分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器的制造方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器
【技术领域】
[0001]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，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。
【背景技术】
[0002]太赫兹(以下简称THz，ITHz = IO12Hz)波段是指电磁波谱中频率从IOOGHz到ΙΟΤΗζ，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THz QCL)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。THz QCL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。THz QCL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THz QCL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(distributed Bragg ref lection,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THz QCL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。
【发明内容】
[0003]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。
[0004]为实现上述目的及其他相关目的，本发明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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]如上所述，本发明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:(I)本发明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，本发明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)相对于与本发明多模波导的宽度相似的传统矩形条波导，本发明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)由于本发明的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。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1显示为本发明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。
[0016]图2显示为图1所示结构的三维图。
[0017]图3显示为图1所示结构的A-A向剖视图。
[0018]图4显示为中心波长在100 μ m的分布布拉格光栅反射谱。
[0019]图5显示为不同多模波导长度对应输出功率的计算结果。
[0020]图6显示为本发明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。
[0021]元件标号说明[0022]I多模波导
[0023]2DBR光栅波导
[0024]21第一光栅波导
[0025]22第二光栅波导
[0026]3下金属层
[0027]4半绝缘GaAs衬底
[0028]5GaAs 缓冲层
[0029]6下接触层
[0030]7有源区
[0031]8上接触层
[0032]9上金属层
【具体实施方式】
[0033]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。
[0034]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。
[0035]本发明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I及分别形成于所述多模波导I两侧的DBR光栅波导2，其中，所述多模波导I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。
[0036]DBR (distributed Bragg ref lection)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。
[0037]具体的，本发明中，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一光栅波导21及第二光栅波导22，其中，所述第一光栅波导21的宽度小于所述第二光栅波导22的宽度。本发明的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。
[0038]图1及图2中示出了所述多模波导I的宽度Wnini1、所述第一光栅波导21的宽度Wlin及所述第二光栅波导22的宽度W2in。本实施例中，一个光栅周期内，较窄的第一光栅波导21位于内侧，较宽的第二光栅波导22位于外侧，在另一实施例中，其顺序也可以调换。
[0039]具体的，所述多模波导I或所述DBR光栅波导2采用半绝缘等离子波导结构或双面金属波导结构，其中，表面等离子体波导可以很好地束缚电磁波，具有良好的传输特性；双面金属波导结构具有很高的光限制因子，可以降低激光器的激射阈值，减少注入功率消耗，使得器件的工作温度相比于半绝缘等离子体波导能得到大大的提升，但其相较于半绝缘等离子体波导器件又具有大的远场发散角和较低的输出功率。
[0040]本实施例中，所述多模波导I及所述DBR光栅波导2以半绝缘等离子波导为例。图3显示为图1所示结构的A-A向剖视图，如图所示，所述多模波导I自下而上依次包括半绝缘GaAs衬底4、下金属层3、下接触层6、有源区7、上接触层8及上金属层9，其中，所述半绝缘GaAs衬底4与所述下接触层6之间还形成有GaAs缓冲层5。所述第一光栅波导21与所述第二光栅波导22的A-A向剖面结构与所述多模波导I基本一致，即所述第一光栅波导21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22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。所述上金属层及下金属层分别作为上电极和下电极。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。
[0041]具体的，所述第一光栅波导21与第二光栅波导22中，所述上金属层为整片金属，所述下金属层为整片金属，整片金属结构可以增大金属面积，使得注入电流更加均匀。
[0042]具体的，与所述多模波导I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，形成电隔离沟，以降低电信号对所述多模波导I的影响，从而提高出光质量，实现波长调谐的控制，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。
[0043]具体的，所述多模波导及所述DBR光栅波导中，所述有源区包括但不限于束缚态到连续态跃迁结构、共振声子结构或啁啾晶格结构。
[0044]需要指出的是，以上所述多模波导I的宽度及所述DBR光栅波导2的宽度均指的是其有源区部分的宽度。对于所述DBR光栅波导2由宽度不同的第一光栅波导21及第二光栅波导22组成，其整体宽度由较宽的一个光栅波导的宽度决定。本发明中所述多模波导I的宽度至少为所述DBR光栅波导2的宽度的两倍，即是指Wmmi>2W2in。
[0045]本发明的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器中，太赫兹光由宽度较宽的多模波导的有源区产生，具有更大的增益面积和更高的输出光功率；宽度较窄的DBR光栅波导位于宽度较宽的多模波导两侧中心处，可以提高器件对纵模的选择性，同时，所述DBR光栅波导亦作为输出波导出射太赫兹激光。所述DBR光栅波导构成谐振腔,太赫兹激光在腔内形成多模干涉现象，由于DBR光栅波导宽度较窄，可以有效抑制高阶侧模，输出光波为单横模光，且由于DBR光栅波导对纵模的选择性,从而同时实现单横模和单纵模激射。
[0046]此处需要说明的是，谐振腔内电磁场的空间分布可分解为沿传播方向(腔轴线方向)的分布和在垂直于传播方向的横截面内的分布。其中，腔模沿腔轴线方向的稳定场分布称为谐振腔的纵模，而在垂直于腔轴的横截面内的稳定场分布称为谐振腔的横模。单纵模是指谐振腔内只有单一纵模(单一频率)进行振荡，单横模是指光强在光横截面上的分布为高斯分布，本发明的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器能够在输出单纵模激光的同时保证出射激光的单横模特性。[0047]本发明相较于传统的矩形条激光器结构不仅能够同时实现单横模和单纵模激射，还具有更高的输出光功率和光束质量，同时保持器件的小型化。本发明可以应用于各种有源区结构的太赫兹量子级联激光器，在气体检测、射电天文学、高分辨率光谱等领域上具有重要的应用价值。
[0048]具体的，多模干涉原理为:太赫兹光在多模波导内激发高阶导模，由于各导模传播常数不同，造成光能量在多模波导中周期性分布，当多模波导取特定长度和宽度时，太赫兹光在多模波导两侧中心位置形成强度相等的两个像，这时在多模波导两侧中心处制作单模输出波导，就可以得到单横模太赫兹光。
[0049]本发明的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器中，所述多模波导及所述DBR光栅波导的最优尺寸可以采用光束传播法或有限元法设计得到。需要设计的参数包括多模波导宽度L、多模波导宽度Wmm1、第一光栅波导宽度Wlin及第二光栅波导宽度W2in。DBR光栅周期Λ和反射峰中心波长位置可根据耦合模理论设计。
[0050]作为示例，本发明的分布式布拉格反射结构的太赫兹量子级联激光器设计步骤如下:
[0051]步骤一:设计DBR光栅波导中两段波导宽度Wlil^PWZint5为保证输出波导为单模波导，不激发高阶侧模，所述第一光栅波导及第二光栅波导的宽度分别选择为50 μ m和60 μ m,等效折射率分别是3.5397和3.57048。
[0052]步骤二:设计DBR光栅波导的周期和长度。设定激光器激射波长为100 μ m,由布拉格反射条件λΒ = 2neffA，其中nrff为波导的平均等效折射率，λ B为布拉格波长，得到光栅周期Λ为14.07 μ m。选择DBR光栅长度为50个周期，即703.5 μ m。根据基于耦合模理论
的传输矩阵
【权利要求】
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。
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。
3.根据权利要求2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、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。
4.根据权利要求3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:所述上金属层为整片金属，所述下金属层为整片金属。
5.根据权利要求3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: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。
6.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。
7.根据权利要求3或6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。
8.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。
9.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。
10.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。
【文档编号】H01S5/125GK103972791SQ201410206087
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2014年5月15日
【发明者】姚辰, 曹俊诚 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所