播,这种带隙被称为光子禁带。光子禁带则分为不完全禁带和完全禁带两种类型。其中不完全禁带是指对光子的限制作用只是存在于某些特定的方向或者某一种偏振模式之下。完全禁带则是在所有方向和任意偏振模式下光子都无法传播。

如下图所示在一般材料和二维光子晶体平板中波数与频率对折射率的影响,其x轴为波数,y轴为频率其中曲线的斜率为群速度。从图中我们可以看出对于任意的波长波数的光来说其折射率是一定的。当能带结构中出现带隙则能量落于其中的波就不能传播,这种带隙被称为光子禁带。光子禁带则分为不完全禁带和完全禁带两种类型。其中不完全禁带是指对光子的限制作用只是存在于某些特定的方向或者某一种偏振模式之下。完全禁带则是在所有方向和任意偏振模式下光子都无法传播。1.3.2 光子局域
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 郑婉华;王宇飞;周文君;渠红伟;张建心;齐爱谊;刘磊;;超低阈值横向腔光子晶体面发射激光器[J];红外与激光工程;2012年12期

2 ;竖直腔面发射激光器阵列[J];光机电信息;1999年08期

3 宋向东;面发射型激光器[J];邮电设计技术;1996年04期

4 刘如彬;舒永春;张冠杰;舒强;林耀望;姚江宏;王占国;;产生超短脉冲的光泵浦垂直外腔面发射激光器的研究进展[J];激光杂志;2006年02期

5 宋国峰;张宇;郭宝山;汪卫敏;;表面等离子体调制单模面发射激光器的研究[J];物理学报;2009年10期

6 许兴胜;王春霞;杜伟;赵致民;胡海洋;宋倩;鲁琳;阚强;陈弘达;;光子晶体垂直腔面发射850nm波长激光器研究[J];物理;2007年01期

7 宗楠;崔大复;李成明;彭钦军;许祖彦;秦莉;李特;宁永强;晏长岭;王立军;;光抽运垂直扩展腔面发射激光器腔内倍频理论研究[J];物理学报;2009年06期

8 赵曼;王晓娟;孙媛媛;郭霏;;大功率垂直腔面发射激光列阵的应用[J];科技信息;2009年25期

9 ;面发射激光器发光量监视系统[J];光机电信息;1999年10期

10 张冠杰;舒永春;刘如彬;舒强;林耀望;姚江宏;王占国;许京军;;光抽运垂直外腔面发射激光器特性与研究进展[J];激光技术;2006年04期

相关博士学位论文 前10条

1 陆寰宇;1.3微米量子点带边模式光子晶体面发射激光器的理论研究与工艺制备[D];中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所);2020年

2 敖应权;面向片上光互连的面发射激光器及其集成技术研究[D];华中科技大学;2019年

3 刘光裕;光子微腔面发射激光器研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2010年

4 李希越;基于双轴张应变的双异质结边缘发射锗激光器的模型研究与性能优化[D];华南理工大学;2016年

5 范会博;基于溶胶凝股薄膜的新型片上氧化硅微型激光器[D];南京大学;2015年

6 朱国利;高重频Ho:YAG激光器及其泵浦源Tm:YLF激光器的研究[D];哈尔滨工业大学;2012年

7 杜艳秋;连续及被动调Q脉冲铥钬共掺钒酸盐激光器特性研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

8 冯亚飞;用于生物检测的720nm波段V型腔激光器以及钙钛矿激光器的设计制作[D];浙江大学;2017年

9 宋丽军;超短脉冲激光器的实验及理论研究[D];山西大学;2005年

10 王文哲;用于原子与通信波段激光器调谐及控制研究[D];山西大学;2013年

相关硕士学位论文 前10条

1 伍瑜;高功率面发射激光器的研究[D];重庆师范大学;2012年

2 欧阳丽;垂直腔体表面发射激光器等效电路模型的研究[D];华东师范大学;2011年

3 金珍花;高功率980nm垂直腔面发射激光列阵[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2005年

4 蒋丽丹;倍频蓝光/绿光外腔面发射激光器研究[D];重庆师范大学;2018年

5 尤明慧;新型分布孔结构面发射激光器研究[D];长春理工大学;2008年

6 房启鹏;光泵浦外腔面发射激光器热管理的研究[D];重庆师范大学;2015年

7 倪演海;新型垂直外腔面发射激光器研究[D];重庆师范大学;2011年

8 吴文光;量子阱垂直腔面发射半导体激光器的优化与电路模型分析[D];华南师范大学;2005年

9 马娜娜;量子点/光子晶体复合材料的制备及传感分析应用研究[D];天津大学;2016年

10 鲍献丰;光子晶体调控激光器模式特性的初步理论研究[D];中国工程物理研究院;2013年

本文编号：2884563