CN103633559B - 高功率低发散角的半导体太赫兹垂直面发射激光器 - Google Patents
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Abstract
一种高功率低发散角的半导体太赫兹垂直面发射激光器，包括：一高掺杂的接收衬底；一下金属波导光限制层，该下金属波导光限制层是由金属热键合形成，并位于接收衬底上；一下接触层，位于下金属波导光限制层上；一有源层，该有源层生长在下接触层上；一上接触层，该上接触层生长在该有源层上，并被制作成准周期等比数列同心圆光栅结构；一上金属层，该上金属层由电子束蒸发于上接触层上，并被制作成准周期等比数列同心圆光栅结构；其中，下金属层和下接触层构成下等离子体波导，上金属层和上接触层构成上等离子体波导，上下等离子体波导构成双面金属波导结构；所述下接触层、有源层、上接触层和上金属层被制作成环形结构，环形的有源层形成了环形谐振腔。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波段激光器件光波导技术领域，尤其涉及高功率低发散角的半导体太赫兹垂直面发射激光器。
背景技术
太赫兹量子级联激光器是一种小型的相干光源。由于在医学、生物科学、大气科学、安全检测、自由空间光通信等方面具有重大的应用，近年来太赫兹量子级联激光器的研究获得了广泛的关注。目前太赫兹量子级联激光器只能在较低的温度下工作，提高器件的工作温度将有利于器件的大规模应用。高的光输出功率和低的光斑远场发散角也有利于器件的实际应用。太赫兹量子级联激光器主要采用两种波导结构：双面金属波导和半绝缘等离子体波导。双面金属波导结构作为一种重要的波导结构，由于具有很高的光限制因子，降低了激光器的激射阈值，减少了注入功率消耗，使得器件的工作温度相比于半绝缘等离子体波导能得到大大的提升。但是由于双面金属波导结构在器件外延面方向的亚波长尺寸和高的腔面反射率，使得双面金属波导器件相较于半绝缘等离子体波导器件具有大的远场发散角和较低的输出功率，即使采用在激光器发光端面增加Si透镜等方法来改善远场发散角和输出功率，器件实际获得的远场发散角与输出功率也不能与半绝缘等离子体波导器件相比。这也限制了双面金属波导量子级联激光器边发射器件的实用性。所以如果能在提高器件工作温度的同时获得较高的输出功率和小的远场发散角将会大大提高器件的实用性。由于双面金属波导结构的限制因子很高接近于1，电磁场基本被限制在厚度为10μm左右的有源层里面，如果在这种结构上制作出表面金属二阶光栅，光栅将会与有源层内的光场有很强的相互作用，相比于半绝缘等离子体波导能提供较强的面耦合效率，从而能得到较高的面发射输出功率。这使得在双面金属波导结构上制作面发射器件成为了一种选择。当前世界上实现太赫兹双面金属波导面发射器件主要采用的方法是在器件金属面上刻蚀出均匀的二阶布拉格分布反馈光栅或者制作出均匀的光子晶体光栅结构。这类光栅结构从本质上决定了面发射的激射模式为电磁场的反对称模式，由于电磁场的反对称模式在空间上会相干相消，这就使得器件的面发射输出功率很低，如果能使得电磁场的对称模式得到激射，这就将大大提高器件的光输出功率。器件常用的谐振腔为简单的脊形波导谐振腔结构，这种结构由于在腔长和脊宽方向尺寸的不均匀性导致了在这两个方向上远场发散角的不对称，在器件腔长方向上能有效降低远场发散角，但是在脊宽方向上依然具有较大的发散角。虽然可以通过采用阵列的方式改善器件脊宽方向的发散角，但这种结构工艺制作复杂，不利于器件的大规模制作。于是研究人员提出了对称的谐振腔结构：六角形光子晶体面发射结构和环形腔同心圆光栅结构。这两种结构由于在二维方向具有对称的尺寸，所以远场发散角在两个方向都能得到有效的改善。基于以上讨论，为了获得器件的高面发射输出功率和低的远场光斑发散角，我们提出了一种新型的器件结构。本结构采用环形谐振腔改善器件的光斑远场发散角，同时为了提高器件的面发射输出功率，我们在器件表面设计制作了一种新型的光栅结构-准周期等比数列同心圆光栅结构。区别于传统的均匀二阶布拉格光栅结构，所谓准周期等比数列同心圆光栅结构是指其光栅结构是以环形谐振腔中心为圆形的一系列同心圆光栅，光栅周期从环形谐振腔中心向环形谐振腔边缘呈现等比数列方式变化，即其中比例系数a<1，即光栅周期由内向外逐渐变小。这种光栅结构能将电磁场的对称模式集中在环形腔的中心，而将电磁场的反对称模式推向环形谐振腔的边缘，形成一种光子量子阱现象。如果我们在环形谐振腔的边缘加上吸收边界条件，提高反对称模式的损耗，这就能使对称模式得到有效的激射，从而大大提高器件的光输出功率。由于太赫兹波段波长较长，这种光栅结构很容易通过制作光掩膜板进行接触光刻实现，工艺简单，具有较强的实验可操作性。
综上所述，本专利提出基于环形谐振腔的准周期等比数列同心圆光栅面发射器件结构，其独特之处在于在环形谐振腔上制作出准周期等比数列同心圆光栅。这种结构既能改善器件的光斑远场发散角又能提高器件的光输出功率。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高功率低发散角的半导体太赫兹垂直面发射激光器，其是采用基于环形谐振腔的准周期等比数列同心圆光栅结构，这种器件结构既能改善器件在二维方向上的光斑远场，形成低发散角的远场束斑，又能提高器件的面发射输出功率。
本发明提供一种高功率低发散角的半导体太赫兹垂直面发射激光器，包括：
一高掺杂的接收衬底；
一下金属波导光限制层，该下金属波导光限制层是由金属热键合形成，并位于接收衬底上；
一下接触层，位于下金属波导光限制层上；
一有源层，该有源层生长在下接触层上；
一上接触层，该上接触层生长在该有源层上，并被制作成准周期等比数列同心圆光栅结构；
一上金属层，该上金属层由电子束蒸发于上接触层上，并被制作成准周期等比数列同心圆光栅结构；
其中，下金属层和下接触层构成下等离子体波导，上金属层和上接触层构成上等离子体波导，上下等离子体波导构成双面金属波导结构；所述下接触层、有源层、上接触层和上金属层被制作成环形结构，环形的有源层形成了环形谐振腔。
从上述技术方案可以看出，本发明一种高功率低发散角的半导体太赫兹垂直面发射激光器具有以下有益效果：
1、器件采用环形谐振腔结构，利用这种结构在二维方向上的对称性改善器件光束在二维方向上的远场发散角。
2、基于环形谐振腔结构，器件采用准周期等比数列同心圆光栅，这种光栅能有效使得电磁场的对称模式得到激射，提高器件的面发射输出功率。且这种光栅制作工艺简单，具有较强的实验可操作性。
附图说明
为了进一步说明本发明的特征和效果，下面结合附图对本发明做进一步的说明，其中：
图1所示为激光器件俯视图，器件谐振腔采用环形谐振腔。
图2为图1所示处器件的横截面示意图。光栅构型采用的是准周期等比数列同心圆光栅结构。
图3为图2所示横截面处器件的表面光场强度分布。器件表面处光强集中在环形谐振腔中心，光强向边缘逐渐减弱，形成光子量子阱现象。
具体实施方式
请参阅图1及图2所示，本发明提供一种高功率低发散角的半导体太赫兹垂直面发射激光器10，包括：
一高掺杂的接收衬底1，所述的高掺杂的接收衬底1为n型掺杂的GaAs衬底，掺杂浓度为1×1018-2×1018cm-3，该衬底用于与外延片进行金属热键合；
一下金属波导光限制层2，该下金属波导光限制层2是由金属热键合形成，并位于接收衬底1上，所述的下金属波导光限制层2的材料为In—Au，其是采用双面金属波导In／Au热键合工艺制备的；
一下接触层3，位于下金属波导光限制层2上，所述的下接触层3是采用MBE方法生长的n型掺杂的GaAs，掺杂浓度为2×1018cm-3，厚度为0.2μm；
一有源层4，该有源层4生长在下接触层3上，所述的有源层4是由周期性的GaAs／Al0.15Ga0.85As超晶格组成，共120个周期，该有源层4材料结构对应的增益频率为1-5THz；
一上接触层5，该上接触层5生长在该有源层4上，并被制作成准周期等比数列同心圆光栅结构，所述上接触层5的材料为由MBE所生长的n型掺杂的GaAs，掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为0.2μm；
一上金属层6，该上金属层6由电子束蒸发于上接触层5上，并被制作成准周期等比数列同心圆光栅结构，所述的上金属层6的材料为Ti／Au，其厚度为3／100nm，并用光刻板作为掩膜；
其中准周期等比数列同心圆光栅结构的光栅周期从环形谐振腔中心向环形谐振腔边缘呈现等比数列方式变化，即其中比例系数a<1，即光栅周期由内向外逐渐变小。这种光栅结构能将电磁场的对称模式集中在环形腔的中心，而将电磁场的反对称模式推向环形谐振腔的边缘，形成一种光子量子阱现象。我们在环形谐振腔的边缘加上吸收边界条件，提高反对称模式的损耗，这就能使对称模式得到有效的激射，从而大大提高器件的光输出功率。由于太赫兹波段波长较长，这种光栅结构很容易通过制作光掩膜板进行接触光刻实验实现，工艺简单，具有较强的实验可操作性。
其中，下金属层2和下接触层3构成下等离子体波导，上金属层6和上接触层5构成上等离子体波导，上下等离子体波导构成双面金属波导结构；所述下接触层3、有源层4、上接触层5和上金属层6被制作成环形结构，环形的有源层4形成了环形谐振腔。
请参阅图3，光场强度20从激光器10的中心向边缘逐渐减弱，形成光子量子阱现象。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高功率低发散角的半导体太赫兹垂直面发射激光器，包括：
一高掺杂的接收衬底；
一下金属波导光限制层，该下金属波导光限制层是由金属热键合形成，并位于接收衬底上；
一下接触层，位于下金属波导光限制层上；
一有源层，该有源层生长在下接触层上；
一上接触层，该上接触层生长在该有源层上，并被制作成准周期等比数列同心圆光栅结构，该准周期等比数列同心圆光栅结构是指其光栅以环形谐振腔中心为圆形的一系列同心圆光栅，光栅周期Λ从环形谐振腔中心向环形谐振腔边缘呈现等比数列方式变化，即Λb+1＝aΛb，其中比例系数a＜1，该准周期等比数列同心圆光栅个数b≥0，即光栅周期由内向外逐渐变小；
一上金属层，该上金属层由电子束蒸发于上接触层上，并被制作成准周期等比数列同心圆光栅结构；
其中，下金属层和下接触层构成下等离子体波导，上金属层和上接触层构成上等离子体波导，上下等离子体波导构成双面金属波导结构；所述下接触层、有源层、上接触层和上金属层被制作成环形结构，环形的有源层形成了环形谐振腔。
2.根据权利要求1所述的高功率低发散角的半导体太赫兹垂直面发射激光器，其中所述的高掺杂的接收衬底为n型掺杂的GaAs衬底，掺杂浓度为1×1018-2×1018cm-3。
3.根据权利要求1所述的高功率低发散角的半导体太赫兹垂直面发射激光器，其中所述的下金属波导光限制层的材料为In-Au，其是采用双面金属波导In/Au热键合工艺制备的。
4.根据权利要求1所述的高功率低发散角的半导体太赫兹垂直面发射激光器，其中所述的下接触层是采用MBE方法生长的n型掺杂的GaAs，掺杂浓度为2×1018cm-3，厚度为0.2μm。
5.根据权利要求1所述的高功率低发散角的半导体太赫兹垂直面发射激光器，其中所述的有源层是由周期性的GaAs/Al0.15Ga0.85As超晶格组成，共120个周期，该有源层材料结构对应的增益频率为1-5THz。
6.根据权利要求1所述的高功率低发散角的半导体太赫兹垂直面发射激光器，其中所述上接触层的材料为由MBE所生长的n型掺杂的GaAs，掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为0.2μm。
7.根据权利要求1所述的高功率低发散角的半导体太赫兹垂直面发射激光器，其中所述的上金属层的材料为Ti/Au，其厚度为3/100nm，并用光刻板作为掩膜。
8.根据权利要求1所述的高功率低发散角的半导体太赫兹垂直面发射激光器，其中在上接触层和上金属层上制作出准周期等比数列同心圆光栅结构是通过光刻、湿法腐蚀的方法制备的。
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