[发明专利]有源区结构及具有宽带增益的太赫兹量子级联激光器

权利要求书

1.一种有源区结构，其特征在于，所述有源区结构用于太赫兹量子级联激光器，以增加所述太赫兹量子级联激光器的增益带宽，所述有源区结构包括至少三种依次叠置且具有不同太赫兹频率的有源区，各所述有源区均包括至少一叠层结构，所述有源区结构根据转移矩阵方法设计：

根据转移矩阵方法，对于一维薛定谔方程，波函数Ψ(z)满足：

其中，h表示普朗克常数，m^*表示有效质量，其中，m^*(z)表示有源区结构的有效质量，V表示外加电势，其中，V(z)表示有源区结构的外加电势，E为本征能量，z表示整个所述有源区结构厚度，将整个所述有源区结构离散化为N层，那么在任意两个连续的层j和j-1之间则满足：

Ψ_j-1(z_j-1)＝Ψ_j(z_j) (2)

其中，j代表离散化后有源结构的第j层，m^*_j、m^*_j-1分别表示第j、j-1层的有效质量，Ψ_j(z_j)表示第j层的波函数与第j层厚度的关系，而一维薛定谔方程解的形式是：

其中，A_j和B_j通过后续的公式(7)、(8)、(9)换算得到，

外加电势V_j随z变化规律则满足V(z,ε)＝V(z,0)-e·z·ε，其中，V_j表示第j层的外加电势，ε表示外加电场强度，e表示单位电荷电量，此处i代表虚数单位，V(z,ε)表示外加电势随z和ε变化的关系，V(z,0)表示ε取0时有源区结构的外加电势，

将式(2)(3)(4)用矩阵的形式表示：

其中，M_j基于后续公式(8)中的α₁₁、α₁₂、α₂₁，α₂₂以及α₂₂(E)获得，其中，α₁₁、α₁₂、α₂₁，α₂₂以及α₂₂(E)代表矩阵对应位置的值，那么对于整个所述有源区结构则有：

考虑到边界条件A₀＝0以及B_N-1＝0，从式(8)中则可以得到：

α₂₂(E)＝0 (9)

其中，基于公式(9)及所述边界条件可以获得公式(8)中的α₁₁、α₁₂、α₂₁、α₂₂，利用上述方法，在给定外加电场强度ε和总层数N的条件下，再根据E＝hv即可得到特定频率v时z的值。

2.根据权利要求1所述的有源区结构，其特征在于，各所述有源区的材料的增益谱均大于300GHz。

3.根据权利要求1所述的有源区结构，其特征在于，所述有源区结构包括依次叠置的第一有源区、第二有源区及第三有源区三种有源区，所述第一有源区发射的电磁波频率为4.8THz～5.0THz，所述第二有源区发射的电磁波频率为4.5THz～4.7THz，所述第三有源区发射的电磁波频率为4.2THz～4.4THz。

4.根据权利要求1所述的有源区结构，其特征在于，各所述有源区均包括至少一叠层结构，所述叠层结构包括依次交替叠置的GaAs材料层及Al_0.25Ga_0.75As材料层。

5.根据权利要求4所述的有源区结构，其特征在于，所述叠层结构包括5～15个由所述GaAs材料层及所述Al_0.25Ga_0.75As材料层构成的交替周期。

6.根据权利要求4所述的有源区结构，其特征在于，所述叠层结构由下至上第二层所述GaAs材料层为Si掺杂GaAs材料层。