采用SiO₂/Si构建了可见光波段的分布式布拉格反射镜(DBR),在其中加入SU-8光刻胶制备的中心腔,构成传统的布拉格反射波导(BRW),利用传输矩阵法分析了可见光在分布式布拉格反射镜和布拉格反射波导中的传输情况,并研究了介质折射率比、厚度和周期数等各因素对布拉格反射镜的影响以及SU-8的各参量对光子带隙的影响规律。针对传统布拉格反射波导硬件制备比较困难的问题,在SU-8中引入Si柱超表面,构成新型的布拉格反射波导。通过实验分析了超表面对缺陷模的影响,实验表明超表面具有调控缺陷模波长的作用,且新型布拉格反射波导阵列可完成可见光波段的分光功能,可用于改进光学仪器。

半导体宽谱激光在传感、光谱学等领域有着重要的应用.传统半导体宽谱激光器主要采用宽增益材料和全反射波导, 采用简单量子阱结构制备宽谱激光器一直是个难题.作者首次证明了一种基于布拉格反射波导一维光子晶体的新型量子阱宽谱激光器, 其结构主要包括InGaAs/GaAs量子阱和上下布拉格反射镜, 通过偏离解理实现激光输出.研究发现在偏离角7°时, 器件展现宽谱超辐射发光二极管特性, 4.4°偏离角时实现了宽光谱激光输出, 光谱宽度达到33.7 nm, 连续输出功率36 mW.本研究为探索新型量子阱宽谱激光器提出了一种新的技术途径.

为实现2 μm低发散角激光，提出在GaSb基半导体激光器中引入布拉格反射波导，利用光子带隙效应替代传统的全反射进行光场限制。研究了分布反馈反射镜(DBR)的厚度、对数、高低折射率DBR厚度比以及中心腔厚度等参数对激光器垂直远场发散角和光限制因子的影响。结果表明：垂直远场发散角随单对DBR厚度的增加而减小；光限制因子与远场发散角都随拉格反射镜对数的增加而减小，随高低折射率DBR厚度比的减小而增大；随着中心层厚度的增大，光限制因子减小而远场发散角增大。最终在理论上优化设计出了一种双边布拉格反射波导结构的超低垂直发散角2 μm GaSb基边发射半导体激光器，其垂直远场发散角可降低到10°以下。

高功率半导体激光器在固体或光纤激光器泵浦、材料加工、医疗、传感、空间通讯和**上有着极其重要的应用, 但传统半导体激光器面临垂直发散角大、椭圆光斑的难题, 限制了其直接应用。为了降低激光器的垂直发散角, 本项目采用布拉格反射波导结构, 利用光子带隙导引替代传统的全反射进行光场限制, 优化设计了多种布拉格反射波导激光器结构, 并制备了高性能的激光器器件。首先, 采用传输矩阵理论和布洛赫波近似的方法计算了布拉格反射波导的模式色散关系, 发现通过控制腔模光场分布, 可实现不同远场的激光输出。接着, 针对布拉格波导光子带隙导引机制, 深入研究了四分之一波长布拉格反射波导激光器、单边布拉格反射波导激光器的光场特性, 弄清了影响此类激光器远场的本质因素, 最终设计并验证了一种布拉格反射波导双光束激光器, 激光器在垂直方向可输出两个对称的、近圆形光束, 单光束垂直和侧向发散角半高全宽分别低至7.2°和5.4°。另外, 通过调控光缺陷层, 使激光器工作在受抑隧穿光子带隙导引机制下, 实现了超窄的单光束激光输出, 激光器单管连续输出功率超过4.6 W, 垂直发散角最低降至4.9°(半高全宽)和9.8°(95%功率)。这种高功率、窄的圆形光束输出可以大幅降低半导体激光器的应用成本, 提高泵浦或光纤耦合效率, 具有广阔的应用前景。

为了对双边布拉格反射波导半导体激光器的远场双瓣特性进行整形, 使之合并成为单瓣出光远场, 在布拉格反射波导的出光腔面上制作了表面等离子体双光栅结构。利用Au-SiO2光栅结构对表面等离子体的耦合效应和表面等离子体的透射增强现象将双瓣远场耦合成为单瓣出射, 然后通过Au-Si3N4光栅结构将透射的表面等离子体耦合成为光子进行准直出射, 最终得到单瓣准直的远场光斑。计算结果表明: 当Au-SiO2光栅厚度为50 nm, 填充因子为0.5, 光栅周期为350 nm; Au-Si3N4光栅厚度为70 nm, 填充因子为0.5,光栅周期为660 nm时可以得到远场发散角压缩到6.1°的整形光斑, 比没有双光栅结构的发散角缩小了3.6倍; 其远场透射光功率达到了模式光源的62%, 是没有双光栅结构单瓣出射功率的1.59倍; 同时腔面反射率也降低到12.4%, 是没有双光栅结构的0.53倍。结果显示,提出的双光栅结构优化了布拉格反射波导半导体激光器的出光远场特性。

设计并制备了基于双边非1/4波长布拉格反射波导的边发射半导体激光器, 中心腔采用低折射率材料, 在垂直方向利用布拉格反射进行光限制, 实现了超大光斑尺寸且稳定单横模工作。10 μm条宽、未镀膜的脊型激光器在准连续和连续工作方式下的总的输出功率分别超过了170 mW和80 mW, 且最高功率受热扰动限制。激光器远场图案在垂直方向为双瓣状, 单瓣垂直方向和水平方向发散角分别低至7.85° 和6.7°。激射谱半高全宽仅为0.052 nm, 光谱包络存在周期性调制现象, 模式间隔约为3.3 nm。电流增加到300 mA以上时, 激光器出现模式跳变。

报道了一种采用非对称布拉格反射波导结构的边发射半导体激光器，激光器n型波导采用分布布拉格反射镜，光场通过光子带隙效应限制在低折射率中心腔内，这可有效扩展光模式尺寸并保持稳定的模式特性。激光器p面则利用全反射原理进行光限制，减小了光场与p型区的交叠，从而使器件电阻和内部损耗降低。制备的3 μm条宽、未镀膜及未封装的器件在室温条件下，连续和脉冲工作总输出功率分别可超过160 mW和400 mW，最高功率受热扰动限制。激光器激射波长为995 nm，阈值电流特征温度为121 K。计算和测量的垂直方向远场光斑证明了器件工作于光子晶体缺陷模式。

设计并制备了808 nm波长布拉格反射波导激光器, 在垂直方向采用光子带隙效应进行光场限制, 实现了超大光模式体积和单横模激射。所制备的10 μm条宽、未镀腔面膜的器件在室温、准连续条件下的总输出功率可超过650 mW, 最高功率受热扰动限制。激光器垂直方向和水平方向的远场发散角半高全宽分别为8.3° 和8.1°, 这种近圆形的光束输出可以有效地提高激光器的耦合效率。

GeSi／Si异质结布拉格反射光栅是硅基光电集成领域一种重要的集成光学器件，分析GeSi／Si异质结的传光特性和布拉格条件，通过求解布拉格光栅方程，得出耦合系数和耦合效率。利用上述原理设计出入射角为66°，波导层的厚度为2 μm，光栅长度为4252 μm，槽深为0．05μm，光栅周期为0．456 μm，滤波带宽为0．214nm，耦合效率为84．1%的1．3μm Ge_0．05Si_0．95／Si异质结单模共面布拉格反射光栅，并用数值模拟了入射光波电场和反射光波电场的分布。