[發明專利]一種集成有源布拉格反射器的單模太赫茲量子級聯激光器

在審

• 申請號: 201910850364.1
• 申請日: 2019-09-10
• 公開（公告）號: CN110707528A
• 公開（公告）日: 2020-01-17
• 發明（設計）人: 徐剛毅;何力;俞辰韌;朱歡;常高壘;朱海卿;王凱;白弘宙;王芳芳;陳建新;林春
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H01S5/125
• 分類號: H01S5/125;H01S5/12;H01S5/343
• 代理公司: 31311 上海滬慧律師事務所
• 代理人: 郭英

本發明公開了一種集成有源布拉格反射器的單模太赫茲量子級聯激光器。本發明中，由解理形成的腔面和一階光子晶體形成的布拉格反射器構成了一個諧振腔，靠近解理腔面一側有若干個空氣狹縫構成的耦合光柵。當解理腔面與布拉格反射器構成的諧振腔與有源光子晶體產生共振時，形成耦合腔，并且反射器對于該耦合模式提供一定的相位補償以滿足諧振腔的相位條件，該耦合模式通過光柵耦合器向自由空間輻射。通過調節耦合光柵的幾何結構，可以控制激光器的輻射效率。該器件最大的優點是：該諧振腔結構能獨立控制模式選擇與輻射效率，器件的尺寸不再受到模式選擇的限制。所獲得的輸出功率高，功率效率高，溫度性能好，遠場光斑發散角小。

技術領域

本發明屬于激光器半導體技術領域，涉及一種太赫茲量子級聯激光器，具體涉及一種集成有源布拉格反射器的單模太赫茲量子級聯激光器。

背景技術

太赫茲(THz)量子級聯激光器(quantum cascade laser,QCL)頻率覆蓋1-5THz，具有能量轉換效率高、體積小、易集成等優點，是極具潛力的太赫茲波段的相干光源。單模高功率THz-QCL更是在物質檢測、光譜分析、成像、通信與氣體分析等領域有重要的應用前景。對于器件要求具有高工作溫度、高輸出功率、高轉換效率、單模光譜、小遠場發散角等性能。

目前THz-QCL有兩種基本波導結構，即單面金屬波導結構與雙面金屬波導結構。其中單面金屬波導的THz-QCL具有較高的輸出功率，但是溫度性能差。而雙面金屬波導的THz-QCL由于其損耗較小以及接近1的模式限制作用，具有較高的工作溫度。由于溫度性能差是單面金屬波導THz-QCL的本征的缺點，所以雙金屬波導THz-QCL是目前的研究焦點。但是雙面金屬波導結構由于其亞波長尺度的腔面，使得腔面阻抗不匹配，反射率在0.8左右，導致較低的輸出功率以及較發散的光束。

人們致力于改進雙面金屬波導單模THz-QCL的輸出功率與光束質量。目前已有的成功案例包括：三級分布反饋激光器，雙縫分布反饋激光器，漸變光子異質結激光器，混合光柵激光器，二維光子晶體激光器等。但是以上方案中，輸出功率與模式選擇均相互制約：器件的輸出功率與器件面積成正比，所以器件面積盡可能要大；為了獲得穩定的單模輸出，器件的長度需要較短，過長會引入高階模式。因此，單模太赫茲量子級聯激光器的器件腔長受到限制。

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表面發射單模太赫茲量子級聯激光器，通過獨立調控模式選擇與輻射效率，在增加激光器腔長時仍保持單模工作，用以實現大功率、單模、高工作溫度和小發散角的太赫茲激光表面發射。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種集成有源布拉格反射器的單模太赫茲量子級聯激光器。

所述的集成有源布拉格反射器的單模太赫茲量子級聯激光器采用金屬-金屬波導結構，具體結構為：由下至上依次為n型摻雜GaAs襯底層1、下金屬層2、下接觸層3、有源區4、上接觸層5、上金屬層6；所述激光器一端為有源布拉格反射器區以及吸收邊界，另一端為解理端面，在解理端面與布拉格反射器區之間為一發表面發射區；

所述的有源布拉格反射器區采用有源一階光子晶體結構；所述一階有源光子晶體由n型摻雜GaAs襯底層1、下金屬層2、下接觸層3、有源區4、上接觸層5和上金屬層6以及結合上金屬層6上的光子晶體7構成；光子晶體7為在上金屬層6沿著脊型波導方向周期排列的平行空氣狹縫或者沿著脊型波導方向以及垂直脊型波導方向均為周期排列的空氣小孔，狹縫長度或者是沿著垂直脊型波導方向的小孔的直徑之和不到波導的兩邊；

所述的吸收邊界由未被上金屬層6覆蓋的n型摻雜GaAs襯底層1、下金屬層2、下接觸層3、有源區4和上接觸層5構成；

所述的一發表面發射區由n型摻雜GaAs襯底層1、下金屬層2、下接觸層3、有源區4、上接觸層5和上金屬層6以及結合上金屬層6上的耦合光柵8構成；所述的耦合光柵8為在上金屬層6上沿著脊型波導方向周期排列的平行狹縫，狹縫長度不到波導的兩邊；