[發(fā)明專利]集成光柵的楔形結(jié)構(gòu)的邊發(fā)射太赫茲量子級聯(lián)激光器

有效

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• 申請日: 2014-11-10
• 公開（公告）號: CN104283111B
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姚辰;曹俊誠
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類號: H01S5/06
• 分類號: H01S5/06;H01S5/065
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所(普通合伙)31219
• 代理人: 李儀萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光器半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種太赫茲量子級聯(lián)激光器，特別是涉及一種集成光柵的楔形結(jié)構(gòu)的邊發(fā)射太赫茲量子級聯(lián)激光器。

背景技術(shù)

太赫茲(以下簡稱THz，1THz＝1012Hz)波段是指電磁波譜中頻率從100GHz到10THz，對應(yīng)的波長從3毫米到30微米，介于毫米波與紅外光之間的電磁波譜區(qū)域。由于缺少有效的THz輻射產(chǎn)生和檢測方法，導(dǎo)致THz波段的電磁波長期未得到充分地研究和應(yīng)用，被稱為電磁波譜中的“THz空隙”。THz輻射源是THz技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵器件。在眾多THz輻射產(chǎn)生方式中，THz量子級聯(lián)激光器(以下簡稱THz QCL)由于具有能量轉(zhuǎn)換效率高、體積小、輕便和易集成等優(yōu)點，成為THz輻射源研究領(lǐng)域的熱點之一。THz QCL是一種電泵浦的單極器件，多采用GaAs/AlGaAs材料系統(tǒng)。THz QCL利用電子在量子阱子帶間躍遷及共振隧穿來產(chǎn)生THz激光。THz QCL在安全檢查、成像、氣體檢測、環(huán)境監(jiān)測和自由空間通信等應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。其中，能夠單縱模和單橫模激射、具有較小的空間發(fā)散角的THz QCL對提升THz通信、成像等系統(tǒng)性能具有重要作用。傳統(tǒng)的矩形條結(jié)構(gòu)的法布里-珀羅(F-P)腔THz QCL由于各縱模間的增益差小，縱模選擇性弱，很難實現(xiàn)單縱模工作；而單橫模激射的矩形條結(jié)構(gòu)寬度窄，造成遠(yuǎn)場光斑發(fā)射角過大，降低了出射光束的質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種集成光柵的楔形結(jié)構(gòu)的邊發(fā)射太赫茲量子級聯(lián)激光器及其制作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中的矩形條結(jié)構(gòu)的法布里-珀羅腔太赫茲量子級聯(lián)激光器由于各縱模間的增益差小，縱模選擇性弱，很難實現(xiàn)單縱模工作的問題，以及單橫模激射的矩形條結(jié)構(gòu)寬度窄，造成遠(yuǎn)場光斑發(fā)射角過大，降低了出射光束的質(zhì)量的問題。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種集成光柵的楔形結(jié)構(gòu)的邊發(fā)射太赫茲量子級聯(lián)激光器，所述集成光柵的楔形結(jié)構(gòu)的邊發(fā)射太赫茲量子級聯(lián)激光器至少包括：依次相連接的DBR光柵波導(dǎo)、矩形直波導(dǎo)和楔形波導(dǎo)；所述楔形波導(dǎo)的一端為窄端面，另一端為寬端面，所述楔形波導(dǎo)的窄端面與所述矩形直波導(dǎo)相連接。

優(yōu)選地，所述楔形波導(dǎo)中包括連接所述窄端面與所述寬端面的側(cè)面，所述側(cè)面中連接所述窄端面與寬端面的側(cè)邊與垂直于所述窄端面與寬端面的垂線之間的夾角小于6°。

優(yōu)選地，所述DBR光柵波導(dǎo)、所述矩形直波導(dǎo)與所述楔形波導(dǎo)均采用半絕緣等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或雙面金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述DBR光柵波導(dǎo)、所述矩形直波導(dǎo)與所述楔形波導(dǎo)均自下至上依次包括半絕緣GaAs襯底、下金屬層、下接觸層、有源區(qū)、上接觸層和上金屬層。

優(yōu)選地，所述DBR光柵波導(dǎo)、所述矩形直波導(dǎo)與所述楔形波導(dǎo)均自下至上依次包括GaAs接收襯底、接收金屬層、下金屬層、下接觸層、有源區(qū)、上接觸層和上金屬層。

優(yōu)選地，所述有源區(qū)包括束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)躍遷結(jié)構(gòu)、共振聲子結(jié)構(gòu)或啁啾晶格結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述DBR光柵波導(dǎo)包括至少一個光柵周期，所述光柵周期包括第一光柵部和第二光柵部，所述第二光柵部無所述上金屬層。

優(yōu)選地，所述DBR光柵波導(dǎo)的最佳尺寸通過有限元法、傳輸矩陣法或耦合模方法設(shè)計得到。

優(yōu)選地，所述集成光柵的楔形結(jié)構(gòu)的邊發(fā)射太赫茲量子級聯(lián)激光器的輸出激光模式同時滿足單縱模和單橫模。

本發(fā)明還提供一種集成光柵的楔形結(jié)構(gòu)的邊發(fā)射太赫茲量子級聯(lián)激光器的制作方法，至少包括以下步驟：

在半絕緣GaAs襯底上生長緩沖層、n型重?fù)诫s下接觸層、有源區(qū)、n型重?fù)诫s上接觸層；

通過光刻顯影方法開槽，濺射上電極金屬，帶膠剝離形成楔形波導(dǎo)與矩形直波導(dǎo)的上電極以及DBR光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；

刻蝕脊波導(dǎo)，利用下接觸層為刻蝕停止層，形成楔形波導(dǎo)、矩形直波導(dǎo)和DBR光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；

電子束蒸發(fā)下電極金屬，帶膠剝離形成下電極；

減薄襯底，焊線封裝，完成器件制作。