|
▌ARMS 在光子晶體激光器研發中的應用
利用顯微角分辨光譜系統對PCSEL的發射性質進行表征
光子晶體激光器
PCSEL
顯微角分辨熒光光譜
光子能帶
半導體激光器
【概述】光子晶體面發射激光器（Photonic Crystal Surface Emitting Laser, PCSEL）簡稱光子晶體激光器，因其優異的激光特性而備受關注。該激光器的主要特點是同時兼具高功率的輸出和高質量的光束，并具有偏振、片上發射及方向可控等獨特的優勢（圖1），這使其在激光雷達、生物醫學檢測及集成電路等場景中具有巨大的應用潛力。
近年來， PCSEL 的研究成果不斷取得新的突破，日本 Susumu Noda 教授課題組最新報道的最小激光發散角可達 0.05°、輸出功率大于 50W [?] 。PCSEL 沒有傳統意義上的諧振腔，其優異性能主要來源于其內部的光子晶體，利用光子晶體在布里淵區邊界的高對稱點（能帶邊緣）處形成駐波使得態密度增強，并通過布拉格衍射使得特定模式的光形成諧振，最終獲得在垂直于光子晶體周期方向的激光輸出。基于上述工作原理，在 PCSEL 的研發過程中，獲得光子晶體 Γ 點處精細化的能帶信息和角分辨熒光（PL）光譜，對優化加工工藝具有重要指導意義。
圖2，一種能帶邊緣型PCSEL的理論光子能帶駐波示意圖 [?]
|
【樣品 & 測試】圖3 展示了利用復享光學顯微角分辨光譜系統 ARMS 表征 PCSEL 角分辨 PL 光譜的實驗結果，a、b分別對應兩種不同晶體結構的 PCSEL 樣品。從圖3a 中可以看到， 樣品1 在其能帶的 Γ 點（約1006nm ）處測量出具有窄線寬的熒光譜線，接近激射現象。樣品2 的角分辨 PL 光譜則顯示出手性熒光特性（圖3b）。
復享光學研發的 ARMS 是唯一一款可以同時獲得空間、動量、能量、偏振和相位等多維度信息的精細化光譜信息的設備，為表征 PCSEL 的角分辨 PL 光譜和能帶提供了一種高效的實驗方法。 該設備基于光學傅里葉變換（FT-ARS）技術 [?] ，系統角度（動量）& 波長（頻率）分辨率分別優于 0.1° 和 0.2nm，最寬測量波段可覆蓋 400~1700nm。在光泵測試過程中，ARMS 可在毫秒級（ms）時間內獲得樣品的二維角分辨 PL 光譜圖像和能帶任意點的發射譜線，這使得快速離線檢測 PCSEL 的結構質量、發光特性成為可能，為優化加工工藝提供有力參考。此外，ARMS 系統同時支持顯微角分辨反射光譜測量，幫助獲得 PCSEL 樣品的反射信息。
【總結】復享光學的顯微角分辨光譜系統 ARMS 可用于表征 PCSEL 的角分辨 PL 光譜、角分辨反射光譜，能夠獲得樣品的能帶結構和發射特性，為 PCSEL 的機理研究和器件開發提供了一種高效、快速表征的解決方案。▌
【參考文獻】
? Yoshida M, Katsuno S, Noda S,;et al. High-brightness scalable continuous-wave
single-mode photonic-crystal laser. Nature (2023). Link
? Sakai K, Miyai E, Noda S,;et al. Lasing band-edge identification for a surface-emitting photonic crystal laser. IEEE Journal on Selected Areas in Communications (2005). Link
? Zhang Y, Zhao M, Wang J,;et al. Momentum-space imaging spectroscopy for the study of nanophotonic materials. Science Bulletin (2022). Link
|