定义
利用二维光子晶体结构形成面内激光谐振器的表面发射半导体激光器。
虽然许多半导体激光器是边缘发射激光器，但其中一些是表面发射的，即输出光束垂直于晶圆表面。 最初，这种激光器一直被实现为垂直腔面发射激光器（VCSEL），部分实现为垂直腔面发射激光器（VECSEL），其中激光谐振器至少包含一个外部反射镜。 然而，也可以结合水平（横向）腔获得垂直发射，即腔内激光辐射基本上沿晶圆表面沿方向传播的装置。 实现这一点的方法之一是利用二维光子晶体结构[1]。 这种器件称为光子晶体表面发射激光器（PCSEL）。 尽管该技术尚未成熟，但它表现出有希望的功能。
基本架构和操作原则
光子晶体表面发射激光器的基本结构解释如下（见图1）：
二维光子晶体结构用作侧腔。
- 中心部分是二维光子晶体结构，用作侧腔。 它基本上由一层薄薄的半导体材料（例如砷化镓= GaAs，氮化镓= GaN或磷化铟= InP）组成，其中包含跨越一定区域的气孔的某些图案（例如方形或三角形图案）。 半导体材料对于产生的激光辐射必须是透明的（非吸收性的）。
- 通过将光子晶体结构耦合到模态倏逝波内光子晶体层下方的薄活性层（放大层）来提供受激发射的激光增益。 活性区域仅通过薄的电子阻挡层与光子晶体结构隔开，以保持载流子限制在有源区域中。
- 在该结构的上方和下方，有一个由掺杂半导体制成的光学透明和导电包层。
- 用于泵送有源区域的电流通过顶部和底部的金属电极施加。 在激光发射侧（顶部），该电极仅覆盖该区域的一小部分，例如尺寸为10μm至100μm的矩形区域。 也可以使用顶部电极，其中中间的一个矩形区域已被移除。 这导致光子晶体模式在其外部区域泵浦，而在中心区域可以进行输出耦合。
- 还可以在有源区域的一侧使用分布式布拉格反射器（布拉格镜），以实现更有效的功率提取。
图1：光子晶体表面发射激光器（PCSEL）的结构示意图。靠近光子晶体层的有源层激发后者的带边模式。它使用n型和p型包层以及顶部和底部的金属电极泵送。辐射通过顶部电极上的孔提取。分布式布拉格反射器也可以集成到底部，以便更有效地提取光功率。该数字由野田澄教授友好提供。
这种器件可以用各种外延半导体生长方法制造，通常涉及金属有机化学气相沉积（MOCVD）。 最初，还采用了晶圆键合方法。
图2：方形晶格光子晶体的光子能带结构（左）及其围绕Γ点带边缘的放大部分（右）。该数字由野田澄教授友好提供。
必须针对合适的模式结构优化光子晶体结构。需要对光子结构的性质进行分析。
光子晶体具有光子带结构，通常提供几种不同的模式，基本上是通过分布反射的作用将多个平面波耦合在一起。 例如，对于方形晶格，通常利用带隙结构的Γ（Gamma）奇点来获得这样的模式（见图2）。 晶格点的设计应使其中一种模式明显具有最低阈值泵浦功率，因此只有该模式才会在整个工作电流范围内表现出激光。 然后获得具有非常高的空间相干性和相对较高的时间相干性的辐射图。
光子晶体结构的重要设计方面不仅包括晶格点的位置，还包括它们的详细形状（例如模态平面中的三角形），因为这对光子带结构和耦合到输出光束的强度有深远的影响。
另一个重要方面是光子晶体结构还衍射了一些光，例如形成输出光束，从而使器件沿垂直于晶圆表面的方向离开。 特别是对于具有大有效面积的设备，光束发散变得相当小。 实际上，激光发射准直光束，不需要任何准直透镜。
模态形成的原理与分布式反馈激光器（DFB激光器）的原理有一些相似之处，因为在有源区域内存在分布式反射。 然而，与普通的DFB激光器相比，它利用光的二维耦合并在垂直方向上耦合出光。
一个重要的技术细节是，需要利用半导体材料中的气孔（空隙）来实现具有大折射率对比度的光子晶体结构，以实现具有明确偏振和光束形状的高功率单模操作。
通过实现二维排列的增益和损耗部分，进一步改进了设计，这有助于实现更高的峰值功率和更短的脉冲持续时间（数十皮秒或更短），同时保持空间单模操作[18]。
与其他表面发射半导体激光器的比较
PCSEL在某些方面类似于VCSEL：两者都是表面发射半导体激光器，可以电泵浦，并且通常发射具有高光束质量的圆形光束。 但是，存在重要差异。 最本质的区别与活动区域的大小有关：
- 对于VCSEL来说，当需要单模操作时，需要严格限制有源区域的直径。 这通常会将可能的输出功率限制在几毫瓦。 较大的有效面积可以产生更高的输出功率，但随后在空间多模操作中，光束质量较差。
可能较大的有效区域是一个重要特征。
- 然而，如果PCSEL基于适当设计的光子晶体结构，则可以在保持单模操作的同时具有更大的有效面积。 因此，它允许更高的单模输出功率;在连续操作中已证明为1 W[9]，在脉冲操作中已证明约为10 W[13，17]。 在单模或至少少数模式特性下，似乎可以实现更高的连续波输出功率，前提是应用足够有效的冷却，或者以小占空比进行脉冲操作。 由此产生的辐射度（亮度）相应地远高于VCSELs，并且光束发散非常小。
在单模输出功率方面，PCSEL更类似于VECSEL而不是VCSEL。 与VECSEL相比，PCSEL的主要优点是不需要诉诸光泵浦。 然而，PCSEL的制造比光泵浦VESEL增益芯片更困难。
人们可以尝试通过进一步增加有效区域的大小来实现功率缩放[13，16]。 然而，要做到这一点，人们必须实施一种冷却策略，该策略基本上建立了一维热流，以便工作温度不会随着活动区域的增加而大幅升高。 只有成功完成此操作，PCSEL才能被视为功率可扩展的连续波激光器，可能产生100 W甚至1 kW的连续波输出。 然而，人们至少可以在低占空比下以脉冲发射和高峰值功率操作此类设备，从而大大减少以这种方式产生的热量。 请注意，脉冲操作非常适合某些应用，例如LIDAR[17]。
关于激光谐振器的长度，PCSEL类似于VCSEL（与VECSEL形成鲜明对比）。 这意味着单频操作（即在单个纵向模式下激光）相对容易实现。 这导致发射线宽相当小。 发射波长的温度系数也与VCSEL相似。
PCSEL的可能应用
高光束质量和具有高峰值功率的脉冲操作潜力的结合使PCSEL对LIDAR（激光雷达）等应用具有吸引力[17]。
对于光学数据传输等应用，输出功率需要非常高的调制速度（不使用外部光调制器时）。 VCSEL在这方面相当强大，只要使用具有稳定单模输出的小型器件，就可以提供数十千兆赫兹的调制频率。 PCSEL还可以通过以相对较小的有效面积直径实现PCSEL来针对非常高的调制频率进行优化，这需要优化模式限制以实现足够高的增益。 这样，调制带宽为数十千兆赫兹的PCSEL就成为可能[14]。
即使在激光材料加工领域，PCSEL也可能变得有用，特别是如果它们的输出功率可以进一步提高。 这同样适用于包括光纤激光器在内的固态激光器的泵浦。
波束控制
可以用特殊的调制图案修改光子晶体结构，以便获得不同方向的两个输出光束，而不是单个输出光束。 甚至可以通过施加到附加电极上的电压来调整发射方向[12，19]。 尽管需要进一步优化，但这种方法似乎有前途于3D传感（例如汽车LIDAR）或激光打印等重要应用，在这些应用中，非常需要具有快速光束控制能力，理想情况下是二维，高速且不使用涉及可移动部件的额外光学器件。
控制偏振和光束形状
PCSEL的输出光束形状和偏振可以通过各种方式进行定制。 从本质上讲，这是通过配置和/或调制晶格的特征来完成的，例如晶格点的形状和排列[20，21]；不需要外部光学元件。 例如，可以生成圆柱矢量涡旋光束（也称为拓扑光束），其表现出方位偏振。
参考文献
[1] M. Imada et al., “Coherent two-dimensional lasing action in surface-emitting laser with triangular-lattice photonic crystal structure”, Appl. Phys. Lett. 75 (3), 316 (1999), doi:10.1063/1.124361
[2] S. Noda et al., “Polarization mode control of two-dimensional photonic crystal laser by a unit cell structure design”, Science 293 (5532), 1123 (2001), doi:10.1126/science.1061738
[3] D. Ohnishi et al., “Room temperature continuous wave operation of a surface-emitting two-dimensional photonic crystal diode laser”, Opt. Express 12 (8), 1562 (2004), doi:10.1364/OPEX.12.001562
[4] K. Sakai et al., “Lasing band-edge identification for a surface-emitting photonic crystal laser”, IEEE J. Sel. Aereas in Communications 23 (7), 1335 (2005), doi:10.1109/JSAC.2005.851205
[5] H. Matsubara et al., “GaN photonic-crystal surface-emitting laser at blue–violet wavelengths”, Science 319 (5862), 445 (2008), doi:10.1126/science.1150413
[6] Y. Kurosaka et al., “On-chip beam-steering photonic-crystal lasers”, Nature Photonics 4 (7), 447 (2010), doi:10.1038/nphoton.2010.118
[7] W. Zheng et al., “Lateral cavity photonic crystal surface-emitting laser with ultralow threshold”, Opt. Lett. 36 (21), 4140 (2011), doi:10.1364/OL.36.004140
[8] Y. Wang et al., “Lateral cavity photonic crystal surface emitting laser based on commercial epitaxial wafer”, Opt. Express 21 (7), 8844 (2013), doi:10.1364/OE.21.008844
[9] K. Hirose et al., “Watt-class high-power, high-beam-quality photonic-crystal lasers”, Nature Photonics 8 (5), 406 (2014), doi:10.1038/nphoton.2014.75
[10] R. J. E. Taylor et al., “Electronic control of coherence in a two-dimensional array of photonic crystal surface emitting lasers”, Scientific Reports 5, article 13203 (2015), doi:10.1038/srep13203
[11] R. J. E. Taylor et al., “Optimisation of photonic crystal coupling through waveguide design”, Optical and Quantum Electronics 49 (2), 47 (2017), doi:10.1007/s11082-016-0888-0
[12] S. Noda et al., “Photonic-crystal surface-emitting lasers: review and introduction of modulated-photonic crystals”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 23 (6), 4900107 (2017), doi:10.1109/JSTQE.2017.2696883
[13] M. Yoshida et al., “Double-lattice photonic-crystal resonators enabling high-brightness semiconductor lasers with symmetric narrow-divergence beams”, Nature Materials 18 (2), 121 (2019), doi:10.1038/s41563-018-0242-y
[14] T. Inoue et al., “Design of photonic-crystal surface-emitting lasers with enhanced in-plane optical feedback for high-speed operation”, Opt. Express 28 (4), 5050 (2020), doi:10.1364/OE.385277
[15] Y. Itoh et al., “Continuous-wave lasing operation of 1.3-μm wavelength InP-based photonic crystal surface-emitting lasers using MOVPE regrowth”, Opt. Express 28 (24), 35483 (2020), doi:10.1364/OE.404605
[16] B. C. King et al., “Coherent power scaling in photonic crystal surface emitting laser arrays”, AIP Advances 11, 015017 (2021), doi:10.1063/5.0031158
[17] M. Yoshida et al., “Photonic-crystal lasers with high-quality narrow-divergence symmetric beams and their application to LiDAR”, J. Phys. Photonics 3 (2), 022006 (2021), doi:10.1088/2515-7647/abea06
[18] R. Morita et al., “Photonic-crystal lasers with two-dimensionally arranged gain and loss sections for high-peak-power short-pulse operation”, Nature Photonics (2021), doi:10.1038/s41566-021-00771-5
[19] R. Sakata, et al., “Dually modulated photonic crystals enabling high-power high-beam-quality two-dimensional beam scanning lasers”, Nature Communications 11, 3487 (2020), doi:10.1038/s41467-020-17092-w
[20] M. Imada et al., “Multidirectionally distributed feedback photonic crystal lasers”, Phys. Rev. B 65 (19), 195306 (2002), doi:10.1103/PhysRevB.65.195306
[21] E. Miyai et al., “Laser producing tailored beams”, Nature 441, 946 (2006), doi:10.1038/441946a
