CN111446618A - 一种三端式8字环形量子级联激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三端式8字环形量子级联激光器，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8字环形波导和与8字环形波导耦合的条形直波导，条形直波导包括输入段和耦合段。该三端式8字环形量子级联激光器设计简单、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

一种三端式8字环形量子级联激光器

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种三端式8字环形量子级联激光器。

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，提供一种三端式8字环形量子级联激光器，该三端式8 字环形量子级联激光器设计简单、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：一种三端式8字环形量子级联激光器， 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；

所述三端式8字环形量子级联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8字环形波导和与所述8字环形波导耦合的条形直波导，8字环 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，8字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输入段和耦合段；

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，8字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8字环形波导和条形直波导，即8字环形 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8字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8字环形波导和条形直波导，即为8字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8字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，8字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8字环形 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8字环形波导结构的三端式8字环形量子级联激光器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。另外，8字环形波导结构激光器 的行波模式与8字环形波导的非对称环形波导结构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。

进一步的，将大尺寸的8字环形波导结构看作是接触在一起的两个小尺寸的环形波导 的组合，则可以进一步控制8字环形波导结构中的两个子环形波导的结构，如两个环形波 导的半径与半径比，以及两个小尺寸环形波导的交叉接触处的波导形状，来进一步探索相 应器件应用。

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，该三端式8字环形量子级联激光器是以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三端式8字环形量子级联激光器结构，优选 所述8字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，也可以将该三端式8字环形量子级联激光器作为子单元，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，所述三端式8字环形量子级联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。

在具有多段控制子单元的三端式8字环形量子级联激光器中，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。特别地，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_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_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_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_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_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_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_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_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_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_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_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_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或宽谱输出或频率梳输出。进一步的，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，所述多波长输出或宽谱输 出或频率梳输出随所施加的所述V_be与所述V_bc器件偏压组合改变而改变。

上述技术方案中，当在所述条形直波导的输入段注入外部光信号时，外部注入信号能 通过条形直波导的耦合段与8字环形波导结构内的信号进行相互作用，影响8字环形波导 结构内信号的相位或模式锁定，从而改变所述三端式8字环形量子级联激光器的输出特性。 特别地，所述注入外部光信号能够使得所述三端式8字环形量子级联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V_be与所述V_bc器件偏压组合的改变而改变。

本发明提供的一种三端式8字环形量子级联激光器具有以下有益效果：

1、该三端式8字环形量子级联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、该三端式8字环形量子级联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、当该三端式8字环形量子级联激光器所施加的所述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_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_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、该三端式8字环形量子级联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是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中三端式8字环形量子级联激光器的结构示意图。

图6是实施例3中三端式8字环形量子级联激光器的结构俯视图。

图7是三端式8字环形量子级联激光器的能带示意图。

图8是实施例3另一方式的三端式8字环形量子级联激光器的结构示意图。

图9是实施例3另一方式的三端式8字环形量子级联激光器的俯视图。

图10是实施例3中三端式8字环形量子级联激光器所对应的宽增益谱示意图。

图11是实施例3中三端式8字环形量子级联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中三端式8字环形量子级联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V₂”、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V₁”、V_1'和V₁时器件增益谱。

图13是实施例4中三端式8字环形量子级联激光器的结构示意图。

图14是实施例4中三端式8字环形量子级联激光器的俯视图。

图15是实施例4另一方式的三端式8字环形量子级联激光器的结构示意图；

图16是实施例4另一方式的三端式8字环形量子级联激光器的俯视图。

图17是实施例4中三端式8字环形量子级联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＝V₂”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＝V₁”情况下的增益谱。

图18是实施例4中三端式8字环形量子级联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'、V₂”变为V₃”，即V_cb1＝V₃，V_cb2＝V_3'，V_cb3＝V₃”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'、V₁”变为V₃”，即V_be1＝V₃，V_be2＝V_3'，V_be3＝V₃” 时的增益谱变化示意图。

图19是实施例4中三端式8字环形量子级联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＝V₂”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＝V₁”情况下的超宽谱叠 加示意图。

图20是实施例4中三端式8字环形量子级联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、输入段；18、条形直波导；19、8字环形波导；20、第一段耦合段；21、第二段耦 合段；22、第一子环形波导；23、第二子环形波导；24、绝缘层；25、第一子条形直波导； 26、第二子条形直波导。

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。

本发明的三端式8字环形量子级联激光器，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。

三端式8字环形量子级联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8字环形波导19和与8字环形波导19耦合的条形直波导18，8字环形波导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，8字环形波导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 包括输入段17和耦合段16；

如图1所示，本发明三端式8字环形量子级联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。

为使本发明三端式8字环形量子级联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(以三端式8字环形量子级联激光器器件为 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(以三端式8字 环形量子级联激光器器件为例)。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，为本发明三端式8字环形量子级联激光器的结构示意图，该三端式8字环形量子级联激光器由下至上沿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8 字环形波导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中三端式8字环形量子级联激光器的俯视图。其中，条形直波导18中含有输入段17以及与8字环形波导19耦合的耦合段16。当在条形直波导18的输入 段17注入外部光信号时，外部注入信号能通过条形直波导18的耦合段16与8字环形波导 19结构内的信号进行相互作用，影响8字环形波导19结构内信号的相位或模式锁定，从而 改变所述三端式8字环形量子级联激光器的输出特性。特别地，所述注入外部光信号能够 使得所述三端式8字环形量子级联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。

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的发射极电极与8字环形波导19的发射极电极的电压可独立控 制，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8字环形波导19的发射极电极的电压是相同的。类似的，8字环形波导19中心的两个基极电极电压和8字环形波导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8字环形波导19中心的两个基极电极电压和8字环形波导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。该三端式8 字环形量子级联激光器器件沿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。则为了使该三端式8 字环形量子级联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所示的三端式8字环形量子级联激光器，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。

如图8和图9所示，为本发明另一实施方式的三端式8字环形量子级联激光器结构示 意图，该实施方式中，条形直波导18和8字环形波导19为深刻蚀，即条形直波导18和8 字字环形波导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，8 字环形波导19外侧区域的材料被刻蚀掉，而保持8字环形波导19内侧区域只刻蚀到基极 区顶部。当然，也可使8字环形波导19圆形区域内的材料被刻蚀掉，而保持8字环形波导 19外侧区域只刻蚀到基极区顶部。

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，8字 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8字环形波导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，本实施例的三端式8字环形量子级联激光器的宽增益谱示意图，当该单 段控制式三端式8字环形量子级联激光器的基极-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，本实施例的三端式8字环形量子级联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，本实施例的三端式8字环形量子级联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V₂”、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＝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V₂”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V₁”、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＝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V₁”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(在本实施例中为两段)可被分段控制的三端式8字环形量子级联激光器的结构示意图。在本实施例中，类似于图5，该三端式8字环形量子级联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所示的三端式8字环形量子级联激光器一样，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。该三端式8字环形量子级联激光器沿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，本实施例中三端式8字环形量子级联激光器的8字环形波导19、8字环形波导19以及8字环形波导19外部的基极层顶部被刻蚀出五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24，从而形成具有两段控制子单元可别分段控制的三端式8字环形量子级联激光器。该三端式8字环形量子级联激光器的8字环形波导19由第一子环形波导22和第二子环形波导23组成，所述条形直波导18 由第一子条形直波导25和第二字条形直波导26组成，顶部电极之间相互绝缘，从而使得 双段式三端式8字环形量子级联激光器的第一子条形直波导25发射极电极和第一子环形波 导22均被V_e1独立控制，第二子条形直波导26发射极电极和第一子环形波导23均被V_e2独立控制，,三端式8字环形量子级联激光器的第一段控制子单元和第二段控制子单元的基 极电极分别被V_b1和V_b2所独立控制，第一段控制子单元和第二段控制子单元的集电极电极 13分别被V_c1和V_c2所独立控制。

需要指出的，相应控制子单元的第一子环形波导22和第二子环形波导23环形内的两 个基极电极也可由区别于控制子单元中第一子环形波导22和第二子环形波导23环形外的 两个基极电极电压的两个独立电压分别控制。则每一段控制子单元分别被一组偏压组合所 控制，第一段和第二段控制子单元分别由(V_e1，V_b1，V_c1)和(V_e2，V_b2，V_c2)两组偏压 所独立控制。特别说明地，该两段控制子单元中的每一段8字环形波导19子结构的沿8字 环形波导19轴向的长度没有具体限定，绝缘层24沿8字环形波导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三端式8字环形量子级联激光器结构 示意图，该实施方式为将如图8和图9所示中的三端式8字环形量子级联激光器结构，增加绝缘层而形成可被多段控制的三端式8字环形量子级联激光器。

如图17所示，为本实施例的可被多段控制的三端式8字环形量子级联激光器所对应的 两种宽增益谱示意图。图17(a)中，第一段和第二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。与图8所示类似地，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 单元的两个子单元结构中只有B1和B2种QCL子单元结构能够同时正常工作。因此，最后 所设计的该可双段控制的三端式8字环形量子级联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，第一段和第二段控制子单元的集电极-基极偏压均为V₂，即V_cb1＝ V₂，V_cb2＝V₂。与图12(b)所示类似地，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堆栈单元的两个子单元结构中只有B1和B2种QCL 子单元结构能够正常工作。因此，最后所设计的该双段可被控制的三端式8字环形量子级 联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，为本实施例的双段可被控制的三端式8字环形量子级联激光器所对应的 两种可调谐宽增益谱示意图。特别地，当图17(a)中所示的三端式8字环形量子级联激光 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。同时使得第一段和第二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’，即V_cb1＝V₃，V_cb2＝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)中没有给出两个控制子单元结构的增益谱的叠加结果。但是类似于图11(a)，很容易知道当两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两个独立段的集电极-基极偏压的改变而发生改变。

类似地，当图17(b)中所示的双段可被控制的三端式8字环形量子级联激光器中的独 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。同时使得第一段和第二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’，即V_be1＝V₃，V_be2＝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)中没有给出两个子单元结构的增 益谱的叠加结果。但是类似于图11(b)，很容易知道当两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两个独立段的基极-发 射极偏压的改变而发生改变。

如图19所示，为本实施例的双段可被控制的三端式8字环形量子级联激光器所对应的 两种超宽增益谱示意图。图19(a)中，第一段和我第二段控制子单元的基极-发射极偏压 均为V₁，即V_be1＝V₁，V_be2＝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’。与图10所示类似地，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)所示的两条虚线所表示。如图19(a)中实线所示，则所设计的双段 可被控制的三端式8字环形量子级联激光器所对应的增益谱为两个宽增益谱的叠加，从而 形成了一个超宽增益频谱。

类似地，图19(b)中，第一段和第二段控制子单元的集电极-基极偏压均为V₂，即V_cb1＝V₂，V_cb2＝V₂。同时，对应的两个基极-发射极偏压则分别为V_be1＝V₁，V_be2＝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)所示的两条虚线所表示。如图19(b)中实线所示，则所设计的双段可被控制 的三端式8字环形量子级联激光器所对应的增益谱为两个宽增益谱的叠加，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，为本实施例中的双段可被控制的三端式8字环形量子级联激光器所对应的 频率梳输出的频域输出功率分布图。图20中，虚线表示的为相应的三端式8字环形量子级联 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以及F-P腔的模式筛选效应时，具有图10、图11、图17或图18 的任意一种宽增益谱的三端式8字环形量子级联激光器，或具有图19中超宽增益谱的三端式 8字环形量子级联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，所设计的三端式8字环形量 子级联激光器可产生可调谐的高性能频率梳。

此外，上述实施例中，如果将大尺寸的8字环形波导看作是接触在一起的两个小尺寸的 环形波导的组合，则可以进一步控制8字环形波导结构中的两个子环形波导的结构，如两个 环形波导的半径数值与半径比，以及两个小尺寸环形波导的交叉接触处的波导形状，如将环 形波导的“交叉接触”变成“两个圆环相切式”的结构等，来进一步探索相应器件应用。更 进一步地，在如图13和图14所示的双段可被控制的三端式8字环形量子级联激光器中，可 以通过对不同电极电压的独立控制，使得第一段控制子单元和第二段控制子单元分别产生在 模式频率间隔上具有细微差异的两个频率梳，可进一步探索相应的双频率技术等应用。

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8字环形波导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。

在图5和图6、图8和图9、图13、图14或图15和图16所示的三端式8环形量子级联 激光器中，可在条形直波导18的输入段17注入外部光信号，外部注入信号能通过条形直波 导18的耦合段16与8字环形波导19结构内的信号进行相互作用，影响8字环形波导19结 构内信号的相位或模式锁定，从而改变所述频率梳的输出特性。特别地，所述注入外部光信 号能够使得所述三端式8字环形量子级联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。特别地，在多段式三端式8字环形量子级联激光器结构中，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，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。

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 (16)

1.一种三端式8字环形量子级联激光器，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；

所述三端式8字环形量子级联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8字环形波导(19)和与所述8字环形波导(19)耦合的条形直波导(18)，8字环形波导(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，8字环形波导(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)包括输入段(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。

2.根据权利要求1所述的三端式8字环形量子级联激光器，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所述的三端式8字环形量子级联激光器，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所述的三端式8字环形量子级联激光器，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所述的三端式8字环形量子级联激光器，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所述的三端式8字环形量子级联激光器，其特征在于：所述三端式8字环形量子级联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所述的三端式8字环形量子级联激光器，其特征在于：所述8字环形波导(19)和基极(11)上设置若干个绝缘层(24)使该激光器形成多段结构而具有若干段控制子单元。

8.根据权利要求7所述的三端式8字环形量子级联激光器，其特征在于：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的取值为正压、零压或负压中的任意一个。

9.根据权利要求7所述的三端式8字环形量子级联激光器，其特征在于：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。

10.根据权利要求7所述的三端式8字环形量子级联激光器，其特征在于：在所施加的基极-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。

11.根据权利要求7所述的三端式8字环形量子级联激光器，其特征在于：特定所施加的基极-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。

12.根据权利要求7所述的三端式8字环形量子级联激光器，其特征在于：所施加的基极-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。

13.根据权利要求7所述的三端式8字环形量子级联激光器，其特征在于：所施加的基极-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，工作或激射输出波长随所施加的所述基极-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。

14.根据权利要求13所述的三端式8字环形量子级联激光器，其特征在于：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。

15.根据权利要求13所述的三端式8字环形量子级联激光器，其特征在于：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，所述多波长输出或宽谱输出或频率梳输出随施加的所述基极-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。

16.根据权利要求15所述的环形量子级联激光器的应用，其特征在于：在特定外部光注入下，可调谐的所述多波长输出或宽谱输出的波长范围内能形成混沌激光，所述混沌激光输出随注入外部信号的改变或随所施加的所述基极-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。

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