[發明專利]一種三端式8字環形量子級聯激光器

有效

• 申請號: 202010124424.4
• 申請日: 2020-02-27
• 公開（公告）號: CN111446618B
• 公開（公告）日: 2021-03-05
• 發明（設計）人: 袁國慧;王卓然;林志遠;張鵬年
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01S5/042
• 分類號: H01S5/042;H01S5/10;H01S5/20;H01S5/30
• 代理公司: 成都虹盛匯泉專利代理有限公司 51268
• 代理人: 王偉

本發明公開了一種三端式8字環形量子級聯激光器，該激光器包括由下至上依次設置的襯底、集電極、量子級聯結構層、量子能級匹配層、基極、發射極，發射極與基極之間、量子級聯結構層與集電極之間均有階梯狀設置；該激光器還包括設置于集電極頂部或襯底下方的集電極電極、設置于基極頂部的基極電極、設置于發射極頂部的發射極電極。激光器上還刻蝕有8字環形波導和與8字環形波導耦合的條形直波導，條形直波導包括輸入段和耦合段。該三端式8字環形量子級聯激光器設計簡單、可調諧特性好、可多波長或寬譜或混沌激光或頻率梳輸出，且能夠有效降低廣泛中紅外、太赫茲應用中中紅外、太赫茲源的應用成本。

技術領域

本發明屬于半導體激光器技術領域，具體涉及一種三端式8字環形量子級聯激光器。

背景技術

相比傳統的量子阱激光器的載流子導帶-價帶間受激輻射轉移機制，量子級聯激光器 (Quantum Cascade Lasers，QCLs)因其獨特的載流子導帶內子帶間轉移級聯機制而可以直 接產生中紅外和太赫茲波段輸出。相比已有的中紅外、太赫茲輸出的產生方法，如光電導 混頻法、半導體內建電場法、光學整流法、電光采樣法等，基于QCLs的中紅外和太赫茲 輸出結構具有轉換效率高、腔結構簡單、片上可集成性好等優點，被廣泛應用于包括DNA探測、生物組織成像、非接觸式測試、公眾安全監測、氣體成分探測、以及THz無線通信 等眾多民事與軍事應用中。為了提升QCLs在不同應用中的通用性并降低應用成本，需要 QCLs的中紅外或太赫茲輸出具有較好的可調諧特性，或者具有多波長或寬譜輸出特性。

為了提高QCLs的可調諧特性，目前主流采用的方法有：外腔光柵調諧法、強磁場方法，分布式反饋結構法、采樣光柵反射器(SGR)法等。但是這些方法均過于復雜、穩定 性低、能耗高，均不適應于將來的低功耗、小型化片上集成的應用。

而為了獲得多波長或寬譜QCLs中紅外或太赫茲輸出，現在主要的方法是通過對QCLs 的量子級聯結構的有源區進行設計，使得有源區的上子帶-下子帶能態轉移為單能態-雙能 態、單能態-連續態、連續態-連續態，QCL多核多堆棧結構等，但這些方法需要對相應的 有源區進行復雜的優化設計，具有工作量巨大，器件設計周期長等缺點。

激光器在一定的外部光注入信號條件下，能夠產生強度、頻率和相位在有限區間內快 速變化的類噪聲寬頻譜隨機輸出，即混沌激光。近年來，混沌激光在保密光通信、激光測 距、光纖斷點檢測等領域獲得了廣泛的研究和應用。

頻率梳是由激光光源產生的相干輻射，其光譜由多個完全等間距、彼此間具有明確相 位關系的模式構成，廣泛應用于納米級測距、飛秒級時頻轉移、物理量精確測量等眾多領 域。目前，頻率梳的應用已經逐漸從遠紫外波段延伸到了中紅外、太赫茲波段。在中紅外 波段，頻率梳可廣泛應用于環境感知、氣體成分探測等領域；而在太赫茲波段，頻率梳也可用于無創成像、無線通信以及公眾安全監測等方面。頻率梳在眾多軍民應用中均體現出巨大的應用價值。

目前，針對廣泛的中紅外、太赫茲領域應用，缺少一種設計簡單、可調諧特性好、可多波長或寬譜或頻率梳或混沌激光輸出的量子級聯結構及其應用的器件。

發明內容

本發明的目的是解決上述問題，提供一種三端式8字環形量子級聯激光器，該三端式8 字環形量子級聯激光器設計簡單、可調諧特性好、可多波長或寬譜或混沌激光或頻率梳輸 出，且能夠有效降低廣泛中紅外、太赫茲應用中中紅外、太赫茲源的應用成本。

為解決上述技術問題，本發明的技術方案是：一種三端式8字環形量子級聯激光器， 該激光器包括由下至上依次設置的襯底、集電極、量子級聯結構層、量子能級匹配層、基 極、發射極，所述集電極與量子級聯結構層之間、所述基極與發射極之間均有階梯狀設置；

所述三端式8字環形量子級聯激光器還包括設置于集電極頂部或襯底下方的集電極電 極、設置于基極頂部的基極電極、設置于發射極頂部的發射極電極；