CN113285346A - 一种基于拓扑光子的半导体涡旋光激光器 - Google Patents

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忻向军
何晓颖
张琦
杨雷静
田清华
尹霄丽
田凤
刘博�
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Abstract

本发明公开了一种基于拓扑光子的半导体涡旋光激光器。本发明属于光电子器件领域。该激光器由上往下依次为：p电极层、p型欧姆接触层、二维光子拓扑结构层、折射率引导层、有源层、n型欧姆接触层和n电极层。其中，二维光子拓扑结构是由具有光子自旋‑轨道耦合效应光子晶体阵列构成，光子晶体由电压层和磁压层交替堆叠而成，通过上述二维光子拓扑结构对有源区内的光场相互作用，从而产生涡旋激光光束。本发明通过二维拓扑光子学结构来改变激光输出的自旋特性，有效地实现了高集成的涡旋激光输出。

Description

一种基于拓扑光子的半导体涡旋光激光器
技术领域
本发明涉及光电子器件领域，具体涉及一种基于拓扑光子的半导体涡旋光激光器，更具体利用由具有光子自旋-轨道耦合效应的光子晶体阵列构成二维光子拓扑结构来设计半导体激光器，产生涡旋激光。
背景技术
随着光电子科学的发展，激光器的应用范围不断拓展，覆盖了工业、商业等各个领域。其中，半导体激光器因其波长范围宽，制作成本低，小巧轻便，寿命长等优势，展现出广阔的应用前景。半导体物理学的发展使得激光器的结构有了进一步的改善与革新，(多)量子阱激光器、分布式布拉格反射激光器、分布式反馈激光器、垂直腔面发射激光器等不同结构的半导体激光器也应势而生。虽然当前激光器在输出激光性能上取得了长足的发展，但大多数激光器缺少对输出激光自旋特性的关注。而对于一些特殊场景，一些具有偏振形式、特殊振幅或者相位的光场受到了人们的关注。涡旋光束携带一定的轨道角动量，波前相位呈螺丝线分布，在大规模光通信、量子信息处理等许多领域具有潜在的应用价值。目前，已有研究展示了基于涡旋光束产生方法，但器件较大的体积，过于复杂的结构对其实际使用产生的较大的影响。
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于拓扑光子的半导体涡旋光激光器。该器件通过二维拓扑光子学结构层和折射率引导层在激光器腔内与光场进行相互作用，从而实现涡旋激光的输出。基于拓扑光子的半导体涡旋光激光器继承了半导体激光器的结构优势，为高效的、结构紧凑的涡旋激光输出提供了一种有效的解决方案。
发明内容
涡旋光在大规模光通信、量子信息处理等许多领域具有潜在的应用价值，因此该涡旋光激光器具有重要的研究意义。本发明提出了一种基于拓扑光子的半导体涡旋光激光器，该器件具有结构简单、体积小等优势。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
提供了一种基于拓扑光子的半导体涡旋光激光器，该激光器由上往下依次为：p电极层(1)、p型欧姆接触层(2)、二维光子拓扑结构层(3)、折射率引导层(4)、有源层(5)、n型欧姆接触层(7)和n电极层(8)。
上述二维光子拓扑结构层(3)由具有光子自旋-轨道耦合效应光子晶体(31)阵列构成。
上述光子晶体(31)结构由堆叠的压电层(311)PE和压磁层(312)超晶格组成。由于这种基于压电(PE)-压磁(PM)超晶格的光子晶体模型,在压电(PE)和压磁(PM)超晶格成分中可以实现磁电耦合，使光子自旋-轨道耦合效应打破了玻色子时间反演对称性。通过上述理论，可以设计出左和右圆极化或任意两个的模式/极化态来实现两个螺旋态。
上述折射率引导层(4)由布拉格光栅(41)和波导耦合成层(42)两层组成。
上述布拉格光栅(41)内嵌于有源层(5)的上表面，用以实现激光器输出波长的选择。
上述有源层(5)的光场通过波导耦合成层(42)进入二维光子拓扑结构层(3)，波导耦合成层(42)的作用是提高二维光子拓扑结构层与光场相互作用的效率。
本发明的优点：
将光子自旋-轨道耦合效应光子晶体(31)阵列构成的二维光子拓扑结构(3)集成到半导体激光器中，可以实现涡旋激光光束的产生，且保留半导体激光器本身的体积小的优势。为进一步适应各类场景的需求，可以将本发明中使用的二维光子拓扑结构(3)应用于其他结构的半导体激光器中。作为一种微观结构，本发明中的光子晶体(31)模型具有较好的普适性，可以与大多数半导体激光器结构模型相结合，实现各类性能不一的涡旋激光光束。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中二维光子拓扑结构层和折射率引导层结构示意图
图3为本发明中光子晶体结构示意图图中有：p电极层(1)，p型欧姆接触层(2)，二维光子拓扑结构层(3)、折射率引导层(4)、有源层(5)，n型欧姆接触层(7)、n电极层(8)、光子晶体(31)、压电层(311)、压磁层(312)、布拉格光栅(41)和波导耦合成层(42)。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明的具体实施例。
从图1可以看出，本发明一种基于拓扑光子的半导体涡旋光激光器，从上到下依次包含了p电极层(1)，p型欧姆接触层(2)，二维光子拓扑结构层(3)、折射率引导层(4)、有源层(5)，n型欧姆接触层(7)和n电极层(8)。该激光器为边发射激光器，激光输出示意图如图1所示。
本发明中二维光子拓扑结构层(3)和折射率引导层(4)结构示意图如图2所示。折射率引导层(4)由布拉格光栅(41)和波导耦合成层(42)组成。布拉格光栅结构内嵌于有源层(5)的上表面，从而沿腔长方向上产生折射率或增益周期性的变化，当光波频率与空间结构周期参数Λ满足谐振条件时，实现激光器输出单模输出。
二维光子拓扑结构层(3)由具有光子自旋-轨道耦合效应光子晶体(31)阵列构成。其中光子晶体结构示意图如图3所示。光子晶体(31)是由压电层(311)-压磁层(312)超晶格交替堆叠构成，通过对堆叠组合进行设计可以产生电磁耦合，从而使光子发生自旋-轨道耦合效应，进而产生两个模式的涡旋光束。
有源层(5)中的光场通过波导耦合成层(42)耦合进入二维光子拓扑结构层(3)，通过波导耦合成层(42)的设计可以提高二维光子拓扑结构层与光场相互作用的效率。
综上所述，本发明一种基于拓扑光子的半导体涡旋光激光器，利用由具有光子自旋-轨道耦合效应光子晶体阵列构成二维光子拓扑结构来设计半导体激光器，产生涡旋激光，不仅解决了当前涡旋光束激光器结构复杂，体积较大等问题，还可以将本发明使用的二维光子拓扑结构应用于其他半导体激光器结构中，以适应各类应用场景的需求。因此，具有广泛的应用前景。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于拓扑光子的半导体涡旋光激光器，其特征在于：该激光器由上往下依次为：p电极层(1)，p型欧姆接触层(2)，二维光子拓扑结构层(3)，折射率引导层(4)，有源层(5)，n型欧姆接触层(7)和n电极层(8)。
2.根据权利要求1所述一种基于拓扑光子的半导体涡旋光激光器，其特征在于：二维光子拓扑结构层(3)由具有光子自旋-轨道耦合效应的光子晶体(31)阵列构成。
3.根据权利要求1和2所述一种基于拓扑光子的半导体涡旋光激光器，其特征在于：所述光子晶体(31)是由压电层(311)、压磁层(312)超晶格交替堆叠构成。
4.根据权利要求1所述一种基于拓扑光子的半导体涡旋光激光器，其特征在于：所述折射率引导层(4)由布拉格光栅(41)和波导耦合层(42)组成。
5.根据权利要求1和4所述一种基于拓扑光子的半导体涡旋光激光器，其特征在于：所述布拉格光栅(41)内嵌于有源层(5)的上表面，以实现激光器输出波长的选择。
6.根据权利要求1和4所述一种基于拓扑光子的半导体涡旋光激光器，其特征在于：所述波导耦合成层(42)将有源层(5)中的光场耦合进入二维光子拓扑结构层(3)，其作用是提高二维光子拓扑结构层(3)与光场相互作用的效率。
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