2次元フォトニック結晶面発光レーザーの理論的研究

二维光子晶体面发射激光器的理论研究

基本信息

批准号：
16760038
负责人：
宮井英次
金额：
$ 2.05万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2006
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16760038/
关键词：
フォトニック結晶半導体レーザー面発光レーザー光波解析

项目摘要

フォトニック結晶のバンド端における零群速度効果を利用することにより、大面積単一モードレーザー発振が可能となる。この性質により、高出力動作のほか、従来の半導体レーザーにはない自由度の高いビームパターン制御を実現できる。フォトニック結晶レーザーでは発振に選ばれるモードはほぼ1つに絞られているが、サンプルによっては多モード発振するものがある。通常の発振モードと異なるモードは、バンド端ではなく非バンド端における零群速度効果に起因して発振していると考えられている。そこで、発振モード選択性を向上させ、安定動作を確保するため、この非バンド端モードの性質を理論的に詳細に解析した。非バンド端モードでは、ある結晶軸方向に沿って光がジグザグに進行し、群速度が遅くなる。さらに、結晶軸方向を逆向きに伝搬する光とも結合できるので、3方向に進行する光がエネルギーの流れを打ち消しあい、最終的に群速度が零となる。時間領域差分(FDTD)法を用いたシミュレーションにより、非バンド端モードでは1つの結晶軸方向における光閉じ込め効果が非常に強いことが分かった。しかしながら、バンド端からずれると面垂直方向の光閉じ込めは弱くなるので、非バンド端モードではトータルのQ値は低くなる。実験的には非バンド端モードでの発振は起こっているので、零群速度以外の発振メカニズムが存在すると考えられる。そこで今回、従来無視していたTM偏波に着目した。TMモードは電場の振動方向が面に垂直であるため、面垂直方向には放射されにくい。したがって、TMモードと結合することにより、TE非バンド端モードの垂直方向の光閉じ込めが強くなり、発振に至ると予想される。これを確認するため、FDTD法により解析を行った結果、現実のデバイス構造ではTE-TM結合が起こり、非バンド端モードの垂直方向のQ値が高くなって発振している可能性が高いことが分かった。

利用光子晶体带边的零群速度效应，大面积单模激光振荡成为可能。这一特性实现了高输出操作以及传统半导体激光器所没有的高度自由度的光束图案控制。光子晶体激光器只有一种振荡模式，但有些样品可以多种模式振荡。认为与正常振荡模式不同的模式由于零群速度效应而不是在带边缘处而是在非带边缘处振荡。因此，为了提高振荡模式选择性并保证稳定工作，我们从理论上详细分析了这种非带边模式的特性。在非带边模式下，光沿某一晶轴方向呈锯齿状传播，群速度变慢。此外，由于它还可以与沿晶轴相反方向传播的光结合，因此三个方向传播的光的能量流相互抵消，群速度最终为零。使用时域有限差分（FDTD）方法进行的模拟表明，非带边模式中一个晶轴方向的光限制效应非常强。然而，当光偏离带边时，垂直于表面的方向上的光学限制变得更弱，因此非带边模式中的总Q值变得更低。实验上，发生了非带边模式的振荡，因此认为存在零群速度以外的振荡机制。因此，这次我们重点关注之前被忽视的TM极化。在TM模式下，电场的振动方向垂直于表面，因此很难沿垂直于表面的方向辐射。因此，预计通过与TM模式耦合，TE非带边模式的垂直光学限制将变得更强，从而导致振荡。为了证实这一点，我们使用FDTD方法进行了分析，发现实际器件结构中极有可能发生TE-TM耦合，从而增加非带边模式的垂直Q值并引起振荡。。