深紫外光子晶体表面发射激光器

《Laser & Photonics Reviews》：Deep-UV Photonic Crystal Surface-Emitting Lasers

本文首次报道了在深紫外波段（<280 nm）工作的光子晶体表面发射激光器（PCSEL），通过优化设计解决了传统紫外激光器体积大、效率低、发散角高等问题，实现了单模发射和低于1度的低发散角。

　　半导体激光器以其小巧的体积和高效的光能转换能力，已成为许多领域的重要光源，如光通信、计量和光谱分析等。然而，在紫外（UV）波段，特别是深紫外（<280 nm）区域，传统的半导体激光器仍然面临诸多挑战，如体积庞大、成本高昂、效率低下以及光束质量差等问题。目前，紫外波段的半导体激光器大多依赖于边缘发射激光器（EEL），但这些激光器在光束质量、多模输出以及镜面光损伤方面存在明显缺陷。而垂直腔面发射激光器（VCSEL）则在紫外波段的应用中进展有限，仅在短脉冲光学泵浦条件下实现了一些实验成果。近年来，一种新的半导体激光器——光子晶体面发射激光器（PCSEL）开始受到关注，它有望突破传统激光器在输出功率与光束质量之间的权衡问题。本文首次展示了在深紫外波段工作的光子晶体面发射激光器，其具有优异的光束质量，并为实现高功率、低发散角的紫外PCSEL提供了重要的研究基础。

光子晶体面发射激光器的核心原理是利用光子晶体结构形成的光子带结构，使光在特定波长下发生零群速度现象，从而实现光的局域化和激光发射。在深紫外波段，AlGaN材料的折射率较低，导致光子晶体结构难以实现有效的二维耦合，这也是限制深紫外PCSEL发展的主要障碍之一。此外，由于短波长下表面粗糙度和几何偏差的影响，光散射效应显著增强，进一步降低了光子晶体的耦合效率。为了解决这些问题，研究人员采用了特定的结构设计和制造工艺，通过调整光子晶体的填充因子，以优化光的横向和纵向损耗，实现高质量的激光发射。

在本研究中，研究人员设计并制造了一种基于六边形光子晶体结构的深紫外PCSEL。这种结构通过在顶部AlN波导中蚀刻圆形空气孔，显著提高了光子晶体的二维耦合能力。填充因子的调整是关键，它不仅影响光子晶体的折射率分布，还决定了光在不同模式之间的耦合效率和激光发射的模式选择。通过实验和模拟相结合的方法，研究人员发现，当填充因子为15%时，PCSEL能够实现单模发射，其远场发散角低于1度，表现出优异的光束质量。这一结果表明，合理的填充因子设计对于实现深紫外PCSEL的高效性能至关重要。

在实验过程中，研究人员使用了脉冲式光学泵浦技术，通过266 nm的激光在PCSEL上进行激发。他们观察到，当泵浦功率密度达到一定阈值时，PCSEL从自发辐射状态过渡到激光发射状态，显示出单一的激光峰值，并且在远场模式中形成了类似“甜甜圈”形状的光束分布。这种独特的远场模式表明，激光在光子晶体结构中实现了高效的耦合和反馈机制，从而确保了低发散角的激光输出。通过调整填充因子，研究人员还发现，当填充因子过低时，激光器主要表现出一维振荡特性，而当填充因子过高时，远场模式则会因光散射效应而变得不稳定。因此，填充因子的优化是实现深紫外PCSEL性能提升的关键因素之一。

此外，研究人员还通过实验测量和模拟分析相结合的方法，深入探讨了不同填充因子对光子晶体结构的光子带特性以及激光发射模式的影响。他们发现，填充因子的增加会导致光子晶体层的有效折射率降低，从而使得光子带结构中的模式向短波长方向偏移。这一现象不仅影响了激光的发射波长，还对远场发散角和光束质量产生了重要影响。通过模拟计算，研究人员进一步验证了填充因子与激光模式之间的关系，表明填充因子在15%左右时，能够实现最佳的二维振荡效果，并且光束质量达到最低的发散角。

在实验数据的分析中，研究人员还发现，对于填充因子为22%的PCSEL，其激光模式为A模式，具有最低的总损耗，并且在远场中表现出显著的六对发散光束。这表明，A模式在深紫外波段具有较高的耦合效率和较低的散射损耗，从而成为主要的激光发射模式。相比之下，填充因子为10%和15%的PCSEL则主要表现出B1和B2模式的激光发射，但其远场发散角较大，且光束质量不如A模式。通过进一步的模拟和实验验证，研究人员确认了填充因子在15%左右时，能够有效平衡光子晶体的耦合性能和激光模式的稳定性，从而实现高质量的深紫外激光发射。

为了实现这些目标，研究人员采用了一系列先进的制造工艺。首先，通过电子束光刻技术，在AlN波导层上定义了六边形光子晶体结构。随后，使用Cl?/Ar等离子体干法刻蚀技术，将光子晶体结构深入到波导层中65 nm的位置，从而确保了光子晶体与量子阱之间的距离足够，避免了因刻蚀导致的量子阱损伤。最后，通过缓冲氧化物蚀刻（BOE）技术去除了剩余的硬掩膜层，确保了光子晶体结构的完整性和激光发射的稳定性。

在实验表征方面，研究人员利用角分辨光谱仪对PCSEL进行了详细的光谱分析，并通过远场测量技术对激光的发散角和光束质量进行了评估。他们发现，当泵浦功率密度达到17 MW/cm2时，PCSEL能够实现单模激光发射，并且其远场发散角低于1度，表现出良好的光束质量。这一结果不仅验证了光子晶体结构在深紫外波段的可行性，还为未来高功率、低发散角的紫外激光器开发提供了重要的参考。

从实际应用角度来看，深紫外PCSEL在许多领域具有广泛的应用前景。例如，在光刻技术中，深紫外激光器能够提供更精细的加工精度；在生物成像和材料分析中，深紫外激光的高能量密度和短波长特性可以用于高分辨率的光谱检测和成像。此外，深紫外激光器在光通信、光学传感和激光雷达等领域也展现出巨大的潜力。然而，目前深紫外PCSEL在实际应用中仍面临一些挑战，如制造工艺的复杂性、材料性能的限制以及光束质量的优化等。因此，未来的研究需要进一步探索更高效的制造方法，提高光子晶体的耦合效率，并优化激光器的结构设计，以实现更稳定、更高效的深紫外激光输出。

本研究不仅为深紫外PCSEL的发展提供了新的思路，还为实现高功率、低发散角的紫外激光器奠定了基础。通过合理的填充因子设计和光子晶体结构优化，研究人员成功克服了传统半导体激光器在深紫外波段的诸多限制，实现了高质量的激光发射。这一成果有望推动深紫外激光器在更多高科技领域的应用，同时也为光子晶体在紫外波段的进一步研究提供了实验依据和技术支持。未来，随着制造工艺的不断进步和材料性能的提升，深紫外PCSEL可能会成为紫外光源领域的重要突破点，为相关技术的发展带来新的机遇和挑战。