光泵有机半导体边发射光子晶体激光器的研究

Organic semiconductor lasers have promising application prospect in optical display and communication field. Based on the excellent luminescence property of organic semiconductor and light modulation of photonic crystals, we design a novel optical pumping organic semiconductor edge-emitting photonic crystal laser, which has broad potential in the future chip integration. The dependence of the lateral dimension of one-dimensional photonic crystal on photonic band-gap of TE mode and TM mode is studied. We achieve the favorable TE photonic band-gap by optimizing the lateral dimension ratio when the lateral dimension is in the same order of wavelength. In addition, the ratio of lateral dimension is used to modulate the degree of light polarization. Furthermore, we design the resonant cavity formed by three parts composite structure of one-dimensional photonic crystal and study the cavity influence on lasing properties of defect modes by modulating the matched interval of each part. Organic semiconductor edge-emitting photonic crystal laser with excellent polarization can be achieved by modulating the combined parts of three domains to weaken, or even eliminate the interface modes caused by the symmetry broken.

有机半导体激光器在光通信及光显示领域具有广阔的应用前景。本项目拟结合有机半导体材料的优良发光特性和光子晶体光波调控特性，从理论和实验两方面研究获得具有良好面上集成潜能的光泵浦有机半导体光子晶体边发射激光器。研究一维光子晶体的横向尺寸对TE模和TM模光子带隙的影响；通过优化横向尺寸比，获得在横向尺寸与波长相当条件下的良好TE模光子带隙；并利用器件横向尺寸比调控激光输出的偏振度；研究设计一维光子晶体的三种结构参数、并调节三种结构之间的连接区域形成对缺陷模具有良好反射特性的谐振腔，消除三部分在结合处因对称性破缺造成的界面模，实现具有确定偏振特性的有机半导体光子晶体边发射激光器原型。

有机半导体激光器在光通信及光显示领域具有广阔的应用前景。本项目拟结合有机半导体 材料的优良发光特性和光子晶体光波调控特性，从理论和实验两方面研究获得具有良好面上集成潜能的光泵浦有机半导体光子晶体边发射激光器。研究主要从以下几方面开展，并取得了相应的成果。1、基于四能级二电子理论体系，构建了激光介质MEH-PPV的微观增益物理模型，分析了在外界泵浦条件下，MEH-PPV上下激光能级的粒子数分布的演化过程以及对输出光强特性的影响，得到了粒子数反转时间及激射阈值。2、基于有机共轭聚合物MEH-PPV光致发光与增益特性，利用一维光子晶体微腔的光局域与选模特性，我们在MEH-PPV脊型波导上设计了一种类三明治结构的一维边发射激光器。该结构包含对特定波长全反和透反的光子晶体单元和光子晶体微腔选模单元。脊型波导将受激光限制在“空气-PPV-玻璃”构成的非对称波导中，波导仅允许光的横向传输；光子晶体全反结构与透反结构构建有效谐振腔；光子晶体微腔选模结构有效抑制了由于大增益区所导致的多纵模竞争，大大降低了激光阈值，提高光束的输出功率和相干性。3、针对在实际器件输出过程中，由于有机材料质地偏软，输出端面不容易获得平整的光滑端面切口，导致输出光束质量恶化和耦合输出效率降低等问题，我们比较分析了三种激光耦合输出系统，包括光栅耦合、高折射率棱镜耦合以及普通棱镜+光栅组合的耦合系统，仿真得到这三种方式的最大耦合效率分别为33.7%、83%、72.9%。普通棱镜+光栅的组合模式相较于光栅耦合大幅提高了耦合效率，解决了单个激光器因耦合波导端面加工困难所造成的测试难题。4、根据实验加工要求对基于MEH-PPV的一维边发射有机光子晶体激光器的结构进行了整体优化，得出了激射波长在620nm的激光器最佳结构参数，并完成了激光器的实验制备，这些工作为后续开展有机边发射激光器的应用研究奠定了理论和实验基础。