[发明专利]中红外量子级联激光器以及差频太赫兹外腔反馈光路结构

说明书

一种中红外量子级联激光器以及差频太赫兹外腔反馈光路结构，该中红外量子级联激光器包括衬底；有源波导结构，其设置在衬底上，包括第一接触层，其设置在衬底上；第一波导层，其设置在第一接触层上；有源区层单元，其设置在第一波导层上；第二波导层，其设置在有源区层上；以及第二接触层，其设置在第二波导层上；电隔离层，设置在有源波导结构两侧；第一电极层，与第一接触层接触且均设置在衬底上；以及第二电极层，覆盖在电隔离层和第二接触层上。本发明在保证激光器室温连续工作下发射双波长的同时仅转动闪耀光栅角度就可以实现宽调谐。

技术领域

本发明涉及红外及太赫兹半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种中红外量子级联激光器以及差频太赫兹外腔反馈光路结构。

背景技术

太赫兹(THz)波段位于微波和红外波段之间，主要有以下几个个特点：首先，太赫兹频率比微波高1-4个数量级，通讯领域频率越高则通信容量越大，太赫兹可以提供10Gbps以上的通讯速率，可解决带宽对信息传输的限制；其次，太赫兹光子能量低，频率为1THz的光子能量只有约4毫电子伏特，因此不会对物质产生电离作用，可穿透多种材料，可应用于无损检测。最后，THz单个脉冲的频带可以覆盖从GHz直至几十THz的范围，许多生物大分子的振动和转动能级，电介质、半导体材料、超导材料、薄膜材料等的声子振动能级均在此范围，因此太赫兹光谱具有“指纹”特性。由于上述特点，太赫兹在自由空间光通讯、安全检查、毒品药品检测等领域有很大的应用前景。当前，太赫兹技术大规模发展的最大阻碍是缺乏经济、紧凑、宽调谐、电泵浦的毫瓦(mW)级太赫兹光源。

目前获得稳定太赫兹光源的途径主要有两种。一种是太赫兹量子级联激光器(THz-QCL)，基于子带间跃迁，通过特殊的能带裁剪和波导设计得到所需THz波段的光源。THz-QCL且调谐范围十分有限结构紧凑且通过电泵浦发光，但目前只能在液氮温度下工作，并且调谐范围十分有限。另一种就是利用差频效应在双色中红外量子级联激光器(MIR-QCL)腔内产生THz光。这种方法制备的THz光源不仅能室温工作，还具有很宽的调谐范围和较高的功率，因为普通的中红外量子级联激光器功率大、可室温连续工作，调谐范围可达5THz，并且在此调谐范围内，谐振腔内材料的光学非线性特性不会发生显著变化。

实现差频的必要条件是保证激光器产生频率不同的双色光。QCL有源区具有较大的非线性特性，激光器腔内产生的双色中红外光和具有非线性特性的有源区通过二阶非线性效应差频产生光频率为两个中红外光频率之差的太赫兹光，这就是差频太赫兹的基本原理。目前最常用的差频手段包括：1.设计双色有源区再通过双周期表面分布反馈(DFB)光栅产生两个单模中红外光λ₁和λ₂，结合切伦科夫(Cherenkov)波导结构产生THz波。2.设计单模DFB光栅产生单模中红外光λ₁，通过外腔原理产生单模中红外光λ₂，同样采用Cherenkov波导结构产生THz波。但是两种方法也面临很多难题，第一，这两种方法都需要制作DFB光栅，想要得到发射所设计的波长的中红外光器件需要较高的光栅制备工艺水平和工艺成本，器件制备流程较为繁琐。第二，DFB光栅选择的波长在增益谱的位置并不好选择，一旦制作了DFB光栅，太赫兹光源的频率和功率也就确定了，靠近增益谱中心时调谐范围变小，靠近增益谱边缘时功率变小，激射波长的调谐范围和功率不易实现最佳匹配；第三，两个中红外光λ₁和λ₂在功率相当的时候差频效率最高，而制作DFB光栅显然很难实现对两个光功率的精准控制，即使通过计算模拟得到了最佳光栅参数，实际光栅工艺制备过程中很难实现与理论设计参数完全一致。第四，方法1只能通过改变温度和电流来调谐波长，调谐性比较差(波长7-10μm之间λ₁和λ₂调谐范围一般不超过50cm^-1)，方法2中制作的DFB光栅的存在大大阻碍了外腔模式的产生，因此很难得到单模性和调谐性较好的外腔模式。

发明内容