[发明专利]一种基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器及方法

权利要求书

1.一种基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器，所述拓扑体态激光器为电注入激光器，或者光泵浦激光器；电注入激光器从下至上依次为：N型衬底、N型接触层、N型限制层、有源层、P型限制层和P型接触层；光泵浦激光器从下至上依次为：N型衬底和有源层，其特征在于，所述拓扑体态激光器还包括：拓扑态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体，采用二维拓扑光子晶体；对于电注入激光器，在P型接触层和部分P型限制层内，构建拓扑态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体；对于光泵浦激光器，在有源层内，构建拓扑态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体；拓扑态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体分别包括多个以相同的晶格常数周期性地排列成蜂窝状晶格的晶胞，每一个晶胞的外边缘为正六边形，内部有六个旋转对称分布的正三角形的纳米孔，形成偶极子模式和四极子模式的能带结构；当六个纳米孔中心与正六边形中心的距离等于二维拓扑光子晶体周期的1/3时，由于晶胞内部和晶胞间的耦合常数相同，偶极子和四极子模式在布里渊区中心即Γ点处发生简并，形成一个具有二重简并的狄拉克锥型的能带结构；对六个纳米孔以晶胞中心为中心分别进行收缩和外扩操作，均会打开狄拉克锥；其中，六个纳米孔中心与正六边形中心的距离小于二维拓扑光子晶体周期的1/3，光子晶体的偶极子和四极子模式间没有发生能带反转，这种能带结构称为拓扑平庸态，形成拓扑平庸态光子晶体；六个纳米孔中心与正六边形中心的距离大于二维拓扑光子晶体周期的1/3，在布里渊区中心附近发生偶极子模式和四极子模式的能带反转，这种能带结构称为拓扑态，形成拓扑态光子晶体；拓扑平庸态光子晶体与拓扑态光子晶体整体相互拼接，在拼接处形成边界；将边界弯曲，并包围成一个封闭曲线，频率在布里渊区中心附近的光子，将在边界内部来回反射，导致激射，从而边界内部形成激光器谐振腔；对于光泵浦激光器，当激发光入射到激光器谐振腔内时，最终实现单模激射；对于电注入激光器，在有源层的上下两侧施加电压，载流子被注入并限制在有源层进而发光，光波的倏逝场分量耦合到激光器谐振腔中形成有效的反馈，实现单模激射；同时，具有垂直发射特性。

2.如权利要求1所述的拓扑体态激光器，其特征在于，位于所述有源层之上和之下的折射率小于有源层的折射率。

3.如权利要求1所述的拓扑体态激光器，其特征在于，所述二维拓扑光子晶体的周期a为λ/n_eff，n_eff为材料的有效折射率，λ为拓扑体态激光器的工作波长。

4.如权利要求1所述的拓扑体态激光器，其特征在于，所述对于光泵浦激光器，有源层的折射率为2.5～3.5之间。

5.如权利要求1所述的拓扑体态激光器，其特征在于，对于光泵浦激光器，通过调整有源层的材料体系中元素的组分来调整增益区范围和材料的折射率，从而调整拓扑体态激光器的波长范围。

6.如权利要求1所述的拓扑体态激光器，其特征在于，对于电注入激光器，二维拓扑光子晶体的晶胞的纳米孔内填充低折射率电介质材料，电介质材料的折射率小于有源层的折射率。