分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器制造技术

本发明专利技术提供一种分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，包括多模波导及分别形成于所述多模波导两侧的DBR光栅波导，其中，所述多模波导的宽度至少为所述DBR光栅波导宽度的两倍。本发明专利技术采用宽度较宽的多模波导与宽度较窄的DBR光栅波导组合设计，可以同时实现单横模激射和单纵模激射；并且具有更大的增益面积及更高的输出光功率，可以提高出光光束的质量和收集效率，且器件更加小巧。本发明专利技术的DBR光栅波导通过波导宽度的周期性变化实现反馈，其上下电极可采用整片金属，具有更均匀的注入电流，易于实现激光波长调谐和上电极引线键合，提高了器件的成品率和工作稳定性，同时减少了太赫兹激光的功率损失。

【技术实现步骤摘要】
分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器
本专利技术属于激光器半导体
，涉及一种太赫兹量子级联激光器，特别是涉及一种基于多模干涉结构的分布式布拉格反射太赫兹量子级联激光器。
技术介绍
太赫兹(以下简称THz，1THz＝1012Hz)波段是指电磁波谱中频率从100GHz到10THz，对应的波长从3毫米到30微米，介于毫米波与红外光之间频谱范围相当宽的电磁波谱区域。由于缺少有效的THz辐射产生和检测方法，导致THz波段的电磁波长期未得到充分地研究和应用，被称为电磁波谱中的“THz空隙”。THz辐射源是THz频段应用的关键器件。在众多THz辐射产生方式中，THz量子级联激光器(以下简称THzQCL)由于具有能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点，成为THz辐射源研究领域的热点之一。THzQCL是一种电泵浦的单极器件，多采用GaAs/AlGaAs材料系统。电子通过在子带间的跃迁辐射出光子，通过改变势阱和势垒的宽度，可以改变激射能级之间的能量差，从而控制辐射光子的频率。一个完整的QCL有源区由几十甚至几百个周期组成。THzQCL在实时成像、气体检测、环境监测和空间保密通信等应用领域具有重要的应用价值。其中，能够单纵模激射、波长可调谐THzQCL对提升气体探测、射频天文学等应用系统性能具有重要作用。传统的法布里-珀罗(F-P)腔激光器由于各纵模间的增益差小，纵模选择性弱，很难实现单纵模工作。而分布式布拉格反射结构(distributedBraggreflection，以下简称DBR)激光器利用两个布拉格光栅替代F-P腔激光器的解理端镜面构成谐振腔，有源区夹在两个布拉格光栅中间，满足波长在布拉格反射附近的激光才能激射，因此器件实现了低阈值、单纵模激射，DBR光栅结构参数可分别选择，提高微分外量子效率，通过改变光栅区折射率即可实现波长调谐。但在太赫兹频段，由于激光波长过长，与器件尺寸相近，波导对光限制变差，损耗增加，因此太赫兹频率的DBR激光器出光功率较低。提高THzQCL出光功率最常用的方案是增大器件的增益面积，但过宽的波导宽度会激发高阶侧模，降低出射光束质量和收集效率。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，用于解决现有技术中的太赫兹激光器无法同时激射单横模光和单纵模光、输出光功率低及出射光束质量不好的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，包括多模波导及分别形成于所述多模波导两侧的DBR光栅波导，其中，所述多模波导的宽度至少为所述DBR光栅波导宽度的两倍。可选地，所述DBR光栅波导至少包括一个光栅周期，所述光栅周期包括第一光栅波导及第二光栅波导，其中，所述第一光栅波导的宽度小于所述第二光栅波导的宽度。可选地，所述第一光栅波导自下而上依次包括半绝缘GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层及上金属层；所述第二光栅波导自下而上依次包括半绝缘GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层及上金属层；其中，与所述多模波导两侧直接相连的第一光栅波导或第二光栅波导无上金属层。可选地，所述上金属层为整片金属，所述下金属层为整片金属。可选地，与所述多模波导两侧直接相连的第一光栅波导或第二光栅波导的上接触层被去除。可选地，所述多模波导自下而上依次包括半绝缘GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层及上金属层。可选地，所述有源区包括束缚态到连续态跃迁结构、共振声子结构或啁啾晶格结构。可选地，所述分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器的输出激光模式同时满足单纵模和单横模。可选地，所述多模波导或所述DBR光栅波导采用半绝缘等离子波导结构或双面金属波导结构。可选地，所述多模波导及所述DBR光栅波导的最优尺寸通过光束传播法或有限元法设计得到。如上所述，本专利技术的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，具有以下有益效果：(1)本专利技术的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器包括多模波导及分别形成于所述多模波导两侧的DBR光栅波导，其中，所述多模波导的宽度至少为所述DBR光栅波导宽度的两倍。这种宽度较宽的多模波导与宽度较窄的DBR光栅波导组合设计，可以同时实现单横模和单纵模激射；(2)相对于传统的整体宽度基本一致的矩形条波导结构，在同等器件长度下，本专利技术的激光器具有更大的增益面积，因而具有更高的输出光功率；(3)相对于与本专利技术多模波导的宽度相似的传统矩形条波导，本专利技术又具有输出单横模光的特点，有效抑制高阶侧模，提高出光光束的质量和收集效率，且激光器输出端采用较窄的DBR光栅波导使得器件更加小巧；(4)由于本专利技术的DBR光栅波导的每一个光栅周期采用宽度不同的两段波导，通过波导宽度的周期性变化实现反馈，这种宽度周期性变化而有源层厚度不变的设计使得DBR光栅波导上可以大面积覆盖金属，较金属狭缝结构光栅具有更均匀的注入电流，易于实现激光波长调谐和上电极引线键合，提高了器件的成品率和工作稳定性，同时减少了太赫兹激光从金属狭缝中辐射造成功率损失。附图说明图1显示为本专利技术的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器的俯视结构示意图。图2显示为图1所示结构的三维图。图3显示为图1所示结构的A-A向剖视图。图4显示为中心波长在100μm的分布布拉格光栅反射谱。图5显示为不同多模波导长度对应输出功率的计算结果。图6显示为本专利技术优化后的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器的光场分布图。元件标号说明1多模波导2DBR光栅波导21第一光栅波导22第二光栅波导3下金属层4半绝缘GaAs衬底5GaAs缓冲层6下接触层7有源区8上接触层9上金属层具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，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专利技术的其他优点与功效。本专利技术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，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。请参阅图1至图6。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专利技术的基本构想，遂图式中仅显示与本专利技术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。本专利技术提供一种分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，请参阅图1，显示为所述分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器的俯视结构示意图，包括多模波导1及分别形成于所述多模波导1两侧的DBR光栅波导2，其中，所述多模波导1的宽度至少为所述DBR光栅波导2宽度的两倍。图2显示为图1所示结构的三维图。DBR(distributedBraggreflection)又叫分布式布拉格反射镜，是由两种不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列组成的周期结构，相当于简单的一组光子晶体，由于频率落在能隙范围内的电磁波无法穿透，布拉格反射镜的反射率可达99％以上，可以提升亮度，也没有金属反射镜的吸收问题，又可以透过改变材料的折射率或厚度来调整能隙位置。具体的，本专利技术中，所述DBR光栅波导2至少包括一个光栅周期，通常为10个左右，也可以更多。所述光栅周期包括第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，包括多模波导及分别形成于所述多模波导两侧的DBR光栅波导，其特征在于：所述多模波导的宽度至少为所述DBR光栅波导宽度的两倍。

【技术特征摘要】
1.一种分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，包括多模波导及分别形成于所述多模波导两侧的DBR光栅波导，其特征在于：所述多模波导的宽度至少为所述DBR光栅波导宽度的两倍，以同时实现单横模和单纵模激射；所述DBR光栅波导至少包括一个光栅周期，所述光栅周期包括第一光栅波导及第二光栅波导，其中，所述第一光栅波导的宽度小于所述第二光栅波导的宽度；所述第一光栅波导及第二光栅波导包括上接触层及上金属层，其中，与所述多模波导两侧直接相连的第一光栅波导或第二光栅波导的上接触层被去除，并且无上金属层，而其余部位的第一光栅波导及第二光栅波导上的上金属层及上接触层保留。2.根据权利要求1所述的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器，其特征在于：所述第一光栅波导自下而上依次包括半绝缘GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层及上金属层；所述第二光栅波导自下而上依次包括半绝缘GaAs衬底、下金属层、...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚辰，曹俊诚，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31