CN110932091A - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明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。
背景技术
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(distributed Bragger reflector，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。
发明内容
为了解决以上现有技术问题中存在的问题，本发明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。
本发明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。
本发明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。二维拓扑光子晶体的晶胞的纳米孔内填充低折射率电介质材料，电介质材料的折射率小于有源层的折射率；比如氧化硅等。同样地，通过干法刻蚀工艺部分地刻蚀到N型接触层上，N型衬底之上，形成一个大的器件平台，对载流子进行横向限制。分别在N型接触层和P型接触层上设置有围绕二维光子晶体结构的闭合环形的N型电极和P型电极，有源层与上下两侧的P型和N型限制层组成三明治型双异质结结构。当在电极之间加入电压时，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上侧设置的二维光子晶体激光器谐振腔中形成有效的反馈，在上述选模机制的作用下实现单模激射。
本发明的另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的实现方法。
本发明的基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器的实现方法，包括以下步骤：
1)对于电注入激光器，通过刻蚀P型接触层和部分P型限制层，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，通过刻蚀有源层，构建拓扑态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体；
2)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；
3)当六个纳米孔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相互耦合常数相同，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；
4)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，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，边界作为激光器谐振腔的腔壁；
5)对于光泵浦激光器，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；
6)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角动量分量，从而具有垂直发射特性。
其中，对于光泵浦激光器，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。
根据需求构建拓扑体态激光器，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。
本发明的优点：
本发明基于拓扑能带物理，提出了一种新的光场反射和限制机制，并针对实际应用中遇到的问题提出本发明方法的设计思路；本发明提出的基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器的优势：新的光场限制机制可实现高方向性、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；将此结构优势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、高边模抑制比的的实用新型电注入垂直发射激光器；本发明可应用于光通讯、固态照明、激光雷达、物质检测和医疗诊断等领域。
附图说明
图1为本发明的基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器的实施例一的示意图，其中，(a)为立体图，(b)为剖面图，(c)为俯视图；
图2为本发明的基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器的实施例一的二维拓扑光子晶体的示意图，其中，(a)为拓扑态和拓扑平庸态光子晶体的示意图，(b)为拓扑态和拓扑平庸态光子晶体的形成过程图，(c)为拓扑态和拓扑平庸态光子晶体的能带示意图；
图3为本发明的基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器的构建示意图，其中，(a)为能带反转光场反射和限制效应的示意图，(b)为拓扑态和拓扑平庸态光子晶体的晶胞中偶极子和四极子模式的电场分布图；
图4为本发明的基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器的实施例一中拓扑态光子晶体与拓扑平庸态光子晶体形成的边界示意图；
图5为本发明的基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器的实施例一的能带结构图，其中，(a)为拓扑态和拓扑平庸态光子晶体在布里渊区沿波矢Γ-K和Γ-M方向的四条能带结构图，(b)为(a)中对应的四极子模式分量曲线图；
图6为本发明的基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器的实施例一的电镜图，其中，(a)为激光器谐振腔电镜图，(b)为边界处的电镜图；
图7为本发明的基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器的实施例一的激光器谐振腔支持的阶数分别为l＝0,1,2的模式品质因子对比图；
图8为本发明的基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器的实施例一的激光器谐振腔支持的阶数分别为l＝0,1,2的模式电场分布图；
图9为本发明的基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器的实施例一在不同光泵浦功率下的结果图，其中，(a)为归一化光谱图，(b)为线性和log坐标下的输入输出曲线图，(c)为激射谱图；
图10为本发明的基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器的实施例一l＝0阶模式的实空间输出光强分布图，其中，(a)为在低于泵浦阈值情况下的实空间输出光强分布图，(b)为高于泵浦阈值情况下的实空间输出光强分布图；
图11为本发明的基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器的实施例一l＝0阶激射模式的分布图，其中，(a)为动量空间光强分布图，(b)为角分辨远场空间分布图，(c)为(b)中对应的角分辨远场空间分布图；
图12为本发明的基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器的实施例二的结构示意图，其中，(a)为立体图，(b)为剖面图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例一
如图1所示，本实施例采用光泵浦激发，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；通过刻蚀有源层2，构建拓扑态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体，有源层的材料为通过外延法生长在半导体衬底1(如InP)上的多层量子阱结构(如InGaAsP/InGaAs)，通过改变有源层材料的元素和元素组分，其折射率在2.5～-3.5之间可选；拓扑平庸态光子晶体31与拓扑态光子晶体32整体相互拼接，在拼接处形成边界；将边界弯曲，并包围成一个封闭曲线，从而边界内部形成激光器谐振腔；激光器谐振腔内为拓扑态光子晶体时，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；有源层的上层为空气层(折射率～1)，下层通过湿法腐蚀的方式将半导体衬底去除，有源层下表面在空气中，从而在垂直于器件的平面方向上对光场进行强限制。激光器谐振腔内为拓扑平庸态光子晶体时，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；在实施例中，需要激发模式的品质因子较高，光谱线宽较窄，选择激光器谐振腔的内部为拓扑态光子晶体32，外部为拓扑平庸态光子晶体31；当外界激发光入射到激光器谐振腔内部时，由于能带反转引起的光场反射和限制效应，产生的光在激光器谐振腔中获得有效反馈从而形成在工作波长的激射；本实施例中，激光器谐振腔的边界4为类正六边形轮廓，其每个边的边长L≈m·a，m为边界上排列的二维拓扑光子晶体的周期数，取1，2，3…，a为二维拓扑光子晶体的周期即晶格常数；通过增加激光器谐振腔内部的晶胞的数目来增加激光器谐振腔的尺寸，从而增大激光器的发光面积和输出功率，本实施例中，发光面积从数μm2到数百μm2，输出功率从数mW到数百mW；激光器谐振腔外部排列的光子晶体一般不少于6个周期，即可对激光器谐振腔内的光场具有较好的限制。
图2(a)为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阵列，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。对于单个正常晶胞，其能带结构包含偶极子p模式和四极子d模式的能带结构，d模式的能量比p模式的能量高，如图2(c)左图所示；在晶胞周期性地排列成阵列的情况下，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(也就是正常晶胞)，由于晶胞内部和晶胞间的相互耦合常数相同即t″1＝t″0，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，如图2(b)所示，均会打开狄拉克锥；其中，六个纳米孔(边长为d0)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，晶胞间的耦合比晶胞内的耦合弱即t′1＜t′0，其d模式比p模式依然具有更高的能量，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，晶胞间的耦合比晶胞内的耦合强即t1＞t0，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，p模式比d模式具有更高的能，这种能带结构称为拓扑态，形成拓扑态光子晶体，如图2(c)右图所示。在收缩操作下，优选的纳米孔中心与晶胞中心之间的距离R1在0.91R0到0.98R0之间可取；在外扩操作下，优选的纳米孔中心与晶胞中心之间的距离R2在1.02R0到1.09R0之间可取。R0、R1和R2分别为正常晶胞、收缩操作下和外扩操作下纳米孔中心与正六边形中心的距离。
当上述两种具有不同拓扑态的光子晶体以相同的晶格常数a周期性拼接时，在其边界处将形成光场的反射和限制效应。图3(a)为基于能带反转原理对光场进行反射和限制的示意图。靠近Γ点下能带频率边沿的光波，在拓扑平庸态光子晶体中形成偶极子模式，其光场分布如图3(b)左图所示；而在拓扑态光子晶体中为四极子模式，其光场分布如图3(b)右图所示。当光波从边界的一侧向另一侧传播时，由于其波函数具有相反的对称性，在边界处将受到反射。对于靠近Γ点处上能带频率边沿的光波，情况亦然。因此，基于以上光场反射效应，由拓扑平庸态和拓扑态的光子晶体在二维平面内进行周期性排列，通过比如60°、120°、240°和340°的转角组成封闭的边界，如图4所示，形成拓扑体态激光器谐振腔。光波频率在靠近Γ点的能带频率边沿处的光子态将在封闭的边界内部被来回反射，无法向外传输，为激光激射提供有效的反馈机制。
如图5(a)所示为拓扑态和拓扑平庸态光子晶体在布里渊区沿波矢Γ-K和Γ-M方向的四条能带结构，拓扑态光子晶体的外扩参数：R2＝1.04R0，拓扑平庸态光子晶体的收缩参数：R1＝0.95R0。本实施例中优选的变形参数，使得两种光子晶体的能带间隙大小和位置几乎重合，能够获得较好的光场限制效果。从紧束缚模型计算出图5(a)中四条能带对应的四极子模式分量的比重，如图5(b)所示。从中可以看出拓扑态光子晶体的两条下能带在Γ点附近为纯四极子模式(占比～100％)，如图5(b)左图中的虚线所示；拓扑平庸态光子晶体的两条下能带的四极子模式占比～0％，为纯偶极子模式，与上述分析相吻合。
如图6所示为拓扑体态激光器谐振腔的扫描电镜图和边界处的放大电镜图。采用的有源层为外延生长在InP衬底上的InGaAsP多量子阱材料，其增益波长范围约为1400～1600nm。在本实施例中，激光器谐振腔由内部的拓扑态光子晶体和外部的拓扑平庸态光子晶体组成类正六边形的边界，晶格周期常数设置为a＝820nm，每个边的光子晶体周期数为9，即边长L～9a。通过全波模拟，计算上述激光器谐振腔中存在的不同阶模式的品质因子，如图7和图8所示，为l＝0，1，2阶简并模式的品质因子和在激光激光器谐振腔中的电场分布图，其中l＝0阶的两个简并模式具有最高的品质因子，在激光器谐振腔中限制效果最佳；随着阶数越大，模式越远离Γ点，其品质因子越小，光场限制效果越差。由于能带反转引起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，这一特征首先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，有利于最终实现单模激射，并且这一特性与激光器谐振腔的大小无关。在本实施例中激光器谐振腔的周长大于40μm，而对于具有相同大小的传统激光器谐振腔可支持数十个不同阶的模式，且其品质因子相近，由于缺少内在选模机制，很难实现稳定的单模激射。本发明的拓扑激光器的谐振模式数不依赖于激光器谐振腔的大小，不需要外加复杂的选模机制，即可在增加器件发光面积、增大输出功率的同时能够保持稳定的单模出射。
如图9(a)所示，当泵浦功率大于激光阈值Pth时，激光器谐振腔中出现单模激射。图9(b)为实验得到的输出光功率与泵浦功率之间的线性关系，插入图为对应log坐标下的关系曲线。从线性关系曲线下清晰的看到一个从自发辐射到受激辐射的转折，以及log坐标下的“S”型变化曲线，均可以判断出随着泵浦功率的增加，该激光器谐振腔模式已经进入激射状态。测量得出该拓扑体态激光器具有非常低的激光阈值Pth，约为～4.5kW cm-2，能够与目前商用的激光二极管器件的阈值相比拟。在泵浦功率为2Pth时，在semi-log坐标下的激光器激射谱如图9(c)所示。该单模激射的拓扑体态激光器的边模抑制比约为36dB。通过高精度的光谱仪测试，得到激射模式的半高宽约为0.25nm，这一窄线宽与目前最好的具有类似激光器谐振腔大小的二极管激光器的光谱线宽可比拟。
上述实施例的拓扑体态激光器从自发辐射到受激辐射的转变也能够从实空间中观察到，如图10所示。在泵浦光低于激光阈值时，激光器在整个有源层具有均匀的辐射分布，如图10(a)；当泵浦光高于激光阈值时，从图10(b)中，可以看到一个被强限制在激光器谐振腔内的激发光场分布。通过与数值模拟结果相比对，得出该光场分布为l＝0的激发模式即图7和图8中品质因子最高的激光器谐振腔模式。
图11为上述实施方式的拓扑体态激光器l＝0阶模式在低于泵浦阈值和高于泵浦阈值下的动量空间光强分布额和角分辨远场空间分布。在低于泵浦阈值的自发辐射情况下，其辐射没有方向性，在动量空间上表现出均匀的辐射分布，如图11(a)所示。圆虚线代表收集物镜的数值孔径(NA＝0.42)。在激射情况下，激光的发射方向主要集中在垂直于激光器谐振腔平面的方向上，其光强分布在动量空间上呈现出一个小的激光光斑。通过测量得到其发散角小于6°，如图11(b)所示。沿图11(b)中的虚线，得到其动量空间对应的角分辨能量分布，如图11(c)中的圆圈所示。对图10(b)中沿虚线的实空间光强分布进行傅里叶变换，得到其对应的角分辨能量分布，如图11(c)中的黑色曲线所示。可以看出实验得到的结果与数值计算结果具有很好的吻合度。
通过一个实施例的实验结果分析，可以展示出本发明提出的基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器的优势：新的光场限制机制可实现高方向性、低阈值、窄线宽、高边模抑制比的单模垂直激光出射。
实施例二
如图12所示，本实施例采用电注入垂直面发射拓扑体态激光器。将实施例一中的二维拓扑光子晶体复制到电注入有源层中，可获得尺寸可控、高方向性、低阈值、窄线宽、高边模抑制比的的实用新型电注入垂直面发射激光器。其结构包括：一外延层，该外延层包含：N型衬底6；N型接触层7，位于N型衬底之上；N型限制层8；有源层2，位于N型限制层之上；P型限制层9，位于有源层之上；P型接触层10，位于P型限制层之上。其中，N面和P面材料折射率比有源层的略小，折射率差在0.2～0.5之间可选。在该外延层上首先通过干法刻蚀工艺，依次刻蚀P型接触层10、P型限制层9、有源层2和N型限制层8，停刻在N型接触层7上，形成一个大的器件平台，对注入载流子进行横向限制。拓扑体态激光器包含的两种不同拓扑态光子晶体结构3经过自上而下的干法刻蚀工艺设置于有源层2之上，避免刻蚀的结构损伤有源层；刻蚀后的光子晶体结构在随后的工艺步骤中被填充上低折射率电介质材料比如氧化硅，氮化硅等。分别在N型接触层7和P型接触层10上设置有围绕二维光子晶体结构的闭合环形的N型电极11和P型电极12，有源层与上下两侧的P型和N型限制层组成三明治型双异质结结构。当在电极之间加入电压时，载流子被注入并限制在有源层产生光辐射，光波的倏逝场分量耦合到上侧设置的二维光子晶体激光器谐振腔中，在基于上述能带反转光场限制效应下形成有效的反馈，同时在上述新型选模机制的作用下实现稳定的单模激射。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (9)
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，从而调整拓扑体态激光器的波长范围。
6.如权利要求1所述的拓扑体态激光器，其特征在于，对于电注入激光器，二维拓扑光子晶体的晶胞的纳米孔内填充低折射率电介质材料，电介质材料的折射率小于有源层的折射率。
7.一种如权利要求1所述的基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：
1)对于电注入激光器，通过刻蚀P型接触层和部分P型限制层，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，通过刻蚀有源层，构建拓扑态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体；
2)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；
3)当六个纳米孔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相互耦合常数相同，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；
4)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，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，边界作为激光器谐振腔的腔壁；
5)对于光泵浦激光器，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；
6)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角动量分量，从而具有垂直发射特性。
8.如权利要求7所述的实现方法，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。
9.如权利要求7所述的实现方法，其特征在于，根据需求构建拓扑体态激光器，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。
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Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111443422A (zh) * | 2020-06-03 | 2020-07-24 | 中国科学院物理研究所 | 拓扑光子晶体光纤、光纤预制棒、及其制造方法 |
| CN112925058A (zh) * | 2021-01-22 | 2021-06-08 | 中山大学 | 一种基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器 |
| CN112987176A (zh) * | 2021-03-09 | 2021-06-18 | 北京大学 | 基于非线性调控的二维拓扑光子晶体路由器件及实现方法 |
| CN113204130A (zh) * | 2021-04-27 | 2021-08-03 | 北京大学 | 一种基于非厄米效应的二维可控拓扑态器件及其实现方法 |
| CN113219585A (zh) * | 2021-05-21 | 2021-08-06 | 合肥工业大学 | 一种基于拓扑光子晶体的高次谐波定向传输器件 |
| CN113219584A (zh) * | 2021-05-21 | 2021-08-06 | 合肥工业大学 | 一种基于高阶拓扑光子晶体的二次谐波控制器件 |
| CN113285346A (zh) * | 2021-05-14 | 2021-08-20 | 北京邮电大学 | 一种基于拓扑光子的半导体涡旋光激光器 |
| WO2021220276A1 (en) * | 2020-04-27 | 2021-11-04 | Technion Research And Development Foundation Ltd. | Topologic insulator surface emitting laser system |
| CN113805462A (zh) * | 2021-08-05 | 2021-12-17 | 北京大学 | 基于拓扑体态面发射激光器的cpt芯片原子钟及其实现方法 |
| CN114637070A (zh) * | 2022-02-18 | 2022-06-17 | 中国科学院微电子研究所 | 一种基于介质纳米结构的拓扑边缘态波导及其制造方法 |
| CN114815002A (zh) * | 2022-04-20 | 2022-07-29 | 北京大学 | 一种利用片上拓扑光子晶体波导调控单层过渡金属硫族化合物受激发光的方法 |
| CN114966616A (zh) * | 2022-07-26 | 2022-08-30 | 深圳市速腾聚创科技有限公司 | 激光雷达及存储介质 |
| CN117317801A (zh) * | 2023-09-28 | 2023-12-29 | 深圳技术大学 | 一种电泵浦拓扑光子晶体激光器结构及其制备方法 |
| JP7504373B2 (ja) | 2020-06-09 | 2024-06-24 | 国立大学法人東京工業大学 | 非磁性の導波路型アイソレータ |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20220357631A1 (en) * | 2019-09-12 | 2022-11-10 | The Trustees Of The University Of Pennsylvania | An optical switch device configured for topological light steering and related methods |
| CN117199998A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-12-08 | 深圳技术大学 | 一种拓扑光子晶体面发射激光器结构 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050226806A1 (en) * | 2002-02-01 | 2005-10-13 | Frank Marlow | Photonic crystals having a skeleton structure |
| CN102388513A (zh) * | 2009-02-11 | 2012-03-21 | 丹麦科技大学 | 混合垂直腔激光器 |
| CN109031519A (zh) * | 2018-07-28 | 2018-12-18 | 中国地质大学（北京） | 一种窄带光滤波器及全光二极管 |
| CN110007398A (zh) * | 2019-04-30 | 2019-07-12 | 江苏大学 | 实现光子晶体拓扑边界态光子自旋引导机制的光波导 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1930999A4 (en) * | 2005-09-02 | 2011-04-27 | Univ Kyoto | SOURCE OF LASER LIGHT WITH PHOTONIC CRYSTALLINE SURFACE EMISSION IN TWO DIMENSIONS |
| CN101867153A (zh) * | 2009-04-15 | 2010-10-20 | 中国科学院半导体研究所 | 环形腔光子晶体垂直腔面发射激光器 |
| CN103972382A (zh) * | 2014-04-30 | 2014-08-06 | 电子科技大学 | 一种制造半导体材料的方法 |
| JP6536938B2 (ja) * | 2015-02-25 | 2019-07-03 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | トポロジカルフォトニック結晶 |
| CN110161621B (zh) * | 2019-04-30 | 2020-11-03 | 江苏大学 | 一种基于蜂窝状结构的光子晶体慢光波导 |
| CN110727047B (zh) * | 2019-10-28 | 2020-09-18 | 中国科学院物理研究所 | 二维拓扑光子晶体腔及其设计方法和在激光器中的应用 |
-
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050226806A1 (en) * | 2002-02-01 | 2005-10-13 | Frank Marlow | Photonic crystals having a skeleton structure |
| CN102388513A (zh) * | 2009-02-11 | 2012-03-21 | 丹麦科技大学 | 混合垂直腔激光器 |
| CN109031519A (zh) * | 2018-07-28 | 2018-12-18 | 中国地质大学（北京） | 一种窄带光滤波器及全光二极管 |
| CN110007398A (zh) * | 2019-04-30 | 2019-07-12 | 江苏大学 | 实现光子晶体拓扑边界态光子自旋引导机制的光波导 |
Cited By (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021220276A1 (en) * | 2020-04-27 | 2021-11-04 | Technion Research And Development Foundation Ltd. | Topologic insulator surface emitting laser system |
| CN111443422B (zh) * | 2020-06-03 | 2021-03-05 | 中国科学院物理研究所 | 拓扑光子晶体光纤、光纤预制棒、及其制造方法 |
| CN111443422A (zh) * | 2020-06-03 | 2020-07-24 | 中国科学院物理研究所 | 拓扑光子晶体光纤、光纤预制棒、及其制造方法 |
| JP7504373B2 (ja) | 2020-06-09 | 2024-06-24 | 国立大学法人東京工業大学 | 非磁性の導波路型アイソレータ |
| CN112925058B (zh) * | 2021-01-22 | 2022-03-04 | 中山大学 | 一种基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器 |
| CN112925058A (zh) * | 2021-01-22 | 2021-06-08 | 中山大学 | 一种基于零维拓扑角态的光子晶体窄带滤波器 |
| CN112987176A (zh) * | 2021-03-09 | 2021-06-18 | 北京大学 | 基于非线性调控的二维拓扑光子晶体路由器件及实现方法 |
| CN112987176B (zh) * | 2021-03-09 | 2022-02-11 | 北京大学 | 基于非线性调控的二维拓扑光子晶体路由器件及实现方法 |
| CN113204130A (zh) * | 2021-04-27 | 2021-08-03 | 北京大学 | 一种基于非厄米效应的二维可控拓扑态器件及其实现方法 |
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| CN113285346A (zh) * | 2021-05-14 | 2021-08-20 | 北京邮电大学 | 一种基于拓扑光子的半导体涡旋光激光器 |
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| CN113805462A (zh) * | 2021-08-05 | 2021-12-17 | 北京大学 | 基于拓扑体态面发射激光器的cpt芯片原子钟及其实现方法 |
| CN114637070A (zh) * | 2022-02-18 | 2022-06-17 | 中国科学院微电子研究所 | 一种基于介质纳米结构的拓扑边缘态波导及其制造方法 |
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| CN114815002B (zh) * | 2022-04-20 | 2023-03-31 | 北京大学 | 一种利用片上拓扑光子晶体波导调控单层过渡金属硫族化合物受激发光的方法 |
| CN114966616A (zh) * | 2022-07-26 | 2022-08-30 | 深圳市速腾聚创科技有限公司 | 激光雷达及存储介质 |
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