[发明专利]一种表面发射太赫兹量子级联激光器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于激光器半导体技术领域，涉及一种太赫兹量子级联激光器，具体涉及一种表面发射太赫兹量子级联激光器及其制作方法。

背景技术

太赫兹(THz)量子级联激光器(quantum cascade laser，QCL)作为一种重要的太赫兹辐射源，具有体积小、重量轻、易集成等优点，是太赫兹领域的一个研究热点。太赫兹量子级联激光器的研究主要集中在有源区和波导两个方面，要求器件具有高工作温度、低阈值电流密度、高转换效率、高输出功率、单模窄光谱线宽、小远场发散角等性能。

太赫兹量子级联激光器波导结构主要有单面金属波导和双面金属波导，其中双面金属波导对太赫兹波损耗小、模式限制作用强，可为激光器提供更高的工作温度。为了获得稳定的单模波输出，通常在波导表面金属层引入一阶光栅，而不是利用波导两个端面形成的F-P腔来产生谐振。对于边发射太赫兹量子级联激光器，尤其是采用双面金属波导工艺的激光器，由于亚波长模式限制，垂直方向光束非常发散。而表面发射太赫兹量子级联激光器则具有较大的发射面积，因此可望具有更窄的光束发散模式以及更大的功率输出。在波导中引入二阶光栅，利用光栅的一级衍射可以实现太赫兹波表面辐射。但表面发射波导端面的反射会影响激光的模式，而且大条宽、大面积容易激发横向高次模。一个有效的解决方法为在波导两端或四周制作吸收边以减弱端面反射、抑制横向高次模，但是吸收边的引入往往使输出功率变小。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种表面发射太赫兹量子级联激光器及其制作方法，用以实现大功率、窄线宽和小发散角太赫兹激光表面发射。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种表面发射太赫兹量子级联激光器及其制作方法。

一种表面发射太赫兹量子级联激光器，包括单模产生区波导、锥形耦合区波导和表面发射区波导；单模产生区波导和锥形耦合区波导采用一阶光栅结构，表面发射区波导采用二阶光栅结构；单模产生区波导内部产生单模太赫兹种子光，锥形耦合区波导将所述太赫兹种子光放大并耦合到表面发射区波导，表面发射区波导使太赫兹激光垂直衬底表面出射。

作为本发明的一种优选方案，所述单模产生区波导为窄条宽的脊形波导，窄条宽的脊形波导的表面刻蚀一阶光栅，光栅为周期排列的平行狭缝，狭缝的长度小于脊形波导的条宽；所述单模产生区波导的结构为：在垂直方向从下至上依次为重掺杂n型GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层、上金属层；其中所述一阶光栅的狭缝将所述上金属层和上接触层均刻通，或者一阶光栅的狭缝将所述上金属层、上接触层和有源区均刻通。

作为本发明的另一种优选方案，所述单模产生区波导远离锥形耦合区波导的端面镀有高反射膜。

作为本发明的再一种优选方案，所述锥形耦合区波导的结构为：在垂直方向从下至上依次为重掺杂n型GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层、上金属层；其中所述一阶光栅的狭缝将所述上金属层和上接触层均刻通，或者一阶光栅的狭缝将所述上金属层、上接触层和有源区均刻通；所述一阶光栅的狭缝长度不到锥形耦合区波导的两边。

作为本发明的再一种优选方案，所述表面发射区波导为宽脊形波导；表面发射区波导的结构为：在垂直方向从下至上依次为重掺杂n型GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层、上金属层；其中所述二阶光栅的狭缝将所述上金属层和上接触层均刻通，或者二阶光栅的狭缝将所述上金属层、上接触层和有源区均刻通；所述二阶光栅的狭缝长度不到表面发射区波导的两边。

作为本发明的再一种优选方案，所述表面发射太赫兹量子级联激光器为双对称结构，中间为表面发射区波导，表面发射区波导的两边对称分布锥形耦合区波导和单模产生区波导。

作为本发明的再一种优选方案，所述表面发射太赫兹量子级联激光器为单排阵列结构，中间为表面发射区波导，表面发射区波导的一边并行排列分布锥形耦合区波导和单模产生区波导。

作为本发明的再一种优选方案，所述表面发射太赫兹量子级联激光器为十字阵列结构，中间为矩形表面发射区波导，矩形表面发射区波导刻蚀有同心矩形二阶光栅，矩形表面发射区波导的四边分别分布连接锥形耦合区波导和单模产生区波导。

作为本发明的再一种优选方案，所述表面发射太赫兹量子级联激光器为环形阵列结构，中间为圆形表面发射区波导，圆形表面发射区波导刻蚀有同心圆形二阶光栅，圆形表面发射区波导的周围分布连接单模产生区波导。

一种表面发射太赫兹量子级联激光器的制作方法，包括以下步骤：