[發明專利]量子級聯激光器

在審

• 申請號: 202110332923.7
• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN113471815A
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發明（設計）人: 藤田和上;日高正洋
• 申請（專利權）人: 浜松光子學株式會社
• 主分類號: H01S5/20
• 分類號: H01S5/20
• 代理公司: 北京尚誠知識產權代理有限公司 11322
• 代理人: 楊琦;黃浩

QCL具備半導體基板和設置于半導體基板上的活性層。活性層具有級聯結構，該級聯結構層疊多級包括使光產生的發光層和電子從發光層被輸送的注入層的單位層疊體而成。發光層及注入層分別具有量子阱層及勢壘層交替層疊的量子阱結構。在單位層疊體中的發光層和注入層之間設置有分離層，該分離層包括具有比發光層中所含的量子阱層的平均層厚小且比注入層中所含的量子阱層的平均層厚小的層厚的分離量子阱層。

技術領域

本公開涉及一種量子級聯激光器。

背景技術

已知一種通過差頻生成(DFG：Difference-Frequency Generation)來產生第一頻率ω₁和第二頻率ω₂的頻率差即第三頻率ω3(＝|ω₁－ω₂|)的太赫茲波的量子級聯激光器(以下，稱為“QCL”。)(例如，參照專利文獻1(日本特表2010－521815號公報))。

發明內容

在如上所述的QCL中，生成作為中紅外光的兩個波長(ω₁、ω₂)的泵浦光分量，通過QCL內部的非線性光學效應(NL：Nonlinear mixing)及差頻生成(DFG)來產生太赫茲波。作為利用這樣的技術的、具有高的中紅外－太赫茲轉換效率(高的二階非線性感受率χ⁽²⁾)的方式，例如，已知一種設計為將載流子(電子)充分注入到兩個發光上位能級雙方的結合雙上位能級(DAU：dual-upper-state)結構。但是，在以往的DAU結構中，存在因為激光振蕩需要的閾值電流密度較高，所以室溫連續動作困難的問題。

因此，本公開的一方面的目的在于提供一種能夠降低閾值電流密度的量子級聯激光器。

本公開的一方面提供一種量子級聯激光器，其具備：基板；活性層，其設置于基板上，活性層具有級聯結構，所述級聯結構層疊多級包括使光產生的發光層和電子從發光層被輸送的注入層的單位層疊體而成，發光層及注入層分別具有量子阱層及勢壘層交替層疊的量子阱結構，在單位層疊體中的發光層和注入層之間設置有分離層，所述分離層包括具有比發光層中所含的量子阱層的平均層厚小且比注入層中所含的量子阱層的平均層厚小的層厚的作為量子阱層的分離量子阱層。

在所述量子級聯激光器中，在構成活性層的各單位層疊體中，在發光層和注入層之間設置有分離層。分離層包括分離量子阱層，所述分離量子阱層具有比發光層中所含的量子阱層的平均層厚及注入層中所含的量子阱層的平均層厚小的層厚。根據這樣的分離量子阱層，在單位層疊體的基于量子阱結構的子帶能級結構中，能夠形成有助于非線性光學效應的非線性能級。另外，因為從前級的單位層疊體的注入層向非線性能級的載流子(電子)的注入量較少，所以非線性能級的載流子數被抑制為較低。其結果，與對兩個發光上位能級雙方積極注入電子的以往的DAU結構比較，能夠降低活性層中的激光振蕩需要的閾值電流密度。

也可以是，分離量子阱層的層厚比發光層中所含的量子阱層中與分離量子阱層相鄰的第一量子阱層的層厚小且比注入層中所含的量子阱層中與分離量子阱層相鄰的第二量子阱層的層厚小。另外也可以是，分離量子阱層的層厚為第一量子阱層的層厚的1/2以下，且為第二量子阱層的層厚的1/2以下。根據所述結構，能夠提高電子經由分離層從發光層向注入層的輸送效率。其結果，能夠提高激光振蕩的效率。

也可以是，單位層疊體在基于量子阱結構的子帶能級結構中具有發光上位能級、發光下位能級、以及分離量子阱層的基底能級引起的非線性能級。根據所述結構，通過與發光上位能級及發光下位能級分開地、因分離量子阱層的基底能級而形成的非線性能級，能夠實現閾值電流密度的降低，同時實現二階非線性感受率χ⁽²⁾的提高。

也可以是，將發光上位能級和非線性能級的能量間隔設定為比縱光學聲子的能量E_LO小。根據所述結構，因為能夠對發光上位能級穩定地設定非線性能級，所以能夠獲得良好的設備特性。