基于耦合微腔的光子晶体高速脉冲激光器

The future development of on-chip optical networks demands the ultrafast modulation technology of microcavity-based laser sources. The current research progress in this field suggests that photonic crystal microcavity lasers can achieve great-low threshold and high-density integration, but the direct modulation speed is highly limited by the gain compression and the saturation process of the spontaneous emission enhancement factor. Accordingly, we propose a novel and experimentally practical technology for the ultrafast laser pulse generation using coupled photonic crystal cavities. The proposed scheme involves a target cavity and a Fabry–Perot cavity with dissimilar quality factor (Q) and mode volume (V). Assuming the target cavity can only access to its lasing state at the high-Q and low-V level of the coupled mode, ultrafast laser pulses can be simply generated by bringing two cavities from resonance to non-resonance due to the novel modulation mechanism. This mechanism stands for a brand new technology for ultrafast periodic laser pulse generation, highly desirable for the application in optical clocks for on-chip photonic integration. Our recent research progress and laboratory capabilities will support the final success of the envisaged research direction.

未来的片上光网络系统需要一种能够产生高速光学脉冲的微腔激光器技术。在现有的技术中，光子晶体微腔激光器能够实现极低的阈值和高密度的集成。但光子晶体微腔激光器的直接电调制速度很大程度上受限于增益和自发发射增强因子的饱和过程。为此，我们提出了一种实验上可行的耦合微腔方案，以实现光子晶体高速脉冲激光器。在这种方案中，耦合微腔系统由一个主腔和一个Febry-Perot腔组成。它们具有不同的品质因子和模式体积。假设主腔只能在耦合模处于高品质因子和低模式体积时获得激射。那么耦合模在完全耦合和解耦合的状态之间快速切换可以产生高速调制的周期性激光脉冲。这种技术很有可能应用于片上集成的光学时钟信号发生器。我们最近的研究进展和实验室的现有条件可以确保这项研究的顺利进行。

未来的片上光网络系统需要一种能够产生高速光学脉冲的微腔激光器技术。我们以实现耦合光子晶体微腔脉冲激光器为目标，开展了片上高频激光信号发生的器件基础研究。主要研究内容包括:（1）耦合微腔光子晶体激光器的理论设计；（2）耦合微腔激光器的工艺制作和实验验证；（3）平面离子注入工艺的研究和电注入光子晶体脉冲激光发生器；（4）被动式高频激光脉冲的实验验证和作为片上光学时钟的应用。在基于微观方程的理论模拟中，我们顺利观察到了主动激光脉冲的输出。在一定的参数设置下，我们观察到了被动激光脉冲产生的过程。我们在工艺制作中采用了深刻蚀技术，实现了空间分辨率100纳米左右，刻蚀深度达到10微米的深刻蚀。在刻蚀过程中保证了侧壁的陡峭性。我们进行了初步的激光器测量，得到了光泵浦条件下激光器的激射。我们进一步探索了时域分辨测试，并得到了脉冲激光的结果。我们将同样的概念利用到垂直腔激光器中，实现了品质因子的调节和激光输出。这种新型器件有希望进一步应用于商用的垂直腔面发射激光器。