[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

说明书

本发明公开了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。本发明采用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的拓扑态光子晶体和不发生能量翻转的拓扑平庸态光子晶体，拼接的边界处会产生光场的反射和限制效应，边界包围成一个封闭曲线，从而边界内部形成激光器谐振腔；本发明可实现高方向性、低阈值、窄线宽、高边模抑制比的单模垂直激光出射；有助于降低工艺难度和制备成本，改善散热和电注入问题，提高元器件稳定性和使用寿命；复制到电注入有源材料系统中，可获得尺寸可控、高方向性、低阈值、窄线宽、高边模抑制比的垂直发射激光器；本发明可应用于光通讯、固态照明、激光雷达、物质检测和医疗诊断等领域。

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术，具体涉及一种基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器及其控制方法。

背景技术

随着半导体激光科学的快速发展和相关技术突破,半导体激光器的产品质量、波长范围和输出功率正在迅速提高，产品种类日益丰富。其中垂直腔面发射激光器具有体积小、寿命长、亮度高，便于集成，易于大规模生产等优点，在激光打印，激光显示，工业传感和医疗诊断等领域获得了广泛应用，特别在近几年的汽车和消费电子终端等新兴市场的应用场景如人脸识别和无人驾驶中开始崭露头角，展示出巨大的市场应用潜力。垂直腔面发射激光器是常用的微腔激光器，其结构主要是由有源材料和在其上下两侧通过材料淀积生长二十对以上的分布式布拉格反射镜(distributed Bragger reflector，DBR)组成三明治结构，每对DBR具有高反射系数，形成具有较高品质因子(Q值)的微腔激光器结构。随着理论研究的深入、材料生长技术的进步以及封装工艺的发展，垂直腔面发射激光器的输出功率、亮度、稳定性和寿命等性能都有了很大的提高。然而，目前实用化的垂直腔面发射激光器仍然面临如下问题：1)为了提高激光器的单管输出功率，通常需要增大从元件出射的激光束截面积(即出射面积)。当出射面积增加到一定程度时高阶振荡模式开始获得增益形成多模激射，导致激光器亮度降低和模式不稳定等问题；2)上下两侧的多层DBR结构通常引起制备工艺和有源层的电注入困难，特别是当器件运行在长波长范围时需要更厚的DBR结构来提供有效的光场反馈，对生长工艺带来更大的挑战，同时引起散热差进而降低器件寿命等问题。

发明内容

为了解决以上现有技术问题中存在的问题，本发明提出了一种基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器及其控制方法，采用新的光场限制方式，具备新的选模机制，能够在增加发射面积、提高激光器输出功率的同时实现稳定的高方向性的垂直模式输出。

本发明的一个目的在于提出一种基于能带反转光场限制效应的拓扑体态激光器。

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。