CN114361940A - 一种超表面结构调控太赫兹量子级联激光器色散的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超表面结构调控太赫兹量子级联激光器色散的方法，在所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔的一端形成超表面，所述超表面作为所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔体的有效端面；所述超表面为多个亚波长单元在二维平面上排列而成；通过对所述亚波长单元的结构参数进行调整实现所述超表面在亚波长尺度下对电磁波参数进行自由调制，从而实现调节所述太赫兹量子级联激光器的腔内损耗，进而实现对色散曲线的修正。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件应用技术领域，特别是涉及一种超表面结构调控太赫兹量子级联激光器色散的方法和装置。
背景技术
太赫兹量子级联激光器(THz QCL)具有低阈值电流密度、高转换效率、单模窄光谱线宽、小远场发射角等优异性能，是理想的光频梳光源，可以实现紧凑、高精度、高稳定性和高输出功率的光频梳。然而，在实际应用中，由于群速度色散的影响，自由运行下基于四波混频的THz QCL光频梳重复频率在频谱覆盖范围内发生变化，尤其是距离中心频率较远的模式，其频率漂移最大，进而影响光频梳的高频率稳定性。
群速度色散指的是在同一介质中，光的群速度随着频率改变。当光通过某一介质时，会被介质吸收或者放大，表现为光损耗或增益，这导致介质的折射率为频率的函数。通常采用复折射率表示介质，其中虚部可理解为介质对光的损耗。因此对群速度色散的理解可以转变为对介质中引起光损耗的计算。在THz QCL，其色散主要有增益介质、子带间电子跃迁吸收、波导损耗三方面引起。其中增益介质对THz波的增益可以理解为负损耗，主要由有源区的增益系数决定；子带间电子跃迁吸收主要由有源区电子能级分布决定；波导损耗主要由波导结构决定，也是最容易进行色散调控的部分。
为了实现自由运行THz QCL工作在稳定的光频梳状态，一方面利用增益中心处色散曲线较为平坦的特性，常采用将不同增益中心的有源区异质叠加以获得相对较宽增益范围的方法；另一方面采用色散补偿结构以实现色散曲线修正，代表性的结构有啁啾反射镜、Gires-Tournois干涉仪等。但这两种色散补偿方法存在结构设计灵活性小、工艺加工精度高、色散补偿范围小等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种超表面结构调控太赫兹量子级联激光器色散的方法，实现对太赫兹量子级联激光器本身的色散调控，实现色散补偿。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种超表面结构调控太赫兹量子级联激光器色散的方法，在所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔的一端形成超表面，所述超表面作为所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔体的有效端面；所述超表面为多个亚波长单元在二维平面上排列而成；通过对所述亚波长单元的结构参数进行调整实现所述超表面在亚波长尺度下对电磁波参数进行自由调制，从而实现调节所述太赫兹量子级联激光器的腔内损耗，进而实现对色散曲线的修正。
所述的超表面结构调控太赫兹量子级联激光器色散的方法具体包括以下步骤：
根据太赫兹量子级联激光器的结构，在所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔的一端确定超表面区域位置；
选择所述亚波长单元的结构；
计算所述超表面的S参数，并由所述S参数得出器件损耗，根据增益钳制效应计算钳制后的增益群速度色散，将所述增益群速度色散与器件本身的材料波导引起的群速度色散进行合并计算，得到整体群速度色散；
判断所述整体群速度色散是否满足色散补偿需求，若不满足，则根据计算结果调整所述亚波长单元的结构参数，并重复上一步骤直至满足色散补偿需求。
所述亚波长单元的结构参数包括大小、形状及排列方式。
所述超表面的厚度小于所述太赫兹量子级联激光器的工作波长。
所述超表面形成在所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔的波导结构上。
所述超表面的材料为铜、金或铝。
所述亚波长单元为方形谐振环结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种太赫兹量子级联激光器，包括谐振腔，所述谐振腔的一端形成超表面，所述超表面采用上述超表面结构调控太赫兹量子级联激光器色散的方法进行调整。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过在太赫兹量子级联激光器的谐振腔的一端设计不同的超表面结构，利用超表面进行自由调制，调节腔内损耗，进而实现对太赫兹量子级联激光器本身的色散调控，实现色散补偿。
附图说明
图1是本发明实施方式提供的集成超表面结构的单面金属波导结构QCL示意图；
图2是本发明实施方式提供的集成超表面结构的单面金属波导结构QCL侧视图；
图3是本发明实施方式中的超表面的单元结构示意图；
图4是本发明实施方式中超表面的设计流程示意图；
图5是本发明实施方式中不同结构参数对应的S11示意图；
图6是本发明实施方式中器件损耗与增益钳制示意图；
图7是本发明实施方式中增益GVD及整体GVD示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种超表面结构调控太赫兹量子级联激光器色散的方法，在所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔的一端形成超表面，所述超表面作为所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔体的有效端面；所述超表面为多个亚波长单元在二维平面上排列而成；通过对所述亚波长单元的结构参数进行调整实现所述超表面在亚波长尺度下对电磁波参数进行自由调制，从而实现调节所述太赫兹量子级联激光器的腔内损耗，进而实现对色散曲线的修正。其原理为提供一系列由亚波长单元在二维平面上周期或非周期性排列而成的超表面结构，其厚度小于工作波长。通过对亚波长单元的大小、形状及排列方式进行调整，超表面能够在亚波长尺度下对电磁波频率、振幅、相位、传播模式、极化方式等进行自由地调制。当光线入射到由贵金属构成的纳米颗粒上时，如果入射光子频率与贵金属纳米颗粒或金属岛传导电子的整体振动频率相匹配时，光子能量会被极大的吸收，发生局域表面等离子体共振的现象，这时会在光谱上出现一个强的共振吸收峰。
图1是集成超表面的单面金属波导结构QCL示意图，超表面结构直接集成在上电极，首先通过有限元软件对太赫兹量子级联激光器结构进行建模，如图2所示，从下到上依次为：下金属层、衬底、下接触层、有源区、上接触层和上金属层，其中，上金属层宽度根据设计目标频率进行设计，此处以4.2THz为例，选择150μm，得到无超表面集成的太赫兹量子级联激光器结构。然后在上接触层和上金属层部分精确设计超表面结构，超表面结构总长度LMs＝50μm，远小于太赫兹量子级联激光器结构总长度LQCL＝6mm，其厚度小于所述太赫兹量子级联激光器的工作波长。由此可见，采用金属波导结构作为激光谐振腔，其物理横向尺寸通常在百微米量级，因此在其波导结构上进行超表面结构设计具备较大的优势。超表面结构的材料可选择铜，金，铝等金属，本实施方式以金为材料予以说明。
如图1所示，本实施方式中超表面由多个亚波长单元在二维平面上周期性排列构成，其中，亚波长单元以图3所示正方形谐振环结构为例，该结构包含周期、环长、环宽三个结构参数，可以根据需要对这三个结构参数进行调整，此处设置为周期12.5um，环长10um，环宽1um。
在对结构参数进行调整时，本实施方式按照如图4所示的设计流程进行调整，即在根据经验选择合适的单元结构后，进行有限元软件仿真计算超表面的S参数，并由S参数得出器件损耗，根据增益钳制效应计算钳制后的增益GVD，与器件本身的材料波导等引起的GVD进行合并计算，得到整体GVD，判断整体GVD能否满足色散补偿需求，若不能满足，则根据计算结果调整超表面的单元结构参数，再重新仿真，直到实现色散补偿。
具体地说，本实施方式选择时域有限元算法，进行S参数计算。集成超表面后，太赫兹量子级联激光器前端面反射率受到超表面调控，将集成超表面部分当作有效端面，如图2所示，有效端面反射率R2即为仿真得到的S11参数，对环长进行参数扫描，得到如图5所示不同环长对应的不同的S11曲线，即对应不同的有效端面反射率R2。
本实施方式中THz QCL的初始端面反射率R1＝0.32和仿真得到的有效端面反射率R2，可以计算得到镜面损耗αM以及器件整体损耗α，如图6所示。器件的整体损耗α等于各部分损耗之和除以限制因子Γ，包括波导损耗αW及镜面损耗αM两部分，其中，单面金属波导结构对应的限制因子Γ为0.25，镜面损耗
整体损耗
增益钳制：当增益大于损耗时，增益被钳制等于损耗，增益项的GVD发生改变。如图6所示，损耗改变时，增益发生改变，可以看到不同的结构参数会对应不同的增益钳制。
图7则展示了增益GVD与整体QCL GVD的计算结果，可以明显看出，超表面结构可以对增益GVD产生非常明显的影响，从而作用于QCL的整体GVD，以此实现色散调控，进行实现色散补偿。
不难发现，本发明通过在太赫兹量子级联激光器的谐振腔的一端设计不同的超表面结构，利用超表面进行自由调制，调节腔内损耗，进而实现对太赫兹量子级联激光器本身的色散调控，实现色散补偿。
Claims (8)
1.一种超表面结构调控太赫兹量子级联激光器色散的方法，其特征在于，在所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔的一端形成超表面，所述超表面作为所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔体的有效端面；所述超表面为多个亚波长单元在二维平面上排列而成；通过对所述亚波长单元的结构参数进行调整实现所述超表面在亚波长尺度下对电磁波参数进行自由调制，从而实现调节所述太赫兹量子级联激光器的腔内损耗，进而实现对色散曲线的修正。
2.根据权利要求1所述的超表面结构调控太赫兹量子级联激光器色散的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
根据太赫兹量子级联激光器的结构，在所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔的一端确定超表面区域位置；
选择所述亚波长单元的结构；
计算所述超表面的S参数，并由所述S参数得出器件损耗，根据增益钳制效应计算钳制后的增益群速度色散，将所述增益群速度色散与器件本身的材料波导引起的群速度色散进行合并计算，得到整体群速度色散；
判断所述整体群速度色散是否满足色散补偿需求，若不满足，则根据计算结果调整所述亚波长单元的结构参数，并重复上一步骤直至满足色散补偿需求。
3.根据权利要求1所述的超表面结构调控太赫兹量子级联激光器色散的方法，其特征在于，所述亚波长单元的结构参数包括大小、形状及排列方式。
4.根据权利要求1所述的超表面结构调控太赫兹量子级联激光器色散的方法，其特征在于，所述超表面的厚度小于所述太赫兹量子级联激光器的工作波长。
5.根据权利要求1所述的超表面结构调控太赫兹量子级联激光器色散的方法，其特征在于，所述超表面形成在所述太赫兹量子级联激光器的谐振腔的波导结构上。
6.根据权利要求1所述的超表面结构调控太赫兹量子级联激光器色散的方法，其特征在于，所述超表面的材料为铜、金或铝。
7.根据权利要求1所述的超表面结构调控太赫兹量子级联激光器色散的方法，其特征在于，所述亚波长单元为方形谐振环结构。
8.一种太赫兹量子级联激光器，包括谐振腔，其特征在于，所述谐振腔的一端形成超表面，所述超表面采用如权利要求1-7中任一所述超表面结构调控太赫兹量子级联激光器色散的方法进行调整。
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