復(fù)享光學(xué)ARMS在光子晶體激光器中的應(yīng)用
利用顯微角分辨光譜系統(tǒng)對光子晶體激光器的光子能帶進(jìn)行表征
【概述】光子晶體面發(fā)射激光器（Photonic Crystal Surface Emitting Laser, PCSEL）簡稱光子晶體激光器，因其優(yōu)異的激光特性而備受關(guān)注。該激光器的主要特點(diǎn)是同時(shí)兼具高功率的輸出和高質(zhì)量的光束，并具有偏振、片上發(fā)射及方向可控等獨(dú)特的優(yōu)勢（圖1），這使其在激光雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)檢測及集成電路等場景中具有巨大的應(yīng)用潛力。
2005年，日本京都大學(xué)電子科學(xué)與工程系的 Susumu Noda 教授課題組在 IEEE Journal on Selected Areas in Communication 期刊上發(fā)表了一篇題為《Lasing Band-Edge Identification for a Surface-Emitting Photonic Crystal Laser》的研究論文，該研究在PCSEL的發(fā)展歷程中具有里程碑式的意義。作者通過對PCSEL中光子晶體能帶的理論計(jì)算和角分辨光譜表征，深入揭示了PCSEL中光子晶體能帶與激光特性之間的相互關(guān)系，為后來PCSEL的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了有力的參考。
【樣品 & 測試】該研究工作中的PCSEL器件由 Wafer α 層和 Wafer β 層組成（圖2），晶體材料通過 MOCVD 生長獲得。其中，光子晶體部分由硅片上生長的 GaAs 異質(zhì)結(jié)構(gòu)層構(gòu)成，晶格結(jié)構(gòu)為方形晶格，晶格常數(shù)為 286.25nm，孔徑約為 100nm，刻蝕深度為 100nm。
為獲得 PCSEL 中的光子晶體能帶，作者采用顯微角分辨光譜技術(shù)進(jìn)行器件的角分辨光譜表征，結(jié)果如圖3所示，其中顯示該光子晶體具有 A、B、C、D 四條光子能帶。當(dāng)泵浦電流高于激光發(fā)射閾值時(shí)，可以觀察到 A 能帶Γ點(diǎn)處的紅色部分產(chǎn)生激光振蕩和發(fā)射（圖3c），這是由于 A 能帶在該點(diǎn)具有最高的品質(zhì)因子 Q 導(dǎo)致，其激光發(fā)射頻率為 0.2966(c/a)，對應(yīng)的激光波長為 965.0nm。
PCSEL 具有線寬窄、發(fā)散角小的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的測量方法在表征這些特性時(shí)面臨困難。復(fù)享光學(xué)為解決相關(guān)難點(diǎn)，自主研發(fā)了基于光學(xué)傅里葉變換技術(shù)的顯微角分辨光譜系統(tǒng)（ARMS），該系統(tǒng)具備如下特點(diǎn)：寬譜段的光譜檢測，最寬波段范圍可達(dá) 400~1700nm；極高的角度分辨能力，角度分辨率優(yōu)于 0.1°；優(yōu)異的波長分辨能力，波長分辨率優(yōu)于 0.2nm。該系統(tǒng)能夠提供能帶結(jié)構(gòu)、發(fā)射特性及光譜測量等綜合光學(xué)表征，這使得對 PCSEL 的光學(xué)性能的精細(xì)測量成為可能。圖4展示了利用 ARMS 進(jìn)行一維光子晶體的能帶測量，從該測量結(jié)果中可清晰觀察到Γ點(diǎn)附近的能帶變化。
圖4，利用ARMS進(jìn)行一維光子晶體能帶測量的結(jié)果
【總結(jié)】綜上所述，在當(dāng)前 PCSEL 的研究中，角分辨發(fā)射光譜的表征至關(guān)重要。復(fù)享光學(xué)的 ARMS 可為 PCSEL 提供精確的能帶結(jié)構(gòu)、發(fā)射性質(zhì)表征和光譜測量等功能。未來，復(fù)享光學(xué)的 ARMS 將繼續(xù)在微納光子學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，進(jìn)一步推動(dòng)光子學(xué)技術(shù)進(jìn)步。
【參考文獻(xiàn)】
? ? ? ? Sakai K; Miyai E;Sakaguchi T;,et al. Lasing band-edge identification for a surface-emitting photonic crystal laser. IEEE Journal on Selected Areas in Communications (2005).??
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