CN110690647A - 一种含有高效率衍射光栅的单模太赫兹量子级联激光器 - Google Patents

一种含有高效率衍射光栅的单模太赫兹量子级联激光器 Download PDF

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朱欢
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王凯
白弘宙
王芳芳
陈建新
林春
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Abstract

本发明公开了一种含有高效率衍射光栅的单模太赫兹量子级联激光器。其特征在于：所述的含有高效率衍射光栅的太赫兹量子级联激光器整体采用金属‑金属波导结构，包括种子激光区、锥形放大区、光栅耦合器。种子激光区采用掩埋式一级分布反馈式光栅结构，锥形放大区采用金属‑金属波导结构，光栅耦合器采用高效率衍射光栅结构。种子激光区产生太赫兹种子光源，锥形放大区放大太赫兹光并耦合进高效率衍射光栅耦合器中，高效率衍射光栅耦合器使太赫兹光在其中传播时强度不衰减，稳定持续地使太赫兹光倾斜出射，获得高功率、高效率、窄线宽、准直性好、高边模抑制比的太赫兹激光。

Description

一种含有高效率衍射光栅的单模太赫兹量子级联激光器
技术领域
本发明涉及半导体光电器件应用技术领域，特别设计一种含有高效率衍射光栅的单模太赫兹量子级联激光器。
背景技术
太赫兹量子级联激光器(THz-QCL)是一种在太赫兹波段具有很强竞争力的相干光源，具有体积小、易集成、频率覆盖范围宽、能量转换效率高等优点，在高速通信、频谱分析、物质检测和成像等领域，具有重要的应用前景。太赫兹激光器的主要性能指标是功率、效率、线宽、远场发散角，这些指标在实际应用中十分关键，例如光谱仪能测量所能探测到的最小吸收正比于激光功率。而单模激光器在物质检测、气体吸收等领域都用很重要的应用，其光谱的边模抑制比决定了性能高低。
提高太赫兹量子级联激光器性能指标方面有多种可行方案。例如2012年，巴黎第十一大学的Colombelli,R研究组采用“递变型光子异质结”谐振腔，获得了脉冲和连续模式下的单模激光输出。2016年麻省理工大学的QingHu研究组通过线激光器的耦合，实现了激光器的锁相阵列输出。这些方法所制备的激光器输出功率低于100mW。2018年加利福尼亚大学洛杉矶分校的Benjamin S.Williams研究组利用天线结构与反射镜实现了垂直腔激光器，并在脉冲模式下达到了瓦特级输出功率。但是这种结构需要复杂的外部结构，对机械结构的稳定性要求很高，不利于激光器的常规使用。
综上所述，太赫兹量子级联激光器的输出功率低于成熟的近、中红外量子级联激光器，并且太赫兹量子级联激光器的性能指标很难兼顾。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于一种含有高效率衍射光栅的单模太赫兹量子级联激光器，在单模运行的前提下，实现高功率、高效率、窄线宽的太赫兹量子级联激光器。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供了一种含有高效率衍射光栅的单模太赫兹量子级联激光器。
一种含有高效率衍射光栅的单模太赫兹量子级联激光器。其特征在于：所述的含有高效率衍射光栅的太赫兹量子级联激光器整体采用金属-金属波导结构，该结构从下至上具体为：衬底层1、下电极层2、有源区层3及上电极层4。所述的衬底层1的材料为n型掺杂GaAs材料；所述的下电极层2及上电极层4的材料为Ti和Au复合材料，Ti与有源区层3相邻，Ti的厚度为10-20nm，下电极层2Au的厚度为800-1000nm，上电极层4Au的厚度为500-1000nm。所述的有源区层3是常规的太赫兹量子级联激光器所用的有源区结构。所述的激光器包括种子激光区、锥形放大区、高效率衍射光栅耦合器。种子激光区采用掩埋式一级分布反馈式光栅结构，锥形放大区采用金属-金属波导结构，光栅耦合器采用高效率衍射光栅结构。种子激光区产生太赫兹种子光源，锥形放大区放大太赫兹光并耦合进高效率衍射光栅耦合器中，高效率衍射光栅耦合器使太赫兹光在其中传播时强度不衰减，稳定持续地使太赫兹光倾斜出射，提高太赫兹量子级联激光器的功率与效率。
种子激光区结构是掩埋式一阶光栅。通过硫酸腐蚀液在有源区表面腐蚀深度为400-700nm的狭缝，在表面生长上电极层4。光栅周期为14-19μm，光栅狭缝宽度为2-6μm，光栅周期个数为50-90。宽度为100-200μm。
锥形放大区采用金属-金属波导，长度为0-1500μm，前端宽度与种子激光区宽度一致，锥形角度为0-10°。根据锥形放大区长度选择适当的锥形角度，在放大太赫兹激光的同时，保证激光的频率特性与横向模式不变。
高效率衍射光栅耦合器周期介于1.1-1.4个介质中波长之间，对应周期约为38-48μm，这有利于太赫兹激光避开光栅耦合器禁带区域，使其反射率低于1％。光栅耦合器占空比约为10-30％，调节光栅耦合器占空比，使光栅耦合器辐射效率等于激光器增益介质材料最大净增益，使太赫兹光在光栅耦合器中不衰减，光栅耦合器辐射功率正比于周期个数。高效率衍射光栅耦合器周期个数为10-40，增加周期个数可以提高太赫兹激光器的功率与效率，不受增益饱和现象的影响。光栅耦合器宽度大于锥形放大区末端宽度，宽度约为400-600μm。
附图说明：
图1是含有高效率衍射光栅的单模太赫兹量子级联激光器的截面结构图，其中(1)是衬底层，(2)是下电极层Ti/Au复合材料，(3)是有源区层，(4)是上电极Ti/Au复合材料。图2是含有高效率衍射光栅的单模太赫兹量子级联激光器的表面结构图，包括种子激光区、锥形放大区和高效率衍射光栅耦合器。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例及其附图进行详细描述。
具体实施例1：
所述激光器采用金属-金属波导结构，该结构具体为：衬底层1、下电极层2、有源区层3及上电极层4，表面具体结构为正交天线阵列结构。所述的衬底层1的材料为n型掺杂GaAs材料；所述的下电极层2及上电极层4的材料为Ti和Au复合材料，Ti与有源区层3相邻，Ti的厚度为10nm，下电极层2Au的厚度为1000nm，上电极层4Au的厚度为700nm。
所述的有源区结构3包含90个周期重复的模块，每个模块包含9层GaAs势阱和9层Al0.15Ga0.85As势垒相互交叠，自GaAs开始厚度依次为：11.4、2.0、12.0、2.0、12.2、1.8、12.8、1.5、15.8、0.6、9.0、0.6、14.0、3.8、11.6、3.5、11.3、2.7(nm)，前两层GaAs为掺杂层，n型掺杂浓度为1016cm-3。
种子激光区结构是掩埋式一阶光栅。通过硫酸腐蚀液在有源区表面腐蚀深度为500nm的狭缝，在表面生长上电极层(4)。光栅周期为16.2μm，光栅狭缝宽度为4μm，光栅周期个数为80。宽度为150μm。
锥形放大区采用金属-金属波导，长度为1500μm，前端宽度与种子激光区宽度一致，锥形角度为8°。
高效率衍射光栅耦合器周期40μm，光栅耦合器占空比约为16％。高效率衍射光栅耦合器周期个数为30，光栅耦合器宽度为450μm。
具体实施例2：
所述激光器采用金属-金属波导结构，该结构具体为：衬底层1、下电极层2、有源区层3及上电极层4，表面具体结构为正交天线阵列结构。所述的衬底层1的材料为n型掺杂GaAs材料；所述的下电极层2及上电极层4的材料为Ti和Au复合材料，Ti与有源区层3相邻，Ti的厚度为10nm，下电极层2Au的厚度为800nm，上电极层4Au的厚度为800nm。
所述的有源区结构包含90个周期重复的模块，每个模块包含9层GaAs势阱和9层Al0.15Ga0.85As势垒相互交叠，自GaAs开始厚度依次为：11.4、2.0、12.0、2.0、12.2、1.8、12.8、1.5、15.8、0.6、9.0、0.6、14.0、3.8、11.6、3.5、11.3、2.7(nm)，前两层GaAs为掺杂层，n型掺杂浓度为1016cm-3。
种子激光区结构是掩埋式一阶光栅。通过硫酸腐蚀液在有源区表面腐蚀深度为500nm的狭缝，在表面生长上电极层4。光栅周期为15μm，光栅狭缝宽度为4μm，光栅周期个数为80。宽度为150μm。
锥形放大区采用金属-金属波导，长度为1500μm，前端宽度与种子激光区宽度一致，锥形角度为8°。
高效率衍射光栅耦合器周期38μm，光栅耦合器占空比约为16％。高效率衍射光栅耦合器周期个数为20，光栅耦合器宽度为450μm。
具体实施例3：
所述激光器采用金属-金属波导结构，该结构具体为：衬底层1、下电极层2、有源区层3及上电极层4，表面具体结构为正交天线阵列结构。所述的衬底层1的材料为n型掺杂GaAs材料；所述的下电极层2及上电极层4的材料为Ti和Au复合材料，Ti与有源区层3相邻，Ti的厚度为10nm，下电极层2Au的厚度为1000nm，上电极层4Au的厚度为700nm。
所述的有源区结构3包含90个周期重复的模块，每个模块包含9层GaAs势阱和9层Al0.15Ga0.85As势垒相互交叠，自GaAs开始厚度依次为：11.4、2.0、12.0、2.0、12.2、1.8、12.8、1.5、15.8、0.6、9.0、0.6、14.0、3.8、11.6、3.5、11.3、2.7(nm)，前两层GaAs为掺杂层，n型掺杂浓度为1016cm-3。
种子激光区结构是掩埋式一阶光栅。通过硫酸腐蚀液在有源区表面腐蚀深度为500nm的狭缝，在表面生长上电极层4。光栅周期为17μm，光栅狭缝宽度为5μm，光栅周期个数为80。宽度为150μm。
锥形放大区采用金属-金属波导，长度为1500μm，前端宽度与种子激光区宽度一致，锥形角度为8°。
高效率衍射光栅耦合器周期42μm，光栅耦合器占空比约为16％。高效率衍射光栅耦合器周期个数为25，光栅耦合器宽度为450μm。

Claims (4)

1.一种含有高效率衍射光栅的单模太赫兹量子级联激光器，其特征在于：
所述的太赫兹量子级联激光器整体采用金属-金属波导结构，其结构从下至上依次为：衬底层(1)、下电极层(2)、有源区层(3)及上电极层(4)；
所述的衬底层(1)的材料为n型掺杂GaAs材料；
所述的下电极层(2)及上电极层(4)的材料为Ti和Au复合材料，Ti与有源区层(3)相邻，Ti的厚度为10-20nm，下电极层(2)Au的厚度为800-1000nm，上电极层(4)Au的厚度为500-1000nm；
所述的有源区层(3)是常规的太赫兹量子级联激光器所用的有源区结构；
所述的激光器包括种子激光区、锥形放大区、高效率衍射光栅耦合器，种子激光区采用掩埋式一级分布反馈式光栅结构，锥形放大区采用金属-金属波导结构，光栅耦合器采用高效率衍射光栅结构。
2.根据权利要求1所述的含有高效率衍射光栅的太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述的种子激光区结构是掩埋式一阶光栅，通过硫酸腐蚀液在有源区表面腐蚀深度为400-700nm的狭缝，在表面生长上电极层(4)，光栅周期为14-19μm，光栅狭缝宽度为2-6μm，光栅周期个数为50-90，宽度为100-200μm。
3.根据权利要求1所述的含有高效率衍射光栅的太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述的锥形放大区采用金属-金属波导，长度为0-1500μm，前端宽度与种子激光区宽度一致，锥形角度为0-10°。
4.根据权利要求1所述的含有高效率衍射光栅的太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述的高效率衍射光栅耦合器周期介于1.1-1.4个介质中波长之间，对应周期约为38-48μm，高效率衍射光栅耦合器周期个数为10-40，光栅耦合器宽度大于锥形放大区末端宽度，宽度约为400-600μm。
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