CN117199998B - 一种拓扑光子晶体面发射激光器结构 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种拓扑光子晶体面发射激光器结构，包括：衬底层、N缓冲层、N电极、PC1、下氧化限制层组、有源层、PC2、上氧化限制层组、P缓冲层、P电极、N接触层、P接触层；其中，衬底层、N缓冲层、N接触层、N电极、PC1、下氧化限制层组、有源层、PC2、上氧化限制层组、P接触层和P电极依次叠层设置，氧化限制层组置于PC2之中。本申请品质因数更高，可以利用更薄的增益介质，更适合量子点激光器，改善量子点面发射激光器的性能。本申请展现出极高的单向性、鲁棒性、以及单模输出效果。
Description
技术领域
本申请涉及新型半导体激光器技术领域，尤其涉及一种拓扑光子晶体面发射激光器结构。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种半导体激光器，它与常规的边射激光器相比，在垂直方向上发出激光光束，与传统的激光器相比更有优势，具有体积小、光斑为圆形、高效率、相应频带宽、辐射特性优异、易于实现二维阵列集成等优越性能，在光纤通信系统、陀螺仪、原子钟等领域具有重要的应用。
但是，常规的垂直腔面发射激光器(VCSEL)采用普通缺陷型谐振腔，品质因子并不高，对低增益的量子点不易激射，如果采用拓扑谐振腔，其品质因子会高一个数量级，对光的局限性进步一增强，适用于低增益有源区材料的激射。并且，常规VCSEL采用的普通缺陷型谐振腔，设计出现偏差时会导致在光子禁带中出现两种谐振模式，这给光学器件的输出结果检测乃至传感效果带来影响。普通缺陷型谐振腔的品质因子不如拓扑谐振腔好，且谐振峰的中心波长出现了偏移，谐振峰的稳定性较差。
普通缺陷型谐振腔是利用光子晶体中的光子禁带，通过在结构中引入点缺陷，使得原本处于禁带范围内的光产生一个可以局域态的暗模。拓扑谐振腔的原理不同，为了激发暗藏在光子带隙内的拓扑零模态，在光子晶体的另一侧拼接一组在相同光子带隙处具有不同拓扑相的光子晶体，当频率处于在光子禁带中的入射光抵达边界后，会因反射产生一个相位跳变，但在另一侧光子晶体边界处会产生相反的相位，此时光子晶体界面上的相位相加为0，拓扑零模态在两个光子晶体之间被激发并谐振放大。所以拓扑谐振腔的激发模式受到手性对称性保护，不同于通过破坏晶格的周期结构或改变边界条件而实现的普通缺陷型谐振腔。
发明内容
为解决上述背景中的技术问题，本申请利用两种周期性不同的光子晶体拼接形成拓扑谐振腔，与普通缺陷型谐振腔不同，拓扑谐振腔不依赖于光子带隙中的某些缺陷模式，利用物质的拓扑相位转化实现对光子的操作与控制。
为实现上述目的，本申请提供了一种拓扑光子晶体面发射激光器结构，包括：衬底层、N缓冲层、N电极、PC1、下氧化限制层组、有源层、PC2、上氧化限制层组、P缓冲层、P电极、N接触层、P接触层；其中，所述衬底层、所述N缓冲层、所述N接触层、所述N电极、所述PC1、所述下氧化限制层组、所述有源层、所述PC2、所述上氧化限制层组、所述P接触层和所述P电极依次叠层设置，所述上氧化限制层组和所述下氧化限制层组均置于所述PC2之中。
优选的，所述上氧化限制层组和所述下氧化限制层组均包含1-4层AlxGa1-xAs氧化层，x的取值范围为0.94-1。
优选的，所述N电极固定在台面上；所述P电极固定在所述P接触层上。
优选的，蚀刻所述PC2、所述有源区和所述PC1获得所述台面，所述台面直径范围为18-30μm，所述台面采用ICP-RIE刻蚀形成。
优选的，所述PC1和所述PC2为两个具有不同缠绕数的一维普通光子晶体结构；其中，所述PC1由AlxGa1-xAs/AlYGa1-YAs层叠而成，膜层厚度为0.14a和0.86a，光学厚度满足0.5波长。
优选的，所述PC2由AlxGa1-xAs/AlYGa1-YAs层叠而成，膜层厚度为0.615a和0.385a，光学厚度满足0.5波长。
优选的，拼接所述PC1和所述PC2，用于在两种光子晶体的交界处形成边界态。
优选的，所述有源层上下各设置所述上氧化限制层组和所述下氧化限制层组，用于限制电流，改善电流的注入效率。
与现有技术相比，本申请的有益效果如下：
本申请品质因数更高，可以利用更薄的增益介质，更适合量子点激光器，改善量子点面发射激光器的性能。本申请展现出极高的单向性、鲁棒性、以及单模输出效果，在芯片开发、生物传感、军事通信等领域应用价值极高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的拓扑光子晶体面发射激光器结构示意图；
图2为本申请实施例的对照组普通谐振腔的垂直腔面发射激光器示意图；
图3为本申请实施例的对照组拓扑光子晶体光栅面发射激光器示意图。
附图标记说明：
301、衬底层；302、N缓冲层；303、N电极；304、PC1；305、下氧化限制层组；306、有源层；307、PC2；308、上氧化限制层组；309、P缓冲层；310、P电极；311、N接触层；312、P接触层。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，为本实施例的拓扑光子晶体面发射激光器结构示意图，其结构可以利用物质的拓扑相位转化实现对光子的操作与控制。包括：衬底层301；N缓冲层302；N电极303；PC1304；下氧化限制层组305；有源层306；PC2307；上氧化限制层组308；P缓冲层309；P电极310；N接触层311；P接触层312。
其中衬底层301、N缓冲层302、N接触层311、N电极303、PC1304、下氧化限制层组305、有源层306、PC2307、上氧化限制层组309、P接触层312和P电极310依次叠层设置。而下氧化限制层组305与上氧化限制层组308均置于PC2307之中；在本实施例中，下氧化限制层组305与上氧化限制层组308均包含1-4层AlxGa1-xAs氧化层，且x的取值范围为0.94-1。N电极308固定在台面上(N接触层311与N电极303连接)，P电极310固定在P接触层312上。
PC1304和PC2307为两个具有不同缠绕数的一维普通光子晶体结构，且在本实施例中，它们的膜层厚度总和均为a。其中，PC1304由AlxGa1-xAs/AlYGa1-YAs层叠而成，膜层厚度为0.14a和0.86a。PC2采用与PC1不同的结构，由于光子晶体能带会因两种介质层的厚度产生整体的频率偏移，因此PC2的膜层厚度为0.615a和0.385a，以此得到缠绕数不同的光子带隙；一维普通光子晶体能够产生不同的拓扑相，拼接后实现一维拓扑边缘态。这种拼接方法会在两种光子晶体的交界处形成边界态。在原本入射光无法透过光子晶体带隙的区间，出现了一个高透射率的谐振峰峰值。一维拓扑光子晶体的光栅结构中存在的特殊谐振现象称为拓扑边缘态，也可以称为拓扑谐振峰，该峰值具有良好的洛伦兹线性，及非常窄的半峰全宽，利用这种现象构成的拓扑谐振腔将具备稳定性强、品质因子高等优秀传输特性。
在本实施例中，有源层306上下分别设置上氧化限制层组309和下氧化层组305，能够更好地限制电流，改善电流的注入效率。有源层306是半导体注入激光器或光发射二极管中提供光学增益的层或活性区域。有源层306包括若干个子层，各个层可具有其自身的晶格常数。
实施例二
为了讨论这种结构产生拓扑谐振现象的优势，以及与普通缺陷型谐振腔的区别，本实施例给出了一种普通缺陷型谐振腔进行对照。为了保证不受其他变量改变的影响，普通缺陷型谐振腔采取与拓扑谐振腔中PC1一致的结构。
如图2所示，普通谐振腔的垂直腔面发射激光器透射率较低，品质因子较低，谐振峰稳定性差。厚度太大，需要生长二十多对才能达到高反射率，导致生长成本高。
如图3所示，本申请的一维拓扑光子晶体光栅的面发射激光器透射率较高，品质因子较高，谐振峰稳定性好。展现出较高的单向性、鲁棒性、以及单模输出效果。达到高反射率所需dbr层数较少。
实施例三
本实施例涉及的一种拓扑光子晶体面发射激光器的制备方法为：提供激光器结构，包括衬底层301、缓冲层302、N电极303、PC1304、下氧化限制层组305、有源层306、PC2307、上氧化限制层组308、P缓冲层309、P电极310、N接触层311和P接触层312。
蚀刻PC2307、有源区306和PC1304获得台面，台面直径在18-30μm，台面采用ICP-RIE刻蚀形成。
PC2307镀P电极310。
通过湿法氧化工艺在上氧化限制层组308和下氧化限制层组305中形成不同尺寸氧化限制孔径，上氧化限制层组和下氧化限制层组中的最小孔径半径尺寸小于7μm。
N缓冲层302上镀N电极303。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种拓扑光子晶体面发射激光器结构，其特征在于，包括：衬底层、N缓冲层、N电极、PC1、下氧化限制层组、有源层、PC2、上氧化限制层组、P缓冲层、P电极、N接触层、P接触层；其中，所述衬底层、所述N缓冲层、所述N接触层、所述N电极、所述PC1、所述下氧化限制层组、所述有源层、所述PC2、所述上氧化限制层组、所述P接触层和所述P电极依次叠层设置，所述上氧化限制层组置于所述PC2之中，所述下氧化限制层组置于所述PC1之中；所述PC1和所述PC2为两个具有不同缠绕数的一维普通光子晶体结构，所述PC1和所述PC2的膜层厚度总和均为a；其中，所述PC1由AlxGa1-xAs/AlYGa1-YAs层叠而成，膜层厚度为0.14a和0.86a，光学厚度满足0.5波长；所述PC2由AlxGa1-xAs/AlYGa1-YAs层叠而成，膜层厚度为0.615a和0.385a，光学厚度满足0.5波长；所述PC1与所述PC2拼接实现一维拓扑边缘态，所述一维拓扑边缘态为具有拓扑性质的边界态。
2.根据权利要求1所述的拓扑光子晶体面发射激光器结构，其特征在于，所述上氧化限制层组和所述下氧化限制层组均包含1-4层AlxGa1-xAs氧化层，x的取值范围为0.94-1。
3.根据权利要求1所述的拓扑光子晶体面发射激光器结构，其特征在于，所述N电极固定在台面上；所述P电极固定在所述P接触层上。
4.根据权利要求3所述的拓扑光子晶体面发射激光器结构，其特征在于，蚀刻所述PC2、所述有源层和所述PC1获得所述台面，所述台面直径范围为18-30μm，所述台面采用ICP-RIE刻蚀形成。
5.根据权利要求1所述的拓扑光子晶体面发射激光器结构，其特征在于，所述有源层上下各设置所述上氧化限制层组和所述下氧化限制层组，用于限制电流，改善电流的注入效率。
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