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(diǎn)是它可以如人所愿地控制光子的運(yùn)動，是光電集成、光子集成、光通信、微波通信、空間光電技術(shù)以及國防科技等現(xiàn)代高新技術(shù)的一種新概念和新材料，也是為相關(guān)學(xué)科發(fā)展和高新技術(shù)突破帶來新機(jī)遇的關(guān)鍵性基礎(chǔ)材料。光子晶體的這一概念是同真實(shí)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(jié)構(gòu)，帶與帶之間（如價帶與導(dǎo)帶）有能隙，稱為禁帶。將這一思想應(yīng)用于傳輸光的介質(zhì)，如果介質(zhì)中也存在周期性的結(jié)構(gòu)，其中的光子也會形成類似于電子能帶的結(jié)構(gòu)，在帶與帶之間也會出現(xiàn)禁帶。在固體中，能量處于禁帶內(nèi)的電子是不可能存在的。與此類似，在具有禁帶的介質(zhì)結(jié)構(gòu)中，頻率對應(yīng)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(zhì)結(jié)構(gòu)稱為光子晶體，相應(yīng)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(jié)構(gòu)可以抑制自發(fā)輻射，自發(fā)輻射的概率與光子所在頻率的態(tài)密度成正比。因為當(dāng)原子被放在一個光子晶體里面，而它自發(fā)輻射的光頻率正好落在光子禁帶中時，由于該頻率的態(tài)密度為零，因而自發(fā)輻射概率為零，相應(yīng)的自發(fā)輻射被抑制。而抑制自發(fā)輻射具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，如在半導(dǎo)體激光器中，由于自發(fā)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(fā)輻射限制在一定的電磁模式內(nèi)，如激光器的輸出模式內(nèi)，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(zhì)結(jié)雙極三極管，如果將表現(xiàn)為電子-空穴復(fù)合的自發(fā)輻射降至最少，則三極管的電流增益則會隨之大大增強(qiáng)。

傳統(tǒng)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(diǎn)，從而成為限制激光器被更廣泛應(yīng)用的瓶頸。光波導(dǎo)和反射鏡已廣泛應(yīng)用于集成光路和光通信中，由于目前無法制備直角波導(dǎo)和高反射率的反射鏡，同樣限制了該器件的實(shí)際應(yīng)用。但光子晶體具有特殊的控制光子的能力，在傳統(tǒng)光電子器件中引入光子晶體結(jié)構(gòu)，將突破傳統(tǒng)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(dǎo)、濾波器、耦合器等，將能實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)下的全光集成。

隨著微加工技術(shù)的進(jìn)步，近十年來集成光路研究取得了很大的進(jìn)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(shù)的應(yīng)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(shù)。但光子晶體這種新材料可能為解決這一問題提供機(jī)會，因為可根據(jù)光子晶體的能帶工程，來達(dá)到控制光子運(yùn)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(shí)現(xiàn)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(shí)驗室中所用的光子晶體，都是人工設(shè)計制作出來的。

1.8.2 光子晶體激光器

傳統(tǒng)激光器有一些缺陷似乎很難克服，如激光器發(fā)射波長的變化使傳輸損耗發(fā)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(jié)構(gòu)對光子態(tài)的調(diào)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(xiàn)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(zhì)被激發(fā)，從而就會產(chǎn)生具有缺陷模特征的激光。當(dāng)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(nèi)波導(dǎo)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(nèi)光場的振蕩，同時也從物質(zhì)本身本征地增強(qiáng)了這種振蕩。由于自發(fā)輻射的能量幾乎全部用來發(fā)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(qū)域密集分布的激光器，正是光電信息系統(tǒng)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(xué)探測器設(shè)計中，并為探索許多基本的物理現(xiàn)象開辟新的方向。

1999年，加州理工大學(xué)的Painter等人設(shè)計制作出第一個光子晶體點(diǎn)缺陷腔型激光器。其結(jié)構(gòu)如圖1-49所示。該激光器的特點(diǎn)是結(jié)合了光子晶體的光量子調(diào)控與半導(dǎo)體量子阱材料受限電荷態(tài)的量子調(diào)控，利用微電子加工技術(shù)，在InGaAsP/InP量子阱材料上，實(shí)現(xiàn)了波長為1.55 μm的激射。這種結(jié)構(gòu)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(shí)用化，必須采用電注入的方式。2001年，密西根大學(xué)的Bhattacharya等人發(fā)表了關(guān)于電注入光子晶體缺陷腔激光器的設(shè)計。如圖1-50（a）所示，它利用DBR作為底層，加強(qiáng)垂直方向上的光限制。2004年年底，韓國先進(jìn)工業(yè)技術(shù)研究院的Lee Y等人發(fā)表了更為合理的電注入光子晶體缺陷腔激光器的結(jié)構(gòu)，如圖1-50（b）所示，它利用單缺陷腔下方的介質(zhì)柱提供了一個導(dǎo)電通道，并充當(dāng)一個導(dǎo)熱的介質(zhì)，從而解決了光子晶體激光器導(dǎo)熱不佳的問題。該器件的總Q值高達(dá)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(jié)構(gòu)做了很多優(yōu)化設(shè)計。2003年，京都大學(xué)的Noda 小組對光子晶體微腔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了微調(diào)，首次在 Nature上報道了微腔電磁場邊界調(diào)控效應(yīng)對微腔品質(zhì)因子的影響的物理機(jī)制，同時在無源器件上獲得了高達(dá)45000的品質(zhì)因子。如圖1-51所示，通過微調(diào)缺陷腔內(nèi)孔的位置，使得腔內(nèi)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(yōu)化了微腔的設(shè)計。

在 Noda 的啟發(fā)下，人們對缺陷的概念又有了新的認(rèn)識，光子晶體內(nèi)的缺陷不僅僅是去掉某些晶格點(diǎn)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(tài)。

與缺陷腔型面發(fā)射激光器同步發(fā)展的還有帶邊發(fā)射激光器，在1999年，Noda小組發(fā)表了二維帶邊光子晶體激光器的結(jié)果，他們將多量子阱有源層的結(jié)構(gòu)和帶有一個光子晶體結(jié)構(gòu)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(dǎo)的帶邊慢光效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光與增益物質(zhì)的強(qiáng)烈相互作用，匹配的光波導(dǎo)將激光腔中的激光耦合輸出，其結(jié)構(gòu)簡單，被認(rèn)為是面向未來平面內(nèi)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(fā)展到多個光子晶體微腔的耦合。2006年，美國Stanford大學(xué)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(diào)制速率超過100GHz（目前傳統(tǒng)激光器的調(diào)制速率在40GHz左右）。

目前，貝爾實(shí)驗室、英國斯溫頓Bath大學(xué)、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(fā)射激光器更是集以上兩種激光器的優(yōu)勢于一體。在我國，深圳市激光工程重點(diǎn)實(shí)驗室也已經(jīng)開發(fā)出了功率達(dá)15W的光子晶體激光器。預(yù)計，在未來的五年之內(nèi)，高效光子晶體激光發(fā)射器將逐步實(shí)用化，繼而逐漸發(fā)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(jié)構(gòu)光纖，以其獨(dú)特的光學(xué)特性和靈活的設(shè)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(guī)則排列微小空氣孔構(gòu)成，通過這些微小空氣孔對光進(jìn)行約束，實(shí)現(xiàn)光的傳導(dǎo)。獨(dú)特的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、靈活的制作方法，使得PCF與常規(guī)光纖相比具有許多奇異的特性，有效地擴(kuò)展和增加了光纖的應(yīng)用領(lǐng)域。

（1）光子晶體光纖的導(dǎo)光原理

按導(dǎo)光機(jī)理來說，PCF可分為以下兩類：

① 折射率導(dǎo)光機(jī)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(jié)構(gòu)的PCF導(dǎo)光機(jī)理依然是全內(nèi)反射，但與常規(guī)光纖有所不同，由于包層包含空氣，所以這種機(jī)理稱為改進(jìn)的全內(nèi)反射，這是因為空芯PCF中的小孔尺寸比傳導(dǎo)光的波長還小的緣故。

② 光子能隙導(dǎo)光機(jī)理。理論上求解光波在光子晶體中的本征方程即可導(dǎo)出實(shí)心和空心PCF的傳導(dǎo)條件，即光子能隙導(dǎo)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(diǎn)陣構(gòu)成光子晶體。當(dāng)小孔間距和小孔直徑滿足一定條件時，其光子能隙范圍內(nèi)就能阻止相應(yīng)光傳播，光被限制在中心空心之內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)光纖的1/ 2～1/ 4。

空心PCF光子能隙傳光機(jī)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(jī)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(fā)生全內(nèi)反射，但包層中的小孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)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(fā)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(diǎn)：結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，具有各種各樣的小孔結(jié)構(gòu)；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(shù)，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(yīng)；有優(yōu)良的雙折射效應(yīng)；具有較高的入射功率；具有可控制的非線性；易于實(shí)現(xiàn)多芯傳輸?shù)取?/p>

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(yīng)用，然而非線性效應(yīng)（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(fā)了可減小非線性的新型光纖使功率大大增大，但要進(jìn)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(dǎo)致較高階橫模的傳播，這將使要求衍射限光束品質(zhì)的大多數(shù)應(yīng)用受到限制。由于 PCF 有傳統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)，也對光集成有著重要意義。目前，PCFL已成為熱門技術(shù)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝制作、提高功率和性能方面已取得重大的進(jìn)展，它不但發(fā)展迅速，且有發(fā)展?jié)摿?，必將對光學(xué)、光電信息科學(xué)等領(lǐng)域產(chǎn)生重大的影響?，F(xiàn)在，已研制出以下幾種PCFL。

（1）摻Y(jié)b的雙包層PCFL

英國巴斯大學(xué)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(qū)（摻雜區(qū)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(jié)構(gòu)，在摻雜區(qū)和非摻雜區(qū)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(jìn)行包層泵浦，可獲得3.9W的多模輸出功率，該P(yáng)CFL還有獲得單模大功率輸出的潛力。

德國Friedrich Schiller大學(xué)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Y(jié)b的光纖棒。2.3m長的空氣包層PCFL實(shí)現(xiàn)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(cè)面泵浦的雙包層PCFL

為了克服雙包層 PCFL 不能用多個光源進(jìn)行高功率泵浦的缺點(diǎn)，丹麥 Crystal FibreA/S通過將泵浦光耦合進(jìn)內(nèi)包層進(jìn)行側(cè)面泵浦，研制出了耦合效率超過90%的側(cè)面泵浦 PCFL。他們采用一根2.5m長具有摻Y(jié)b纖芯的雙包層PCF形成諧振器，通過可進(jìn)行熔融的拼接器加熱該P(yáng)CF，使外包層空氣孔斷開以便進(jìn)行側(cè)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(jìn)PCF的內(nèi)包層，泵浦區(qū)長度為500 μm，為使光沿著PCF進(jìn)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(jìn)PCFL的內(nèi)包層。將PCFL兩個端面的輸出功率加在一起，可獲得達(dá)43mW的單模功率，斜效率為81%。為改進(jìn)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(xué)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(dǎo)體結(jié)構(gòu)，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(nèi)包層直徑為140 μm，由兩個大空氣孔和數(shù)個較小的空氣孔確定了5×11 μm的纖芯。這種不對稱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致光纖中的雙折射，有助于一個偏振態(tài)優(yōu)于其他的偏振態(tài)產(chǎn)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(bǔ)償由其他摻雜劑所導(dǎo)致的折射率增加，以便在該纖芯中保證由空氣孔產(chǎn)生波導(dǎo)限制，而不是傳統(tǒng)的全內(nèi)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(zhǔn)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(jìn)包層的非偏振光。當(dāng)泵浦功率為5.5W時，該P(yáng)CFL獲得約2.9W的單模輸出。通過旋轉(zhuǎn)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(shù)值孔徑PCFL

PCF的單模纖芯比傳統(tǒng)光纖的單模纖芯大得多。在已開發(fā)的雙包層PCFL中，由于PCF外包層的折射率比傳統(tǒng)雙包層光纖的低，所以內(nèi)包層的NA比傳統(tǒng)的雙包層光纖的NA大。但PCFL外包層的平均折射率比內(nèi)包層的折射率小得多，導(dǎo)致內(nèi)包層的NA不是很大，并且不同的PC孔結(jié)構(gòu)形狀也將對NA產(chǎn)生影響。英國巴斯大學(xué)研制出具有高達(dá)0.9數(shù)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(shù)學(xué)模型，確定了決定內(nèi)包層 NA 的主要是外包層結(jié)構(gòu)，而不僅僅是平均折射率。已開發(fā)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(jié)構(gòu)不能同時獲得大NA的內(nèi)包層和大模場面積的纖芯；長條形外包層結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)大模場纖芯和大NA內(nèi)包層。這是因為長條形外包層不再是簡單的重疊結(jié)構(gòu)而被拉長，它可根據(jù)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(xué)和麥夸里島大學(xué)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(yōu)點(diǎn)是：增益大，基本上可不用反射鏡進(jìn)行工作；工作連續(xù)穩(wěn)定；光譜特性（譜線中心和帶寬）與染料濃度和光纖長度無關(guān)；易于制作。在制作該光纖時，要首先在聚合物有機(jī)玻璃（PMMA）預(yù)制棒中打孔，并拉制成半成品的預(yù)制棒；然后用若丹明6G染料溶液填充該半成品預(yù)制棒的孔，并使其滲入PMMA；將該半成品預(yù)制棒加熱，以便排出溶劑分子，并阻擋染料分子進(jìn)入該結(jié)構(gòu)；最后將該半成品預(yù)制棒拉制成具有600 μm外徑和18 μm芯徑的PCF。

采用Q開關(guān)、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(tǒng)染料激光器對輸入信號進(jìn)行放大，使PCF的光增益高達(dá)30.3dB（在574nm波長）。該P(yáng)CFDL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(xué)研制出了全光纖 PCFRL，它采用PCF 的反常色散進(jìn)行色散補(bǔ)償，并將同步泵浦和采用寬拉曼增益的標(biāo)準(zhǔn)SiO2光纖與PCF的色散補(bǔ)償相結(jié)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(xù)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(jìn)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(jìn)一步的脈沖壓縮。如果采用超短脈沖，則可實(shí)現(xiàn)1.3 μm 波長以下的全光纖 PCFRL。最近，該大學(xué)又研制出了第一個采用全光纖結(jié)構(gòu)的連續(xù)波（CW）PCFRL，其增益介質(zhì)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(yōu)點(diǎn)是，無多界面附加反射，穩(wěn)定性好，其緊湊性和強(qiáng)度增加。此外，拉曼增益為17W/km，約為最佳化傳統(tǒng)FRL的3倍。該大學(xué)認(rèn)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(shù)幾乎為最佳化傳統(tǒng)FRL的7倍，因此PCFRL將在許多應(yīng)用中代替?zhèn)鹘y(tǒng)的激光器。