[发明专利]一种顶发射有源OAM激光器阵列结构

说明书

本发明公开了一种顶发射有源OAM激光器阵列结构，包括一个衬底层301、N接触层302、N型反射镜304、两个N电极303、以及至少一个功能层311、P型反射镜308、P接触层309、P电极310、微尺寸螺旋相位板312；其中衬底层301、N接触层302、N型反射镜304、功能层311、P型反射镜308、P接触层309依次叠层设置；N接触层302与N电极303连接，P接触层309与P电极310连接；本发明通过设计环形螺旋相位板提高涡旋光质量，同时实现多个相位板在发光孔的放置，获取高质量的OAM叠加态螺旋光束，利用高速激光器阵列实现一系列的OAM螺旋光束输出。

技术领域

本发明属于新型半导体激光器技术领域，特别是涉及一种顶发射有源OAM激光器阵列结构。

背景技术

5G和数据速度大幅提升的激光雷达增加了数据流量，物联网、移动互联网和传统固网宽带发展迅速，大数据时代已经来临。预计通信总量在今后10-30年内将发生2-4个数量级的增长。各方研究也开始着眼于5G网络，光纤通信系统以及网络传输容量和信道效率的提升刻不容缓。高速低能耗的光互连技术成为了未来互联网绿色、节能、可持续发展的关键技术。激光器是光互连的核心元件。如何获得更小体积、更高调制速度以及更低能耗的激光器是该领域发展的关键技术。目前高速低能耗的激光器主要是垂直腔面发射激光器(VCSEL)，应用于大数据中心、服务器集群和千万亿次规模的超级计算机的短距离光互连中。

为适应目前庞大的数据传输，急需拓宽通信系统容量，目前采用波分复用、时分复用和空分复用技术，这些复用方式分别利用了光波的波长频率、偏振和空间特性。其中空分复用的一种实现方式是模分复用。模分复用中每个模式担任独立的信道，各模式之间的正交性保证了有效的复用/解复用以及多模态间的低串扰。在实际应用中，各种正交模式基都有实现模分复用的潜力，光子轨道角动量(OAM)模分复用便是可能的方案之一。涡旋光是携带有轨道角动量(OAM)的空间结构光场，不同涡旋光场模态彼此正交，构成一个理论上具有无限维度的态空间，因而在经典光通信和量子通信等领域具有极大的应用潜力。基于涡旋光的OAM模分复用通信系统便是利用这一新的维度，用不同OAM模式作为独立的信道进行并行的信号传输，大幅度提高通信系统的频谱效率和容量实现信息传输容量的数量级扩增，从而满足未来通信容量不断增长的需求。利用光子的OAM承载信息的优点之一是OAM维度与目前已经在通信中得到广泛应用的波长、偏振、振幅、相位等维度之间是独立的，因此可以直接在现有通信体制的基础上直接增加OAM维度，在不对现有通信体制形成干扰的同时提供新增容量；理论上光子存在无限个OAM态，这就意味着可以提供一个参数变化范围为无限的变量空间。在通信中，一个OAM态可作为一个信道实现信息加载，与时分复用和波分复用相结合，可充分利用光子的各个维度，大幅度提升电磁波对信息的承载力。目前基于少模光纤的模分复用光纤通信容易产生模式串扰且复用难度随模式数量增加而迅速增大，而OAM各模式之间严格正交，不同阶数之间不易产生串扰。另外，相对于模式复用，OAM模式为轴对称分布，更适合与光纤进行耦合。通过OAM模式复用结合波分复用、模分复用和偏振复用的多维复用技术可以实现高传输容量、高频谱效率的长距离涡旋光环芯光纤通信链路，极大的扩展传输容量。

因此为满足光通信领域的需求，片上OAM发射器亟待发展。现有的OAM发射器大多是集成于硅片或者SOI晶片上，但是由于硅为间接带隙半导体，不适用于制作激光器，因此需要采用外部激光器作为光源，难以实现单片集成。而基于III-V族化合物半导体材料的有源OAM激光器研究很少，目前仅有两篇论文报道，在2015年中山大学的余思远教授组采用聚焦离子束刻蚀技术，在商用的垂直腔面发射激光器的出光面刻蚀出螺旋相位板，制成垂直发射的单态OAM激光器，器件是基于商用VCSEL，无法满足高速传输要求，且存在次级亮环的问题。美国纽约州立大学布法罗分校的P.Miao等人报道了1.55μm的微环OAM激光器，保证环形腔内的单向激射精确控制OAM的拓扑荷数，但是该器件为光泵浦激光器，使其在光子集成和通信应用上受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种顶发射有源OAM激光器阵列结构，以解决上述现有技术存在的问题。