（微电子学与固体电子学专业论文）光子晶体结构分析设计与器件应用.pdf

、 y 1 7 8 8 3 7 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 i 何 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：幽：遂导师签名： 日期： 引口 ，i 摘要 摘要 垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 具有阈值低、稳定性好、寿命长、调制速 率高等优点，并且具有光束沿垂直于基片向上发射，便于片上测试，光束发散角 小，易于与光纤或其它光学器件耦合等特点，因此非常适合应用在并行光传输和 互联领域。但是，常规氧化限制型v c s e l 要实现日! l 模工作，氧化孔径要求3 5 微 米，这不仅制作工艺困难，也限制了出光功率，而且串联电阻也比较大，所以要 获得高功率单模激射是比较困难的。而光子晶体的引入为v c s e l 提供了一个实 现高功率单横模光输出很好的途径，光子晶体是一种介电常数呈周期性或者准周 期性分布的材料，其物理特性主要有：光子晶体缺陷微腔的高品质因子，光子禁 带对自发辐射的调制作用，光子禁带的极高反射率，光子晶体内光传播的异常色 散特性，光子能带带边低群速度特性，光子晶体波导对横向光场的调制作用等。 由于半导体材料光子晶体的加工兼容微电子平面微纳加工技术，因此光子晶体在 光电集成方面具有广泛的科学意义和应用价值。大功率基横模光子晶体垂直腔面 发射激光器具有单横模、高功率激射的优点，可应用于光互连、光存贮、精确定 位等领域光子晶体垂直腔面发射激光器是在v c s e l 上d b r 区刻蚀带有缺陷的周 期性分布的空气孔，其结构类似于光子晶体光纤。光子晶体能控制激光器的光学 模式，使得v c s e l 在较大的氧化孔径下依然保持单模工作，而大的氧化孔径相 应的出光孔径大、出光功率高，既可实现v c s e l 高功率单横模输出，又提高了 其与单模光纤的耦合效率，同时器件的氧化工艺难度也会降低。因此光子晶体 v c s e l 成为科技工作者研究的热点。 本论文基于光子晶体的基本理论，系统的对光子晶体进行了理论分析：( 1 ) 模拟了光子晶体的波导特性利用f d t d 方法模拟光子晶体的线缺陷，得到 场的分布和传输特性；( 2 ) 计算了二维光子晶体的能带图以及o u t o f p l 觚e 能带 图，从理论上分析了光子晶体模式选择的特性；( 3 ) 研究v c s e l 模式的理论分 析方法，结合光子晶体光纤有效折射率模型，利用刻蚀因子】，对归一化参数进行 修正，总结出了光子晶体垂直腔面发射激光器的理论设计方法。另外，本论文对 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 进行分析研究，提出三维电流分布计算模型，利用a n s y s 软件研究了光子晶体 结构对电流密度分布和器件串联电阻的影响。本模型对于研究、设计氧化限制型 北京下业大学丁学硕卜学位论文 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。最后，根据上 述理论方法，设计出能实现光子晶体v c s e l 单横模激射的器件结构参数，并将 理论计算的结果应用到实验中，成功制作了单横模、低阈值、高功率光子晶体垂 直腔面发射激光器。结果表明，理论与实验相一致。 在本实验室的工艺条件下，探索出制备光子晶体v c s e l 的关键工艺参数， 分析了湿法氧化中温度、氮气流量等参数对氧化速率、质量的影响，实现了高铝 组分层的精密氧化控制：同时，用常规光学曝光成功制作了孔径2 岬的高质量光 子晶体结构，掌握了制作孔直径2 岬光子晶体结构的光刻工艺和感应耦合等离子 体( i c p ) 干法刻蚀工艺；最后，通过实验探索，研制出孔直径2 岬和周期4 岬一7 岬 等不同结构的光子晶体垂直腔面发射激光器，成功实现了光子晶体v c s e l 的单 横模激射，单模激射器件结构为：光子晶体孔直径2 岬，晶格常数5 岬，v c s e l 氧化孔径2 0 岬。在注入电流1 5 m a 下，输出功率达1 7 m w ，主模半线宽小于 0 1 眦1 ，阈值电流2 5 m a ，串联电阻6 8 1 8 q ，边模抑制比大于3 5 2 d b 。 关键词：光子晶体垂直腔面发射激光器有效折射率f d t d 能带 ， a b s t r a c t a b s t r a c t v e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i n i n gl a s e r ( v c s e l ) h a v em a n ya d v a n t a 留e s ，s u c ha s l o wt h r e s h o l d ，g o o ds t a b i l i t y ，l o n gl i f e ，h i g h e rm o d u l a t i o nr a t e s ，t h eo u t p u tb e 锄w i t h s m a j ld i v e 唱e n c es p a c ea n g l e ，e a s yt ob et e s t e do nc m pa n dc o u p l ew 油f i b e ro p t i c a n do p t i c a ld c v i c e s ，l ed y n 锄i cs i n g l el o n g i t u d em o d e 锄ds p a c ee m i t t i n gm o d e ， w i l i c hi sd u et oi t ss p e c i a ls p a c es t n l c t u r ea i l dm em i c r o s c a l e ，s ot h ev c s e l sa r e s u i t a b l ef o ru s i n gi i l 让l ef i e l do fp a r a l l e lo p t i c a lt 啪s m i s s i o n 锄di n t e r c o l l l l e c t i o n h o w e v e r t l l eo x i d a t i o na d e n u r eo fo x i d e c o n f i n e dv c s e lh a dt ob el e s st h a n3 5 i i l i c r o n si fi tn e e d st ob e 、v o r ka ts i n g l em o d e t h es m a l lo x i d a t i o n 邳l e n l j r er e s u i t si n c o m p i i c a t e dt e c h n o l o g y l o wo u t p u tp o w e ra n dl a r g es c r i e sr e s i 鼬匝c e s oi ti sm o r e d i 衢c u l tt oo b t a i ns i i l g l et 啪s v e r s em o d ea 1 1 dh i g hp o w e r p h o t o n i cc r y s t a l ( p c ) i sa i 【i n do fp e r i o d i co rq u a s i p e r i o d i cd i e l e c t r i cm a t e r i a l s i t sm a i np h y s i c a lc h a r a c t e r sa r e ： l l i 曲q u a l i t yf a c t o r so fp h o t o m cc 珂s t a ld e f e c tm i c r o c a v i t y ，m o d u l a t i o no fs p o n t a n e o u s e m i s s i o no fa t o m si np h o t o 证cb a n dg a p s ，l l i 班鹏f l e c t a n c ei i l p h o t o i l i cb a n dg a p s ， a b n o m a ld i s p e r s i o nc k l r a c t e ro f 、硼v e p r o p a g a t i o ni i lp h o t o m cc 巧s t a l ，l o w 铲o u p v e l o c i t yc h a r a c t e ra tp h o t o n i cb a l l de d g e ，m o d u l a t i o no f 仃a 匹l s v e r s eo p t i c a lf i e l di 1 1 p h o t o i l i cc r y s t a lw a v e g u i i ea i l ds oo n b e c a u s eo ft 1 1 ed e v e l o p m e n to fm i c r o n 锄o p l a i l ef a b r i c a t i o ni ns e r n j c o n d u c t o r i n d u s t r y ，p h o t o m cc r y s t a jc a nb ei n v o l v e di m o a p p l i c a t i o i l sa i l ds c i e n t i f i cr e s e 锄c h e s o no p t o e l e c t r i c a li n t e 卿t i o nf i e l d h i 霉血p o 、v e r s m g l et r a u n b v e r s em o d ep h o t o i l i c c r y s t a jv e r t i c a l c a v i 钾s u r f a c e e m i t t i n gl a s e r s ( p c v c s e l ) c a nb eu s e di n o p t o i n t e r c o n n e c t i o 玛o p t o s t o r a g e ，a n dh i g h p r e c i s i o n l o c a l i z e r p h o t o n i cc r y s t a lv c s e lw m c ha r ee t c h e dd e r i o d i cd i s t d b u t i o na i rh o l e s 诵t had e f e c t so nt o pd b ro fv c s e l p r o v i d eag o o d 、a yt oa c i l i e v es i n g l et r a n s v e r s e m o d ea i l dk g l lp o w e r i tc 锄c o n t r o lt i l eo p t i c a lm o d e 觚dm a k et t l ei i e v i c ew o r ka t s i n g l em o d ew i t hal a r g e ro x i d a t i o na p e m l r e ，d u et ot 王l el a r g eo x i d a t i o na p e n l l r e ，也e o u t p u tp o 、e ra 1 1 dt i l ec o u p l i n ge m c i e n c y v v i t l ls m g l em o d e 肋e ro p t i c 溺nb el a 唱e r ， 砒l dt h ed i m c u l t yo fo x i d a t i o np r o c e s sw i l ld e c r e a s c t h e r e f o r et 1 1 e s el l a v eb e e na r i s e n a na 1 觚t i v ea n e n t i o nb ys c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 、阳r k e r s 觚dh a v eb e c o i i i ca r e s e a r c hb r i g l l 仃l e s sv c s e lt e c h n o l o g y i nm i sd i s s e r t a t i o i l n o to n l yt l l ep h o t o l l i cc r y s t a lw a v e g u i d ep r o p e n i e s s i m u l a t i o nb yf d t dm e t l l o d 也eb a i l d sa n do u t o f - p l a n eb a n d so ft w od i m e i l s i o n a l p h o t o m cc r y s t a ja i l dm em o d es e l e c t i o nf e a t u r e ，b u ta l s ot l l em e o wo fv c s e lm o d e a n dp h o t o n i cc r y s t a jf i b e re f r e c t i v ei n d e xm o ( 1 e lh a v eb e e ns y s t e m i c a l l ys t u d i e d b a s i n go nt h em e o 珂o fp h o t o m cc r i r s t a l l en o r r n a l i z e dp a r a m e t e r sw a s 锄e n d e d 谢也e t c t l i n gf a c t o ryc o m b i n e dw i t hp h o t o i l i cc r y s t a lf i b e re f i e c t i v ei n d e xm o d e l ，m e n p h o t o i l i cc r y s t a lv c s e l i e s i p 皿m e o r yw a ss l 】m m a r i z e ds y s t e m i c a l l l y i i la d d i t i o n ，m e d i s t r i b u t i o no fi n j e c t e dc l m r e n ti n t om ea c t i v er e g i o no fe x t e m a lc a v i t yo x i d e c o n f i n e d p h o t o i l i cc r y s t a lv e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee n l i t t i n gl a s e r s 、v l ss 砌i e de x t e n s i v e l v a n a d v a n c e dt l l r e ed i m e n s i o n a lm o d e lo fc u r r e n td i s t r i b u t i o nw a sa p p l i e dt oa i l a l y z et h e e 岱：c t so fp h o t o i l i cc r y s t a ls t n l c t u r c so nc u r r e n td e n s i 饵d i s t r i b u t i o na n d r i e s r e s i s t a n c eo fm ed e v i c e d i 丘e r e n tp a t t e n l so fp h o t o n i cc r y s t a ls t n l c n u e sh a v eag r e a t i i i 北京1 = 业大学t 学硕十学位论文 i m p a c to nt l l ec u r r e n td e n s i 僻d i s t r i b u t i o na n dc i r c u l a rs y m m e t r y t h er e s u l t sa r e b e n e f i c i a lt of e s e a r c ha n dd e s i g ne x t e m a lc a v i t yo x i d e - c o n f i n e dp h o t o l l i cc w s t a l v e n i c a lc a v i t ys u r f - a c ee m i n i n gl a s e r s f i m l l yas i n g l et r a n s v e r s em o d e ，1 0 wt h r e s h o l d ， h i g h p o w e rp h o t o 血cc r y s t a lv e r t i c a lc a v 时s u 如c ee m i t t i n gl a s e r sw e r ed e s i l ；1 1 e da n d f a b r i c a t e ds u c c e s s m l l yi nt 1 1 ec o n d i t i o no fo u rl a b o r a t o r y 狮dt h e o r y 锄de x d e r i m e n t r e s u l t sa r c o n s i s t e n t i i lo u rl a b o r a t o r y sc o n d i t i o n s ，w es e a r c ha f t e rt l l ek e yt e c l l i l i c a lo ff a b r i c a t i n 2 p h o t o n i cc r y s 协lv c s e l ，i n c l u d i n gt h ei m p a c to fw e to x i d a t i o nt e m p e r 砷工r e ，砷g e n n o wr a t ea n do t h e rp a r a m e t e r so n l eo x i d a t i o nr a t e 锄1 dq u a l i t y t h e nw ea c h i e v e dt h e p r e c i s i o nc o n t r o la b o u tw e to x i d a t i o na b o u tt l i g ha l u m i n 啪l a y e r w ea l s om a l s t e r e d t h el i t h o g r a p h y 觚di n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a ( i c p ) d 巧e t c h i n gt e c h l l o l o g ya n d c o u l df i a b r i c a t eh i g h q u a l i t y2 “mh o i ew i mc o n v e n t i o n a lo p t i c a le x p o s u r e f i n a l l y ，w e d e v e l o p e dd i 疵r e n ts t r u c t u r ep h o t o n j cc r y s t a lv c s e l sw i t l la i rh o l ed i a m e t e r2 i l m a n dp e r i o d4 m - 7 “m a n das i n g l et r a n s v e r s em o d ep h o t o n i cc r y s t a lv c s e lw a s f a b r i c a t e ds u c c e s s m u y t h ea i rh o l ed i 锄e t e r2 “m ，p e r i o d5 m ，o x i d a t i o na p e n u 】e 2 0 岬，m ei n j e c t i o nc u r r e n tl5 m a ，t h eo u t p u tp o 、v e r1 7 m w ：t 1 1 em a i l lm o d e h a l f w i d t hl e s st l l a n0 1 姗，t h et l l r e s h o l dc u r r e n t2 5 m a ，t i l es e r i e sr e s i s t a n c e6 8 18 q a n ds i d em o d es u p p r e s s i o nr a t i og r e a t e rt 1 1 a n3 5 2 d b k e yw o r d s ：p h o t o m cc r y s t a l ；v c s e l ；e c t i v er e f h a c t i v ei n d e xm o d e i ；f d t d ； b 锄d s i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i i 第一章绪论：1 1 1 光子晶体的提出1 1 2 光子晶体的分类及应用。l 1 3 光子晶体器件应用3 1 3 1 光子晶体微腔缺陷模激光器3 1 3 2 光子晶体垂直腔面发射激光器5 1 4 本论文的主要研究内容6 第二章光子晶体的理论研究方法9 2 1 平面波展开法。9 2 2f d t d 。1 2 2 3 本章小结18 第三章光子晶体结构特性模拟及在v c s e l 中的应用。1 9 3 1 二维光子晶特性模拟。1 9 3 1 1 二维光子晶体波导特性模拟。l9 3 1 2 二维光子晶体能带。2 2 3 1 3o u t o f - p l a j l e 能带2 4 3 2v c s e l 的概况。2 7 3 2 1v c s e l 的基本原理2 9 3 2 2v c s e l 有效折射率计算模型3 3 3 2 3v c s e l 横模场分布模拟3 5 3 3 光子晶体在v c s e l 的应用。3 7 3 3 1 光子晶体有效折射率分析模型3 7 3 3 2 光子晶体v c s e l 分析模型3 8 3 3 3 光子晶体v c s e l 电流扩展分布分析4 0 3 4 光子晶体v c s e l 结构参数设计4 7 3 5 本章小结4 9 第四章光子晶体v c s e l 工艺实现与性能5 4 1 工艺流程5l 4 2 关键工艺5 3 4 3v c s e l 澳4 试5 8 4 4 光子晶体v c s e l 测试。6 0 4 5 本章小结6 2 结论6 3 参考文献。6 5 附录1f d t d 方法模拟二维光子晶体波导( m a t l a b ) 程序的主要部分6 9 攻读学位期间主要研究成果及发表论文和专利7 3 致谢。7 5 北京t 业大学工学硕卜学位论文 第一章绪论 1 1 光子晶体的提出 第一章绪论 随着电子信息技术的发展，集成电路已经应用在生活的各个方面，成为信息 技术的核心。目前，电子芯片的集成度越来越高，对信号处理能力的要求也越来 越高，电子器件向微型化发展。但是，随着电子芯片的集成度越来越高，电子和 微电子技术正在走向物理和技术上的极限，随着芯片尺寸的减小，电子的量子效 应会非常明显，现有的加工设备已经很难再继续减小芯片内部的线宽，存在密度 极限，芯片的发热量随着工作频率的提高而迅速增加，从而使芯片无法正常工作， 难以突破速度极限。微电子技术这些日益突出的问题，使人们感到电子产业发展 的瓶颈，进而把目光投向了光子，与电子相比，以光子作为信息和能量的载体具 有很大优越性：( 1 ) 光子为载体的光子器件有比电子器件高得多的运行速度；( 2 ) 光子间的相互作用远小于电子，因而光子器件的能量损耗小、效率高；( 3 ) 信息 的传输和处理效率将得到极大提高。但是光比较难以控制，因此能否找到类似半 导体材料控制电子一样地控制光子行为的材料成为问题的关键。众所周知，电子 在周期势场中传播时，电子波会受到周期势场的布拉格散射，会形成能带结构， 带与带之间可能存在带隙，电子的能量如果落入在带隙中，是禁止传播的。与此 类似，如果将不同介电常数的介电材料构成周期性结构，当电磁波在其中传播时， 由于受到周期性结构材料的调制而形成能带结构，带与带之间也可能出现带隙， 该带隙称为光子带隙，也称为光子禁带，一定频率范围的电磁波，在光子晶体的 特定方向上是不能传播的。 l9 8 7 年，e y a b l o n o v i t c h 【i 】和s j o l l i l l 2 】几乎同时提出了光子晶体( p h o t o n j c c r v s t a l ) 的概念。光子晶体是一种介电常数空间周期性变化、晶格常数可与光波 长相比、且具有光子带隙( p h o t o m cb a n d g 印，简称p b g ) 结构，能够控制光子传 播态的新型人工材料。光子晶体的出现使人们可以像半导体中电子流一样控制光 子流，可以预见，光子晶体将在光通信、光学、光电子和信息科学等方面引发革 命性变革。1 9 9 9 年1 2 月1 7 日，国际权威杂志s c i e n c e 将光子晶体的研究列 为2 0 世纪十大科学进展之一。 1 2 光子晶体的分类及应用 目前，绝大多数光子晶体都是人工制造出来的，但是人们在自然界中也发现 了两种天然光子晶体结构：蛋白石和蝴蝶翅膀的结构3 1 。根据光子晶体周期性的 北京工业大学工学硕 = 学位论文 空间取向，光子晶体可以划分为一维、二维和三维光子晶体，如图1 1 所示。 够甸留 一 h 人卜一 。三，9 o oooo oo 9 o o 图1 1 一维、二维和三维光子晶体的示意酣钏 f i g 1 - ls c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fld ，2 d 卸d3 dp h o t o n i cc 可s t a i ( 1 ) 一维光子晶体 一维光子晶体是两种不同的介质交臂重叠而成，电介质在垂直于介质膜的 方向上呈周期性分布，在平行于介质膜的方向上是均匀无限扩展的。目前，被广 泛研究的布拉格多层介质膜就是一维光子晶体。 ( 2 ) 二维光子晶体 二维光子晶体是介质的介电常数在平面内两个不相同的方向呈周期性分布， 在垂直于平面的方向上是均匀无限扩展的，典型的二维光子晶体是由介质杆平行 而均匀的排列组成，介质的介电常数在垂直于介质杆的平面内是空间位置呈周期 性分布，而在平行于介质杆的方向上，介电常数不随着空间位置的变化而变化。 光子晶体光纤就是利用二维光子晶体在二维空间各个方向上具有光子频率禁带 的特性的实例。 ( 3 ) 三维光子晶体 三维光子晶体是指介质的介电常数在三个方向上都具有周期性结构，在三个 方向上都有光子禁带，即落在光子带隙中的光在任何方向上都无法传播。三维光 子晶体的机构包括金刚石结构、堆木结构和层叠结构【5 】【9 】。 光子晶体又称光子带隙材料，是折射率( 或介电常数) 周期排列的电介质结 构，其周期与工作波长处于同一尺度，处于光子带隙频率范围内的电磁波在晶体 中无法传播。假如光子晶体材料的介电常数在周期结构中出现了扰动或者缺陷， 就会在光子晶体能带中出现态密度很高的缺陷态。点缺陷中产生的光子将被局域 在这个缺陷周围，形成谐振腔，而禁带内其余频率的光子仍然被抑制，这就是光 2 第一覃绪论 子晶体的局域特性【l o 】。在光子晶体中引入一个线缺吲1 1 】，便可形成一个二维( 2 d ) 的光子晶体光波导，利用2 d 光波导在传播方向的延伸便可构成三维( 3 d ) 光子晶 体光波导，这就是光子晶体光纤；在光子晶体中引入一个点缺陷或一个环形缺陷， 便可构成一个纳米尺寸的微谐振腔( 称之为纳米谐振腔) 或环形微谐振腔( 称之为 环形谐振腔) ，利用这些谐振腔便可制作出光子晶体激光器；在光子晶体光波导 附近引入一个点缺陷，通过改变点缺陷的尺寸，便可制作出光子晶体滤波器；通 过两条靠得很近的光子晶体光波导之间的消失场耦合，便可构成一个光子晶体耦 合器。利用这种耦合器和弯曲光波导的组合，便可制作出光子晶体波长复用解 复用器：利用上述光子晶体器件便可在单片的光子晶体平板上制作出光子晶体集 成光路。1 9 9 9 年，美国加州理工大学和美国南加州大学首次展示了第一只半导 体二维薄板光子晶体点缺陷激光器【1 2 】，实验上首次证实了这种周期排列的光子晶 体材料具有控制光子的能力。 由于光子晶体能够自由控制光在介质中的传播，而光子又具有许多电子无法 比拟的优点，所以光子禁带材料被认为能够取代现有电子半导体材料，而成为下 一代信息处理芯片的基础材料。以光子晶体为基础，在短距离内甚至芯片内部的 光子传输都有望实现，从而可以制造出全新架构、具有更高信息处理能力的光子 计算机。同时，利用光子晶体可以制造能承载更高信息量的光纤，纳米级尺寸的 零阈值激光器【1 3 】- 【1 4 】，高效率、低损耗的光无源器件和集成光路，而这些芯片的 成功研发将导致电信技术的革命，在信息技术中实现处理和传输的全光化。因此 光子晶体日益受到科技工作者的青睐，并迅速发展。 1 3 光子晶体器件应用 对于光子晶体的研究，在初始阶段人们一直关注其物理机制，到了上世纪 9 0 年代中期，科技工作者开始研究光子晶体在器件方面的应用。1 9 9 9 年加州理 工学院a x e ls c h e r e r i 坨】领导的研究组第一次报道了光子晶体激光器，以后各种结 构、原理的光子晶体激光器相继报道。光子晶体在激光器中的应用主要分为光子 晶体微腔缺陷模激光器和光子晶体垂直腔面发射激光器，另外还有利用光子晶体 禁带特性的f p 腔激光器、基于带边模的带边激光器和量子级联激光器掣”j 。 1 3 1 光子晶体微腔缺陷模激光器 在光子晶体中引入缺陷，则在光子带隙中就有可能出现缺陷态，对应于一段 非常小频率范围的光子晶体缺陷态，使禁带内的光子只能落在缺陷态中，这种缺 陷可以形成光子晶体微腔。光子晶体结构作为微腔激光器，不仅是尺寸上的飞跃， 还可以使激光器实现无阈值发射、控制自发辐射、提高激光腔q 值1 6 1 。 北京t 业大学丁学硕一l j 学位论文 品质因子q 表示为谐振腔内的总能量与损耗能量的比值。q 值越高说明相同 注入下谐振腔内局域的光场能量越高，损耗越小，越容易形成受激辐射，所需要 的阈值电流密度越小。当引入光子晶体缺陷为谐振腔，由于谐振腔内的光子都落 在缺陷态中，因此获得极高的q 值【l6 。光子晶体微腔的存在改变了光学模式的空 间分布和频潜分布，可以增强或抑制电偶极子的自发辐射。当电偶极子的自发辐 射谱与光子晶体微腔的模式谱相匹配、电偶极子处于模式电场的极大值处、电偶 极子的偏振与模式电场的偏振相匹配时，自发辐射增强，反之减小【1 5 l 。另外，光 子晶体微腔的尺寸可以达到纳米量级，激射阂值可以很低甚至为零。利用其光子 带隙频率范围内低的透射损耗，使得电磁波绝大部分能量在腔中保持连续振荡， 从而不断有激光输出，与此同时q 值也会相应提高。利用光子晶体的带隙可以降 低垂直方向上的能量损失，而将其平行方向上( 沿介质柱方向) 引出的电磁波作为 腔的模式输出1 1 7 j 。 1 9 9 9 年，美国加州理工大学a s c h e r e r 的研究组首次报道了室温下激射波 长为1 5 5 岬的光子晶体微腔激光裂1 2 j ，图卜2 是i n p 有源材料上制作的光泵浦 光子晶体微腔激光器。光是由两种不同的机制束缚于光子晶体中心的微腔。o s h i l l i r 0 等人在2 0 0 3 年报道了q 值和模体积分别约为4 5 0 0 0 、7 0 x 1 0 0 4 c m 3 光子晶体 微腔【1 8 j ：图卜3 是韩国高等科学技术研究院y h l e e 的研究组在2 0 0 5 年制作出 了工作在1 5 2 岬的i n p 基电注入光子晶体微腔面发射激光器1 1 9 】。这标志着光子 晶体微腔激光器向实用化迈出了重要的一步。目前绝大多数都是用i n p 基材料制 作光予晶体微腔激光器，工作波长在1 5 岬左右，由于g a a s 基材料的表面复合 太大，因此用g a a s 基材料制作光子晶体微腔激光器的很少。 t o 协li 九t e m a l 旭硼瞅b n 盯lr ) d i s t r i b u l 9 db r a g s 陪f l o c l j o 1c d b r ) 图l - 2 光泵浦光子晶体微腔面发射激光器1 1 6 l f i gl - 2o p t i c a l l yp 啪p e dp h o t o n i cc 拶s t a lm i c r 0 - c a v i t ys u 渤c e - e m i t t i n gl a s e r 4 第一章绪论 图1 3电注入光子晶体微腔面发射激光器 f i gl - 3e l e c t r i c 时p u m p e dp h o t o n i cc 巧s t a lm i c r 0 - c a v i 哆s u 而c e e m i t t i n gl 弱e r 1 3 2 光子晶体垂直腔面发射激光器 光子晶体在g a a s 基有源材料上应用最多的是垂直腔面发射激光器，光子晶 体垂直腔面发射激光器就是在v c s e l 的上d b r 刻蚀光子晶体，其结构类似光 子晶体光纤，利用光子晶体对激光器模式的控制作用，使得单模大功率的垂直腔 面发射激光器成为可能。光子晶体的引入，给v c s e l 带来许多优点： ( 1 ) 由于光子晶体v c s e l 独特的空间结构，使得形成的光束发散角小，具 有良好的单纵模和单横模特性。 ( 2 ) 可以实现大的氧化孔径单模激射。目前，已报道的光子晶体v c s e l 出 光孔径大到1 0 岫仍然为单模状态，大的氧化孔径可以实现高功率的单模输出， 也可以提高其与单模光纤的耦合效率。丹麦的c r y s t a lf i b e r s 公司生产出工作 在1 5 5 0 r l i i l ，纤芯直径3 5 岬的单模光子晶体光纤( h 卸：、棚m c 巧s t a l f i b e r c o n 却r 0 ( i u c t s 1 n l a s h t i n ) 。 ( 3 ) 光子晶体v c s e l 可以降低热电阻，改善激光器的热特性和高速调谐特 性。 ( 4 ) 通过改变光子晶体的结构，比如中心缺陷孔的大小、位置，孔的形状及 位置等，可以方便的实现对偏振特性的选择。目前，圆形、三角形、椭圆形孔结 构光子晶体均可以实现偏振模选择。 光子晶体垂直腔面发射激光器其结构设计包括晶格类型、晶格常数、占空比 ( 孔半径晶格常数) 、缺陷形式、刻蚀深度等f 2 0 】啦卵。在晶格类型的选择上，有三 角晶格和正方晶格【2 们。晶格常数从2 岬到5 岬，占空比从o 5 到0 7 都可以实现 单模激射f 2 7 j - 1 2 翻。中心缺陷的形式可以制作单缺陷、7 缺陷、1 9 缺陷等形式的光 北京工一业大学 掌帧十学位论文 子晶体结构。对于制作为氧化限制型光子晶体v c s e l ，氧化孔径远远大于单模 垂直腔面发射激光器所要求的3 5 岬。目前已报道的光子晶体v c s e l 阈值电流 可低于1 5 i n a ，输出功率可达3 1 m w 【2 9 1 。 下图为典型的氧化限制型光子晶体垂直腔面发射激光器结构示意图。 图l _ 4 光子晶体垂直腔面发射激光器结构示意图【冽 f i gl4 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fv e r t i c a lc a v i 哆s u 吨k ee m i n 访gl 嬲e r s 近些年，德国u l m 大学h j u n o l d 的研究小组、伊利诺伊大学k b n td c h o q u e 仕e 研究组、韩国高等科学技术研究院yh l e e 研究组、日本的y o k o u c k 领 导的研究组等都在研究光子晶体面发射激光器。2 0 0 2 年，韩国l e e 小组【州，在v c s e l 的上d b r 层中刻蚀出周期5 岬的单缺陷光子晶体结构，边模抑制比高 达3 5 4 0 d b 的单模输出，输出功率小于1 m w ；2 0 0 3 年，y o k o u c l l i 等人研究了 d b r 的刻蚀深度与v c s e l 单模条件之间的关系，提出刻蚀因子的概念1 3 lj ，制作 了7 孔缺陷腔光子晶体的p c v c s e l ，也实现了光子晶体抑制比高达3 0 ( 1 b 以上 的单模激射。2 0 0 4 年，y o k o u c l l i 与a j d a 肋e r 和k d c h o q u e n e 等人一起提出 了p c v c s e l 的设计空间模型3 列，为p c v c s e l 的设计提供了理论和实验基础。 2 0 0 5 年，a j d a n n e r 通过改进工艺提高了输出功率，使得最高单模输出功率能 达到3 1 m w 【3 3 1 。另外，也有的小组采用表面浅刻蚀的方法、离子注入与氧化孔径 结合的方法实现单模输出，但这些方法对工艺的要求比较高。 1 4 本论文的主要研究内容 本论文的主要研究工作概括如下： ( 1 ) 基于光子晶体的基本理论，系统的对光子晶体进行了理论分析。模拟 了光子晶体的波导特性利用f d t d 方法计算光子晶体的线缺陷，得到场的分 布和传输特性。 6 第一章绪论 ( 2 ) 分析二维光子晶体的能带图以及o m o f p l a l l e 能带图，从理论上分析 光子晶体模式选择的特性。 ( 3 ) 对于光子晶体在器件中的应用，主要研究了光子晶体v c s e l ，研究 v c s e l 模式的理论分析方法，结合光子晶体光纤有效折射率模型，利用刻蚀因 子y 对归一化参数进行修正，总结出设计单模光子晶体垂直腔面发射激光器的理 论方法。 ( 4 ) 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 流密度分布进行分析研究。提出三维电流分布计算模型，利用a n s y s 软件研究 了光子晶体结构对电流密度分布和器件串联电阻的影响。 ( 5 ) 在实验室的工艺条件下，探索出制备光子晶体v c s e l 的关键工艺参 数，分析了湿法氧化中温度、氮气流量等参数对氧化速率、质量的影响。探索用 常规光学曝光成功制作了孔径2 岬的高质量光子晶体结构，研究制作孔直径2 岬 光子晶体结构的光刻工艺和感应耦合等离子体干法刻蚀的条件。 7 北京工业大学工学硕二l 学位论文 第二章光子晶体的理论研究方法 第二章光子晶体的理论研究方法 光子晶体的理论研究主要是对麦克斯韦方程精确描述，研究光在其中的行 为。因此，精确、快速的数值计算方法一直是理论研究