光子晶体激光器阈值特性的理论研究

针对光子晶体激光器的结构特点,并考虑到非辐射复合及增益饱和效应的影响,运用速率方程研究了光子晶体激光器的阈值特性。由爱因斯坦A、B系数的关系,得出了自发辐射耦合因子的变化并不独立于腔体积的结论,并给出其具体数学表达式。分析了自发辐射耦合因子、表面复合速率、有源区体积及品质因子对光子晶体激光器阈值电流的影响。结果表明,经过优化处理,可以较好地降低光子晶体激光器的阈值电流,为无阈值激光器的实现提供了理论依据。     

光子晶体在半导体激光器中的应用

激光的发明，将人类带入光通信、光存储、光显示的高科技文明中，随着高科技的不断发展、进步和应用范围的不断扩大，对激光的要求更高，例如低阈值、高效率、高亮度、高速、小体积、好的模式特性等，这些要求在现有的传统激光器理论及技术中是难以达到的。但是当人们将光子晶体的理论与现有激光物理和技术相结合时，则有望突破传统激光器的性能瓶颈。例如，提高自发辐射速率，同时获得更高的自发辐射向受激辐射的耦合效率，实现激光器的无阈值工作；利用光子晶体对光子态的调制作用，可以获得比传统激光器大几个数量级的光学腔品质因子，大幅度提高激光的亮度、单色性；结合光子晶体微腔及其显著增加的光学腔品质因子，可以提高激光器的调制速率等，因此，人们预期光子晶体科学与技术将成为未来光电子领域发展的核心之一。文章介绍了光子晶体在半导体激光器中的应用，指出光子晶体科学技术引入发展了几十年的半导体激光器中，使半导体激光器展现出更加优异的性能。最后文章作者展望了光子晶体激光器的未来发展和应用的方向。     

光子晶体垂直腔面发射激光器的电流分布研究

对氧化限制型外腔式光子晶体垂直腔面发射激光器注入到有源区的电流密度分布进行了分析研究.提出三维电流分布计算模型,研究了光子晶体结构对电流密度分布和器件串联电阻的影响.研究发现,光子晶体孔刻蚀深度越深,电流分布圆对称性越差,引起的串联电阻越大.不同光子晶体图案对电流分布的均匀性和圆对称性也有很大的影响.该模型对于研究、设计氧化限制型外腔式光子晶体垂直腔面发射激光器提供了一个有用的分析方法.     

立体耦合光子晶体薄板微腔的高Q值特性研究

利用微腔之间的立体耦合,提出了基于无源材料硅的双层光子晶体薄板H1(DLPCS-H1)腔,薄板之间为空气层.使用三维时域有限差分方法和Padé近似方法分析了DLPCS-H1腔的偶极模的场分布和品质因子.通过对中间空气层高度的优化使DLPCS-H1腔的偶极模的品质因子得到了显著的提高,大约为单层光子晶体薄板H1腔的偶极模的品质因子的4倍.此外,还研究了三层光子晶体薄板H1腔,它的偶极模的品质因子约为单层光子晶体薄板H1腔的偶极模的品质因子的7倍.     

基于宽度可调节的线缺陷平板型光子晶体的空气槽微腔

研究了一种空气槽光子晶体微腔,这种腔是由在平板型光子晶体上引入一条宽度可以调节的线缺陷空气槽形成的,腔模的电场被强烈局限在空气槽中,由于介电常量的不连续性,电场得到很大的提高,同时模体积被大大地降低.数值模拟与分析了微腔的能带结构和场分布,考虑到腔模的谐振频率和对称性,发现一阶偶膜同时具有较高的品质因子和较小的模体积;应用有限时域差分法,得到腔模的品质因子可以高达106,模体积仅为0.02(λ/n)3.计算了一阶偶模谐振波长随空气槽宽度以及空气孔半径的变化,发现随着宽度的增加,波长越来越短.而随着空气孔半径的增加,波长近似线性地减小;当空气孔半径为170 nm时,可以获得最高的腔品质因子.     

基于宽度可调节的线缺陷平板型光子晶体的空气槽微腔

研究了一种空气槽光子晶体微腔,这种腔是由在平板型光子晶体上引入一条宽度可以调节的线缺陷空气槽形成的.腔模的电场被强烈局限在空气槽中,由于介电常量的不连续性,电场得到很大的提高,同时模体积被大大地降低.数值模拟与分析了微腔的能带结构和场分布,考虑到腔模的谐振频率和对称性,发现一阶偶膜同时具有较高的品质因子和较小的模体积;应用有限时域差分法,得到腔模的品质因子可以高达10⁶,模体积仅为0.02(λ/n)³.计算了一阶偶模谐振波长随空气槽宽度以及空气孔半径的变化,发现随着宽度的增加,波长越来越短.而随着空气孔半径的增加,波长近似线性地减小;当空气孔半径为170 nm时,可以获得最高的腔品质因子.     

Application of LDOS and multipole expansion technique in optimization of photonic crystal designs

We introduced a procedure of using local density of states for increasing the quality factor and Purcell factor of photonic crystal cavities. We used multipole expansion method for accurate calculation of local density of photonic states, stationary field profile, Q-factor, mode volume and Purcell factor of photonic crystal cavities. We found out that the quality factor exponentially increases with the number of additional photonic crystal layers around the cavity while the mode frequencies stay unchanged. We also demonstrated the method in studying the defect mode??s behavior in photonic crystal cavities and showed that high Q-factor, small mode volume and high Purcell factor could be obtained with optimization of geometrical parameters of first neighboring layer.     

Open cavity formed by a photonic crystal with negative effective index of refraction

An open cavity formed by three 60 degrees wedges of a photonic crystal with negative effective index is designed and studied. The quality factor of the open cavity can be larger than 2000. The influence of the interface termination on the resonant frequency and the quality factor is studied.     

带多孔硅表面缺陷腔的半无限光子晶体Tamm态及其折射率传感机理

结合表面缺陷半无限光子晶体Tamm态与多孔硅光学传感机理,在光子晶体表面缺陷腔中引入多孔硅,并利用其高效的承载机制,提出基于多孔硅表面缺陷光子晶体Tamm态的折射率传感结构.在半无限光子晶体中缺陷腔与原来的周期性分层介质结构的界面上存在Tamm态,通过入射角度调制使其在缺陷腔中实现多次全反射,并在缺陷腔中加入吸收介质,使谐振波长在缺陷腔中完成衰荡,从而在反射谱中得到缺陷峰;调整光子晶体参数,使缺陷峰的半高全宽得到优化,提高其品质因数(Q值);在此基础上,根据Goos-H?nchen相位移与谐振波长的关系,建立由待测样本折射率改变所导致的多孔硅表面吸附层有效折射率变化与缺陷峰值波长漂移之间的关系模型,并分析其折射率传感特性.结果表明,此生物传感结构Q值为1429,灵敏度为546.67 nm/RIU,证明了该传感结构的有效性,可为高Q值和高灵敏度折射率传感器的设计提供一定的理论参考.     

High quality factor in a two-dimensional photonic crystal cavity on silicon-on-insulator

We propose a design for high quality factor two-dimensional (2D) photonic crystal cavities on silicon-on-insulator (SOI). A quality factor of up to 1.2×10(7) with a modal volume of 2.35(λ/n)(3) is simulated. A very high quality factor of 200,000 is experimentally demonstrated for a 2D cavity fabricated on SOI.     

Direct extraction of large quality factors and resonant frequencies from Padé interpolated resonance spectra

Extracting the quality factor and resonant frequency of photonic crystal resonators simulated using the finite-difference time-domain algorithm is investigated. The Padé interpolation method is applied to the resonance spectra, and closed form expressions for the quality factor and center frequency in terms of the coefficients in the Padé function are presented. The method is applied to simulations of the photonic crystal double heterostructure cavity.     

二维光子晶体耦合腔阵列的慢波效应研究

设计了一种六角晶格二维光子晶体耦合腔阵列,平面波展开法计算能带表明,处于禁带中的耦合缺陷腔模的色散曲线在光子晶体平面内所有k矢量方向更加平坦.模拟了横电波沿ΓK方向的透射谱.与光子晶体单缺陷腔相比,耦合腔阵列结构的缺陷腔模透射率提高三个量级以上,而群速度降低一个量级,得到0.007c的结果.该慢波效应在构造微型可调谐光延迟器和低阈值光子晶体激光器等方面具有潜在的应用前景. 关键词： 光子晶体 耦合腔阵列 慢波 透射率     

优化电激励光子晶体单缺陷激光腔结构

设计和制作电激励光子晶体微腔激光器的一个困难是电流的注入问题,而且电流的路径时常会导致微腔的Q值降低。将三维并行时域有限差分方法用于电激励光子晶体单缺陷激光腔研究,给出了微腔的本征模式分布。根据模式特点,选择单极子模式作为研究对象。数值模拟表明,在保持C_(6v)对称性条件前提下,微调最靠近微腔中心的6个空气孔的位置使得单极子模式的光场分布在腔边缘发生缓慢变化可以将单极子模的Q值和Purcell因子提高大约7倍。即激光器阈值可以降低7倍。     

Single fundamental mode photonic crystal VCSEL with high power and low threshold current optimized by modal loss analysis

The characteristics of the photonic crystal vertical cavity surface emitting lasers(PhC-VCSELs) were investigated by using the full vector finite-difference time-domain(FDTD) method through the transverse mode loss analysis. PhC-VCSELs with different photonic crystal structures were analyzed theoretically and experimentally. Through combining the dual mode confinement of oxide aperture and seven-point-defect photonic crystal structure, the PhC-VCSELs with low threshold current of 0.9 mA and maximum output power of 3.1 mW operating in single fundamental mode were demonstrated. Mode loss analysis method was proven as a reliable and useful way to analyze and optimize the PhC-VCSELs.     

High-Q microfluidic cavities in silicon-based two-dimensional photonic crystal structures

We demonstrate postprocessed microfluidic double-heterostructure cavities in silicon-based photonic crystal slab waveguides. The cavity structure is realized by selective fluid infiltration of air holes using a glass microtip, resulting in a local change of the average refractive index of the photonic crystal. The microcavities are probed by evanescent coupling from a silica nanowire. An intrinsic quality factor of 57,000 has been derived from our measurements, representing what we believe to be the largest value observed in microfluidic photonic crystal cavities to date.     

一维光子晶体谐振腔的模式类型及其性质

利用光学传输矩阵法研究了一维光子晶体谐振腔的谐振波长、品质因子和缺陷层厚度之间的变化关系,发现谐振腔内存在不同级次的谐振模式;对于同一级次的谐振模式,品质因子在某一波长(λm)时达到极大值,该波长恰为光子晶体反射率最高处所对应的波长,也是该光子晶体的布拉格共振反射波长;在λm处,品质因子随级次的增加而线性增加;品质因子随周期层数增加而指数增加,但其增长因子与模式级次无关,也与周期数无关,只与谐振波长有关;对于所有级次的谐振模式,增长因子在λm处达到最大值。这对提高品质因子、减小谐振腔体积、优化谐振腔有重要意义。     

高Q值二维光子晶体缺三腔的数值模拟与分析

针对单光子源对高性能纳米腔的需要, 采用“柔性束缚"光子限制结构和时域有限差分法, 通过把时域和频域的光电场分布与理想高斯函数进行比较, 设计出一种高品质因子的光子晶体缺三腔(L3), 其Q值达Q=2.8×10⁵, 有效模式体积为V_eff=0.1813(λ/n)³, 相应的Purcell因子超过F=1.2×10⁵. 此外, 提出一种定量描述腔性能优劣程度的能量系数分析法, 通过定量对比二维高斯分布下的场分布能量与总能量, 提高了腔的优化速度与准确性. 计算结果表明, 随着腔性能的优化, Q值正比于能量系数γ值直至饱和.     

偶极子位置及偏振对激发光子晶体H1微腔的影响

光子晶体微腔和量子点的集成是实现量子信息处理非常具有潜力的平台之一,利用微腔和量子点的耦合可以制备纠缠光子对,实现对量子态的操控.因为光子晶体微腔具有品质因子高、模场体积小等优点,可以极大地增强光与物质之间的相互作用,从而易于实现量子态在不同物理体系之间的转换.通过单量子点和光子晶体H1微腔的耦合可以产生纠缠光子对,因为H1微腔具有简并的、模式偏振正交的基态模式.通常微腔模式的激发随着量子点在微腔中的位置变化而改变,本文用时域有限差分方法研究了偶极子光源的位置及偏振对激发光子晶体H1微腔模式的影响.结果表明:通过改变偶极子光源位置可以选择性地激发H1微腔简并模式中的一个;具有某一偏振的偶极子光源只能激发相应偏振的微腔模式;模式激发强度的大小也是由偶极子光源在微腔中的位置决定的.鉴于目前量子点在微腔中的位置尚不能精确控制,所以微腔模式受激发光源位置的影响的研究具有重要意义.     

用时域有限差分方法研究非惯性坐标系下光子晶体传输特性

将时域有限差分（FDTD）方法用于非惯性坐标系下光子晶体理论研究,给出了非惯性坐标系下的差分方程和理想匹配层（PML）边界条件。设计了一个包含闭合环行腔和定向耦合器的光子晶体结构。定向耦合器的耦合长度为43a,这样的耦合长度既保证了闭合环行腔的高Q值,又保证了必要的频率分辨力。理论计算表明：光子晶体转动时,闭合环行腔里顺时针与逆时针方向传播的光有频差产生,此频差大小与光子晶体的转动角速度有关。     

Ultrafast photonic crystal lasers

We describe recent progress in photonic crystal nanocavity lasers with an emphasis on our recent results on ultrafast pulse generation. These lasers produce pulses on the picosecond scale, corresponding to only hundreds of optical cycles. We describe laser dynamics in optically pumped single cavities and in coupled cavity arrays, at low and room temperature. Such ultrafast, efficient, and compact lasers show great promise for applications in high‐speed communications, information processing, and on‐chip optical interconnects.