【科学研究方法学习】_面向光子集成和光互连的微腔激光器
激光器的工作原理及应用
激光器的工作原理及应用激光器是一种能够产生高度聚焦、单色、相干的光束的装置，具有广泛的应用领域，包括医疗、通信、制造业等。
本文将详细介绍激光器的工作原理以及一些常见的应用。
一、激光器的工作原理激光器的工作原理基于激光放大的过程，主要包括以下几个步骤：1. 激发能级：激光器内部包含一个激发介质，如气体、晶体或半导体。
通过外部能源的输入，激发介质的原子或分子从低能级跃迁到高能级。
2. 反转粒子分布：在激发介质中，原子或分子会在高能级停留一段时间，形成反转粒子分布。
这种反转分布使得有更多的粒子处于高能级，而少数粒子处于低能级。
3. 光子的产生：当一个处于高能级的粒子返回到低能级时，会释放出一个光子。
这个光子与其他处于低能级的粒子碰撞，使得它们也返回低能级并释放出光子。
这个过程会引起光子的级联放大，从而产生一个强大的光束。
4. 光反馈：在激光器内部，有一个光学反馈装置，如反射镜。
这个装置能够将部分光子反射回激光介质，使得光子在介质中来回传播，增强级联放大的效果。
5. 输出光束：最终，通过一个输出窗口，激光器将强大的光束输出到外部环境中。
这个输出光束具有高度聚焦、单色、相干的特点。
二、激光器的应用1. 医疗领域：激光器在医疗领域有广泛的应用，如激光手术、激光治疗和激光诊断。
激光手术可以用于眼科手术、皮肤整形和癌症治疗等。
激光治疗可以用于减轻疼痛、促进伤口愈合和改善血液循环等。
激光诊断可以用于病理学研究、药物分析和疾病检测等。
2. 通信领域：激光器在光纤通信中起着重要作用。
激光器产生的单色、相干光束可以被光纤传输，实现高速、远距离的数据传输。
激光器还可以用于光纤传感，如温度、压力和应变的测量。
3. 制造业：激光器在制造业中有广泛的应用，如激光切割、激光焊接和激光打标。
激光切割可以用于金属、塑料和纺织品等材料的切割。
激光焊接可以用于汽车制造、电子设备制造和航空航天等行业。
激光打标可以用于产品标识、二维码和条形码的刻印。
激光器的工作原理及应用
激光器的工作原理及应用激光器是一种能够产生高强度、高单色性、高方向性的光束的装置。
它的工作原理基于光的受激辐射过程，通过光的放大和反射来产生激光。
激光器在科学研究、医疗、通信、材料加工等领域有着广泛的应用。
一、激光器的工作原理激光器的工作原理主要包括以下几个步骤：1. 激发：激光器中通常使用激发源，如电流、光、化学反应等，来激发激光介质中的原子或分子。
激发源的能量会导致部分原子或分子跃迁到高能级。
2. 反射：激光介质中的原子或分子在高能级上停留的时间很短，会迅速跃迁到低能级。
在这个过程中，原子或分子会发射出一个光子，光子的能量与原子或分子跃迁的能级差有关。
3. 放大：发射出的光子在激光介质中被反射、折射和吸收，其中一部分光子被吸收并使激光介质中的更多原子或分子跃迁到高能级。
这样，光子的数目会逐渐增加，形成光子的放大效应。
4. 反馈：在激光器中，有一个光学腔用于反射光子。
光子在腔内来回反射，与激光介质中的原子或分子相互作用，从而增强光子的放大效应。
5. 输出：当光子的数目达到一定的阈值时，就会发生光的放大和放射，从而形成激光束。
激光束通过一个输出镜逃逸出激光器，成为可用的激光光束。
二、激光器的应用1. 科学研究：激光器在科学研究中有着广泛的应用。
例如，激光器可以用于光谱分析、原子物理实验、量子光学研究等。
激光器的高单色性和高方向性使得科学家能够更精确地测量和研究光的性质。
2. 医疗：激光器在医疗领域有着重要的应用。
例如，激光手术可以用于眼科手术、皮肤整形、癌症治疗等。
激光手术具有创伤小、恢复快、准确性高等优点。
3. 通信：激光器在光通信中起到了关键的作用。
激光器可以产生高纯度的光信号，通过光纤传输信号，实现高速、远距离的通信。
激光器的应用使得光纤通信得到了极大的发展。
4. 材料加工：激光器在材料加工中有着广泛的应用。
例如，激光切割可以用于金属、塑料、玻璃等材料的切割。
激光焊接可以用于金属的焊接和精密零件的组装。
光子学技术的应用及使用方法介绍
光子学技术的应用及使用方法介绍光子学技术是一门研究光的性质以及应用的学科，通过探究光的性质、传播、发射和检测等方面，光子学技术在科学研究、通信、医疗和传感等领域有着广泛的应用。
一、通信领域中的应用1. 光纤通信：光子学技术在通信领域的最广泛应用就是光纤通信。
光纤通信利用光纤作为信息传输介质，通过调制光的强度、频率和相位等参数来实现信息的传输。
光纤通信具有大带宽、低损耗和抗干扰性能强的优势，适用于长距离高速通信。
2. 光纤传感：光纤传感是一种利用光的特性来监测和测量物理量的方法。
光纤传感器可以实时监测温度、压力、应变、流速等物理量，并通过光的变化来反映被测物理量的变化。
光纤传感技术在工业控制、环境监测和生物医学等领域中有着广泛的应用。
3. 光子晶体纳米激光器：光子晶体纳米激光器是一种利用光子晶体结构制造的超小型激光器。
光子晶体是一种具有周期性结构的材料，可以在禁带内引导光波的传播。
光子晶体纳米激光器具有尺寸小、能耗低、频率稳定等优势，可用于集成光子学芯片、生物传感和光学计算等领域。
二、医疗领域中的应用1. 光动力疗法：光动力疗法是一种利用特定波长的光照射患处，通过光激活的药物或物质来治疗疾病的方法。
光动力疗法广泛应用于肿瘤治疗、痤疮治疗和牙齿美白等领域，具有非侵入性、定位准确、疗效明显等优势。
2. 光学相干断层扫描（OCT）：光学相干断层扫描是一种利用光线干涉测量技术来观察和生成生物组织的高分辨率三维图像的方法。
OCT广泛应用于眼科、皮肤科和牙科等领域，用于早期疾病的诊断和监测。
3. 激光手术：激光手术是一种利用高能量激光束进行手术的方法。
激光手术具有无创伤、出血少、愈合快等优势，在眼科、皮肤科和整形外科等领域中广泛应用。
三、科学研究中的应用1. 光学显微镜：光学显微镜是一种利用光来观察和研究样品的显微镜。
光学显微镜具有分辨率高、成像清晰等优势，在生物学、医学和材料科学等领域中广泛应用。
2. 光谱学：光谱学是研究物质与光的相互作用的科学。
自注入锁定窄线宽微腔激光器结构
自注入锁定窄线宽微腔激光器结构自注入锁定窄线宽微腔激光器是一种用于产生高质量光束的微纳光学器件，具有窄线宽和高单模输出特性。
它在光通信、光谱分析、生物医学成像等领域有着广泛的应用。
本文将介绍自注入锁定窄线宽微腔激光器的结构和工作原理。
自注入锁定窄线宽微腔激光器的结构由以下几个主要组成部分构成：微腔、波导、波长选择器和反射镜。
下面将对每个组成部分进行详细介绍。
1. 微腔：微腔是自注入锁定窄线宽激光器的核心组件，它是一个高品质因子的光学腔，通常采用硅、硅氮化物或硅基材料制造。
微腔通过光学波导与外部光源相连，形成一种光学共振腔，使光在腔内多次反射，从而增强光与物质相互作用的效果。
2. 波导：波导是将外部光源引入微腔的光学结构，通常采用单模波导或多模波导。
它具有较低的传输损耗和较高的模式选择能力，能够将光有效地耦合到微腔中。
3. 波长选择器：波长选择器用于选择微腔中的特定模式，并将其反馈到微腔中。
它可以是一个光纤光栅、光栅耦合器或布拉格反射镜等。
波长选择器具有高反射率和窄带宽的特性，能够选择出微腔中的谐振模式，并将其限制在微腔内。
4. 反射镜：反射镜用于形成微腔的光学反射结构，通常由高反射率的多层膜堆积组成。
反射镜具有高反射率和低散射损耗，能够将光有效地限制在微腔内，形成谐振模式。
自注入锁定窄线宽微腔激光器的工作原理如下：1. 光注入：外部光源通过波导耦合到微腔中，形成谐振模式。
波导和微腔之间的耦合效率和位置对光注入的影响很大。
2. 自注入锁定：微腔中的光与波导耦合的光发生相互作用，部分光被波导反射回微腔内，形成自注入。
自注入过程会改变微腔的谐振模式，使其趋向于与波导输入光的频率匹配。
3. 窄线宽输出：自注入锁定后，微腔中的光将被限制在特定的谐振模式中，形成窄线宽的输出。
由于谐振腔的高品质因子，光在微腔内多次反射，增强了光的相位一致性和干涉效应，从而得到高质量的输出光束。
总结起来，自注入锁定窄线宽微腔激光器结构包括微腔、波导、波长选择器和反射镜。
激光器的工作原理及应用
激光器的工作原理及应用激光器是一种能够产生高强度、高单色性、高方向性的激光光束的装置。
它的工作原理是通过光的受激辐射过程来实现的。
激光器的应用非常广泛，涵盖了科研、医疗、通信、材料加工等多个领域。
本文将详细介绍激光器的工作原理及其在不同领域的应用。
一、激光器的工作原理激光器的工作原理主要包括激发过程、受激辐射过程和光放大过程。
1. 激发过程激光器通常通过外部能量源对工作物质进行激发，使其处于激发态。
常用的激发方式有光激发、电子束激发和化学激发等。
其中，光激发是最常见的方式，它利用外界光源的能量来激发工作物质。
2. 受激辐射过程当工作物质处于激发态时，它会受到外界的激励，从而产生受激辐射。
这种辐射具有特定的频率和相位，与激发辐射的光子具有相同的频率和相位。
这样的辐射过程被称为受激辐射过程。
3. 光放大过程受激辐射过程会引起工作物质中更多原子或分子的激发，从而形成光子的放大效应。
这样，原本弱的光信号就可以在激光器中得到放大，形成高强度的激光光束。
二、激光器的应用1. 科研领域激光器在科学研究中起着重要的作用。
例如，在物理学中，激光器可以用于精确测量光速、光子能量等物理量；在化学研究中，激光器可以用于分析化学反应的速率和路径等；在生物学中，激光器可以用于细胞成像、蛋白质结构研究等。
2. 医疗领域激光器在医疗领域有广泛的应用。
例如，在激光治疗中，激光器可以用于切割、焊接和热疗等治疗方式；在激光手术中，激光器可以用于眼科手术、皮肤手术等；在激光美容中，激光器可以用于去除色素斑、减少皱纹等。
3. 通信领域激光器在光通信中扮演着重要的角色。
激光器可以产生高强度的光信号，用于传输数据和信息。
例如，在光纤通信中，激光器可以将电信号转换为光信号，通过光纤传输数据；在卫星通信中，激光器可以产生高功率的激光光束，用于与地面站进行通信。
4. 材料加工领域激光器在材料加工中有广泛的应用。
例如，在激光切割中，激光器可以通过高能量的光束将材料切割成所需形状；在激光焊接中，激光器可以通过高温的光束将材料焊接在一起；在激光打标中，激光器可以通过激光束在材料表面进行打印和标记。
激光器的工作原理及应用
激光器的工作原理及应用激光器是一种能够产生高度聚焦、单色、相干光束的设备，它的工作原理基于受激辐射的过程。
激光器的应用广泛，包括科学研究、医疗、通信、材料加工等领域。
本文将详细介绍激光器的工作原理以及主要应用。
一、激光器的工作原理激光器的工作原理基于受激辐射的过程。
在激光器中，有一个激活介质，它能够吸收能量并将其转化为光子。
当激活介质受到外部能量的激发时，它的电子会跃迁到一个高能级，形成激发态。
然后，通过受激辐射的过程，一个激发态的电子会被另一个光子激发，从而产生一个与激发光子具有相同频率和相位的新光子。
这个新光子与之前的光子具有相同的方向和相位，从而形成一个高度聚焦、单色、相干的光束。
激光器的核心部件是谐振腔，它由两个反射镜组成。
其中一个镜子是半透明的，允许一部分光线透过。
当光线在激光器内部来回反射时，它会与激活介质相互作用，从而放大光的强度。
当放大的光线达到一定阈值时，就会形成激光输出。
二、激光器的应用1. 科学研究领域激光器在科学研究领域具有广泛的应用。
例如，在物理学中，激光器被用于实现精确测量、光谱分析、原子物理实验等。
在化学研究中，激光器可以用于光化学反应的研究和分析。
此外，激光器还被应用于生物学、地质学等领域的研究，为科学家提供了强大的工具。
2. 医疗领域激光器在医疗领域有着广泛的应用。
例如，激光器可以用于眼科手术，如激光近视手术、激光白内障手术等，它能够精确地切割组织，减少手术风险和恢复时间。
此外，激光器还可以用于皮肤治疗，如去除疣、痣、纹身等，同时还可以用于激光美容，如皮肤紧致、皱纹消除等。
3. 通信领域激光器在光纤通信中起着关键作用。
光纤通信是一种高速、高带宽、低损耗的通信方式，激光器作为光源，能够将信息转化为光信号，并通过光纤传输。
激光器的单色性和相干性使得光信号能够在长距离传输中保持较低的损耗和失真。
激光器的应用使得光纤通信能够实现高速宽带的数据传输，广泛应用于互联网、电信等领域。
【国家自然科学基金】_微腔激光器_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140803
2014年 序号 1 2 3 4 5 6
科研热词 激光器 椭圆形谐振腔 有限时域差分 微环激光器 光线追迹 三角形环形腔
ห้องสมุดไป่ตู้
推荐指数 1 1 1 1 1 1
推荐指数 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
科研热词 微腔激光器 回音壁模式 光学微腔 谐振模式 热效应 激光技术 消逝波激励 横电波和横磁波 模式竞争 应用价值 品质因子 双稳态 半导体激光器 半导体微腔 光纤激光器 光存储 光子集成 光信息处理 光交换 光互连 倏逝场激发
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
科研热词 阈值 石英毛细管 电光效应 玻璃微球 激光器 波长漂移 微腔激光器 微球激光 平面波展开法 垂直腔面发射激光器 回音壁模式 可调谐 单横模 光学微腔 光子晶体 二维光子晶体
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
推荐指数 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
2011年 科研热词 推荐指数 高q值玻璃球微腔 1 辐射/发光亮度空间分布 1 磷酸氧钛钾 1 磷化铟 1 激光器 1 微环激光器 1 平面波展开法 1 平面波导 1 平面微腔器件 1 外量子效率 1 固体激光器 1 可调谐 1 单向双稳态 1 光纤激光器 1 光学微腔 1 低阈值 1 交错复用器 1 2维光子晶体 1
GaAs基光子晶体平板微腔及其激光器的研究的开题报告
GaAs基光子晶体平板微腔及其激光器的研究的开题报告一、选题背景光子技术是一种基于光的信息传输、存储和处理技术，具有广泛应用前景。
光子晶体是一种具有周期性结构的材料，能够控制和操纵光的传播和发射，被广泛应用于光电器件领域。
其中，光子晶体平板微腔是一个重要的光电器件，可用于实现纳秒级快速调制和低噪声的激光器，具有很高的应用价值。
本研究选取GaAs材料为基础，设计、制备和优化GaAs基光子晶体平板微腔及其激光器，以期在光子器件领域有重要的应用价值。
二、研究目的1. 设计GaAs基光子晶体平板微腔结构，利用仿真软件分析其光学性能。
2. 运用自组装技术制备GaAs基光子晶体平板微腔样品，利用扫描电镜观察其表面形貌和结构特征。
3. 利用微纳加工技术制备GaAs基光子晶体平板微腔及其激光器器件。
4. 通过实验测试，分析GaAs基光子晶体平板微腔及其激光器的光学性能和电学性能，并对其进行优化改进。
5. 探索GaAs基光子晶体平板微腔及其激光器在光电器件领域的应用前景。
三、研究内容1. 设计GaAs基光子晶体平板微腔结构，分析其光学性能。
根据实际需要，设计不同周期、不同形状和不同材料的光子晶体平板微腔，并利用有限元仿真软件对其光学性能进行分析和优化。
2. 制备GaAs基光子晶体平板微腔样品。
运用自组装技术制备GaAs 基光子晶体平板微腔样品，并利用扫描电镜观察其表面形貌和结构特征。
3. 制备GaAs基光子晶体平板微腔及其激光器器件。
根据设计要求，采用微纳加工技术制备GaAs基光子晶体平板微腔及其激光器器件。
4. 实验测试，分析GaAs基光子晶体平板微腔及其激光器的光学性能和电学性能，并对其进行优化改进。
包括利用光谱仪、显微镜、功率计等测试仪器进行性能测试，并针对性的优化改进。
5. 探索GaAs基光子晶体平板微腔及其激光器在光电器件领域的应用前景。
分析研究成果在新型光电器件领域的应用前景，提出可行建议。
四、研究意义1. GaAs基光子晶体平板微腔及其激光器是新型的、高性能的光电器件，具有广阔的应用前景。
垂直腔面发射激光器
2021/10/10
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Company 2021/10/10
根据其有源层的不同，可分为三种结构：45° 镜面型、光栅耦合型、垂 直腔型。
❖ a）所示的激光器采用45°倾斜反射镜结构 , 其反射特性完全依赖于内部反射镜的倾角和 平整度，工艺制作困难，且存在光束畸变问 题；
❖ 它是一种从垂直于衬底面射出激光的半导体激光器 ❖ 一般应用于材料科学技术、半导体材料、半导体微结
构材料及器件
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垂直腔面发射激光器的结构
❖ 组成：该结构由镜面 、 有源层和
金属接触层组成。2个发射镜分别为 n 型和 p 型 DBR 堆的布喇格发射器。 有源区由 1～3 个量子阱组成。有源 区的两侧是限制层，一方面起限制载 流子的作用，另一方面调节谐振腔的 长度，使其谐振波长正好是所需要的 激光波长。在衬底和 p 型 DBR 的外 表面制作金属接触层，形成欧姆接触， 并在 p 型 DBR上制成一个圆形出光 窗口，输出圆形的激光束。
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垂直腔面发射激光器的优点
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与传统的边发射激光器相比 , 垂直腔面发射激光 器具有诸多优点 :
1、具有较小的远场发散角 , 发射光束窄且圆 ,易与光纤 进行耦合 ; 2、阈值电流低 ; 3、调制频率高 ; 4、在很宽的温度和电流范围内均以单纵模工作 ; 5、不必解理 , 即可完成工艺制作和检测 , 成本低 ; 6 、易于实现大规模阵列及光电集成
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垂直腔面发射激光器的结构
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❖ 其衬底的选择有以下3种：
❖ 硅衬底：将 AlAs/GaAs DFB直接生长在 Si 上，由于其界 面不平整，使DFB的反射率较低，所以在硅（Si）上制作 的VCSEL还不曾实现室温连续波工作。
激光器的工作原理及应用
激光器的工作原理及应用激光器（Laser）是一种能够产生高度聚焦、高能量、单色、相干性极高的光束的装置。
它的工作原理基于光的受激辐射过程，通过激发处于激发态的原子或分子，使其发射出一束与入射光同频率、相干性高的光。
激光器的应用非常广泛，包括科学研究、医疗、通信、材料加工等领域。
一、激光器的工作原理激光器的工作原理可以分为三个步骤：激发、放大和获得激光输出。
1. 激发：激光器中的激发介质（如气体、固体或液体）通过能量输入（电流、光、化学反应等）被激发到激发态。
这个过程中，激发介质的原子或分子吸收能量，电子跃迁到高能级。
2. 放大：激发态的原子或分子通过受激辐射过程，发射出与入射光同频率、同相位、同方向的光子。
这些发射出的光子与入射光子相互作用，使得光子数目逐渐增多，光强增强，形成放大的光束。
3. 获得激光输出：当光强达到一定程度时，就能够产生激光输出。
通过在激光器中设置光学谐振腔，使得激光在光学谐振腔中来回反射，增强光的相干性和单色性。
最终，一束高度聚焦、高能量、相干性极高的激光束从激光器中输出。
二、激光器的应用1. 科学研究：激光器在科学研究中发挥着重要作用。
例如，激光器被用于物质结构分析、原子与分子光谱学、量子光学等领域。
激光器的单色性和相干性使得它成为研究微观世界的重要工具。
2. 医疗：激光器在医疗领域有广泛的应用。
例如，激光手术被用于眼科手术、皮肤整形、牙科手术等。
激光切割和激光消融技术能够精确控制病变组织的切割和破坏，减少对周围正常组织的伤害。
3. 通信：激光器在光通信中起到了关键作用。
激光器产生的单色、相干性高的光束能够传输更远的距离，并且能够通过光纤进行高速数据传输。
激光器的应用使得光通信具有更高的带宽和更低的信号衰减。
4. 材料加工：激光器被广泛应用于材料加工领域。
激光切割、激光焊接、激光打标等技术能够实现高精度、高效率的材料加工。
激光器的高能量密度和可控性使得它成为材料加工的重要工具。
自然科学 用于功能集成的微型化光子器件基础研究
自然科学用于功能集成的微型化光子器件基础研究随着科技的不断进步，光子器件在各个领域中的应用越来越广泛。
然而，传统的光子器件往往体积庞大、复杂，限制了其在功能集成中的应用。
因此，对于微型化光子器件的基础研究显得尤为重要。
微型化光子器件的发展可以追溯到20世纪60年代，当时人们开始研究如何将光学元件缩小至微米尺度。
这项研究的主要目标是减小光学器件的尺寸，提高其性能，并实现功能集成。
在这个过程中，自然科学起到了至关重要的作用。
自然科学在微型化光子器件的基础研究中发挥着重要的作用。
首先，自然科学通过对光的本质和特性的研究，为微型化光子器件的设计和制造提供了理论基础。
例如，通过对光的传播、衍射、干涉等现象的研究，可以优化光子器件的设计，提高其性能。
此外，自然科学还研究了光的吸收、发射等过程，为光子器件的能量转换提供了理论支持。
其次，自然科学在光子器件材料的研究中发挥了重要作用。
微型化光子器件通常采用光子晶体材料、半导体材料等特殊材料制造而成。
自然科学通过对这些材料的性质和特性的研究，为微型化光子器件的材料选择和设计提供了依据。
例如，自然科学研究发现，光子晶体材料具有特殊的光学特性，可以实现光的传输和控制，因此被广泛应用于微型化光子器件的制造。
此外，自然科学在光子器件制造技术的研究中也发挥了至关重要的作用。
微型化光子器件的制造需要精密的加工技术和先进的制造设备。
自然科学通过对光子器件制造工艺的研究，提出了一系列的制造方法和技术。
例如，自然科学提出了光子晶体的制备方法，如自组装法、溶胶-凝胶法等，大大降低了光子器件的制造成本和制造复杂度。
总之，自然科学在功能集成的微型化光子器件基础研究中起到了重要的作用。
通过对光的本质和特性的研究，自然科学为微型化光子器件的设计和制造提供了理论基础；通过对光子器件材料的研究，自然科学为微型化光子器件的材料选择和设计提供了依据；通过对光子器件制造技术的研究，自然科学提供了先进的制造方法和技术。
适于光子集成及光互连的回音壁微腔半导体激光器
中国科学: 技术科学
2010 年
第 40 卷
第5期
式光线往往具有混沌现象, 引起人们的注意[8]. 类似于微盘结构 , 多边形光学微腔也具有全反 射限制的高 Q 值回音壁模式. 本文作者系统研究了 正三角形 [12]、正方形 [13]、长方形 [14]、六边形 [15]光学 微腔的模式特性, 并得出正三角形、正方形、和长方 形的模式场分布及模式波长的解析解 . 在圆对称的 微盘腔中, 圆周对应的是纵模的场分布, 而横模场分 布对应是径向的光场分布 , 这样在圆周上场分布的 包络是均匀分布的 . 而在正三角形和正方形光学微 腔中, 谐振腔边界上的场分布同时受到纵模和横模场 分布的调制, 边界上场分布的包络曲线往往体现出横 模场分布的特性. 这样在模式场分布较弱的区域改变 微腔的结构, 如连接一输出波导, 就可能在保持受限模 式具有高 Q 值的同时获得微腔激光器的定向输出[16,17]. 最近, 本文作者采用普通光刻及感应耦合等离子刻蚀 技术研制出定向输出正三角形和正方形 InGaAsP/InP 微腔激光器, 实现了室温电注入连续激射[18,19]. 本文介绍了正三角形和正方形微腔的模式特性 及其与输出波导直接耦合实现定向输出的优势 , 实 验研究了三角形微腔激光器作为探测器的响应特性 , 提出采用这种微腔激光器通过波导之间连接实现芯 片上双向光互连的应用方案.
引用格式: Huang Y Z, Yang Y D, Wang S J, et al. Whispering-gallery microcavity semiconductor lasers suitable for photonic integrated circuits and optical interconnects. Sci China Ser E-Tech Sci, 2009, 52(12): 3447−3453, doi: 10.1007/s11431-009-0306-y
光学微腔特性研究及其应用ppt课件
光学微腔分类
➢依据工作介质不同 1.有源微腔：“有源”是指腔内的工作介质具有增益，这类微腔在外部光激
励或者电激励的时通过谐振腔的模式选择产生激光出射 2.无源微腔：“无源”指腔内工作介质无增益，这种微腔主要通过微腔的本征 光学模式选择对入射光进行调制，主要应用于信号处理中的滤波器、光开关、 或者传感器等。
普通谐振腔
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光学微腔
光学微腔的研究背景
集成光路包括光波的发射、传输、调制-解调、上载、下载、接收、存储、显 示等一系列的过程。近年来，随着微电子学的薄膜工艺提高,研究者们将微波理 论和激光技术相结合，采用微纳加工技术在各种均匀的光学材料中制备各种波长 尺度的结构来控制光信号的传播或产生新的物理效应，从而创造出新型光子学器 件。微腔型光电子器件正式基于此背景提出的。这类器件具有尺寸小、易于集成、 功耗低以及品质因子高等优点，在信号的发射、处理和传感等方面表现出很大的 前景，例如高性能光源，光存储器、光开关、密集波分复用系统(DWDM)的上下 载滤波器以及生化传感器等。除此之外，由于光学微腔可以在极小的空间内产生 巨大的光强，同时降低了腔内模式数目，影响腔内物质原子的自发福射特性，因 此在揭示物质世界本质的自然科学领域。
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回音壁式微腔制作流程图
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基片准备
第一步包括在基片表面不同成分或者厚度的功能膜层的生成，来得到所需要 的垂直方向结构。膜层的生成可根据选用材料的不同使用不同的膜层生成方式， 例如分子束外延(MBE)，化学或物理气相沉积，以及膜层粘接等等。具体如何选 择生成方式与所要得到的微谐振腔结构、材料以及要求的制造精度密切相关。例 如，半导体材料通常要使用几步连续的生长来得到垂直结构，而高分子聚合物层 只需要简单地涂敷在基片上即满足要求。
微腔激光器
微腔激光器工作原理
• 处于激发态的原子可以通过自发发射和受 激发射两种方式辐射出光子。
自发发射引起的问题
能量损失
速度限制
噪音
• 自发发射，是原子和真空场相互作用的结 果。 • 速率和类型可以由腔结构调制真空场来加 以控制。 有的模式被加强， 有的模式被抑制。 具体取决与半波长与 腔长相对大小的比较。
VCSEL的缺陷
• VCSEL并不是高性能通信应用的最佳解决方案 。 它有两个不容忽视的缺点:
• 1 .要产生较大波长的VCSEL并具有合理的功率相 当困难 ; • 2.尽管VCSEL功率更高，但采用 VCSEL的部件 所能提供 的功率却较低。 • 这两个弱点限制了VCSEL的应用。
谢谢！
：自发辐射因子高出几个数量级， 许多物理特性大为改善
腔体积小
：容易实现高密度二维面阵的 集成，以更高功率输出
圆形对称的远、近场分布
出光方向垂直衬底
：与光纤的耦合效率非常
高，达到90%。
• 寿命长：驱动电压和电流很小。千万小时 以上，其他光源的100倍。 • 传输速度非常快：40G/S
发展现状及展望
• 微谐振腔的引入，根本性的改变其中介质的自发 发散特性。 • 一般的激光器自发辐射耦合系数为 10 ~10 ，微 腔激光器则可以将之提高至接近1，即全部自发辐 射光子都进入一个激光发射模式。大大的降低了 激光器的阈值。
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微腔激光器的应用
• 从结构来看，主要有三种：垂直腔表面发 射型（vcsel），圆盘型，微球型。 • 微腔激光器市场化已经经历数十年，其中 VCSEL得到了最广泛的应用。
微腔激光器
2140170112 孙瑞泽
微腔激光器简介
• 微腔激光器，即谐振腔尺度在光波长的量级上。 • 具有低阈值、高转化效率、高速调制等特点。 • 在光集成、光通讯以及医疗等方面有着广泛的应用前景。
适于光子集成及光互连的回音壁微腔半导体激光器
摘要
介绍了正三角形和正方形微腔的类回音壁型模式特性, 以及与输出波导连接的正三
角形和正方形定向输出微腔激光器. 实验表明正三角形微腔激光器作为光探测器应用具有共 振增强的响应特性. 提出了采用两个定向输出微腔激光器与硅上光波导连接实现芯片上的光 互连的设想.
关键词 光学微腔 微腔激光器 谐振模式 光互连
⎛ 3βl ⎜ 2γξ ⎝
⎞ 1 + (−1) m + π. ⎟ ⎟ 2 ⎠
(4)
对 TE 和 TM 模, ξ 分别为 N2 和 1, 而腔外衰减常 数γ近似为
γ =
βl 2
4
− k0 2 .
(5)
1
正三角形的模式波长及场分布
对一折射率 N >2 的二维等边三角形, 如果光线 从三角形中的任一点平行于三角形某一边传播 , 光 线在三角形与空气的边界上将发生完全内反射 , 这 样经过六次完全内反射之后回到出发点 , 而且所经 路线长度正好是正三角形的周长 . 把在正三角形中 折叠传播的模式光线拉直 ,可以发现正三角形腔等效 于一个变形法帕腔 , 这样正三角形中的模式场分布
⎧ ⎪κ x tan(κ x a / 2 − ϕ x ) = ηγ x , ⎨ ⎪ ⎩κ y tan(κ y b / 2 − ϕ y ) = ηγ y .
(10)
对 TE 和 TM 模, η 分别为 N2 和 1. 在场分布完全 限制近似下, 模阶数近似解为
⎧ ⎪k x a = ( p + 1)π, (11) ⎨ ⎪ ⎩k y a = (q + 1)π. 以此近似解为初值 , 我们可以用迭代方法求解 (8)~ (10)式以得到模式波长与模阶数 p 和 q 的关系. 对正 方形微腔, 模阶数为(p, q)和(q, p)的两个模式是简并 模, 实际上这两个简并模并不满足正交关系. 当 p 和 q 具有同样的奇偶性时, 上述两个态会发生模式耦合 形成两个新态[13,14]: ⎧ e,( p , q ) Fzp , q + Fzq , p , = ⎪ fz 2 ⎪ ⎨ p,q q, p ⎪ f o,( p , q ) = Fz − Fz , ⎪ z 2 ⎩
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“Thresholdless nanoscale coaxial lasers” Nature, vol. 482, p.204, 2012.
13
Nature Photonics 4, 395 - 399 (2010)
回音壁模式(WGM)
无损耗传输线上的脉冲长度
电压1V电互连能量与传输线长度(67pF/m)或脉冲宽度关系
D.A.B. Miller, IEEE Proc., Proc. IEEE , 97(7), 1166(2009).
5
Si基光电集成--光互连
Intel 波分复用50 Gbps S i 基集成光收发芯片
连 片外
光 互
0
Detuning (nm) 15000
Detuning (nm)
Quality factor
-0.5
10000
5000
1546 1548 1550 1552 1554
Wavelength (nm)
-0.5 0.0 0.5 Detuning (nm)
a0 acx2a0
12
ac x 80
a0
金属层限制纳激光器
片 内 光 互
连
光层 存储层
逻辑
IBM提出的3D芯片>70Tbps的层片
外光互连
Luxtera 4×10Gbps光缆 4×14Gbps 4x28Gbps
Luxtera CMOS技术QSFP MSA 4x10Gbps光缆，距离4000m, 20mW/Gb/s
6
研究背景-光互连技术
芯片内部光电子集成芯片示意图 Opt. Express 20, 4454 (2012)
1V驱动电压下，100fJ能量产生电子空穴对能使~20µm2的5个量子阱层实 现载流子反转 光探测所需能量与探测器体积成正比 微纳激光器和探测器
传输能量
1pJ
1000m3
电互连能量 10,000m3
100fJ
100m3
10fJ 10m3 光互连光能量
1fJ
1ns 100ps 10ps 1ps
100fs
(Y. Arakawa, NTT Technical Review, 11, 1, 2013)
7
报告提纲
I. 背景 II. 光学微腔及应用 III. 多边形微腔激光器 IV. 模式耦合及定向输出圆形微腔激光器 V. 微腔激光器与光子集成
8
光学微腔
典型的三种光学微腔:
FP型微腔：代表(VCSEL) WG型微腔：利用高折射率介质与低折射率介质间的全反射来获 得模式光场限制 PC型微腔：完整光子晶体中引入缺陷，利用光子晶体的禁带获 得光场限制
P. Kogge, “The tops in flops,”IEEE Spectrum, Feb. 2011
3
互连能耗比较
130 Байду номын сангаасm,1.2 V集成电路片外电 光互连,带宽: ~10Gbps
互连能耗40~60mW/Gbps 片外 40~60pJ/bit, 片内3pJ/bit
距离0.5m, 能耗: ~10mW/Gbps
面向光子集成和光互连的 微腔激光器
1
报告提纲
I. 背景 II. 光学微腔及应用 III. 多边形微腔激光器 IV. 模式耦合及定向输出圆形微腔激光器 V. 微腔激光器与光子集成
2
高性能计算机的发展
背景
最大能耗来自数据传输(互连)，1018 (百亿亿)次超级计算机能耗将达1.5GW, 需要一座核电站提供，需要新的架构和技术
P. Michler et al, Science, vol. 290, p.2282(2000)
15
定向输出圆盘形微腔激光器
• 变形圆微腔
Appl. Phys. Lett., 62, 561(1993)
与波导耦合微腔激光器
侧向耦合
径向耦合
Appl. Phys. Lett., 84, 2485(2004)
11
S. Matsuo, et al, Opt. Exp., vol.19, p.2243(2011)
超快非局域控制自发辐射
Wavelength (nm)
腔内自发辐射速率：
Q-factor change:
Q Q
65%
1551
0
Q V
c
2c
2 4 c
0
2
~ 200ps
1550
0.5
1549
-0.5 0.0 0.5
14
Mie Scattering, Mie G, Ann. Phys., 25(4):377 (1908)
微盘激光器
全内反射Total internal reflection
APL,83,797(2003)
Adv. Matt., vol.25, p.707(2013)
S. L. McCall et al, Appl. Phys. Lett., vol.60, 289 (1992), Electron. Lett., vol.28, p.1010(1992)
天坛回音壁(1530)
John Strutt, Lord Rayleigh（1842-1919）
Theory of sound in St. Paul’s Cathedral L. Rayleigh，The problem of the whispering gallery, Phil.Mag.,
20, 1001(1910)
K. Vahala, “Optical microcavities,” Nature 24, 839 (2003) 9
9
法布里－珀罗腔半导体激光器
垂直腔面发射激光器（VCSEL）
10
高速直调光子晶体激光器
20-Gbit/s modulated PC nanocavity laser
K. Takeda, Nature Photon., vol. 7, p.569(2013)
垂直耦合
Opt. Lett., 35, 1722 (2010) 16Appl. Phys. Lett., 100, 061125(2012)
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electronics, 16, 1363 (2010) 16
距离100m, 能耗: ~50mW/Gbps
100m光互连能耗与片外电互连能耗相当
4
4
光互连是降低能耗提高速率的关键
完全充放电的传输线长度
100mm 10mm 1mm 100m 10m
10pJ
光探测器体积100,000m3
(a)2003年 服务器电缆；(b)2000年HP电缆； (c) 标准PCIe-x16电缆； (d)2007年有源光缆. 电缆传输距离2~3m,光缆传输距离100m