PCSEL 光子晶体激光器
一光子晶体
光子晶体是指具有光子带隙的周期性接电结构材料，所谓光子带隙是由于接电常熟不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称为光子禁带，具有光子禁带特征的材料称为光子晶体。
依据不同的分类标准，可以将光子晶体分为不同的种类：按电磁波的波长不同，可分为微波光子晶体，红外波光子晶体、可见光子晶体等；
按照材料种类不同，可分为金属光子晶体、半导体光子晶体、氧化物光子晶体和聚合物光子晶体等；
按照用途不同，又可分为光子晶体微腔、光子晶体波导、光子晶体光纤和光子晶体激光器等；
按照折射率周期性变化的空间维度不同，则可分为1D光子晶体，2D和3D光子晶体。如下图
图1 光子晶体结构示意图
二 光子晶体激光器（Photonic Crystal Surface-emitting Lasers PCSEL）
图 2 包含22.5对p型顶部分布布拉格反射器（DBR）和34.5对n型底部DBR的光子晶体垂直腔表面发射激光器（PCSEL）的示意图
在普通的半导体激光器谐振腔内,具有许多光损耗机制,如衍射损耗、反射镜的透射、腔内介质的散射和非激活吸收等等,因此 Q(Quality Factor) 值很低。而在光子晶体激光器中,光子晶体微腔是由光子晶体中的一个或几个点缺陷(通过改变几个空气孔的尺寸或者丢失几个空气孔的方法引入)构成的,由于点缺陷的存在,光子带隙中就会出现一个频率极窄的缺陷态,使频率在光子禁带范围内的光只能在缺陷处传播,这样就使腔内的光损耗大大降低,微腔的 Q 值非常高。显著降低了激光器的阈值。
半导体光子晶体激光器发展至今，常见的型态大致可分成两类: 第一类为光子晶体缺陷型激光器(Photonic Crystal Defect Laser)，其共振腔模态设计在光能隙内，因此光无法在缺陷以外的区域存在，使得光只会在此缺陷区域共振而形成光子晶体缺陷型激光器。此种光子晶体激光器可获得较高的品质因子、较小的模体积、较大的珀塞尔效应及低阈值条件。
第二类为光子晶体能带边缘型激光器 (Photonic Crystal Band-edge Laser)，此种激光器操作于平坦的能带边缘上，由于光波在能带边缘处的群速度趋近于零，在满足特定布拉格绕射条件下而形成驻波。由于具有特定布拉格绕射的特性，某特定波长的光因需满足能量与动量守恒而成为垂直面发射的光，于是此类激光器又称为光子晶体面射型激光器(Photonic Crystal Surface Emitting Laser，PCSEL) 光子晶体面射型激光器除具有大面积出光外，还有单模操作(Single-mode Operation)、低发散角(Divergence angle)及高功率输出等优点，非常适用于高密度光学储存、微投影机光源、生医感测以及激光器固态照明。
下表为VCSEL与PCSEL的对比
图3 Electrically pumped PCSELs on SOI substrate: (A) schematic and (B) detailed heterostructure and cavity design parameters.
[1] Zhou, W., Zhao, D., Shuai, Y.-C., Yang, H., Chuwongin, S., Chadha, A., … Fan, S. (2014). Progress in 2D photonic crystal Fano resonance photonics. Progress in Quantum Electronics, 38(1), 1–74.
[2] Zhou, W. (2019). On-chip photonic crystal surface-emitting lasers. Semiconductors and Semimetals.
