导读
近日，来自中科院长春光机所的佟存住团队将能带的平带性质融入到InAs量子点作为增益材料的二维光子晶体体系，实现了室温下1.3μm工作波长、13.3mW功率的连续波输出。此器件可以在最高90度的环境温度下工作，并且由于表面发射是通过光子晶体衍射实现的，由此省去了分布式布拉格反射镜。该器件克服了低功耗1.3μm表面发射激光器的局限性，大大增加了其应用场合。相关成果以“Extracting more light for vertical emission: high power continuous wave operation of 1.3-μm quantum-dot photonic-crystal surface-emitting laser based on a flat band”为题发表在《Light: Science & Applications》上。
工作在1.3μm波长的表面发射激光器（SELs）是实现光跨越数公里互连的关键器件，并且具有易于测试、集成度高、制造成本低、光斑质量好的优点。在1.3μm波段工作的几种增益介质中，由于与AlGaAs/GaAs布拉格反射镜生长相兼容，GaAs基材料展示了比InP基材料更多的优势。另外，对比GaAs基量子阱（QWs），In（Ga）As/GaAs量子点（QDs）由于三维载流子局域、低阈值电流密度和高的特征温度的特点更有前途。因此，1.3μm的QD SELs 是长距离光互连的理想选择。
SELs可以通过将垂直腔面发射激光器（VCSELs）生长在分布式布拉格反射镜的半波长整数倍的微腔上来实现。然而1.3μm工作波长的连续波QD VCSELs在室温下输出功率只有2.2mW，这是由于掺杂、DBR生长、氧化物限制结构等的负面作用。尽管大光场高功率的VCSELs已经能够实现，但其产生的高阶模式严重降低了光束的质量。
光子晶体面发射激光器（PCSELs）是基于光子晶体的能带理论，通过衍射实现自模式锁定。位于布里渊区中心的强损耗的色散确保了单模PCSELs的大光场面积。相比于VCSELs，PCSELs不需要分布式布拉格反射镜，然而室温条件下，1.3μm工作波长QD PCSELs的脉冲波仍然限制在2mw的功率。而光子晶体的平带性质提供了群速度为零的慢光，其具有较高的态密度从而加强了光与物质的相互作用，为高功率的PCSELs的实现提供了可能。
基于以上问题，研究团队利用光子晶体的平带特性（增强光子晶体态密度以增强光与物质相互作用）工程上实现了高功率的1.3μm工作波长的InAs QD PCSELs。在平板中传输的光沿着板的法线方向衍射，形成了表面发射的激光。另外一个额外的反馈机制被引入结构中以提高PCSELs的输出功率（即引入波导形成的FP腔，为电流注入提供额外的横向反馈与大的面积），使PCSELs的连续波输出功率在室温下达到13.3mW，这高于此前报道过的任何1.3μm InAs QD SEL。此激光器能够实现室温下150mW的脉冲信号输出功率，也可以在高温（直至90摄氏度）下工作。室温下输出功率在13.3mW的连续光输，工作温度可以达到60摄氏度，整个光子晶体区域面积为200um × 200um, 十分契合光通信的应用。在大规模长距离光互连的应用上具有较大前景。
图1 （a）PCSEL的示意图。（b）PCSEL的切面示意图。（c）二维光子晶体的SEM俯视图。（d）结构的SEM侧视图。（e）PCSEL的俯视图片。
图2 （a）二维光子晶体TE能带。（b）
位置处的能带结构
图3 脉冲光工作下的PCSEL激光工作特性。
图4 （a）不同温度下的光电流特性。（b）PCSEL中特征温度与阈值电流的关系。
图5 （a）PCSEL表面发射谱（红线），PCSEL的边界发射谱（蓝线），没有光子晶体结构的FP腔（灰线）。（b）PCSEL的表面发射谱。
文章链接
https://doi.org/10.1038/s41377-019-0214-2
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