1.8 光子晶體激光器

1.8.1 光子晶體

光子晶體是1987年提出的新概念和新材料。這種材料有一個顯著的特點是它可以如人所愿地控制光子的運動，是光電集成、光子集成、光通信、微波通信、空間光電技術以及國防科技等現代高新技術的一種新概念和新材料，也是為相關學科發展和高新技術突破帶來新機遇的關鍵性基礎材料。光子晶體的這一概念是同真實晶體的類比而來的。在固體材料中，由于原子核周期性勢場的作用，電子會形成能帶結構，帶與帶之間（如價帶與導帶）有能隙，稱為禁帶。將這一思想應用于傳輸光的介質，如果介質中也存在周期性的結構，其中的光子也會形成類似于電子能帶的結構，在帶與帶之間也會出現禁帶。在固體中，能量處于禁帶內的電子是不可能存在的。與此類似，在具有禁帶的介質結構中，頻率對應于禁帶的光不能在其中存在或傳播，把這種由于存在禁帶而對頻率有選擇特性的周期性介質結構稱為光子晶體，相應的光不能在其中存在或傳播的頻率范圍稱為光子禁帶或光子帶隙。

光子晶體的周期性結構可以抑制自發輻射，自發輻射的概率與光子所在頻率的態密度成正比。因為當原子被放在一個光子晶體里面，而它自發輻射的光頻率正好落在光子禁帶中時，由于該頻率的態密度為零，因而自發輻射概率為零，相應的自發輻射被抑制。而抑制自發輻射具有十分重要的現實意義，如在半導體激光器中，由于自發輻射的存在而引起較大的附加電流損失，這是成為激光器閾值的主要原因。如果能夠把自發輻射限制在一定的電磁模式內，如激光器的輸出模式內，則激光器的閾值會大幅度降低，甚至有可能制成零閾值激光器。在異質結雙極三極管，如果將表現為電子-空穴復合的自發輻射降至最少，則三極管的電流增益則會隨之大大增強。

傳統的激光器存在功耗大、閾值高、模式特性差、尺寸大、不易集成等缺點，從而成為限制激光器被更廣泛應用的瓶頸。光波導和反射鏡已廣泛應用于集成光路和光通信中，由于目前無法制備直角波導和高反射率的反射鏡，同樣限制了該器件的實際應用。但光子晶體具有特殊的控制光子的能力，在傳統光電子器件中引入光子晶體結構，將突破傳統器件中的物理瓶頸，而提升器件的性能；在光子晶體芯片上集成激光器、波導、濾波器、耦合器等，將能實現微納結構下的全光集成。

隨著微加工技術的進步，近十年來集成光路研究取得了很大的進展。但是，光子是中性粒子，不像電子一樣易于被操縱，因而目前光信息技術的應用還僅僅局限于信息的傳輸，即光通信，而在信息處理方面還無法取代電子技術。但光子晶體這種新材料可能為解決這一問題提供機會，因為可根據光子晶體的能帶工程，來達到控制光子運動的目的。更為重要的是，可以在一塊光子晶體上將具有不同功能的光子器件集成起來，實現光子集成芯片。顯然，在這個芯片中，光子晶體激光器將作為核心器件而提供光子。

值得指出的是，光子晶體不是簡單的晶體而是由不同晶體按特定方式排列而成。目前，實驗室中所用的光子晶體，都是人工設計制作出來的。

1.8.2 光子晶體激光器

傳統激光器有一些缺陷似乎很難克服，如激光器發射波長的變化使傳輸損耗發生變化；隨功率的增加線寬趨于飽和，并重新展寬；輻射角比較大，耦合效率不高。而如果引入光子晶體結構對光子態的調控作用，即人為地制造出可以將光局限在其中的微腔，這樣在光子帶隙中就會出現一個或幾個孤立的缺陷模，能夠形成激光的振蕩，使微腔中的激光介質被激發，從而就會產生具有缺陷模特征的激光。當微腔的Q值足夠大時，缺陷模激光就會有很好的單色性，再以平面內波導或平面外其他方式將其引出光子晶體，就可以很好地控制方向。因此，光子晶體微腔是一個特殊的諧振腔，它不僅保持腔內光場的振蕩，同時也從物質本身本征地增強了這種振蕩。由于自發輻射的能量幾乎全部用來發射激光，這就大大降低了激光器的閾值。這種小體積、低閾值甚至零閾值、高功率、易于光纖耦合而且可以在小區域密集分布的激光器，正是光電信息系統所追求的信息光源。此外，光子晶體激光器本身還可以延伸到高靈敏的化學探測器設計中，并為探索許多基本的物理現象開辟新的方向。

1999年，加州理工大學的Painter等人設計制作出第一個光子晶體點缺陷腔型激光器。其結構如圖1-49所示。該激光器的特點是結合了光子晶體的光量子調控與半導體量子阱材料受限電荷態的量子調控，利用微電子加工技術，在InGaAsP/InP量子阱材料上，實現了波長為1.55 μm的激射。這種結構采用的是三角晶格光子晶體，三角晶格光子晶體的帶隙比四方晶格的寬，因此相對而言，制作缺陷腔激光器較容易。2001年，Reese等人研究了四方晶格光子晶體的缺陷腔激光器。

為了使得光子晶體激光器更加實用化，必須采用電注入的方式。2001年，密西根大學的Bhattacharya等人發表了關于電注入光子晶體缺陷腔激光器的設計。如圖1-50（a）所示，它利用DBR作為底層，加強垂直方向上的光限制。2004年年底，韓國先進工業技術研究院的Lee Y等人發表了更為合理的電注入光子晶體缺陷腔激光器的結構，如圖1-50（b）所示，它利用單缺陷腔下方的介質柱提供了一個導電通道，并充當一個導熱的介質，從而解決了光子晶體激光器導熱不佳的問題。該器件的總Q值高達2600，閾值電流僅為260 μA。

為了得到更高的 Q 值，人們還對微腔的結構做了很多優化設計。2003年，京都大學的Noda 小組對光子晶體微腔的結構進行了微調，首次在 Nature上報道了微腔電磁場邊界調控效應對微腔品質因子的影響的物理機制，同時在無源器件上獲得了高達45000的品質因子。如圖1-51所示，通過微調缺陷腔內孔的位置，使得腔內電磁場在光子晶體邊界處的散射減小，并最小化泄漏能量，從而提高了微腔的Q值，優化了微腔的設計。

在 Noda 的啟發下，人們對缺陷的概念又有了新的認識，光子晶體內的缺陷不僅僅是去掉某些晶格點上的空氣孔，還可以采用晶格錯位的概念，在完整三角晶格中引入晶格位移，同樣可以在禁帶中獲得缺陷態。

與缺陷腔型面發射激光器同步發展的還有帶邊發射激光器，在1999年，Noda小組發表了二維帶邊光子晶體激光器的結果，他們將多量子阱有源層的結構和帶有一個光子晶體結構的晶片鍵合在一起，激光的出射方向仍然垂直于光子晶體平面。2006年，在美國加州Long Beach的CLEO會議上，報道了輸出功率在 mW 量級的這種激光器。這種激光器利用缺陷波導的帶邊慢光效應，實現光與增益物質的強烈相互作用，匹配的光波導將激光腔中的激光耦合輸出，其結構簡單，被認為是面向未來平面內全光集成的核心。

隨著光子晶體微腔激光器的研究的深入，由單一缺陷微腔發展到多個光子晶體微腔的耦合。2006年，美國Stanford大學的Vuckovic研究小組在Nature上首次報道了通過多個微腔耦合獲得超快激光的研究成果，其激光器的調制速率超過100GHz（目前傳統激光器的調制速率在40GHz左右）。

目前，貝爾實驗室、英國斯溫頓Bath大學、丹麥Crystal FibreA/S公司等都在大力研究新型的光子晶體激光器。A.J. Danner等人提出的雙缺陷光子晶體垂直腔面發射激光器更是集以上兩種激光器的優勢于一體。在我國，深圳市激光工程重點實驗室也已經開發出了功率達15W的光子晶體激光器。預計，在未來的五年之內，高效光子晶體激光發射器將逐步實用化，繼而逐漸發展為激光器的主流。

1.8.3 光子晶體光纖激光器

1. 光子晶體光纖

光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber，PCF）又稱為多孔光纖或微結構光纖，以其獨特的光學特性和靈活的設計成為近年來的熱門研究課題。這類光纖由在纖芯周圍沿著軸向規則排列微小空氣孔構成，通過這些微小空氣孔對光進行約束，實現光的傳導。獨特的波導結構、靈活的制作方法，使得PCF與常規光纖相比具有許多奇異的特性，有效地擴展和增加了光纖的應用領域。

（1）光子晶體光纖的導光原理

按導光機理來說，PCF可分為以下兩類：

① 折射率導光機理。周期性缺陷的纖芯折射率（石英玻璃）和周期性包層折射率（空氣）之間有一定差別，從而使光能夠在纖芯中傳播，這種結構的PCF導光機理依然是全內反射，但與常規光纖有所不同，由于包層包含空氣，所以這種機理稱為改進的全內反射，這是因為空芯PCF中的小孔尺寸比傳導光的波長還小的緣故。

② 光子能隙導光機理。理論上求解光波在光子晶體中的本征方程即可導出實心和空心PCF的傳導條件，即光子能隙導光理論。光纖中心為空心，雖然空心折射率比包層石英玻璃低，但仍能保證光不折射出去，這是因為包層中的小孔點陣構成光子晶體。當小孔間距和小孔直徑滿足一定條件時，其光子能隙范圍內就能阻止相應光傳播，光被限制在中心空心之內傳輸。最近有研究表明，這種PCF可傳輸99%以上的光能，而空間光衰減極低，光纖衰減只有標準光纖的1/ 2～1/ 4。

空心PCF光子能隙傳光機理具體解釋為：在空心PCF中形成周期性的缺陷是空氣，傳光機理是利用包層對一定波長的光形成光子能隙，光波只能在空氣芯形成的缺陷中存在和傳播。雖然在空心PCF中不能發生全內反射，但包層中的小孔點陣結構起到反射鏡的作用，使光在許多小孔的空氣和石英玻璃界面多次發生反射。

各種類型的光子晶體光纖如圖1-52所示。

（2）光子晶體光纖的特性

光子晶體光纖 PCF 有如下特點：結構設計靈活，具有各種各樣的小孔結構；纖芯和包層折射率差可以很大；纖芯可以制成多種樣式；包層折射率是波長函數，包層性能反映在波長尺度上。因此，PCF有如下許多特性：無截止單模；有不同的色度色散；有極好的非線性效應；有優良的雙折射效應；具有較高的入射功率；具有可控制的非線性；易于實現多芯傳輸等。

2. 光子晶體光纖激光器

由前文可知，光纖激光器（FL）以其卓越的性能和低廉的價格而獲得了廣泛的應用，然而非線性效應（如受激拉曼散射）使 FL 的最大極限功率受到了限制。雖然已開發了可減小非線性的新型光纖使功率大大增大，但要進一步提高功率則必須要大模場面積的光纖，以便減小功率密度或采用更短的光纖。但大芯徑又將導致較高階橫模的傳播，這將使要求衍射限光束品質的大多數應用受到限制。由于 PCF 有傳統光纖無法獲得的光特性，它不僅賦予了PCFL大功率輸出等許多優點，也對光集成有著重要意義。目前，PCFL已成為熱門技術，在結構設計、工藝制作、提高功率和性能方面已取得重大的進展，它不但發展迅速，且有發展潛力，必將對光學、光電信息科學等領域產生重大的影響。現在，已研制出以下幾種PCFL。

（1）摻Yb的雙包層PCFL

英國巴斯大學將摻雜Yb的SiO2棒和非摻雜的SiO2棒聚集在一起形成摻雜芯區（摻雜區直徑僅為250nm）。圍繞直徑15 μm固體芯的是2D六角形空氣孔的PC結構，在摻雜區和非摻雜區之間獲得大的模場面積和小的有效折射率突變。采用激光二極管陣列進行包層泵浦，可獲得3.9W的多模輸出功率，該PCFL還有獲得單模大功率輸出的潛力。

德國Friedrich Schiller大學和丹麥Grystal Fiber公司，為了獲得三角形的28 μm大模場面積纖芯，在拉制光纖前插入了三根摻Yb的光纖棒。2.3m長的空氣包層PCFL實現了80W輸出功率，斜效率為78%，而4m長的PCFL輸出功率增長到260W，有望獲得kW級潛力。

（2）側面泵浦的雙包層PCFL

為了克服雙包層 PCFL 不能用多個光源進行高功率泵浦的缺點，丹麥 Crystal FibreA/S通過將泵浦光耦合進內包層進行側面泵浦，研制出了耦合效率超過90%的側面泵浦 PCFL。他們采用一根2.5m長具有摻Yb纖芯的雙包層PCF形成諧振器，通過可進行熔融的拼接器加熱該PCF，使外包層空氣孔斷開以便進行側面泵浦，并用折射率匹配的凝膠體或可愈合的UV粘合劑填充耦合光纖與PCFL之間的空間。如由一根端面成一定角度的多模光纖將976nm波長的泵浦光耦合進PCF的內包層，泵浦區長度為500 μm，為使光沿著PCF進行最大長度的傳播，耦合泵浦光的光纖盡量靠近PCF的一個端面。這種方法，可使90%的光泵浦功率耦合進PCFL的內包層。將PCFL兩個端面的輸出功率加在一起，可獲得達43mW的單模功率，斜效率為81%。為改進大功率PCFL鋪平了道路。

（3）高偏振的PCFL

英國斯特拉斯克萊德大學與丹麥 Crystal FibreA/S 公司合作，已研制出了具有高偏振輸出的PCFL，由于采用了不對稱半導體結構，使該激光器具有200：1以上的線性偏振，并獲得了3.7W的輸出功率。該高偏振的PCFL采用Yb摻雜的雙包層光纖，其內包層直徑為140 μm，由兩個大空氣孔和數個較小的空氣孔確定了5×11 μm的纖芯。這種不對稱結構導致光纖中的雙折射，有助于一個偏振態優于其他的偏振態產生高偏振的振蕩。除了摻雜 Yb 之外，該纖芯中還摻雜了 Ge、Al 和 F。摻雜 F 可補償由其他摻雜劑所導致的折射率增加，以便在該纖芯中保證由空氣孔產生波導限制，而不是傳統的全內反射。采用一個980nm二極管激光器泵浦20m長的PCF，并通過雙色光束分束器的S或P偏振面對準該光纖的偏振軸，還用CCD陣列來鑒別由纖芯射出的偏振光和泄漏進包層的非偏振光。當泵浦功率為5.5W時，該PCFL獲得約2.9W的單模輸出。通過旋轉波板，獲得好于200：1的偏振比（最大傳輸與最小傳輸之比）。

（4）大數值孔徑PCFL

PCF的單模纖芯比傳統光纖的單模纖芯大得多。在已開發的雙包層PCFL中，由于PCF外包層的折射率比傳統雙包層光纖的低，所以內包層的NA比傳統的雙包層光纖的NA大。但PCFL外包層的平均折射率比內包層的折射率小得多，導致內包層的NA不是很大，并且不同的PC孔結構形狀也將對NA產生影響。英國巴斯大學研制出具有高達0.9數值孔徑（NA）的PCF，從而提高了PCFL的效率和功率。他們通過雙包層PCF數學模型，確定了決定內包層 NA 的主要是外包層結構，而不僅僅是平均折射率。已開發出了四種不同類型外包層的PCF：圓形、六角形和三角形外包層結構不能同時獲得大NA的內包層和大模場面積的纖芯；長條形外包層結構可實現大模場纖芯和大NA內包層。這是因為長條形外包層不再是簡單的重疊結構而被拉長，它可根據需要拉伸為任意薄厚的薄壁。

（5）聚合物PCFL

澳大利亞悉尼大學和麥夸里島大學已研制出了第一個光子晶體光纖染料激光器（PCFDL）。與其他固體染料激光器相比，PCFDL的優點是：增益大，基本上可不用反射鏡進行工作；工作連續穩定；光譜特性（譜線中心和帶寬）與染料濃度和光纖長度無關；易于制作。在制作該光纖時，要首先在聚合物有機玻璃（PMMA）預制棒中打孔，并拉制成半成品的預制棒；然后用若丹明6G染料溶液填充該半成品預制棒的孔，并使其滲入PMMA；將該半成品預制棒加熱，以便排出溶劑分子，并阻擋染料分子進入該結構；最后將該半成品預制棒拉制成具有600 μm外徑和18 μm芯徑的PCF。

采用Q開關、雙頻Nd∶YAG激光器（波長532nm，脈沖長度為10ns）泵浦該2m長的PCF，并由傳統染料激光器對輸入信號進行放大，使PCF的光增益高達30.3dB（在574nm波長）。該PCFDL不需要反射鏡，在632nm波長的最大脈沖能量為16 μJ（峰值功率為2kW）。

（6）全光纖PCF拉曼激光器

英國倫敦帝國大學研制出了全光纖 PCFRL，它采用PCF 的反常色散進行色散補償，并將同步泵浦和采用寬拉曼增益的標準SiO2光纖與PCF的色散補償相結合，獲得了1/8.5的輸出脈沖壓縮。其泵浦脈沖光譜中心為1.08 μm，持續時間為17ps，整個光纖集成的激光器獲得了2ps輸出脈沖。PCF長為23m，芯徑為2.6 μm，在1.1 μm波長的色散為+28ps·nm/km。將220mW（或940mW）的平均（或峰值）泵浦功率耦合進該激光器，可分別獲得1.9mW平均功率和10.3W峰值功率。其時間-帶寬乘積顯示，還可獲得進一步的脈沖壓縮。如果采用超短脈沖，則可實現1.3 μm 波長以下的全光纖 PCFRL。最近，該大學又研制出了第一個采用全光纖結構的連續波（CW）PCFRL，其增益介質為100m長的PCF，在1.12 μm拉曼波長的傳輸為99%。輸出耦合器有兩種：一種采用在1.12 μm波長有70%反射的FBG；另外一種采用具有4%菲涅耳反射的PCF切割平面。其兩種輸出的光譜幾乎相同，在1.12 μm拉曼峰值波長，半最大值全帶寬（FWHM）為1.8nm，并具有88%的輸出。

該激光器的優點是，無多界面附加反射，穩定性好，其緊湊性和強度增加。此外，拉曼增益為17W/km，約為最佳化傳統FRL的3倍。該大學認為，通過采用更小的芯徑和選擇摻Ge的PCF，則可將增益提高到40W/km以上的理論值。由于理論上PCFRL的拉曼增益系數幾乎為最佳化傳統FRL的7倍，因此PCFRL將在許多應用中代替傳統的激光器。