有源区结构及具有宽带增益的太赫兹量子级联激光器

摘要

本发明提供一种有源区结构及具有宽带增益的太赫兹量子级联激光器，所述有源区结构用于太赫兹量子级联激光器，以增加所述太赫兹量子级联激光器的增益带宽，所述有源区结构包括至少三种依次叠置且具有不同太赫兹频率的有源区。本发明的有源区结构包括至少三种具有不同太赫兹频率的有源区，所述有源区结构具有较宽的增益谱，当将所述有源区结构用于太赫兹量子级联激光器时，可以有效增加所述太赫兹量子级联激光器的增益带宽，使得所述太赫兹量子级联激光器具有宽带增益的特性。

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电器件应用技术领域，特别是涉及一种有源区结构及具有宽带增益的太赫兹量子级联激光器。

背景技术

宽带增益在激光科学研究具有广阔的应用前景，其中宽带增益如果和锁模技术结合起来便可以形成宽谱的频率梳(comb)。频率梳在频率上可以用为标定，通常由短脉冲激光器或者非线性光学效应产生。可以作为频率梳的太赫兹量子级联激光器则在计量以及高分辨率的光谱应用起了重要作用。

太赫兹量子级联激光器是一种只有电子参与的单极激光器，电子通过子带间跃迁辐射太赫兹波。作为一种重要的太赫兹辐射源，太赫兹量子级联激光器具有体积小、易集成以及转换效率高等优点，是太赫兹领域的一个研究热点。然而，现有的太赫兹量子级联激光器的有源区具有单一的太赫兹频率，现有的太赫兹量子级联激光器的增益带宽较窄，不具备宽带增益特性。

因此，如何提供一种具有宽带增益的太赫兹量子级联激光器，以解决现有技术中的上述问题实属必要。

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有源区结构及具有宽带增益的太赫兹量子级联激光器，用于解决现有技术中的太赫兹量子级联激光器存在的增益带宽较窄，不具备宽带增益特性的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种有源区结构，所述有源区结构用于太赫兹量子级联激光器，以增加所述太赫兹量子级联激光器的增益带宽，所述有源区结构包括至少三种依次叠置且具有不同太赫兹频率的有源区。

作为本发明的一种优选方案，各所述有源区的材料为宽增益谱的材料。

作为本发明的一种优选方案，各所述有源区的材料的增益谱均大于300GHz。

作为本发明的一种优选方案，所述有源区结构包括依次叠置的第一有源区、第二有源区及第三有源区三种有源区，所述第一有源区发射的电磁波频率为4.8THz～5.0THz，所述第二有源区发射的电磁波频率为4.5THz～4.7THz，所述第三有源区发射的电磁波频率为4.2THz～4.4THz。

作为本发明的一种优选方案，各所述有源区均包括至少一叠层结构，所述叠层结构包括依次交替叠置的GaAs材料层及Al_0.25Ga_0.75As材料层。

作为本发明的一种优选方案，所述叠层结构包括5～15个由所述GaAs材料层及所述Al_0.25Ga_0.75As材料层构成的交替周期。

作为本发明的一种优选方案，所述叠层结构由下至上第二层所述GaAs材料层为Si掺杂GaAs材料层。

作为本发明的一种优选方案，各所述有源区均包括20～40层所述叠层结构。

作为本发明的一种优选方案，各所述有源区的增益谱之间至少部分相互重叠。

作为本发明的一种优选方案，各所述有源区的增益谱相互重叠的区域不少于各所述有源区增益谱的20％。

本发明还提供一种具有带宽增益的太赫兹量子级联激光器，所述具有宽带增益的太赫兹量子级联激光器包括：

衬底；

如上述任一任意方案中所述的有源区结构，所述有源区结构位于所述衬底上；

上接触电极，位于所述有源区结构上；

下接触电极，位于所述衬底上。

作为本发明的一种优选方案，所述衬底为GaAs衬底。

如上所述，本发明的有源区结构及具有宽带增益的太赫兹量子级联激光器，具有以下有益效果：

本发明的有源区结构包括至少三种具有不同太赫兹频率的有源区，所述有源区结构具有较宽的增益谱，当将所述有源区结构用于太赫兹量子级联激光器时，可以有效增加所述太赫兹量子级联激光器的增益带宽，使得所述太赫兹量子级联激光器具有宽带增益的特性；

本发明的具有宽带增益的太赫兹量子级联激光器包括由至少三种具有不同太赫兹频率的有源区构成的有源区结构，所述有源区结构具有较宽的增益谱，可以有效增加所述太赫兹量子级联激光器的增益带宽，使得所述太赫兹量子级联激光器具有宽带增益的特性。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中提供的有源区结构的立体结构示意图。

图2显示为本发明实施例一中提供的有源区结构中的叠层结构的截面结构示意图。

图3显示为本发明实施例一中提供的有源区结构中的第一有源区的截面结构示意图。

图4显示为本发明实施例一中提供的有源区结构中的第一有源区的能带图。

图5显示为本发明实施例一中提供的有源区结构中的第二有源区的能带图。

图6显示为本发明实施例一中提供的有源区结构中的第三有源区的能带图。

图7显示为本发明实施例一中提供的有源区结构的增益带宽图；其中，①曲线为第一有源区的增益带宽曲线，②曲线为第二有源区的增益带宽曲线，③曲线为第三有源区的增益带宽曲线，④曲线为所述具有带宽增益的太赫兹量子级联激光器的增益带宽曲线。

图8显示为本发明实施例二中提供的具有宽带增益的太赫兹量子级联激光器的立体结构示意图。

元件标号说明

1 有源区结构

11第一有源区

12第二有源区

13第三有源区

14叠层结构

141 GaAs材料层

1411Si掺杂GaAs材料层

142 Al_0.25Ga_0.75As材料层

2 衬底

3 上接触电极

4 下接触电极

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅图1，本发明提供一种有源区结构1，所述有源区结构1用于太赫兹量子级联激光器(THz Quantum Cascade Laser，QCL)，以增加所述太赫兹量量子级联激光器的增益带宽，所述有源区结构1包括至少三种依次叠置且具有不同太赫兹频率的有源区。

作为示例，各所述有源区的材料均为宽增益谱的材料。具体的，所述有源区的材料的增益谱均大于300GHz(吉赫兹)。

作为示例，如图1所示，以所述有源区结构1包括依次叠置的第一有源区11、第二有源区12及第三有源区13三种有源区作为示例，所述第一有源区11发射的电磁波频率为4.8THz(太赫兹)～5.0THz，所述第二有源区12发射的电磁波频率为4.5THz～4.7THz，所述第三有源区13发射的电磁波频率为4.2THz～4.4THz。优选地，所述第一有源区11发射的电磁波频率为4.92THz，所述第二有源区12发射的电磁波频率为4.60THz，所述第三有源区13发射的电磁波频率为4.31THz。

作为示例，请参阅图2及图3，各所述有源区均包括至少一叠层结构14，所述叠层结构14请参阅图2，所述叠层结构14包括依次交替叠置的GaAs材料层141及Al_0.25Ga_0.75As材料层142。

作为示例，以一层所述GaAs材料层141及一层所述Al_0.25Ga_0.75As材料层142作为一个周期，所述叠层结构14包括的上述周期的个数可以根据实际需要进行设定，优选地，所述叠层结构14包括5～15个由所述GaAs材料层141及所述Al_0.25Ga_0.75As材料层142构成的交替周期，更为优选地，本实施例中，所述叠层结构14包括9个上述周期。

作为示例，所述叠层结构14中的所述GaAs材料层141中有一层为掺杂层，优选地，本实施例中，所述叠层结构14由下至上第二层的所述GaAs材料层141为Si掺杂GaAs材料层。

作为示例，各所述有源区均包括20～40层所述叠层结构14，以所述有源区结构14包括所述第一有源区11、所述第二有源区12及所述第三有源区13为例，所述有源区结构14包括20～40层所述叠层结构14的所述第一有源区11、包括20～40层所述叠层结构14的所述第二有源区12及包括20～40层所述叠层结构14的所述第三有源区13。其中，图3以所述第一有源区11包括20～40层所述叠层结构14作为示例，所述的人有源区12及所述第三有源区13的结构与图3中所示的所述第一有源区11的结构大致相同。优选地，本实施例中，所述第一有源区11、所述第二有源区12及所述第三有源区13均包括25层所述叠层结构14。

需要说明的是，所述第一有源区11、所述第二有源区12及所述第三有源区13的结构应大致相同，具体体现为所述第一有源区11、所述第二有源区12及所述第三有源区13包括的所述GaAs材料层141及所述Al_0.25Ga_0.75As材料层142的层数相同，且所述第一有源区11、所述第二有源区12及所述第三有源区13中所述GaAs材料层141的厚度大致相同，且所述第一有源区11、所述第二有源区12及所述第三有源区13中所述Al_0.25Ga_0.75As材料层142的厚度大致相同。当然，；在其他示例中，也允许所述第一有源区11、所述第二有源区12及所述第三有源区13之间有部分材料层厚度有差异。

作为示例，各所述有源区的增益谱之间至少部分相互重叠，以所述有源区结构1包括所述第一有源区11、所述第二有源区12及所述第三有源区13为例，所述第一有源区11的增益谱、所述第二有源区12的增益谱及所述第三有源区13的增益谱三者之间彼此有重叠。各所述有源区的增益谱相互重叠的区域的大小可以根据实际需要进行设定，优选地，本实施例中，各所述有源区的增益谱相互重叠区域不少于各所述有源区增益谱的20％；譬如，所述第一有源区11的增益谱与所述第二有源区12的增益谱及所述第三有源区13的增益谱重叠的区域不少于所述第一有源区11的增益谱的20％；所述第二有源区12及所述第三有源区13同上。所述有源区结构1中各所述有源区的结构大致相同，且各所述有源区的增益谱相互重叠，这样可以确保所述有源区结构1应用于具有宽带增益的太赫兹量子级联激光器时使得所述太赫兹量子级联激光器的增益带宽展宽。

所述有源区结构1根据转移矩阵方法设计，下面，以所述有源区结构1包括所述第一有源区11、所述第二有源区12及所述第三有源区13作为示例，根据转移矩阵方法，对于一维薛定谔方程，波函数Ψ(x)满足：

其中，h表示普朗克常数，m^*表示有效质量，V表示外加电势，E为本征能量，z表示整个所述有源区结构1厚度。如果将整个所述有源区结构1离散化为N＝3500层，那么在任意两个连续的层j和j-1之间则满足：

Ψ_j-1(z_j-1)＝Ψ_j(z_j)(2)

而一维薛定谔方程解的形式一般认为是：

其中，

外加电势V_j随z变化规律则满足V(z,ε)＝V(z,0)-e·z·ε，其中ε表示外加电场强度，e表示单位电荷电量。

将式(2)(3)(4)用矩阵的形式表示：

那么对于整个所述有源区结构1则有：

考虑到边界条件A₀＝0以及B_N-1＝0，从式(8)中则可以得到：

α₂₂(E)＝0(9)

利用上述方法，在外加电场ε＝6×10⁵V/cm条件下，再根据E＝hv即可得到特定频率v时z的值。在MATLAB软件中通过对z的穷举来寻找我们需要的频率v。最终可以得到如下结果：

所述第一有源区11的一个叠层结构14中各层材料层的厚度参数为：4.1/3.8/1.0/22.4/1.1/13.3/2.1/11.8/3.1/9.6/3.1/8.7/3.1/7.7/3.1/17.2/3.4/14.8nm；所述第二有源区12的一个叠层结构14中各层材料层的厚度参数为：4.1/3.8/1.0/23.6/1.0/13.8/2.1/11.8/3.1/9.6/3.1/8.7/3.1/7.7/3.1/17.2/3.4/14.8nm；所述第三有源区13的一个叠层结构14中各层材料层的厚度参数为：4.1/3.0/1.0/24.4/1.0/13.3/2.1/11.8/3.1/9.6/3.1/8.7/3.1/7.7/3.1/17.2/3.4/14.8nm；其中，厚度参数中的数值中，加粗字体代表Al_0.25Ga_0.75As，未加粗字体代表GaAs，下划线层代表Si掺杂层，掺杂浓度1.2×10¹⁷cm^-3；即所述叠层结构14为Al_0.25Ga_0.75As与GaAs依次交替叠置的叠层结构。

然后，将所述第一有源区11、所述第二有源区12及所述第三有源区13依次生长，每个所述有源区生长25次，即所述第一有源区11包括25个所述叠层结构14、所述第二有源区12包括25个所述叠层结构14、所述第三有源区包括25个所述叠层结构14，便形成如图1所示的所述有源区结构1，所述第一有源区11的能带图如图4所示，所述第二有源区12的能带图如图5所示，所述第三有源区13的能带图如图6所示。然后，利用如下公式即可计算带宽增益：

对于叠加的第i个有源区(其中，i＝1表示第一有源区11，i＝2表示第二有源区12，i＝3表示第三有源区13)，上式中e＝1.6×10^-19c表示单位电荷电量，r＝1meV表示能级宽度，ε₀＝8.85×10^-12c²/cm表示介电常数，n_ref＝3.6表示相对折射率，L表示有源区厚度，λ表示波长，E表示本征能量，表示约化普朗克常数，ω表示角频率，z表示整个偶极矩阵元(dipole matrix element)，这些由开始的转移矩阵法计算得到。这样就可以分别求得所述第一有源区11、所述第二有源区12及所述第三有源区13的宽带增益及所述有源区结构1的宽带增益，得到的结构如图7所示；其中，①曲线为第一有源区的增益带宽曲线，②曲线为第二有源区的增益带宽曲线，③曲线为第三有源区的增益带宽曲线，④曲线为所述具有带宽增益的太赫兹量子级联激光器的增益带宽曲线。

对于所述有源区结构1应用于太赫兹量子级联激光器时的宽带增益则可以通过其中N₁＝N₂＝N₃＝25表示所述第一有源区11、所述第二有源区12及所述第三有源区13的生长的次数。最终计算得到所述有源区结构1的宽带增益的-3dB带宽变为了986GHz，如果所述有源区结构1的有源区只是其中一个而不是所述第一有源区11、所述第二有源区12及所述第三有源区13三个叠加起来，它的-3dB带宽大约只有200GHz。

实施例二

请结合图1至图7参阅图8，本发明还提供一种具有带宽增益的太赫兹量子级联激光器，所述具有宽带增益的太赫兹量子级联激光器包括：衬底2；如上述任一方案中所述的有源区结构1，所述有源区结构1位于所述衬底2上；所述有源区结构1的具体结构及特性请参阅

实施例一，此处不再累述；上接触电极3，所述上接触电极3位于所述有源区结构1上；下接触电极4，所述下接触电极4位于所述衬底上。

作为示例，所述衬底2为GaAs衬底，优选地，所述衬底2为重掺杂N型GaAs衬底。

作为示例，所述具有宽带增益的太赫兹量子级联激光器采用长腔结构，采用长腔结构可以保证光谱纵模间距小，从而让光谱具有较高的分辨率。需要说明的是，所谓长腔结构是指所述具有宽带增益的太赫兹量子级联激光器的谐振腔的长度的数量级大于波长的数量级。当然，在其他示例中，所述具有宽带增益的太赫兹量子级联激光器也可以采用微腔结构(即谐振腔的长度与波长在一个数量级)。

作为示例，所述上接触电极3及所述下接触电极4均可以采用金属电极，优选地，所述上接触电极3及所述下接触电极4的材料均可以为Ti(钛)及Au(金)中的至少一种。

综上所述，本发明提供一种有源区结构及具有宽带增益的太赫兹量子级联激光器，所述有源区结构用于太赫兹量子级联激光器，以增加所述太赫兹量子级联激光器的增益带宽，所述有源区结构包括至少三种依次叠置且具有不同太赫兹频率的有源区。本发明的有源区结构包括至少三种具有不同太赫兹频率的有源区，所述有源区结构具有较宽的增益谱，当将所述有源区结构用于太赫兹量子级联激光器时，可以有效增加所述太赫兹量子级联激光器的增益带宽，使得所述太赫兹量子级联激光器具有宽带增益的特性；本发明的具有宽带增益的太赫兹量子级联激光器包括由至少三种具有不同太赫兹频率的有源区构成的有源区结构，所述有源区结构具有较宽的增益谱，可以有效增加所述太赫兹量子级联激光器的增益带宽，使得所述太赫兹量子级联激光器具有宽带增益的特性。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。