[发明专利]一种面发射太赫兹量子级联激光器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种面发射太赫兹量子级联激光器，包括一衬底以及位于该衬底上方的键合金属层，所述键合金属层的上方设置有引线区以及位于所述引线区之间的天线阵列，所述天线阵列为周期性脊条阵列，所述周期性脊条阵列包括若干个周期单元，每个周期单元中包含两个间隔设置且宽度不同的脊条。另外，本发明还涉及一种面发射太赫兹量子级联激光器的制备方法。本发明可以实现紧致的远场光斑，从而有利于提高激光器的高温特性以及连续波模式下的工作性能。同时，本发明并不需要任何的外腔耦合结构，提高了激光器输出信号的稳定性。

技术领域

本发明涉及太赫兹量子级联激光器领域，更具体地涉及一种面发射太赫兹量子级联激光器及其制备方法。

背景技术

太赫兹(THz)量子级联激光器(quantum cascade laser,QCL)频率覆盖1-10THz，具有能量转换效率高、体积小、易集成等优点，是极具潜力的太赫兹波段的相干光源。单模高功率THz-QCL更是在物质检测、光谱分析、成像、通信与气体分析等领域有重要的应用前景，对于器件要求具有高工作温度、高输出功率、高转换效率、单模光谱、小远场发散角等性能。

太赫兹量子级联激光器在长足的发展过程中已经发展出了各式各样的波导结构以及对应的谐振腔结构。双金属波导的太赫兹量子级联激光器具有极高的限制因子从而具有较好的温度特性以及电光转换效率，但是它极大的限制了边缘的出光面积从而只能获得很低的输出功率以及紊乱的远场光斑，因此在双金属波导的基础上设计谐振腔结构实现面发射成为了较为主流的发展方向。目前在这个方向上有两条卓有成效的技术路线，分别是相位匹配三级分布反馈太赫兹量子级联激光器和外腔耦合超表面太赫兹量子级联激光器。

这两种激光器的优点在于共同使用了窄脊条结构，使有源区结构具有良好的散热性，从而具有良好的温度特性以及连续波模式工作特性，并且具有较高的辐射损耗从而可以得到较高的功率输出。此外，它们都实现了较大的出光面来获得紧致的远场光斑。

但与此同时，它们也都具有各自的缺陷：相位匹配三级分布反馈太赫兹量子级联激光器无偶极天线结构，其出光方式为掠出射，不利于构建二维激光器阵列，从而无法得到阵列对于光束质量和功率的提升。外腔耦合超表面量子级联激光器采用均匀天线阵列，其对应模式的辐射损耗较大，难以激射，并且对于外腔耦合镜和超表面之间的平行度要求极高，在偏离0.3°的情况下就会极大的影响激光器的阈值，因此其封装难度极大，此外调整过程中也会因为外部震动等不可控因素导致平行度出现偏差，极易引起激光器性能的衰退。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种面发射太赫兹量子级联激光器及其制备方法，便于构建激光器阵列，能够摆脱由外腔耦合镜的不稳定性带来的制约，保持激光器的良好性能。

本发明提供一种面发射太赫兹量子级联激光器，包括一衬底以及位于该衬底上方的键合金属层，所述键合金属层的上方设置有引线区以及位于所述引线区之间的天线阵列，所述天线阵列为周期性脊条阵列，所述周期性脊条阵列包括若干个周期单元，每个周期单元中包含两个间隔设置且宽度不同的脊条。进一步地，所述引线区包括从下至上依次设置的第一有源区、绝缘层以及第一顶部金属电极。

进一步地，所述脊条包括从下至上设置的第二有源区和第二顶部金属电极。优选地，所述第一有源区和第二有源区采用超晶格材料。

优选地，所述每个周期单元中的两个脊条的宽度差范围在0μm-0.8μm之间。

优选地，所述脊条的宽度范围在3-30μm之间，该宽度范围使得面发射太赫兹量子级联激光器的频率工作范围在1THz-10THz之间。

本发明还提供一种面发射太赫兹量子级联激光器的制备方法，包括：

步骤S1，制备具有键合金属层和有源区层的衬底；