發(fā)布時(shí)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(diǎn),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(shì)。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(jié)構(gòu)以實(shí)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(diǎn)。本論文通過將具有特殊能帶結(jié)構(gòu)的光子晶體結(jié)構(gòu)引入量子點(diǎn)面發(fā)射激光器中并加入混合腔的設(shè)計(jì),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(dá)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(shí)際應(yīng)用中的條件。本論文主要研究內(nèi)容和成果如下:1.對(duì)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(jìn)行了論述并對(duì)如何增強(qiáng)其出光功率做出了討論。2.對(duì)二維光子晶體能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法和光子晶體平帶進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹和分析。并對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量二維光子晶體能帶結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行了論述。3.采用有限元差分法(FDTD)對(duì)帶邊模式光子晶體進(jìn)行模擬,探究光子晶體各參數(shù)對(duì)其能帶結(jié)構(gòu)的影響并對(duì)其能帶結(jié)構(gòu)圖進(jìn)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(diǎn)能帶結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的光子晶體。4.對(duì)二維平板光子晶體的制備工藝進(jìn)中的關(guān)鍵問題行了系統(tǒng)的研究工作,分析了曝光過程中曝光計(jì)量以及束流速度對(duì)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(fù)合掩膜的制備方式,達(dá)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(diǎn)能帶結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的光子晶體可以通過增加K空間中Γ點(diǎn)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(jié)構(gòu)應(yīng)用到1.3μm量子點(diǎn)面發(fā)射激光器中,通過將FP腔與光子晶體腔相結(jié)合限制光子晶體腔的光泄露,增強(qiáng)光子晶體激光器的橫向諧振進(jìn)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(dá)到13mW且單量子點(diǎn)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(jié)構(gòu)的光子晶體作為限制腔,進(jìn)一步限制泄露提高輸出功率。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)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(diǎn)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(gè)或多個(gè)軸的周期性。其中一維光子晶體材料其介電系數(shù)在一個(gè)空間維度上呈周期分布,在另外的兩個(gè)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(jié)構(gòu)。二維光子晶體的介電系數(shù)則是在兩個(gè)空間維度上呈周期性的分布而在第三個(gè)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(jié)構(gòu)。三維光子晶體的介電系數(shù)在三個(gè)空間維度上都呈周期性的分布,其制備方法較為復(fù)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(yùn)動(dòng)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(duì)光子的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)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(duì)于任意的波長波數(shù)的光來說其折射率是一定的。當(dāng)能帶結(jié)構(gòu)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(duì)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(duì)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(duì)于任意的波長波數(shù)的光來說其折射率是一定的。當(dāng)能帶結(jié)構(gòu)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(duì)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
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本文編號(hào)：2884563