一种基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器及方法技术

本发明专利技术公开了一种基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器及方法。本发明专利技术采用在布里渊区中心附近发生偶极子模式和四极子模式的能带反转的拓扑态光子晶体和不发生能量翻转的拓扑平庸态光子晶体，拼接的边界处会产生光场的反射和限制效应，边界包围成一个封闭曲线，从而边界内部形成激光器谐振腔；本发明专利技术可实现高方向性、低阈值、窄线宽、高边模抑制比的单模垂直激光出射；有助于降低工艺难度和制备成本，改善散热和电注入问题，提高元器件稳定性和使用寿命；复制到电注入有源材料系统中，可获得尺寸可控、高方向性、低阈值、窄线宽、高边模抑制比的垂直发射激光器；本发明专利技术可应用于光通讯、固态照明、激光雷达、物质检测和医疗诊断等领域。

A topological body state laser and its method based on band inversion field limiting effect

【技术实现步骤摘要】
一种基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器及方法
本专利技术涉及半导体激光器技术，具体涉及一种基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器及其控制方法。
技术介绍
随着半导体激光科学的快速发展和相关技术突破,半导体激光器的产品质量、波长范围和输出功率正在迅速提高，产品种类日益丰富。其中垂直腔面发射激光器具有体积小、寿命长、亮度高，便于集成，易于大规模生产等优点，在激光打印，激光显示，工业传感和医疗诊断等领域获得了广泛应用，特别在近几年的汽车和消费电子终端等新兴市场的应用场景如人脸识别和无人驾驶中开始崭露头角，展示出巨大的市场应用潜力。垂直腔面发射激光器是常用的微腔激光器，其结构主要是由有源材料和在其上下两侧通过材料淀积生长二十对以上的分布式布拉格反射镜(distributedBraggerreflector，DBR)组成三明治结构，每对DBR具有高反射系数，形成具有较高品质因子(Q值)的微腔激光器结构。随着理论研究的深入、材料生长技术的进步以及封装工艺的发展，垂直腔面发射激光器的输出功率、亮度、稳定性和寿命等性能都有了很大的提高。然而，目前实用化的垂直腔面发射激光器仍然面临如下问题：1)为了提高激光器的单管输出功率，通常需要增大从元件出射的激光束截面积(即出射面积)。当出射面积增加到一定程度时高阶振荡模式开始获得增益形成多模激射，导致激光器亮度降低和模式不稳定等问题；2)上下两侧的多层DBR结构通常引起制备工艺和有源层的电注入困难，特别是当器件运行在长波长范围时需要更厚的DBR结构来提供有效的光场反馈，对生长工艺带来更大的挑战，同时引起散热差进而降低器件寿命等问题。
技术实现思路
为了解决以上现有技术问题中存在的问题，本专利技术提出了一种基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器及其控制方法，采用新的光场限制方式，具备新的选模机制，能够在增加发射面积、提高激光器输出功率的同时实现稳定的高方向性的垂直模式输出。本专利技术的一个目的在于提出一种基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器。拓扑体态激光器为电注入激光器，或者光泵浦激光器；电注入激光器从下至上依次为：N型衬底、N型接触层、N型限制层、有源层、P型限制层和P型接触层；光泵浦激光器从下至上依次为：N型衬底和有源层。本专利技术的基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器包括：拓扑态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体，采用二维拓扑光子晶体；对于电注入激光器，在P型接触层和部分P型限制层内，构建拓扑态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体；对于光泵浦激光器，在有源层内，构建拓扑态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体；拓扑态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体分别包括多个以相同的晶格常数周期性地排列成蜂窝状晶格的晶胞，每一个晶胞的外边缘为正六边形，内部有六个旋转对称分布的正三角形的纳米孔，形成偶极子模式和四极子模式的能带结构；当六个纳米孔中心与正六边形中心的距离等于二维拓扑光子晶体周期的1/3时，由于晶胞内部和晶胞间的耦合常数相同，偶极子和四极子模式在布里渊区中心即Γ点处发生简并，形成一个具有二重简并的狄拉克锥型的能带结构；对六个纳米孔以晶胞中心为中心分别进行收缩和外扩操作，均会打开狄拉克锥；其中，六个纳米孔中心与正六边形中心的距离小于二维拓扑光子晶体周期的1/3，光子晶体的偶极子和四极子模式间没有发生能带反转，这种能带结构称为拓扑平庸态，形成拓扑平庸态光子晶体；六个纳米孔中心与正六边形中心的距离大于二维拓扑光子晶体周期的1/3，在布里渊区中心附近发生偶极子模式和四极子模式的能带反转，这种能带结构称为拓扑态，形成拓扑态光子晶体；拓扑平庸态光子晶体与拓扑态光子晶体整体相互拼接，在拼接处形成边界；由于边界两边的光子态的频率在靠近布里渊区中心处，其波函数的奇偶对称性不同，在拓扑平庸态光子晶体中的光不能传播到拓扑态光子晶体中，反之，拓扑态光子晶体中的光不能传播到拓扑平庸态光子晶体，从而在界面处会产生光场的反射和限制效应；将边界弯曲，并包围成一个封闭曲线，频率在布里渊区中心附近的光子，将在边界内部来回反射，导致激射，从而边界内部形成激光器谐振腔；对于光泵浦激光器，当激发光入射到激光器谐振腔内时，能带反转引起的在边界的反射只发生在靠近布里渊区中心附近的一个很小的波矢范围，也就是受到有效的光场限制的模式只存在于布里渊区中心附近，从而限制了能够获得有效反馈的激光器谐振腔模式数目，同时越靠近布里渊区中心的光波，其光场的反射和限制越有效，模式具有的品质因子越高，最终实现单模激射；对于电注入激光器，在有源层的上下两侧施加电压，载流子被注入并限制在有源层进而发光，光波的倏逝场分量耦合到激光器谐振腔中形成有效的反馈，能带反转引起的在边界的反射只发生在靠近布里渊区中心附近的一个很小的波矢范围，也就是受到有效的光场限制的模式只存在于布里渊区中心附近，从而限制了能够获得有效反馈的激光器谐振腔模式数目，实现单模激射；同时，能带反转引起的反射只发生在靠近布里渊区中心的位置，受到有效的光场限制的模式只能位于布里渊区中心附近，这些模式在垂直于激光器谐振腔的方向具有非常大的动量分量，从而具有垂直发射特性。对于光泵浦激光器，拓扑态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体设置在有源层上。拓扑体态激光器的波长范围从可见、近红外、通信波段到中红外光波段，与选择的材料体系的增益区一致，有源层的折射率为2.5～3.5之间。有源层对应的材料体系和折射率不同，其组分包含的元素也不同，比如近红外波长材料体系GaAs和通信波段材料体系InGaAs,InGaAsP和InAlGaAs等。通过调整有源层的材料体系中一种或多种元素的组分来调整增益区范围和材料的折射率，从而调整拓扑体态激光器的波长范围。有源层的结构包括但不限于：单层、多层量子阱或者量子点结构。有源层上下表面的折射率小于有源层的折射率。如果N型衬底的折射率大于有源层的折射率，则去除N型衬底位于有源层下的部分，使得有源层的下表面为空气，从而在垂直的平面方向上对光场进行强限制。二维拓扑光子晶体的周期a为λ/neff，neff为材料的有效折射率，λ为拓扑体态激光器的工作波长。二维拓扑光子晶体所在有源层的上下层均为低折射率材料，从而在垂直于器件的平面方向上对光场进行强限制。拓扑体态激光器的发光面积通过调整激光器谐振腔内周期性排列的晶胞数目来增加，面积从1μm2到数百1mm2，输出功率从1mW到100mW，能够保持稳定的单模激射特性。激光器谐振腔内部设置为拓扑态光子晶体或者为拓扑平庸态光子晶体，只需要保证激光器谐振腔内和外设置的光子晶体具有不同的拓扑态：激光器谐振腔内为拓扑态时，激射模式为四极子阵列，具有暗辐射模式特性，在垂直方向上具有更好的光场限制；激光器谐振腔内为拓扑平庸态时，激射模式为偶极子阵列，具有辐射模式特性，在垂直方向具有更好的辐射特性。因此，根据需求来构建拓扑体态激光器，比如实际中需要激发模式的品质因子较高，光谱线宽较窄，优选的是激光器谐振腔内设置为拓扑态光子晶体，激光器谐振腔外为拓扑平庸态光子晶体。对于电注入激光器，通过刻蚀P型接触层，并部分刻蚀到P型限制层，避免光子晶体结构损伤下侧的有源层。二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器，所述拓扑体态激光器为电注入激光器，或者光泵浦激光器；电注入激光器从下至上依次为：N型衬底、N型接触层、N型限制层、有源层、P型限制层和P型接触层；光泵浦激光器从下至上依次为：N型衬底和有源层，其特征在于，所述拓扑体态激光器还包括：拓扑态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体，采用二维拓扑光子晶体；对于电注入激光器，在P型接触层和部分P型限制层内，构建拓扑态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体；对于光泵浦激光器，在有源层内，构建拓扑态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体；拓扑态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体分别包括多个以相同的晶格常数周期性地排列成蜂窝状晶格的晶胞，每一个晶胞的外边缘为正六边形，内部有六个旋转对称分布的正三角形的纳米孔，形成偶极子模式和四极子模式的能带结构；当六个纳米孔中心与正六边形中心的距离等于二维拓扑光子晶体周期的1/3时，由于晶胞内部和晶胞间的耦合常数相同，偶极子和四极子模式在布里渊区中心即Γ点处发生简并，形成一个具有二重简并的狄拉克锥型的能带结构；对六个纳米孔以晶胞中心为中心分别进行收缩和外扩操作，均会打开狄拉克锥；其中，六个纳米孔中心与正六边形中心的距离小于二维拓扑光子晶体周期的1/3，光子晶体的偶极子和四极子模式间没有发生能带反转，这种能带结构称为拓扑平庸态，形成拓扑平庸态光子晶体；六个纳米孔中心与正六边形中心的距离大于二维拓扑光子晶体周期的1/3，在布里渊区中心附近发生偶极子模式和四极子模式的能带反转，这种能带结构称为拓扑态，形成拓扑态光子晶体；拓扑平庸态光子晶体与拓扑态光子晶体整体相互拼接，在拼接处形成边界；由于边界两边的光子态的频率在靠近布里渊区中心处，其波函数的奇偶对称性不同，在拓扑平庸态光子晶体中的光不能传播到拓扑态光子晶体中，反之，拓扑态光子晶体中的光不能传播到拓扑平庸态光子晶体，从而在界面处会产生光场的反射和限制效应；将边界弯曲，并包围成一个封闭曲线，频率在布里渊区中心附近的光子，将在边界内部来回反射，导致激射，从而边界内部形成激光器谐振腔；对于光泵浦激光器，当激发光入射到激光器谐振腔内时，能带反转引起的在边界的反射只发生在靠近布里渊区中心附近的一个很小的波矢范围，也就是受到有效的光场限制的模式只存在于布里渊区中心附近，从而限制了能够获得有效反馈的激光器谐振腔模式数目，同时越靠近布里渊区中心的光波，其光场的反射和限制越有效，模式具有的品质因子越高，最终实现单模激射；对于电注入激光器，在有源层的上下两侧施加电压，载流子被注入并限制在有源层进而发光，光波的倏逝场分量耦合到激光器谐振腔中形成有效的反馈，能带反转引起的在边界的反射只发生在靠近布里渊区中心附近的一个很小的波矢范围，也就是受到有效的光场限制的模式只存在于布里渊区中心附近，从而限制了能够获得有效反馈的激光器谐振腔模式数目，实现单模激射；同时，能带反转引起的反射只发生在靠近布里渊区中心的位置，受到有效的光场限制的模式只能位于布里渊区中心附近，这些模式在垂直于激光器谐振腔的方向具有非常大的动量分量，从而具有垂直发射特性。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器，所述拓扑体态激光器为电注入激光器，或者光泵浦激光器；电注入激光器从下至上依次为：N型衬底、N型接触层、N型限制层、有源层、P型限制层和P型接触层；光泵浦激光器从下至上依次为：N型衬底和有源层，其特征在于，所述拓扑体态激光器还包括：拓扑态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体，采用二维拓扑光子晶体；对于电注入激光器，在P型接触层和部分P型限制层内，构建拓扑态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体；对于光泵浦激光器，在有源层内，构建拓扑态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体；拓扑态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体分别包括多个以相同的晶格常数周期性地排列成蜂窝状晶格的晶胞，每一个晶胞的外边缘为正六边形，内部有六个旋转对称分布的正三角形的纳米孔，形成偶极子模式和四极子模式的能带结构；当六个纳米孔中心与正六边形中心的距离等于二维拓扑光子晶体周期的1/3时，由于晶胞内部和晶胞间的耦合常数相同，偶极子和四极子模式在布里渊区中心即Γ点处发生简并，形成一个具有二重简并的狄拉克锥型的能带结构；对六个纳米孔以晶胞中心为中心分别进行收缩和外扩操作，均会打开狄拉克锥；其中，六个纳米孔中心与正六边形中心的距离小于二维拓扑光子晶体周期的1/3，光子晶体的偶极子和四极子模式间没有发生能带反转，这种能带结构称为拓扑平庸态，形成拓扑平庸态光子晶体；六个纳米孔中心与正六边形中心的距离大于二维拓扑光子晶体周期的1/3，在布里渊区中心附近发生偶极子模式和四极子模式的能带反转，这种能带结构称为拓扑态，形成拓扑态光子晶体；拓扑平庸态光子晶体与拓扑态光子晶体整体相互拼接，在拼接处形成边界；由于边界两边的光子态的频率在靠近布里渊区中心处，其波函数的奇偶对称性不同，在拓扑平庸态光子晶体中的光不能传播到拓扑态光子晶体中，反之，拓扑态光子晶体中的光不能传播到拓扑平庸态光子晶体，从而在界面处会产生光场的反射和限制效应；将边界弯曲，并包围成一个封闭曲线，频率在布里渊区中心附近的光子，将在边界内部来回反射，导致激射，从而边界内部形成激光器谐振腔；对于光泵浦激光器，当激发光入射到激光器谐振腔内时，能带反转引起的在边界的反射只发生在靠近布里渊区中心附近的一个很小的波矢范围，也就是受到有效的光场限制的模式只存在于布里渊区中心附近，从而限制了能够获得有效反馈的激光器谐振腔模式数目，同时越靠近布里渊区中心的光波，其光场的反射和限制越有效，模式具有的品质因子越高，最终实现单模激射；对于电注入激光器，在有源层的上下两侧施加电压，载流子被注入并限制在有源层进而发光，光波的倏逝场分量耦合到激光器谐振腔中形成有效的反馈，能带反转引起的在边界的反射只发生在靠近布里渊区中心附近的一个很小的波矢范围，也就是受到有效的光场限制的模式只存在于布里渊区中心附近，从而限制了能够获得有效反馈的激光器谐振腔模式数目，实现单模激射；同时，能带反转引起的反射只发生在靠近布里渊区中心的位置，受到有效的光场限制的模式只能位于布里渊区中心附近，这些模式在垂直于激光器谐振腔的方向具有非常大的动量分量，从而具有垂直发射特性。


2.如权利要求1所述的拓扑体态激光器，其特征在于，所述有源层上下表面的折射率小于有源层的折射率。


3.如权利要求1所述的拓扑体态激光器，其特征在于，所述二维拓扑光子晶体的周期a为λ/neff，neff为材料的有效折射率，λ为拓扑体态激光器的工作波长。


4.如权利要求1所述的拓扑体态激光器，其特征在于，所述对于光泵浦激光器，有源层的折射率为2.5～3.5之间。


5.如权利要求1所述的拓扑体态激光器，其特征在于，对于光泵浦激光器，通过调整有源层的材料体系中元素的组分来调整增益区范围和材料的折射率...

【专利技术属性】
技术研发人员：马仁敏，邵增凯，陈华洲，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11