CN112909739A - 一种具有拓扑性质的条形半导体激光器阵列及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有拓扑性质的条形半导体激光器阵列，包括中心波导单元以及位于中心波导单元两侧的波导单元组阵列；其中，中心波导单元用于注入电流提供增益促使基超模激射；中心波导单元两侧的波导单元组阵列具有不同的拓扑性质，使得在中心波导处形成局域化的拓扑边界态。本发明在厄米与PT对称的非厄米设置下均能得到空间局域化的拓扑边界态，对结构参数、工艺误差不敏感，具有很好的鲁棒性；同时，中心波导单元中基侧模与高阶侧模存在一定的损耗差，因此能够得到高增益的基侧模输出。

Description

一种具有拓扑性质的条形半导体激光器阵列及其应用

技术领域

本发明属于微纳结构研究及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种条形半导体激光器阵列及其应用。

背景技术

对于现今电泵浦的条形半导体激光器，其模式输出特性对于激光器的输出功率密度、亮度有直接的影响，故对输出模式的优化一直是半导体激光器的研究重点。而半导体激光器的横模可以通过控制外延设计与生长调控，目前在该方向的模式特性优化技术已经相对成熟；但在侧向上的模式调控仍有较大的发展空间。

PT(parity-time)对称，即宇称-时间对称。在量子力学中，满足PT对称的算符可以不厄米，但其本征值仍然可以是实数。而在一定条件下，该PT对称条件可以发生破缺，得到复数本征值。在波动光学中，当结构的折射率满足实部偶对称，同时虚部满足奇对称时即可满足该对称条件。在近十年也被深入研究，作为一种模式调控手段引入激光器系统。如Yao等人在2018年Electrically Injected Parity Time-Symmetric Single Transverse-Mode Lasers.Laser and Photonics Reviews，13(1)，1-4.文章中提出电注入的双波导PT对称条形激光器，在实验上实现PT对称对半导体激光器的模式调控。

拓扑绝缘体在近十年引起科研界广泛的讨论与研究，在最近几年也被拓展应用到了光学领域。在波导光学中，由于拓扑的性质存在，此条件下的模式具有较好的鲁棒性，对结构参数、工艺误差不敏感。如S.Weimann等人在2016年Topologically protected boundstates in photonic parity-time-symmetric crystals.Nature Materials，16(4)，433-438.文章中提出在波导结构中引入“拓扑缺陷”结构，可以有效定域限制光在波导阵列中的传输。但是目前还没有在电注入半导体条形激光器中设置具有拓扑性质的阵列的相关研究。

发明内容

鉴于以上分析，本发明的主要目的在于提出一种具有拓扑性质的半导体条形激光器阵列，其由于两部分阵列具有不同的拓扑性质，可以于两阵列的边界处得到局域化的拓扑边界态激射。

在本发明实施方式的第一方面中，提供了一种具有拓扑性质的条形半导体激光器阵列，包括：由下至上依次设置的N型侧电极、N型衬底层、N型盖层、N型波导层、有源层、P型波导层、绝缘层和P型侧电极；其中，上述绝缘层与上述P型波导层之间包括：

中心波导单元，用于注入电流提供增益促使基超模激射；

两个波导单元组阵列，分别位于上述中心波导单元的两侧，用于在上述波导单元组阵列与上述中心波导单元的连接处形成局域化的拓扑边界态，每个上述波导单元组阵列包括多个波导单元组；其中，

每个上述波导单元组包括：两个损耗波导单元，或者，一个增益波导单元和一个损耗波导单元。

在本发明的一个实施例中，上述中心波导单元、上述增益波导单元和上述P型侧电极之间的绝缘层上开设有电极窗口，用于向上述中心波导单元和上述增益波导单元上注入电流；其中，上述增益波导单元上的注入电流小于上述中心波导单元的注入电流。

在本发明的另一个实施例中，上述N型侧电极和上述P型侧电极用于电流的注入；

上述N型衬底层用于对上述激光器阵列提供支撑；

上述有源层用于产生光增益形成光场；

上述N型波导层和上述P型波导层用于扩展上述有源层中产生的上述光场；

上述N型盖层用于限制上述有源层中产生的上述光场；

上述绝缘层用于在上述增益波导单元和上述中心波导单元上与上述P型侧电极形成电极窗口，或者，用于在上述损耗波导单元上形成电隔离。

在本发明的又一个实施例中，上述N型衬底层的材料以下至少之一：GaN、GaAs、InP或GaSb；上述有源层的结构为以下之一：单量子阱、多量子阱、量子点或超晶格结构。

在本发明的再一个实施例中，上述中心波导单元、上述增益波导单元和上述损耗波导单元均包括由下至上依次设置的P型盖层和高掺接触层，其中：

上述P型盖层用于限制上述有源层中产生的上述光场；

上述高掺接触层用于在上述中心波导单元和上述增益波导单元上与上述P型侧电极形成欧姆接触，限制电流侧向扩散并形成弱折射率引导机制，或者，用于在上述损耗波导单元上形成限制电流侧向扩散并形成弱折射率引导机制。

在本发明的再一个实施例中，上述N型盖层和上述P型盖层的结构为以下之一：对称结构、大光腔结构或光子晶体结构。

在本发明的再一个实施例中，上述中心波导单元、上述增益波导单元和上述损耗波导单元的刻蚀深度相同，为0.2μm～1.7μm；上述增益波导单元和上述损耗波导单元的宽度相同，为3μm～100μm；上述中心波导单元的宽度为3μm～100μm。

在本发明的再一个实施例中，上述波导单元组之间和上述波导单元组与上述中心波导单元的间距相同，为50nm～100μm；上述波导单元组内的两个上述损耗波导单元或上述增益波导单元与上述损耗波导单元的间距为50nm～100μm，且小于上述波导单元组之间或上述波导单元组与上述中心波导单元的间距。

在本发明的再一个实施例中，上述中心波导单元单侧至少包括1个波导单元组。

在本发明实施方式的第一方面中，提供了一种具有拓扑性质的条形半导体激光器阵列在半导体激光器领域的应用。

本发明实施例提供的具有拓扑性质的条形半导体激光器阵列，由于中心波导单元两侧的波导单元组阵列具有不同的拓扑性质，能够在两侧的波导单元组阵列的边界处得到局域化的拓扑边界态激射；同时，上述边界态局域在中心“缺陷”条形波导中，对结构参数、工艺误差不敏感，具有很好的鲁棒性。

本发明实施例提供的中心波导单元的宽度可以根据使用需求进行调整，通过增大中心波导单元的宽度，能够对局域的边界态提供更大的电注入面积，可以得到大功率，高光束质量激光输出。

同时，本发明可对中心条形波导两侧阵列进行选择性电注入，使其满足“局部”PT对称性质，得到非厄米的系统，亦能得到局域化的拓扑边界态，具有较高的实用性。

并且，本发明提供的具有拓扑性质的条形半导体激光器阵列只需一次外延和普通光刻技术即可完成制备，避免了传统器件二次外延及高精度光刻技术的使用，制备简单，工艺成本低。

附图说明

图1是本发明实施例提供的具有拓扑性质的厄米半导体条形激光器阵列示意图。

图2是本发明实施例提供的具有拓扑性质的PT对称半导体条形激光器阵列示意图。

图3是本发明实施例提供的中心波导单元或增益波导单元的部分结构示意图。

图4是本发明实施例提供的损耗波导单元的部分结构示意图。

图5是本发明实施例提供的具有拓扑性质的厄米半导体条形激光器阵列(中心波导单元宽度5μm)的局域化边界态的平面模场分布图。

图6是本发明实施例提供的具有拓扑性质的厄米半导体条形激光器阵列(中心波导单元宽度10μm)的局域化边界态的平面模场分布图。

图7是本发明实施例提供的具有拓扑性质的PT对称半导体条形激光器阵列(中心波导单元宽度5μm)的局域化边界态的平面模场分布图。

图8是本发明实施例提供的具有拓扑性质的PT对称半导体条形激光器阵列(中心波导单元宽度10μm)的局域化边界态的平面模场分布图。

附图标记说明：

1、P型侧电极；2、绝缘层；3、高掺接触层；4、P型盖层；5、P型波导层；6、有源层；7、N型波导层；8、N型盖层；9、N型衬底；10、N型侧电极。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种具有拓扑性质的条形半导体激光器阵列，能够在厄米与PT对称的非厄米设置下均能得到空间局域化的拓扑边界态。本发明实施例提供的条形半导体激光器阵列包括位于两侧的波导单元组阵列和一个位于中心的“缺陷”条形波导，对波导单元组阵列中的每组条形波导中进行选择性电注入可以得到满足PT对称的半导体条形激光器阵列；而不对两侧条形波导进行电注入可以得到厄米的半导体条形激光器阵列。由于位于中心的“缺陷”条形波导的存在，两侧拓扑性质发生变化，在缺陷处得到拓扑边界态，该拓扑边界态由于其拓扑性质有很好的鲁棒性，对工艺容差大。并且，缺陷波导中基侧模与高阶侧模存在一定的损耗差，因此，增大条宽的情况下能够得到高增益的基侧模输出。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明实施例提供的具有拓扑性质的厄米半导体条形激光器阵列示意图。

如图1所示，本发明提供的具有拓扑性质的厄米半导体条形激光器阵列包括：由下至上依次设置的N型侧电极10、N型衬底9层、N型盖层8、N型波导层7、有源层6、P型波导层5、绝缘层2和P型侧电极1；其中，绝缘层2与P型波导层5之间包括：

中心波导单元，用于注入电流提供增益促使基超模激射；

两个波导单元组阵列，分别位于中心波导单元的两侧，由于两个波导单元组阵列具有不同拓扑性质，故在中心波导单元处形成局域化的拓扑边界态，每个波导单元组阵列包括多个波导单元组；其中，每个波导单元组包括两个损耗波导单元，中心波导单元单侧至少包括1个波导单元组。

图3是本发明实施例提供的中心波导单元的部分结构示意图。

如图3所示，本发明实施例提供的中心波导单元的P型侧电极1下的绝缘层2上开设有电极窗口，用于向中心波导单元和增益波导单元注入电流。

根据本发明实施例，仅对中心波导单元进行电注入能够得到具有拓扑性质的厄米半导体条形激光器阵列，由于中心波导单元两侧的波导单元组阵列具有不同的拓扑性质，能够在两侧的波导单元组阵列的边界处得到局域化的拓扑边界态激射；同时，边界态局域在中心“缺陷”条形波导中，对结构参数、工艺误差不敏感，具有很好的鲁棒性。

在本实施例中，N型侧电极10和P型侧电极1用于电流的注入；N型衬底9层用于对激光器阵列提供支撑；有源层6用于产生光增益形成光场；

N型波导层7和P型波导层5用于扩展有源层6中产生的光场；N型盖层8用于限制有源层6中产生的光场；绝缘层2用于在中心波导单元上与P型侧电极1形成电极窗口，或者，用于在损耗波导单元上形成电隔离。

根据本发明实施例，具有拓扑性质的条形半导体激光器阵列只需一次外延和普通光刻技术即可完成制备，避免了传统器件二次外延及高精度光刻技术的使用，制备简单，工艺成本低。

在本实施例中，N型衬底9层的材料以下至少之一：GaN、GaAs、InP或GaSb；有源层6的结构为以下之一：单量子阱、多量子阱、量子点或超晶格结构。具体的，本发明实施例的N型衬底9层材料包括但不限于GaN、GaAs、InP或GaSb，也可以是其他能够满足同样作用的材料；同时，有源层6的结构也包括但不限于：单量子阱、多量子阱、量子点或超晶格结构，也可以是实现相同功能的其他结构。

图4是本发明实施例提供的损耗波导单元的部分结构示意图。

如图1、图3和图4所示，本发明实施例提供的中心波导单元和损耗波导单元均包括由下至上依次设置的P型盖层4和高掺接触层3，其中：

P型盖层4用于限制有源层6中产生的光场；

高掺接触层3用于在中心波导单元和增益波导单元上与P型侧电极1形成欧姆接触，限制电流侧向扩散并形成弱折射率引导机制，或者，用于在损耗波导单元上形成限制电流侧向扩散并形成弱折射率引导机制。

在本实施例中，N型盖层8和P型盖层4的结构为以下之一：对称结构、大光腔结构或光子晶体结构。具体的，本发明实施例的N型盖层8和P型盖层4包括但不限于对称结构、大光腔结构或光子晶体结构，也可以是实现相同功能的其他结构。

在本实施例中，中心波导单元和损耗波导单元的刻蚀深度相同，为1.2μm，能够满足超过高掺接触层3但不到达有源层6，从而得到脊型波导，用于限制电流侧向扩散并形成弱折射率导引机制，需要说明的是，本发明实施例的中心波导单元和损耗波导单元的刻蚀深度为1.2μm是本发明优选实施例的刻蚀深度，但并不局限于1.2μm，也可以是其他刻蚀深度。

本实施例具有三对波导单元组，每个波导单元组内的两个损耗波导单元的间距为2μm，相邻波导单元组的间距为5μm，中心波导单元与两侧的波导单元组的间距为5μm；同时，损耗波导单元的宽度为5μm，通过普通光刻及干法刻蚀技术实现，对于不同的外延结构，均要保证器件在水平方向上是单侧模工作；中心波导的宽度为5μm或10μm，通过普通光刻与干法或者湿法刻蚀技术实现。具体的，本实施例的上述取值均为本发明优选实施例的刻蚀深度，但并不局限于上述数值。

图5示意性地示出了中心波导单元宽度为5μm的具有拓扑性质的厄米半导体条形激光器阵列的局域化边界态的平面模场分布图；图6示意性示出了中心波导单元宽度为10μm的具有拓扑性质的厄米半导体条形激光器阵列的局域化边界态的平面模场分布图。

如图1、图5和图6所示，本发明实施例仅在中心波导上方没有设置绝缘层2，故电流注入产生增益仅对中心波导区域及附近作用。通过仅对中心波导进行电泵浦，可以使得局域在中心波导的模式获得最大的增益，从而激射。

在介绍了具有拓扑性质的厄米半导体条形激光器阵列之后，下面结合图2对本发明实施例提供的具有拓扑性质的PT对称半导体条形激光器阵列做进一步说明。

图2是本发明实施例提供的具有拓扑性质的PT对称半导体条形激光器阵列示意图。

如图2所示，本发明实施例提供的具有拓扑性质的PT对称半导体条形激光器阵列包括：由下至上依次设置的N型侧电极10、N型衬底9层、N型盖层8、N型波导层7、有源层6、P型波导层5、绝缘层2和P型侧电极1；其中，绝缘层2与P型波导层5之间包括：

中心波导单元，用于注入电流提供增益促使基超模激射；

两个波导单元组阵列，分别位于中心波导单元的两侧，由于两个波导单元组阵列具有不同拓扑性质，故在中心波导单元处形成局域化的拓扑边界态，每个波导单元组阵列包括多个波导单元组；其中，每个波导单元组包括：一个增益波导单元和一个损耗波导单元，中心波导单元单侧至少包括1个波导单元组。

在本实施例中，中心波导单元、增益波导单元和P型侧电极1之间的绝缘层2上开设有电极窗口，用于向中心波导单元和增益波导单元上注入电流；其中，增益波导单元上的注入电流小于中心波导单元的注入电流。

根据本发明实施例，对波导单元组阵列中的增益波导单元进行电注入，通过调节注入电流，使得两侧每组的增益波导单元侧的波导区域产生足够大的增益，从而与损耗波导单元形成准PT对称双波导结构，由于中心波导单元两侧的波导单元组阵列具有不同的拓扑性质，能够在两侧的波导单元组阵列的边界处得到局域化的拓扑边界态激射；同时，边界态局域在中心“缺陷”条形波导中，对结构参数、工艺误差不敏感，具有很好的鲁棒性。

在本实施例中，N型侧电极10和P型侧电极1用于电流的注入；N型衬底9层用于对激光器阵列提供支撑；有源层6用于产生光增益形成光场；N型波导层7和P型波导层5用于扩展有源层6中产生的光场；N型盖层8用于限制有源层6中产生的光场；绝缘层2用于在增益波导单元和中心波导单元上与P型侧电极1形成电极窗口，或者，用于在损耗波导单元上形成电隔离。

根据本发明实施例，具有拓扑性质的条形半导体激光器阵列只需一次外延和普通光刻技术即可完成制备，避免了传统器件二次外延及高精度光刻技术的使用，制备简单，工艺成本低。

在本实施例中，N型衬底9层的材料以下至少之一：GaN、GaAs、InP或GaSb；有源层6的结构为以下之一：单量子阱、多量子阱、量子点或超晶格结构。具体的，本发明实施例的N型衬底9层材料包括但不限于GaN、GaAs、InP或GaSb，也可以是其他能够满足同样作用的材料；同时，有源层6的结构也包括但不限于：单量子阱、多量子阱、量子点或超晶格结构，也可以是实现相同功能的其他结构。

在本发明的再一个实施例中，中心波导单元、增益波导单元和损耗波导单元均包括由下至上依次设置的P型盖层4和高掺接触层3，其中：

P型盖层4用于限制有源层6中产生的光场；

高掺接触层3用于在中心波导单元和增益波导单元上与P型侧电极1形成欧姆接触，限制电流侧向扩散并形成弱折射率引导机制，或者，用于在损耗波导单元上形成限制电流侧向扩散并形成弱折射率引导机制。

在本实施例中，N型盖层8和P型盖层4的结构为以下之一：对称结构、大光腔结构或光子晶体结构。具体的，本发明实施例的N型盖层8和P型盖层4包括但不限于对称结构、大光腔结构或光子晶体结构，也可以是实现相同功能的其他结构。

在本实施例中，中心波导单元、增益波导单元和损耗波导单元的刻蚀深度相同，为1.2μm，能够满足超过高掺接触层3但不到达有源层6，从而得到脊型波导，用于限制电流侧向扩散并形成弱折射率导引机制，需要说明的是，本发明实施例的中心波导单元、增益波导单元和损耗波导单元的刻蚀深度为1.2μm是本发明优选实施例的刻蚀深度，但并不局限于1.2μm，也可以是其他刻蚀深度。

在本实施例中，共具有三对波导单元组，分别位于中心波导单元的两侧，能够在中心波导区域得到拓扑边界态。其中，每个波导单元组内的增益波导单元和损耗波导单元的间距为2μm，相邻波导单元组的间距为5μm，中心波导单元与两侧的波导单元组的间距为5μm；增益波导单元和损耗波导单元的宽度为5μm，通过普通光刻及干法刻蚀技术实现，对于不同的外延结构，均要保证器件在水平方向上是单侧模工作；中心波导单元的宽度为5μm或10μm，通过普通光刻与干法或者湿法刻蚀技术实现。具体的，本实施例的上述取值均为本发明优选实施例的刻蚀深度，但并不局限于上述数值。

图7示意性示出了中心波导单元宽度为5μm的具有拓扑性质的PT对称半导体条形激光器阵列的局域化边界态的平面模场分布图；图8示意性示出了中心波导单元宽度为10μm的具有拓扑性质的PT对称半导体条形激光器阵列的局域化边界态的平面模场分布图。

如图1、图7和图8所示，中心波导单元和增益波导单元上方没有设置绝缘层2，通过对中心波导进行电泵浦，使中心波导单元注入的电流大于增益波导单元上注入的电流，可以使得局域在中心波导的模式获得更大的增益，从而激射。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有拓扑性质的条形半导体激光器阵列，包括：由下至上依次设置的N型侧电极、N型衬底层、N型盖层、N型波导层、有源层、P型波导层、绝缘层和P型侧电极；其中，

所述绝缘层与所述P型波导层之间包括：

中心波导单元，用于注入电流提供增益促使基超模激射；

两个波导单元组阵列，分别位于所述中心波导单元的两侧，用于在所述波导单元组阵列与所述中心波导单元的连接处形成局域化的拓扑边界态，每个所述波导单元组阵列包括多个波导单元组；其中，

每个所述波导单元组包括：两个损耗波导单元，或者，一个增益波导单元和一个损耗波导单元。

2.根据权利要求1所述的条形半导体激光器阵列，其中，所述中心波导单元、所述增益波导单元和所述P型侧电极之间的绝缘层上开设有电极窗口，用于向所述中心波导单元和所述增益波导单元上注入电流；其中，所述增益波导单元上的注入电流小于所述中心波导单元的注入电流。

3.根据权利要求1所述的条形半导体激光器阵列，其中，

所述N型侧电极和所述P型侧电极用于电流的注入；

所述N型衬底层用于对所述激光器阵列提供支撑；

所述有源层用于产生光增益形成光场；

所述N型波导层和所述P型波导层用于扩展所述有源层中产生的所述光场；

所述N型盖层的结构为以下之一：对称结构、大光腔结构或光子晶体结构，用于限制所述有源层中产生的所述光场；

所述绝缘层用于在所述增益波导单元和所述中心波导单元上与所述P型侧电极形成电极窗口，或者，用于在所述损耗波导单元上形成电隔离。

4.根据权利要求3所述的条形半导体激光器阵列，其中，所述N型衬底层的材料以下至少之一：GaN、GaAs、InP或GaSb；所述有源层的结构为以下之一：单量子阱、多量子阱、量子点或超晶格结构。

5.根据权利要求1所述的条形半导体激光器阵列，其中，所述中心波导单元、所述增益波导单元和所述损耗波导单元均包括由下至上依次设置的P型盖层和高掺接触层，其中：

所述P型盖层的结构为以下之一：对称结构、大光腔结构或光子晶体结构，用于限制所述有源层中产生的所述光场；

所述高掺接触层用于在所述中心波导单元和所述增益波导单元上与所述P型侧电极形成欧姆接触，限制电流侧向扩散并形成弱折射率引导机制，或者，用于在所述损耗波导单元上形成限制电流侧向扩散并形成弱折射率引导机制。

6.根据权利要求1所述的条形半导体激光器阵列，其中，所述中心波导单元、所述增益波导单元和所述损耗波导单元的刻蚀深度相同，为0.2μm～1.7μm；所述增益波导单元和所述损耗波导单元的宽度相同，为3μm～100μm；所述中心波导单元的宽度为3μm～100μm。

7.根据权利要求1所述的条形半导体激光器阵列，其中，所述波导单元组之间和所述波导单元组与所述中心波导单元的间距相同，为50nm～100μm。

8.根据权利要求1所述的条形半导体激光器阵列，其中，所述波导单元组内的两个所述损耗波导单元或所述增益波导单元与所述损耗波导单元的间距为50nm～100μm，其中，所述波导单元组内的两个所述损耗波导单元或所述增益波导单元与所述损耗波导单元的间距小于所述波导单元组之间或所述波导单元组与所述中心波导单元的间距。

9.根据权利要求1所述的条形半导体激光器阵列，其中，所述中心波导单元单侧至少包括1个波导单元组。

10.一种根据权利要求1～9任一项所述的具有拓扑性质的条形半导体激光器阵列在半导体激光器领域的应用。

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