垂向错位双手性腔二维光子晶体半导体激光器及制备方法

本发明涉及半导体激光器，具体涉及一种垂向错位双手性腔二维光子晶体半导体激光器及制备方法。

背景技术：

1、半导体激光器由于具备电光效率高、体积小、调制速度快、易于片上集成和可批量制造等优点，已成为现代光电子系统中的核心器件。而随着单片集成技术、片上光场调控、量子光子学和手性光学器件的发展，传统直接输出线偏振的半导体激光器已难以满足量子通信、偏振复用通信、手性生物检测和新型显示技术的迫切需求。因此，如何在半导体激光器内部直接实现稳定的圆偏振激射输出，成为当前半导体光电子器件的重要研究方向。

2、二维光子晶体半导体激光器（pcsel）通过带边模式、导模共振模式或准连续域束缚态模式能够提供较高q值和较强模式约束，并通过布拉格耦合形成面外辐射输出，具有大面积单模、高方向性、低发散角和偏振控制方面的优势，通过优化光子晶体晶胞形状、填充因子、晶格常数和对称性，可以调控激光模式的频率、品质因子、辐射损耗和远场偏振状态；另一方面，手性光学结构是实现圆偏振控制的重要途径，能够对左旋圆偏振光（lcp）和右旋圆偏振光（rcp）产生不同的光学响应。近年来，平面手性纳米结构、手性超表面和手性光子晶体板已被用于产生显著的圆二色性、圆偏振选择性和光学手性密度增强。通过降低光子晶体板的面内对称性，可以在光子晶体板中获得较强的左右旋圆偏振响应差异，可以使te或tm模式形成强手性的准连续域束缚态，并获得接近1的圆二色性（cd）。

3、然而，现有多数手性结构仍然局限于单层、二维、被动型设计，其主要缺点包括：现有多数手性光子晶体或手性超表面属于无源结构，其主要关注外部入射光的透射、反射或吸收差异，而没有将手性光学响应直接引入半导体激光器的有源腔内模式竞争过程；现有二维手性光子晶体结构通常为单层结构，通过打破面内镜面对称性引入手性，导致左旋圆偏振模式与右旋圆偏振模式之间的辐射损耗差、品质因子差和阈值增益差有限；在单层结构手性光子晶体板中，孔形、旋转角、填充因子和刻蚀深度虽然可调，但同时满足高q、强手性响应、低阈值和高方向性输出往往较为困难；对于半导体激光器而言，若要实现稳定的圆偏振输出，关键不仅仅让光子晶体板结构对两种圆偏振有不同透射率，而是需要让两种圆偏振模式在激光腔内表现出不同的模态损耗、q值、阈值增益，甚至不同的近场光学手性密度和不同的辐射方向性。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种垂向错位双手性腔二维光子晶体半导体激光器结构与制备方法，通过在二维光子晶体半导体激光器中设置第一手性光子晶体腔和第二手性光子晶体腔，并使二者在垂向上具有非零间距、在平面投影中具有相对旋转和/或相对平移，构成垂向错位双手性光子晶体谐振腔；该双手性谐振腔共同耦合同一激光谐振模式，使左右旋圆偏振模式获得不同的辐射损耗或不同的阈值增益，从而解决现有单层手性结构圆偏振模式选择能力不足、无源结构难以直接用于电泵浦激光器以及激光输出圆偏振稳定性有限的问题。

2、本发明公开了一种垂向错位双手性腔二维光子晶体半导体激光器，包括自下至上依次设置的半导体衬底、n型包层、n型反射镜、第一手性光子晶体腔、第一再生长缓冲层、发光有源区、第二手性光子晶体腔、第二再生长缓冲层、p型包层、电流扩展层和电流注入层；所述电流注入层的上表面形成p面电极，所述半导体衬底的下表面形成n面电极，以形成金属电极结构；

3、其中，所述第一手性光子晶体腔和所述第二手性光子晶体腔共同形成垂向错位双手性光子晶体谐振腔；所述第一手性光子晶体腔的第一手性单元与所述第二手性光子晶体腔中的第二手性单元在平面内具有相对位移，且两层之间具有非零垂向间距，以构成双手性非镜面对称谐振结构，使所述第一手性光子晶体腔和第二手性光子晶体腔共同耦合于同一激光谐振模式，并使左旋圆偏振模式与右旋圆偏振模式具有不同的辐射损耗或不同的阈值增益；所述相对位移包括相对旋转和相对平移中的至少一种。

4、进一步地，所述第一手性单元和第二手性单元为l型孔、s型孔、c型孔、风车型孔、偏心椭圆孔等手性结构中的一种或多种组合；所述孔中填充物可为空气、手性材料、iii-v族化合物半导体材料或其组合。

5、进一步地，所述第一手性单元和第二手性单元的相对旋转角为0°-90°，优选为10°-40°。

6、进一步地，所述第一手性单元和第二手性单元的相对平移量在x方向和y方向上分别为0.01a1～0.50a1或0.01a2～0.50a2。其中，a1为所述第一手性光子晶体腔的晶格常数，a2为所述第二手性光子晶体腔的晶格常数。

7、进一步地，所述第一手性单元与第二手性单元的刻蚀深度不同，形成非对称有效折射率调制和非对称辐射耦合通道。

8、进一步地，所述第一手性光子晶体腔和第二手性光子晶体腔具有相同晶格常数或不同晶格常数，形成共振耦合腔结构。

9、进一步地，第一手性光子晶体腔和第二手性光子晶体腔的垂向间距为10 nm-1000nm，优选为100 nm-500 nm。

10、进一步地，所述第一手性光子晶体腔和所述第二手性光子晶体腔的材料体系可分别为gaas、inp、ingaasp、gainp、gan、ingan、algan、gasb半导体材料体系中的一种。

11、进一步地，所述第一手性光子晶体腔位于发光有源区垂向下方的近场高场区，所述第二手性光子晶体腔位于发光有源区垂向上方近场高场区，或所述第一手性光子晶体腔和第二手性光子晶体腔均位于发光有源区同侧但处于不同刻蚀深度位置。

12、进一步地，所述垂向错位双手性光子晶体谐振腔用于支持带边模式、准连续域束缚态模式、导模共振模式中的一种或多种，左旋圆偏振模式和右旋圆偏振模式的辐射损耗不同。

13、进一步地，所述发光有源区为单量子阱、多量子阱、量子点、量子级联有源区中的任一种。

14、进一步地，所述半导体材料体系为ingan/gan、gaas/algaas、ingaas/gaas、inp/ingaasp、inp/inalgaas、gasb/algasb、inas/gasb或太赫兹量子级联半导体材料体系。

15、进一步地，所述金属电极结构包括p型金属电极、n型金属电极，所述p型金属电极为环形电极、网格式电极或透明导电电极；所述n型金属电极为模式匹配电极。

16、进一步地，所述垂向错位双手性光子晶体谐振腔使左旋圆偏振模式与右旋圆偏振模式的品质因子差大于5%。

17、进一步地，所述垂向错位双手性光子晶体谐振腔使输出手性激光的圆偏振度优于0.6。

18、进一步地，所述第一再生长缓冲层和所述第二再生长缓冲层分别对所述第一手性单元和第二手性单元进行填充，填充比大于0，降低所述第一手性单元和第二手性单元侧壁的粗糙度，提升层间耦合一致性。

19、进一步地，所述第一再生长缓冲层和所述第二再生长缓冲层的厚度设置为10 nm-100 nm。

20、本发明还提供一种上述光子晶体半导体激光器的制备方法，包括以下步骤：

21、步骤1、提供一个半导体衬底，并依次外延n型包层、n型反射镜；

22、步骤2、在第一垂向位置外延第一手性光子晶体腔；

23、步骤3、在所述第一手性光子晶体腔上制备第一手性单元，再外延第一再生长缓冲层；

24、步骤4、继续外延发光有源区；

25、步骤5、在第二垂向位置外延第二手性光子晶体腔；

26、步骤6、在所述第二手性光子晶体腔上制备相对于第一手性单元具有预设旋转角或平移位移的第二手性单元；

27、步骤7、再依次外延第二再生长缓冲层、p型包层、电流扩展层、电流注入层；

28、步骤8、制备金属电极结构；

29、步骤9、完成激光芯片流片、退火、钝化、解理和封装。

30、进一步地，所述步骤3和步骤6中手性单元采用紫外光刻、电子束曝光、纳米压印、激光直写中的一种或多种方式制备。

31、进一步地，步骤3和步骤7中的再生长缓冲层通过分子束外延或金属有机化学气相沉积制备获得；或者通过原子层沉积形成介质钝化/填充层。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

33、本发明将手性光学响应直接集成于半导体激光器的有源腔内，利用激光模式竞争机制实现圆偏振激射的自选择和自锁定。阈值增益较低的圆偏振模式优先激射并通过模式竞争抑制另一圆偏振模式，无需外部偏振器或手性反射镜，实现了单片集成的圆偏振半导体激光器；本发明中的垂向错位双手性谐振腔结构中，高q值和强手性响应可同时实现，两层手性结构通过垂向耦合协同作用，在保持准bic模式高q值的同时，获得强圆二色性cd，解决了单层结构中高q与强手性难以兼得的固有矛盾。