CN110707528A - 一种集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器 - Google Patents

一种集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器。本发明中，由解理形成的腔面和一阶光子晶体形成的布拉格反射器构成了一个谐振腔，靠近解理腔面一侧有若干个空气狭缝构成的耦合光栅。当解理腔面与布拉格反射器构成的谐振腔与有源光子晶体产生共振时，形成耦合腔，并且反射器对于该耦合模式提供一定的相位补偿以满足谐振腔的相位条件，该耦合模式通过光栅耦合器向自由空间辐射。通过调节耦合光栅的几何结构，可以控制激光器的辐射效率。该器件最大的优点是：该谐振腔结构能独立控制模式选择与辐射效率，器件的尺寸不再受到模式选择的限制。所获得的输出功率高，功率效率高，温度性能好，远场光斑发散角小。

Description

一种集成有源布拉格反射器的单模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，具体涉及一种集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器。
背景技术
太赫兹(THz)量子级联激光器(quantum cascade laser,QCL)频率覆盖1-5THz，具有能量转换效率高、体积小、易集成等优点，是极具潜力的太赫兹波段的相干光源。单模高功率THz-QCL更是在物质检测、光谱分析、成像、通信与气体分析等领域有重要的应用前景。对于器件要求具有高工作温度、高输出功率、高转换效率、单模光谱、小远场发散角等性能。
目前THz-QCL有两种基本波导结构，即单面金属波导结构与双面金属波导结构。其中单面金属波导的THz-QCL具有较高的输出功率，但是温度性能差。而双面金属波导的THz-QCL由于其损耗较小以及接近1的模式限制作用，具有较高的工作温度。由于温度性能差是单面金属波导THz-QCL的本征的缺点，所以双金属波导THz-QCL是目前的研究焦点。但是双面金属波导结构由于其亚波长尺度的腔面，使得腔面阻抗不匹配，反射率在0.8左右，导致较低的输出功率以及较发散的光束。
人们致力于改进双面金属波导单模THz-QCL的输出功率与光束质量。目前已有的成功案例包括：三级分布反馈激光器，双缝分布反馈激光器，渐变光子异质结激光器，混合光栅激光器，二维光子晶体激光器等。但是以上方案中，输出功率与模式选择均相互制约：器件的输出功率与器件面积成正比，所以器件面积尽可能要大；为了获得稳定的单模输出，器件的长度需要较短，过长会引入高阶模式。因此，单模太赫兹量子级联激光器的器件腔长受到限制。
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表面发射单模太赫兹量子级联激光器，通过独立调控模式选择与辐射效率，在增加激光器腔长时仍保持单模工作，用以实现大功率、单模、高工作温度和小发散角的太赫兹激光表面发射。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器。
所述的集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器采用金属-金属波导结构，具体结构为：由下至上依次为n型掺杂GaAs衬底层1、下金属层2、下接触层3、有源区4、上接触层5、上金属层6；所述激光器一端为有源布拉格反射器区以及吸收边界，另一端为解理端面，在解理端面与布拉格反射器区之间为一发表面发射区；
所述的有源布拉格反射器区采用有源一阶光子晶体结构；所述一阶有源光子晶体由n型掺杂GaAs衬底层1、下金属层2、下接触层3、有源区4、上接触层5和上金属层6以及结合上金属层6上的光子晶体7构成；光子晶体7为在上金属层6沿着脊型波导方向周期排列的平行空气狭缝或者沿着脊型波导方向以及垂直脊型波导方向均为周期排列的空气小孔，狭缝长度或者是沿着垂直脊型波导方向的小孔的直径之和不到波导的两边；
所述的吸收边界由未被上金属层6覆盖的n型掺杂GaAs衬底层1、下金属层2、下接触层3、有源区4和上接触层5构成；
所述的一发表面发射区由n型掺杂GaAs衬底层1、下金属层2、下接触层3、有源区4、上接触层5和上金属层6以及结合上金属层6上的耦合光栅8构成；所述的耦合光栅8为在上金属层6上沿着脊型波导方向周期排列的平行狭缝，狭缝长度不到波导的两边；
所述的布拉格反射器对于满足布拉格条件的模式的反射率极高，当解理腔面与布拉格反射器构成的谐振腔与有源光子晶体产生共振时，形成耦合腔，并且反射器对于该耦合模式提供一定的相位补偿以满足谐振腔的相位条件，该耦合模式通过光栅耦合器向自由空间辐射。
在所述的脊型波导表面有一空气狭缝将所述有源布拉格反射器区与所述一发表面发射区隔开，该空气狭缝与布拉格反射器区的距离等于布拉格反射器区中一阶光子晶体的周期；空气狭缝宽度等于脊型波导宽度；空气狭缝将所述上金属层6和上接触层5均刻通。
一种集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器的制作方法，包括以下步骤：
步骤一，以半绝缘GaAs为衬底，外延生长一腐蚀阻挡层，在所述腐蚀阻挡层上外延生长一上接触层5；在所述上接触层上外延生长一有源区4；在所述有源区上外延生长一下接触层3，然后在下接触层上电子束蒸发一下金属层2；至此形成一片衬底；
步骤二，在另一重掺杂n型GaAs衬底1表面电子束蒸发Ti/Au薄膜形成另一片衬底；
步骤三，将两片衬底的金属面相对，键合在一起；
步骤四，对所述半绝缘GaAs衬底进行抛光，直到离腐蚀阻挡层预设距离，然后采用湿法腐蚀，腐蚀到腐蚀蚀阻挡层，再用HF酸去除腐蚀阻挡层；再用湿法腐蚀减薄上接触层至设定厚度；再用光刻技术在上接触层光刻出吸收边界；再用湿法腐蚀减薄上接触层与有源区至设定厚度；利用光刻技术在有源区层和部分上接触层上光刻出小孔或者狭缝；采用剥离技术在有源区层和部分上接触层上蒸发一金属层，在上金属层形成空气小孔或狭缝，构成一阶光子晶体7以及耦合光栅8，作为布拉格反射器区与表面发射区；然后利用光刻技术在有源区以及部分上接触层上光刻出波导结构以及吸收边界；再刻蚀到下金属层，形成脊型波导；所述脊型波导靠近表面发射区的腔面为解理端面。
如上所述，本发明所述的集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器及其制作方法，具有以下有益效果：
实现了太赫兹量子级联激光器的大功率、单模、高工作温度、小发散角太赫兹激光表面发射，其中模式选择由有源布拉格反射器以及有源区材料的增益峰值共同决定，而辐射效率由表面发射区决定，器件长度在一定范围内对于模式的选择没有影响，大大增加了器件的面积，从而提高输出功率；另一方面，表面发射区的光栅面积较大，光束质量可以得到改善。
附图说明：
图1为本发明所述的布拉格反射器由一阶二维光子晶体构成的集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器的一种结构示意图。
图2为本发明所述的布拉格反射器由一阶光栅构成的集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器的一种结构示意图
图3为本发明所述的布拉格反射器与表面发射区采用空气狭缝隔开的集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器的一种结构示意图
元件标号说明
1、重掺杂n型GaAs衬底；
2、下金属层；
3、下接触层；
4、有源区；
5、上接触层；
6、上金属层；
7、光子晶体；
8、耦合光栅；
9、空气狭缝
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。
请参阅附图。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。
鉴于单模太赫兹量子级联激光器波导存在的一些问题，本发明从波导结构出发，综合几种概念的优点，提出一种有望具有单模输出、输出功率高、远场发散角小等性能的一种集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器，一侧为对于频率敏感的布拉格反射器区波导，另一侧为解理端面，在解理端面与布拉格反射器区波导之间有一发表面发射区波导；布拉格反射器对于满足布拉格条件的模式的反射率极高，当解理腔面与布拉格反射器构成的谐振腔与有源光子晶体产生共振时，形成耦合腔，并且反射器对于该耦合模式提供一定的相位补偿以满足谐振腔的相位条件，该耦合模式通过光栅耦合器向自由空间辐射。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
实施例一
本实施例提供一种集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器，如图1所示，结构为：由下至上依次为n型掺杂GaAs衬底层1、下金属层2、下接触层3、有源区4、上接触层5、上金属层6；包括有源布拉格反射器区和表面发射区；有源布拉格反射器区采用二维光子晶体结构7，表面发射区采用耦合光栅结构8；布拉格反射器对于满足布拉格条件的模式的反射率极高，当解理腔面与布拉格反射器构成的谐振腔与有源光子晶体产生共振时，形成耦合腔，并且反射器对于该耦合模式提供一定的相位补偿以满足谐振腔的相位条件，该耦合模式通过光栅耦合器向自由空间辐射。
所述集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器整个器件以GaAs为材料，采用双面金属波导工艺，激光器的有源布拉格反射器和表面发射区波导两个部分为一整体，在同一衬底上制备，水平方向高度一致；所述吸收边界为表面未被上金属层覆盖的n型掺杂GaAs层。
所述的二维光子晶体7为在上金属层6沿着脊型波导方向以及垂直脊型波导方向均为周期排列的小孔，沿着垂直脊型波导方向的小孔的直径之和小于波导的条宽；布拉格反射器对于满足布拉格条件的模式的反射率极高，当解理腔面与布拉格反射器构成的谐振腔与有源光子晶体产生共振时，形成耦合腔，并且反射器对于该耦合模式提供一定的相位补偿以满足谐振腔的相位条件。
所述耦合光栅8为上金属层6上的空气狭缝；所述耦合光栅的狭缝长度不到表面发射区波导的两边。表面发射区波导有较大的出射面积，从而为低远场发散角提供条件。表面发射区的表面通过剥离技术蒸镀金属形成光栅，利用光栅的一级衍射将太赫兹波耦合到自由空间中。所述光栅为周期排列的平行狭缝，周期约为一阶光栅周期的两倍到三倍之间，狭缝的长度小于波导的宽度，以保证波导电学导通。
本发明所述的集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器实现了太赫兹量子级联激光器的单模、大功率和小发散角太赫兹激光表面发射，其中模式选择由有源布拉格反射器以及有源区材料的增益峰值共同决定，而辐射效率由表面发射区决定，器件长度在一定范围内对于模式的选择没有影响，大大增加了器件的面积，从而提高输出功率；另一方面，表面发射区的光栅面积较大，光束质量可以得到改善。
实施例二
本实施例提供一种集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器，其与实施例一所述的激光器的区别在于：其布拉格反射器区采用一阶光栅结构，所需要的光栅周期数远小于二维光子晶体的周期数，减小了反射器区的长度。通常连续流工作的器件考虑到散热、功耗等原因，其几何尺寸较小，采用一阶光栅代替二维光子晶体，光栅的周期小于光子晶体的同时可以提供与光子晶体同样大小的反射率，有利于实现连续流工作。
本实施例提供一种集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器，如图1所示，结构为：由下至上依次为n型掺杂GaAs衬底层1、下金属层2、下接触层3、有源区4、上接触层5、上金属层6；包括有源布拉格反射器区和表面发射区；有源布拉格反射器区采用一维光子晶体结构7，表面发射区采用耦合光栅结构8；布拉格反射器对于满足布拉格条件的模式的反射率极高，当解理腔面与布拉格反射器构成的谐振腔与有源光子晶体产生共振时，形成耦合腔，并且反射器对于该耦合模式提供一定的相位补偿以满足谐振腔的相位条件，该耦合模式通过光栅耦合器向自由空间辐射。
实施例三
本实施例提供一种实施例一所述的集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器的具体参数结构，如下:
本实施例采用“束缚态-连续态”有源区结构，有源区4整体厚度约为11.8微米。
重掺杂n型GaAs衬底1的厚度为200微米。
下金属层2的材料为Ti/Au，其中Ti的厚度为10纳米，Au的厚度为1000纳米。
下接触层3的材料为重掺杂n型GaAs，厚度为50纳米，n型掺杂浓度为5×1018cm-3。
有源区4采用“束缚态-连续态”结构，有源区整体厚度约为11.8微米。包含180个周期重复的模块，每个模块包含4层GaAs和4层Al0.15Ga0.85As相互交叠的结构，自GaAs开始其厚度依次为：18.5、5.5、11.0、1.8、11.5、3.8、9.4、1.2纳米，第一层GaAs为掺杂层，n型掺杂浓度为2×1016cm-3。该有源区材料的增益光谱峰值频率在2.9THz左右。
上接触层5的材料为重掺杂n型GaAs，厚度为300纳米，n型掺杂浓度为3.5×1018cm-3。
下金属层6的材料为Ti/Au，其中Ti的厚度为10纳米，Au的厚度为500纳米。
脊型波导宽度为170-210微米，长度(从解理端面至吸收边界)为4000微米。
布拉格反射器区中二维光子晶体7的周期为14.3微米，空气小孔10的半径为3.5微米。布拉格反射器区中沿脊型波导方向含有40个周期，垂直于脊型波导方向含有14个周期。
吸收边界的长度为100-200微米。
表面发射区中耦合光栅8的周期为38微米，空气狭缝的宽度为10微米，共含有25个周期。
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 (2)

1.一种集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器，其特征在于：
所述的集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器采用金属-金属波导结构，具体结构为：由下至上依次为n型掺杂GaAs衬底层(1)、下金属层(2)、下接触层(3)、有源区(4)、上接触层(5)、上金属层(6)；所述激光器一端为有源布拉格反射器区以及吸收边界，另一端为解理端面，在解理端面与布拉格反射器区之间为一发表面发射区；
所述的有源布拉格反射器区采用有源一阶光子晶体结构；所述一阶有源光子晶体由n型掺杂GaAs衬底层(1)、下金属层(2)、下接触层(3)、有源区(4)、上接触层(5)和上金属层(6)以及结合上金属层(6)上的光子晶体(7)构成；光子晶体(7)为在上金属层(6)沿着脊型波导方向周期排列的平行空气狭缝或者沿着脊型波导方向以及垂直脊型波导方向均为周期排列的空气小孔，狭缝长度或者是沿着垂直脊型波导方向的小孔的直径之和不到波导的两边；
所述的吸收边界由未被上金属层(6)覆盖的n型掺杂GaAs衬底层(1)、下金属层(2)、下接触层(3)、有源区(4)和上接触层(5)构成；
所述的一发表面发射区由n型掺杂GaAs衬底层(1)、下金属层(2)、下接触层(3)、有源区(4)、上接触层(5)和上金属层(6)以及结合上金属层(6)上的耦合光栅(8)构成；所述的耦合光栅(8)为在上金属层(6)上沿着脊型波导方向周期排列的平行狭缝，狭缝长度不到波导的两边；
所述的布拉格反射器对于满足布拉格条件的模式的反射率极高，当解理腔面与布拉格反射器构成的谐振腔与有源光子晶体产生共振时，形成耦合腔，并且反射器对于该耦合模式提供一定的相位补偿以满足谐振腔的相位条件，该耦合模式通过光栅耦合器向自由空间辐射。
2.根据权利要求1所述的集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器，其特征在于：在所述的脊型波导表面有一空气狭缝将所述有源布拉格反射器区与所述一发表面发射区隔开，该空气狭缝与布拉格反射器区的距离等于布拉格反射器区中一阶光子晶体的周期；空气狭缝宽度等于脊型波导宽度；空气狭缝将所述上金属层(6)和上接触层(5)均刻通。
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