CN116073231A - 多波长拓扑腔面发射激光器阵列 - Google Patents

Abstract

本申请涉及单片集成的多波长拓扑腔面发射激光器阵列。根据一实施例，一种单片集成的拓扑腔面发射激光器阵列包括由相同的半导体层形成的多个拓扑腔面发射激光器，激光器的至少一个层形成为光子晶体层，或者激光器还包括单独的光子晶体层。光子晶体层包括多个超胞结构，超胞结构的子结构具有多个独立一维参数，一个或多个子结构的至少两个独立一维参数被调制为大于或小于其平衡位置以打开在平衡位置时超胞结构能带的狄拉克点。绕光子晶体层的某一点任意一圈，超胞结构的两个独立一维参数的调制形成涡旋结构，其在参数空间中对应于围绕平衡位置的一圈或多圈。两个激光器的超胞结构晶格常数可以不同以发射不同波长的激光。

Description

多波长拓扑腔面发射激光器阵列

技术领域

本申请总体上涉及半导体领域，更特别地，涉及一种支持多波长的单片集成拓扑腔面发射激光器阵列。

背景技术

半导体激光器因其体积小、效率高和价格低等优势，已成为大量应用领域的首选光源。为了弥补单个半导体激光器光源功率不足的缺陷，还期望形成多个半导体激光器的阵列。根据激光的出射方式，半导体激光器可分为激光从谐振腔边缘射出的边发射激光器和激光从谐振腔顶表面垂直射出的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。在制造边发射激光器时，需要将含有谐振腔结构层的衬底切开，激光从切割断面出射，因此单片集成的边发射激光器阵列都是一维的，二维阵列需要组装多个切开的分立一维阵列，导致整个二维阵列尺寸较大，集成度不高，封装要求高，而且一般难以精确对准多个分立的一维边发射阵列的激光出射方向。与边缘发射激光器不同，垂直腔面发射激光器由于激光从顶表面垂直射出而不需要切割工艺，可以在单个半导体衬底和晶圆上通过同一工艺流程制备多个垂直腔面发射激光器的二维阵列，无需将它们切割开即可作为阵列光源使用，因此其整体尺寸可以制备得很小，具有很高的集成度，并且阵列中各个激光器的激光出射方向彼此一致，均垂直于共振腔的上表面。鉴于这些优点，垂直腔面发射激光器的单片集成阵列光源在诸如手机之类的便携式电子设备上得到了广泛的应用。

但是，目前的垂直腔面发射激光器阵列还具有若干弱点。例如，单个激光器的尺寸一般在10μm以内，发射功率一般很难超过10mW，发散角一般在15°以上。仍期望进一步提高激光器的发射功率和降低其发射角。如果通过增大激光器尺寸来提高发射功率，又会发生多模激射，严重影响光束质量。此外，在单片集成的垂直腔面发射激光器阵列中，波长一般完全一致，都是由垂直腔结构决定的，因为垂直腔是在整片晶元外延生长时就制备完成了的。因为以上原因，阵列中各个激光器的波长、功率、光束质量等属性都基本彼此相同，难以通过调制等手段来获得不同属性例如不同发射波长的激光器阵列，这也大大限制了该激光器阵列的应用领域。例如，在光通信领域，希望提供具有多种输出波长的单片集成面发射激光器阵列光源，以用于多波长光纤通信，在一根光纤中利用多波长激光同时来进行通信可以大大提高通过该光纤传输的数据总量。另外，在例如激光雷达或探测等领域，也期望使用多波长激光来进行扫描，其可以提供比单波长激光更多的信息，例如不仅能确定扫描对象的距离，还能通过光谱信息来确定扫描对象的材料属性。还有，在眼科广泛使用的光学相干断层扫描技术也同样需要宽谱相干光源。

发明内容

针对上述问题中的一个或多个，提出了本申请。

根据一实施例，提供一种单片集成拓扑腔面发射激光器阵列，包括由相同的半导体层形成的多个拓扑腔面发射激光器，所述拓扑腔面发射激光器包括第一半导体层、设置在所述第一半导体层上的有源层、设置在所述有源层上的第二半导体层、以及分别设置在所述第一半导体层和所述第二半导体层上的第一电极和第二电极。其中，所述第一电极、所述第一半导体层、所述有源层、所述第二半导体层和所述第二电极中的至少一个形成为光子晶体层，或者所述拓扑腔面发射激光器还包括单独的光子晶体层。所述光子晶体层包括多个超胞结构，所述超胞结构具有一个或多个子结构，所述子结构具有多个独立一维参数，所述超胞结构的一个或多个子结构的至少两个独立一维参数被调制为大于或小于其平衡位置，以打开在所述平衡位置时所述超胞结构的能带的狄拉克点，绕所述光子晶体层的某一点任意一圈，所述超胞结构的两个独立一维参数的调制形成涡旋结构，所述涡旋结构在由所述两个独立一维参数构成的二维参数空间中对应于围绕平衡位置的一圈或多圈。

在一些实施例中，所述子结构的独立一维参数包括大小、形状和位移。

在一些实施例中，所述超胞结构的一个或多个子结构的至少两个独立一维参数的调制包括：对一个子结构的至少两个独立一维参数分别进行调制；或者对两个或更多个子结构每个的至少一个独立一维参数进行调制。

在一些实施例中，绕所述光子晶体层的某一点任意一圈，所述超胞结构的两个独立一维参数每个都被调制整数个周期。

在一些实施例中，两个或更多个拓扑腔面发射激光器的光子晶体层具有不同的超胞晶格常数。

在一些实施例中，所述两个或更多个拓扑腔面发射激光器的光子晶体层的超胞晶格常数的最大差值在其最大晶格常数的50％的范围内，优选地在其最大晶格常数的30％的范围内。

在一些实施例中，所述光子晶体层的超胞晶格常数在50nm至500μm的范围内。

在一些实施例中，每个拓扑腔面发射激光器的光子晶体层中光子晶体的面内最大尺寸大于10μm且小于或等于10cm，优选地大于50μm且小于或等于1cm。

在一些实施例中，所述单独的光子晶体层设置在所述第一电极、所述第一半导体层、所述有源层、所述第二半导体层和所述第二电极中的任意相邻两层之间，或者设置在与所述第一电极或第二电极相同的层中。

根据另一实施例，提供一种电子设备，其包括上述单片集成拓扑腔面发射激光器阵列。所述电子设备可以是光通信设备、激光雷达设备、探测传感设备、激光加工设备、激光医疗设备、激光武器设备、照明设备、或者显示设备。

本申请的上述和其他特征和优点将从下面对示例性实施例的描述而变得显而易见。

附图说明

通过结合附图对本申请的示例性实施例进行更详细的描述，本申请的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

图1示出根据本申请一实施例的单片集成拓扑腔面发射激光器阵列的示意图。

图2A示出根据本申请一实施例的光子晶体层的平面图。

图2B示出图2A的光子晶体层的剖视图。

图2C示出图2A的光子晶体层的超胞结构示意图。

图2D示出光子晶体层的超胞结构的能带图。

图3A示出根据本申请一实施例的超胞结构二维调制的示意图。

图3B示出在参数空间中图3A的二维调制的示意图。

图4A示出根据本申请另一实施例的光子晶体层的平面图。

图4B示出图4A的光子晶体层的超胞结构示意图。

图4C示出图4A的光子晶体层的超胞结构中的子结构调制示意图。

图5A示出根据本申请另一实施例的光子晶体层的平面图。

图5B示出图5A的光子晶体层的超胞结构示意图。

图5C示出图5A的光子晶体层的超胞结构中的子结构调制示意图。

图6示出包括光子晶体层的激光器的原理示意图。

图7A至图7E示出根据本申请一些实施例的包括光子晶体层的激光器的结构示意图。

图8示出根据本申请一实施例的包括光子晶体层的激光器的性能示意图。

图9示出根据本申请一实施例的具有不同晶格常数的多个激光器的发光性能示意图。

图10示出根据本申请一些实施例的具有不同尺寸的激光器的特性示意图。

具体实施方式

下面，将参考附图详细地描述本申请的示例性实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，应理解，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。

图1示出根据本申请一实施例的单片集成拓扑腔面发射激光器阵列的示意图。如图1所示，单片集成拓扑腔面发射激光器阵列10可包括多个半导体激光器20，在本发明中半导体激光器20包括光子晶体层而形成拓扑腔面发射激光器结构，因此也称为拓扑腔面发射激光器20。图1中仅示意性示出了两个半导体激光器20。可以理解，多个半导体激光器20可以布置成期望的形状，例如排列成行和列的阵列，或者布置成圆形等等。相邻激光器20之间可以有期望的间距，该间距可以考虑到期望的集成密度、散热空间、布线空间等因素来确定。每个半导体激光器20可以具有期望的形状，图1中示出为圆盘形状，但是也可以是其他形状例如矩形、正方形、椭圆形、正六边形等。半导体激光器20可以基于各种常用的半导体材料体系，例如GaAs、InP、GaN等，下面以特定的材料为例进行说明，但是应理解本发明不限于这些材料示例。

半导体激光器20可包括第一半导体层22、有源层23和第二半导体层25。第一半导体层22和第二半导体层25可以具有不同的导电类型，例如第一半导体层22可以为N型掺杂半导体层，第二半导体层25可以为P型掺杂半导体层，或者反之亦可，从而分别向有源层23中注入N型载流子和P型载流子。在一些实施例中，第一半导体层22可以为InP、GaAs或GaN衬底等，其可以用例如S、Si等掺杂剂来进行N型掺杂，掺杂浓度可以在例如2-8*10¹⁸的范围。第二半导体层25可以是在有源层23上外延生长的例如InGaAsP、InGaAs、AlGaAs等半导体层，其可以用例如Zn来进行P型掺杂，掺杂浓度可以为例如1*10¹⁹左右。有源层23可以采用多量子阱结构，其包括交替形成的势垒层和量子阱层。例如，当第一半导体层22为InP衬底时，有源层23可包括在其上外延生长的多个InGaAsP势垒层和量子阱层，通过调节各元素的原子配比来形成势垒层和量子阱层，并且每个量子阱层被夹置于相邻的势垒层之间。

半导体激光器20还包括形成在第一半导体层22上的第一电极21和形成在第二半导体层25上的第二电极27。第一电极21和第二电极27可以由具有良好导电性的金属形成，例如Au、Ag、Ti-Au合金、In-Au合金等，其也可以具有多层结构。在图1所示的实施例中，第二电极27位于出光侧，因此其可以为具有出光窗口的结构，以供激光从窗口垂直射出，窗口中也可以填充有透明材料例如SiO₂以保护下方的半导体层。在一些实施例中，第二电极27也可以由透明导电材料例如ITO、IZO形成。第一电极21可以位于第一半导体层22的与有源层23相反的一侧，其除了向第一半导体层22注入电流之外，还可以将向下发射的光向上反射，以提高激光器20的发光效率。在一些实施例中，第一电极21也可以形成在第一半导体层22的与有源层23相同的一侧，例如第一电极21可以在第一半导体层22上形成为围绕有源层23的环状电极，但是其和有源层23之间间隔开一距离。此时，还可以形成额外的反射层以将向下发射的光向上反射，例如可以在第一半导体层22的下表面上设置高反射膜，或者在第一半导体层22中形成布拉格反射镜(DBR)。

在图1所示的激光器阵列10中，各个激光器20的第一电极21和第一半导体层22可以是连续的层，有源层23、第二半导体层25和第二电极27可以通过蚀刻而彼此分隔开，或者通过其他处理手段而使其彼此电隔离。应理解，图1仅示出了激光器20中的主要功能层，而省略了一些层例如缓冲层、波导包层等。

在本发明的一些实施例中，第一电极21、第一半导体层22、有源层23、第二半导体层25和第二电极27中的至少一个可以形成为光子晶体层，或者激光器20可以包括单独的光子晶体层，以形成拓扑腔面发射结构。单独的光子晶体层可以形成在第一电极21、第一半导体层22、有源层23、第二半导体层25和第二电极27中的任意两个相邻的层之间，或者可以形成在与第一电极21或第二电极27相同的层中。下面将分别进行具体说明。

图2A示出根据本申请一实施例的光子晶体层30的俯视平面图，图2B是光子晶体层30的剖视图，图2C示出光子晶体层30中的超胞结构31的示意图，图2D示出超胞结构的能带图。首先参照图2A，光子晶体层30可包括多个超胞结构31，超胞结构31是光子晶体层30中的重复结构单元，其放大视图示于图2C中。超胞结构31可以具有正六边形形状，呈蜂窝状排列，每个超胞结构31可包括三个平行四边形的原胞，每个原胞中又可以包括多个子结构，例如图示的黑色圆形子结构32和灰色圆形子结构34。应理解，这里的圆形子结构仅是示例，子结构32和34可以具有任何其他形状。每个原胞可以包括更多个子结构，或者围绕子结构32和34的原胞主体材料也可以视为构成原胞的一个子结构。应理解，这里示出的超胞、原胞和子结构仅为示例，光子晶体层30可以包括任何其他形状和布局的超胞、原胞和子结构，只要其不脱离这里描述的本发明的原理即可。

参照图2B，子结构32和34可以通过蚀刻光子晶体层30的主体材料以形成圆形空气孔而形成，或者也可以在圆形空气孔中填充与光子晶体层30的主体材料不同介电常数或折射率的材料。这里，可以将光子晶体层30的主体材料称为第一折射率材料，将光子晶体层30的圆形子结构32和34的材料称为第二折射率材料。光子晶体层30还可以包括第三折射率材料，例如子结构32和34可以由具有不同折射率的不同材料形成。形成光子晶体层30的这些材料可以根据光子晶体层30在激光器20中的位置来适当地选择，如下面将详细描述的那样。可以理解，这里描述的超胞、原胞和子结构并不是晶体材料中由原子重复排列而形成的晶体结构，而是通过例如蚀刻或其他工艺(例如3D打印)而人工形成的重复微结构，其由设计者确定并且通过特定的制造工艺来实现，因具有与晶胞类似的重复排列特性，因此这里借用晶体领域的术语“超胞”和“原胞”来进行描述。虽然附图示出了超胞结构为六边形，原胞为平行四边形，并且子结构为圆形，但是它们也可以具有其他形状和布局。

在光子晶体层30中，每个超胞结构31的一个或多个子结构被二维调制，图2C示出了二维调制的一个特定示例。具体而言，每个子结构32、34可以具有多个独立一维参数，独立一维参数是指可以被独立地在一个维度上调制的参数，其示例包括子结构的大小、形状和位移。例如，子结构的尺寸大小可以在大小维度上调制为变大或变小，因此大小是子结构的一个独立一维参数。再例如，子结构的位置，例如其质心位置，可以被调制以从平衡位置偏移，质心在一维直线上的位移是一个独立一维参数。如果质心在二维平面内位移，也就是说这种位移可以用不同方向上的位移来表示，或者用位移幅度和位移辐角来表示，并且不同方向上的位移或者位移幅度和位移辐角可以被彼此独立地调制，那么每个方向上的位移(其相当于一维位移)以及位移幅度和位移辐角每个都是子结构的一个独立一维参数。例如，子结构的位移可以用x轴方向的位移和y轴方向的位移来表示，xy平面为光子晶体层的层平面，并且x方向位移和y方向位移可以彼此独立地调制，因此x方向位移和y方向位移每个可以被认为是一个独立一维参数，其也可以理解为固定方向上的位移幅度独立一维参数。此外，子结构的形状可以从其初始形状变化为任意形状，因此形状的每种变化可以被视为是一个独立一维参数，其可以用一个特别定义的形状因子来表示。例如形状在三角形和圆形之间变化可以视为一个独立一维结构参数，形状在三角形和正方形之间变化可以视为另一个独立一维结构参数。除了这里描述的独立一维参数的例子，子结构也可以具有其他独立一维参数，这里不一一例举。超胞结构的二维调制可以包括，任意一个子结构的两个独立一维参数被分别调制，或者两个子结构每个的一个独立一维参数被调制。在图2C所示的实施例中，超胞结构具有晶格常数a，其中每个子结构32和34具有圆形形状，其半径为r，虚线圆形为子结构34的平衡位置，其可以是与子结构32对称的位置。在该实施例中，子结构34的位移幅度m₀和位移辐角φ₀被调制，以实现对超胞结构31的二维调制。当然，也可以按照上面描述的其他方式，实现对超胞结构31的二维调制。

对超胞结构31的二维调制可以打开其能带结构中的狄拉克点。当超胞结构31未被调制时，也就是其独立一维参数都位于平衡位置时，超胞结构31的能带具有双重狄拉克点，如图2D的左图所示。当超胞结构31被二维调制时，也就是其两个独立一维参数被调制为大于或小于其平衡位置时，超胞结构31的能带图中的双重狄拉克点将会被打开，如图2D的右图所示。通过绕光子晶体层一周在所有位置都打开双重狄拉克点，本申请实现了二维拓扑光子晶体腔，也称作狄拉克涡旋腔，具有大模场面积、大自由光谱范围、窄光束发散角、任意模式简并度、以及多种衬底材料兼容等特点，如下面详细描述的那样。

在图2A所示的光子晶体层30中，选取任意点作为中心，绕其一周，可以是圆形一周、椭圆形一周或者任意曲线形状的一周，多个超胞结构31的两个独立一维参数的调制(即前述二维调制)形成涡旋结构，也就是说，对超胞结构31的两个独立一维参数的调制随着绕中心点的角度而周期性地变化，从而在由这两个独立一维参数构成的二维参数空间中，二维调制的涡旋结构对应于围绕平衡位置的一圈或多圈。图3A和3B示出了这种涡旋结构的示例，其中图3A是实空间的二维调制的涡旋结构的示意图，图3B是参数空间中二维调制的涡旋结构的示意图。在图3A和3B所示的实施例中，以对每个原胞中的一个子结构32或34的位置例如质心在x轴和y轴两个维度上的调制为例进行说明。首先参照图3A，其从左到右依次示出了五个超胞结构，其对应于绕图2A所示的光子晶体层30上任意一点一周，分别在0°、90°、180°、270°和360°五个角度位置处的超胞结构31，其中大虚线圆形为质心被调制的子结构的平衡位置，小虚线圆形为质心被调制的子结构的质心调制轨迹，虚线圆形上的黑点为子结构的质心。在0°位置的第一个超胞结构中，子结构的质心从其平衡位置偏移到黑点所示位置，其对应于一x轴偏移值和一y轴偏移值。在90°位置的第二个超胞结构中，子结构的质心偏移位置在虚线圆形所示的轨迹上逆时针旋转90°，则其质心的x轴偏移值和y轴偏移值都发生了变化。类似地，在180°位置、270°位置和360°位置的三个超胞结构中，子结构的质心偏移位置依次在虚线圆形所示的轨迹上逆时针旋转90°，其对应于质心的x轴偏移值和y轴偏移值的变化，并且在360°位置时对质心的二维调制完成了整数个(此示例中为1个)周期，回到与0°位置的超胞结构相同的质心位置。图3B示出在x轴质心位置和y轴质心位置构成的二维参数空间中，图3A的质心调制的示意图，其中圆形黑点为质心的x轴位置和y轴位置组合在参数空间中的对应点。可以理解，图3A所示的实空间中对子结构质心的二维调制涡旋结构，对应于图3B的参数空间中质心位置点绕中心平衡位置(质心偏移为零的位置)的一圈。可以理解，在图3A的实空间中绕光子晶体层上任意一点一圈，对子结构的质心二维调制可以变化更多个整数周期，例如2个周期、3个周期等，此时对应于在图3B的参数空间中，质心位置点绕中心平衡位置更多圈，例如2圈、3圈等。还应理解，在图3B的参数空间中，取决于两个独立一维参数被调制的相位差，即分别绕平衡位置振荡的相位差，这两个独立一维参数组合的点在参数空间中的轨迹不一定是图3B的虚线所示的圆形轨迹，而有可能是椭圆，或者在极端情况下为经中心平衡位置振荡的直线轨迹，这些轨迹都可以视为绕平衡位置一圈或多圈。

图3A和3B所示的质心二维调制仅是一个示例，还可以对超胞结构中的一个或多个子结构的上述其他独立一维参数进行调制。例如，可以对一个子结构的一维位置和子结构大小这两个独立一维参数分别进行调制；可以对一个子结构的形状进行一种特定方式的调制，同时对子结构的大小进行调制；或者对两个子结构的形状分别进行不同的调制，例如第一子结构的形状围绕平衡位置形状(例如圆形)在第一形状(例如正方形)和第二形状(例如四角星形)之间变化，第二子结构的形状围绕平衡位置形状(例如正方形)在第一形状(例如横向长条形状)和第二形状(例如竖向长条形状)之间变化，等等。这些调制都落在本申请的二维调制的范围内。本申请的二维调制涵盖对超胞结构的一个或多个子结构的两个或更多独立一维参数分别进行调制的任何形式，只要其能够打开超胞结构的能带的双重狄拉克点即可。

如前所述，光子晶体层的超胞结构也不限于上面描述的示例。图4A至4C示出根据本发明另一实施例的光子晶体层及其子结构调制的示意图，其中图4A示出了光子晶体层的平面图，图4B示出了光子晶体层中的超胞结构示意图。如图4A所示，光子晶体层可包括第一高折射率材料形成的三角形结构，以及包围三角形结构的第二低折射率材料。特别地，三角形结构本身可以为空气孔隙，而不填充其他材料。参照图4B，光子晶体层的超胞可包括三个原胞A1、A2和A3，每个原胞包括三个分支结构，每个分支结构包含一个底边相等的三角形，三个分支结构顶点重合，构成等边三角形。图4C示出对分支结构的调制。在调制前，分支结构顶点到底边可以具有相同的高度t₀，即三个分支结构完全相同。三个分支结构的质心矢量分别为R_a、R_b和R_c，其组合矢量位于中央平衡位置。可以将每个分支结构三角形的高度分别调制到t_a、t_b和t_c，从而使原胞的质心发生偏移，其偏移幅度为δ，偏移辐角为

这样，可以类似地对超胞结构中的子结构(或者原胞)进行二维调制，以在图4A所示光子晶体层的围绕中心点一圈的每个位置处都打开超胞结构的能带的双重狄拉克点。

图5A至5C又示出根据本发明另一实施例的光子晶体层及其子结构调制的示意图，其与前面描述的调制原理相同，仅是超胞中的子结构的设置有所不同。图5A示出了光子晶体层的平面图，图5B示出了光子晶体层中的超胞结构示意图。如图5A所示，光子晶体层可包括第一高折射率材料形成的等腰直角三角形结构，以及围绕等腰直角三角形结构的第二低折射率材料。特别地，等腰直角三角形结构本身可以为空气孔隙，而不填充其他材料。参照图5B，光子晶体层的超胞可包括直角边长度分别为L₀和L_a的等腰直角三角形结构。图5C示出对超胞结构的调制。在调制前，两个等腰直角三角形结构的中心位于各自的平衡位置。在调制过程中，直角边长度为L_a的等腰直角三角的中心位置保持不变，可以将该中心位置不变的等腰直角三角形的两条直角边长度在L_b与L_c范围内变化，同时将另一个直角边长度为L₀的等腰直角三角形边长保持不变，中心的位置在δ与-δ范围内移动。这样，可以类似地对超胞结构中的子结构(例如原胞)进行二维调制。

上面论述了光子晶体层的实施例。如前所述，这里的光子晶体层可以应用到激光器20中的每个层，或者激光器20可以包括单独的光子晶体层。下面参照图6说明包括光子晶体层的激光器的原理。在图6的示例中，光子晶体层形成在多量子阱(MQW)有源层上方，多量子阱有源层可位于InP衬底上，其中有源层为增益区。在垂直方向上导模场至少部分地交叠光子晶体层，从而有源层中产生的光子可以被光子晶体层选择性地限制在增益区中，形成谐振放大，光子谐振方向在层平面方向上，但是会产生垂直方向上的分量。光子晶体层对特定波长进行选择放大，最终生成激光从上表面垂直激射出去，垂直向下发射的激光可以通过反射结构被反射到上表面发射，以提高光发射效率。可以理解，光子晶体层可以位于激光器20中的任何位置，只要其和导模场至少部分地交叠即可；当然，优选的是光子晶体层和导模场更多地交叠，因此可以将光子晶体层形成在有源层中或者尽可能地靠近有源层。

图7A至图7E示出根据本申请一些实施例的包括光子晶体层的激光器的结构示意图。如前所述，激光器20中的每个层可以形成为光子晶体层，或者激光器20可以包括单独的光子晶体层，只要所形成的光子晶体层能与导模场部分交叠。在图7A所示的实施例中，第一电极21可以形成为光子晶体层，或者单独的光子晶体层可以形成在与第一电极21相同的层中。例如，第一电极21的金属层可以被蚀刻出许多孔隙，这些孔隙可以被填充有不同介电常数的材料例如SiO₂，或者不填充材料而形成空气孔隙，从而这些孔隙可以形成为超胞结构。这种在金属电极层中形成的光子晶体层尤其适合于太赫兹波段。或者，第一电极21可以形成为环状电极，在环状电极的中心开口区域中可以形成单独的光子晶体层。可以理解，当第一电极21中包括有光子晶体层时，还可以在第一电极21下方形成高反射膜24以将向下发射的激光反射为向上发射，以提高激光器20的发光效率。可以理解，在一些实施例中，也可以将第二电极27形成为光子晶体层，或者在环状第二电极27的出光窗口中形成单独的光子晶体层，其可以与上关于第一电极21描述的光子晶体层类似，因此不再重复描述。

图7B示出了第一半导体层22形成为光子晶体层的实施例。例如，可以在第一半导体层22蚀刻出许多孔隙，在这些孔隙中填充不同介电常数的材料例如SiO₂，或者不填充材料而形成空气孔隙，从而这些孔隙可以形成为超胞结构。然后，可以在第一半导体层22上外延生长缓冲层和有源层，即使第一半导体层22中包括空气孔隙，材料的横向外延生长也可以覆盖空气孔隙，在其上方形成连续的外延层，以用于形成后续的例如有源层。类似地，还可以将有源层23、第二半导体层25形成为光子晶体层，这里不再重复描述。

图7C示出包括单独的光子晶体层26的激光器20的实施例。在该实施例中，光子晶体层26位于有源层23和第二半导体层25之间，当然也可以位于其他位置，只要在垂直方向上与导模场有交叠即可。光子晶体层26可以通过在有源层23上外延生长半导体层，在外延层中蚀刻孔隙，然后在孔隙中填充不同折射率的材料或者空气而形成。然后可以在光子晶体层26上外延生长第二半导体层25。

图7D示出了形成在有源层23和第二半导体层25之间的光子晶体层26的另一个具体实施例。可以蚀刻有源层23的一部分以形成孔隙，在孔隙中填充不同折射率的材料或者空气，然后在其上外延生长第二半导体层25。因此，光子晶体层26包括与有源层23相同的材料部分26a和填充的不同折射率材料部分26b。

图7E示出了形成在有源层23和第二半导体层25之间的光子晶体层26的另一个具体实施例。可以蚀刻有源层23的一部分以形成孔隙，然后直接在具有孔隙的有源层23上外延生长第二半导体层25。可以采用共形外延工艺，使得第二半导体层25的材料填充有源层23中的孔隙，从而光子晶体层26包括与有源层23相同的材料部分26a和与第二半导体层25相同的材料部分26b。由于第二半导体层25具有与有源层23不同的材料或者材料配比，因此材料部分26a和26b具有不同的折射率。

上面描述了激光器20中包括光子晶体层的一些实施例。本申请的包括光子晶体层的激光器20能实现许多优异的技术效果。传统的垂直面发射激光器的光腔直径一般在10μm以下，超过10μm时会产生多模激射，影响激光质量。限于激光器尺寸，输出功率一般在10mW以下，而发散角一般在15°以上。本发明中通过采用上述光子晶体层，可以将激光器20形成为具有10μm以上的更大尺寸，例如可以大于20μm，甚至大于50μm。考虑到功率密度和散热等问题，激光器20的尺寸可以在10cm以内，或者可以在5cm以内，优选地可以在1cm以内。或者准确地说，每个激光器的光子晶体层中的光子晶体的面内最大尺寸例如直径、长度或者长轴可以在10μm以上，优选在20μm以上，更优选在50μm以上，并且可以在10cm以下，优选在5cm以下，更优选在1cm以下。图8示出根据本申请一实施例的包括光子晶体层的激光器的性能示意图。该激光器样品包括在225nm厚度的InGaAsP多量子阱有源层上方的320nm厚度的InGaAsP/InP光子晶体层，有源层直径为500μm，远远大于常规激光器的10μm以内的直径。光子晶体层采用图3A所示的超胞二维调制，超胞晶格常数a为325nm，子结构半径r与超胞晶格常数a之间的比值r/a＝0.32。图8中的(a)图示出多个样品的显微照片，准备了子结构位移幅度m等于0.1a、0.13a、0.16a、0.19a和0.22a的五个样品。图8中的(b)图示出了这五个样品的光输出特性，可以看出通过优化位移幅度m值可以提高最大光输出功率，但是如果进一步增大位移幅度m，则相邻子结构的空隙容易彼此连接，最终导致斜率效率下降。在m值为0.19a和0.22a的两个样品中，都实现了10W以上的远场峰值功率，远远大于目前的商业激光器。在更高泵浦条件下，由于热效应的存在，输出功率达到饱和。图8(b)中的插图是采用光谱分析仪测量的光谱及边模抑制比特性，所使用的光谱分析仪具有0.01nm的分辨率，当输出功率低于1W时，激光器20的输出光谱可以保持良好的单模特性，边模抑制比达到55dB以上，半高全宽为0.03nm。如果将光谱分辨率扩大到1nm，由于信号强度增加，则边模抑制比可达到60dB以上。图8中的(c)图示出m＝0.19a时，在不同泵浦条件下的输出光谱。可以看出，在高的泵浦条件下，由于折射率随温度升高而增大，激光器光谱产生了红移。当输出功率超过1W时，由于各种非线性效应，激光线宽会变宽，这也是半导体激光器的常见现象。图8中的(d)图是用红外相机拍摄的远场图，可以看出激光器的发散角在1°左右，远远小于传统激光器的15°最小值，因此激光器20具有优异的准直特性，可以减小系统集成的尺寸、复杂性和成本。远场为环形矢量光束，具有径向极化，与理论计算结果一致。图8中的(e)图是(b)图在激光器的阈值附近的放大。可以看出，不同m值的激光器均表现出明显的激射阈值，证明了该设计的稳定性。

可以理解，可以在相同步骤中形成激光器阵列10中的多个激光器20，其中在形成各个激光器20的光子晶体层时，可以利用不同的光刻胶掩模图案，通过蚀刻工艺形成不同的超胞结构，例如超胞结构的原胞和子结构图案或者超胞结构的大小即晶格常数可以彼此不同。一般而言，超胞结构的晶格常数可以在50nm至500μm的范围内，优选地可以在50nm至100μm的范围内，其可以根据形成激光器20的材料来选择超胞晶格常数的大致范围。多个激光器20的光子晶体层可以具有彼此不同的超胞晶格常数，对于相同材料形成的同一激光器阵列10中的多个激光器20，其超胞晶格常数的最大差值一般可以在最大晶格常数的50％的范围内，优选地在30％的范围内。图9示出了激光器阵列10中的多个激光器20具有不同的超胞结构晶格常数时，各个激光器20的发射特性。当超胞结构的晶格常数分别为315nm、320nm、325nm、330nm、335nm和340nm时，相应的激光发射波长从1512nm线性增大到1616nm，证明了激光器阵列10的多波长能力，从图9中的(a)图可以看出六个激光器都可以很稳定地实现单模工作，边模抑制比(SMSR)均大于50dB，最大的边模抑制比达到了60dB，即最低的阈值器件，其激光波长最接近光致发光(PL)峰值。根据图9中的(b)图所示的激光发射阈值可以估计，激光器20可以在较短的波长工作，能够跨越比这里显示的100nm跨度更宽的光谱。这种多波长垂直腔面发射激光器阵列可以潜在地提高光通信设备中采用的“波分复用”(WDM)技术的功率和带宽，应用于高容量信号传输，也可以应用于光学相干层析分析(OTC)和多光谱激光雷达等传感应用领域。

图10示出根据本申请一些实施例的具有不同尺寸的激光器的特性示意图。图10中的(a)图示出了多个样品的显微照片，这些激光器的器件尺寸(直径)分别为200μm、300μm、400μm和500μm，每个样品包括225nm厚度的InGaAsP多量子阱有源层和位于其上的320nm厚度的InGaAsP/InP光子晶体层，光子晶体层采用图3A所示的超胞二维调制，超胞晶格常数a为325nm，子结构半径r与超胞晶格常数a之间的比值r/a＝0.32。图10中的(b)图示出了这四个样品的光输出特性，可以看出所有尺寸的器件均可实现稳定激射。随着腔尺寸增加，出光功率增加。由于热效应的存在，输出功率随泵浦功率增加之后会达到饱和。相比于大尺寸器件，小尺寸器件更容易达到输出功率饱和。图10中的(c)图示出了激光器阈值附近的特性，所有样品均表现出明显的阈值，进一步证明了激射的稳定性。图10中的(d)图示出在相同泵浦条件下不同尺寸器件的输出光谱。可以看出，激光器在不同器件尺寸下均表现出良好的单模性。图10中的(e)图是用红外相机拍摄的远场图，独特的远场结构进一步证明了该激射模式为拓扑模式，与理论计算一致。可以看出，与常规的10μm以下尺寸的激光器相比，根据本申请实施例的激光器通过利用拓扑光子晶体层能够实现显著增大的激光器尺寸，从而提高发射功率，同时能保持优异的单模特性和小的远场发射角，因此极大地改善了激光器的性能，在各种激光器相关领域具有非常大的应用前景。

本申请的一些示例性实施例还提供一种包括上述单片集成半导体激光器阵列10的电子设备，这样的电子设备可以是例如光通信设备、激光雷达设备、探测传感设备、激光加工设备、激光医疗设备、激光武器设备、照明设备或者显示设备等，其中激光器阵列10可以用作多波长光源。例如在光通信设备中，激光器阵列10不仅能改善信号发射功率，而且其多波长能力有助于实现多波长信号传输，从而提高数据传输带宽。在激光雷达设备和探测传感设备中，激光器阵列10可以利用其多波长能力实现对扫描/探测对象的光谱分析，例如可以确定扫描对象是金属例如汽车或者是行人。在照明或显示设备中，激光器阵列10可以提供不同颜色的照明/显示能力。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (10)

1.一种单片集成拓扑腔面发射激光器阵列，包括由相同的半导体层形成的多个拓扑腔面发射激光器，所述拓扑腔面发射激光器包括第一半导体层、设置在所述第一半导体层上的有源层、设置在所述有源层上的第二半导体层、以及分别设置在所述第一半导体层和所述第二半导体层上的第一电极和第二电极，

其中，所述第一电极、所述第一半导体层、所述有源层、所述第二半导体层和所述第二电极中的至少一个形成为光子晶体层，或者所述拓扑腔面发射激光器还包括单独的光子晶体层，

所述光子晶体层包括多个超胞结构，所述超胞结构具有一个或多个子结构，所述子结构具有多个独立一维参数，所述超胞结构的一个或多个子结构的至少两个独立一维参数被调制为大于或小于其平衡位置，以打开在所述平衡位置时所述超胞结构的能带的狄拉克点，绕所述光子晶体层的某一点任意一圈，所述超胞结构的两个独立一维参数的调制形成涡旋结构，所述涡旋结构在由所述两个独立一维参数构成的二维参数空间中对应于围绕平衡位置的一圈或多圈。

2.如权利要求1所述的单片集成半导体激光器阵列，其中，所述子结构的独立一维参数包括大小、形状和位移。

3.如权利要求1所述的单片集成拓扑腔面发射激光器阵列，其中，所述超胞结构的一个或多个子结构的至少两个独立一维参数的调制包括：

对一个子结构的至少两个独立一维参数分别进行调制；或者

对两个或更多个子结构每个的至少一个独立一维参数进行调制。

4.如权利要求1所述的单片集成拓扑腔面发射激光器阵列，其中，两个或更多个拓扑腔面发射激光器的光子晶体层具有不同的超胞晶格常数。

5.如权利要求4所述的单片集成拓扑腔面发射激光器阵列，其中，所述两个或更多个拓扑腔面发射激光器的光子晶体层的超胞晶格常数的最大差值在其最大晶格常数的50％的范围内，优选地在其最大晶格常数的30％的范围内。

6.如权利要求1所述的单片集成拓扑腔面发射激光器阵列，其中，所述光子晶体层的超胞晶格常数在50nm至500μm的范围内。

7.如权利要求1所述的单片集成拓扑腔面发射激光器阵列，其中，每个拓扑腔面发射激光器的光子晶体层中光子晶体的面内最大尺寸大于10μm且小于或等于10cm，优选地大于50μm且小于或等于1cm。

8.如权利要求1所述的单片集成拓扑腔面发射激光器阵列，其中，所述单独的光子晶体层设置在所述第一电极、所述第一半导体层、所述有源层、所述第二半导体层和所述第二电极中的任意相邻两层之间，或者设置在与所述第一电极或第二电极相同的层中。

9.一种电子设备，包括权利要求1至8中的任一项所述的单片集成拓扑腔面发射激光器阵列。

10.如权利要求9所述的电子设备，其中，所述电子设备是光通信设备、激光雷达设备、探测传感设备、激光加工设备、激光医疗设备、激光武器设备、照明设备、或者显示设备。

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