能带边缘型光子晶体激光器的研究

光子晶体能带边缘型激光器被认为是面向未来平面内全光集成的核心部件，它充分利用了光子晶体能带边缘处低群速度的特性；同时，可见光激光器在光数据存储方面有着广泛的应用前景。本项工作主要围绕光子晶体能带边缘型激光器的光学增益、带边群速度、光子禁带结构等问题开展应用基础研究，目标是有机光子晶体能带边缘型激光器实验室原型器件的研究和开发，主要从两个方面开展研究：一是透彻分析带边本征模的群速度、光子晶体的禁带结构和晶格参数的关系，以及它们对激光器阈值的影响等问题；二是根据理论研究的结果进行实验研究。用我们已经掌握的离子束刻蚀技术结合真空热蒸发和旋涂技术制造有机光子晶体能带边缘型激光器，其研究结果对将来开发极低阈值电泵浦光子晶体激光器具有重要的指导意义。预计本项目的研究对新型光器件，非线性光学以及集成光学将产生重要而深远的影响。

光子晶体是具有电磁波禁带的周期性结构功能材料，其根本特征是具有光子禁带和光子局域。本项目将光子晶体引入有机激光器中，应用光子晶体所具有的光子禁带控制光在器件中的传播特性，改善激光器的反馈性能，降低激光器的激射阈值。本项目对基于SiO2材料的二维有机光子晶体激光器、基于SiN材料的一维有机光子晶体激光器和基于SiN材料的二维有机光子晶体激光器进行了试验研究和理论分析。. 我们研究了基于SiO2材料的蜂窝型二维有机光子晶体DFB激光器。测试了该光子晶体激光器的光致发光特性和阈值特性。通过利用模式耦合场理论的分析，我们发现这种有机光子晶体激光器是符合DFB激光器的工作原理。通过实验的分析，我们发现这种光子晶体激光器的激射峰半高宽仅为0.2nm，这一点优于其他DFB激光器。.　　采用高折射率材料SiN制作一维有机光子晶体DFB激光器，通过控制其晶格常数和占空比，制备了阈值较低，发射峰在690 左右的有机激光器。通过对其光致发光特性的研究，优化了其器件结构。我们还利用Translight软件计算了该一维光子晶体的透射谱和反射谱。通过透射谱和反射谱的研究，我们认为光子禁带的产生是由于材料的折射率的周期性引起的，但是入射光的角度对于禁带位置的移动是有影响的。一维光子晶体激光器需要满足布喇格衍射条件。.　　采用SiN材料制作了二维三角形有机光子晶体DFB激光器，通过调整其占空比和有机材料的厚度，制备了阈值较低，发射峰在690 nm左右的有机光子晶体激光器。通过测量其光致发光特性、阈值特性，优化了器件的结构。我们还利用平面波展开法和FDTD方法计算了该二维光子晶体激光器的能带。通过能带特性的研究，我们认为二维光子晶体虽然不具有完全带隙，但通过增加高折射率材料可以有效降低这种能带边缘型光子晶体激光器的阈值。.　　从理论上分析了能带边缘型光子晶体激光器的工作原理。理论计算表明这种能带边缘型光子晶体激光器是不存在完全带隙的，但在布里渊区的高对称点可以实现激射。激射的基本原理可以采用DFB激光器来很好的分析。对于三角形光子晶体激光器来说，激射模式要比传统的DFB激光器要复杂得多。