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微腔半导体激光器研究进展 杨建波 1012030902 摘要：激光器中微腔的引入可以使凝聚态物质中腔量子电动力学效应得以实现，同时不仅使激光器的尺寸得到大幅度的减小，而且可控制自发辐射，使激光器的性能得到重大的改进。 关键词：微腔激光器; 自发辐射; 谐振腔 引言 1.1微腔物理的发展 在1960年激光发明以前，人们使用的光都是由自发辐射方式产生的光。激光发明后，大量研究者的注意力集中在受激辐射上，可是长期以来，人们普遍认为自发辐射是激发态原子不可避免要发生的普遍现象，往往误认为自发辐射是无法控制的非可逆过程[1,2]。实际上，自发辐射并不是物质的固有性质，而是真空场涨落相互作用的结果。如果将以原子方式存在的物质置于至少在一个方向上的尺寸与波长同数量级的一个腔内，自发辐射性质就会改变，并受腔的控制，人们把这一研究称之为“腔量子电动力学”[3]。近几年来，微腔物理、微腔效应的研究，微腔激光器、微腔结构的制作与性能的研究已成为为国际上的一大热点。微腔物理是别具特色、内容丰富、既具有重大的理论意义，又可成为高新技术新的成长点的交叉前沿学科。一方面通过微腔物理的研究，可探索和加深对微观世界量子性等基本问题的认识，同时有可能不断开拓出一些全新的研究领域，并对新型工程技术领域产生重大的影响[4]。激光器中微腔的引入可以使凝聚态物质中腔量子电动力学效应得以实现，并提供丰富的例证，同时不仅使激光器的尺寸得到大幅度的减小，而且可控制自发辐射，使激光器的性能得到重大的改进。 1.2微腔半导体激光器的发展 微腔半导体激光器是90 年代初期出现的一种新型结构的半导体激光器, 是目前国内外半导体激光器研究领域的前沿课题。这种激光器的最大特点是具有低阈值、高效率和稳定的单模输出, 是半导体激光器的一次变革。半导体微腔激光器由美国贝尔实验室的SamMccall 等人首先提出后，其发展速度非常快，世界各发达国家如美国、英国、日本、俄国等都争先开展这方面的研究工作，并取得了一定的成果。国内在这方面的工作刚刚起步，中科院北京半导体所、北京大学、清华大学、长春物理所、长春光机学院等都已开展这方面的研究工作。未来世界是一个高速发展的信息社会，电子计算机将被光计算机取代，而微腔激光器是光计算机不可缺少的光源。其次，对于大规模集成光电回路及超大容量光通信系统，低阈值、高效率、单模输出的半导体微腔激光器都是其极具吸引力的光源。另外，微腔激光器还可以在数据平行传输线路以及扫描仪、打印机和显示器入机接口等方面，具有广泛的应用前景[5,6]。 光电子器件的高度集成、高效率、低功耗、超小型化已成为本世纪末超高速、超大容量信息技术发展的必然趋势。微腔激光器的研究也成为当前的研究热点。然而，大多数的半导体激光器很难同其他的光电子元件集成，因为这些激光器的谐振腔是由两个解理面形成的。分布反馈激光器( DFB) 虽然不需要用解理面的方法形成谐振腔，但制备工艺非常复杂。用环型波导结构来形成环型波导振荡器，可以完全不需要解理面，且容易与其他光电元件集成，如光波导，调制器，探测器。这种环型波导是基于Whisperinggallery模式，例如碟型微腔激光器，这种激光器可以有很低的阈值[7,8,9]。对于微碟或微环型激光器，光的模式被限制在极小的导模中。由于微腔的作用，将使自发辐射得到增强,进入导模的自发辐射与总自发辐射之比B，即自发辐射耦合系数能够接近理论极限值[10]。 微腔激光器是当前光电子学和光子学中迅速发展起来的一种新器件。微腔最重要的作用是改变物质的自发辐射特性，使其在微腔内受到抑制或增强。微腔激光器的出现，是光子学跨越了固态光子学阶段，直接进入微光子时代的超大规模集成光子回路阶段。微腔激光器的尺寸只有微米甚至亚微米量级，1cm2的硅片上，可以集成几百万甚至上亿个激光器，使光学元件的集成度达到完全可以与当今超大集成电路相比的程度。微腔激光器的最大优点在于高密度集成和低功耗。每个微腔激光器的阈值达亚毫安甚至可低达微安量级，即使100万个激光器同时工作，其总功耗也只有几瓦。由于微腔效应，使微腔激光器具有极快相应、极高相干性和极低噪声。微腔激光器及其集成的二维面阵，是一种适合大批量生产、低成本、高效和高密度的光源，适用于大规模光子器件集成光路，并可以跟光纤通信网络和大规模、超大规模集成电路器件匹配组成光电子信息集成网络，是当代信息高速公路技术中理想的光源，并可以和其他光电子元件实现单元集成，用于逻辑运算、光网络中的光互连等。 微腔半导体激光器 微腔激光器具有许多独特的特性，比如能够实现无粒子数翻转和无阈值振荡，而且在新型集成光电子器件中有重要的作用，代表激光器发展的一个新潮流。半导体微腔激光器由美国贝尔实验室的Sam McCall 等人提出后发展速度非常快, 世界各发达国家如美国、英国、