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，这种激光器总是作为垂直腔表面发射激光器（VCSELs）来实现，部分作为垂直腔表面发射激光器（VECSELs），其中激光谐振器至少包含一个外部镜子。然而，也有可能结合水平（横向）腔获得垂直发射，即腔内激光辐射基本上沿晶圆表面的方向传播的装置。实现这一目的的方法之一是利用二维光子晶体结构[1]。这种装置被称为光子晶体表面发射激光器（PCSELs）。虽然该技术尚未成熟，但它表现出了很好的特性。

基本结构和操作原理

光子晶体表面发射激光器的基本结构解释如下（见图1）：

· 中央部分是一个二维光子晶体结构，作为横向腔体发挥作用。它基本上由一层薄薄的半导体材料（如砷化镓=GaAs，氮化镓=GaN或磷化铟=InP）组成，含有一些跨越一定面积的气孔图案（如方形或三角形图案）。半导体材料对产生的激光辐射必须是透明的（非吸收性）。

· 刺激发射的激光增益是通过将光子晶体结构与光子晶体层下面的薄的活性层（放大层）在模式的蒸发波内耦合而提供的。有源区与光子晶体结构之间仅由一个薄的电子阻挡层隔开，以保持电载流子被限制在有源区。

· 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的包层。

· 用于泵送有源区的电流通过顶部和底部的金属电极被施加。在激光发射侧（顶部），该电极只覆盖一小部分区域，例如，一个尺寸为10微米至100微米的矩形区域。也有可能使用一个顶部电极，其中中间的一个矩形区域已经被移除。这导致了光子晶体模式在其外部区域的泵送，而在中央区域的输出耦合是可能的。

· 人们还可以在有源区的一侧使用分布式布拉格反射器（布拉格镜），以获得更有效的功率提取。

这种设备可以用各种外延半导体生长的方法来制造，通常涉及金属有机化学气相沉积（MOCVD）。最初，也采用了晶圆粘接的方法。

图2：方形晶格光子晶体的光子带结构（左）和Γ点带边周围的放大部分（右）。该图由Susumu Noda教授友好地提供。

光子晶体有一个光子带结构，通常提供几种不同的模式，基本上是通过分布式反射的效果将多个平面波耦合在一起。例如，对于正方形晶格，人们通常利用带隙结构的Γ（Gamma）奇异点来获得这种模式（见图2）。晶格点的设计应使其中一个模式具有明显的最低阈值泵浦功率，因此只有该模式会在整个工作电流范围内表现出发光。这样就可以得到一个具有非常高的空间相干性和相对高的时间相干性的辐射模式。

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（如模式平面内的三角形），因为这对光子带结构和输出光束的耦合强度有深刻的影响。

另一个重要的方面是，光子晶体结构也会衍射一些光，以形成输出光束，该光束以垂直于晶圆表面的方向离开设备。特别是对于具有大面积活性的设备，光束发散变得相当小。实际上，激光器发射的是准直光束，不需要任何准直透镜。

模式形成的原理与分布式反馈激光器（DFB激光器）的原理有一定的相似性，因为在有源区有分布式反射。然而，与普通的DFB激光器相比，它利用了光的二维耦合，在垂直方向上耦合出光。

一个重要的技术细节是，人们需要利用半导体材料中的气孔（空隙）实现具有大折射率对比的光子晶体结构，以实现具有明确的偏振和光束形状的高功率单模操作。

进一步的设计改进是通过实现二维排列的增益和损耗部分来实现的，这有助于实现更高的峰值功率和更短的脉冲持续时间（几十皮秒或更短），同时保持空间上的单模操作[18]。

与其他表面发射半导体激光器的比较

PCSEL在某些方面与VCSEL相似：两者都是表面发射的半导体激光器，可以用电泵浦，并且通常发射出具有高光束质量的圆形光束。然而，也有一些重要的区别。最基本的区别是与有源区的大小有关。

· 对于VCSEL来说，当需要单模操作时，我们需要严格限制有源区的直径。这通常将可能的输出功率限制在几毫瓦。如果有更大的有源区，则可能有更高的输出功率，但这时需要进行空间多模操作，因此光束质量较差。

· 然而，如果PCSEL是基于适当设计的光子晶体结构，它可以有更大的活性面积，同时保持单模操作。因此，它可以实现更高的单模输出功率；在连续操作中已经证明了1W[9]，在脉冲操作中约10W[13，17]。如果采用足够有效的冷却方式，或者采用小占空比的脉冲操作，连续波输出功率远高于单模或至少是几模的特性，似乎是可能的。由此产生的辐射度（亮度）相应地比VCSELs高得多，而且光束发散非常小。

就单模输出功率而言，PCSELs与VECSELs比VCSELs更相似。与VECSELs相比，PCSELs的主要优点是不需要借助于光学泵浦。然而，PCSEL的制造比光学泵浦的VECSEL增益芯片的制造更困难。

人们可以尝试通过进一步增加有源区的大小来实现功率的扩展[13, 16]。然而，要做到这一点，人们必须实施一种冷却策略，基本上建立一个1D热流，以便在增加有源区时，操作温度不会大幅增加。只有成功做到这一点，PCSEL才能被视为可扩展的连续波激光器，可能产生100W甚至1KW的连续波输出。然而，人们至少可以用脉冲发射和低占空比的高峰值功率来操作这种设备，这样可以大大减少热量的产生。请注意，脉冲操作非常适用于某些应用，如激光雷达[17]。

关于激光谐振器的长度，PCSEL类似于VCSEL（与VECSEL相反）。这意味着单频操作（即在一个单一的纵向模式上发光）是比较容易实现的。这导致了一个相当小的发射线宽。发射波长的温度系数也类似于VCSELs的小。

PCSELs的可能应用

高光束质量和具有高峰值功率的脉冲操作的潜力相结合，使得PCSELs在激光雷达（LIDAR）等应用中具有吸引力[17]。

对于像光数据传输这样的应用，需要对输出功率有非常高的调制速度（当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设备，就可以提供几十千兆赫的调制频率。PCSELs也可以通过实现其相对较小的有源区直径来优化非常高的调制频率，这需要优化模式约束以实现足够高的增益。这样一来，具有几十千兆赫兹调制带宽的PCSELs是可能的[14]。

甚至在激光材料加工领域，PCSELs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的话。这也适用于包括光纤激光器在内的固体激光器的泵浦。

光束转向

有可能用一种特殊的调制模式来修改光子晶体结构，从而获得两个不同方向的输出光束，而不是单一的。甚至有可能通过施加在额外电极上的电压来调控发射方向[12, 19]。尽管还需要进一步的优化，但这种方法对于像三维传感（如汽车激光雷达）或激光打印这样的重要应用来说似乎很有希望，因为在这些应用中，非常希望有快速的光束转向能力，最好是在二维空间，高速且不使用涉及可移动部件的额外光学器件。

偏振和光束形状的控制

PCSEL的输出光束形状和偏振可以通过各种方式进行调整。基本上，这是通过配置和/或调节晶格的特征来实现的，如晶格点的形状和排列[20, 21]；不需要外部光学元件。例如，有可能产生圆柱形的矢量涡流光束（也称为拓扑光束），它表现出方位角的极化。

特别鸣谢：感谢Susumu Noda教授提出的各种有用的意见和为本文提供的各种说明性数字。