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▌ARMS 在光子晶体激光器中的应用
利用显微角分辨光谱系统对光子晶体激光器光子能带进行表征
光子晶体激光器
PCSEL
显微角分辨光谱
光子能带
半导体激光器
【概述】光子晶体面发射激光器（Photonic Crystal Surface Emitting Laser, PCSEL）简称光子晶体激光器，因其优异的激光特性而备受关注。该激光器的主要特点是同时兼具高功率的输出和高质量的光束，并具有偏振、片上发射及方向可控等独特的优势（图1），这使其在激光雷达、生物医学检测及集成电路等场景中具有巨大的应用潜力。
2005年，日本京都大学电子科学与工程系的 Susumu Noda 教授课题组在 IEEE Journal on Selected Areas in Communication 期刊上发表了一篇题为《Lasing Band-Edge Identification for a Surface-Emitting Photonic Crystal Laser》的研究论文，该研究在 PCSEL 的发展历程中具有里程碑式的意义。作者通过对PCSEL中光子晶体能带的理论计算和角分辨光谱表征，深入揭示了 PCSEL 中光子晶体能带与激光特性之间的相互关系，为后来 PCSEL 的设计和应用提供了有力的参考。
【样品 & 测试】该研究工作中的 PCSEL 器件由 Wafer α 层和 Wafer β 层组成（图2），晶体材料通过 MOCVD 生长获得。其中，光子晶体部分由硅片上生长的 GaAs 异质结构层构成，晶格结构为方形晶格，晶格常数为 286.25nm，孔径约为 100nm，刻蚀深度为 100nm。
为获得 PCSEL 中的光子晶体能带，作者采用显微角分辨光谱技术进行器件的角分辨光谱表征，结果如图3所示，其中显示该光子晶体具有 A、B、C、D 四条光子能带。当泵浦电流高于激光发射阈值时，可以观察到 A 能带Γ点处的红色部分产生激光振荡和发射（图3c），这是由于 A 能带在该点具有最高的品质因子 Q 导致，其激光发射频率为 0.2966(c/a)，对应的激光波长为 965.0nm。
图3，PCSEL的角分辨光谱测试结果；(a)泵浦电流低于激光阈值时的角分辨光谱；(b)泵浦电流高于激光阈值时的角分辨光谱
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PCSEL 具有线宽窄、发散角小的特点，传统的测量方法在表征这些特性时面临困难。复享光学为解决相关难点，自主研发了基于光学傅里叶变换技术的显微角分辨光谱系统（ARMS），该系统具备如下特点：宽谱段的光谱检测，最宽波段范围可达 400~1700nm；极高的角度分辨能力，角度分辨率优于 0.1°；优异的波长分辨能力，波长分辨率优于 0.2nm。该系统能够提供能带结构、发射特性及光谱测量等综合光学表征，这使得对 PCSEL 的光学性能的精细测量成为可能。图4展示了利用 ARMS 进行一维光子晶体的能带测量，从该测量结果中可清晰观察到Γ点附近的能带变化。
【总结】综上所述，在当前 PCSEL 的研究中，角分辨发射光谱的表征至关重要。复享光学的 ARMS 可为 PCSEL 提供精确的能带结构、发射性质表征和光谱测量等功能。未来，复享光学的 ARMS 将继续在微纳光子学研究领域发挥关键作用，进一步推动光子学技术进步。▌
【参考文献】
✽ 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 (2021). Link
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