[发明专利]用于产生太赫兹波、微波的双共振垂直腔面发射激光器结构

说明书

技术领域

本发明涉及光电子器件领域中垂直腔面发射激光器的结构及其制备方法，特别涉及一种用于产生太赫兹波或者微波的双共振垂直腔面发射激光器的结构及其制备方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz)波通常是指频率为0.1THz～10THz的电磁波，这一频段在电磁波谱中处于电子学与光子学交汇的位置，长期以来由于缺乏有效的产生和探测技术，因而被称为“THz空白”。目前太赫兹波技术过于复杂、过于昂贵，特别是太赫兹波辐射源的问题，限制了太赫兹波技术的广泛应用。

微波的频率范围在300MHz～300GHz范围，在雷达、微波炉、等离子发生器、无线网络系统、传感器系统上均有广泛的应用。

根据太赫兹波辐射产生机理，主要分为两类：一种是利用电子学方法，一种是利用光学方法，目前电子学方法产生太赫兹波光源依然面临制备尺度等限制，而光电子学的方法，例如基于飞秒脉冲激光器的时域谱系统光源，虽然得到广泛的重视，但是系统庞大、复杂、昂贵。产生太赫兹波的光学方法就是光混频的方法，其基本原理是，两束频率相近的激光(ω₁,ω₂)，形成拍频信号时，拍频频率ω＝ω₁-ω₂在太赫兹波范围。由于不存在非线性晶体吸收的问题，光混频法产生的太赫兹波辐射最主要的特点就是损耗小，是近年来光学方法产生太赫兹波辐射的研究热点，而光混频法的关键就是如何获得两个频率相近的相干光束。

微波的产生方法主要有电学和光学两种方法，电学的方法根据得到，其中L和C分别是电路的电感和电容，通常采用具有金属壁面的谐振腔来产生高频振荡。光生微波是光学产生微波的一种有效途径，存在的主要问题仍然是如何获得稳定的两个频率的相干光束。

为获得两束激光，人们很容易想到直接采用两个独立的激光器，但是无论采用固体、气体激光器还是半导体激光器，由于两个激光器相对独立，分别从两个有源区产生激光，激光的频率随时间、温度等因素随机变化，两个频率之间没有相互关联，因此产生的太赫兹波或者微波辐射起伏噪音大。

为此，我们提出了一种集成的室温直流工作的双共振垂直腔面发射激光器结构，通过混频产生太赫兹波或者微波的新方法。其工作原理如下：垂直腔面发射激光器的上、下分布布拉格反射镜可以看成由反射系数为r₁和r₂的平面反射镜构成的谐振腔，通常单纵模工作，如图1(a)所示。如图1(b)所示，理论上可以通过调整谐振腔长，从而调节谐振腔纵模数目和纵模间距，使得两个纵模的频率差对应于太赫兹波或者微波频率范围。

我们所提出方案的一个明显潜在优势就是稳定：由于是在同一个有源区中产生，因此两个模式随着时间、温度等外界因素变化同时变化，能够解决现有的两个独立半导体激光器的方案中，由于在时间、空间等都不相关的两束激光而导致不稳定的问题。另外，该方案是单片集成、室温直流工作，使用方便。

图1表示谐振腔腔长与腔内存在的共振频率关系示意图；图1(a)显示的是，当谐振腔长d仅为1λ时，腔内仅存在1个纵模；当增加腔长，腔内存在多个纵模，相邻频谱间距ω与腔长d的关系为ω＝c/2d，c真空中光速，如图1(b)所示。

发明内容：

针对现有太赫兹波或者微波光源的问题，本发明的目的在于提供一种基于半导体垂直腔面发射激光器、通过双共振产生波长差为太赫兹范围的两束相干激光的结构，是一种集成的、能够室温直流工作的太赫兹光源。

本发明的用于产生太赫兹波或者微波的双共振垂直腔面发射激光器，如图2(b)所示，从下至上依次包括下金属电极1、n型衬底2、下分布反馈布拉格反射镜3、n型相位匹配层4、增益区5、p型相位匹配层6、上分布反馈布拉格反射镜7、钝化层8、上金属电极，其特征在于n型相位匹配层 4与增益区5、p型相位匹配层6的光学厚度与激光在下布拉格反射镜3和上布拉格反射镜7中的能量穿透深度一起构成激光谐振腔长d，谐振腔的长度d要求满足d＝c/2ω，其中如果0.1THz<ω<10THz，则为太赫兹波；如果300MHz<ω<300GHz，则为微波。

本发明的用于产生太赫兹波或者微波的双共振垂直腔面发射激光器如图2(b)所示，与传统结构图2(a)相比，在于谐振腔长d不同，传统结构的谐振腔长d通常为0.5λ～2λ，只有一个纵模激射，本发明结构通过增加谐振腔长d厚度，产生多个纵模，从中选出两个纵模，使其纵模间距ω在太赫兹波或者微波范围内；