交大-盧廷昌老師Lab

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光子晶體面射型雷射



數十年來,由於半導體雷射等光電元件研發技術的突飛猛進,使得光電科技產業快速蓬勃發展。進而促使半導體光電科技工藝追求更快速、微小化、低耗能及高功率輸出等優點之元件為研究發展目標。近十年來,由於光子晶體(photonic crystal)具有優益的光學特性,例如:光能隙(photonic band gap)的形成及光子晶體中的波傳調控等因素引起產業界及學研機構極大的興趣,因而在半導體光電元件領域受到許多專家學者的喜愛與關注。亦因優越之特性而可應用於主動光電元件的發展,例如:發光二極體(light emitting diodes)及光子晶體雷射(photonic crystal lasers)。

半導體光子晶體雷射發展至今,大致上常見的型態可分成兩類:第一類為光子晶體缺陷型雷射(photonic crystal defect laser), 其共振腔模態設計在光能隙內,因此光無法在缺陷以外的區域存在,使得光只會此缺陷區域共振而形成光子晶體缺陷型雷射器。此種光子晶體雷射器可獲得較高的品質因數(quality factor)、較小的模體積(modal volume)、較大的珀塞爾效應(Purcell effect)及低閾值條件(threshold condition) 。第二類為光子晶體能帶邊緣型雷射器(photonic crystal band-edge laser),此種雷射器是操作於平坦的能帶邊緣上,由於光波在能帶邊緣處的群速度趨近於零, 在滿足特定布拉格繞射條件下而形成駐波。由於具有特定布拉格繞射的特性,某特定波長的光因需滿足能量與動量守恆而成為垂直面發射的光,於是此類雷射器又稱為光子晶體面射型雷射器(photonic crystal surface emitting laser, PCSEL)。其共振腔可以涵蓋整個光子晶體結構,所形成之駐波在光子晶體內振盪易於與主動層重合,因此,光子晶體面射型雷射器除具有大面積出光外,亦有單模操作(single-mode operation)、低發散角(divergence angle)及高功率輸出等優點,非常適合用於高密度光學儲存、微投影機光源、生醫感測以及雷射器固態照明。

在1990年初期,由於氮化鎵(GaN)為寬帶隙之直接能隙半導體,在發光二極體及半導體雷射等領域具有極大的發展潛力,對於提昇光電元件性能有相當大的助益,因而成為各界熱烈討論的題材。然而早期大多數的面射型雷射器均使用砷化鎵(GaAs)或磷化銦(InP)之三元或四元化合物為光子晶體的主要材料,主要的原因是砷化鎵及磷化銦的磊晶品質遠優於氮化物材料。除此之外,由於砷化鎵或磷化銦這類的化合物所設計之雷射器波段約為0.98 微米至1.55 微米,使得光子晶體的晶格常數通常大於300 奈米,在製作光子晶體時較為容易。相較之下,可運用於可見光範圍之氮化物系列的材料,其所需之光子晶體的晶格常數較小,因而不易製作。直到2008年後才有氮化鎵系列之光子晶體面射型雷射器被發表。


另一方面,如何建立一套完善且成熟的數值分析工具運用於設計光子晶體面射型雷射器是一項艱難且具有挑戰性的任務。設計光子晶體結構時,必須先決定使用的晶格常數、晶格種類(如:六角晶格、四角晶格、蜂巢晶格或其它類光子晶體)、光子晶體材料的折射率及其結構圖案(邊界形狀),進而計算出光子晶體的能帶結構及閾值增益(threshold gain)等光子晶體雷射器特性。計算光能帶結構及閾值增益的方法目前常見的有:(1)平面波展開法(plane wave expansion method)、(2)傳輸矩陣法(transfer matrix method)、(3)耦合波理論(coupled wave theory)、(4)時域有限差分法(finite-difference time-domain)[22]及(5)多重散射法(multiple scattering method)等。而上述幾種方法各自有其優點及極限,例如:平面波展開法受限於無限週期性晶格,對於實際光子晶體並不恰當。傳輸矩陣法僅適合一維的層狀結構。耦合波理論可以快速求得閾值條件,但對於邊界條件須另外處理;而時域有限差分法則是存在消耗大量電腦資源及計算時間較久的問題。反觀多重散射法雖僅適用圓形孔洞之光子晶體,但此法相較於其它方法具有許多優點,諸如,計算時間短、可計算各種晶格之閾值增益及數值結果較為準確等。

本實驗室成功製作出氮化鎵光子晶體面射型雷射器結構,並藉由角度解析光致發光系統分析光子晶體面射型雷射器的光學特性。同時,使用平面波展開法及多重散射法計算光子晶體的能帶結構與閾值增益。實驗結果顯示,藉由改變光子晶體的晶格常數即可達到調變雷射器發光模態的目的。相較於六角邊界,採用圓形邊界可降低閾值能量。另一方面,比較晶格種類對雷射特性的影響中發現,蜂巢晶格具有較小的激發能量密度及發散角。反觀四角晶格之激發能量密度及發散角為最大。而六角晶格則介於兩者之間,偏振度與四角晶格相似,但激發能量密度只有四角晶格的60%。在理論計算方面,多重散射法的模擬與實驗結果相當吻合,非常適合用於設計光子晶體雷射器結構。因此我們相信,光子晶體面射型雷射將有益於高功率低閾值雷射器的發展。同時光子晶體雷射製作流程及多重散射法在未來亦可應用於砷化鎵、磷化銦及氧化鋅等半導體光子晶體雷射,作為快速設計與製作的依據。