一种多极型量子级联环形激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种多极型量子级联环形激光器，该激光器包括由下至上依次设置的衬底、集电极、量子级联结构层、量子能级匹配层、基极、发射极，发射极与基极之间、量子级联结构层与集电极之间均有阶梯状设置；该激光器还包括设置于集电极顶部或衬底下方的集电极电极、设置于基极顶部的基极电极、设置于发射极顶部的发射极电极。激光器上还刻蚀有环形波导和与所述环形波导耦合的条形直波导。该多极型量子级联环形激光器设计简单、可调谐特性好、可多波长或宽谱或混沌激光或频率梳输出，且能够有效降低广泛中红外、太赫兹应用中中红外、太赫兹源的应用成本。

【技术实现步骤摘要】
一种多极型量子级联环形激光器
本专利技术属于半导体激光器
，具体涉及一种多极型量子级联环形激光器。
技术介绍
相比传统的量子阱激光器的载流子导带-价带间受激辐射转移机制，量子级联激光器(QuantumCascadeLasers，QCLs)因其独特的载流子导带内子带间转移级联机制而可以直接产生中红外和太赫兹波段输出。相比已有的中红外、太赫兹输出的产生方法，如光电导混频法、半导体内建电场法、光学整流法、电光采样法等，基于QCLs的中红外和太赫兹输出结构具有转换效率高、腔结构简单、片上可集成性好等优点，被广泛应用于包括DNA探测、生物组织成像、非接触式测试、公众安全监测、气体成分探测、以及THz无线通信等众多民事与军事应用中。为了提升QCLs在不同应用中的通用性并降低应用成本，需要QCLs的中红外或太赫兹输出具有较好的可调谐特性，或者具有多波长或宽谱输出特性。为了提高QCLs的可调谐特性，目前主流采用的方法有：外腔光栅调谐法、强磁场方法，分布式反馈结构法、采样光栅反射器(SGR)法等。但是这些方法均过于复杂、稳定性低、能耗高，均不适应于将来的低功耗、小型化片上集成的应用。而为了获得多波长或宽谱QCLs中红外或太赫兹输出，现在主要的方法是通过对QCLs的量子级联结构的有源区进行设计，使得有源区的上子带-下子带能态转移为单能态-双能态、单能态-连续态、连续态-连续态，QCL多核多堆栈结构等，但这些方法需要对相应的有源区进行复杂的优化设计，具有工作量巨大，器件设计周期长等缺点。激光器在一定的外部光注入信号条件下，能够产生强度、频率和相位在有限区间内快速变化的类噪声宽频谱随机输出，即混沌激光。近年来，混沌激光在保密光通信、激光测距、光纤断点检测等领域获得了广泛的研究和应用。频率梳是由激光光源产生的相干辐射，其光谱由多个完全等间距、彼此间具有明确相位关系的模式构成，广泛应用于纳米级测距、飞秒级时频转移、物理量精确测量等众多领域。目前，频率梳的应用已经逐渐从远紫外波段延伸到了中红外、太赫兹波段。在中红外波段，频率梳可广泛应用于环境感知、气体成分探测等领域；而在太赫兹波段，频率梳也可用于无创成像、无线通信以及公众安全监测等方面。频率梳在众多军民应用中均体现出巨大的应用价值。目前，针对广泛的中红外、太赫兹领域应用，缺少一种设计简单、可调谐特性好、可多波长或宽谱或频率梳或混沌激光输出的量子级联结构及其应用的器件。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决上述问题，提供一种多极型量子级联环形激光器，该多极型量子级联环形激光器设计简单、可调谐特性好、可多波长或宽谱或混沌激光或频率梳输出，且能够有效降低广泛中红外、太赫兹应用中中红外、太赫兹源的应用成本。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：一种多极型量子级联环形激光器，该激光器包括由下至上依次设置的衬底、集电极、量子级联结构层、量子能级匹配层、基极、发射极，所述集电极与量子级联结构层之间、所述基极与发射极之间均有阶梯状设置；所述多极型量子级联环形激光器还包括设置于集电极顶部或衬底下方的集电极电极、设置于基极顶部的基极电极、设置于发射极顶部的发射极电极；所述激光器上还刻蚀有环形波导和与所述环形波导耦合的条形直波导，环形波导和条形直波导的刻蚀深度为从发射极顶部至基极顶部、量子能级匹配层顶部、量子级联结构层顶部或集电极顶部的任意深度，其中，环形波导的圆形区域内或圆形区域外至少有一侧刻蚀深度为仅从发射极顶部至基极顶部，所述条形直波导包括输入段和耦合段；所述量子级联结构层由至少两个结构相同的QCL堆栈单元串联堆栈而成，所述QCL堆栈单元包括至少两种结构相同的QCL子单元，每种所述QCL子单元均由有源区和注入区组成，所述注入区包括若干段掺杂区，所述不同种QCL子单元之间至少有一段掺杂区的掺杂浓度参数不同。所述量子级联结构层包括N个QCL堆栈单元：第一个QCL堆栈单元AB、第i个QCL堆栈单元AB、第N个QCL堆栈单元AB，或者第一个QCL堆栈单元ABB、第i个QCL堆栈单元ABB、第N个QCL堆栈单元ABB，其中i、N为大于1的整数，i≤N。值得说明的是，环形波导与条形直波导的结构组成可以通过控制相应的刻蚀深度来控制，可以是仅从发射极顶部至基极顶部刻蚀为环形波导和条形直波导，即环形波导和条形直波导结构只包含发射极，也可以把从发射极顶部至基极顶部、量子能级匹配层顶部、量子级联结构层顶部或集电极顶部刻蚀为环形波导和条形直波导，若从发射极顶部至集电极顶部刻蚀为环形波导和条形直波导，即为环形波导和条形直波导结构包含发射极、基极、量子能级匹配层、以及量子级联结构层。特别地，为了保持利用三端式晶体管的特性，必须要求环形波导圆形区域内或者圆形区域外这两个区域中至少有一侧区域只刻蚀到基极区顶部。进一步的，波导结构只包含发射极式，器件的量子级联结构层的腔体结构主要还是F-P型的，环形波导结构会对器件的F-P腔中的模式分布和行波方式进行微调。当环形波导结构包含发射极、基极、量子能级匹配层、以及量子级联结构层时，整个器件的量子级联结构层的谐振腔结构完全变为环形谐振腔，模式分布和行波方式完全按照环形谐振腔的器件特性进行分布。也就是说，刻蚀的深度决定了器件的腔体谐振特性，随着刻蚀深度的增加，腔体谐振逐渐由F-P式谐振转特性变成环形谐振腔谐振特性。采用环形波导结构的多极型量子级联环形激光器可以利用环形结构的强三阶非线性来获得级联增强四波混频效应，十分有利于对输出频率梳的不同齿梳模式间距的均一性与相对相位锁定，从而产生可得到性能优异的频率梳。另外，环形波导结构激光器的行波模式能避免由普通法布里-珀罗(F-P)结构的激光器的驻波模式而引起的空间烧孔效应，将进一步稳定和提升所获得高性能频率梳的特性。上述技术方案中，优选地，每个QCL子单元只有一段掺杂区，不同种QCL子单元之间掺杂区的掺杂浓度参数均各不相同。优选地，至少一种所述QCL子单元包含有两段或两段以上掺杂区，且该QCL子单元中至少存在有一段掺杂区，其掺杂浓度参数不同于其它段掺杂区的掺杂浓度参数。进一步优选的，每个所述QCL堆栈单元结构只包含两种所述QCL子单元，每种QCL子单元只有一段掺杂区，两种所述QCL子单元的掺杂区掺杂浓度参数不一样。更优选地，每个所述QCL堆栈单元结构只包含两种QCL子单元，每种所述QCL子单元均只包含两段掺杂浓度参数不相同的掺杂区，两种所述QCL子单元之间至少有一段掺杂区的掺杂浓度参数不同于其它段掺杂区的掺杂浓度参数。需要说明的是，每一段掺杂区的掺杂浓度参数是唯一的，即同一段掺杂区不存在两个掺杂浓度参数。另外，有时为了对比方便，可将同一段相同掺杂区进一步细分成多段区域，只是所述细分成的多段区的掺杂浓度是相同的。此外，不同种QCL子单元仅掺杂浓度参数不同，其它参数包括子单元结构的层厚度顺序、层材料组分顺序、层掺杂位置均完全相同。上述技术方案中，所述QCL子单元的有源区采用U态-L态转移设计，所述U态与所述L态为单能态、多能态或连续态中的任意一种，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多极型量子级联环形激光器，其特征在于：该激光器包括由下至上依次设置的衬底(7)、集电极(8)、量子级联结构层(9)、量子能级匹配层(10)、基极(11)、发射极(12)，所述集电极(8)与量子级联结构层(9)之间、所述基极(11)与发射极(12)之间均有阶梯状设置；/n所述多极型量子级联环形激光器还包括设置于集电极(8)顶部或衬底(7)下方的集电极电极(13)、设置于基极(11)顶部的基极电极(14)、设置于发射极(12)顶部的发射极电极(15)；/n所述激光器上还刻蚀有环形波导(19)和与所述环形波导(19)耦合的条形直波导(18)，环形波导(19)和条形直波导(18)的刻蚀深度为从发射极顶部至基极(11)顶部、量子能级匹配层(10)顶部、量子级联结构层(9)顶部或集电极(8)顶部的任意深度，其中，环形波导(19)的圆形区域内或圆形区域外至少有一侧刻蚀深度为仅从发射极顶部至基极顶部，所述条形直波导(18)包括输入段(17)和耦合段(16)；/n所述量子级联结构层(9)由至少两个结构相同的QCL堆栈单元串联堆栈而成，所述QCL堆栈单元包括至少两种结构相同的QCL子单元，每种所述QCL子单元均由有源区和注入区组成，所述注入区包括若干段掺杂区，不同种QCL子单元之间至少有一段掺杂区的掺杂浓度参数不同。/n...

【技术特征摘要】
1.一种多极型量子级联环形激光器，其特征在于：该激光器包括由下至上依次设置的衬底(7)、集电极(8)、量子级联结构层(9)、量子能级匹配层(10)、基极(11)、发射极(12)，所述集电极(8)与量子级联结构层(9)之间、所述基极(11)与发射极(12)之间均有阶梯状设置；
所述多极型量子级联环形激光器还包括设置于集电极(8)顶部或衬底(7)下方的集电极电极(13)、设置于基极(11)顶部的基极电极(14)、设置于发射极(12)顶部的发射极电极(15)；
所述激光器上还刻蚀有环形波导(19)和与所述环形波导(19)耦合的条形直波导(18)，环形波导(19)和条形直波导(18)的刻蚀深度为从发射极顶部至基极(11)顶部、量子能级匹配层(10)顶部、量子级联结构层(9)顶部或集电极(8)顶部的任意深度，其中，环形波导(19)的圆形区域内或圆形区域外至少有一侧刻蚀深度为仅从发射极顶部至基极顶部，所述条形直波导(18)包括输入段(17)和耦合段(16)；
所述量子级联结构层(9)由至少两个结构相同的QCL堆栈单元串联堆栈而成，所述QCL堆栈单元包括至少两种结构相同的QCL子单元，每种所述QCL子单元均由有源区和注入区组成，所述注入区包括若干段掺杂区，不同种QCL子单元之间至少有一段掺杂区的掺杂浓度参数不同。


2.根据权利要求1所述的多极型量子级联环形激光器，其特征在于：至少一种所述QCL子单元包含有两段或两段以上掺杂区，且该QCL子单元中至少存在有一段掺杂区，其掺杂浓度参数不同于其它段掺杂区的掺杂浓度参数。


3.根据权利要求1所述的多极型量子级联环形激光器，其特征在于：所述量子级联结构层(9)包括N个QCL堆栈单元：第一个QCL堆栈单元AB(1)、第i个QCL堆栈单元AB(2)、第N个QCL堆栈单元AB(3)，或者第一个QCL堆栈单元ABB(4)、第i个QCL堆栈单元ABB(5)、第N个QCL堆栈单元ABB(6)，其中i、N为大于1的整数，i≤N。


4.根据权利要求1所述的多极型量子级联环形激光器，其特征在于：所述QCL子单元采用U态-L态转移设计，所述U态与所述L态为单能态、多能态或连续态中的任意一种，所述多能态包含至少两个能态。


5.根据权利要求1所述的多极型量子级联环形激光器，其特征在于：所述QCL子单元的有源区所对应的工作或激射波长在中红外或太赫兹波段。


6.根据权利要求1所述的多极型量子级联环形激光器，其特征在于：所述多极型量子级联环形激光器中的集电极电极(13)至少为一个，基极电极(14)至少为一个，发射极电极(15)至少为一个。


7.根据权利要求1所述的多极型量子级联环形激光器，其特征在于：所述环形波导(19)和基极(11)上设置若干个绝缘层(20)而使该激光器成为可被分段控制的多段控制式多极型量子级联环形激光器。


8.根据权利要求1所述的多极型量子级联环形激光器，其特征在于：该多极型量子级联...

【专利技术属性】
技术研发人员：王卓然，张鹏年，袁国慧，林志远，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51