激光器装置制造方法及图纸

一种激光器装置，包括：具有增益的增益介质；用于传播电磁波的波导；以及由所述波导构成的谐振结构。增益介质沿着电磁波的传播方向延伸，并在其厚度方向上于顶面和底面处被夹在由负介电常数介质制成的第一覆层和第二覆层之间。增益介质配备有在和电磁波的传播方向以及厚度方向垂直的宽度方向上与其至少一个侧面相邻的横向结构。该横向结构包括正介电常数介质，该介质在其厚度方向于其顶面和底面处被夹在负介电常数介质之间。波导由增益介质、横向结构、第一覆层和第二覆层构成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种激光器装置，具体地说，本专利技术涉及一种用于从毫米波带到兆兆赫波带(30GHz-30THz)的频带范围的电流注入型激光器装置。
技术介绍
作为一种新型的半导体激光器，至今已知一种被称为“量子级联激光器”的半导体激光器，其基于在传导带或价带的某个能带中的载流子的能级之间的跃迁(次能带之间的跃迁)。量子级联激光器的振荡波长取决于光学跃迁的两个能级之间的能隙。因而，振荡波长可以在一个宽的光谱范围(例如从中红外范围到兆兆波带)内被选择。首先，已经证明，这种激光器可以借助于使用具有在中红外范围内选择的4.2微米的振荡波长的结构来实现。近来，因为需要兆兆赫波带的电磁波源(据信其对于生物检测等是有用的)，一种长波长的激光器得到了发展，其中振荡波长从中红外范围向更长的波长移动。长波激光器应当具有这样一种结构，其配备有用于在一个频率范围内产生增益的增益介质，并对增益介质实现光学限制；例如，增益介质可能具有最多为1微米到10微米量级的层厚，用于典型的长波激光器的增益介质具有振荡波长的1/10或更小的厚度。在常规的半导体激光器领域内，已知一种借助于导电覆层进行光学限制的方法，但是使用这种方法不能对具有小于光的衍射极限的厚度的增益介质进行光学限制。因此提出了用于振荡长波激光器的其它类型的光学限制方法。日本专利申请待审公开2000-138420披露了一种用于解决上述问题的方法。在这种方法中使用的覆层是一种负介电常数介质，其中介电常数的实部是负的。在这种方法中，由覆层引导的波导模是一种在负介电常数介质中由载荷子(其被称为“表面等离子体激元(surfaceplasmon)”)的极化振荡产生的电磁波。因为在表面等离子体激元中没有衍射极限，大部分的模可被限制到厚度为振荡波长的1/10量级的增益介质。借助于使用这种方法，实现了具有11.4微米振荡波长的激光器振荡，这向较长的波长移动了。在Benjamin S.Williams等；Appl.Phys.Lett.，Vol.83(2005)，2124中可以找到现有技术的一个例子。这个文献披露了一种用于在增益介质的顶部和底部处作为覆层安排介电常数的实部为负的负介电常数介质的方法。也是在这种方法中，由覆层引导的波导模是表面等离子体激元。和日本专利申请待审公开2000-138420中的情况相比，作为覆层的具有两种负介电常数介质的增益介质允许更多的模被限制到厚度为振荡波长的1/10量级的薄的增益介质。借助于使用这种方法，实现了具有大约100微米(3THz)的振荡波长的激光器振荡，这进一步向更长的波长移动了。不过，众所周知，在用于光学限制的常规方法中，对于比振荡波长薄得多的增益介质的表面等离子体激元的限制引起相对大的波导损失。这个波导损失增加激光器振荡的阈值，这又引起其它问题，例如伴随着增加的阈值电流密度而导致的功率消耗的增加，以及需要单独的冷却单元用于维持激光器振荡。因为较薄的增益介质增加激光器振荡的阈值，对于常规的长波导激光器，增益介质必须具有相对大的厚度。即，需要一种在量子级联激光器中使用的、由包括数百到数千层的半导体多层膜构成的增益介质，但是这种增益介质相对昂贵，因而增加了常规的长波长激光器的成本。上述的问题在100微米或更长(3THz或以下)的长波长激光器的情况下尤其严重，这种长波长激光器需要对具有振荡波长的1/10或更低的厚度的增益介质进行光学限制。
技术实现思路
本专利技术的一种激光器装置包括对于要被振荡的电磁波具有增益的增益介质；用于传播电磁波的波导；以及由波导构成的用于谐振电磁波的谐振结构。增益介质沿着电磁波的传播方向延伸，并在其厚度方向上于顶面和底面处被夹在第一覆层和第二覆层之间，每个覆层都是用于电磁波的具有介电常数的负实部的负介电常数介质的覆层。增益介质配备有在和电磁波的传播方向以及厚度方向垂直的宽度方向上与其至少一个侧面相邻的横向结构。该横向结构被这样配置，使得用于电磁波的具有介电常数的正实部的正介电常数介质在其厚度方向上于顶面和底面被处夹在用于电磁波的具有介电常数的负实部的负介电常数介质之间。波导由增益介质、横向结构、第一覆层和第二覆层构成。电磁波的频率一般包括从30GHz到30THz的频率范围的一部分。本专利技术的激光器装置包括第一覆层、第二覆层和横向结构，如上所述。因此，即使使用比振荡波长薄得多的增益介质，也可以使模强度的相对大的部分被限制于增益介质，因而波导损失减少，从而使得激光器振荡的阈值较低。由下面结合附图进行的示例实施例的说明可以清楚地看出本专利技术的其它特征。附图说明图1是表示按照本专利技术的激光器装置的一个实施例的截面图；图2是表示作为对照例的常规的激光器装置的截面图；图3A和3B是比较按照本专利技术的一个实施例的波导损失与常规的例子的波导损失的示意图；图4A和4B是比较按照本专利技术的一个实施例中的波数与常规的例子的波数的示意图；图5A和5B是表示按照例子1的激光器装置的结构的截面图；图6A和6B是表示按照例子2的激光器装置的结构的截面图；图7A和7B是表示按照例子3的激光器装置的结构的截面图；图8A和8B是表示按照例子4的激光器装置的结构的截面图；图9A和9B是表示本专利技术的一个修改实施例的截面图；以及图10是表示本专利技术的另一个修改实施例的截面图。具体实施例方式下面说明按照本专利技术的激光器装置的一个实施例。按照本专利技术的激光器装置的一个实施例包括对于要被振荡的电磁波(包括从30GHz到30THz的频率范围的部分)具有增益的增益介质；用于传播所述电磁波的波导；以及由用于谐振所述电磁波的波导构成的谐振结构。所述增益介质沿着电磁波的传播方向延伸，并在其厚度方向上于顶面和底面处被夹在由负介电常数介质构成的第一覆层和第二覆层之间。所述增益介质配备有包括正介电常数介质的横向结构，在垂直于电磁波的传播方向以及厚度方向的宽度方向上与该增益介质的至少一个侧面相邻。横向结构被这样配置，使得正介电常数介质在其厚度方向上于顶面和底面处被夹在负介电常数介质之间。利用这种方式，所述波导由增益介质、横向结构、第一覆层和第二覆层构成。此外，第一覆层和第二覆层中之一可配备有至少一个开口，借以使得驻波的一部分被提取到外部空间或外部传输线。图1是表示本实施例的激光器装置的截面图。在图1中，激光器装置包括负介电常数介质101和102，它们是对于要被振荡的电磁波的频率范围具有负实部的介电常数的物质。在从毫米波带到兆兆赫波带的频率范围内，负介电常数介质由包括载流子掺杂的半导体(例如InAs，InP，GaAs和Si)、金属(例如Ag，Au，Cu和Al)或这些材料的组合的材料构成。负介电常数介质一般也是导电材料，因此可以是透明的导电膜(例如ITO)。在从毫米波带到兆兆赫波带的频率范围内，和其它材料相比具有介电常数的相对大的虚部对实部的比率Im(ε)/Re(ε)(其中ε是复数介电常数)的金属可以最大限度地减少导体损失。因此，负介电常数介质101和102可以由金属构成。如图1所示，这种激光器装置包括在其顶面和底面处被夹在负介电常数介质101和102之间的增益介质103。增益介质一般是当载流子注入时产生增益的材料，并且为了实现从外部装置进行电流注入，增益介质103需要和负介电常数介质101、102电接触。因此，使用高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光器装置，包括：对于要被振荡的电磁波具有增益的增益介质；用于传播电磁波的波导；以及，由所述波导构成的用于谐振电磁波的谐振结构；其中增益介质在电磁波的传播方向上延伸，并在其厚度方向于顶面和底面处被夹在第一覆层和第二覆层之间，每个覆层都是用于电磁波的具有介电常数的负实部的负介电常数的覆层；其中所述增益介质配备有在和电磁波的传播方向以及厚度方向垂直的宽度方向上与该增益介质的至少一个侧面相邻的横向结构，该横向结构被这样配置，使得用于电磁波的具有介电常数的正实部的正介电常数介质在其厚度方向上于顶面和底面处被夹在用于电磁波的具有介电常数的负实部的负介电常数介质之间，并且其中该波导由增益介质、横向结构、第一覆层和第二覆层构成。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：关口亮太，尾内敏彦，
申请(专利权)人：佳能株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]