[发明专利]集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器

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，特别是涉及一种集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器。

背景技术

太赫兹(以下简称THz，1THz＝1012Hz)波段是指电磁波谱中频率从100GHz到10THz，对应的波长从3毫米到30微米，介于毫米波与红外光之间的电磁波谱区域。由于缺少有效的THz辐射产生和检测方法，导致THz波段的电磁波长期未得到充分地研究和应用，被称为电磁波谱中的“THz空隙”。THz辐射源是THz技术应用的关键器件。在众多THz辐射产生方式中，THz量子级联激光器(以下简称THz QCL)由于具有能量转换效率高、体积小、轻便和易集成等优点，成为THz辐射源研究领域的热点之一。THz QCL是一种电泵浦的单极器件，多采用GaAs/AlGaAs材料系统。THz QCL利用电子在量子阱子带间跃迁及共振隧穿来产生THz激光。THz QCL在安全检查、成像、气体检测、环境监测和自由空间通信等应用领域具有重要的应用价值。其中，能够单纵模和单横模激射、具有较小的空间发散角的THz QCL对提升THz通信、成像等系统性能具有重要作用。传统的矩形条结构的法布里-珀罗(F-P)腔THz QCL由于各纵模间的增益差小，纵模选择性弱，很难实现单纵模工作；而单横模激射的矩形条结构宽度窄，造成远场光斑发射角过大，降低了出射光束的质量。

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集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器及其制作方法，用于解决现有技术中的矩形条结构的法布里-珀罗腔太赫兹量子级联激光器由于各纵模间的增益差小，纵模选择性弱，很难实现单纵模工作的问题，以及单横模激射的矩形条结构宽度窄，造成远场光斑发射角过大，降低了出射光束的质量的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器，所述集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器至少包括：依次相连接的DBR光栅波导、矩形直波导和楔形波导；所述楔形波导的一端为窄端面，另一端为宽端面，所述楔形波导的窄端面与所述矩形直波导相连接。

优选地，所述楔形波导中包括连接所述窄端面与所述宽端面的侧面，所述侧面中连接所述窄端面与宽端面的侧边与垂直于所述窄端面与宽端面的垂线之间的夹角小于6°。

优选地，所述DBR光栅波导、所述矩形直波导与所述楔形波导均采用半绝缘等离子波导结构或双面金属波导结构。

优选地，所述DBR光栅波导、所述矩形直波导与所述楔形波导均自下至上依次包括半绝缘GaAs衬底、下金属层、下接触层、有源区、上接触层和上金属层。

优选地，所述DBR光栅波导、所述矩形直波导与所述楔形波导均自下至上依次包括GaAs接收衬底、接收金属层、下金属层、下接触层、有源区、上接触层和上金属层。

优选地，所述有源区包括束缚态到连续态跃迁结构、共振声子结构或啁啾晶格结构。

优选地，所述DBR光栅波导包括至少一个光栅周期，所述光栅周期包括第一光栅部和第二光栅部，所述第二光栅部无所述上金属层。

优选地，所述DBR光栅波导的最佳尺寸通过有限元法、传输矩阵法或耦合模方法设计得到。

优选地，所述集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器的输出激光模式同时满足单纵模和单横模。

本发明还提供一种集成光栅的楔形结构的边发射太赫兹量子级联激光器的制作方法，至少包括以下步骤：

在半绝缘GaAs衬底上生长缓冲层、n型重掺杂下接触层、有源区、n型重掺杂上接触层；

通过光刻显影方法开槽，溅射上电极金属，带胶剥离形成楔形波导与矩形直波导的上电极以及DBR光栅波导结构；

刻蚀脊波导，利用下接触层为刻蚀停止层，形成楔形波导、矩形直波导和DBR光栅波导结构；

电子束蒸发下电极金属，带胶剥离形成下电极；

减薄衬底，焊线封装，完成器件制作。