[发明专利]差频太赫兹量子级联激光器

说明书

本发明提供了一种差频太赫兹量子级联激光器，包括：有源区，位于所述衬底上方，所述有源区包括自下而上的多周期级联的量子点有源层，各周期量子点有源层包括多个自下而上的InGaAs/InAlAs量子阱/垒对，以及位于每两个InGaAs/InAlAs量子阱/垒对之间插入的量子点插层，所述量子点插层包括应变自组织量子点InAs层和用于应变补偿的GaAs层。本发明引入多周期级联的量子点有源层，基于量子点的“声子瓶颈”效应和非均匀展宽，能够改善差频太赫兹量子级联激光器的性能，如功率、转化效率、调谐范围以及阈值电流密度等。

技术领域

本发明涉及红外半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种差频太赫兹量子级联激光器。

背景技术

太赫兹THz波段(30～300μm)介于红外和微波之间，很多分子的特征吸收峰位于该波段，使其具有广阔的应用前景。例如很多气体分子在室温下的碰撞频率和等离子体振动频率、许多生物大分子的转动和振动能级处于太赫兹波段，因此可以通过太赫兹光谱来识别重要的物质信息，对毒品、爆炸物等进行检测，以及研究物质内部的非线性动力学过程；还可以通过生物分子在这个波段的独特响应进行医疗诊断。而且THz波对许多非极性物质具有较强的穿透能力可以穿透许多对于可见光和红外线不透明的物质，如塑料、陶瓷、有机织物等。THz辐射的这些特性，即很高的化学选择性和能够穿透不透明材料使得其在传感、成像和光谱学具有非常高的应用价值。此外THz波的波长远远大于尘埃和烟雾颗粒，因而还可用作THz通讯；THz波的光子能量较低，利用THz波段对活体生物组织进行检查不会对其产生有害的光电离和破坏，因而用于安检和医学诊断更加安全。所有这些应用必须有紧凑的高功率室温THz源才能实现。

目前传统的太赫兹源非常有限，包括自由电子激光器、太赫兹频段的气体激光器、光电导太赫兹源、电子学太赫兹源以及光子学太赫兹源等，这些辐射源由于存在设备昂贵、体积大、功耗高、频率不能连续可调以及不能覆盖整个太赫兹波段等缺点阻碍了太赫兹波的广泛应用。量子级联激光器(QCL)因具有能带可裁剪性、高效、体积小便携等特点成为最有前途的半导体光源。虽然基于GaAs/AlGaAs基的THz QCL在2015年已经实现了低温下大于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。目前只有用基于腔内非线性光学的中红外QCL差频方法(DFG)才能得到室温mW级且频率高于1THz的太赫兹辐射。这种DFG THz QCL源本质上继承了中红外QCL的优势，包括室温工作、电泵浦、紧凑型、可量产等，成为最有可能实用化的室温THz源。DFG THz QCL输出功率与有源区的二阶非线性系数和两个中红外泵浦源的功率正相关，非线性效应源于量子态之间的强耦合，理论计算二阶非线性系数能够达到10⁵～10⁶pm/V，比传统的非线性晶体高出了3～4个数量级，通常差频太赫兹量子级联激光器的双有源区都是由InGaAs/InAlAs量子阱垒对构成的，有源区设计机制有双声子共振和束缚态到连续态双有源区结构，双单声子共振有源区结构，前者只有束缚态到连续态核区能产生较大的非线性效应，与束缚态到连续态机制相比单声子共振机制光学跃迁上能态的寿命有一定的提升从0.39ps增加到0.46ps，也有基于单有源区双上能级结构的，但是目前单核有源区器件的功率仍远远小于双核设计，而且基于这些结构得到的二阶非线性系数都在10⁴pm/V量级，所以基于普通的量子阱有源层结构改变有源区的设计机制提升器件性能的空间不是很大，器件仍然存在功率、功率转化效率较低的问题。由于量子阱只在一个方向对电子有限制作用，电子在平面内仍然是近自由运动的，因此参与跃迁的上下两个子带实际上是两个连续带，在能量上有交叠并非绝对的孤立能级，对于中红外QCLs，虽然它们的带底能量差远大于体材料的光学声子能量，但在上下子带间仍然存在能量差等于一个光学声子能量的态，故而上能态的电子可以通过释放光学声子的形式完成有效的子带间电子非辐射跃迁过程，这个过程的速率(对应寿命为皮秒量级)远高于两个子带间的电子自发辐射衰减速率(对应寿命为纳秒量级)，即高能态电子的跃迁方式主要还是子带间的非辐射跃迁，而低能态的电子也是通过声学声子散射抽取的，二者的速率均为皮秒量级，相差不大，因而，造成器件的转化效率较低，阈值较大，特征温度T₀有限，进而差频得到的THz性能指标也较低。此外，普通差频太赫兹量子级联激光器双有源区都是由InGaAs/InAlAs量子阱/垒对构成的，增益谱较窄，而且基于电调谐的情况下，两个量子阱有源层的调谐速率非常接近，这两个因素均限制了差频的调谐范围。