CN110707527A - 一种含有天线耦合器的圆偏振单模太赫兹量子级联激光器 - Google Patents

一种含有天线耦合器的圆偏振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
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王芳芳
陈建新
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Abstract

一种含有天线耦合器的圆偏振单模太赫兹量子级联激光器。其特征在于：所述的含有天线耦合器的圆偏振单模太赫兹量子级联激光器整体采用金属‑金属波导结构，激光器包括种子激光区和天线耦合器。种子激光区采用掩埋式一级分布反馈式光栅，天线耦合器采用相互正交的半波槽孔天线组成阵列。种子激光区产生太赫兹种子光源并将光耦合进入天线耦合器，天线耦合器使太赫兹激光倾斜出射，同时调节激光的偏振态至圆偏振态。本发明实现了含有天线耦合器的圆偏振单模太赫兹量子级联激光器，属于单片集成器件，适应于更复杂的工作环境。

Description

一种含有天线耦合器的圆偏振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，特别设计一种含有天线耦合器的圆偏振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。其中偏振态是激光的一个重要参数，操纵辐射偏振态的能力在电磁波谱中具有广泛的应用，如推断非对称分子的构型和构象、实现广角全息图等。
对于太赫兹光的偏振态控制，常用的方法是采用波片的外部光学部件来操纵量子级联激光器发射面的固有线偏振以获得所需的偏振态。然而，这种外部操纵装置既庞大又昂贵。控制太赫兹光偏振态的另一个方向是，设计单片集成的太赫兹圆偏振量子级联激光器。由于量子级联激光器的优点，集成的器件所占体积小，无需外部光路，能适应于更复杂的工作环境。但是由于对太赫兹激光偏振态进行调控的同时，改变了激光器腔体的结构，容易产生对激光器的干扰，导致激光器无法实现单模运行。
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含有天线耦合器的圆偏振单模太赫兹量子级联激光器，用以实现单模运行和圆偏振的太赫兹激光出射。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供了一种含有天线耦合器的圆偏振单模太赫兹量子级联激光器。
一种含有天线耦合器的圆偏振单模太赫兹量子级联激光器。其特征在于：所述的含有天线耦合器的圆偏振单模太赫兹量子级联激光器采用金属-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和天线耦合器。种子激光区采用掩埋式一级分布反馈式光栅结构，天线耦合器采用相互正交的半波槽孔天线组成阵列。种子激光区产生太赫兹种子光源并将光耦合进入天线耦合器，天线耦合器使太赫兹激光倾斜出射，同时调节激光的偏振态至圆偏振态。所述的含有天线耦合器的圆偏振单模太赫兹量子级联激光器是单片集成器件。
种子激光区结构是掩埋式光栅，光栅为一阶光栅。制备方法是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14-18μm，光栅狭缝宽度为2-8μm，光栅周期个数为40-100。
天线耦合器采用光刻长金技术形成槽孔天线阵列，天线相互正交，与激光器脊条方向成45°，天线的长度为15-18μm，宽度为3-7μm，横向周期为33-39μm，纵向周期为21-26μm，正交天线之间的距离为9-18μm，横向周期个数为8-20，纵向周期个数为5-15。
本发明实现了含有天线耦合器的圆偏振单模太赫兹量子级联激光器，属于单片集成器件，适应于更复杂的工作环境。
附图说明：
图1是含有天线耦合器的圆偏振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是含有天线耦合器的圆偏振单模太赫兹量子级联激光器的表面结构图，包括种子激光区和天线耦合器。
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：
根据发明内容，我们制备了一种含有天线耦合器的圆偏振单模太赫兹量子级联激光器。
所述激光器采用金属-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，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800nm。
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。
种子激光区光栅狭缝腐蚀深度为450nm，在表面生长上电极层(4)。光栅周期为15.4μm，光栅狭缝宽度为4μm，光栅周期个数为80。种子激光区宽度为150μm。
天线耦合器采用光刻长金技术形成槽孔天线阵列，天线相互正交，与激光器脊条方向成45°，天线的长度为16μm，宽度为7μm，横向周期为35μm，纵向周期为23μm，正交天线之间的距离为12μm，横向周期个数为15，纵向周期个数为9。耦合器Z2宽度为400μm。
具体实施例2：
根据发明内容，我们制备了一种含有天线耦合器的圆偏振单模太赫兹量子级联激光器。
所述激光器采用金属-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，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15nm，下电极层2Au的厚度为1000nm，上电极层4Au的厚度为1000nm。
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。
种子激光区光栅狭缝腐蚀深度为450nm，在表面生长上电极层4。光栅周期为14μm，光栅狭缝宽度为4μm，光栅周期个数为80。种子激光区宽度为150μm。
天线耦合器采用光刻长金技术形成槽孔天线阵列，天线相互正交，与激光器脊条方向成45°，天线的长度为15μm，宽度为6μm，横向周期为32μm，纵向周期为21μm，正交天线之间的距离为11μm，横向周期个数为15，纵向周期个数为9。耦合器Z2宽度为350μm。
具体实施例3：
根据发明内容，我们制备了一种含有天线耦合器的圆偏振单模太赫兹量子级联激光器。
所述激光器采用金属-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，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800nm。
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。
种子激光区光栅狭缝腐蚀深度450nm，在表面生长上电极层4。光栅周期为17μm，光栅狭缝宽度为4.5μm，光栅周期个数为80。种子激光区宽度为150μm。
天线耦合器采用光刻长金技术形成槽孔天线阵列，天线相互正交，与激光器脊条方向成45°，天线的长度为17μm，宽度为8μm，横向周期为39μm，纵向周期为25μm，正交天线之间的距离为13μm，横向周期个数为15，纵向周期个数为9。耦合器Z2宽度为450μm。

Claims (3)

1.一种含有天线耦合器的圆偏振单模太赫兹量子级联激光器，其特征在于：
所述的含有天线耦合器的圆偏振单模太赫兹量子级联激光器采用金属-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(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和天线耦合器，种子激光区采用掩埋式一级分布反馈式光栅结构，天线耦合器采用相互正交的半波槽孔天线组成阵列。
2.根据权利要求1所述的含有天线耦合器的圆偏振单模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光栅，光栅为一阶光栅。制备方法是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14-18μm，光栅狭缝宽度为2-8μm，光栅周期个数为40-100。
3.根据权利要求1所述的含有天线耦合器的圆偏振单模太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述的天线耦合器采用光刻长金技术形成槽孔天线阵列，天线相互正交，与激光器脊条方向成45°，天线的长度为15-18μm，宽度为3-7μm，横向周期为33-39μm，纵向周期为21-26μm，正交天线之间的距离为9-18μm，横向周期个数为8-20，纵向周期个数为5-15。
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