CN104283111B - 集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器及其制作方法，集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器至少包括：依次相连接的DBR光栅波导、矩形直波导和楔形波导；所述楔形波导的一端为窄端面，另一端为宽端面，所述楔形波导的窄端面与所述矩形直波导相连接。本发明采用楔形波导结构增大激光器增益面积提高输出光功率，减小激光器远场光斑发散角，提高出射光束质量；采用一阶DBR光栅结构，实现单纵模激射，提供激射光的反射，替代传统端面镀膜工艺。

Description

集成光栅的楔形结构的边发射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，特别是涉及一种集成光栅的楔形结构的边发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技术应用的关键器件。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。THz QCL利用电子在量子阱子带间跃迁及共振隧穿来产生THz激光。THz QCL在安全检查、成像、气体检测、环境监测和自由空间通信等应用领域具有重要的应用价值。其中，能够单纵模和单横模激射、具有较小的空间发散角的THz QCL对提升THz通信、成像等系统性能具有重要作用。传统的矩形条结构的法布里-珀罗(F-P)腔THz QCL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；而单横模激射的矩形条结构宽度窄，造成远场光斑发射角过大，降低了出射光束的质量。

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集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器及其制作方法，用于解决现有技术中的矩形条结构的法布里-珀罗腔太赫兹量子级联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的问题，以及单横模激射的矩形条结构宽度窄，造成远场光斑发射角过大，降低了出射光束的质量的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器，所述集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器至少包括：依次相连接的DBR光栅波导、矩形直波导和楔形波导；所述楔形波导的一端为窄端面，另一端为宽端面，所述楔形波导的窄端面与所述矩形直波导相连接。

优选地，所述楔形波导中包括连接所述窄端面与所述宽端面的侧面，所述侧面中连接所述窄端面与宽端面的侧边与垂直于所述窄端面与宽端面的垂线之间的夹角小于6°。

优选地，所述DBR光栅波导、所述矩形直波导与所述楔形波导均采用半绝缘等离子波导结构或双面金属波导结构。

优选地，所述DBR光栅波导、所述矩形直波导与所述楔形波导均自下至上依次包括半绝缘GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层和上金属层。

优选地，所述DBR光栅波导、所述矩形直波导与所述楔形波导均自下至上依次包括GaAs接收衬底、接收金属层、下金属层、下接触层、有源区、上接触层和上金属层。

优选地，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。

优选地，所述DBR光栅波导包括至少一个光栅周期，所述光栅周期包括第一光栅部和第二光栅部，所述第二光栅部无所述上金属层。

优选地，所述DBR光栅波导的最佳尺寸通过有限元法、传输矩阵法或耦合模方法设计得到。

优选地，所述集成光栅的楔形结构的边发射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。

本发明还提供一种集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器的制作方法，至少包括以下步骤：

在半绝缘GaAs衬底上生长缓冲层、n型重掺杂下接触层、有源区、n型重掺杂上接触层；

通过光刻显影方法开槽，溅射上电极金属，带胶剥离形成楔形波导与矩形直波导的上电极以及DBR光栅波导结构；

刻蚀脊波导，利用下接触层为刻蚀停止层，形成楔形波导、矩形直波导和DBR光栅波导结构；

电子束蒸发下电极金属，带胶剥离形成下电极；

减薄衬底，焊线封装，完成器件制作。

如上所述，本发明的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器及其制作方法，具有以下有益效果：(1)本发明的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器采用楔形波导结构输出光，且楔形波导的角度小于6°，保证了较低的光传播损耗，同时抑制高阶横模的产生，保证单横模光输出；(2)相较于单横模输出光的矩形直波导结构太赫兹量子级联激光器，本发明的楔形波导结构由于输出端面宽度加宽，使得输出远场光斑发散角减小，提高了光束质量；(3)同样器件长度下，相较于单横模输出光的矩形直波导结构太赫兹量子级联激光器，本发明的楔形波导结构增益面积更大，具有更高的输出光效率；(4)本发明的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器中与楔形波导相对的另一端采用一阶DBR光栅结构，通过光栅中各段波导等效折射率周期变化提供光的反馈和纵模选择，实现激光器单纵模激射；同时DBR光栅也起到光反射的作用，使得产生的太赫兹激光从楔形波导的一端输出，增加了输出光功率，也省去了镀反射膜的工艺；(5)本发明的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器中的DBR光栅结构由激光器上电极剥离工艺制成，易于实现，不引入多余的工艺。

附图说明

图1显示为本发明的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器的俯视结构示意图。

图2显示为本发明的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器的三维结构示意图。

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显示为本发明的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器制作方法的流程图。

元件标号说明

10 DBR光栅波导

101 第一光栅部

102 第二光栅部

11 矩形直波导

12 楔形波导

121 窄端面

122 宽端面

123 侧面

124 侧边

13 下金属层

14 半绝缘GaAs衬底

15 GaAs缓冲层

16 下接触层

17 有源区

18 上接触层

19 上金属层

2 太赫兹激光输出方向

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5。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，虽图示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。

请参阅图1至2，本发明提供一种集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器，所述集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器至少包括：依次相连接的DBR光栅波导10、矩形直波导11和楔形波导12；所述楔形波导12的一端为窄端面121，另一端为宽端面122，所述楔形波导12的窄端面121与所述矩形直波导11相连接。

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，所述楔形波导12中包括连接所述窄端面121与所述宽端面122的侧面123，所述侧面123中连接所述窄端面121与宽端面122的侧边124与垂直于所述窄端面121与宽端面122的垂线之间的夹角(即所述楔形波导12的角度)α小于6°。将所述楔形波导12的角度α设计为小于6°，保证了较低的光传播损耗，同时抑制高阶横模的产生，保证单横模光输出。

具体的，本发明中，所述DBR光栅波导10包括至少一个光栅周期，所述光栅周期包括第一光栅部101和第二光栅部102。所述光栅通过在激光器上电极金属上周期性开槽形成，通过有上电极波导与无上电极波导等效折射率周期性变化，即所述第二光栅部102上的上金属层13被刻蚀去除，以实现反馈。为保证电流注入，槽的宽度小于上电极金属宽度。所述DBR光栅波导10对产生的激光形成反射，使激光从所述楔形波导12处出射，较两端出射器件提高了输出功率。又所述DBR光栅波导10为一阶述DBR光栅波导，具有纵模选择性，实现器件的单纵模输出。

具体的，所述DBR光栅波导10、所述矩形直波导11与所述楔形波导12均可以采用半绝缘等离子波导结构或双面金属波导结构。其中，半绝缘等离子体波导结构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DBR光栅波导10、所述矩形直波导11与所述楔形波导12均以半绝缘等离子体波导结构为例。图3显示为图1所示结构的A-A向剖视图，如图3所示，所述矩形直波导11自下至上依次包括半绝缘GaAs衬底14、下金属层13、下接触层16、有源区17、上接触层18和上金属层19，其中，所述半绝缘GaAs衬底14与所述下接触层16之间还包括一GaAs缓冲层15。所述DBR光栅波导10以及所述楔形波导12的A-A向剖视图与所述矩形直波导11的A-A剖视图基本一致，即所述DBR光栅波导10与所述楔形波导12自下至上均依次包括半绝缘GaAs衬底14、下金属层13、下接触层16、有源区17、上接触层18和上金属层19，其中，所述半绝缘GaAs衬底14与所述下接触层16之间还包括一GaAs缓冲层15。

需要说明的是，若所述DBR光栅波导10、所述矩形直波导11与所述楔形波导12采用双面金属波导结构，所述DBR光栅波导10、所述矩形直波导11与所述楔形波导12自下至上均依次包括GaAs接收衬底、接收金属层、下金属层、下接触层、有源区、上接触层和上金属层。

具体的，所述DBR光栅波导10、所述矩形直波导11与所述楔形波导12中，所述有源区17包括但不仅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。

具体的，本发明的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器中，太赫兹激光由所述楔形波导12的宽端面122输出，即如图2中所示，太赫兹激光输出方向2自所述楔形波导12的宽端面122指向其外出，且所述楔形波导12的角度α小于6°，保证较低的光传播损耗；抑制高阶横模产生；由于较单横模工作的矩形结构太赫兹量子级联激光器具有更宽的端面宽度，根据傅里叶变换原理可知，本发明的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器的输出远场光斑发散角减小，提高了光束质量。本发明的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器中采用所述楔形波导12，允许其相连的所述矩形波导11的宽度适当加宽，尽管会激励较低的高阶模式，由于高阶横模在所述楔形波导12中损耗大，经一定长度传播后，能够保证集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器实现单横模输出；同时较相同长度的矩形直波导结构激光器具有更大的面积，提高了输出功率。本发明中，所述集成光栅的楔形结构的边发射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。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。

本发明的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器中，所述DBR光栅波导11的最优尺寸可以采用传输矩阵法、耦合模理论或有限元法设计得到。波导等效折射率由有限元法得到。需要设计的参数包括光栅周期Λ，光栅反射峰中心波长等。

作为示例，假设集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器激射3太赫兹(波长100μm)的太赫兹激光，本发明的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器设计步骤如下：

步骤一：设计所述DBR光栅波导10、所述矩形直波导11的宽度W_g。利用有限元法，使波导支持基模工作或激发较少的高阶横模(其能量在一定长度的所述楔形波导12中被消耗尽，不会出射)。宽度W_g选择为160μm。

步骤二：设计所述楔形波导12的长度L_t。为了降低基模光损耗，抑制高阶横模的激射，所述楔形波导12的角度α选为5°，长度L_t选为2.5mm；并保持整体器件小型化，窄端面121的宽度与所述DBR光栅波导10、所述矩形直波导11的宽度相同，均为W_g，作为输出端面的所述宽端面122的宽度W_t选为429μm。

步骤三：利用有限元法得到所述DBR光栅波导10中有所述第一光栅部101和所述第二光栅部102横截面等效折射率分别为3.6和2.6。

步骤四：设计所述DBR光栅波导10的长度L_g和光栅周期，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，Λ为光栅周期，得到光栅周期Λ约为11μm。所述光栅的占空比选为50％，所述DBR光栅波导10的长度L_g为330μm，整个所述DBR光栅波导10中包括30个光栅周期Λ。根据基于耦合模理论的传输矩阵其中κ为光栅耦合系数，cΔβ为频率偏调量，γ为传播常数，，可得到DBR光栅的反射谱，如图4所示。由图4可知，本实施例中集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器激射波长为100μm。

步骤五：选择所述矩形直波导11的长度L_s。所述矩形直波导11的长度L_s选为500μm，长度L_s无最优长度，防止总器件过长即可。优选地，本实施例中，所述矩形直波导11的长度L_s选为500μm。

可以看出，本发明的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器采用楔形波导结构输出光，且楔形波导的角度选为小于6°，保证了较低的光传播损耗，同时抑制高阶横模的产生，保证单横模光输出；相较于单横模输出光的矩形直波导结构太赫兹量子级联激光器，本发明的楔形波导结构由于输出端面宽度加宽，使得输出远场光斑发散角减小，提高了光束质量；同样器件长度下，相较于单横模输出光的矩形直波导结构太赫兹量子级联激光器，本发明的楔形波导结构增益面积更大，具有更高的输出光效率；本发明的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器中与楔形波导相对的另一端采用一阶DBR光栅结构，通过光栅中各段波导等效折射率周期变化提供光的反馈和纵模选择，实现激光器单纵模激射；同时DBR光栅也起到光反射的作用，使得产生的太赫兹激光从楔形波导的一端输出，增加了输出光功率，也省去了镀反射膜的工艺；DBR光栅结构由激光器上电极剥离工艺制成，易于实现，不引入多余的工艺。

本发明的集成光栅的楔形结构的边发射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集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器的制作方法，如图5所示，所述集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器的制作方法包括以下步骤：

步骤一：在半绝缘GaAs衬底上生长缓冲层、n型重掺杂下接触层、有源区、n型重掺杂上接触层；

步骤二：第一次光刻显影开槽，溅射上电极金属，带胶剥离形成楔形波导与矩形直波导的上电极以及一阶DBR光栅波导结构；

步骤三：通过第二次光刻，使用干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺刻蚀脊波导，利用下接触层为刻蚀停止层，形成楔形波导、矩形直波导和DBR光栅波导结构；

步骤四：第三次光刻显影开槽，电子束蒸发下电极金属，带胶剥离形成下电极；

步骤五：减薄衬底，焊线封装，完成器件制作。

综上所述，本发明提出了一种集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器及其制作方法，本发明的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器采用楔形波导结构输出光，且楔形波导的角度选为小于6°，保证了较低的光传播损耗，同时抑制高阶横模的产生，保证单横模光输出；相较于单横模输出光的矩形直波导结构太赫兹量子级联激光器，本发明的楔形波导结构由于输出端面宽度加宽，使得输出远场光斑发散角减小，提高了光束质量；同样器件长度下，相较于单横模输出光的矩形直波导结构太赫兹量子级联激光器，本发明的楔形波导结构增益面积更大，具有更高的输出光效率；本发明的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器中与楔形波导相对的另一端采用一阶DBR光栅结构，通过光栅中各段波导等效折射率周期变化提供光的反馈和纵模选择，实现激光器单纵模激射；同时DBR光栅也起到光反射的作用，使得产生的太赫兹激光从楔形波导的一端输出，增加了输出光功率，也省去了镀反射膜的工艺；本发明的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器中的DBR光栅结构由激光器上电极剥离工艺制成，易于实现，不引入多余的工艺。

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 (10)

1.一种集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器，其特征在于：包括：依次相连接的DBR光栅波导、矩形直波导和楔形波导；所述楔形波导的一端为窄端面，另一端为宽端面，所述楔形波导的窄端面与所述矩形直波导相连接，所述楔形波导的宽端面为太赫兹激光的出射面。

2.根据权利要求1所述的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述楔形波导中包括连接所述窄端面与所述宽端面的侧面，所述侧面中连接所述窄端面与宽端面的侧边与垂直于所述窄端面与宽端面的垂线之间的夹角小于6°。

3.根据权利要求1所述的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述DBR光栅波导、所述矩形直波导与所述楔形波导均采用半绝缘等离子波导结构或双面金属波导结构。

4.根据权利要求3所述的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器，其特征在于：当所述DBR光栅波导、所述矩形直波导与所述楔形波导均采用半绝缘等离子波导结构时，所述DBR光栅波导、所述矩形直波导与所述楔形波导均自下至上依次包括半绝缘GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层和上金属层。

5.根据权利要求3所述的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器，其特征在于：当所述DBR光栅波导、所述矩形直波导与所述楔形波导均采用双面金属波导结构时，所述DBR光栅波导、所述矩形直波导与所述楔形波导均自下至上依次包括GaAs接收衬底、接收金属层、下金属层、下接触层、有源区、上接触层和上金属层。

6.根据权利要求4或5所述的集成光栅的楔形结构的边发射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。

7.根据权利要求4或5所述的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述DBR光栅波导包括至少一个光栅周期，所述光栅周期包括第一光栅部和第二光栅部，所述第二光栅部无所述上金属层。

8.根据权利要求1所述的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述DBR光栅波导的最佳尺寸通过有限元法、传输矩阵法或耦合模方法设计得到。

9.根据权利要求1所述的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述集成光栅的楔形结构的边发射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。

10.一种如权利要求1至9中任一项所述的集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器的制作方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

在半绝缘GaAs衬底上生长缓冲层、n型重掺杂下接触层、有源区、n型重掺杂上接触层；

通过光刻显影方法开槽，溅射上电极金属，带胶剥离形成楔形波导与矩形直波导的上电极以及DBR光栅波导结构；

刻蚀脊波导，利用下接触层为刻蚀停止层，形成楔形波导、矩形直波导和DBR光栅波导结构；

电子束蒸发下电极金属，带胶剥离形成下电极；

减薄衬底，焊线封装，完成器件制作。