[發明專利]高功率低發散角的半導體太赫茲垂直面發射激光器

有效

• 申請號: 201310652143.6
• 申請日: 2013-12-05
• 公開（公告）號: CN103633559A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 王濤;劉俊岐;劉峰奇;張錦川;王利軍;王占國
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01S5/183
• 分類號: H01S5/183;H01S5/06
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

技術領域

本發明涉及太赫茲波段激光器件光波導技術領域，尤其涉及高功率低發散角的半導體太赫茲垂直面發射激光器。

背景技術

太赫茲量子級聯激光器是一種小型的相干光源。由于在醫學、生物科學、大氣科學、安全檢測、自由空間光通信等方面具有重大的應用，近年來太赫茲量子級聯激光器的研究獲得了廣泛的關注。目前太赫茲量子級聯激光器只能在較低的溫度下工作，提高器件的工作溫度將有利于器件的大規模應用。高的光輸出功率和低的光斑遠場發散角也有利于器件的實際應用。太赫茲量子級聯激光器主要采用兩種波導結構：雙面金屬波導和半絕緣等離子體波導。雙面金屬波導結構作為一種重要的波導結構，由于具有很高的光限制因子，降低了激光器的激射閾值，減少了注入功率消耗，使得器件的工作溫度相比于半絕緣等離子體波導能得到大大的提升。但是由于雙面金屬波導結構在器件外延面方向的亞波長尺寸和高的腔面反射率，使得雙面金屬波導器件相較于半絕緣等離子體波導器件具有大的遠場發散角和較低的輸出功率，即使采用在激光器發光端面增加Si透鏡等方法來改善遠場發散角和輸出功率，器件實際獲得的遠場發散角與輸出功率也不能與半絕緣等離子體波導器件相比。這也限制了雙面金屬波導量子級聯激光器邊發射器件的實用性。所以如果能在提高器件工作溫度的同時獲得較高的輸出功率和小的遠場發散角將會大大提高器件的實用性。由于雙面金屬波導結構的限制因子很高接近于1，電磁場基本被限制在厚度為10μm左右的有源層里面，如果在這種結構上制作出表面金屬二階光柵，光柵將會與有源層內的光場有很強的相互作用，相比于半絕緣等離子體波導能提供較強的面耦合效率，從而能得到較高的面發射輸出功率。這使得在雙面金屬波導結構上制作面發射器件成為了一種選擇。當前世界上實現太赫茲雙面金屬波導面發射器件主要采用的方法是在器件金屬面上刻蝕出均勻的二階布拉格分布反饋光柵或者制作出均勻的光子晶體光柵結構。這類光柵結構從本質上決定了面發射的激射模式為電磁場的反對稱模式，由于電磁場的反對稱模式在空間上會相干相消，這就使得器件的面發射輸出功率很低，如果能使得電磁場的對稱模式得到激射，這就將大大提高器件的光輸出功率。器件常用的諧振腔為簡單的脊形波導諧振腔結構，這種結構由于在腔長和脊寬方向尺寸的不均勻性導致了在這兩個方向上遠場發散角的不對稱，在器件腔長方向上能有效降低遠場發散角，但是在脊寬方向上依然具有較大的發散角。雖然可以通過采用陣列的方式改善器件脊寬方向的發散角，但這種結構工藝制作復雜，不利于器件的大規模制作。于是研究人員提出了對稱的諧振腔結構：六角形光子晶體面發射結構和環形腔同心圓光柵結構。這兩種結構由于在二維方向具有對稱的尺寸，所以遠場發散角在兩個方向都能得到有效的改善?；谝陨嫌懻摚瑸榱双@得器件的高面發射輸出功率和低的遠場光斑發散角，我們提出了一種新型的器件結構。本結構采用環形諧振腔改善器件的光斑遠場發散角，同時為了提高器件的面發射輸出功率，我們在器件表面設計制作了一種新型的光柵結構-準周期等比數列同心圓光柵結構。區別于傳統的均勻二階布拉格光柵結構，所謂準周期等比數列同心圓光柵結構是指其光柵結構是以環形諧振腔中心為圓形的一系列同心圓光柵，光柵周期從環形諧振腔中心向環形諧振腔邊緣呈現等比數列方式變化，即其中比例系數a<1，即光柵周期由內向外逐漸變小。這種光柵結構能將電磁場的對稱模式集中在環形腔的中心，而將電磁場的反對稱模式推向環形諧振腔的邊緣，形成一種光子量子阱現象。如果我們在環形諧振腔的邊緣加上吸收邊界條件，提高反對稱模式的損耗，這就能使對稱模式得到有效的激射，從而大大提高器件的光輸出功率。由于太赫茲波段波長較長，這種光柵結構很容易通過制作光掩膜板進行接觸光刻實現，工藝簡單，具有較強的實驗可操作性。

綜上所述，本專利提出基于環形諧振腔的準周期等比數列同心圓光柵面發射器件結構，其獨特之處在于在環形諧振腔上制作出準周期等比數列同心圓光柵。這種結構既能改善器件的光斑遠場發散角又能提高器件的光輸出功率。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種高功率低發散角的半導體太赫茲垂直面發射激光器，其是采用基于環形諧振腔的準周期等比數列同心圓光柵結構，這種器件結構既能改善器件在二維方向上的光斑遠場，形成低發散角的遠場束斑，又能提高器件的面發射輸出功率。

本發明提供一種高功率低發散角的半導體太赫茲垂直面發射激光器，包括：

一高摻雜的接收襯底；

一下金屬波導光限制層，該下金屬波導光限制層是由金屬熱鍵合形成，并位于接收襯底上；

一下接觸層，位于下金屬波導光限制層上；

一有源層，該有源層生長在下接觸層上；