發(fā)布時間：2020-11-15 08:36

　　 1.3μm波段激光有著在光纖中低損耗且色散小的特點,所以1.3微米垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)作為一種具有與光纖耦合效率高、調(diào)制速率高的低功耗光源,在大數(shù)據(jù)中心之間的光互聯(lián)與中心主干網(wǎng)等中短程需要高傳輸容量的系統(tǒng)中有著不可取代的優(yōu)勢。但是目前所采用的1.3微米波段垂直腔面發(fā)射激光器存在著DBR生長難度高、難以高溫工作等問題,而采用光子晶體結構以實現(xiàn)面發(fā)射的電泵浦激光器雖然可以無需生長DBR但仍然有著輸出功率較低的缺點。本論文通過將具有特殊能帶結構的光子晶體結構引入量子點面發(fā)射激光器中并加入混合腔的設計,制備出了帶邊模式的光子晶體面發(fā)射激光器(Photonic-Crystal Surface-Emitting Laser,PCSEL),以達到高溫連續(xù)激射、降低閾值、提高邊模抑制比的目的,并提高輸出功率以滿足其在實際應用中的條件。本論文主要研究內(nèi)容和成果如下:1.對光子晶體的特性與光子晶體面發(fā)射激光器的諧振與垂直出光原理進行了論述并對如何增強其出光功率做出了討論。2.對二維光子晶體能帶結構的計算方法和光子晶體平帶進行了較為詳細的介紹和分析。并對實驗測量二維光子晶體能帶結構的方法進行了論述。3.采用有限元差分法(FDTD)對帶邊模式光子晶體進行模擬,探究光子晶體各參數(shù)對其能帶結構的影響并對其能帶結構圖進行分析,通過調(diào)整光子晶體孔徑與深度等參數(shù)獲得在1.3微米波段具有平帶奇異點能帶結構結構的光子晶體。4.對二維平板光子晶體的制備工藝進中的關鍵問題行了系統(tǒng)的研究工作,分析了曝光過程中曝光計量以及束流速度對圖形的影響,電感耦合等離子體(ICP)刻蝕工藝,深刻蝕光子晶體圖形的掩膜選擇與制備工藝,并提出了一種新的適用于光子晶體圖形深刻蝕的復合掩膜的制備方式,達到簡化工藝條件提高光子晶體圖形精度的目的。5.首次將具有平帶奇異點能帶結構的光子晶體引入到帶邊模式的光子晶體面發(fā)射激光器的制備中,從理論上證明具有該結構的光子晶體可以通過增加K空間中Γ點附近群速度為零的位置以提高帶邊模式光子晶體面發(fā)射激光器的諧振效率與輸出功率。6.將耦合腔結構應用到1.3μm量子點面發(fā)射激光器中,通過將FP腔與光子晶體腔相結合限制光子晶體腔的光泄露,增強光子晶體激光器的橫向諧振進一步提高出光功率。得到了室溫連續(xù)電流條件下輸出功率達到13mW且單量子點層閾值電流密度為48.9A/cm~2,最小半高寬為0.03nm,且在70 C°條件下仍可工作的面發(fā)射激光器。并提出使用具有禁帶結構的光子晶體作為限制腔,進一步限制泄露提高輸出功率。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TN248;O734
【部分圖文】：

由于光子晶體是介電系數(shù)呈周期排布的材料,根據(jù)其介電系數(shù)的空間排布特點的不同可以將其分為如圖1.2所示的一維、二維、三維三種類型。上圖中不同的顏色代表不同介電常數(shù)的材料。光子晶體的定義特征是介電材料沿一個或多個軸的周期性。其中一維光子晶體材料其介電系數(shù)在一個空間維度上呈周期分布,在另外的兩個空間維度上其介電系數(shù)不發(fā)生變化,比較常見的例子為多層的膜結構。二維光子晶體的介電系數(shù)則是在兩個空間維度上呈周期性的分布而在第三個空間維度上不發(fā)生變化,其中比較常見的有在二維平板上挖出空氣空洞或者通過腐蝕獲得柱形結構。三維光子晶體的介電系數(shù)在三個空間維度上都呈周期性的分布,其制備方法較為復雜,多采用層層堆積或者激光全息干涉成像的方式。

由此我們可知光子和電子的運動方程具有相似性,所以我們可以通過固體物理中電子能帶理論對光子的能帶結構進行描述。即在布里淵區(qū)之中,頻率隨波矢的變化而連續(xù)變化,而在布里淵區(qū)的邊界處,頻率發(fā)生突變從而出現(xiàn)禁帶。如下圖所示在一般材料和二維光子晶體平板中波數(shù)與頻率對折射率的影響,其x軸為波數(shù),y軸為頻率其中曲線的斜率為群速度。從圖中我們可以看出對于任意的波長波數(shù)的光來說其折射率是一定的。當能帶結構中出現(xiàn)帶隙則能量落于其中的波就不能傳播,這種帶隙被稱為光子禁帶。光子禁帶則分為不完全禁帶和完全禁帶兩種類型。其中不完全禁帶是指對光子的限制作用只是存在于某些特定的方向或者某一種偏振模式之下。完全禁帶則是在所有方向和任意偏振模式下光子都無法傳播。

如下圖所示在一般材料和二維光子晶體平板中波數(shù)與頻率對折射率的影響,其x軸為波數(shù),y軸為頻率其中曲線的斜率為群速度。從圖中我們可以看出對于任意的波長波數(shù)的光來說其折射率是一定的。當能帶結構中出現(xiàn)帶隙則能量落于其中的波就不能傳播,這種帶隙被稱為光子禁帶。光子禁帶則分為不完全禁帶和完全禁帶兩種類型。其中不完全禁帶是指對光子的限制作用只是存在于某些特定的方向或者某一種偏振模式之下。完全禁帶則是在所有方向和任意偏振模式下光子都無法傳播。1.3.2 光子局域
【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 鄭婉華;王宇飛;周文君;渠紅偉;張建心;齊愛誼;劉磊;;超低閾值橫向腔光子晶體面發(fā)射激光器[J];紅外與激光工程;2012年12期

2 ;豎直腔面發(fā)射激光器陣列[J];光機電信息;1999年08期

3 宋向東;面發(fā)射型激光器[J];郵電設計技術;1996年04期

4 劉如彬;舒永春;張冠杰;舒強;林耀望;姚江宏;王占國;;產(chǎn)生超短脈沖的光泵浦垂直外腔面發(fā)射激光器的研究進展[J];激光雜志;2006年02期

5 宋國峰;張宇;郭寶山;汪衛(wèi)敏;;表面等離子體調(diào)制單模面發(fā)射激光器的研究[J];物理學報;2009年10期

6 許興勝;王春霞;杜偉;趙致民;胡海洋;宋倩;魯琳;闞強;陳弘達;;光子晶體垂直腔面發(fā)射850nm波長激光器研究[J];物理;2007年01期

7 宗楠;崔大復;李成明;彭欽軍;許祖彥;秦莉;李特;寧永強;晏長嶺;王立軍;;光抽運垂直擴展腔面發(fā)射激光器腔內(nèi)倍頻理論研究[J];物理學報;2009年06期

8 趙曼;王曉娟;孫媛媛;郭霏;;大功率垂直腔面發(fā)射激光列陣的應用[J];科技信息;2009年25期

9 ;面發(fā)射激光器發(fā)光量監(jiān)視系統(tǒng)[J];光機電信息;1999年10期

10 張冠杰;舒永春;劉如彬;舒強;林耀望;姚江宏;王占國;許京軍;;光抽運垂直外腔面發(fā)射激光器特性與研究進展[J];激光技術;2006年04期

相關博士學位論文 前10條

1 陸寰宇;1.3微米量子點帶邊模式光子晶體面發(fā)射激光器的理論研究與工藝制備[D];中國科學院大學(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所);2020年

2 敖應權;面向片上光互連的面發(fā)射激光器及其集成技術研究[D];華中科技大學;2019年

3 劉光裕;光子微腔面發(fā)射激光器研究[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2010年

4 李希越;基于雙軸張應變的雙異質(zhì)結邊緣發(fā)射鍺激光器的模型研究與性能優(yōu)化[D];華南理工大學;2016年

5 范會博;基于溶膠凝股薄膜的新型片上氧化硅微型激光器[D];南京大學;2015年

6 朱國利;高重頻Ho:YAG激光器及其泵浦源Tm:YLF激光器的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2012年

7 杜艷秋;連續(xù)及被動調(diào)Q脈沖銩鈥共摻釩酸鹽激光器特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2014年

8 馮亞飛;用于生物檢測的720nm波段V型腔激光器以及鈣鈦礦激光器的設計制作[D];浙江大學;2017年

9 宋麗軍;超短脈沖激光器的實驗及理論研究[D];山西大學;2005年

10 王文哲;用于原子與通信波段激光器調(diào)諧及控制研究[D];山西大學;2013年

相關碩士學位論文 前10條

1 伍瑜;高功率面發(fā)射激光器的研究[D];重慶師范大學;2012年

2 歐陽麗;垂直腔體表面發(fā)射激光器等效電路模型的研究[D];華東師范大學;2011年

3 金珍花;高功率980nm垂直腔面發(fā)射激光列陣[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2005年

4 蔣麗丹;倍頻藍光/綠光外腔面發(fā)射激光器研究[D];重慶師范大學;2018年

5 尤明慧;新型分布孔結構面發(fā)射激光器研究[D];長春理工大學;2008年

6 房啟鵬;光泵浦外腔面發(fā)射激光器熱管理的研究[D];重慶師范大學;2015年

7 倪演海;新型垂直外腔面發(fā)射激光器研究[D];重慶師范大學;2011年

8 吳文光;量子阱垂直腔面發(fā)射半導體激光器的優(yōu)化與電路模型分析[D];華南師范大學;2005年

9 馬娜娜;量子點/光子晶體復合材料的制備及傳感分析應用研究[D];天津大學;2016年

10 鮑獻豐;光子晶體調(diào)控激光器模式特性的初步理論研究[D];中國工程物理研究院;2013年

本文編號：2884563