[發明專利]三階分布反饋太赫茲量子級聯激光器結構及其制作方法

有效

• 申請號: 201710277857.1
• 申請日: 2017-04-25
• 公開（公告）號: CN106877174B
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發明（設計）人: 黎華;朱永浩;曹俊誠
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01S5/34
• 分類號: H01S5/34;H01S5/343
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 劉星

本發明提供一種三階分布反饋太赫茲量子級聯激光器結構及其制作方法，所述結構包括襯底、脊波導區以及三階光柵結構；所述脊波導區自下而上依次包括下電極、夾層區及上電極；所述夾層區自下而上依次包括下接觸層、有源區及上接觸層；所述三階光柵結構包括若干呈周期性排列的平行縫隙，所述縫隙上下貫穿上電極及夾層區；所述三階光柵結構的縱向占空比范圍是8%?15%；太赫茲波在有源區內產生，并通過三階光柵結構的選模作用，從縫隙處出射，在空間中耦合到脊波導區的縱向兩端。本發明在太赫茲量子級聯激光器的波導結構中引入了三階光柵，并通過調整不同的光柵占空比以獲得比較小的遠場發散角，克服了三階光柵因為相位不匹配而存在的遠場發散角偏大的問題。

技術領域

本發明屬于半導體激光器技術領域，涉及一種三階分布反饋太赫茲量子級聯激光器結構及其制作方法。

背景技術

太赫茲(THz)量子級聯激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)覆蓋1-10Thz的頻率范圍，具有體積小、重量輕、易集成等優點，是太赫茲應用領域的一個十分重要的輻射源。為了迎合在通信、成像、頻譜分析等領域的應用，需要在波導結構方面對THz QCL進行優化設計，使THz QCL具有單模輸出、低的遠場發散角、高的輸出功率等性能。

目前主要有兩種波導結構，半絕緣表面等離子體波導結構和雙面金屬波導結構。相比半絕緣表面等離子體波導結構，雙面金屬波導結構具有模式限制因子高、工作溫度高的優勢，但是缺點在于多模工作、遠場比較發散。為了在獲得單模輸出的同時具有比較小的遠場發散角，通常在雙面金屬波導中引入光柵結構。對于三階分布反饋THz QCL，由耦合模理論可知，當波導結構的本征模對應的有效折射率為3時能夠使得本征模滿足相位匹配條件，獲得比較理想的遠場光斑。通常制作的三階分布反饋THz QCL對應的有效折射率大于3，由于使得器件有比較好的遠場發散角的最大光柵周期數為N＝n_eff/(n_eff-3)，其中n_eff為器件本征模式對應的有效折射率，使得三階光柵周期數大于最大光柵周期數N很多的THz QCL的遠場光斑比較差。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種三階分布反饋太赫茲量子級聯激光器結構及其制作方法，用于解決現有技術中三階分布反饋太赫茲量子級聯激光器存在相位不匹配，導致遠場發散角偏大，遠場光斑比較差的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種三階分布反饋太赫茲量子級聯激光器結構，包括襯底、形成于所述襯底上的脊波導區以及形成于所述脊波導區中的三階光柵結構；其中：

所述脊波導區自下而上依次包括下電極、夾層區及上電極；

所述夾層區自下而上依次包括下接觸層、有源區及上接觸層；

所述三階光柵結構包括若干呈周期性排列的平行縫隙，所述縫隙上下貫穿所述上電極及所述夾層區；所述脊波導區中，所述三階光柵結構的縱向占空比范圍是8％-15％；

太赫茲波在所述有源區內產生，并通過所述三階光柵結構的選模作用，從所述縫隙處出射，在空間中耦合到所述脊波導區的縱向兩端。

可選地，所述襯底包括n型GaAs襯底。

可選地，所述n型GaAs襯底中摻雜有Si，其中，Si摻雜濃度范圍是2×10¹⁸～5×10¹⁸cm^-3。

可選地，所述襯底的厚度范圍是100～240μm。

可選地，所述上電極的橫向寬度小于所述有源區的橫向寬度。

可選地，所述上電極位于所述有源區上表面的中心，且所述上電極的橫向寬度為所述有源區的橫向寬度的50％～95％。

可選地，所述有源區的橫向寬度為亞波長尺度。