1.8 光子晶体激光器

1.8.1 光子晶体

光子晶体是1987年提出的新概念和新材料。这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动，是光电集成、光子集成、光通信、微波通信、空间光电技术以及国防科技等现代高新技术的一种新概念和新材料，也是为相关学科发展和高新技术突破带来新机遇的关键性基础材料。光子晶体的这一概念是同真实晶体的类比而来的。在固体材料中，由于原子核周期性势场的作用，电子会形成能带结构，带与带之间（如价带与导带）有能隙，称为禁带。将这一思想应用于传输光的介质，如果介质中也存在周期性的结构，其中的光子也会形成类似于电子能带的结构，在带与带之间也会出现禁带。在固体中，能量处于禁带内的电子是不可能存在的。与此类似，在具有禁带的介质结构中，频率对应于禁带的光不能在其中存在或传播，把这种由于存在禁带而对频率有选择特性的周期性介质结构称为光子晶体，相应的光不能在其中存在或传播的频率范围称为光子禁带或光子带隙。

光子晶体的周期性结构可以抑制自发辐射，自发辐射的概率与光子所在频率的态密度成正比。因为当原子被放在一个光子晶体里面，而它自发辐射的光频率正好落在光子禁带中时，由于该频率的态密度为零，因而自发辐射概率为零，相应的自发辐射被抑制。而抑制自发辐射具有十分重要的现实意义，如在半导体激光器中，由于自发辐射的存在而引起较大的附加电流损失，这是成为激光器阈值的主要原因。如果能够把自发辐射限制在一定的电磁模式内，如激光器的输出模式内，则激光器的阈值会大幅度降低，甚至有可能制成零阈值激光器。在异质结双极三极管，如果将表现为电子-空穴复合的自发辐射降至最少，则三极管的电流增益则会随之大大增强。

传统的激光器存在功耗大、阈值高、模式特性差、尺寸大、不易集成等缺点，从而成为限制激光器被更广泛应用的瓶颈。光波导和反射镜已广泛应用于集成光路和光通信中，由于目前无法制备直角波导和高反射率的反射镜，同样限制了该器件的实际应用。但光子晶体具有特殊的控制光子的能力，在传统光电子器件中引入光子晶体结构，将突破传统器件中的物理瓶颈，而提升器件的性能；在光子晶体芯片上集成激光器、波导、滤波器、耦合器等，将能实现微纳结构下的全光集成。

随着微加工技术的进步，近十年来集成光路研究取得了很大的进展。但是，光子是中性粒子，不像电子一样易于被操纵，因而目前光信息技术的应用还仅仅局限于信息的传输，即光通信，而在信息处理方面还无法取代电子技术。但光子晶体这种新材料可能为解决这一问题提供机会，因为可根据光子晶体的能带工程，来达到控制光子运动的目的。更为重要的是，可以在一块光子晶体上将具有不同功能的光子器件集成起来，实现光子集成芯片。显然，在这个芯片中，光子晶体激光器将作为核心器件而提供光子。

值得指出的是，光子晶体不是简单的晶体而是由不同晶体按特定方式排列而成。目前，实验室中所用的光子晶体，都是人工设计制作出来的。

1.8.2 光子晶体激光器

传统激光器有一些缺陷似乎很难克服，如激光器发射波长的变化使传输损耗发生变化；随功率的增加线宽趋于饱和，并重新展宽；辐射角比较大，耦合效率不高。而如果引入光子晶体结构对光子态的调控作用，即人为地制造出可以将光局限在其中的微腔，这样在光子带隙中就会出现一个或几个孤立的缺陷模，能够形成激光的振荡，使微腔中的激光介质被激发，从而就会产生具有缺陷模特征的激光。当微腔的Q值足够大时，缺陷模激光就会有很好的单色性，再以平面内波导或平面外其他方式将其引出光子晶体，就可以很好地控制方向。因此，光子晶体微腔是一个特殊的谐振腔，它不仅保持腔内光场的振荡，同时也从物质本身本征地增强了这种振荡。由于自发辐射的能量几乎全部用来发射激光，这就大大降低了激光器的阈值。这种小体积、低阈值甚至零阈值、高功率、易于光纤耦合而且可以在小区域密集分布的激光器，正是光电信息系统所追求的信息光源。此外，光子晶体激光器本身还可以延伸到高灵敏的化学探测器设计中，并为探索许多基本的物理现象开辟新的方向。

1999年，加州理工大学的Painter等人设计制作出第一个光子晶体点缺陷腔型激光器。其结构如图1-49所示。该激光器的特点是结合了光子晶体的光量子调控与半导体量子阱材料受限电荷态的量子调控，利用微电子加工技术，在InGaAsP/InP量子阱材料上，实现了波长为1.55 μm的激射。这种结构采用的是三角晶格光子晶体，三角晶格光子晶体的带隙比四方晶格的宽，因此相对而言，制作缺陷腔激光器较容易。2001年，Reese等人研究了四方晶格光子晶体的缺陷腔激光器。

为了使得光子晶体激光器更加实用化，必须采用电注入的方式。2001年，密西根大学的Bhattacharya等人发表了关于电注入光子晶体缺陷腔激光器的设计。如图1-50（a）所示，它利用DBR作为底层，加强垂直方向上的光限制。2004年年底，韩国先进工业技术研究院的Lee Y等人发表了更为合理的电注入光子晶体缺陷腔激光器的结构，如图1-50（b）所示，它利用单缺陷腔下方的介质柱提供了一个导电通道，并充当一个导热的介质，从而解决了光子晶体激光器导热不佳的问题。该器件的总Q值高达2600，阈值电流仅为260 μA。

为了得到更高的 Q 值，人们还对微腔的结构做了很多优化设计。2003年，京都大学的Noda 小组对光子晶体微腔的结构进行了微调，首次在 Nature上报道了微腔电磁场边界调控效应对微腔品质因子的影响的物理机制，同时在无源器件上获得了高达45000的品质因子。如图1-51所示，通过微调缺陷腔内孔的位置，使得腔内电磁场在光子晶体边界处的散射减小，并最小化泄漏能量，从而提高了微腔的Q值，优化了微腔的设计。

在 Noda 的启发下，人们对缺陷的概念又有了新的认识，光子晶体内的缺陷不仅仅是去掉某些晶格点上的空气孔，还可以采用晶格错位的概念，在完整三角晶格中引入晶格位移，同样可以在禁带中获得缺陷态。

与缺陷腔型面发射激光器同步发展的还有带边发射激光器，在1999年，Noda小组发表了二维带边光子晶体激光器的结果，他们将多量子阱有源层的结构和带有一个光子晶体结构的晶片键合在一起，激光的出射方向仍然垂直于光子晶体平面。2006年，在美国加州Long Beach的CLEO会议上，报道了输出功率在 mW 量级的这种激光器。这种激光器利用缺陷波导的带边慢光效应，实现光与增益物质的强烈相互作用，匹配的光波导将激光腔中的激光耦合输出，其结构简单，被认为是面向未来平面内全光集成的核心。

随着光子晶体微腔激光器的研究的深入，由单一缺陷微腔发展到多个光子晶体微腔的耦合。2006年，美国Stanford大学的Vuckovic研究小组在Nature上首次报道了通过多个微腔耦合获得超快激光的研究成果，其激光器的调制速率超过100GHz（目前传统激光器的调制速率在40GHz左右）。

目前，贝尔实验室、英国斯温顿Bath大学、丹麦Crystal FibreA/S公司等都在大力研究新型的光子晶体激光器。A.J. Danner等人提出的双缺陷光子晶体垂直腔面发射激光器更是集以上两种激光器的优势于一体。在我国，深圳市激光工程重点实验室也已经开发出了功率达15W的光子晶体激光器。预计，在未来的五年之内，高效光子晶体激光发射器将逐步实用化，继而逐渐发展为激光器的主流。

1.8.3 光子晶体光纤激光器

1. 光子晶体光纤

光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）又称为多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光进行约束，实现光的传导。独特的波导结构、灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域。

（1）光子晶体光纤的导光原理

按导光机理来说，PCF可分为以下两类：

① 折射率导光机理。周期性缺陷的纤芯折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种结构的PCF导光机理依然是全内反射，但与常规光纤有所不同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。

② 光子能隙导光机理。理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即可导出实心和空心PCF的传导条件，即光子能隙导光理论。光纤中心为空心，虽然空心折射率比包层石英玻璃低，但仍能保证光不折射出去，这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时，其光子能隙范围内就能阻止相应光传播，光被限制在中心空心之内传输。最近有研究表明，这种PCF可传输99%以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/ 2～1/ 4。

空心PCF光子能隙传光机理具体解释为：在空心PCF中形成周期性的缺陷是空气，传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。虽然在空心PCF中不能发生全内反射，但包层中的小孔点阵结构起到反射镜的作用，使光在许多小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。

各种类型的光子晶体光纤如图1-52所示。

（2）光子晶体光纤的特性

光子晶体光纤 PCF 有如下特点：结构设计灵活，具有各种各样的小孔结构；纤芯和包层折射率差可以很大；纤芯可以制成多种样式；包层折射率是波长函数，包层性能反映在波长尺度上。因此，PCF有如下许多特性：无截止单模；有不同的色度色散；有极好的非线性效应；有优良的双折射效应；具有较高的入射功率；具有可控制的非线性；易于实现多芯传输等。

2. 光子晶体光纤激光器

由前文可知，光纤激光器（FL）以其卓越的性能和低廉的价格而获得了广泛的应用，然而非线性效应（如受激拉曼散射）使 FL 的最大极限功率受到了限制。虽然已开发了可减小非线性的新型光纤使功率大大增大，但要进一步提高功率则必须要大模场面积的光纤，以便减小功率密度或采用更短的光纤。但大芯径又将导致较高阶横模的传播，这将使要求衍射限光束品质的大多数应用受到限制。由于 PCF 有传统光纤无法获得的光特性，它不仅赋予了PCFL大功率输出等许多优点，也对光集成有着重要意义。目前，PCFL已成为热门技术，在结构设计、工艺制作、提高功率和性能方面已取得重大的进展，它不但发展迅速，且有发展潜力，必将对光学、光电信息科学等领域产生重大的影响。现在，已研制出以下几种PCFL。

（1）掺Yb的双包层PCFL

英国巴斯大学将掺杂Yb的SiO2棒和非掺杂的SiO2棒聚集在一起形成掺杂芯区（掺杂区直径仅为250nm）。围绕直径15 μm固体芯的是2D六角形空气孔的PC结构，在掺杂区和非掺杂区之间获得大的模场面积和小的有效折射率突变。采用激光二极管阵列进行包层泵浦，可获得3.9W的多模输出功率，该PCFL还有获得单模大功率输出的潜力。

德国Friedrich Schiller大学和丹麦Grystal Fiber公司，为了获得三角形的28 μm大模场面积纤芯，在拉制光纤前插入了三根掺Yb的光纤棒。2.3m长的空气包层PCFL实现了80W输出功率，斜效率为78%，而4m长的PCFL输出功率增长到260W，有望获得kW级潜力。

（2）侧面泵浦的双包层PCFL

为了克服双包层 PCFL 不能用多个光源进行高功率泵浦的缺点，丹麦 Crystal FibreA/S通过将泵浦光耦合进内包层进行侧面泵浦，研制出了耦合效率超过90%的侧面泵浦 PCFL。他们采用一根2.5m长具有掺Yb纤芯的双包层PCF形成谐振器，通过可进行熔融的拼接器加热该PCF，使外包层空气孔断开以便进行侧面泵浦，并用折射率匹配的凝胶体或可愈合的UV粘合剂填充耦合光纤与PCFL之间的空间。如由一根端面成一定角度的多模光纤将976nm波长的泵浦光耦合进PCF的内包层，泵浦区长度为500 μm，为使光沿着PCF进行最大长度的传播，耦合泵浦光的光纤尽量靠近PCF的一个端面。这种方法，可使90%的光泵浦功率耦合进PCFL的内包层。将PCFL两个端面的输出功率加在一起，可获得达43mW的单模功率，斜效率为81%。为改进大功率PCFL铺平了道路。

（3）高偏振的PCFL

英国斯特拉斯克莱德大学与丹麦 Crystal FibreA/S 公司合作，已研制出了具有高偏振输出的PCFL，由于采用了不对称半导体结构，使该激光器具有200：1以上的线性偏振，并获得了3.7W的输出功率。该高偏振的PCFL采用Yb掺杂的双包层光纤，其内包层直径为140 μm，由两个大空气孔和数个较小的空气孔确定了5×11 μm的纤芯。这种不对称结构导致光纤中的双折射，有助于一个偏振态优于其他的偏振态产生高偏振的振荡。除了掺杂 Yb 之外，该纤芯中还掺杂了 Ge、Al 和 F。掺杂 F 可补偿由其他掺杂剂所导致的折射率增加，以便在该纤芯中保证由空气孔产生波导限制，而不是传统的全内反射。采用一个980nm二极管激光器泵浦20m长的PCF，并通过双色光束分束器的S或P偏振面对准该光纤的偏振轴，还用CCD阵列来鉴别由纤芯射出的偏振光和泄漏进包层的非偏振光。当泵浦功率为5.5W时，该PCFL获得约2.9W的单模输出。通过旋转波板，获得好于200：1的偏振比（最大传输与最小传输之比）。

（4）大数值孔径PCFL

PCF的单模纤芯比传统光纤的单模纤芯大得多。在已开发的双包层PCFL中，由于PCF外包层的折射率比传统双包层光纤的低，所以内包层的NA比传统的双包层光纤的NA大。但PCFL外包层的平均折射率比内包层的折射率小得多，导致内包层的NA不是很大，并且不同的PC孔结构形状也将对NA产生影响。英国巴斯大学研制出具有高达0.9数值孔径（NA）的PCF，从而提高了PCFL的效率和功率。他们通过双包层PCF数学模型，确定了决定内包层 NA 的主要是外包层结构，而不仅仅是平均折射率。已开发出了四种不同类型外包层的PCF：圆形、六角形和三角形外包层结构不能同时获得大NA的内包层和大模场面积的纤芯；长条形外包层结构可实现大模场纤芯和大NA内包层。这是因为长条形外包层不再是简单的重叠结构而被拉长，它可根据需要拉伸为任意薄厚的薄壁。

（5）聚合物PCFL

澳大利亚悉尼大学和麦夸里岛大学已研制出了第一个光子晶体光纤染料激光器（PCFDL）。与其他固体染料激光器相比，PCFDL的优点是：增益大，基本上可不用反射镜进行工作；工作连续稳定；光谱特性（谱线中心和带宽）与染料浓度和光纤长度无关；易于制作。在制作该光纤时，要首先在聚合物有机玻璃（PMMA）预制棒中打孔，并拉制成半成品的预制棒；然后用若丹明6G染料溶液填充该半成品预制棒的孔，并使其渗入PMMA；将该半成品预制棒加热，以便排出溶剂分子，并阻挡染料分子进入该结构；最后将该半成品预制棒拉制成具有600 μm外径和18 μm芯径的PCF。

采用Q开关、双频Nd∶YAG激光器（波长532nm，脉冲长度为10ns）泵浦该2m长的PCF，并由传统染料激光器对输入信号进行放大，使PCF的光增益高达30.3dB（在574nm波长）。该PCFDL不需要反射镜，在632nm波长的最大脉冲能量为16 μJ（峰值功率为2kW）。

（6）全光纤PCF拉曼激光器

英国伦敦帝国大学研制出了全光纤 PCFRL，它采用PCF 的反常色散进行色散补偿，并将同步泵浦和采用宽拉曼增益的标准SiO2光纤与PCF的色散补偿相结合，获得了1/8.5的输出脉冲压缩。其泵浦脉冲光谱中心为1.08 μm，持续时间为17ps，整个光纤集成的激光器获得了2ps输出脉冲。PCF长为23m，芯径为2.6 μm，在1.1 μm波长的色散为+28ps·nm/km。将220mW（或940mW）的平均（或峰值）泵浦功率耦合进该激光器，可分别获得1.9mW平均功率和10.3W峰值功率。其时间-带宽乘积显示，还可获得进一步的脉冲压缩。如果采用超短脉冲，则可实现1.3 μm 波长以下的全光纤 PCFRL。最近，该大学又研制出了第一个采用全光纤结构的连续波（CW）PCFRL，其增益介质为100m长的PCF，在1.12 μm拉曼波长的传输为99%。输出耦合器有两种：一种采用在1.12 μm波长有70%反射的FBG；另外一种采用具有4%菲涅耳反射的PCF切割平面。其两种输出的光谱几乎相同，在1.12 μm拉曼峰值波长，半最大值全带宽（FWHM）为1.8nm，并具有88%的输出。

该激光器的优点是，无多界面附加反射，稳定性好，其紧凑性和强度增加。此外，拉曼增益为17W/km，约为最佳化传统FRL的3倍。该大学认为，通过采用更小的芯径和选择掺Ge的PCF，则可将增益提高到40W/km以上的理论值。由于理论上PCFRL的拉曼增益系数几乎为最佳化传统FRL的7倍，因此PCFRL将在许多应用中代替传统的激光器。