一種大面陣相干光子晶體面發射激光光源結構的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種大面陣相干光子晶體面發射激光光源結構，包括：光子晶體陣列，其由位于中心的中心光子晶體和圍繞所述中心光子晶體對稱分布的多個邊緣光子晶體形成的多個陣列結構組成；其中，所述中心光子晶體和邊緣光子晶體具有完全相同的結構。整個結構具有旋轉對稱性，完整光子晶體利用帶邊模式具有面發射的特性。利用本發明，能夠實現低發散角、高亮度的大面陣相干激光光源，并且通過對光子晶體參數的調整，使得波長覆蓋從可見光到近紅外波段。
【專利說明】一種大面陣相干光子晶體面發射激光光源結構
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體激光器【技術領域】，尤其涉及一種大面陣相干光子晶體面發射激光器光源結構。
【背景技術】
[0002]半導體激光器自從其問世以來就受到了極大的關注，這是由于它應用范圍十分廣泛。其覆蓋波長從中紅外到近紫外，輸出功率毫瓦至百瓦水平，高效率、小型化、可集成等諸多優勢決定了它在光纖通信、光盤存儲、激光傳感以及軍事等許多領域的廣泛應用。
[0003]隨著現代科技的發展，半導體激光器的研究也取得了舉世矚目的成就，其也在朝著大功率、無閩值、高亮度發展。
[0004]對于N個單元陣列輸出，相干輸出情況下比非相干輸出的強度要大。可以將很多個低功率的激光器做成相干的高亮度陣列，同時保持效率和頻譜特性。早在三十多年前，一維的邊發射陣列已經研究了相當多了，在橫向大面積的保持相干對一維的邊發射陣列來說是主要的挑戰。面發射技術使得單片集成的二維陣列半導體激光器可行，保持相干、單頻控制的困難有很多，隨著二維陣列尺寸增加，模式數增加，模式分辨成為一個問題。
[0005]光子晶體由于其介電常數的周期性調制，能控制光的傳播行為。在光子晶體中引入缺陷后能形成微腔，這樣的微腔激光器有小的模式體積和非常高的品質因子，因此人們設計了多種多樣的缺陷腔光子晶體激光器。完整光子晶體利用其帶邊模式可以在有源區上面光子晶體區域形成大面積的諧振，垂直輸出激光同時具有較小的發射角。
【發明內容】
[0006]有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種大面陣相干光子晶體面發射激光器光源結構，在實現大面陣諧振、獲得相干激光光源的同時，降低遠場發散角、提高亮度。
[0007]為達到上述目的，本發明提供了一種大面陣相干光子晶體面發射激光光源結構，其特征在于，包括:光子晶體陣列，其由位于中心的中心光子晶體和圍繞所述中心光子晶體對稱分布的多個邊緣光子晶體形成的多個陣列結構組成；其中，所述中心光子晶體和邊緣光子晶體具有完全相同的結構。
[0008]從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果:
[0009]本發明提供的這種大面陣相干光子晶體面發射激光光源設計，其陣列元素利用完整光子晶體結構，并利用其面發射特性，陣列元素之間場相干疊加，可以降低遠場發散角和提高亮度；光子晶體有尺寸效應，改變參數可以使得波長覆蓋從可見光到近紅外波段。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為依照本發明的一種大面陣相于光子晶體面發射激光光源結構中光子晶體陣列示意圖。
[0011]圖2為依照本發明的大面陣光子晶體中的陣列單元I的能帶圖。[0012]圖3為依照本發明的一種大面陣相干光子晶體面發射激光光源結構的近場分量 Ex分布。
[0013]圖4為依照本發明的一種大面陣相干光子晶體面發射激光光源結構中的單個陣 列元素光子晶體1的極坐標遠場分布。
[0014]圖5為依照本發明的一種大面陣相干光子晶體面發射激光光源結構的極坐標遠 場圖。
【具體實施方式】
[0015]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0016]圖1示出了一種大面陣相干光子晶體面發射激光光源結構。如圖1所示，所述光 源結構包括：光子晶體陣列，該光子晶體陣列由位于中心的中心光子晶體1和圍繞所述中 心光子晶體1對稱分布的多個邊緣光子晶體2構成的多個陣列結構組成；其中，所述中心光 子晶體1和邊緣光子晶體2完全等同。所述中心光子晶體1和邊緣光子晶體2為正六邊形 結構。優選地，所述邊緣光子晶體2的數量為六個，所述六個邊緣光子晶體2位于中心光子 晶體1六個角位置處，且中心光子晶體1和六個邊緣光子晶體2形成的光子晶體陣列具有 六重旋轉對稱性，。所述光子晶體由按照一定的晶格類型排列的空氣孔組成，其晶格類型可 以為二角晶格
[0017]完整光子晶體利用其帶邊模式能夠形成大面積的諧振并且具有較小的遠場發散 角。進一步，由于所述中心光子晶體1和六個邊緣光晶體的排列方式具有六重旋轉對稱性， 這種排布方式有利于獲得對稱的圓形遠場光斑。單個陣列單元的遠場呈現高斯分布光強， 而陣列的遠場呈穩定的干涉條紋，所述高斯分布為干涉條紋的包絡，因此干涉條紋的中心 瓣發散角降低了。
[0018]上述方案中，緣光子晶體2與光子晶體1具有全同結構，其個數為6，所有的邊緣光 子晶體對稱的排布在光子晶體1周圍。陣列單元即光子晶體之間距離較近時，同相位相干 疊加之后，相對于只有一個陣列單元的情況功率會升高，遠場發散角會減小。
[0019]上述方案中，邊緣光子晶體與光子晶體1最近鄰距離為1?10個周期，所述周期 為完整光子晶體中空氣孔之間的排列周期。
[0020]上述方案中，所述光子晶體由InP或GaAs等半導體材料制成。
[0021]上述方案中，所述光子晶體結構采用在激光器頂端刻蝕形成按照一定晶格類型排 列的圓形孔而形成。
[0022]以下結合具體的實例對本發明提供的一種大面陣相干光子晶體面發射激光光源 設計作進一步詳細說明。
[0023]實施例一
[0024]在計算過程中，相鄰兩個陣列單元即光子晶體的邊緣間隔4. 5個周期。
[0025]如圖2所示，為大面陣光子晶體的陣列單元之一光子晶體1的能帶結構，我們采 用r2-1帶邊模式，因為該帶邊模式在r點附近變得平坦，群速度趨近于0，能夠在光子晶 體區域形成大面積的駐波諧振。該模式為六極模，與其他的模式間隔較大，是比較理想的模 式。[0026]如圖3所示，為采用FDTD方法計算的大面陣光子晶體三維板結構的近場圖，每個陣列單元中間形成了大面積的諧振，同時陣列單元間也有部分場分布。
[0027]如圖4所示，為計算的上述方案中的陣列單元光子晶體I的極坐標遠場，其計算過程中采用的計算方法和計算精度均與圖1所示的大面陣光子晶體結構保持一致，計算得到了 10度的單峰遠場，最大強度僅為57。
[0028]如圖5所示，為采用FDTD方法計算的圖1中的光子晶體陣列三維板結構的極坐標遠場圖，遠場中心有一個較強的光斑，周圍有6個側瓣圍繞，這是陣列單元同相位相干疊加的結果，最后獲得了 2.8度的單峰遠場，相對于同等精度情況下計算的陣列單元遠場發散角10度，陣列結構遠場發散角降低了 7.2度，同時最大強度為318，遠場中心單峰強度也提聞了。
[0029]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種大面陣相干光子晶體面發射激光光源結構，其特征在于，包括:光子晶體陣列，其由位于中心的中心光子晶體和圍繞所述中心光子晶體對稱分布的多個邊緣光子晶體形成的多個陣列結構組成；其中，所述中心光子晶體和邊緣光子晶體具有完全相同的結構。
2.如權利要求1所述的激光光源結構，其特征在于，所述中心光子晶體和邊緣光子晶體由按照預定晶格類型方式排列的空氣孔組成。
3.如權利要求2所述的激光光源結構，其特征在于，所述預定晶格類型為三角晶格。
4.如權利要求1-3任一項所述的激光光源結構，其特征在于，所述中心光子晶體和邊緣光子晶體為正六邊形光子晶體，且邊緣光子晶體的數量為六個，晶格類型為三角晶格。
5.如權利要求4所述的激光光源結構，其特征在于，所述六個邊緣光子晶體位于所述中心光子晶體的六個角位置處。
6.如權利要求1_3、5任一項所述的激光光源結構，其特征在于，邊緣光子晶體和中心光子晶體最近距離為1-10個周期，所述周期為光子晶體中空氣孔之間的排列周期。
7.如權利要求1_3、5任一項所述的激光光源結構，其特征在于，所述光子晶體材料為InP 或 GaAs0
【文檔編號】H01S5/18GK103887711SQ201410086771
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月11日 優先權日:2014年3月11日
【發明者】鄭婉華, 郭小杰, 王宇飛, 齊愛誼, 劉磊 申請人:中國科學院半導體研究所