用于显示和成像的光子晶体激光器制造技术

一种用于显示和成像的光子晶体激光器，包括：光子晶体；以该光子晶体为切口的圆盘状的混沌模式共振腔。本发明专利技术能够克服单独切口圆盘腔由于支持多个混沌模式造成出射无主方向的瓶颈问题，实现既有低相干性又有高方向性的圆盘形的光子晶体激光器，以降低直至消除激光显示和成像中出现的散斑效应，同时具有较高亮度。

Photonic crystal lasers for display and imaging

【技术实现步骤摘要】
用于显示和成像的光子晶体激光器
本专利技术涉及半导体激光器、光子晶体人工微结构及激光显示和成像
，特别涉及一种用于显示和成像的光子晶体激光器。
技术介绍
激光具有发射线宽窄、光谱纯，具有高色域覆盖率、高饱和度、长寿命等特点，色域可覆盖达到人眼能识别色彩空间的90％以上，因此激光显示作为新一代的显示技术，被称为“人类视觉史上的革命”。在激光显示和成像系统中，激光光源是必不可少的关键组成部分之一，它的发展制约着激光显示和成像的发展。激光光源具有很好的时空相干性。时间相干性好源于单色性好，单色性好意味着色域大、色纯度高，但也有其弊端——容易产生散斑和干涉/衍射条纹。散斑的存在严重影响了照明光斑的均匀性和图像显示质量，需要尽量消除或降低。降低光源的相干性是抑制散斑的一个主要方法，包括降低光源的时间相干性和空间相干性。一些专利运用了激光光源谱线增宽的方法，对激光谐振腔内或腔镜调制使激光纵模随时变化以及声光耦合、参量振荡、超短脉冲增加谱线宽度等，这些方法比较受限于带宽、成本、体积等因素。最新的混沌腔技术虽使散斑对比度降低到了3％，但激光出射的方向性非常差，需要外接光纤耦入测试。而我们设计的激光器既可以实现低的相干性也能实现高方向性输出，不需额外的光路准直器件或者光纤。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于上述问题，本专利技术的主要目的在于设计了一种简单易集成、电注入的低相干性高方向性光子晶体激光器，解决激光显示和成像中的散斑效应问题以及引入的光路消散斑系统使得显示和成像系统尺寸大的问题和低相干性半导体激光光源的方向性差的问题。(二)技术方案本专利技术实施例提供了一种用于显示和成像的光子晶体激光器，包括：光子晶体；以该光子晶体为切口的圆盘状的混沌模式共振腔。在本专利技术的一些实施例中，所述混沌模式共振腔的半径为R，光子晶体到混沌模式共振腔的圆心的距离D，光子晶体单元半径为r，周期为d，混沌模式数由R和D决定，光子晶体反射和准直波长由r和d决定。在本专利技术的一些实施例中，所述光子晶体为四方晶格、六角晶格、介质柱结构或者空气孔结构。在本专利技术的一些实施例中，通过采用光子晶体Γ处的Dirac点及附近的工作频率来调整激光出射的方向性。在本专利技术的一些实施例中，所述光子晶体激光器的工作波长范围自可见光到近中红外。本专利技术实施例还提供了一种用于显示和成像的光子晶体激光器的制备方法，包括：以光子晶体为切口制备一个圆盘状的混沌模式共振腔。在本专利技术的一些实施例中，所述混沌模式共振腔和光子晶体采用深刻蚀工艺，刻蚀深度接近有源区或超过有源区，以形成对混沌模式的有效约束和调控，防止侧面或衬底的泄漏损耗。在本专利技术的一些实施例中，所述深刻蚀指在所述混沌模式共振腔进行平滑的圆形腔面刻蚀以及光子晶体切口的刻蚀。在本专利技术的一些实施例中，在所述混沌模式共振腔的侧面还生长反馈泄漏场的材料，所述反馈泄漏场的材料包括氧化硅、氮化硅和金。在本专利技术的一些实施例中，通过电注入方式，在所述混沌模式共振腔的上表面制作电极。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术的相较于现有技术，至少具有以下优点：1.本专利技术能够克服单独切口圆盘腔由于支持多个混沌模式造成出射无主方向的瓶颈问题，实现既有低相干性又有高方向性的圆盘形的光子晶体激光器，以降低直至消除激光显示和成像中出现的散斑效应，同时具有较高亮度；2.本专利技术的用于显示和成像的光子晶体激光器由切口圆盘和光子晶体构成，光子晶体对不同入射角度光的反射等效为切口圆盘共振腔的腔面，支持多个混沌模式的激射，降低了激光的相干性；3.本专利技术利用光子晶体Γ处的Dirac点及其附近的工作频率，对于非垂直入射的光反射大甚至可达到全反射，对于垂直入射的光部分反射部分透射，这种准直传输效果使得激光出射具有高的方向性；4.本专利技术不需额外的光路准直器件或者光纤，整体尺度在几十微米量级，对于发展无散斑的片上集成显示和成像光源芯片具有潜在的应用价值。附图说明图1为本专利技术设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器的结构示意图；图2为本专利技术设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器的共振谱图(半高宽7nm)；图3为本专利技术设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器波长625nm的模场分布图；图4为本专利技术设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器波长620nm的模场分布图；图5为本专利技术设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器波长627nm的模场分布图；图6为本专利技术设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器波长625nm的模场在不同水平位置处的光强分布图，(1)为3微米，(2)为7微米；图7为本专利技术设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器波长620nm的模场在不同水平位置处的光强分布图，(1)为3微米，(2)为7微米；图8为本专利技术设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器波长627nm的模场在不同水平位置处的光强分布图，(1)为3微米，(2)为7微米。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。图1为本专利技术设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器结构示意图，如图1所示，该光子晶体激光器包括：光子晶体；以该光子晶体为切口的圆盘状的混沌模式共振腔。光子晶体在切口处充当反射器和准直器。圆盘的半径为R，切口到圆心的距离为D，切口处光子晶体为按正方晶格排列的周期性介质柱结构，半径为r，周期为d。材料与圆盘相同，可利用同一晶片采用电子束曝光和感应耦合等离子体刻蚀制作。在本专利技术实施例中，没置的参数为R＝10μm，D＝8.4μm，r＝68.7nm，d＝343.5nm，材料折射率为n＝3.536，在其他实施例中可以根据实际情况进行调整。其中，光子晶体可以为四方晶格、六角晶格、介质柱结构或者空气孔结构，可以根据实际情况进行选择。该光子晶体激光器产生的激光出射的方向性根据光子晶体Γ处的Dirac(狄拉克)点及附近的频率变化而变化，也就是说，可以通过采用光子晶体Γ处的Dirac点及附近的工作频率来调整激光出射的方向性，从而达到改善的效果。且该光子晶体激光器的工作波长范围自可见光到近中红外。所述的光子晶体激光器可以采用多量子阱或单量子阱作为有源区，对有源材料没有具体限制。本专利技术实施例还提供了一种用于显示和成像的光子晶体激光器的制备方法，包括：以光子晶体为切口制备一个圆盘状的混沌模式共振腔。其中，所述混沌模式共振腔和光子晶体可以采用深刻蚀工艺，刻蚀深度接近有源区或超过有源区，以形成对混沌模式的有效约束和调控，防止侧面或衬底的泄漏损耗。深刻蚀指在所述混沌模式共振腔进行平滑的圆形腔面刻蚀以及光子晶体切口的刻蚀。还需说明的是，在所述混沌模式共振腔的侧面还可以生长反馈泄漏场的材料，所述反馈泄漏场的材料包括但不限于氧化硅、氮化硅和金。在本专利技术的一些实施例中，可以通过电注入方式，在所述混沌模式共振腔的上表面制作电极。图2为本专利技术设计的一种用于显示和成像的低相干性高方向性光子晶体激光器的共振谱图(半高宽7nm)，与单独的切口圆盘共振腔相比，在同一中心工作波长(625nm)下，仅仅减小了1nm(经计算切口圆盘共本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于显示和成像的光子晶体激光器，包括：光子晶体；以该光子晶体为切口的圆盘状的混沌模式共振腔。

【技术特征摘要】
2018.10.15 CN 20181120126711.一种用于显示和成像的光子晶体激光器，包括：光子晶体；以该光子晶体为切口的圆盘状的混沌模式共振腔。2.根据权利要求1所述的用于显示和成像的光子晶体激光器，其中，所述混沌模式共振腔的半径为R，光子晶体到混沌模式共振腔的圆心的距离D，光子晶体单元半径为r，周期为d，混沌模式数由R和D决定，光子晶体反射和准直波长由r和d决定。3.根据权利要求1所述的用于显示和成像的光子晶体激光器，其中，所述光子晶体为四方晶格、六角晶格、介质柱结构或者空气孔结构。4.根据权利要求1所述的用于显示和成像的光子晶体激光器，其中，通过采用光子晶体Γ处的Dirac点及附近的工作频率来调整激光出射的方向性。5.根据权利要求1所述的用于显示和成像的光子晶体激光器，其中，所述光子晶体激光器的工作波长...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇飞，郑婉华，贾宇飞，徐林海，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11