[发明专利]用于测量太赫兹量子级联激光器增益的器件及测量方法

说明书

本发明公开了一种用于测量太赫兹量子级联激光器增益的器件及测量方法。本发明采用光栅耦合器及吸收边界制作了激光器与两个不同长度的放大器的单片集成结构，通过测量激光在两个放大器中传播后耦合出射的功率，结合激光在放大器中的传播规律从而获得增益或损耗。该方法可以获得双金属波导太赫兹量子级联激光器增益随偏压的变化关系，并具有光谱分辨特征。该方法最大的优点是：充分抑制了放大器的自激振荡，突破了增益钳制效应，可以测得双金属波导的最大增益。

技术领域

本发明涉及一种用于测量双金属波导太赫兹量子级联激光器在不同电压下的增益的器件及测量方法。

背景技术

太赫兹量子级联激光器(THz-QCL)具有频率覆盖范围宽、能量转换效率高、体积小、易集成等优点，是太赫兹波段极具竞争力的相干光源，在物质检测、光谱分析、成像和通信等领域有重要的应用前景。其中双金属波导的THz-QCL具有较高的工作温度，是目前的研究焦点。

增益是激光器中非常重要的一个参数，增益对于激光器的阈值、功率及工作温度有着非常大的影响，快速准确地得到激光器的增益对激光器的材料表征和谐振腔结构设计有非常重要的意义。

目前人们对于THz-QCL的增益研究较少，实验中只有时域光谱(TDS)的方法测量THz-QCL的增益谱的报导。2007年，奥地利维也纳工业大学K.Unterrainer小组的等人最先利用时域光谱系统测量了THz-QCL的增益。他们采用一个80fs的激光脉冲(波长为800nm)照射到GaAs光导开关上，辐射出一个0.5-3.5THz频率范围的宽谱太赫兹波脉冲。该太赫兹脉冲通过透镜聚焦到THz-QCL的腔面上并入射到THz-QCL的FP腔内，入射的太赫兹脉冲在THz-QCL的FP腔反射若干次后通过另一侧腔面形成出射。通过电光采样的相干探测方法可以获得出射太赫兹脉冲的幅值和相位，也可以用功率计测得出射脉冲的功率。通过该方法，等人首次获得了激光器从光吸收转变为受激辐射时出射光的相位突变。进而首次在实验上验证了粒子数反转体系中光受激辐射的量子描述。利用该方法，等人还测量了THz-QCL的增益谱及其随偏置电压的演变，并发现了增益钳制以及增益烧孔现象。但是TDS方法测量THz-QCL的方法需要复杂昂贵的实验装置，实验方法也比较复杂，不利于THz-QCL增益的常规测量。

本发明提出了一种用来测量THz-QCL在双金属波导内增益的器件及测量方法。利用太赫兹量子级联激光器与两个不同长度的放大器的单片集成结构，测量放大器在不同偏置电压下，太赫兹波通过放大器后的耦合出射功率，结合太赫兹波在放大器中的传播规律，得到不同偏置电压下太赫兹波在双金属波导结构THz-QCL中的增益。

发明内容

本发明设计了一种可以方便快捷测量太赫兹量子级联激光器增益的器件和测试方法，解决传统TDS方法需要复杂且昂贵实验装置的困难，通过简便快捷的方式对太赫兹量子级联激光器在双金属波导结构中的增益进行测试。

如图1所示，本发明用来测量THz-QCL在双金属波导中的增益的器件有以下几个部分：下电极1、下接触层2、有源区结构3、上接触层4及上电极5。

所述的下接触层2的材料为GaAs，厚度为30-60nm，n型掺杂浓度为2×10¹⁸-3.5×10¹⁸cm^-3。

所述的有源区3包含90个周期重复的模块，每个模块包含9层GaAs和9层Al_0.15Ga_0.85As相互交叠的结构，自GaAs开始其厚度依次为：11.4、2.0、12.0、2.0、12.2、1.8、12.8、1.5、15.8、0.6、9.0、0.6、14.0、3.8、11.6、3.5、11.3、2.7(nm)，前两层GaAs为掺杂层，n型掺杂浓度为10¹⁵-10¹⁶cm^-3。