平面工艺制作的定向输出微腔半导体激光器

光学微腔中偶极子自发辐射受到空间和频谱调制,能实现自发辐射增强或抑制效应,而且其有源区体积可以非常小,有利于极低阈值工作和极高的调制速率.在过去的二十多年来,垂直腔面发射激光器、回音壁模式(whispering-gallery mode)微腔激光器以及光子晶体微腔激光器三类光学微腔激光器的研究取得了很大的进展.回音擘模式微腔中,模式光线由于其在微腔界面的入射角大于全反射临界角而受到限制,是一种结构非常简单的光学微腔.微盘激光器作为典型的回音壁模式微腔激光器,可利用普通的边发射激光器外延片材料,采用半导体平面工艺制作,引起了人们很大的重视.但圆对称结构的微盘激光器易于实现回音壁模式的全反射限制,却难以得到定向的激光输出,限制了它的应用.人们往往采用局部破坏圆盘的对称性、整体变形以及消逝波耦合的输出波导实现微盘激光器的定向激光输出.在圆对称的微盘结构中,模式光线在微腔与空气界面上的入射角是恒定的,而在整体变形的圆盘中,如椭圆形微腔中,模式光线在界面的入射角则不断变化,并在某些位置上小于全反射临界角而折射出光学微腔,从而实现定向输出.这种变形微盘中模式光线往往具有混沌现象,因而吸引了人们的注意.     

单频单方向回音壁模式微腔激光器

单色性是激光的重要特性.在激光器中加入选频元件,可以获得单纵模的激光输出,这样的激光也被称为单频激光.目前已经有很多商用化的技术可以用来产生单频激光,单频激光对推动科学研究以及光通信等产业起了决定性的作用.光学微腔激光器是可以芯片化制作的微小激光器,是光子芯片中不可或缺的光源.基于全反射约束机制的回音壁模式光学微腔激光器由于高品质因子等优点受到广泛重视.但是,高Q微腔一般在比较大尺寸的微腔中实现,这时,微腔中相邻回音壁模式间隔远小于增益介质的增益谱,所以,通常人们得到的超低阈值微腔激光器都足多纵模(多频)输出.针对这个问题,我们提出采用耦合微腔的方法,在保持回音壁模式微腔高品质因子的同时,压制多纵模,产生单频激光输出.     

非对称微腔研究进展

最近几年,具有非圆对称边界形状的光学微腔,即非对称微腔,已经成为微纳光子学领域中的一个重要研究方向。非对称微腔打破了常规回音壁光学微腔的边界圆对称性,使得回音壁模式的辐射具有明显方向性,无需借助外部耦合器件即能有效地同环境交换能量,有望应用于制作集成光学器件和实现自由空间光互联。概要介绍了非对称微腔中的最新研究进展,包括高准直定向发射、高效的自由空间光激发、棘轮形非对称腔以及三维非对称腔4个研究方向,概述其基本原理并展望了未来的发展。     

光泵浦Si衬底GaN基回音壁模式微盘谐振腔激光器

氮化镓基微盘结构光学谐振腔具有波长选择范围宽、模式体积小和激射阈值低等特点,其在腔量子电动力学、低阈值激光器、生物传感器等方面具有重要的研究价值.通过优化制备微盘的干法刻蚀工艺及选择性湿法腐蚀技术,制备出侧壁陡峭且光滑的高Q值Si衬底GaN基回音壁模式微盘谐振腔,该微盘谐振腔的制备工艺简单、表面损伤小.在室温、266 nm短波长激光泵浦条件下,微盘谐振腔激光器实现了激射,阈值为2.85 MW/cm2,Q值达到2161.     

回音壁模式光学微腔识别细胞类型

回音壁模式是光子在一个准二维平面内运动,并不断地在微腔边界发生全反射而不折射出腔的一种光学模式,具有高的Q值和小的模式体积,对外部环境的变化极其敏感。利用回音壁模式可以使宽带荧光实现窄光谱的激光输出。利用掺杂DG(dragon green)荧光染料的聚苯乙烯微球作为回音壁模式光学微腔,通过细胞的吞噬功能,使荧光微球到达细胞内部,利用纳秒脉冲激光进行泵浦,实现了细胞内的回音壁模式激光输出。与在纯水环境中的激光输出相比,细胞内荧光微球回音壁模式的谐振峰发生了红移,且红移量与细胞类型有关,说明可以用回音壁模式实现细胞种类的无标记识别。     

有机半导体光学微盘及其带有微结构的微盘

光学微盘是光学微腔的一种典型结构．它以一个折射率高于周围介质的光波长尺度的微型光盘为光学谐振腔．半导体光学微盘以其相对简单的制造工艺,高品质因子Ｑ成为微腔物理和微腔器件很好的研究对象．在光学微盘中存在高品质因子的回音壁模式,沿微盘平面向外传播．解决微盘模式的非定向性发射,使光学微盘器件走向应用,是近年来光学微腔研究的一大热门课题． “光子晶体”的概念最早是由Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ于１９８７年首先提出的．近年来随着深亚微米微加工技术的发展为光子晶体的实验研究创造了条件,各种光子晶体特别是二维光子…     

光学微盘的溶胶—凝胶法制备及其性能研究

光学微谐振腔是指尺度可与光波长比拟且具有高品质因数Q的谐振腔.目前人们制备的光学微腔主要有F-P谐振腔、小球、微盘、微环等.实验中制备光学微谐振腔的关键是如何提高其Q值.到目前为止,人们制备光学微盘的方法主要是半导体刻蚀、聚合物光刻两种方法.我们把溶胶-凝胶技术引入到微盘的制作中来,结合光刻工艺,得到了数十微米直径微盘的列阵.在制备微盘的过程中掺入激光染料若丹明B,用来研究所制备微盘的光学性质.在532 nm激光抽运下,观察到回廊耳语模式,实验所得模式的峰位与理论值相符.利用实验数据估算所制备的微盘谐振腔Q值约为900.实验结果表明,溶胶-凝胶技术和光刻工艺结合,是一种用于制备光学微盘简单可行的方法.(OC23)     

回音壁模式光学微腔及其应用研究进展

近年来,高品质因子的回音壁模式（WGM）光学微腔发展迅速,成为光学和物理领域的热点研究。光学微腔是一种微型光学元件,由于其微小的尺寸和高品质因子,可以加强光与物质的相互作用并使光在其中长时间存留。WGM光学微腔是光学微腔的典型代表之一,具有体积小、灵敏度高和寿命长等优点,目前,基于WGM光学微腔的应用主要集中在各类传感、激光器和滤波器等领域。然而,当前对WGM光学微腔的研究还未实现大规模生产,仅处于实验室研究阶段,工业化生产还存在成本高、制作工艺困难等缺点。文章重点介绍了WGM光学微腔的研究进展,阐述了回音壁材料对Q值的影响,近几年WGM光学微腔在传感、激光器和滤波器领域的应用,并提出了在可能实现全光网络的未来WGM光学微腔存在的挑战及进一步研究方向。对于后续研究,文章认为首先需降低成本、缩短时间,提高制备工艺的精度和效率;其次,需要解决微腔与光学器件耦合的问题,提高耦合效率并提高抗干扰能力;最后,需要解决腔体对环境的敏感性问题,以确保微腔在制备滤波器等器件时具有良好的稳定性。     

二维光子带隙缺陷模激光器

1946年 ,E.Purcell[1 ]首次提出 ,通过把原子置于具有电磁波长尺度的低损耗腔中 ,能显著改变原子激发态的自发发射。最近 ,随着半导体激光器的出现和晶体生长及制造工艺的改进 ,对具有自发发射控制[2～ 4] 的半导体光学微腔的设计制作已有日益增长的兴趣。垂直腔面发射激光器 (VCSEL) [5 ]是具有光波长尺度的首批半导体微腔之一 ,其光约束于两个外腔生长分布布拉格反射镜之间。微盘激光器 [6 ]是另一种微腔激光器件 ,它利用高折射率微盘边缘的全内反射形成低损耗的回音廊模式。这里介绍一类微腔激光器的初步实验结果 ,其光被限制在纳米制…     

InGaAsP单量子阱半导体微盘激光器研究

利用普通的液相外延和微加工技术成功地制备了ＩｎＧａＡｓＰ单量子陆微盘激光器，并从实验上观测到远低于普遍激光器阈值条件下的单模振荡，证实了微盘激光器中微盘很强的模式选择作用，反映了微盘的微腔特征。     

铌酸锂薄膜微腔激光器研究进展（特邀）

绝缘体上铌酸锂薄膜凭借铌酸锂晶体优异的光学性能和薄膜器件的易加工和可集成特性,被视为理想的集成光学平台。除了波导、调制器等传输、控制器件方面的研究之外,最近铌酸锂薄膜激光器的研究也取得了显著的进展。文中将对最近迅速发展的铌酸锂薄膜微腔激光器的研究现状进行综述。首先,介绍铌酸锂晶体和铌酸锂薄膜稀土离子掺杂的主要技术方案,以及近期有关于稀土离子掺杂铌酸锂薄膜微纳光学器件制备方面的探索;其次,总结近年来掺铒铌酸锂薄膜微盘腔、微环腔激光器方面的研究进展;然后,阐述微腔激光器体系几种常见的实现单模激光器方法的工作机理,介绍研究者们利用“游标效应”调制模式损耗等方式实现掺铒铌酸锂薄膜单模激光器的研究进展;最后,基于目前报导的铌酸锂薄膜激光器研究成果,对目前研究存在的局限性以及未来的研究方向进行了探讨。     

光学微腔的应用和发展前景

随着激光技术的不断发展,高Q值光学微腔受到广泛关注,其应用领域不仅局限于传统光学,在量子信息和集成量子芯片方面更是有广阔的应用前景。简要分析了两种不同类型光学微腔(回音壁模式光学微腔和光子晶体缺陷腔)的原理、发展历程以及相对于传统光学谐振腔的优势。同时数值模拟出了不同结构光学微腔的模式分布。基于其特殊优势,介绍回音壁模式光学微腔在激光技术、生物探测以及量子物理领域的重要应用,并且预测光子晶体微腔将在集成光学、微电子技术等领域具有巨大的发展前景。     

扫描近场光学显微术对InGaP微盘发光模式的研究

采用反射式扫描近场光学显微技术分别对直径为５μｍ和１０μｍ的图钉式ＩｎＧａＰ光学微盘进行了形貌和光致发光的近场图样测量和研究,并与由常规光学荧光显微镜测得的荧光图象相比较．结果表明ＩｎＧａＰ微盘的近场发光图样不仅反映出荧光图象的回音壁模式特征,即沿微盘周界显示为一圈红色亮环,而且证实荧光图像中的红色亮环实际上与更精细的由分立的周期性亮点组成的近场光场分布相对应．结合微盘内部与外部的近场分布可以获得光学微盘中发光模式的重要信息．     

拉曼增益对回音壁模式光学微腔的全光调制

基于光通信系统对于全光调制和全光开关等的需求,从理论上和实验上研究了拉曼增益对回音壁模式光学微腔系统共振模式的全光调制。理论分析表明,拉曼增益能够补偿回音壁模式光学微腔系统的损耗,进而改变微腔系统的耦合机制,在不对微腔系统做任何机械性移动的前提下实现对系统共振透射率的连续调制。实验中采用光纤锥耦合的二氧化硅微芯圆环腔,利用560W的低功率泵浦光引发的拉曼散射,波长为1 545.7 nm的信号光实现了13.5 dB的调制度,使得系统的耦合机制由欠耦合转化为临界耦合。     

新型III-V族变形微盘硅基混合激光器

文章中,我们设计了一种连接一个Si的输出波导的新型III-V族变形微盘硅基混合激光器,并通过BCB键合技术以及标准光刻将其制备。相比于传统圆形微盘激光器,该激光器实现了激光从硅波导的定向发射以及单纵模输出。实验上,在连续电流操作下,我们获得了0.31 mW的输出功率以及27 dB的边模抑制比。     

形变共振腔提高激光器输出功率

椭圆形电泵浦微腔激光器具有以前报导的微盘激光器的优点，如激活介质的高效率，同时克服了从腔内耦合出可用光的某些困难。这种激光器也以特殊的“弓条形”模（而不是圆形微盘激光器的“回音廊”模）工作。这种最近由朗讯－贝尔实验室、耶鲁大学和德国马普物理所Ｃｌａｉ...     

高品质因子氧化硅微腔的制备和光频梳产生(特邀)

基于超高品质因子（Q值）和非线性光学微腔产生的光学频率梳（微腔光频梳）在大容量光通信、光学数据中心、光子神经形态运算以及大规模并行激光雷达等方面有着重要的应用。回音壁模式（WGM）微腔是研究微腔光频梳技术的一个重要平台,具有创纪录的超高Q值和超高精细度（Finesse）,能够实现超窄线宽激光、窄线宽光学频率梳,合成超低噪声的光子微波;同时也是研究腔内孤子动力学的重要平台,对掌握孤子态的光学频率梳特性起到了重要的支撑作用。利用二氧化碳（CO₂）激光器熔融氧化硅（SiO₂）石英棒制备了高Q值的WGM微腔。其自由光谱范围（FSR）在10 GHz以上,Q值达到了108。对腔的谐振和耦合理想特性进行了表征,并在开放环境下观察到微腔受潮引起的Q值退化现象,通过二次退火实现了Q值的回升。在SiO₂微腔中验证了基于非线性克尔（Kerr）效应的光学频率梳产生,其主要状态为调整不稳定性主导的低相干频率梳。同时,实验中也观察到了对应于全相干耗散孤子态频率梳的“阶跃”信号,表明目前制备的SiO₂微腔具备实现低噪声孤子光频梳的能力,并具有微腔光频梳的应用潜力。     

电注入椭圆微腔半导体激光器热特性分析

对长轴为12μm、短轴为10μm并在长轴处直连2μm宽输出波导的椭圆微盘激光器的热特性进行了实验和理论分析。测量连续电流注入微腔激光器的稳态特性,根据其波长红移计算器件热阻为ZT=0.846 K/m W。用有限元分析法计算椭圆微腔的热阻,理论与实验结果相吻合,热阻的最大偏差为5%。研究了微腔激光器衬底厚度对微腔有源区温度的影响,通过引入侧向散热机制有效改善了微腔激光器的热特性。     

半径5μm的定向输出圆盘形微腔激光器

基于三维时域有限差分法,对半径为5μm的径向直连波导微腔激光器的模式及定向输出特性进行研究,得到了波长在1550nm附近的高品质因子(Q)横电模的Q值与光场分布特性。基于半导体平面加工工艺制备了AlGaInAs/InP圆盘形微腔激光器,微腔半径为5μm,波导宽度为1μm。该激光器在298K下实现了连续单模输出,阈值电流为4mA。在注入电流为9mA时,激光器的边模抑制比可达33.4dB。基于速率方程拟合了激光器模式强度随注入电流的变化,得到激光器的自发辐射因子约为5.5×10~(-3)。     

回音壁微腔激光器电老化试验及寿命分析

为了考察深刻蚀结构的回音壁模式半导体微腔激光器的寿命,采用恒电流模式对InGaAsP/InP多量子阱耦合双圆微腔激光器进行了电老化试验,电流应力为100mA,老化总时长为1400h。对比了电老化试验前期、中期和后期器件的输出光谱和功率-电压-电流(P-V-I)特性,以器件稳定工作的电老化中期为例分析了器件的性能。分析了输出功率和阈值电流随时间的变化情况,判断出在电老化试验期间器件退化模式始终为渐进模式。以器件输出功率降到初始值的50%作为失效判据标准,在100mA电流下,器件的寿命约为1200h。