CN103972791B - 分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，包括多模波导及分别形成于所述多模波导两侧的DBR光栅波导，其中，所述多模波导的宽度至少为所述DBR光栅波导宽度的两倍。本发明采用宽度较宽的多模波导与宽度较窄的DBR光栅波导组合设计，可以同时实现单横模激射和单纵模激射；并且具有更大的增益面积及更高的输出光功率，可以提高出光光束的质量和收集效率，且器件更加小巧。本发明的DBR光栅波导通过波导宽度的周期性变化实现反馈，其上下电极可采用整片金属，具有更均匀的注入电流，易于实现激光波长调谐和上电极引线键合，提高了器件的成品率和工作稳定性，同时减少了太赫兹激光的功率损失。

Description

分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器

技术领域

本发明属于激光器半导体技术领域，涉及一种太赫兹量子级联激光器，特别是涉及一种基于多模干涉结构的分布式布拉格反射太赫兹量子级联激光器。

背景技术

太赫兹(以下简称THz，1THz＝10¹²Hz)波段是指电磁波谱中频率从100GHz到10THz，对应的波长从3毫米到30微米，介于毫米波与红外光之间频谱范围相当宽的电磁波谱区域。由于缺少有效的THz辐射产生和检测方法，导致THz波段的电磁波长期未得到充分地研究和应用，被称为电磁波谱中的“THz空隙”。THz辐射源是THz频段应用的关键器件。在众多THz辐射产生方式中，THz量子级联激光器(以下简称THz QCL)由于具有能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点，成为THz辐射源研究领域的热点之一。THz QCL是一种电泵浦的单极器件，多采用GaAs/AlGaAs材料系统。电子通过在子带间的跃迁辐射出光子，通过改变势阱和势垒的宽度，可以改变激射能级之间的能量差，从而控制辐射光子的频率。一个完整的QCL有源区由几十甚至几百个周期组成。THz QCL在实时成像、气体检测、环境监测和空间保密通信等应用领域具有重要的应用价值。其中，能够单纵模激射、波长可调谐THz QCL对提升气体探测、射频天文学等应用系统性能具有重要作用。传统的法布里-珀罗(F-P)腔激光器由于各纵模间的增益差小，纵模选择性弱，很难实现单纵模工作。而分布式布拉格反射结构(distributed Bragg reflection，以下简称DBR)激光器利用两个布拉格光栅替代F-P腔激光器的解理端镜面构成谐振腔，有源区夹在两个布拉格光栅中间，满足波长在布拉格反射附近的激光才能激射，因此器件实现了低阈值、单纵模激射，DBR光栅结构参数可分别选择，提高微分外量子效率，通过改变光栅区折射率即可实现波长调谐。但在太赫兹频段，由于激光波长过长，与器件尺寸相近，波导对光限制变差，损耗增加，因此太赫兹频率的DBR激光器出光功率较低。提高THz QCL出光功率最常用的方案是增大器件的增益面积，但过宽的波导宽度会激发高阶侧模，降低出射光束质量和收集效率。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，用于解决现有技术中的太赫兹激光器无法同时激射单横模光和单纵模光、输出光功率低及出射光束质量不好的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，包括多模波导及分别形成于所述多模波导两侧的DBR光栅波导，其中，所述多模波导的宽度至少为所述DBR光栅波导宽度的两倍。

可选地，所述DBR光栅波导至少包括一个光栅周期，所述光栅周期包括第一光栅波导及第二光栅波导，其中，所述第一光栅波导的宽度小于所述第二光栅波导的宽度。

可选地，所述第一光栅波导自下而上依次包括半绝缘GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层及上金属层；所述第二光栅波导自下而上依次包括半绝缘GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层及上金属层；其中，与所述多模波导两侧直接相连的第一光栅波导或第二光栅波导无上金属层。

可选地，所述上金属层为整片金属，所述下金属层为整片金属。

可选地，与所述多模波导两侧直接相连的第一光栅波导或第二光栅波导的上接触层被去除。

可选地，所述多模波导自下而上依次包括半绝缘GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层及上金属层。

可选地，所述有源区包括束缚态到连续态跃迁结构、共振声子结构或啁啾晶格结构。

可选地，所述分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器的输出激光模式同时满足单纵模和单横模。

可选地，所述多模波导或所述DBR光栅波导采用半绝缘等离子波导结构或双面金属波导结构。

可选地，所述多模波导及所述DBR光栅波导的最优尺寸通过光束传播法或有限元法设计得到。

如上所述，本发明的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，具有以下有益效果：(1)本发明的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器包括多模波导及分别形成于所述多模波导两侧的DBR光栅波导，其中，所述多模波导的宽度至少为所述DBR光栅波导宽度的两倍。这种宽度较宽的多模波导与宽度较窄的DBR光栅波导组合设计，可以同时实现单横模和单纵模激射；(2)相对于传统的整体宽度基本一致的矩形条波导结构，在同等器件长度下，本发明的激光器具有更大的增益面积，因而具有更高的输出光功率；(3)相对于与本发明多模波导的宽度相似的传统矩形条波导，本发明又具有输出单横模光的特点，有效抑制高阶侧模，提高出光光束的质量和收集效率，且激光器输出端采用较窄的DBR光栅波导使得器件更加小巧；(4)由于本发明的DBR光栅波导的每一个光栅周期采用宽度不同的两段波导，通过波导宽度的周期性变化实现反馈，这种宽度周期性变化而有源层厚度不变的设计使得DBR光栅波导上可以大面积覆盖金属，较金属狭缝结构光栅具有更均匀的注入电流，易于实现激光波长调谐和上电极引线键合，提高了器件的成品率和工作稳定性，同时减少了太赫兹激光从金属狭缝中辐射造成功率损失。

附图说明

图1显示为本发明的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器的俯视结构示意图。

图2显示为图1所示结构的三维图。

图3显示为图1所示结构的A-A向剖视图。

图4显示为中心波长在100μm的分布布拉格光栅反射谱。

图5显示为不同多模波导长度对应输出功率的计算结果。

图6显示为本发明优化后的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器的光场分布图。

元件标号说明

1 多模波导

2 DBR光栅波导

21 第一光栅波导

22 第二光栅波导

3 下金属层

4 半绝缘GaAs衬底

5 GaAs缓冲层

6 下接触层

7 有源区

8 上接触层

9 上金属层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，请参阅图1，显示为所述分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器的俯视结构示意图，包括多模波导1及分别形成于所述多模波导1两侧的DBR光栅波导2，其中，所述多模波导1的宽度至少为所述DBR光栅波导2宽度的两倍。图2显示为图1所示结构的三维图。

DBR(distributed Bragg reflection)又叫分布式布拉格反射镜，是由两种不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列组成的周期结构，相当于简单的一组光子晶体，由于频率落在能隙范围内的电磁波无法穿透，布拉格反射镜的反射率可达99％以上，可以提升亮度，也没有金属反射镜的吸收问题，又可以透过改变材料的折射率或厚度来调整能隙位置。

具体的，本发明中，所述DBR光栅波导2至少包括一个光栅周期，通常为10个左右，也可以更多。所述光栅周期包括第一光栅波导21及第二光栅波导22，其中，所述第一光栅波导21的宽度小于所述第二光栅波导22的宽度。本发明的DBR光栅波导的每一个光栅周期采用宽度不同的两段波导，通过波导宽度的周期性变化实现反馈，这种宽度周期性变化而厚度不变的设计使得DBR光栅波导上可以大面积覆盖金属，较金属狭缝结构光栅具有更均匀的注入电流，易于实现激光波长调谐和上电极引线键合，提高了器件的成品率和工作稳定性，同时减少了太赫兹激光从金属狭缝中辐射造成功率损失。

图1及图2中示出了所述多模波导1的宽度W_mmi、所述第一光栅波导21的宽度W1_in及所述第二光栅波导22的宽度W2_in。本实施例中，一个光栅周期内，较窄的第一光栅波导21位于内侧，较宽的第二光栅波导22位于外侧，在另一实施例中，其顺序也可以调换。

具体的，所述多模波导1或所述DBR光栅波导2采用半绝缘等离子波导结构或双面金属波导结构，其中，表面等离子体波导可以很好地束缚电磁波，具有良好的传输特性；双面金属波导结构具有很高的光限制因子，可以降低激光器的激射阈值，减少注入功率消耗，使得器件的工作温度相比于半绝缘等离子体波导能得到大大的提升，但其相较于半绝缘等离子体波导器件又具有大的远场发散角和较低的输出功率。

本实施例中，所述多模波导1及所述DBR光栅波导2以半绝缘等离子波导为例。图3显示为图1所示结构的A-A向剖视图，如图所示，所述多模波导1自下而上依次包括半绝缘GaAs衬底4、下金属层3、下接触层6、有源区7、上接触层8及上金属层9，其中，所述半绝缘GaAs衬底4与所述下接触层6之间还形成有GaAs缓冲层5。所述第一光栅波导21与所述第二光栅波导22的A-A向剖面结构与所述多模波导1基本一致，即所述第一光栅波导21自下而上依次包括半绝缘GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层及上金属层；所述第二光栅波导22自下而上依次包括半绝缘GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层及上金属层。所述上金属层及下金属层分别作为上电极和下电极。其中，与所述多模波导两侧直接相连的第一光栅波导或第二光栅波导无上金属层。

具体的，所述第一光栅波导21与第二光栅波导22中，所述上金属层为整片金属，所述下金属层为整片金属，整片金属结构可以增大金属面积，使得注入电流更加均匀。

具体的，与所述多模波导1两侧直接相连的第一光栅波导或第二光栅波导的上接触层被去除，形成电隔离沟，以降低电信号对所述多模波导1的影响，从而提高出光质量，实现波长调谐的控制，而其余部位的第一光栅波导及第二光栅波导上的上金属层及上接触层保留。

具体的，所述多模波导及所述DBR光栅波导中，所述有源区包括但不限于束缚态到连续态跃迁结构、共振声子结构或啁啾晶格结构。

需要指出的是，以上所述多模波导1的宽度及所述DBR光栅波导2的宽度均指的是其有源区部分的宽度。对于所述DBR光栅波导2由宽度不同的第一光栅波导21及第二光栅波导22组成，其整体宽度由较宽的一个光栅波导的宽度决定。本发明中所述多模波导1的宽度至少为所述DBR光栅波导2的宽度的两倍，即是指W_mmi>2W2_in。

本发明的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器中，太赫兹光由宽度较宽的多模波导的有源区产生，具有更大的增益面积和更高的输出光功率；宽度较窄的DBR光栅波导位于宽度较宽的多模波导两侧中心处，可以提高器件对纵模的选择性，同时，所述DBR光栅波导亦作为输出波导出射太赫兹激光。所述DBR光栅波导构成谐振腔，太赫兹激光在腔内形成多模干涉现象，由于DBR光栅波导宽度较窄，可以有效抑制高阶侧模，输出光波为单横模光，且由于DBR光栅波导对纵模的选择性，从而同时实现单横模和单纵模激射。

此处需要说明的是，谐振腔内电磁场的空间分布可分解为沿传播方向(腔轴线方向)的分布和在垂直于传播方向的横截面内的分布。其中，腔模沿腔轴线方向的稳定场分布称为谐振腔的纵模，而在垂直于腔轴的横截面内的稳定场分布称为谐振腔的横模。单纵模是指谐振腔内只有单一纵模(单一频率)进行振荡，单横模是指光强在光横截面上的分布为高斯分布，本发明的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器能够在输出单纵模激光的同时保证出射激光的单横模特性。

本发明相较于传统的矩形条激光器结构不仅能够同时实现单横模和单纵模激射，还具有更高的输出光功率和光束质量，同时保持器件的小型化。本发明可以应用于各种有源区结构的太赫兹量子级联激光器，在气体检测、射电天文学、高分辨率光谱等领域上具有重要的应用价值。

具体的，多模干涉原理为：太赫兹光在多模波导内激发高阶导模，由于各导模传播常数不同，造成光能量在多模波导中周期性分布，当多模波导取特定长度和宽度时，太赫兹光在多模波导两侧中心位置形成强度相等的两个像，这时在多模波导两侧中心处制作单模输出波导，就可以得到单横模太赫兹光。

本发明的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器中，所述多模波导及所述DBR光栅波导的最优尺寸可以采用光束传播法或有限元法设计得到。需要设计的参数包括多模波导宽度L、多模波导宽度W_mmi、第一光栅波导宽度W1_in及第二光栅波导宽度W2_in。DBR光栅周期Λ和反射峰中心波长位置可根据耦合模理论设计。

作为示例，本发明的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器设计步骤如下：

步骤一：设计DBR光栅波导中两段波导宽度W1_in和W2_in。为保证输出波导为单模波导，不激发高阶侧模，所述第一光栅波导及第二光栅波导的宽度分别选择为50μm和60μm，等效折射率分别是3.5397和3.57048。

步骤二：设计DBR光栅波导的周期和长度。设定激光器激射波长为100μm，由布拉格反射条件λ_B＝2n_effΛ，其中n_eff为波导的平均等效折射率，λ_B为布拉格波长，得到光栅周期Λ为14.07μm。选择DBR光栅长度为50个周期，即703.5μm。根据基于耦合模理论的传输矩阵 $T=\left[\begin{array}{cc}\cosh \left(\mathrm{j\γ}{L}_{\mathrm{dbr}}\right)-j\frac{\mathrm{\Δ\β}}{\mathrm{\γ}}\sinh \left(\mathrm{\γ}{L}_{\mathrm{dbr}}\right)& -j\frac{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\γ}}\sinh \left(\mathrm{\γ}{L}_{\mathrm{dbr}}\right)\\ j\frac{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\γ}}\sinh \left(\mathrm{\γ}{L}_{\mathrm{dbr}}\right)& \cosh \left(\mathrm{j\γ}{L}_{\mathrm{dbr}}\right)+j\frac{\mathrm{\Δ\β}}{\mathrm{\γ}}\sinh \left(\mathrm{\γ}{L}_{\mathrm{dbr}}\right)\end{array}\right],$

其中κ为光栅耦合系数，Δβ为频率偏调量，γ为传播常数，可计算得到DBR光栅的反射谱，如图4所示。可以看出，激光器激射波长为100μm。

步骤三：设计多模波导尺寸。设计多模波导宽度L为200μm，足够激励多个高阶导模形成多模干涉现象。利用光束传播法计算不同多模波导长度对应的输出功率，如图5所示，选择多模波导长度为1556μm使器件输出功率最大。200μmx1556μm器件中多模干涉现象明显，97％光能量可以从输出波导中出射，输出光波为单横模光，如图6所示。

可以看到，200μmx1556μm的基于多模干涉结构的分布式布拉格反射机构的太赫兹量子级联激光器利用两侧DBR光栅波导实现了单纵模激射，同时较同等长度器件具有更宽的多模波导区域，增益面积更大，输出光功率更高；较相似宽度器件具有输出单横模光的特点，可以提供出射光束质量和收集效率。为实现波长可调谐，将与所述多模波导1两侧直接相连的第一光栅波导或第二光栅波导的上金属层及其下的接触层去除即可实现。

本发明的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器可采用标准的半导体制作工艺制作得到，包括电子束蒸发金属、带胶剥离、腐蚀等。作为示例，下面以半绝缘等离子体波导为例说明本发明的激光器的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：提供一半绝缘GaAs衬底，在其上依次生长GaAs缓冲层、n型重掺杂下接触层、有源区、n型重掺杂上接触层；

步骤二：进行第一次光刻，在所述n型重掺杂上接触层上溅射金属，带胶剥离形成多模波导区域和DBR光栅波导区域的上电极；其中，与所述多模波导两侧直接相连的第一光栅波导或第二光栅波导区域不制作上电极；

步骤三：进行第二次光刻，用光刻胶做湿法刻蚀掩蔽层，腐蚀掉所述DBR光栅波导区域靠近所述多模波导区两侧处的上接触层，形成电隔离沟；

步骤四：进行第三次光刻，湿法刻蚀脊波导，利用下接触层做刻蚀停止层，形成DBR光栅波导、多模波导等波导图形；

步骤五：进行第四次光刻，电子束蒸发下电极金属，带胶剥离形成下电极；

步骤六：减薄衬底，焊线封装，完成器件制作。

综上所述，本发明的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，具有以下有益效果：(1)本发明的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器包括多模波导及分别形成于所述多模波导中心两侧的DBR光栅波导，其中，所述多模波导的宽度至少为所述DBR光栅波导宽度的两倍。这种宽度较宽的多模波导与宽度较窄的DBR光栅波导组合设计，可以同时实现单横模和单纵模激射；(2)相对于传统的整体宽度基本一致的矩形条波导结构，在同等器件长度下，本发明的激光器具有更大的增益面积，因而具有更高的输出光功率；(3)相对于与本发明多模波导的宽度相似的传统矩形条波导，本发明又具有输出单横模光的特点，有效抑制高阶侧模，提高出光光束的质量和收集效率，且较窄的DBR光栅波导使得器件更加小巧；(4)由于本发明的DBR光栅波导的每一个光栅周期采用宽度不同的两段波导，通过波导宽度的周期性变化实现反馈，这种宽度周期性变化而厚度不变的设计使得DBR光栅波导上可以大面积覆盖金属，较金属狭缝结构光栅具有更均匀的注入电流，易于实现激光波长调谐和上电极引线键合，提高了器件的成品率和工作稳定性，同时减少了太赫兹激光从金属狭缝中辐射造成功率损失。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，包括多模波导及分别形成于所述多模波导两侧的DBR光栅波导，其特征在于：所述多模波导的宽度至少为所述DBR光栅波导宽度的两倍，以同时实现单横模和单纵模激射；所述DBR光栅波导至少包括一个光栅周期，所述光栅周期包括第一光栅波导及第二光栅波导，其中，所述第一光栅波导的宽度小于所述第二光栅波导的宽度；所述第一光栅波导及第二光栅波导包括上接触层及上金属层，其中，与所述多模波导两侧直接相连的第一光栅波导或第二光栅波导的上接触层被去除，并且无上金属层，而其余部位的第一光栅波导及第二光栅波导上的上金属层及上接触层保留。

2.根据权利要求1所述的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述第一光栅波导自下而上依次包括半绝缘GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层及上金属层；所述第二光栅波导自下而上依次包括半绝缘GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层及上金属层。

3.根据权利要求2所述的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述上金属层为整片金属，所述下金属层为整片金属。

4.根据权利要求1所述的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述多模波导自下而上依次包括半绝缘GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层及上金属层。

5.根据权利要求2或4所述的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述有源区包括束缚态到连续态跃迁结构、共振声子结构或啁啾晶格结构。

6.根据权利要求1所述的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述多模波导或所述DBR光栅波导采用半绝缘等离子波导结构或双面金属波导结构。

7.根据权利要求1所述的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述多模波导及所述DBR光栅波导的最优尺寸通过光束传播法或有限元法设计得到。