一种太赫兹量子级联光放大器及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种太赫兹量子级联光放大器，包括：半绝缘GaAs衬底；位于所述衬底表面的GaAs缓冲层；位于所述缓冲层表面的n型重掺杂下接触层；位于所述下接触层表面的有源区；位于有源区上表面的n型重掺杂上接触层；位于所述上接触层表面、且彼此分隔的上电极金属层，各上电极金属层间设有凹至所述缓冲层的深隔离槽；及位于所述下接触层表面及有源区两侧的下电极金属层；所述光放大器根据各上电极金属层分主波导段，和位于主波导段两端、且对称分布的至少两个耦合腔波导段，主波导段和耦合腔波导段在水平方向上呈一直线分布。通过本发明专利技术的光放大器，解决了现有光放大器是分立器件，无法与前级THz QCL同时制备，实现片上集成，而且在使用过程中还需进行光学对准的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光器半导体
，特别是涉及一种太赫兹量子级联光放大器以及制作方法。
技术介绍
太赫兹(THz)波是指频率位于100GHz到10THz的一段电磁波，介于微波与红外波之间。从能量上来说，THz波的光子能量覆盖了半导体及等离子体的特征能量，也与有机和生物大分子等的转动及振动能量相匹配，因此可用于物质检测、环境监测等领域；从频域上看，THz波的频率高，适用于空间保密通信及高速信号处理等领域；此外，THz波能够穿透多种非导电材料，如塑料、木头、纸张等，在成像及公共安全等领域也有广泛的应用前景。在众多的THz辐射产生方式中，基于半导体的THz量子级联激光器(QCL)由于其体积小、轻便、功率高和易集成等特点，成为此领域一类重要的辐射源器件。自2002年第一个THz QCL诞生，在巨大潜在应用前景的驱动下，THz QCL的有源区和波导结构不断优化，各项性能也不断刷新，目前的THz QCL激射波长能够覆盖0.84～5.0THz的频率范围，脉冲模式下输出峰值功率超过1W，最高工作温度达到225K。在这样的背景下，目前有关THz QCL的研究热点已经逐渐转移到开发基于THz QCL材料的各种新型功能性器件，如波长可调谐THz QCL、THz光梳等。由于上述各种新型功能性器件都是基于THz QCL材料体系，这些器件的波导结构能够相互匹配，有望在未来组成全固态甚至片上集成的THz光学系统，对实现THz光学系统小型化与低功耗有非常重要的意义。THz光放大器，顾名思义，就是一类能够对前级THz QCL输出的THz光进行放大的器件，使用此类器件可以获得更高的输出光功率，对拓展THz QCL的应用范围和加快THz QCL的实用化进程有实际意义，也是未来THz片上集成光学系统中不可或缺的部件。然而，如图1所示，目前的太赫兹量子级联光放大器是通过在普通法布里-珀罗(FP)腔THz QCL的两个端面上生长高透膜来实现的。由于高透膜生长工艺需要在已经解理的THz QCL的解理面上进行，因此，这种带高透膜的THz量子级联光放大器是一种分立的器件，无法与前级THz QCL同时制备，也无法与前级THz QCL实现片上集成。此外，这种分立的光放大器在使用过程中还需要进行精确的光学对准，以提高波束质量和功率放大效果。鉴于此，有必要设计一种新的太赫兹量子级联光放大器及其制作方法用以解决上述问题。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种太赫兹量子级联光放大器及其制作方法，用于解决现有的太赫兹光放大器是分立器件，无法与前级THz QCL同时制备，实现片上集成，而且在使用过程中还需要进行光学对准的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种太赫兹量子级联光放大器及其制作方法，所述太赫兹量子级联光放大器包括：半绝缘GaAs衬底；位于所述半绝缘GaAs衬底上表面的GaAs缓冲层；位于所述GaAs缓冲层上表面的n型重掺杂下接触层；位于所述n型重掺杂下接触层上表面的有源区；位于所述有源区上表面的n型重掺杂上接触层；位于所述n型重掺杂上接触层上表面、且彼此分隔的上电极金属层，其中，各上电极金属层之间设有凹至GaAs缓冲层的深隔离槽；以及位于所述n型重掺杂下接触层表面及有源区两侧的下电极金属层；其中，所述太赫兹量子级联光放大器根据各上电极金属层分为主波导段，和位于所述主波导段两端、且对称分布的至少两个耦合腔波导段，所述主波导段和耦合腔波导段在水平方向上呈一条直线分布。优选地，所述深隔离槽的长度L6范围为5～15um。优选地，所述主波导段的长度L1范围为1～2mm。优选地，所述耦合腔波导段的长度小于主波导段的长度。优选地，所述各耦合腔波导段的长度相等。优选地，通过传输矩阵法设计得到所述耦合腔波导段以及深隔离槽的长度。优选地，所述太赫兹量子级联光放大器包括位于所述主波导段两端、且对称分布的四个耦合腔波导段。优选地，所述主波导段和耦合腔波导段的宽度相等。优选地，所述有源区为束缚态到连续态跃迁结构、共振声子结构、或啁啾晶格结构中的一种。本专利技术还提供一种系统，所述系统包括所述太赫兹量子级联光放大器。本专利技术还提供一种太赫兹量子级联光放大器的制作方法，所述制作方法包括：S1：提供一半绝缘GaAs衬底，在所述半绝缘GaAs衬底上分子束外延依次生长GaAs缓冲层、n型重掺杂下接触层、有源区以及n型重掺杂上接触层；S2：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂上接触层表面生长彼此分隔的上电极金属层，带胶剥离；S3：在各上电极金属层所在表面涂覆光刻胶作为刻蚀掩蔽层，采用刻蚀工艺刻蚀所述各上电极金属层两侧直至暴露所述n型重掺杂下接触层，形成脊形波导结构，去除光刻胶刻蚀掩蔽层；S4：采用光刻、电子束蒸发工艺在所述n型重掺杂下接触层表面形成下电极金属层，带胶剥离；S5：采用光刻胶作为刻蚀掩蔽层，使用干法刻蚀工艺对所述各上电极金属层的间隙进行刻蚀，直至进入GaAs缓冲层，形成深隔离槽；S6：进行高温快速退火工艺；S7：减薄衬底、金丝焊接、以及封装，完成器件制作。如上所述，本专利技术的一种太赫兹量子级联光放大器及其制作方法，具有以下有益效果：1、本专利技术所述的太赫兹量子级联光放大器在材料和制备工艺方面与前级THz QCL完全匹配，可在同一衬底上一起制备，实现片上集成，并且在制备过程中实现自对准。2、本专利技术所述的太赫兹量子级联光放大器采用耦合腔波导结构实现减少光放大器端面反射率的问题，结构简单有效，设计方便。附图说明图1显示为现有技术中FP腔的太赫兹量子级联光放大器的结构示意图。图2显示为本专利技术实施例一所述太赫兹量子级联光放大器的结构示意图。图3显示为图2的俯视图。图4显示为图2沿AA’方向的剖面图，图5显示为图2沿BB’方向的剖面图，图6显示为图2沿CC’方向的剖面图。图7显示为使用归一化振幅研究激光器复腔体的示意图。图8～图11显示为实施例一所述太赫兹量子级联光放大器制作过程中的结构示意图(侧视图)。图12显示为本专利技术实施例二所述太赫兹量子级联光放大器的结构示意图。图13显示为本专利技术实施例一、实施例二和现有技术FP腔的太赫兹量子级联光放大器输出端面处等效反射率随频率变化的曲线图。元件标号说明1 主波导段21 第一耦合腔波导段22 第二耦合腔波导段23 第三耦合腔波导段24 第四耦合腔波导段3 深隔离槽4 半绝缘GaAs衬底5 GaAs缓冲层6 n型重掺杂下接触层7 有源区8 n型重掺杂上接触层9 上电极金属层10 下电极金属层S1～S7 步骤1～步骤7具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太赫兹量子级联光放大器，其特征在于，所述太赫兹量子级联光放大器包括：半绝缘GaAs衬底；位于所述半绝缘GaAs衬底上表面的GaAs缓冲层；位于所述GaAs缓冲层上表面的n型重掺杂下接触层；位于所述n型重掺杂下接触层上表面的有源区；位于所述有源区上表面的n型重掺杂上接触层；位于所述n型重掺杂上接触层上表面、且彼此分隔的上电极金属层，其中，各上电极金属层之间设有凹至GaAs缓冲层的深隔离槽；以及位于所述n型重掺杂下接触层表面及有源区两侧的下电极金属层；其中，所述太赫兹量子级联光放大器根据各上电极金属层分为主波导段，和位于所述主波导段两端、且对称分布的至少两个耦合腔波导段，所述主波导段和耦合腔波导段在水平方向上呈一条直线分布。

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹量子级联光放大器，其特征在于，所述太赫兹量子级联光放大器包括：半绝缘GaAs衬底；位于所述半绝缘GaAs衬底上表面的GaAs缓冲层；位于所述GaAs缓冲层上表面的n型重掺杂下接触层；位于所述n型重掺杂下接触层上表面的有源区；位于所述有源区上表面的n型重掺杂上接触层；位于所述n型重掺杂上接触层上表面、且彼此分隔的上电极金属层，其中，各上电极金属层之间设有凹至GaAs缓冲层的深隔离槽；以及位于所述n型重掺杂下接触层表面及有源区两侧的下电极金属层；其中，所述太赫兹量子级联光放大器根据各上电极金属层分为主波导段，和位于所述主波导段两端、且对称分布的至少两个耦合腔波导段，所述主波导段和耦合腔波导段在水平方向上呈一条直线分布。2.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联光放大器，其特征在于，所述深隔离槽的长度L6范围为5～15um。3.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联光放大器，其特征在于，所述主波导段的长度L1范围为1～2mm。4.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联光放大器，其特征在于，所述耦合腔波导段的长度小于主波导段的长度。5.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联光放大器，其特征在于，所述各耦合腔波导段的长度相等。6.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联光放大器，其特性在于，通过传输矩阵法设计得到所述耦合腔波导段以及深隔离槽的长度。7.根据权利要求1所述的太赫兹量子级联光放...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐天鸿，黎华，曹俊诚，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31