CN101682162B - 激光器器件 - Google Patents

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Abstract

提供了一种长波长激光器，其工作点是稳定的并且其激光振荡是稳定的。该长波长激光器包括提供给表面等离子体振子波导中的表面电流为极大值的部分的电阻器元件，以使表面等离子体振子波导中的第一包层和第二包层之间的电位差稳定。

Description

激光器器件
技术领域
本发明涉及一种振荡器件，其中增益媒质被负介电常数媒质夹着，该负介电常数媒质的对于电磁波的介电常数的实部是负的。更具体地，本发明涉及一种激光器器件，其输出具有在从30GHz到30THz的范围内的频率的电磁波。
在下面的描述中，在从30GHz到30THz的频率范围内的电磁波被称为毫米波或太赫兹(terahertz)波。注意，接近30GHz的范围可被称为毫米波段，并且接近30THz的范围可被称为太赫兹波段。
背景技术
新型半导体激光器的示例包括被称为量子级联激光器的半导体激光器，该激光器基于导带或价带的公共能带内的载流子能级之间的跃迁(子带间跃迁)。
量子级联激光器的振荡波长取决于与光跃迁有关的两个能级之间的能隙(energy gap)。因此，可以从宽的频谱范围(从中红外区域到太赫兹波段)上选择振荡波长，并且已首次证实该激光器可以通过选择中红外区域中的4.2μm的振荡波长的结构来实现。
近年来，随着对被认为对生物传感等有用的太赫兹波段的电磁波资源的需求，已进行了长波长激光器的开发，该长波长激光器的振荡波长是从具有比中红外区域长的波长的区域中选择的。
长波长激光器具有用于在其频率范围中产生增益的增益媒质的结构，并且具有被称为表面等离子体振子(plasmon)波导的结构，其中可以严格地进行对增益媒质的光学约束(optical confinement)。这不同于其中通过电介质包层(cladding)进行光约束的传统半导体激光器。
日本专利申请公开No.2000-138420公开了一种将其介电常数的实部为负的负介电常数媒质用作包层的方法。在该情况中，由包层引导的波导模是该负介电常数媒质内的被称为表面等离子体振子的电荷载流子的极化振荡对其有贡献的电磁波。在表面等离子体振子中不存在衍射极限，并且因此大部分的模强度可以被约束到增益媒质。
该技术的使用实现了振荡波长为11.4μm的激光振荡，其朝向较长的波长偏移。
此外，Appl.Phys.Lett.，Vol.83，2124(2003)公开了一种将其介电常数的实部为负的负介电常数媒质作为包层布置在增益媒质的顶部和底部上的方法。在该情况中，包层引导的波导模也是表面等离子体振子。相比于日本专利申请公开No.2000-138420中的情况，具有作为包层的两个负介电常数媒质的增益媒质使得能够将多得多的模强度约束到增益媒质。通过使用该技术，实现了其振荡波长约为100μm(3THz)的激光振荡，其更加朝向较长的波长偏移。
在具有如上文所述的被称为表面等离子体振子波导的结构的长波长激光器中，检查用于获得期望的激光振荡的稳定性。日本专利申请公开No.2001-291929公开了一种作为分布反馈(DFB)结构的使振荡波长稳定的技术，在该分布反馈结构中在波导模的传播方向上重复不同的负介电常数媒质。另一方面，在振荡波长更加朝向较长的波长偏移的太赫兹波段中，可以利用电子器件中的稳定技术。Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.44，7809(2005)公开了一种通过将电阻器元件插入到作为电子器件的天线谐振器的外部部分中来使0.59THz(511μm)的振荡稳定的技术。
然而，在传统的长波长激光器中，隧道注入(tunnel injection)被用作将电流注入到增益媒质中的方法。因此存在如下问题，即，工作点是不稳定的并且因此使激光振荡不稳定。
由于在电流-电压特性(I-V特性)中呈现负微分电阻区域以及隧道注入，因此工作点是不稳定的。这是在典型的光学半导体激光器中未发现的现象。因此，日本专利申请公开No.2001-291929中公开的技术不被认为对于传统的长波长激光器是足够稳定的结构，并且因此需要也可以使工作点稳定的稳定结构。而且，Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.44，7809(2005)中公开的技术是电子器件中的稳定技术，这引起了如下问题，即，当稳定技术被原样地用于激光器时，不能获得激光振荡。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种激光器器件，其包括：增益媒质，其具有对于特定电磁波的增益；和谐振器结构，其用于使电磁波谐振，其中通过将增益媒质插入在第一包层和第二包层之间形成波导，每个包层包括对于所述电磁波其介电常数的实部为负的负介电常数媒质，并且将用于使第一包层和第二包层之间的电位差稳定的电阻器元件设置到当所述电磁波在波导中传播时以第二包层设定作为参考时第一包层中的表面电流为极大值的部分。
此外，根据本发明的激光器器件包括：增益媒质，其具有对于特定电磁波的增益；和谐振器结构，其用于使电磁波谐振，其中通过将增益媒质插入在第一包层和第二包层之间形成波导，每个包层包括对于所述电磁波其介电常数的实部为负的负介电常数媒质，并且将用于使第一包层和第二包层之间的电位差稳定的电阻器元件设置到以第二包层设定作为参考时波导的第一包层中所述电磁波的表面电流为极大值的部分。
此外，根据本发明的另一方面，提供了一种激光器器件，其包括：增益媒质，其具有对于待振荡的电磁波的增益；和谐振器结构，其用于使电磁波谐振，其中该增益媒质沿电磁波的传播方向延伸并且在其厚度方向上的顶表面和底表面处被夹在第一包层和第二包层之间以构造波导，每个包层包括对于所述电磁波其介电常数的实部为负的负介电常数媒质，并且将用于使第一包层和第二包层之间的电位差稳定的电阻器元件设置到以第二包层设定作为参考时在波导的第一包层中待振荡的电磁波的表面电流为极大值的部分。
此外，根据本发明的又一方面，提供了一种激光器器件，其包括：增益媒质，其具有对于频率在从30GHz到30THz范围内的电磁波的增益；和谐振器结构，其用于使电磁波谐振；波导，通过将增益媒质插入在第一包层和第二包层之间形成该波导，每个包层包括对于所述电磁波其介电常数的实部为负的负介电常数媒质；和电阻器元件，其用于使第一包层和第二包层之间的电位差稳定，将该电阻器元件设置到当电磁波在波导中传播时以第二包层设定作为参考时第一包层中表面电流为极大值的部分，其中所述波导包括在电磁波的传播方向上的要作为开放端的端面，其中被提供电阻器元件的部分至少包括在光学长度上与该端面分开电磁波的1/4波长的部分，或者所述波导包括在电磁波的传播方向上的要作为固定端的端面，其中被提供电阻器元件的部分至少包括在光学长度上与该端面分开电磁波的1/2波长的部分。
另外，根据本发明的又一方面，提供了一种激光器器件，其包括：增益媒质，其具有对于频率在从30GHz到30THz范围内的电磁波的增益；和谐振器结构，其用于使所述电磁波谐振；波导，通过将增益媒质插入在第一包层和第二包层之间形成该波导，每个包层包括对于所述电磁波其介电常数的实部为负的负介电常数媒质；和电阻器元件，用于使第一包层和第二包层之间的电位差稳定，该电阻器元件被设置到当电磁波在波导中传播时以第二包层设定作为参考时第一包层中表面电流为极大值的部分，其中该电阻器元件由半导体形成，并且是包括在金属和半导体之间生成的肖特基势垒的膜电阻器元件。
根据本发明，可以使传统的长波长激光器器件的振荡波长稳定，此外，可以使传统上不稳定的工作点处的激光振荡稳定。
例如，这允许激光振荡的基本控制，诸如通过选择有效率的工作点来增加激光振荡的输出，以及通过扫描(sweeping)工作点的振荡波长的可变操作。与该控制一起，本发明可以应用于在范围从毫米波段到太赫兹波段的从30GHz到30THz频率范围中的应用，诸如生物传感中使用的频谱检查，或者物质鉴别和基于其的成像。
通过下文的参考附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得显而易见。
附图说明
图1A和1B是示出用于实现本发明的示例性实施例的视图；
图2A和2B是示出根据本发明的实施例1的激光器器件结构的视图；
图3A、3B和3C是用于示出在本发明的实施例1中通过可以对其应用本发明的电阻器元件来使激光振荡的振荡波长稳定的图；
图4是用于示出在本发明的实施例1中通过可以对其应用本发明的电阻器元件来使激光振荡的工作点稳定的图；
图5A和5B是示出根据本发明的实施例2的激光器器件结构的视图；
图6A和6B是用于描述实施例2中的可以对其应用本发明的非线性电阻器元件的图；
图7A和7B是示出根据本发明的实施例3的激光器器件结构的视图；并且
图8是用于示出在传统的长波长激光器中激光振荡的工作点不稳定的图。
具体实施方式
根据本发明的第一激光器器件包括：增益媒质，其具有对于特定电磁波的增益；和谐振器结构，其用于使该电磁波谐振。该第一激光器器件具有如下特征。
具体地，将增益媒质插入在第一包层和第二包层之间，每个包层包括对于该电磁波其介电常数的实部为负的负介电常数媒质，由此形成波导。当该电磁波在波导中传播时，电阻器元件被设置到以第二包层设定作为参考时第一包层中表面电流为极大值的部分。在该情况中的该电阻器元件是用于使第一包层和第二包层之间的电位差稳定的电阻器元件。
该电阻器元件自身可以被设置到第一包层的顶部部分或者第二包层的底部部分(从图1B的第二包层102看的衬底11侧)。
该波导具有在电磁波的传播方向上的要作为开放端的端面。包括所述电阻器元件的部分可以具有如下结构，其中至少包括在光学长度上与该端面分开该电磁波的1/4波长的部分。
该波导具有在电磁波的传播方向上的要作为固定端的端面。包括所述电阻器元件的部分可以具有如下结构，其中至少包括在光学长度上与该端面分开该电磁波的1/2波长的部分。
例如，该电阻器元件可由膜电阻器元件构造，该膜电阻器元件由导电材料形成，或者该电阻器元件可由半金属、透明导电膜或半导体构造。此外，该电阻器元件是包括在金属和半导体中产生的肖特基势垒的电阻器元件。
注意，在存在多个其中表面电流为极大值的部分的情况中，可以使用如下结构，其中将具有不同符号(sign)的电阻温度系数的电阻器元件设置到所述多个其中表面电流为极大值的部分。
负介电常数媒质可以包括金属、载流子掺杂的半导体、或者载流子掺杂有金属的半导体(semiconductor carrier-doped with a metal)。
增益媒质可以包括基于光子辅助隧穿的谐振隧穿二极管。
对于电磁波的频率，选择具有范围从30GHz到30THz的频率的电磁波是合适的。
在下文中，将参考附图描述用于实现本发明的最佳模式。
图1A和1B示出了可以应用本发明的激光器器件结构。图1A和图1B是可以应用本发明的激光器器件结构的透视图和截面图。
在图1B中，负介电常数媒质101和102是在待振荡的电磁波的频率范围中具有负的介电常数实部的物质。在从毫米波段到太赫兹波段的频率范围中，例如，负介电常数媒质101和102可以包括载流子掺杂的半导体(例如，InAs、InP、GaAs和Si)、金属(例如，Ag、Au、Cu和Al)或者这些物质的组合。
在图1B中，增益媒质103被垂直地夹在负介电常数媒质101和102之间。通常，该增益媒质是在被注入载流子时产生增益的物质。为了进行来自外部的电流注入，需获得增益媒质103与负介电常数媒质101和102之间的电接触。因此，高密度掺杂载流子的半导体被用作电接触111和112。在该情况中，所述高密度被假设为至少高于介电常数的实部为负的载流子密度的密度。
在图1B中参考数字121和122表示电极。
对于该结构，负介电常数媒质101和102以及电接触111和112用作形成对于毫米波段或太赫兹波段的电磁波的几何光学反射表面的包层。因此，在由该包层(负介电常数媒质101和102以及电接触111和112)引导的电磁波中，不具有衍射极限的表面等离子体振子被允许作为波导模。结果，减小了增益媒质103的厚度限制，这适于长波长激光器。
顺便提及，沿该包层(负介电常数媒质101和102以及电接触111和112)传播的表面等离子体振子传播的同时伴随有包层中的载流子波动。因此，在可以控制包层中的载流子波动时，构想可以控制表面等离子体振子自身。
作为对于电荷载流子的控制方法，如真空管中的格栅(grid)中的情况那样，可以构想预先将电位赋予空间部分的方法。另一方面，在激光器中，电磁波通常在谐振器结构中形成驻波。在考虑特定振荡波长时，使谐振器结构的空间电位在时间上是恒定的。该关系在具有表面等离子体振子波导的长波长激光器中是极为便利的，并且因此可以构想积极利用该关系的激光振荡的控制。换言之，在将电极等插入包层(负介电常数媒质101和102以及电接触111和112)中的将成为电磁波的波节(node)的部分或者将成为电磁波的波腹(anti-node)的部分时，可以控制激光振荡。
此外，当待插入的电极由具有有限电阻的结构替换时，也能够实现电流注入中的工作点的控制。出于该原因，提供电阻器元件12。如后面描述的，对于工作点的控制，电阻器元件12的电阻通常优选为相对小的值。
电阻器元件12是相对低的电阻器，其用于使插入电阻器元件12的部分的电位恒定。因此，仔细地选择表面等离子体振子波导中将成为待振荡的电磁波的波节的部分，用于插入电阻器元件12。
在该情况中，就波导中以第二包层作为参考的第一包层的电位和表面电流之间的关系方面来考虑将成为电磁波的波节的部分时，将成为电磁波的波节的部分被视为其中表面电流为极大值的部分。第一包层包括负介电常数媒质101和电接触111。第二包层包括负介电常数媒质102和电接触112。在需要时，可以省略电接触111和112。
当然，将成为电磁波的波节的部分可被视为这样的部分，其中就以第一包层作为参考的第二包层的电位和表面电流之间的关系方面，表面电流为极大值。替换地，在考虑到不允许其振荡的电磁波时，假设电阻器元件12插入到其中表面电流不是极大值的部分(例如，电磁波的波腹)。换言之，电阻器元件12用于使空间电位恒定并且因此用作对于不允许振荡的电磁波的损耗。在可以应用本发明的示例性实施例中，电阻器元件12利用上述现象使振荡波长稳定。
例如，可以将谐振隧穿二极管用作增益媒质103。可以使用在量子级联激光器中使用的具有数百到数千层的半导体多层膜结构。谐振隧穿二极管和半导体多层膜结构通过电流注入在毫米波段或太赫兹波段的电磁波中产生电磁波增益。注意，在进行电流注入时，伴随有隧道注入，并且其中产生增益的工作点的附近处中的I-V特性具有负微分电阻区域。该负微分电阻区域是如作为非线性微分方程的范德波尔(van delpol)方程描述的不稳定分支(branch)。因此，在选择上述的增益媒质103时，用于设定期望的工作点的稳定化是必不可少的。为了使负微分电阻区域中的不稳定稳定，构想了一种方法，其中并行插入具有比该负微分电阻低的电阻的电阻器以整体用作无源电路，如电子器件技术中公知的。可以应用本发明的示例性实施例中的电阻器元件12起到该作用。
在图1A中，谐振器结构由端面104和105形成。如图1A所示，在未进行端面处理的情况中，该端面是开放端。因此，在该波导谐振器中，用作开放端的端面104和105的部分具有极小值表面电流。这是其中端面104和105中的寄生电抗分量被忽略的极限近似(ultimateapproximation)。在典型情况中，该极限近似是令人满意的。在该情况中，从端面104和105开始沿着波导的、其中表面电流为极大值的第一部分是在光学长度上分开λ/4的部分，其中λ是振荡波长。这对应于电学长度上的π/2。随后，与分布常数电路相似，在光学长度上对于每个λ/2(在电学长度上对于每个π)恒定地呈现等价的部分。替换地，在对端面进行处理以使得端面中的第一包层(负介电常数媒质101和电接触111)和第二包层(负介电常数媒质102和电接触112)短路时，端面成为固定端。在该情况中，用作固定端的端面104和105在该波导谐振器中具有极大值表面电流。此时，从端面104和105开始沿着波导的具有极大表面电流的第一部分是在光学长度上分开λ/2的部分，其中λ是振荡波长。这对应于电学长度上的π。随后，与分布常数电路相似，在光学长度上对于每个λ/2(在电学长度上对于每个π)恒定地呈现等价的部分。在任何上述情况中，电阻器元件12插入到其中在表面等离子体振子波导中待振荡的电磁波的表面电流为极大值的部分中。注意，待插入的电阻器元件12的数目最小可以是1，但是优选使用多个电阻器元件以保证充分的稳定化。
电阻器元件12可以插入在具有负介电常数的第一包层(负介电常数媒质101和电接触111)和第二包层(负介电常数媒质102和电接触112)之间。例如，如图1B所示，经由电极121和122插入电阻器元件12。当然，并不限于此，负介电常数媒质101和102可以在横向方向上引出以直接电气连接到电阻器元件12。在任何情况中，电阻器元件12可以被构造为不与增益媒质103的侧壁接触。区域13被提供用于钝化并且填充有电介质，如图1B所示。可以采用具有低介电常数和低损耗的电介质或者基本上无损耗的气隙。
可以采用可能实现相对低的电阻值的导电材料作为电阻器元件12的结构。例如，可以构想诸如Bi或石墨的半金属和诸如ITO、ZnO或ZnSn的透明导电膜。此外，可以采用具有相对高的电导率的诸如多晶硅(poly-Si)的半导体。在将这些材料用作在器件10的主体上形成的膜电阻器元件12时，可以减小寄生电抗，这对于制造单片的(monolithic)是优选的。膜电阻器元件12在材料或形状上可以互不相同，并且通常被表示为如图1A所示的12A、12B、12C等。例如，膜电阻器元件12A和12C可以是具有使得电导率随着温度的增加而减小的电阻温度系数的半金属，或者可以是具有使得电导率随着温度的增加而增加的电阻温度系数的半导体。这是因为，根据膜电阻器元件12的电阻值，由于用于稳定化的电流而可以生成焦耳(Joule)热，但是也可以构想对其的补偿方法。在这两种应用中均可以采用透明半导体。电阻器元件12不限于此，并且可以如下文所述地使用能够抑制用于稳定化而流动的电流自身的非线性电阻器元件。
可以通过将电极121和122连接到外部电场控制单元(未示出)来驱动该激光器器件。注意，对于针对增益媒质103的电流注入并且对于稳定化，可以考虑流过电阻器元件12的电流而使用具有充分驱动能力的外部电场控制单元。
在下面的实施例中描述更具体的结构。
实施例1
图2A和2B示出了可以应用本发明的激光器器件的实施例。在该实施例中，增益媒质是谐振隧穿二极管(RTD)。假设在该RTD中产生的增益的范围从毫米波段到太赫兹波段。在该RTD中，使用隧道注入作为用于电流注入的方法，并且在I-V特性中呈现负微分电阻区域。在该RTD中，其中产生增益的工作点与负微分电阻区域交叠，并且该工作点通常是不稳定的。因此，激光振荡的稳定化是必要的，这导致了构成可以应用本发明的激光器器件的增益媒质的令人满意的示例。
图2B示出了该实施例中的激光器器件结构的截面图。增益媒质203是RTD，其具有使用三个势垒层(barrier layer)的结构，诸如隔层(spacer layer)/势垒层/阱层/势垒层/阱层/势垒层/隔层。对于这些层，在InP衬底上呈现晶格匹配的InGaAs可以用作阱层，并且可以使用呈现晶格匹配的InAlAs，不呈现晶格匹配的AlAs或者基于Sb的AlGaAsSb作为势垒层。更具体地，从发射极侧到集电极侧，如下构造半导体多层膜结构：InGaAs 5.0nm/AlAs 1.3nm/InGaAs 5.6nm/InAlAs 2.6nm/InGaAs 7.6nm/AlAs 1.3nm/InGaAs 5.0nm。每一层都是未掺杂层，并未有意地对该层进行载流子掺杂。当自发射极隧道注入的载流子(在该情况中是电子)通过上述半导体多层膜结构时，基于被称为光子辅助隧穿的现象，该载流子在从毫米波段到太赫兹波段的频率范围中产生增益。此外，在施加0.7V的电场时，峰电流密度约为280kA/cm2，并且在0.7V到0.9V的电场下，发现负微分电阻。
在更加详细的分析中，例如，在施加要作为工作点的0.7V的电场时，认为在0.3THz到1THz的频率范围中获得了约600cm-1的增益。注意，对于RTD的分析，参考Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.40，5251(2001)。
上述增益媒质203被电接触211和212夹着，该电接触211和212也是负介电常数媒质。增益媒质203的电接触211和212由例如50nm的n-InGaAs半导体膜构造，该半导体膜呈现出与InP衬底的晶格匹配。这里，电子被选择作为载流子并且Si用作掺杂剂，由此将电子浓度设定为2×1018cm-3。此外，增益媒质203被用作负介电常数媒质的电接触211和212夹着，并且也是100nm的n-InGaAs半导体膜，该半导体膜呈现出与InP衬底的晶格匹配。在该情况中，电子浓度被设定为1×1019cm-3以与Ti/Pd/Au等的电极221和222欧姆接触。注意，上文描述了InP衬底上的结构的示例，并且本发明不限于此。可以构想诸如InAs衬底上的InAs/AlAsSb或InAs/AlSb、GaAs衬底上的GaAs/AlAs或GaAs/AlGaAs、或者Si衬底上的Si/SiGe的半导体多层膜结构。其器件主体20被转移到图2A所示的转移衬底21上，并且具有嵌入结构，其中器件主体20嵌入在电介质23中。选择具有低介电常数和较小的损耗的诸如BCB的材料作为电介质23。结果，电阻器元件22可以插入在电极221和222之间，而不与增益媒质的侧壁接触。此外，电阻器元件22可以在电介质23上引出以调节其长度，由此调节电阻器元件22的电阻值。在该情况中，器件主体20的尺寸被设定为在表面等离子体振子的传播方向上为300μm，并且在横向方向上为5μm。图2A还示出了端面204和205。
在上述激光器器件结构中，电阻器元件22经由电极221和222插入在具有负介电常数的第一包层(负介电常数媒质201和电接触211)和第二包层(负介电常数媒质202和电接触212)之间。在该实施例中，作为电阻器元件22的材料，使用半金属Bi形成带状膜。根据在通过淀积方法形成Bi时获得的测量结果，电阻率约为3Ω·μm。因此，相对易于制造的Bi膜电阻器元件22可被任意调节以具有约从数Ω到数十Ω的电阻值。电阻值R设定如下(式1)，由此在振荡波长方面几乎可以忽略Bi膜电阻器元件22。
Zin＜R    (式1)
这里，Zin是其中上面布置有Bi膜电阻器元件22的表面等离子体振子波导中表面电流为极大值的部分的输入阻抗的量值。该部分的Zin充分小于器件主体20的表面等离子体振子波导中的特征阻抗Z0(Zin＜Z0)。因此，在选择大于Z0的电阻值时，可以满足式1。此时，在详细分析表面等离子体振子波导中的特征阻抗Z0时，在0.3THz到1THz中，Z0约为0.1。注意，对于用于表面等离子体振子波导的分析方法，通过将器件主体20中的各个层的自由载流子浓度反映在如所公知的由Drude给出的复介电常数模型上，使用麦克斯韦方程的有限元方法求解器(solver)。在该实施例中，如图2B中描述的，具有这样的侧的带状Bi膜电阻器元件22被布置在器件主体20的两侧以便于跨器件主体20，所述侧具有1.2μm厚度、4μm宽度和10μm的电介质23上的长度，由此将电阻值R调节到约3Ω。如上文所述，确保在其中表面电流为极大值的部分处的输入阻抗的量值Zin和Bi膜电阻器元件22的电阻值R之间的阻抗失配。对于该布置方法，在该实施例的情况中，端面204和205是开放端，并且因此与端面204和205分开λ/4的光学长度的部分是其中表面电流为极大值的第一部分。因此，选择如下方法，其中从这些部分起，在传播方向上以λ/2的节距(pitch)部分地布置电阻器元件22。在使用光学长度neL时(等效折射率ne，物理长度L)，获得表面等离子体振子波导中的等效折射率，并且确定振荡波长，获得该物理长度的节距。在该情况中，在0.3THz到1THz的附近，表面等离子体振子波导中的等效折射率约为12(使用上述技术用于分析表面等离子体振子波导)。在该实施例中，选择了1THz。此时，光学长度λ/2在物理长度上对应于12.5μm。而且，为了使器件主体20的工作点稳定，满足如下条件(式2)。
r≤-NDR    (式2)
这里，NDR(＜0)是工作点处的器件主体20的负微分电阻的值，并且r是在器件主体20上相互并行布置的电阻器元件22的电阻的和。此时，增益媒质203的在工作点处的每面积的NDR约为-2×10-6Ω·cm2，并且传播方向上的每12.5μm的NDR约为-3.2Ω。当如上文所述电阻相对低时，可以相互并行地布置大量的电阻器元件22。在该实施例中，例如，电阻器元件22布置在其中表面等离子体振子波导中的所有表面电流为极大值的部分处。如果就一个电阻器元件22而言，其等于或小于3.2Ω，则可以满足式2，在该情况中满足该条件。因此，在器件主体20上布置二十四个Bi膜电阻器元件22。
在上述激光器器件结构中，进行了用于确认振荡波长附近的激光振荡的稳定化的计算和用于确认DC附近的工作点稳定化的计算。事实上，可以认为，如果在除了1THz的振荡波长之外的整个频率范围中发现由于Bi膜电阻器元件22引起的损耗的效应，则该稳定化是有效的。然而，可以构想，出于方便起见可以在两个主频率范围中进行充分的计算。
图3A、3B和3C示出了振荡波长附近的Q值的计算结果。
在该计算中，通过该实施例的激光器器件结构进行全电磁场仿真。在该全电磁场仿真中，使用由Ansoft Corporation制造的商用HFSS ver.10.1，已知其为三维有限元方法求解器。
此外，作为指明负介电常数材料的方法，近似并使用Drude的复介电常数模型。通过将Drude的复介电常数模型中的AC导电率σ(ω)替换为DC导电率σ(0)进行该近似。
已知，当待求解的角频率ω和负介电常数材料中载流子的弛豫时间τ之间的关系满足ωτ＜1时，获得了较好的近似。
这里，进行仿真的频率范围被设定为0.3到1THz的附近。
已知，当电极材料201和202中的电子弛豫时间τ被设定为0.05psec并且n-InGaAs半导体材料201、202、221和222中的电子弛豫时间τ被设定为0.1psec时，可以实现建模。对于弛豫时间，参考Appl.Phys.Lett.，Vol.83，2124(2003)。
因此，通过采用Appl.Phys.Lett.，Vol.83，2124(2003)的弛豫时间，所有n-InGaAs半导体材料201、202、221和222具有σ(0)＝6×105S/m。注意，InGaAs半导体材料的背景介电常数被假设为11.6，并且因此i-InGaAs半导体材料203的介电常数被设定为该背景介电常数本身。
此外，为了简化计算规模，在电极材料201和202中未使用网格(mesh)，并且使DC导电率σ(0)充分地大，以便于仅近似表面电流。
在上文的建模下进行计算。图3A示出了计算结果。在图3A中，Q值的峰在第24个模中(纵向模)，并且其他模中的Q值相对较小。因此，在激光振荡中选择第24个模，并且因此振荡波长是稳定的。此外，对应于第24个模的振荡波长是1.05THz。
这被认为是，通过如上文所述将Bi膜电阻器元件22插入到其中表面电流为极大值的部分，向除了期望的激光振荡的模之外的模提供损耗，而获得了这些结果。
图3B示出了在未插入Bi膜电阻器元件22时获得的用于比较的计算结果。通过比较图3A和3B，显然的是，第24个模不那么受Bi膜电阻器元件22的影响。这依赖于Bi膜电阻器元件22的宽度而变化。图3C是在全电磁场仿真中使用的分析模型的透视图，并且同时示出了电极材料221和n-InGaAs半导体材料201之间的边界中第24个模的表面电流分布。在全电磁场仿真中，Bi膜电阻器元件22被可视化，其被布置在其中表面电流分布大的部分中。
图4示出了DC周围的回波损耗(return loss)的计算结果。在该计算中，基于该实施例的激光器器件结构是集总常数电路并且电极221和222被集成到一个端口中的假设，进行S参数分析。
由于器件主体20的尺寸在可构想的频率范围(在该情况中在DC周围)中是充分小的，因此这被认为是适当的。
这里，除了器件主体20的NDR和Bi膜电阻器元件22的合成电阻r之外，还考虑了通过Ti/Pd/Au电极221和222的欧姆接触电阻(1×10-7Ω·cm2)。此外，还考虑了Bi膜电阻器元件22的静电电容量(BCB 23的介电常数被假设为2.6)。
如从图4的计算结果显见的，在DC到30GHz的全频率范围中，回波损耗等于或小于0dB，并且因此工作点是稳定的。在插入Bi膜电阻器元件22由此满足式2时，通常可以获得该结果。
该实施例的激光器器件结构可以通过如下方法制造。
首先，通过分子束外延(MBE)方法等在InP衬底上制造如下各层。
外延生长n-InGaAs层202和212、InGaAs/AlAs或InGaAs/InAlAs的多量子阱203、以及n-InGaAs层211和201。
在InP衬底的表面上淀积Ti/Pd/Au电极221，并且进行刻蚀直到衬底，以具有如上文所述的宽度为5μm并且长度为300μm的平台(mesa)形状。对于该刻蚀，使用光刻和利用感应耦合等离子体(ICP)的干法刻蚀。接着，在上述Ti/Pd/Au电极221和在其上淀积有Au薄膜的转移衬底21上形成的AU薄膜之间进行压力接合。可以使用利用诸如AuSn的焊料的热熔融接合。然后，利用盐酸进行湿法刻蚀以选择性地移除InP衬底。因此，平台形状的外延层被转移在转移衬底21上。然后，在通过旋涂涂布BCB 23之后，使平台形状的外延层暴露。此外，在移除InP衬底之后暴露的n-InGaAs层202的表面上，通过剥离方法形成电极222。最后，通过剥离方法淀积Bi膜电阻器元件22以完成上述结构。
注意，作为该实施例的膜电阻器元件的修改方案，也可以构想不同于诸如Bi的半金属的、具有相对接近的电阻率的透明导电膜。在该实施例中，具有该相对接近的电阻率的ITO或ZnO可以用作相似形状的膜。
实施例2
图5A和5B示出了可以应用本发明的激光器器件的实施例。在该实施例中，增益媒质是与实施例1相同的谐振隧穿二极管(RTD)。实施例1的RTD的NDR是相对低的电阻，并且因此用于稳定化的电阻器元件的电阻值也是相对低的。例如，由此单个电阻器元件消耗100mA量级的额外电流。注意，该电阻器元件不限于线性电阻器元件，而是也可以使用非线性电阻器元件。在该实施例中，为了实现对该问题的改进，使用非线性电阻器元件，该非线性电阻器元件利用在金属和半导体之间的边界上形成的肖特基势垒。其结构略微复杂，但是作为构造可以应用本发明的激光器器件的电阻器元件，其是更加期望的示例。
在图5B中，为了简化，假设增益媒质503是与实施例1相同的在InP衬底上形成的RTD。电接触511和512包括50nm的n-InGaAs半导体膜，其具有2×1018cm-3的电子浓度。负介电常数媒质501和502包括100nm的n-InGaAs半导体膜，其具有1×1019cm-3的电子浓度。此外，Ti/Pt/Au用作电极521和522。包括上述这些层的器件主体50被转移在图5A中示出的转移衬底51上，并且具有嵌入结构，其中器件主体50嵌入在电介质53中。此外，在该实施例中，肖特基势垒用作非线性电阻器元件。因此，具有约1Ω·cm的电阻率的n-Si衬底被用于转移衬底51。对于n-Si衬底51，在电子器件技术中用于构造肖特基电极的电极材料是公知的，并且因此可以选择某些电极材料。肖特基电极材料52，其是带状膜，将待成为肖特基势垒54的n-Si衬底51的表面部分电气连接到在器件主体50上形成的电极522。包括肖特基势垒54的该电阻器元件52与电极521和522电接触。在该情况中，器件主体50的尺寸被设定为在表面等离子体振子的传播方向上为300μm并且在横向方向上为5μm。此外，肖特基势垒54的表面面积被设定为例如4μm见方。
在上述激光器器件结构中，包括肖特基势垒54的电阻器元件52经由电极521和522插入在具有负介电常数的第一包层(负介电常数媒质501和电接触511)和第二包层(负介电常数媒质502和电接触512)之间。注意，对于包括肖特基势垒54的电阻器元件52的电阻值，式1与实施例1中相同，但是式2与实施例1的不同。具体地，如下设定工作点处的电阻值R，使得就振荡波长而言几乎可以忽略包括肖特基势垒54的电阻器元件52。
Zin＜R    (式1)
此外，为了使器件主体50的工作点稳定，要满足如下条件(式3)。
DR≤-NDR    (式3)
这里，NDR(＜0)是工作点处的器件主体50的负微分电阻的值，并且DR是工作点处的电阻器元件52的微分电阻的和，所述电阻器元件52包括肖特基势垒54并且在器件主体50上相互并行布置。可以假设表达式2是通过对式2进一步一般化而获得的公式。为了满足该式，检查肖特基电极材料52以获得图6A和6B中示出的计算结果。在该计算中，使用公知的场致热电子发射(thermionic-field emission)模型。这里，假设对于Pt、Pd和Ti，相对于n-Si衬底51的肖特基势垒高度分别是0.9eV、0.8eV和0.5eV。此外，对于肖特基势垒54的边界的n值(理想因子(ideal factor))，假设1.1典型值。在图6A中，在0.7V的工作点处，当Pt被用于肖特基电极材料52时，电阻值R约为10Ω。在图6B中，在0.7V的工作点处，当Pt被用于肖特基电极材料52时，每个包括肖特基势垒54的电阻器元件52的微分电阻DR约为1Ω。因此，Pt可用于肖特基电极材料52以同时满足式1和3。在如实施例1中那样将二十四个由Pt制成的肖特基电极材料52以12.5μm的节距布置在器件主体50上时，使具有约1THz的振荡波长的激光振荡稳定。
在其中使用非线性电阻器元件的该实施例中，单个电阻器元件消耗10mA量级的额外电流用于使激光振荡稳定。这小于实施例1的，并且可被认为是适当的修改。
该实施例的激光器器件结构可以通过如下方法制造。首先，通过分子束外延(MBE)方法等在InP衬底上制造如下各层。
外延生长n-InGaAs层502和512、InGaAs/AlAs或InGaAs/InAlAs的多量子阱503、以及n-InGaAs层511和501。
在InP衬底的表面上淀积Ti/Pt/Au电极521并且进行刻蚀直到衬底，以具有如上文所述的宽度为5μm并且长度为300μm的平台形状。对于该刻蚀，使用光刻和利用感应耦合等离子体(ICP)的干法刻蚀。此外，以4μm见方的平台形状对n-Si转移衬底51进行刻蚀，并且Ti/Au薄膜淀积在已经受刻蚀的部分上。接着，在上述Ti/Pt/Au电极521和在n-Si转移衬底51上形成的Ti/Au薄膜之间进行压力接合。可以使用利用诸如AuSn的焊料的热熔融接合。然后，利用盐酸进行湿法刻蚀以选择性地仅移除InP衬底。因此，平台形状的外延层被转移在n-Si转移衬底51上。然后，在通过旋涂涂布BCB 53之后，使平台形状的外延层暴露。此外，在移除InP衬底之后暴露的n-InGaAs层502的表面上，通过剥离方法形成电极522。最后，通过剥离方法淀积由Pt制成的肖特基电极材料52以完成上述结构。
实施例3
图7A和7B示出了可以应用本发明的激光器器件的实施例。在该实施例中，增益媒质是在量子级联激光器中使用的具有数百到数千层的半导体多层膜结构。在该增益媒质中，构想在太赫兹波段上，基于子带间跃迁产生的增益的范围广泛。在量子级联激光器中使用的具有数百到数千层的半导体多层膜结构中，隧道注入也被用作电流注入方法，并且在I-V特性中呈现负微分电阻区域。例如，图8示出了其典型示例。其中部分产生增益的工作点包括负微分电阻区域。当该负微分电阻区域被选择为工作点时，该工作点通常是不稳定的。此外，除了I-V特性之外，图8还示出了电流激光振荡输出特性(I-L特性)，其中看到I-L特性在负微分电阻区域中是去激活的。在该情况中，电流I是横坐标。这样的典型示例是，例如，在控制电压V时发现的现象。因此，激光振荡的稳定化是必要的，以获得作为构造可以应用本发明的激光器器件的增益媒质的适当示例。
在图7B中，增益媒质703是在量子级联激光器中使用的具有数百到数千层的半导体多层膜结构。
例如，该半导体多层膜结构具有如下结构，其中重复使用四个势垒层的模块，诸如势垒层/阱层/势垒层/阱层/势垒层/阱层/势垒层/阱层。
一个重复单元被设计为本领域的技术人员公知的4阱结构，但是也可以使用3阱或束缚态-到-连续态(bound-to-continuum)结构。对于这些层，在GaAs衬底上呈现晶格匹配的GaAs可以用作阱层，并且呈现晶格匹配的AlGaAs或者不呈现晶格匹配的AlGaAs可以用作势垒层。更具体地，从发射极侧到集电极侧，通过重复如下结构178次构造该半导体多层膜结构：
AlGaAs 4.9nm/GaAs 7.9nm/AlGaAs 2.5nm/GaAs 6.6nm/AlGaAs 4.1nm/n-GaAs 15.6nm/AlGaAs 3.3nm/GaAs 9.0nm。
注意，对于增益媒质的结构，参考Opt.Expr.，Vol.13，3331(2005)。在该情况中，15.6nm的n-GaAs层，即被称为注入体(injector)并且为本领域的技术人员所公知的层，被进行载流子掺杂以具有约2×1016cm-3的轻度掺杂的电子浓度。其他层是未进行有意载流子掺杂的未掺杂的层。当从发射极隧道注入的载流子(在该情况中是电子)通过上述半导体多层膜结构时，基于子带间跃迁在太赫兹波段的频率范围中产生增益。此外，在施加13V的电场时，峰电流密度(对应于图8的Jp)约为0.8kA/cm2，并且在施加13到14V的电场时，发现负微分电阻。如上所述的增益媒质703被负介电常数媒质701和702夹着，该负介电常数媒质701和702还用作电接触。增益媒质703的电接触701和702包括，例如，呈现出对GaAs衬底的晶格匹配的50nm n-GaAs半导体膜。这里，电子浓度被设定为5×1018cm-3。通过该方式，它们与诸如Ti/Pd/Au的电极721和722欧姆接触。上文描述了GaAs衬底的结构的示例；然而，本发明不限于此。可以构想半导体多层膜结构，诸如InAs衬底上的InAs/AlAsSb或InAs/AlSb，InP衬底上的InGaAs/InAlAs、InGaAs/AlAs或InGaAs/AlGaAsSb，或者Si衬底上的Si/SiGe。包括上述这些层的器件主体70被转移在图7A中示出的转移衬底71上，以具有嵌入结构，其中器件主体70嵌入在电介质73中。选择具有低介电常数和较小损耗的诸如BCB的材料作为电介质73。在该情况中，器件主体70的尺寸被设定为在表面等离子体振子的传播方向上为1000μm并且在横向方向上为20μm。注意，图7A示出了端面704和705。
在上述激光器器件结构中，电阻器元件72经由电极721和722插入在具有负介电常数的第一包层(负介电常数媒质701)和第二包层(负介电常数媒质702)之间。在该实施例中，使用ITO的透明导电膜形成带状膜，作为电阻器元件72的材料。已知，当在低温环境下通过RF溅射淀积ITO时，电阻率约为10Ω·μm(对于电阻率，参考1999年Ohmsha，Ltd.出版的Japan Society for the Promotion of Science，″Transparent conductive film technology″，Chapter 5)。电阻值R设定如下，由此使得就振荡波长而言几乎可以忽略ITO膜电阻器元件72。
Zin＜R    (式1)
Zin是其中上面布置了ITO膜电阻器元件72的表面等离子体振子波导中表面电流变为极大值的部分的输入阻抗的量值。该部分的Zin充分小于器件主体70的表面等离子体振子波导中的特征阻抗Z0(Zin＜＜Z0)。因此，在选择大于Z0的电阻值时，可以满足式1。此时，在详细分析表面等离子体振子波导中的特征阻抗Z0时，在3THz的附近，Z0约为60Ω。注意，对于用于表面等离子体振子波导的分析方法，通过将器件主体70中的各个层的自由载流子浓度反映在公知的由Drude给出的复介电常数模型上，来使用麦克斯韦方程的有限元方法求解器。在该实施例中，如图7B中描述的，具有1.0μm膜厚度、5μm宽度和40μm的在电介质73上的长度的侧的带状ITO膜电阻器元件72被布置在其一侧以便于跨越器件主体70，由此将电阻值R调节到约80Ω。如上文所述，确保了其中表面电流为极大值的部分中的输入阻抗的量值Zin和ITO膜电阻器元件72的电阻值R之间的阻抗失配。对于该布置方法，在该实施例的情况中，端面704和705是开放端，并且因此与端面704和705分开λ/4的光学长度的部分成为其中表面电流为极大值的第一部分。因此，选择如下方法，其中从这些部分起，在传播方向上以λ/2的节距部分地布置电阻器元件72。在光学长度由neL(等效折射率ne，物理长度L)表示时，获得表面等离子体振子波导中的等效折射率并且确定振荡波长，由此获得该物理长度的节距。在该情况中，在3THz的附近，表面等离子体振子波导中的等效折射率约为3.0(使用上述技术用于表面等离子体振子波导分析)。在该实施例中，选择3THz。此时，光学长度λ/2在物理长度上对应于16.7μm。此外，为了使器件主体70的工作点稳定，要满足如下条件(式2)。
r≤-NDR    (式2)
这里，NDR(＜0)是在工作点中的器件主体70的负微分电阻的值，并且r是在器件主体70上相互并行布置的电阻器元件72的电阻的和。此时，增益媒质703的工作点处的每面积的NDR约为-1×10-2Ω·cm2，并且传播方向上的每16.7μm的NDR约为-3000Ω。当如上文所述电阻相对高时，可以相互并行地布置少量的电阻器元件72。在该实施例中，例如，电阻器元件72布置在其中在表面等离子体振子波导中自端面704和705流动的表面电流为极大值的第一部分处。如果此时ITO膜电阻器元件72具有等于或小于每一个ITO膜电阻器元件(72)100Ω的电阻，则可以满足式2，这在该情况中实现。因此，两个ITO膜电阻器元件72布置在器件主体70上，由此使具有约3THz的振荡波长的激光振荡稳定。
该实施例的激光器器件结构可以通过如下方法制造。首先，通过分子束外延(MBE)方法等在GaAs衬底上外延生长AlGaAs的刻蚀停止层、n-GaAs层702、GaAs/AlGaAs的多量子阱703和n-InGaAs层701。在其表面上淀积Ti/Pd/Au作为电极721，并且进行刻蚀直到衬底，以具有如上文所述的宽度为20μm并且长度为1000μm的平台形状。对于该刻蚀，使用光刻和利用感应耦合等离子体(ICP)的干法刻蚀。接着，在上述Ti/Pd/Au电极721和其上淀积有Au薄膜的转移衬底71上形成的Au薄膜之间进行压力接合。可以使用利用诸如AuSn的焊料的热熔融接合。然后，利用氨水和过氧化氢溶液进行湿法刻蚀以选择性地仅移除GaAs衬底直到刻蚀停止层。此外，在移除刻蚀停止层时，平台形状的外延层被转移在转移衬底71上。然后，在通过旋涂涂布BCB 73之后，使平台形状的外延层暴露。此外，在移除GaAs衬底之后暴露的n-GaAs层702的表面上，通过剥离方法形成电极722。最后，通过剥离方法淀积ITO膜电阻器元件72以完成上述结构。
作为该实施例中的膜电阻器元件的修改，除了诸如ITO的透明导电膜之外，还可构想诸如多晶硅的具有相对接近的电阻率的半导体。在该实施例中，该多晶硅可以用作类似形状的膜。
尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是将理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。下面的权利要求的范围应赋予最广泛的解释，以便涵盖所有这些修改以及等效的结构和功能。
本申请要求在2007年8月31日提交的日本专利申请No.2007-226341的优先权，其整体内容在此处并入作为参考。

Claims (12)

1.一种激光器器件，包括：
增益媒质，其具有对于特定电磁波的增益；
谐振器结构，其用于使所述电磁波谐振；
波导，其通过将所述增益媒质插入在第一包层和第二包层之间形成，每个包层包括相对于所述特定电磁波其介电常数的实部为负的负介电常数媒质；和
电阻器元件，其用于使第一包层和第二包层之间的电位差稳定，所述电阻器元件被设置到当所述电磁波在所述波导中传播时以第二包层设定作为参考时第一包层中的表面电流为极大值的部分。
2.如权利要求1所述的激光器器件，
其中所述波导包括在所述电磁波的传播方向上的要作为开放端的端面，
其中所述电阻器元件所设置到的所述部分至少包括在光学长度上与所述端面分开所述电磁波的1/4波长的部分。
3.如权利要求1所述的激光器器件，
其中所述波导包括在所述电磁波的传播方向上的要作为固定端的端面，
其中所述电阻器元件所设置到的所述部分至少包括在光学长度上与所述端面分开所述电磁波的1/2波长的部分。
4.如权利要求1所述的激光器器件，其中所述电阻器元件是由导电材料形成的膜电阻器元件。
5.如权利要求1所述的激光器器件，其中所述电阻器元件包括半金属、透明导电膜和半导体之一。
6.如权利要求1所述的激光器器件，其中所述电阻器元件包括半导体，并包括在金属和所述半导体之间产生的肖特基势垒。
7.如权利要求1所述的激光器器件，其中提供多个所述表面电流为极大值的部分，具有不同符号的电阻温度系数的电阻器元件被设置到所述多个所述表面电流为极大值的部分。
8.如权利要求1所述的激光器器件，其中所述负介电常数媒质包括下列之一：金属、载流子掺杂的半导体、以及载流子掺杂的半导体和金属。
9.如权利要求1所述的激光器器件，其中所述增益媒质是基于光子辅助隧穿的谐振隧穿二极管。
10.如权利要求1所述的激光器器件，其中所述电磁波是具有在从30GHz到30THz范围内的频率的电磁波。
11.一种激光器器件，包括：
增益媒质，其具有对于频率在从30GHz到30THz的范围内的电磁波的增益；
谐振器结构，其用于使所述电磁波谐振；
波导，其通过将所述增益媒质插入在第一包层和第二包层之间形成，每个包层包括对于所述电磁波其介电常数的实部为负的负介电常数媒质；和
电阻器元件，其用于使第一包层和第二包层之间的电位差稳定，所述电阻器元件被设置到当所述电磁波在所述波导中传播时以第二包层设定作为参考时第一包层中表面电流为极大值的部分，
其中所述波导包括在所述电磁波的传播方向上的要作为开放端的端面，所述电阻器元件所设置到的所述部分至少包括在光学长度上与所述端面分开所述电磁波的1/4波长的部分；或者所述波导包括在所述电磁波的所述传播方向上要作为固定端的端面，所述电阻器元件所设置到的所述部分至少包括在光学长度上与所述端面分开所述电磁波的1/2波长的部分。
12.一种激光器器件，包括：
增益媒质，其具有对于频率在从30GHz到30THz的范围内的电磁波的增益；
谐振器结构，其用于使所述电磁波谐振；
波导，其通过将所述增益媒质插入在第一包层和第二包层之间形成，每个包层包括对于所述电磁波其介电常数的实部为负的负介电常数媒质；和
电阻器元件，其用于使第一包层和第二包层之间的电位差稳定，所述电阻器元件被设置到当所述电磁波在所述波导中传播时以第二包层设定作为参考时第一包层中表面电流为极大值的部分，
其中所述电阻器元件包括半导体并且是膜电阻器元件，所述膜电阻器元件包括在金属和所述半导体之间产生的肖特基势垒。
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