一种拓扑光子晶体面发射激光器结构

本申请涉及新型半导体激光器，尤其涉及一种拓扑光子晶体面发射激光器结构。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、与现有技术相比，本申请的有益效果如下：

11、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。

技术特征：

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和所述下氧化限制层组均置于所述pc2之中。

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。

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。

6.根据权利要求5所述的拓扑光子晶体面发射激光器结构，其特征在于，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。

7.根据权利要求6所述的拓扑光子晶体面发射激光器结构，其特征在于，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。

8.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。

技术总结
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。

技术研发人员：李惠,林云峰,苗威,陈钊,冯健,钟础宇
受保护的技术使用者：深圳技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15