CN111416274B - 一种反馈式多极型量子级联环形激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反馈式多极型量子级联环形激光器，该激光器包括由下至上依次设置的衬底、集电极、量子级联结构层、量子能级匹配层、基极、发射极，发射极与基极之间、量子级联结构层与集电极之间均有阶梯状设置；该激光器还包括设置于集电极顶部或衬底下方的集电极电极、设置于基极顶部的基极电极、设置于发射极顶部的发射极电极。激光器上还刻蚀有环形波导和与环形波导耦合的条形直波导，条形直波导包括分布式反馈段和耦合段。该反馈式多极型量子级联环形激光器设计简单、可调谐特性好、可多波长或宽谱或混沌激光或频率梳输出，且能够有效降低广泛中红外、太赫兹应用中中红外、太赫兹源的应用成本。

Description

一种反馈式多极型量子级联环形激光器

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种反馈式多极型量子级联环形激光器。

背景技术

相比传统的量子阱激光器的载流子导带-价带间受激辐射转移机制，量子级联激光器 (Quantum Cascade Lasers，QCLs)因其独特的载流子导带内子带间转移级联机制而可以直接产生中红外和太赫兹波段输出。相比已有的中红外、太赫兹输出的产生方法，如光电导混频法、半导体内建电场法、光学整流法、电光采样法等，基于QCLs的中红外和太赫兹输出结构具有转换效率高、腔结构简单、片上可集成性好等优点，被广泛应用于包括DNA 探测、生物组织成像、非接触式测试、公众安全监测、气体成分探测、以及THz无线通信等众多民事与军事应用中。为了提升QCLs在不同应用中的通用性并降低应用成本，需要 QCLs的中红外或太赫兹输出具有较好的可调谐特性，或者具有多波长或宽谱输出特性。

为了提高QCLs的可调谐特性，目前主流采用的方法有：外腔光栅调谐法、强磁场方法，分布式反馈结构法、采样光栅反射器(SGR)法等。但是这些方法均过于复杂、稳定性低、能耗高，均不适应于将来的低功耗、小型化片上集成的应用。

而为了获得多波长或宽谱QCLs中红外或太赫兹输出，现在主要的方法是通过对QCLs 的量子级联结构的有源区进行设计，使得有源区的上子带-下子带能态转移为单能态-双能态、单能态-连续态、连续态-连续态，QCL多核多堆栈结构等，但这些方法需要对相应的有源区进行复杂的优化设计，具有工作量巨大，器件设计周期长等缺点。

激光器在一定的外部光注入信号条件下，能够产生强度、频率和相位在有限区间内快速变化的类噪声宽频谱随机输出，即混沌激光。近年来，混沌激光在保密光通信、激光测距、光纤断点检测等领域获得了广泛的研究和应用。

频率梳是由激光光源产生的相干辐射，其光谱由多个完全等间距、彼此间具有明确相位关系的模式构成，广泛应用于纳米级测距、飞秒级时频转移、物理量精确测量等众多领域。目前，频率梳的应用已经逐渐从远紫外波段延伸到了中红外、太赫兹波段。在中红外波段，频率梳可广泛应用于环境感知、气体成分探测等领域；而在太赫兹波段，频率梳也可用于无创成像、无线通信以及公众安全监测等方面。频率梳在众多军民应用中均体现出巨大的应用价值。

目前，针对广泛的中红外、太赫兹领域应用，缺少一种设计简单、可调谐特性好、可多波长或宽谱或频率梳或混沌激光输出的量子级联结构及其应用的器件。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种反馈式多极型量子级联环形激光器，该反馈式多极型量子级联环形激光器设计简单、可调谐特性好、可多波长或宽谱或混沌激光或频率梳输出，且能够有效降低广泛中红外、太赫兹应用中中红外、太赫兹源的应用成本。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种反馈式多极型量子级联环形激光器，该激光器包括由下至上依次设置的衬底、集电极、量子级联结构层、量子能级匹配层、基极、发射极，所述集电极与量子级联结构层之间、所述基极与发射极之间均有阶梯状设置；

所述反馈式多极型量子级联环形激光器还包括设置于集电极顶部或衬底下方的集电极电极、设置于基极顶部的基极电极、设置于发射极顶部的发射极电极；

所述激光器上还刻蚀有环形波导和与所述环形波导耦合的条形直波导，环形波导和条形直波导的刻蚀深度为从发射极顶部至基极顶部、量子能级匹配层顶部、量子级联结构层顶部或集电极顶部的任意深度，其中，环形波导的环形区域内或环形区域外至少有一侧刻蚀深度为仅从发射极顶部至基极顶部，所述条形直波导包括分布式反馈段和耦合段；

所述量子级联结构层由至少两个结构相同的QCL堆栈单元串联堆栈而成，所述QCL堆栈单元包括至少两种结构相同的QCL子单元，每种所述QCL子单元均由有源区和注入区组成，所述注入区包括若干段掺杂区，所述不同种QCL子单元之间至少有一段掺杂区的掺杂浓度参数不同。

所述量子级联结构层包括N个QCL堆栈单元：第一个QCL堆栈单元AB、第i个QCL 堆栈单元AB、第N个QCL堆栈单元AB，或者第一个QCL堆栈单元ABB、第i个QCL 堆栈单元ABB、第N个QCL堆栈单元ABB，其中i、N为大于1的整数，i≤N。

值得说明的是，环形波导与条形直波导的结构组成可以通过控制相应的刻蚀深度来控制，可以是仅从发射极顶部至基极顶部刻蚀为环形波导和条形直波导，即环形波导和条形直波导结构只包含发射极，也可以把从发射极顶部至基极顶部、量子能级匹配层顶部、量子级联结构层顶部或集电极顶部刻蚀为环形波导和条形直波导，若从发射极顶部至集电极顶部刻蚀为环形波导和条形直波导，即为环形波导和条形直波导结构包含发射极、基极、量子能级匹配层、以及量子级联结构层。特别地，为了保持利用三端式晶体管的特性，必须要求环形波导圆形区域内或者圆形区域外这两个区域中至少有一侧区域只刻蚀到基极区顶部。

进一步的，波导结构只包含发射极式，器件的量子级联结构层的腔体结构主要还是F-P 型的，环形波导结构会对器件的F-P腔中的模式分布和行波方式进行微调。当环形波导结构包含发射极、基极、量子能级匹配层、以及量子级联结构层时，整个器件的量子级联结构层的谐振腔结构完全变为环形谐振腔，模式分布和行波方式完全按照环形谐振腔的器件特性进行分布。也就是说，刻蚀的深度决定了器件的腔体谐振特性，随着刻蚀深度的增加，腔体谐振逐渐由F-P式谐振转特性变成环形谐振腔谐振特性。

采用环形波导结构加分布式反馈波导结构的反馈式多极型量子级联环形激光器具有以下几个优点：1)可以利用环形结构的强三阶非线性来获得级联增强四波混频效应，十分有利于对输出频率梳的不同齿梳模式间距的均一性与相对相位锁定，从而产生可得到性能优异的频率梳；2)，环形波导结构激光器的行波模式能避免由普通法布里-珀罗(F-P)结构的激光器的驻波模式而引起的空间烧孔效应，将进一步稳定和提升所获得高性能频率梳的特性；3)通过分布式反馈结构，可以对器件输出频谱特性进行调节，同时引入非对称的行波模式，加强了所获得高性能频率梳的稳定性。

上述技术方案中，优选地，每个QCL子单元只有一段掺杂区，不同种QCL子单元之间掺杂区的掺杂浓度参数均各不相同。优选地，至少一种所述QCL子单元包含有两段或两段以上掺杂区，且该QCL子单元中至少存在有一段掺杂区，其掺杂浓度参数不同于其它段掺杂区的掺杂浓度参数。进一步优选的，每个所述QCL堆栈单元结构只包含两种所述QCL 子单元，每种QCL子单元只有一段掺杂区，两种所述QCL子单元的掺杂区掺杂浓度参数不一样。更优选地，每个所述QCL堆栈单元结构只包含两种QCL子单元，每种所述QCL 子单元均只包含两段掺杂浓度参数不相同的掺杂区，两种所述QCL子单元之间至少有一段掺杂区的掺杂浓度参数不同于其它段掺杂区的掺杂浓度参数。

需要说明的是，每一段掺杂区的掺杂浓度参数是唯一的，即同一段掺杂区不存在两个掺杂浓度参数。另外，有时为了对比方便，可将同一段相同掺杂区进一步细分成多段区域，只是所述细分成的多段区的掺杂浓度是相同的。此外，不同种QCL子单元仅掺杂浓度参数不同，其它参数包括子单元结构的层厚度顺序、层材料组分顺序、层掺杂位置均完全相同。

上述技术方案中，所述QCL子单元的有源区采用U态-L态转移设计，所述U态与所述L态为单能态、多能态或连续态中的任意一种，所述多能态包含至少两个能态。QCL子单元的有源区所对应的工作或激射波长在中红外或太赫兹波段。

值得说明的是，本发明中的量子级联结构层还可以应用于有源区为中红外、太赫兹输出的已有周期子单元结构，即QCL子单元结构并不限于本发明所提供的结构，现有被设计出来且能工作的已有周期子结构单元均可作为本发明的量子级联结构层的中“QCL子单元”，构造成相应的量子级联结构层。凡在本发明思想的指导下，采用其它现有周期子结构单元构造成的量子级联结构层均在本发明的保护范围内。

上述技术方案中，该反馈式多极型量子级联环形激光器是以QCL堆栈单元作为有源区的多极型器件，“多极型”是指有垂直于量子级联结构层生长方向的多个端面电极，所述多极型结构至少包含发射极、基极、集电极这三类电极结构。

上述技术方案中，对于公用集电极的所述反馈式多极型量子级联环形激光器结构，优选所述环形波导和基极上设置若干个绝缘层使该激光器形成多段结构而具有若干段控制子单元。值得说明的是，也可以将该反馈式多极型量子级联环形激光器作为子单元，在同一片器件上刻蚀出前述的器件(如图5和图6或图8和图9所示)作为子单元的阵列式结构，阵列式结构可以是链式的或方阵式的，不同阵列单元的不同独立电极之间相互绝缘，不同阵列单元间通过波导进行耦合，可用于探索进一步应用。

进一步地，所述反馈式多极型量子级联环形激光器中的集电极电极至少为一个，基极电极至少为一个，发射极电极至少为一个。同一段控制子单元结构上，同一类电极也可以存在多个，在集电极层顶部于量子级联结构层左右两侧可以分别生长一个集电极电极，虽然两个集电极电极的空间位置不同，但在器件中的角色都是一样的，都可以归属于“集电极电极”这一类电极。同样地，如果空间位置允许，也可以在基极层顶部于发射极层左右两侧分别生长一个基极电极，两个基极电极都归于“基极电极”这一类电极。

在可被分段控制的反馈式多极型量子级联环形激光器中，每一段控制子单元均至少包含发射极、基极、集电极这三类电极结构。所述条形直波导的分布式反馈式段和耦合段可分别由独立的两个发射极电极偏压所控制，所述分布式反馈段被分布式反馈段集电极偏压所独立控制。特别地，条形直波导(18)的所述分布式反馈段集电极偏压V_ef控制分布式反馈段的滤波输出，基极-发射极偏压(V_be)控制注入该控制子单元中的量子级联结构层的电流密度，基极-集电极偏压(V_bc)控制该控制子单元中的量子级联结构层的器件偏压。每一类电极结构中的每一个电极均可被一个独立段电压控制，独立段电压的取值可以是正压、零压和负压中的任意一个，所有的所述独立段电压可按不同取值进行不同组合，根据不同所述独立段电压组合，控制所述多段量子级联结构层的所述输出在时域或波长域的输出特性。多段控制式结构主要是为了分别控制每一段控制子单元的工作输出，而进一步结合激光器的特性开展相应的应用，如频率梳、超快锁模、光开关特性等。

上述技术方案中，在所施加的所述分布式反馈段集电极偏压V_ef、所述V_be与所述V_bc器件偏压组合下，每个所述QCL堆栈单元中至少有一个所述QCL子单元能够工作或激射。进一步优选的，在所施加的所述V_ef、所述V_be与所述V_bc器件偏压组合下，至少有两个所述QCL堆栈单元能工作或激射，每个所述工作或激射QCL堆栈单元中至少有一个所述QCL子单元能够工作或激射。

上述技术方案中，特定所施加的所述V_ef、所述V_be与所述V_bc器件偏压组合下，每个所述QCL堆栈单元中至少有一个所述QCL子单元能够工作或激射。进一步优选的，特定所施加的所述V_ef、所述V_be与所述V_bc器件偏压组合下，至少有两个所述QCL堆栈单元能同时工作或激射，每个所述工作或激射QCL堆栈单元中至少有一个所述QCL子单元能够工作或激射。

上述技术方案中，所施加的所述V_ef、所述V_be与所述V_bc器件偏压组合改变时，每个所述QCL堆栈单元中至少有一个所述QCL子单元能够工作或激射。进一步优选的，所施加的所述V_ef、所述V_be与所述V_bc器件偏压组合下改变时，至少有两个所述QCL堆栈单元能同时工作或激射，每个所述工作或激射QCL堆栈单元中至少有一个所述QCL子单元能够工作或激射。

上述技术方案中，所施加的所述V_ef、所述V_be与所述V_bc器件偏压组合改变时，每个所述QCL堆栈单元中至少有一个所述QCL子单元能够工作或激射，工作或激射输出波长随所述所施加的器件偏压的改变而改变。优选的，所施加的所述V_ef、所述V_be与所述V_bc器件偏压组合改变时，至少有两个所述QCL堆栈单元能同时工作或激射，每个所述工作或激射QCL堆栈单元中至少有一个所述QCL子单元能够工作或激射，工作或激射输出波长随所施加的所述V_ef、所述V_be与所述V_bc器件偏压组合的改变而改变。进一步优选地，所施加的所述V_ef、所述V_be与所述V_bc器件偏压组合改变时，每个所述QCL堆栈单元中至少有两个所述QCL子单元能够同时工作或激射，工作或激射输出波长随所施加的所述V_ef、所述V_be与所述V_bc器件偏压组合的改变而改变。更优选的，所施加的所述V_ef、所述V_be与所述V_bc器件偏压组合改变时，至少有两个所述QCL堆栈单元能同时工作或激射，每个所述工作或激射QCL堆栈单元中至少有两个所述QCL子单元能够同时工作或激射，工作或激射输出波长随所施加的所述V_ef、所述V_be与所述V_bc器件偏压组合下的改变而改变。

所述工作或激射输出被叠加成多波长输出、宽谱输出、频率梳输出或混沌激光输出。进一步的，所述工作或激射输出被叠加成多波长输出、宽谱输出、频率梳输出或混沌激光输出，所述多波长输出、宽谱输出、频率梳输出或混沌激光输出随所施加的所述V_ef、所述V_be与所述V_bc器件偏压组合改变而改变。

需要说明的是，条形直波导的分布式反馈段结构可对从环形波导经直波导耦合段耦合至条形直波导的信号进行滤波处理，滤波处理后所得的信号经过反射，再次通过条形直波导的耦合段与环形波导结构内的信号进行相互作用，影响环形波导结构内信号的相位或模式锁定，从而改变所述反馈式多极型量子级联环形激光器的输出特性。特别地，所述分布式反馈段所反馈的光信号能够使得所述反馈式多极型量子级联环形激光器在所述可调谐的多波长输出或宽谱输出的波长范围内形成能够产生强度、频率和相位在有限区间内快速变化的类噪声宽频谱随机输出的混沌激光，所述混沌激光输出随注入外部光信号的改变或随所述施加的所述Vef、所述Vbe与所述Vbc器件偏压组合的改变而改变。进一步地，通过在条形直波导中引入具有不同滤波效果的多段分布式反馈段结构，也可以对所述工作或激射输出被叠加成多波长输出或宽谱输出或频率梳输出或混沌激光输出进行更为复杂和精细的调控。

本发明提供的一种反馈式多极型量子级联环形激光器具有以下有益效果：

1、该反馈式多极型量子级联环形激光器中的量子级联结构，通过将至少两个QCL堆栈单元串联堆栈起来，利用每个QCL堆栈单元中所包含的至少两种掺杂浓度参数不同的QCL子单元，或是每个QCL堆栈单元中所包含的至少一种QCL子单元在不同波长上进行工作或激射，增大了所应用的器件输出频谱窗口；

2、该反馈式多极型量子级联环形激光器中量子级联结构层还可以应用于有源区为中红外、太赫兹输出的已有周期子单元结构，可有效简化器件结构设计，方案普适性高；

3、当该反馈式多极型量子级联环形激光器所施加的所述V_ef、所述V_be与所述V_bc器件偏压组合改变时，所获得的频谱输出可随所施加的所述V_ef、所述V_be与所述V_bc器件偏压组合改变而改变，或者当器件处于所施加的所述V_ef、所述V_be与所述V_bc器件偏压组合下偏压时，频谱输出较为稳定；

4、该反馈式多极型量子级联环形激光器可进一步用于QCLs的时域或频域谱特性应用上，如光学频率梳输出、中红外混沌激光输出、锁模中红外、太赫兹输出、多波长复用中红外、太赫兹源等应用领域。

附图说明

图1是本发明中量子级联结构层的QCL堆栈单元两种排列结构示意图；图1(a)：QCL堆栈单元均为AB堆栈；图1(b)：QCL堆栈单元均为ABB堆栈。

图2为本发明中量子级联结构层的A、B两种QCL子单元的参数示意图。

图3是本发明中量子级联结构层的具有至少一种掺杂浓度参数的QCL子单元示意图；图 3(a)：A种QCL子单元掺杂浓度参数为N_d,1＝N₁，N_d,2＝N₁，B种QCL子单元掺杂浓度参数为N_d,1＝N₁，N_d,2＝N₂(N₁≠N₂)；图3(b)：A种QCL子单元掺杂浓度参数为N_d,1＝N₁，N_d,2＝N₂ (N₁≠N₂)，B种QCL子单元掺杂浓度参数为N_d,1＝N₁，N_d,2＝N₃(N₃≠N₂)。

图4是本发明中量子级联结构层中一个QCL堆栈单元中的电场示意图。

图5是实施例3中反馈式多极型量子级联环形激光器的结构示意图；

图6是实施例3中反馈式多极型量子级联环形激光器的俯视图；

图7是实施例3中反馈式多极型量子级联环形激光器的能带示意图。

图8是实施例3中另一反馈式多极型量子级联环形激光器的结构示意图；

图9是实施例3中另一反馈式多极型量子级联环形激光器器件俯视图。

图10是实施例3中反馈式多极型量子级联环形激光器所对应的宽增益谱示意图。

图11是实施例3中反馈式多极型量子级联环形激光器所对应的两种可调谐宽增益谱示意图；图11(a)：基极-发射极电压V_be＝V₁不变，集电极-基极电压由V₂改变为V_2’；图11(b)：基极-发射极电压V₁由变为V_1'，集电极-基极电压V_cb＝V₂不变。

图12是实施例3中反馈式多极型量子级联环形激光器所对应的两种可调谐增益谱示意图；图12(a)：V_be＝V₁不变，集电极-基极电压V_cb分别为V_2”、V_2’和V₂时器件增益谱；图12(b)：V_cb＝V₂不变，基极-发射极电压V_be分别为V_1”、V_1’和V₁时器件增益谱。

图13是实施例4中反馈式多极型量子级联环形激光器的结构示意图；

图14是实施例4中反馈式多极型量子级联环形激光器的俯视图；

图15是实施例4中另一反馈式多极型量子级联环形激光器的结构示意图；

图16是实施例4中另一反馈式多极型量子级联环形激光器的俯视图；

图17是实施例4中另一反馈式多极型量子级联环形激光器所对应的两种宽增益谱示意图；图17(a)：V_be1＝V₁，V_be2＝V₁，V_be3＝V₁，V_cb1＝V₂，V_cb2＝V_2’，V_cb3＝V_2”情况下的增益谱；图17(b)：V_cb1＝V₂，V_cb2＝V₂，V_cb3＝V₂，V_be1＝V₁，V_be2＝V_1’，V_be3＝V_1”情况下的增益谱。

图18是实施例4中反馈式多极型量子级联环形激光器所对应的两种可调谐宽增益谱示意图；图18(a)V_be1＝V₁，V_be2＝V₁，V_be3＝V₁，第一段、第二段和第三段控制段的集电极-基极偏压分别由V₂变为V₃、V_2’变为V_3’、V_2”变为V_3”，即V_cb1＝V₃，V_cb2＝V_3’，V_cb3＝V_3”时的增益谱变化示意图；图18(b)V_cb1＝V₂，V_cb2＝V₂，V_cb3＝V₂，第一段、第二段和第三段控制段的基极-发射极偏压分别由V₁变为V₃、V_1’变为V_3’、V_1”变为V_3”，即V_be1＝V₃，V_be2＝V_3’，V_be3＝V_3”时的增益谱变化示意图。

图19是实施例4中反馈式多极型量子级联环形激光器所对应的两种超宽增益谱示意图；图19(a)V_be1＝V₁，V_be2＝V₁，V_be3＝V₁，V_cb1＝V₂，V_cb2＝V_2’，V_cb3＝V_2”情况下的超宽谱叠加示意图；图19(b)V_cb1＝V₂，V_cb2＝V₂，V_cb3＝V₂，V_be1＝V₁，V_be2＝V_1’，V_be3＝V_1”。情况下的超宽谱叠加示意图。

图20是实施例4中反馈式多极型量子级联环形激光器所对应的频率梳输出的频域输出功率分布图。

附图标记说明：1、第一个QCL堆栈单元AB；2、第i个QCL堆栈单元AB；3、第N 个QCL堆栈单元AB；4、第一个QCL堆栈单元ABB；5、第i个QCL堆栈单元ABB；6、第N个QCL堆栈单元ABB；7、衬底；8、集电极；9、量子级联结构层；10、量子能级匹配层；11、基极；12、发射极；13、集电极电极；14、基极电极；15、发射极电极；16、耦合段；17、分布式反馈段；18、条形直波导；19、环形波导；20、绝缘层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。需要指出的是，以下实施例中提到的方向用语，顺序用语，如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明的反馈式多极型量子级联环形激光器，该激光器包括由下至上依次设置的衬底 7、集电极8、量子级联结构层9、量子能级匹配层10、基极11、发射极12，集电极8与量子级联结构层9之间、基极11与发射极12之间均有阶梯状设置。该阶梯状设置是为铺设集电极电极13、基极电极14、发射极电极15而设置。

反馈式多极型量子级联环形激光器还包括设置于集电极8上或衬底7下方的集电极电极13、设置于基极11上的基极电极14、设置于发射极12上的发射极电极15。

激光器上还刻蚀有环形波导19和与环形波导19耦合的条形直波导18，环形波导19和条形直波导18的刻蚀深度为从发射极顶部至基极11顶部、量子能级匹配层10顶部、量子级联结构层9顶部或集电极8顶部的任意深度，其中，环形波导19的环形区域内或环形区域外至少有一侧刻蚀深度为仅从发射极顶部至基极顶部，条形直波导18包括分布式反馈段17和耦合段16；

如图1所示，本发明反馈式多极型量子级联环形激光器中量子级联结构层9，该量子级联结构层9由至少两个结构相同的QCL堆栈单元串联堆栈而成，QCL堆栈单元包括至少两种结构相同的QCL子单元，每种QCL子单元均由有源区和注入区组成，注入区包括若干段掺杂区，不同种QCL子单元之间至少有一段掺杂区的掺杂浓度参数不同。

为使本发明反馈式多极型量子级联环形激光器中的量子级联结构层9更便于理解，以下通过实施例1和实施例2以每个QCL堆栈单元包括两种QCL子单元为例进行详细说明：

实施例1

如图1所示，本实施例中的量子级联结构层9的两种排列结构示意图，其中，图1(a)中QCL堆栈单元均为AB堆栈，包括第一个QCL堆栈单元AB1、第i个QCL堆栈单元 AB2；第N个QCL堆栈单元AB3，该量子级联结构层9由N个前述QCL堆栈单元叠加而成，形成AB/…/AB/…/AB堆栈结构。图1(b)中QCL堆栈单元均为ABB堆栈，包括第一个QCL堆栈单元ABB4、第i个QCL堆栈单元ABB5、第N个QCL堆栈单元ABB6，该量子级联结构层9由N个前述QCL堆栈单元叠加而成，形成ABB/…/ABB/…/ABB堆栈结构。

图1(a)、图1(b)中的每个QCL堆栈单元只包含A、B两种QCL子单元，A、B 两种QCL子单元由有源区和注入区组成，注入区均只包含一段掺杂区。其中，A种QCL 子单元的掺杂浓度参数N_d,1，B种QCL子单元的掺杂浓度参数N_d,2，(N_d,1≠N_d,2)。需要说明的是，A种QCL子单元掺杂浓度参数是可大于或小于B种QCL子单元的掺杂浓度参数的，只要掺杂浓度参数不同即可，在本实施例中，A种QCL子单元掺杂浓度参数N_d,1大于B种QCL子单元掺杂浓度参数N_d,2。如图2所示，A、B两种QCL子单元在除掺杂浓度参数外的其它参数上都是一样的，此处其它参数包括：QCL子单元的层厚度顺序、层材料组分顺序、层掺杂位置等本领域所常规熟知的参数。具体的，在本实施例中，A、B两种QCL子单元的长度均为L_p，有源区长度均为L_a，注入区长度均为L_p-L_a，掺杂的位置均为L_d,l～L_d,r，掺杂的长度均为L_d。

图1(a)、图1(b)中，电子从第1个QCL堆栈单元注入，随后依次进入第二个、…、第i个、…、直至第N个QCL堆栈单元。其中，图1(a)的每个QCL堆栈单元中，电子从A种QCL子单元注入，接着进入该QCL堆栈单元的B种QCL子单元；图1(b)的每个QCL堆栈单元中，电子从A种QCL子单元注入，接着进入该QCL堆栈单元的第一个B 种QCL子单元，随后再进入该QCL堆栈单元的第二个B种QCL子单元。

在每个QCL子单元中，电子从注入区注入，经过电子-电子、电子-声子散射后，隧穿进入有源区；在有源区，处于上激射能级的电子受激辐射出一个光子，向下跃迁至下激射能级；随后，电子经过电子-声子散射后迅速进入载流子排空能级，并随后通过电子-电子、电子-声子散射耦合进入下一个QCL子单元的注入区能级。

如图4所示，为本实施例的量子级联结构层9在电流注入下时的电场示意图，其中框内为第i个QCL堆栈单元的电场示意图，所对应的结构为图1(b)中的ABB/…/ABB/…/ABB堆栈结构。为了说明方便，图1(b)中QCL堆栈单元ABB从上到下分别被标记为A、B1、B2这三个QCL子单元。框内从左到右分别为B2，B1，A这三个QCL子单元的对应的电场。其中，L表示第i个QCL堆栈单元的长度，L_d表示每个QCL子单元的掺杂区长度，L_a表示每个QCL子单元的有源区长度，由虚线矩形框标示。

由于注入电子的影响，每个子单元的非掺杂区域的净电荷量为负常数，故其电场线性下降。由于带正电的电离施主离子的存在，每个QCL子单元的掺杂区域的净电荷量可为正常数、零或负常数，此处取为正常数，故其电场线性上升。另外，此处令A种QCL子单元掺杂浓度参数N_d,1大于B种QCL子单元掺杂浓度参数N_d,2，所以A种QCL子单元的掺杂区域的正净电荷量大于B种QCL子单元的掺杂区域的正净电荷量，进一步导致A种QCL 子单元的掺杂区域的电场上升斜率大于B种QCL子单元的掺杂区域的电场上升斜率。另外，当注入量子级联结构层9的电流密度使得每个QCL堆栈单元ABB的总等效净电荷量为零时，由于ABB/…/ABB/…/ABB堆栈结构的周期性，量子级联结构层9的电场将呈现周期性变化。

值得说明的是，本发明对QCL子单元的具体长度数值并没有特殊的限制，可根据实际要求进行设计。同样的，关于掺杂浓度参数也并无特殊的限定。特殊情况下，每个QCL堆栈单元里不同种QCL子单元的所掺杂浓度参数应使得每个QCL堆栈单元的净电荷量约为零，所对应的器件注入电流为I达器件阈值以上，这是对应于每个QCL堆栈单元的级联激射情况，增益谱对应于如图10所示类型曲线(以反馈式多极型量子级联环形激光器器件为例)。而一般情况下，每个QCL堆栈单元的净电荷量可以不为零，使得在特定偏压下，每个QCL堆栈单元中只有一种QCL子单元能够工作，其增益谱如图12所示(以反馈式多极型量子级联环形激光器器件为例)。因此，当在注入电流I达器件阈值以上时，每个QCL 堆栈单元的净电荷量不宜过大即可。

实施例2

如图3所示，在本实施例中，量子级联结构层9的QCL子单元均具有两段掺杂区。图3(a)中，A种QCL子单元的两段掺杂区的掺杂浓度参数是相同的，均为N₁。B种QCL 子单元的两段掺杂区的掺杂浓度参数分别为N₁和N₂(N₁≠N₂)。

图3(b)中，A种QCL子单元中具有两段掺杂区，两段掺杂区的掺杂浓度参数分别为N₁和N₂(N₁≠N₂)。B种QCL子单元中具有两段掺杂区，两段掺杂区的掺杂浓度参数分别为N₁和N₃(N₃≠N₂)。

同样的，图3中，A、B两种QCL子单元在除掺杂浓度参数外的其它参数上都是一样的，此处其它参数包括：QCL子单元的层厚度顺序、层材料组分顺序、层掺杂位置等本领域所常规熟知的参数。具体的，在本实施例中，A、B两种QCL子单元的长度均为L_p，有源区长度均为L_a，注入区长度均为L_p-L_a，掺杂的位置均为L_d,l～L_d,r，左边第一段掺杂的位置均为L_d,l～L_d,m，掺杂区域的总掺杂长度均为L_d,r-L_d,l。

实施例3

如图5所示，为本发明反馈式多极型量子级联环形激光器的结构示意图，该反馈式多极型量子级联环形激光器由下至上沿z方向依次设置的衬底7、集电极8、量子级联结构层9、量子能级匹配层10、基极11和发射极12，发射极12被刻蚀出一个条形直波导18和一个环形波导19结构。基极11与发射极12之间呈阶梯状设置，集电极8与量子级联结构层 9之间也呈阶梯状设置。进一步地，集电极8中可包含下包层，发射极12中可以包含上包层。具体的，器件由下至上沿z方向的层顺序分布为重型n掺杂衬底7，n掺杂集电极8，量子级联结构层9，量子能级匹配层10、p掺杂基极11和重型n掺杂发射极12。集电极8、发射极12和基极11顶部生长有集电极电极13(电极c)、发射极电极15(电极e)和基极电极14(电极b)。集电极8中包含重型n掺杂下包层，发射极12中包含顶部重型n掺杂上包层。

如图6所示，为图5中反馈式多极型量子级联环形激光器的俯视图。其中，条形直波导18中含有分布式反馈段17以及与环形波导19耦合的耦合段16。条形直波导18的分布式反馈段17结构可对从环形波导19经直波导耦合段16耦合至条形直波导18的信号进行滤波处理，滤波处理后所得的信号经过反射，再次通过条形直波导18的耦合段16与环形波导19结构内的信号进行相互作用，影响环形波导结构内信号的相位或模式锁定，从而改变所述反馈式多极型量子级联环形激光器的输出特性。需要指出的是，条形直波导18的分布式反馈段的发射极电极由独立的分布式反馈段发射极电极电压控制，通过控制所述分布式反馈段发射极电极电压可以改变分布式反馈段结构的材料折射率，进而控制分布式反馈段结构的滤波效果。特别地，通过控制分布式反馈段集电极电极电压，使得分布式反馈段的所反馈的光信号能够使所述反馈式多极型量子级联环形激光器在所述可调谐的多波长输出或宽谱输出的波长范围内形成能够产生强度、频率和相位在有限区间内快速变化的类噪声宽频谱随机输出的混沌激光，所述混沌激光输出随注入外部光信号的改变或随所述施加的V_ef、V_be与V_bc偏压器件偏压组合的改变而改变。

需要说明的是：集电极电极13位置也可以生长在衬底7下方，工作角色上与在集电极 8层顶部生长集电极电极13是一致的。另外，同一段器件结构上，同一类电极可以存在多个，比如图5中，在量子级联结构层9的左侧的集电极8层顶部也可以生长第二个集电极电极13。虽然两个集电极电极13的空间位置不同，但在器件中的角色都是一样的，都可以归属于“集电极电极13”这一类电极。同样地，如果空间位置允许，也可以在发射极12 层左侧的基极11层顶部上生长第二个基极电极14，两个基极电极14都归于“基极电极14”这一类电极。

同时，条形直波导18的耦合段16的发射极电极与环形波导19的发射极电极的电压可以是相同或不同，主要取决于相关应用场景。在本申请实施例中，为了方便，不加特别说明之处均默认条形波导18的发射极电极和环形波导19的发射极电极的电压是相同的。类似的，环形波导19中心的基极电极电压和环形波导19外部的基极电极电压也可视应用场景而进行分别控制，为了说明方便，在本申请实施例之中，不加特别说明之处也默认上述环形波导19中心的基极电极电压和环形波导19外部的基极电极电压相同。

进一步的，量子级联结构层9可以是如图1(a)或图1(b)所示的量子级联结构层9，本实施例中量子级联结构层9的QCL堆栈单元为对应于图1(b)中的ABB/…/ABB/…/ABB 堆栈结构。量子级联结构层9的层平面平行于x-y平面，生长方向为沿z方向。该反馈式多极型量子级联环形激光器器件沿y方向被刻蚀成脊型波导结构，结构的反射端面平行于x-z 平面，后端面为增强反射端面，前端面为抗反射端面，即器件光输出端面。

如图5所示，集电极8、发射极12、基极11的三个电极分别被施加了电压V_c、V_e和 V_b，则基极-发射极电压为V_be＝V_b-V_e，集电极-基极电压为V_cb＝V_c-V_b。则为了使该反馈式多极型量子级联环形激光器能够正常工作，如图7所示，必须使得V_be>0，V_cb>0，也就是基极-发射极处于正偏状态，集电极-基极处于反偏状态，则发射极12与基极11的准费米能级间的能级差为eV_be，基极11与集电极8的准费米能级间的能级差为eV_cb，其中e表示元电荷电量。此时，电子由发射极12区导带注入基极11区，进入量子能级匹配层10，并接着注入量子级联结构层9。由普通三极管知识可知，集电极8电流由基极11-发射极12电压 V_be控制，即V_be控制量子级联结构层9的电流密度，进而控制整个量子级联结构层9的工作或激射输出强度。同时，V_cb控制量子级联结构层9的器件偏压，进而控制量级级联结构的电场强度，决定QCL子单元上下子带的能级间隔，进而控制了整个量子级联结构层9的工作或激射的波长。通过图5所示的反馈式多极型量子级联环形激光器，我们可将量子级联结构层9的工作或激射输出的强度和波长解耦合开并由V_be和V_cb分别控制。

另外，需要注意的是，一般地，通过V_be控制注入量子级联结构层9的电流密度使得每个QCL堆栈单元的总等效净电荷量为零时，由于堆栈结构的周期性，量子级联结构层9 的电场将呈现周期性变化，类似于图4中的电场强度变化，此时量子级联结构层9的工作或激射输出波长主要由V_cb控制。

特殊地，当V_be控制的注入量子级联结构层9的电流密度使得每个QCL堆栈单元的总等效净电荷量不为零，但只要每个QCL堆栈单元的总等效净电荷量小于一定临界值，则也可通过微调V_be的大小来改变注入量子级联结构层9的电流密度，使得每个QCL堆栈单元的总等效净电荷量为零时的线性周期变化的泊松电势出现适当非线性变化，从而能对量子级联结构层9的工作或激射输出波长进行调谐控制。

需要指出的是，在本专利实施例中，除非特别指出，均默认所施加的分布式反馈段集电极电极偏压V_ef可使得器件正常工作，具体的取值视具体应用而定。另外，为了叙述简便，接下来的实施例中，除非特别说明，均认为V_ef保持不变。

如图8和图9所示，为本发明另一实施方式的反馈式多极型量子级联环形激光器结构示意图，该实施方式中，条形直波导18和环形波导19为深刻蚀，即条形直波导18和环形波导19均包含发射极、基极、量子能级匹配层、以及量子级联结构层。其中，环形波导19 外侧区域的材料被刻蚀掉，而保持环形波导19内侧区域只刻蚀到基极区顶部。当然，也可使环形波导19圆形区域内的材料被刻蚀掉，而保持环形波导19外侧区域只刻蚀到基极区顶部。

当波导结构只包含发射极式，器件的量子级联结构层的腔体结构主要还是F-P型，环形波导19结构会对器件的F-P腔中的模式分布和行波方式进行微调。当环形波导19结构包含发射极、基极、量子能级匹配层、以及量子级联结构层时，整个器件的量子级联结构层的谐振腔结构完全变为环形谐振腔，模式分布和行波方式完全按照环形谐振腔的器件特性进行分布。即是说，刻蚀的深度决定了器件的腔体谐振特性，随着刻蚀深度的增加，腔体谐振逐渐由F-P式谐振转特性变成环形谐振腔谐振特性。

如图10所示，本实施例的反馈式多极型量子级联环形激光器的宽增益谱示意图，当该单段控制式反馈式多极型量子级联环形激光器的基极-发射极电压V_be＝V₁，集电极-基极电压为V_cb＝V₂时，三个QCL子单元的增益谱由虚线给出，所叠加而成的宽增益谱由实线给出。由于三个QCL子单元B2、B1、A其有源区的电场如图4所示，依次递减，三个QCL 子单元B2、B1、A的增益谱的中心能量相应地由高能量往低能量递减。通过设计相应 QCL子单元参数，可以使得三个子单元的增益谱能叠加成一个平坦宽谱。

如图11所示，本实施例的反馈式多极型量子级联环形激光器的两种可调谐宽增益谱示意图，在特定器件偏压组合V_be＝V₁，V_cb＝V₂下，三个QCL子单元的增益谱为虚线所示分布曲线。在图11(a)中，保持V_be＝V₁不变，当集电极-基极电压由V₂改变为V_2’时，三个QCL 子单元的增益谱往高能量方向移动，变为实线所示分布曲线。可选地，在图11(b)中，保持V_cb＝V₂不变，当基极-发射极电压V_be由V₁改变为V_1’时，三个QCL子单元的增益谱往高能量方向移动，变为实线所示分布曲线。为了曲线变化的清晰性，图11中没有给出三个 QCL子单元的增益谱的叠加结果。但是，类似于图10，很容易知道当器件偏压组合发生图11(a)或图11(b)中的改变时，器件总增益谱也是往高能量方向移动的，这便是本发明提供的量子级联结构层9的宽谱可调谐增益特性。

如图12所示，本实施例的反馈式多极型量子级联环形激光器的两种可调谐增益谱示意图。图12(a)中，保持V_be＝V₁不变时，三个QCL子单元B2、B1和A分别在集电极-基极电压V_cb为V_2”、V_2’和V₂时工作。在特定器件偏压组合V_be＝V₁与V_cb＝V₂下，量子级联结构层9的每个QCL堆栈单元的三个QCL子单元中只有A种QCL子单元能够正常工作。在特定器件偏压组合V_be＝V₁与V_cb＝V_2’下，量子级联结构层9的每个QCL堆栈单元的三个 QCL子单元中只有B1种QCL子单元能够正常工作。在特定器件偏压组合V_be＝V₁与 V_cb＝V_2”下，量子级联结构层9的每个QCL堆栈单元的三个QCL子单元中只有B2种QCL 子单元能够正常工作的增益谱激射。需要注意的是，B1和B2均为B种QCL子单元，为了说明方便，将B1和B2分别称作B1种QCL子单元和B2种QCL子单元。则保持V_be＝V₁不变，当器件的集电极-基极电压V_cb由V₂改变到V_2’或V_2”时，该量子级联结构层9的增益谱可以由A种QCL子单元的增益谱调谐到B1种或B2种QCL子单元的增益谱，从而实现了器件量子级联结构层9的可调谐输出。

另外，如前面所述，还可在保持集电极-基极偏压V_cb不变的情况下，通过微调基极-发射极偏压V_be的大小来改变注入量子级联结构层9的电流密度，进而改变量子级联结构层9的工作或激射输出波长，如图12(b)所示，保持V_cb＝V₂不变时，三个QCL子单元B2、 B1和A分别在基极-发射极偏压V_be为V_1”、V_1’和V₁时工作。在特定器件偏压组合V_cb＝V₂与V_be＝V₁下，所设计量子级联结构层9的每个QCL堆栈单元的三个QCL子单元中只有A 种QCL子单元能够正常工作。在特定器件偏压组合V_cb＝V₂与V_be＝V_1’下，所设计量子级联结构层9的每个QCL堆栈单元的三个QCL子单元中只有B1种QCL子单元能够正常工作。在特定器件偏压组合V_cb＝V₂与V_be＝V_1”下，所设计量子级联结构层9的每个QCL堆栈单元的三个QCL子单元中只有B2种QCL子单元能够正常工作的增益谱激射。则保持V_cb＝V₂不变，当器件的基极-发射极偏压V_cb由V₁改变到V_1’或V_1”时，该量子级联结构层9的增益谱可以由A种QCL子单元的增益谱调谐到B1种或B2种QCL子单元的增益谱，从而实现了器件量子级联结构层9的可调谐输出。

实施例4

如图13和图14所示，为本发明具有多段控制子单元(在本实施例中为三段)可被分段控制的反馈式多极型量子级联环形激光器的结构示意图。在本实施例中，类似于图5，该反馈式多极型量子级联环形激光器器件由下至上沿z方向依次设置的衬底7、集电极8、量子级联结构层9、量子能级匹配层10、基极11和发射极12。进一步地，集电极8中包含重型n掺杂下包层，发射极12中包含顶部重型n掺杂上包层。具体的，器件由下至上沿z方向的层顺序分布为重型n掺杂衬底7层，n掺杂集电极8，量子级联结构层9，量子能级匹配层10、p掺杂基极11和重型n掺杂发射极12。集电极8、发射极12和基极11顶部生长有集电极电极13(电极c)、发射极电极15(电极e)和基极电极14(电极b)。

同样的，集电极电极13位置也可以生长在衬底7下方，工作角色上与在集电极8层顶部生长集电极电极13是一致的。另外，同一段器件结构上，与图5所示的反馈式多极型量子级联环形激光器一样，同一类电极可以存在多个，比如图13和图14中，在量子级联结构层9的左侧的集电极8层顶部也可以生长第二个集电极电极13。虽然两个集电极电极13 的空间位置不同，但在器件中的角色都是一样的，都可以归属于“集电极电极13”这一类电极。同样地，如果空间位置允许，也可以在发射极12层左侧的基极11层顶部上生长第二个基极电极14，两个基极电极14都归于“基极电极14”这一类电极。

进一步地，其中量子级联结构层9可以是如图1(a)或图1(b)所示的量子级联结构层9，本实施例中量子级联结构层9的QCL堆栈单元为对应于图1(b)中的 ABB/…/ABB/…/ABB堆栈结构。量子级联结构层9的层平面平行于x-y平面，生长方向为沿z方向。该反馈式多极型量子级联环形激光器沿y方向被刻蚀成脊型波导结构，结构的反射端面平行于x-z平面，后端面为增强反射端面，前端面为抗反射端面，即器件光输出端面。

不同于图5的，本实施例中可被三段控制的反馈式多极型量子级联环形激光器的环形波导19以及环形波导19外部的基极层顶部被刻蚀出六个具有一定深度的条形窗口，如图 14所示，该条形窗口被绝缘物质所填充形成绝缘层20，从而形成具有三段控制子单元可别分段控制的反馈式多极型量子级联环形激光器。该反馈式多极型量子级联环形激光器的顶部电极之间相互绝缘，从而使得反馈式多极型量子级联环形激光器的条形直波导18的耦合段16发射极电极被V_ew和V_ef所独立控制，三段环形波导19对应的发射极电极15分别被V_e1，V_e2，V_e3所独立控制，环形波导19圆形区域内的基极电极被V_bi独立控制，而环形波导19圆形区域外的三个基极电极被V_b1，V_b2，V_b3所独立控制。需要指出的，每一段控制子单元也可以对应不同的集电极控制端，为了简便，此实施例中，三段控制子单元的集电极为共有，即采用共集电极的电路偏压模型，此时，集电极电极13由V_c所独立控制。则每一段控制子单元分别被一组偏压组合所控制，第一段、第二段和第三段控制子单元分别由(V_e1，V_b1，V_c)、(V_e2，V_b2，V_c)和(V_e3，V_b3，V_c)三组偏压所独立控制。特别说明地，该三段控制子单元中的每一段环形波导19子结构的沿环形波导19轴向的长度没有具体限定，绝缘层20沿环形波导19轴向的宽度亦无具体限定，可根据实际器件设计和应用领域不同进行相应改变与优化。

如图15和图16所示，为本发明另一实施方式的可被三段控制的反馈式多极型量子级联环形激光器结构示意图，该实施方式为将如图8和图9所示中的反馈式多极型量子级联环形激光器结构，增加绝缘层20而形成可被多段控制的反馈式多极型量子级联环形激光器。

如图17所示，为本实施例的可被三段控制的反馈式多极型量子级联环形激光器所对应的两种宽增益谱示意图。图17(a)中，第一段、第二段和第三段控制子单元的基极-发射极偏压均为V₁，即V_be1＝V_b1-V_e1＝V₁，V_be2＝V_b2-V_e2＝V₁，V_be3＝V_b3-V_e3＝V₁。与图8所示相同地，在特定集电极-基极偏压V₂下，即V_cb1＝V_c-V_b1＝V₂，第一段控制子单元所设计量子级联结构层9的每个QCL堆栈单元的三个子单元结构中只有A种QCL子单元结构能够正常工作。在特定集电极-基极偏压V_2’下，即V_cb2＝V_c-V_b2＝V_2’，第二段控制子单元所设计量子级联结构层9的每个QCL堆栈单元的三个子单元结构中只有B1种QCL子单元结构能够正常工作。在特定集电极-基极偏压V_2”下，即V_cb3＝V_c-V_b3＝V_2”，第三段控制子单元所设计量子级联结构层9的每个QCL堆栈单元的三个子单元结构中只有B2种QCL子单元结构能够正常工作的增益谱激射。因此，最后所设计的反馈式多极型量子级联环形激光器的增益谱等效于图17(a)中三个虚线所示的增益谱的叠加，形成了图17(a)中实线所示的宽增益谱。

类似地，图17(b)中，第一段、第二段和第三段控制子单元的集电极-基极偏压均为V₂，即V_cb1＝V₂，V_cb2＝V₂，V_cb3＝V₂。与图12(b)所示相同地，在特定基极-发射极偏压下，即V_be1＝V₁，第一段控制子单元所设计量子级联结构层9的每个QCL堆栈单元的三个子单元结构中只有A种QCL子单元结构能够正常工作。在特定基极-发射极偏压下，即 V_be2＝V_1’，第二段控制子单元所设计量子级联结构层9的每个QCL堆栈单元的三个子单元结构中只有B1种QCL子单元结构能够正常工作。在特定基极-发射极偏压下，即V_be3＝V_1”，第三段控制子单元所设计量子级联结构层9的每个QCL堆栈单元的三个子单元结构中只有 B2种QCL子单元结构能够正常工作的增益谱激射。因此，最后所设计的反馈式多极型量子级联环形激光器的增益谱等效于图17(b)中三个虚线所示的增益谱的叠加，形成了图 17(b)中实线所示的宽增益谱。

如图18所示，为本实施例的可被三段控制的反馈式多极型量子级联环形激光器所对应的两种可调谐宽增益谱示意图。特别地，当图17(a)中所示的反馈式多极型量子级联环形激光器中的独立段电压的改变使得每一段控制子单元的基极-发射极偏压保持不变，均仍为 V₁，即V_be1＝V₁，V_be2＝V₁，V_be3＝V₁。同时使得第一段、第二段和第三段控制子单元的集电极-基极偏压分别由V₂变为V₃、V_2’变为V_3’、V_2”变为V_3”，即V_cb1＝V₃，V_cb2＝V_3’，V_cb3＝V_3”，每个控制子单元段结构的增益谱由如图18(a)所示的虚线谱变为实线谱。为了曲线变化的清晰性，图18(a)中没有给出三个子单元结构的增益谱的叠加结果。但是类似于图11(a)，很容易知道当三个独立控制子单元段的集电极-基极偏压改变时，图17(a)中所示的所叠加而成的宽增益谱也会随着三个独立段的集电极-基极偏压的改变而发生改变。

类似地，当图17(b)中所示的可被三段控制的反馈式多极型量子级联环形激光器中的独立段电压的改变使得每一段控制子单元的集电极-基极偏压保持不变，均仍为V₂，即V_cb1＝V₂，V_cb2＝V₂，V_cb3＝V₂。同时使得第一段、第二段和第三段控制子单元的基极-发射极偏压分别由V₁变为V₃、V_1’变为V_3’、V_1”变为V_3”，即V_be1＝V₃，V_be2＝V_3’，V_be3＝V_3”，每个控制子单元结构的增益谱由如图18(b)所示的虚线谱变为实线谱。为了曲线变化的清晰性，图18(b)中没有给出三个子单元结构的增益谱的叠加结果。但是类似于图11(b)，很容易知道当三个独立控制子单元的基极-发射极偏压改变时，图17(b)中所示的所叠加而成的宽增益谱也会随着三个独立段的基极-发射极偏压的改变而发生改变。

如图19所示，为本实施例的可被三段控制的反馈式多极型量子级联环形激光器所对应的两种超宽增益谱示意图。图19(a)中，第一段、第二段和第三段控制子单元的基极-发射极偏压均为V₁，即V_be1＝V₁，V_be2＝V₁，V_be3＝V₁。同时，对应的三个集电极-基极偏压则分别为V_cb1＝V₂，V_cb2＝V_2’，V_cb3＝V_2”。与图10所示相同地，每一段控制子单元在特定器件基极-发射极偏压与集电极-基极偏压组合下，所有三个QCL子单元均能正常工作，所对应的 QCL堆栈单元的增益谱为一个具有平坦宽谱特性的增益谱，如图19(a)虚线给出。类似于图11(a)，当单段控制子单元的基极-发射极偏压保持不变时，在不同集电极-基极偏压下，QCL堆栈单元的宽增益谱可发生调谐，则每一段控制子单元在不同集电极-基极偏压的控制下，具有不同的宽增益谱，如图19(a)所示的三条虚线所表示。如图19(a)中实线所示，则所设计的反馈式多极型量子级联环形激光器所对应的增益谱为三个宽增益谱的叠加，从而形成了一个超宽增益频谱。

类似地，图19(b)中，第一段、第二段和第三段控制子单元的集电极-基极偏压均为V₂，即V_cb1＝V₂，V_cb2＝V₂，V_cb3＝V₂。同时，对应的三个基极-发射极偏压则分别为V_be1＝V₁， V_be2＝V_1’，V_be3＝V_1”。与图10所示相同地，每一段控制子单元在特定器件基极-发射极偏压与集电极-基极偏压组合下，所有三个QCL子单元均能正常工作，所对应的QCL堆栈单元的增益谱为一个具有平坦宽谱特性的增益谱，如图19(b)虚线给出。类似于图11(b)，当单独一段控制子单元的集电极-基极偏压保持不变时，在不同基极-发射极偏压下，QCL 堆栈单元的宽增益谱可发生调谐，则每一段控制子单元在不同基极-发射极偏压的控制下，具有不同的宽增益谱，如图19(b)所示的三条虚线所表示。如图19(b)中实线所示，则所设计的反馈式多极型量子级联环形激光器所对应的增益谱为三个宽增益谱的叠加，从而形成了一个超宽增益频谱。

需要特别指出的是，上述实施例中的同一段控制子单元的集电极-基极偏压和基极-发射极偏压组合中的改变均是保持其中一个偏压不变，而只改变另外一个偏压。但是，具体实施过程，针对不同应用领域采用同时改变器件的集电极-基极偏压和基极-发射极偏压的方法，亦可得到类似的有益效果。

如图20所示，为本实施例中可被三段控制的反馈式多极型量子级联环形激光器所对应的频率梳输出的频域输出功率分布图。图20中，虚线表示的为相应可被多段控制的反馈式多极型量子级联环形激光器的增益谱，实线谱线表示的是器件的频率梳输出。当结合量子级联结构的强三阶非线性所引起的强四波混频效应、环形波导结构的增强型级联四波混频效应以及分布式反馈段的频谱滤波效应时，具有图10、图11、图17或图18的任意一种宽增益谱的反馈式多极型量子级联环形激光器，或具有图19中超宽增益谱的可被多段控制的反馈式多极型量子级联环形激光器可以产生齿梳间距、齿梳功率均匀性均比较好的高性能频率梳。特别地，结合图17或图18中的任意一种宽增益谱的可调谐特性，所设计的反馈式多极型量子级联环形激光器可产生可调谐的高性能频率梳。

需要指出的是，这里给出的只是输出高性能频率梳在光子能量谱上的分布，频率梳在时间上的相应的输出变化图没有给出，但是基于频率梳的定义，高性能频率梳的各个齿梳之间具有固定的相位关系，并且该相位关系可以通过量子级联结构以及环形波导19结构的强三阶非线性所引起的强级联增强四波混频效应进行增强固定。

条形直波导18的分布式反馈段17结构可对从环形波导19经直波导耦合段16耦合至条形直波导18的信号进行滤波处理，滤波处理后所得的信号经过反射，再次通过条形直波导18的耦合段16与环形波导19结构内的信号进行相互作用，影响环形波导19结构内信号的相位或模式锁定，从而改变频率梳的输出特性。特别地，所述分布式反馈段结构的反馈滤波信号能够使得反馈式多极型量子级联环形激光器在可调谐的多波长输出或宽谱输出的波长范围内形成能够产生强度、频率和相位在有限区间内快速变化的类噪声宽频谱随机输出的混沌激光。特别地，在多段式反馈式多极型量子级联环形激光器结构中，可以控制不同段的不同集电极-基极偏压和基极-发射极偏压组合，以及通过控制所述分布式反馈段发射极电极电压来改变的反馈信号，可以实现对输出频率梳的齿梳间的相位锁定效应的增强，并可对输出频率梳的齿梳的时域波形进行压缩整形。

需要再次说明的是，由于条形直波导18的分布式反馈段的发射极电极由独立的分布式反馈段发射极电极电压控制，通过控制所述分布式反馈段发射极电极电压可以改变分布式反馈段结构的材料折射率，进而控制分布式反馈段结构的反馈光信号。故以上所有实施例中图10～图12，图17～图20以及其它潜在应用中，该反馈式多极型量子级联环形激光器的器件输出可随条形直波导18的分布式反馈段发射极电极偏压的改变而发生改变。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种反馈式多极型量子级联环形激光器，其特征在于：该激光器包括由下至上依次设置的衬底(7)、集电极(8)、量子级联结构层(9)、量子能级匹配层(10)、基极(11)、发射极(12)，所述集电极(8)与量子级联结构层(9)之间、所述基极(11)与发射极(12)之间均有阶梯状设置；

所述反馈式多极型量子级联环形激光器还包括设置于集电极(8)顶部或衬底(7)下方的集电极电极(13)、设置于基极(11)顶部的基极电极(14)、设置于发射极(12)顶部的发射极电极(15)；

所述激光器上还刻蚀有环形波导(19)和与所述环形波导(19)耦合的条形直波导(18)，环形波导(19)和条形直波导(18)的刻蚀深度为从发射极顶部至基极(11)顶部、量子能级匹配层(10)顶部、量子级联结构层(9)顶部或集电极(8)顶部的任意深度，其中，环形波导(19)的环形区域内或环形区域外至少有一侧刻蚀深度为仅从发射极顶部至基极顶部，所述条形直波导(18)包括分布式反馈段(17)和耦合段(16)；

所述量子级联结构层(9)由至少两个结构相同的QCL堆栈单元串联堆栈而成，所述QCL堆栈单元包括至少两种结构相同的QCL子单元，每种所述QCL子单元均由有源区和注入区组成，所述注入区包括若干段掺杂区，不同种所述QCL子单元之间至少有一段掺杂区的掺杂浓度参数不同；

所述环形波导(19)和基极(11)上设置若干个绝缘层(20)使该激光器形成多段结构而具有若干段控制子单元；

所述条形直波导的分布式反馈段(17)和耦合段(16)可分别由独立的发射极电极偏压所控制，所述分布式反馈段(17)被分布式反馈段集电极偏压所独立控制，每一段所述控制子单元可被一组独立段电压控制，所述一组独立段电压至少包含集电极(8)、基极(11)、发射极(12)三个电极控制电压，每组独立电极控制电压和所述分布式反馈段集电极偏压的取值为正压、零压或负压中的任意一个。

2.根据权利要求1所述的反馈式多极型量子级联环形激光器，其特征在于：至少一种所述QCL子单元包含有两段或两段以上掺杂区，且该QCL子单元中至少存在有一段掺杂区，其掺杂浓度参数不同于其它段掺杂区的掺杂浓度参数。

3.根据权利要求1所述的反馈式多极型量子级联环形激光器，其特征在于：所述量子级联结构层(9)包括N个QCL堆栈单元：第一个QCL堆栈单元AB(1)、第i个QCL堆栈单元AB(2)、第N个QCL堆栈单元AB(3)，或者第一个QCL堆栈单元ABB(4)、第i个QCL堆栈单元ABB(5)、第N个QCL堆栈单元ABB(6)，其中i、N为大于1的整数，i≤N。

4.根据权利要求1所述的反馈式多极型量子级联环形激光器，其特征在于：所述QCL子单元采用U态-L态转移设计，所述U态与所述L态为单能态、多能态或连续态中的任意一种，所述多能态包含至少两个能态。

5.根据权利要求1所述的反馈式多极型量子级联环形激光器，其特征在于：所述QCL子单元的有源区所对应的工作或激射波长在中红外或太赫兹波段。

6.根据权利要求1所述的反馈式多极型量子级联环形激光器，其特征在于：所述反馈式多极型量子级联环形激光器中的集电极电极(13)至少为一个，基极电极(14)至少为一个，发射极电极(15)至少为一个。

7.根据权利要求1所述的反馈式多极型量子级联环形激光器，其特征在于：条形直波导(18)的所述分布式反馈段集电极偏压控制分布式反馈段(17)的滤波输出，每一段所述控制子单元中，基极-发射极偏压控制注入该段中的量子级联结构层(9)的电流密度，基极-集电极偏压控制该段中量子级联结构层(9)的器件偏压。

8.根据权利要求1所述的反馈式多极型量子级联环形激光器，其特征在于：在所施加的分布式反馈段集电极偏压、基极-发射极偏压与基极-集电极偏压器件偏压组合下，至少有两个所述QCL堆栈单元能工作或激射，每个所述工作或激射QCL堆栈单元中至少有一个所述QCL子单元能够工作或激射。

9.根据权利要求1所述的反馈式多极型量子级联环形激光器，其特征在于：所施加的分布式反馈段集电极偏压、基极-发射极偏压与基极-集电极偏压器件偏压组合改变时，至少有两个所述QCL堆栈单元能同时工作或激射，每个所述工作或激射QCL堆栈单元中至少有一个所述QCL子单元能够工作或激射。

10.根据权利要求9所述的反馈式多极型量子级联环形激光器，其特征在于：所述工作或激射输出被叠加成多波长输出、宽谱输出、频率梳输出或混沌激光输出。

11.根据权利要求9所述的反馈式多极型量子级联环形激光器，其特征在于：所述工作或激射输出被叠加成多波长输出、宽谱输出、频率梳输出或混沌激光输出，所述多波长输出、宽谱输出或频率梳输出随所述施加的分布式反馈段集电极偏压、所述基极-发射极偏压与所述基极-集电极偏压器件偏压组合的改变而改变。

Images