[发明专利]环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器的制备方法

说明书

一种环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器的制备方法，包括如下步骤：步骤1：在一衬底上依序生长下波导层、下光学限制层、第一有源层、间隔层、第二有源层、上光学限制层和上波导层；步骤2：移除上波导层，在上光学限制层上呈放射状向下刻蚀多条光栅，形成一个双周期的环形光栅；步骤3：在刻蚀后的上光学限制层上重新生长上波导层；步骤4：在上波导层上向下刻蚀一环形脊结构，刻蚀深度到达下光学限制层；步骤5：在刻蚀后的环形脊结构的沟槽中填满半绝缘InP：Fe；步骤6：在沟槽中填满半绝缘InP：Fe的环形脊结构上蒸发正面金属电极，镀金；步骤7：将衬底减薄，抛光，在衬底的背面蒸发背面金属电极；步骤8：刻蚀金属电极，制备出二级环形表面金属光栅，完成制备。

技术领域

本发明涉及红外半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器的制备方法。该结构的独特之处在于，将外延片做成环形双沟结构，再在衬底上制作二级环形金属光栅，一方面，衬底二级环形金属光栅结构能够在整个环形腔范围内实现太赫兹光的有效抽取；另一方面，可以改善太赫兹光的远场发散。

背景技术

波长为30-300μm介于红外和微波之间的太赫兹波由于其特殊的光谱位置，使其在光谱成像，射电天文，自由空间通信，医疗以及环境监测等方面具有广阔的应用前景。目前传统可用的大功率太赫兹源非常有限，一些电子器件因受到电子渡越时间和寄生时间常数的限制而难以制作大于1THz的辐射源，光学器件受到材料禁带宽度的限制而难以制作小于10THz的辐射源，形成了所谓的1-10THz的太赫兹空隙。量子级联激光器具有能带可裁剪性的特点，所以为了得到高效便携的1-10THz太赫兹光源，研究者们自然将目光对准了量子级联激光器，希望通过能带的“裁剪”实现量子级联激光器在1-10THz波段的激射。2002年意大利科学家Rüdeger等人成功制作出了第一支激射于太赫兹波段的量子级联激光器，此后太赫兹量子级联激光器飞速发展，到2015年实现了低温下大于1W的大功率输出，但是随工作温度升高，功率下降很快，不能在室温下使用。量子级联激光器中量子态之间强耦合能够产生巨大的非线性效应，理论上二阶非线性系数能够达到106pm/V，比普通非线性晶体的高了四个数量级，此外基于量子级联激光器的中红外光已经实现室温连续高的泵浦功率，所以基于中红外双波长腔内差频的太赫兹量子级联激光器成为实现室温的最有前途的太赫兹光源。2007年美国哈佛大学的M.A.Belkin等人采用模式相位匹配的方式基于束缚态到连续态和双声子共振的双有源区结构成功研制第一支双波长差频太赫兹量子级联激光器，但是由于实际中二阶非线性系数并没有106pm/V、中红外多模激射、模式相位不匹配、外耦合长度太短等原因导致该差频太赫兹量子级联激光器没有实现室温操作而且输出功率仅为纳瓦量级，通过改善掺杂以及波导层的厚度等仅用一年时间该组就实现了差频太赫兹量子级联激光器的室温操作，但是室温输出功率仍然小于1μW。直到2012年KarunVijayraghavan等人采用基于Cerenkov相位匹配的方式，中红外-太赫兹的转换效率得到提高，输出效率也得到提高，此后基于Cerenkov相位匹配方式的差频太赫兹量子级联激光器迅速发展。目前基于双波长差频量子级联激光器的太赫兹光源脉冲峰值功率最高达到1.9mW，是2015年由美国西北大学M.Razeghi组采用单声子共振的有源区结构结合Cerenkov相位匹配方案得到的，但是其外耦合效率也仅是15％，室温连续仅为微瓦量级。通过在InP衬底粘硅条或者利用表面二级光栅在整个腔长范围内抽取太赫兹光可以提高外耦合效率，但是前者衬底仍然不能减薄，器件散热性不好，不利于实现连续操作，后者远场在脊宽方向发散仍然会较大。目前基于环形腔的中红外面发射量子级联激光器单模输出已经达到400mW，基于环形腔远场发散角小的优势，为了同时提高外耦合效率改善远场发散，本专利提出采用环形腔面发射机制实现太赫兹光的有效抽取同时改善其远场发散。

发明内容

综上所述的各种导致太赫兹光外耦合效率较低的问题，本专利提出一种环形腔面发射差频太赫兹量子级联激光器的制备方法，其可提高其外耦合效率实现太赫兹光的有效抽取。该结构首先在上波导层制作一级光栅实现中红外的单模，将外延片做成环状脊形双沟结构，在衬底制作针对太赫兹光的二级表面金属光栅实现太赫兹光的面上抽取，同时使器件的远场发散角减小。