[发明专利]一种集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器

说明书

本发明公开了一种集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器。本发明中，由解理形成的腔面和一阶光子晶体形成的布拉格反射器构成了一个谐振腔，靠近解理腔面一侧有若干个空气狭缝构成的耦合光栅。当解理腔面与布拉格反射器构成的谐振腔与有源光子晶体产生共振时，形成耦合腔，并且反射器对于该耦合模式提供一定的相位补偿以满足谐振腔的相位条件，该耦合模式通过光栅耦合器向自由空间辐射。通过调节耦合光栅的几何结构，可以控制激光器的辐射效率。该器件最大的优点是：该谐振腔结构能独立控制模式选择与辐射效率，器件的尺寸不再受到模式选择的限制。所获得的输出功率高，功率效率高，温度性能好，远场光斑发散角小。

技术领域

本发明属于激光器半导体技术领域，涉及一种太赫兹量子级联激光器，具体涉及一种集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器。

背景技术

太赫兹(THz)量子级联激光器(quantum cascade laser,QCL)频率覆盖1-5THz，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。

目前THz-QCL有两种基本波导结构，即单面金属波导结构与双面金属波导结构。其中单面金属波导的THz-QCL具有较高的输出功率，但是温度性能差。而双面金属波导的THz-QCL由于其损耗较小以及接近1的模式限制作用，具有较高的工作温度。由于温度性能差是单面金属波导THz-QCL的本征的缺点，所以双金属波导THz-QCL是目前的研究焦点。但是双面金属波导结构由于其亚波长尺度的腔面，使得腔面阻抗不匹配，反射率在0.8左右，导致较低的输出功率以及较发散的光束。

人们致力于改进双面金属波导单模THz-QCL的输出功率与光束质量。目前已有的成功案例包括：三级分布反馈激光器，双缝分布反馈激光器，渐变光子异质结激光器，混合光栅激光器，二维光子晶体激光器等。但是以上方案中，输出功率与模式选择均相互制约：器件的输出功率与器件面积成正比，所以器件面积尽可能要大；为了获得稳定的单模输出，器件的长度需要较短，过长会引入高阶模式。因此，单模太赫兹量子级联激光器的器件腔长受到限制。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种表面发射单模太赫兹量子级联激光器，通过独立调控模式选择与辐射效率，在增加激光器腔长时仍保持单模工作，用以实现大功率、单模、高工作温度和小发散角的太赫兹激光表面发射。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器。

所述的集成有源布拉格反射器的单模太赫兹量子级联激光器采用金属-金属波导结构，具体结构为：由下至上依次为n型掺杂GaAs衬底层1、下金属层2、下接触层3、有源区4、上接触层5、上金属层6；所述激光器一端为有源布拉格反射器区以及吸收边界，另一端为解理端面，在解理端面与布拉格反射器区之间为一发表面发射区；

所述的有源布拉格反射器区采用有源一阶光子晶体结构；所述一阶有源光子晶体由n型掺杂GaAs衬底层1、下金属层2、下接触层3、有源区4、上接触层5和上金属层6以及结合上金属层6上的光子晶体7构成；光子晶体7为在上金属层6沿着脊型波导方向周期排列的平行空气狭缝或者沿着脊型波导方向以及垂直脊型波导方向均为周期排列的空气小孔，狭缝长度或者是沿着垂直脊型波导方向的小孔的直径之和不到波导的两边；

所述的吸收边界由未被上金属层6覆盖的n型掺杂GaAs衬底层1、下金属层2、下接触层3、有源区4和上接触层5构成；

所述的一发表面发射区由n型掺杂GaAs衬底层1、下金属层2、下接触层3、有源区4、上接触层5和上金属层6以及结合上金属层6上的耦合光栅8构成；所述的耦合光栅8为在上金属层6上沿着脊型波导方向周期排列的平行狭缝，狭缝长度不到波导的两边；