[发明专利]太赫兹量子级联激光器中陷阱式双声子有源区能级结构的设计方法

权利要求书

1.太赫兹量子级联激光器中陷阱式双声子有源区能级结构的设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)设计太赫兹量子级联激光器有源区一个周期的阱宽势垒宽度；

(2)通过薛定谔方程求解有源区能级，确定能级分布以及是否符合设计要求；

(3)采用电子能级的速率方程去分析有源区的输出特性，以及包含的物理机制，对应的速率方程为：

其中，J表示注入电流密度，e是电子电荷量，N_i(i＝1，2，3，4)为子带i上的电子数，P是腔内光子数，W和L是光子在腔内的传播截面，τ_ij为电子从子带i跃迁到子带j所用时间，τ₃和τ₄分别是能级3和能级4上的电子寿命，N是太赫兹量子级联激光器的周期数，τ_p是光子在腔内的存活时间，G＝(Γυ_g σ₃₂)/V为有源区中的光学增益因子，其中Γ是模式限制因子，V是一个周期的体积，受激辐射截面由下式决定：

其中，z₃₂是3能级和2能级的偶极矩阵元，ε₀是真空介电常数，λ₀是真空中的激射波长，2γ₃₂为电磁光谱的半高峰；

在稳态中，方程(1)-(4)左边的项等于零，然后式子化简为下列各式：

通过对上列各式的整合化简以及求解，得到激光器有源区的输出特性如下：

以所述得到的激光器有源区的输出特性，来验证设计可行性。

2.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联激光器中陷阱式双声子有源区能级结构的设计方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体过程如下：

有源区基于一个发射光波频率为6.77太赫兹的太赫兹量子级联激光器，对应的一个周期有源区由4个GaN量子阱和4个Al_0.15Ga_0.85N势垒组成，层厚度为：2.5/0.9/0.6/0.8/2.4/1.9/1.7/1.8，单位为纳米，其中，下划线数字表示势垒的层厚度。

3.根据权利要求2所述的太赫兹量子级联激光器中陷阱式双声子有源区能级结构的设计方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体过程如下：

描述所述量子阱的薛定谔方程表达式为：

其中，为普朗克常量，m^*(z)为电子在量子阱中的有效质量，z为材料的生长方向，V(z)为外加电场，为71kv/cm，E电子的本征能态，ψ(z)为电子的波函数；

解上述薛定谔方程，得到电子的本征能态E和电子波函数，以此可以得出一个周期有源区中的各电子能态，算出电子的本征能态和波函数；

按照设计以及计算结果，太赫兹量子级联激光器的一个有源区由4个主能级构成，分别标记为4能级、3能级、2能级和1能级，电子的流向从4能级到1能级，4能级和3能级相差一个声子的能量间隔，3能级和2能级相差的能量间隔为28meV，对应于光波频率为6.77太赫兹，2能级和1能级相差一个声子的能量间隔。