[发明专利]二维拓扑光子晶体腔及其设计方法和在激光器中的应用

说明书

一种二维拓扑光子晶体腔及其设计方法和在激光器中的应用。该二维拓扑光子晶体腔包括多个光子晶体超胞，所述多个光子晶体超胞围绕着该二维拓扑光子晶体腔的腔中心有涡旋型结构变化，并且所述多个光子晶体超胞的能带在涡旋型结构变化的平衡位置具有狄拉克点。该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、和多种衬底材料兼容等特点，可应用于面发射半导体激光器中，保证激光器在大面积、高能量输出时依然可以稳定地以单横模且单纵模工作。

技术领域

本公开涉及二维拓扑光子晶体腔技术领域，更具体地，涉及一种二维拓扑光子晶体腔及其设计方法和在激光器中的应用。

背景技术

半导体激光器具有效率高、寿命长、体积小、波长范围广、易于集成和调制等优点，广泛应用于光通信、光加工、医疗和军事等领域。但是传统半导体激光器增益谱较宽，存在很多个模式，并且存在发散角大、单个器件功率低等现象。

单模半导体激光器是光通讯、光谱学、计量和传感领域的标准光源。均匀一维布拉格光栅分布反馈激光器(DFB)以窄线宽、波长稳定等优势广泛应用于长距离光纤网络中，但是它具有两个竞争的带边模(band-edge modes)，为了实现稳定带间单模(mid-gap mode)运转在布拉格波长，需要在腔的设计中引入四分之一波长的相移。垂直腔面发射激光器(VCSEL)也采用了相同的一维缺陷模来选择单一纵向模输出，广泛使用于在近距离通讯、鼠标、激光打印机和人脸识别的应用。

近年来开发的二维光子晶体面发射激光器相比一维设计具有大面积、大功率、低发散角的多方面优势。但是周期结构的二维光子晶体面发射激光器也至少具有两个高品质因子(Q)的带边模竞争输出。因此迫切需求设计出单模二维光子晶体腔，尤其是具有鲁棒的带间单模的二维腔，这一点也是二维分布反馈激光器自提出以来一直所缺乏的，一个单一稳定的激光模通常意味着激光器拥有更高的产量，更宽的调谐范围、更窄的线宽和高的功率。

发明内容

为满足上述需求的至少一个方面，本公开提供了一种二维拓扑光子晶体腔及其设计方法和在激光器中的应用。

本公开的第一方面，提供了一种二维拓扑光子晶体腔，该二维拓扑光子晶体腔包括多个光子晶体超胞，所述多个光子晶体超胞围绕着该二维拓扑光子晶体腔的腔中心有涡旋型结构变化，并且所述多个光子晶体超胞的能带在涡旋型结构变化的平衡位置具有狄拉克点。

根据本公开的实施例，其中所述多个光子晶体超胞围绕着该二维拓扑光子晶体腔的腔中心有涡旋型结构变化，包括：多个光子晶体超胞中的一类子晶格或多类子晶格相对于各自的平衡位置有协同的移动和旋转，其中移动后的子晶格从0到2π连续相位旋转都能打开光子晶体超胞在平衡位置时能带中的狄拉克点。

根据本公开的实施例，其中所述对多个光子晶体超胞中的一类子晶格或多类子晶格相对于各自的平衡位置有协同的移动和旋转，具体包括：二维拓扑光子晶体腔的腔中心为空间中任意点，多个光子晶体超胞按照其相对于腔中心的距离和角度有涡旋型结构变化，变化的形式是光子晶体超胞内一类或多类子晶格相对于各自平衡位置移动位移矢量，位移矢量的振幅和相位都是子晶格相对腔中心位置的函数，每个子晶格位移矢量的相位有固定相位差；位移矢量的振幅沿着腔径向的变化范围从0到一个最大振幅，位移矢量的相位沿着腔角向连续或离散变化，但绕腔中心一圈后的增量为2π的整数倍，这个任意正负整数为缠绕数。

根据本公开的实施例，其中所述涡旋型结构变化的参量包括位移矢量的空间分布函数、缠绕数、最大振幅、腔的尺寸和形状、腔中心位置、材料折射率、材料占空比、超胞和原胞的尺寸、腔的工作波长和频率、超胞的形状、超胞在平衡位置时能带中狄拉克点的个数和所在布里渊区中的位置、超胞中原胞的个数和形状、原胞中子晶格的个数和形状、腔边缘光子晶体的截断形式所组成的群组中的一个或多个。