[发明专利]一种多极型量子级联环形激光器

说明书

本发明公开了一种多极型量子级联环形激光器，该激光器包括由下至上依次设置的衬底、集电极、量子级联结构层、量子能级匹配层、基极、发射极，发射极与基极之间、量子级联结构层与集电极之间均有阶梯状设置；该激光器还包括设置于集电极顶部或衬底下方的集电极电极、设置于基极顶部的基极电极、设置于发射极顶部的发射极电极。激光器上还刻蚀有环形波导和与所述环形波导耦合的条形直波导。该多极型量子级联环形激光器设计简单、可调谐特性好、可多波长或宽谱或混沌激光或频率梳输出，且能够有效降低广泛中红外、太赫兹应用中中红外、太赫兹源的应用成本。

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种多极型量子级联环形激光器。

背景技术

相比传统的量子阱激光器的载流子导带-价带间受激辐射转移机制，量子级联激光器(Quantum Cascade Lasers，QCLs)因其独特的载流子导带内子带间转移级联机制而可以直接产生中红外和太赫兹波段输出。相比已有的中红外、太赫兹输出的产生方法，如光电导混频法、半导体内建电场法、光学整流法、电光采样法等，基于QCLs的中红外和太赫兹输出结构具有转换效率高、腔结构简单、片上可集成性好等优点，被广泛应用于包括DNA探测、生物组织成像、非接触式测试、公众安全监测、气体成分探测、以及THz无线通信等众多民事与军事应用中。为了提升QCLs在不同应用中的通用性并降低应用成本，需要QCLs的中红外或太赫兹输出具有较好的可调谐特性，或者具有多波长或宽谱输出特性。

为了提高QCLs的可调谐特性，目前主流采用的方法有：外腔光栅调谐法、强磁场方法，分布式反馈结构法、采样光栅反射器(SGR)法等。但是这些方法均过于复杂、稳定性低、能耗高，均不适应于将来的低功耗、小型化片上集成的应用。

而为了获得多波长或宽谱QCLs中红外或太赫兹输出，现在主要的方法是通过对QCLs的量子级联结构的有源区进行设计，使得有源区的上子带-下子带能态转移为单能态-双能态、单能态-连续态、连续态-连续态，QCL多核多堆栈结构等，但这些方法需要对相应的有源区进行复杂的优化设计，具有工作量巨大，器件设计周期长等缺点。

激光器在一定的外部光注入信号条件下，能够产生强度、频率和相位在有限区间内快速变化的类噪声宽频谱随机输出，即混沌激光。近年来，混沌激光在保密光通信、激光测距、光纤断点检测等领域获得了广泛的研究和应用。

频率梳是由激光光源产生的相干辐射，其光谱由多个完全等间距、彼此间具有明确相位关系的模式构成，广泛应用于纳米级测距、飞秒级时频转移、物理量精确测量等众多领域。目前，频率梳的应用已经逐渐从远紫外波段延伸到了中红外、太赫兹波段。在中红外波段，频率梳可广泛应用于环境感知、气体成分探测等领域；而在太赫兹波段，频率梳也可用于无创成像、无线通信以及公众安全监测等方面。频率梳在众多军民应用中均体现出巨大的应用价值。

目前，针对广泛的中红外、太赫兹领域应用，缺少一种设计简单、可调谐特性好、可多波长或宽谱或频率梳或混沌激光输出的量子级联结构及其应用的器件。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种多极型量子级联环形激光器，该多极型量子级联环形激光器设计简单、可调谐特性好、可多波长或宽谱或混沌激光或频率梳输出，且能够有效降低广泛中红外、太赫兹应用中中红外、太赫兹源的应用成本。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种多极型量子级联环形激光器，该激光器包括由下至上依次设置的衬底、集电极、量子级联结构层、量子能级匹配层、基极、发射极，所述集电极与量子级联结构层之间、所述基极与发射极之间均有阶梯状设置；

所述多极型量子级联环形激光器还包括设置于集电极顶部或衬底下方的集电极电极、设置于基极顶部的基极电极、设置于发射极顶部的发射极电极；