專利名稱：一種表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光器半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，具體涉及一種表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器及其制作方法。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz)量子級(jí)聯(lián)激光器(quantum cascade laser,QCL)作為一種重要的太赫茲輻射源，具有體積小、重量輕、易集成等優(yōu)點(diǎn)，是太赫茲領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的研究主要集中在有源區(qū)和波導(dǎo)兩個(gè)方面，要求器件具有高工作溫度、低閾值電流密度、高轉(zhuǎn)換效率、高輸出功率、單模窄光譜線寬、小遠(yuǎn)場發(fā)散角等性能。太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)主要有單面金屬波導(dǎo)和雙面金屬波導(dǎo)，其中雙面金屬波導(dǎo)對(duì)太赫茲波損耗小、模式限制作用強(qiáng)，可為激光器提供更高的工作溫度。為了獲得穩(wěn)定的單模波輸出，通常在波導(dǎo)表面金屬層引入一階光柵，而不是利用波導(dǎo)兩個(gè)端面形成的F-P腔來產(chǎn)生諧振。對(duì)于邊發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，尤其是采用雙面金屬波導(dǎo)工藝的激光器，由于亞波長模式限制，垂直方向光束非常發(fā)散。而表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器則具有較大的發(fā)射面積，因此可望具有更窄的光束發(fā)散模式以及更大的功率輸出。在波導(dǎo)中引入二階光柵，利用光柵的一級(jí)衍射可以實(shí)現(xiàn)太赫茲波表面輻射。但表面發(fā)射波導(dǎo)端面的反射會(huì)影響激光的模式，而且大條寬、大面積容易激發(fā)橫向高次模。一個(gè)有效的解決方法為在波導(dǎo)兩端或四周制作吸收邊以減弱端面反射、抑制橫向高次模，但是吸收邊的引入往往使輸出功率變小。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器及其制作方法，用以實(shí)現(xiàn)大功率、窄線寬和小發(fā)散角太赫茲激光表面發(fā)射。為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器及其制作方法。一種表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，包括單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)、錐形耦合區(qū)波導(dǎo)和表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)；單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)和錐形耦合區(qū)波導(dǎo)采用一階光柵結(jié)構(gòu)，表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)采用二階光柵結(jié)構(gòu)；單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)內(nèi)部產(chǎn)生單模太赫茲種子光，錐形耦合區(qū)波導(dǎo)將所述太赫茲種子光放大并耦合到表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)，表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)使太赫茲激光垂直襯底表面出射。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)為窄條寬的脊形波導(dǎo)，窄條寬的脊形波導(dǎo)的表面刻蝕一階光柵，光柵為周期排列的平行狹縫，狹縫的長度小于脊形波導(dǎo)的條寬；所述單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)為在垂直方向從下至上依次為重?fù)诫sη型GaAs襯底、下金屬層、下接觸層、有源區(qū)、上接觸層、上金屬層；其中所述一階光柵的狹縫將所述上金屬層和上接觸層均刻通，或者一階光柵的狹縫將所述上金屬層、上接觸層和有源區(qū)均刻
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作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)遠(yuǎn)離錐形耦合區(qū)波導(dǎo)的端面鍍有高反射膜。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述錐形耦合區(qū)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)為在垂直方向從下至上依次為重?fù)诫sη型GaAs襯底、下金屬層、下接觸層、有源區(qū)、上接觸層、上金屬層；其中所述一階光柵的狹縫將所述上金屬層和上接觸層均刻通，或者一階光柵的狹縫將所述上金屬層、上接觸層和有源區(qū)均刻通；所述一階光柵的狹縫長度不到錐形耦合區(qū)波導(dǎo)的兩邊。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)為寬脊形波導(dǎo)；表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)為在垂直方向從下至上依次為重?fù)诫sη型GaAs襯底、下金屬層、下接觸層、有源區(qū)、上接觸層、上金屬層；其中所述二階光柵的狹縫將所述上金屬層和上接觸層均刻通， 或者二階光柵的狹縫將所述上金屬層、上接觸層和有源區(qū)均刻通；所述二階光柵的狹縫長度不到表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)的兩邊。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器為雙對(duì)稱結(jié)構(gòu)，中間為表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)，表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)的兩邊對(duì)稱分布錐形耦合區(qū)波導(dǎo)和單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器為單排陣列結(jié)構(gòu)，中間為表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)，表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)的一邊并行排列分布錐形耦合區(qū)波導(dǎo)和單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器為十字陣列結(jié)構(gòu)，中間為矩形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)，矩形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)刻蝕有同心矩形二階光柵，矩形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)的四邊分別分布連接錐形耦合區(qū)波導(dǎo)和單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器為環(huán)形陣列結(jié)構(gòu)，中間為圓形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)，圓形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)刻蝕有同心圓形二階光柵，圓形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)的周圍分布連接單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)。一種表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的制作方法，包括以下步驟步驟一，以半絕緣GaAs為襯底，外延生長一刻蝕阻擋層；在所述刻蝕阻擋層上外延生長一上接觸層；在所述上接觸層上外延生長一有源區(qū)；在所述有源區(qū)上外延生長一下接觸層，然后在下接觸層上電子束蒸發(fā)一下金屬層；至此形成一片襯底；步驟二，在另一重?fù)诫sη型GaAs襯底表面電子束蒸發(fā)Pd/Ge/Pd/ln薄膜形成另一片襯底；步驟三，將兩片襯底的金屬面相對(duì)，熱壓鍵合在一起；步驟四，對(duì)所述半絕緣GaAs襯底進(jìn)行拋光，直到離刻蝕阻擋層預(yù)設(shè)距離，然后采用濕法腐蝕，腐蝕到刻蝕阻擋層，再用HF酸去除刻蝕阻擋層；再用濕法腐蝕減薄上接觸層至設(shè)定厚度；采用剝離技術(shù)在所述半絕緣GaAs襯底上蒸發(fā)一上金屬層；以上金屬層為模版，自對(duì)準(zhǔn)刻蝕出單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)、錐形耦合區(qū)波導(dǎo)和表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)；再在單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)和錐形耦合區(qū)波導(dǎo)上光刻出一階光柵，在表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)上光刻出二階光柵，將上金屬層和上接觸層刻通。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)在遠(yuǎn)離表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)的端面鍍有高反射膜。作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，從所述上金屬層和重?fù)诫sη型GaAs襯底引出電極。如上所述，本發(fā)明所述的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器及其制作方法，具有以下有益效果實(shí)現(xiàn)了太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的大功率、窄線寬和小發(fā)散角太赫茲激光表面發(fā)射，單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)和錐形耦合區(qū)波導(dǎo)對(duì)于表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)還起到了吸收邊的作用，在一定程度上抑制了橫向高次模的激射，同時(shí)減少了單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)和表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)之間的耦合損失，減少了單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)的端面損失。


圖1為本發(fā)明所述的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明所述的雙對(duì)稱結(jié)構(gòu)的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明所述的單排陣列結(jié)構(gòu)的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明所述的雙排陣列結(jié)構(gòu)的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明所述的十字陣列結(jié)構(gòu)的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明所述的環(huán)形結(jié)構(gòu)的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。元件標(biāo)號(hào)說明01、重?fù)诫sη型GaAs襯底； 02、下金屬層；03、下接觸層；04、有源區(qū)；05、上接觸層；06、上金屬層；07、二階光柵；08、表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)；09、錐形耦合區(qū)波導(dǎo)；10、單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)；11、一階光柵；12、同心矩形二階光柵；13、同心圓形二階光柵。
具體實(shí)施例方式以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式
加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。請(qǐng)參閱附圖。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。鑒于太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器波導(dǎo)存在的一些問題，本發(fā)明從波導(dǎo)結(jié)構(gòu)出發(fā)，綜合幾種設(shè)計(jì)概念的優(yōu)點(diǎn)，提出一種有望具有輸出功率高、遠(yuǎn)場發(fā)散角小和光譜線寬窄等性能的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，該表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器包括單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)、錐形耦合區(qū)波導(dǎo)和表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)；單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)和錐形耦合區(qū)波導(dǎo)采用一階光柵結(jié)構(gòu)，表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)采用二階光柵結(jié)構(gòu)。單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)內(nèi)部產(chǎn)生單模太赫茲種子光，錐形耦合區(qū)波導(dǎo)將種子光放大并耦合到下一區(qū)，表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)使太赫茲激光垂直襯底表面出射。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)說明。實(shí)施例一本實(shí)施例提供一種表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，如圖1所示，包括單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)10、錐形耦合區(qū)波導(dǎo)09和表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08 ；單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)10和錐形耦合區(qū)波導(dǎo)09采用一階光柵11結(jié)構(gòu)，表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08采用二階光柵07結(jié)構(gòu)；單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo) 10內(nèi)部產(chǎn)生單模太赫茲種子光，錐形耦合區(qū)波導(dǎo)09將所述太赫茲種子光放大并耦合到表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08，表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08使太赫茲激光垂直襯底01表面出射。所述表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器整個(gè)器件以GaAs為材料，采用雙面金屬波導(dǎo)工藝，激光器的單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)10、錐形耦合區(qū)波導(dǎo)09和表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08三個(gè)部分為一整體，在同一襯底上制備，水平方向高度一致。單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)10為窄條寬的脊形波導(dǎo)，窄條寬的脊形波導(dǎo)的表面刻蝕一階光柵11，一階光柵為周期排列的平行狹縫，狹縫的長度小于脊形波導(dǎo)的條寬；所述單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)為在垂直方向從下至上依次為重?fù)诫sη型GaAs襯底01、下金屬層02、下接觸層03、有源區(qū)04、上接觸層05、上金屬層06 ；其中所述一階光柵的狹縫將所述上金屬層和上接觸層均刻通，或者一階光柵的狹縫將所述上金屬層、上接觸層和有源區(qū)均刻通。利用光柵分布負(fù)反饋(DFB)原理在波導(dǎo)中形成高質(zhì)量的單模種子激光。為了減少端面損失，單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)10遠(yuǎn)離錐形耦合區(qū)波導(dǎo)09的端面鍍有高反射膜。所述錐形耦合區(qū)波導(dǎo)09的結(jié)構(gòu)為在垂直方向從下至上依次為重?fù)诫sη型GaAs 襯底01、下金屬層02、下接觸層03、有源區(qū)04、上接觸層05、上金屬層06 ；其中所述一階光柵的狹縫將所述上金屬層和上接觸層均刻通，或者一階光柵的狹縫將所述上金屬層、上接觸層和有源區(qū)均刻通；所述一階光柵的狹縫長度不到錐形耦合區(qū)波導(dǎo)的兩邊，以保證波導(dǎo)電學(xué)導(dǎo)通。錐形耦合區(qū)波導(dǎo)09為銜接單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)10和表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08的區(qū)域波導(dǎo)，其作用是盡可能減少單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)和表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)之間的耦合損失。單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)較窄，而表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)較寬，錐形耦合區(qū)波導(dǎo)連接兩者呈現(xiàn)一端小一端大的錐形。單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)和錐形耦合區(qū)波導(dǎo)對(duì)于表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)還起到了吸收邊的作用，在一定程度上抑制了橫向高次模的激射。錐形耦合區(qū)波導(dǎo)表面也可以刻蝕一階光柵，種子光經(jīng)錐形耦合區(qū)波導(dǎo)繼續(xù)放大然后耦合進(jìn)入下一區(qū)域(即表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo))。所述表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08為寬脊形波導(dǎo)，寬度約為單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)寬度的2-3倍。 表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)為在垂直方向從下至上依次為重?fù)诫sη型GaAs襯底01、下金屬層 02、下接觸層03、有源區(qū)04、上接觸層05、上金屬層06 ；其中所述二階光柵的狹縫將所述上金屬層和上接觸層均刻通，或者二階光柵的狹縫將所述上金屬層、上接觸層和有源區(qū)均刻通；所述二階光柵的狹縫長度不到表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)的兩邊。表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08為寬脊形波導(dǎo)，有較大的出射面積，從而為大功率輸出、低遠(yuǎn)場發(fā)散提供條件。表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08的表面刻蝕有二階光柵，利用二階光柵的一級(jí)衍射產(chǎn)生垂直表面的輻射。所述二階光柵為周期排列的平行狹縫，周期約為一階光柵周期的兩倍，狹縫的長度小于波導(dǎo)的寬度，以保證波導(dǎo)電學(xué)導(dǎo)通。本發(fā)明所述的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器實(shí)現(xiàn)了太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的大功率、窄線寬和小發(fā)散角太赫茲激光表面發(fā)射，單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)和錐形耦合區(qū)波導(dǎo)對(duì)于表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)還起到了吸收邊的作用，在一定程度上抑制了橫向高次模的激射，同時(shí)減少了單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)和表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)之間的耦合損失，減少了單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)的端面損失。實(shí)施例二本實(shí)施例提供一種表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，其與實(shí)施例一所述的激光器的區(qū)別在于其采用了雙對(duì)稱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了輸出功率的倍增。通常二階光柵太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器沿光柵排列方向的兩端需要制作吸收邊，而采用雙對(duì)稱結(jié)構(gòu)則可以省去吸收邊的制作。這也為二階光柵表面發(fā)射激光器提供了一個(gè)方法，可以在波導(dǎo)兩端刻蝕一階光柵，既可以增加輸出功率，又可以抑制F-P腔反饋模式的激射。如圖2所示，其提供了一種雙對(duì)稱結(jié)構(gòu)的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的俯視示意圖，省略了襯底結(jié)構(gòu)的示意；中間為表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08，表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08的兩邊對(duì)稱分布錐形耦合區(qū)波導(dǎo)09和單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)10。該雙對(duì)稱結(jié)構(gòu)的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器可實(shí)現(xiàn)輸出功率的倍增。如圖3所示，其提供了一種單排陣列結(jié)構(gòu)的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的俯視示意圖，省略了襯底結(jié)構(gòu)的示意；中間為表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08，表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08的一邊并行排列分布錐形耦合區(qū)波導(dǎo)09和單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)10。即表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08的一端連接一排陣列結(jié)構(gòu)，每個(gè)陣列結(jié)構(gòu)在沿遠(yuǎn)離表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)的方向依次為錐形耦合區(qū)波導(dǎo)09 和單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)10。如圖4所示，其提供了一種雙排陣列結(jié)構(gòu)的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的俯視示意圖，省略了襯底結(jié)構(gòu)的示意；表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08的兩端均分別連接一排陣列結(jié)構(gòu)， 每個(gè)陣列結(jié)構(gòu)在沿遠(yuǎn)離表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)的方向依次為錐形耦合區(qū)波導(dǎo)09和單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)10。所述單排陣列結(jié)構(gòu)和雙排陣列結(jié)構(gòu)的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器可實(shí)現(xiàn)大功率輸出。如圖5所示，其提供了一種十字陣列結(jié)構(gòu)的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的俯視示意圖，省略了襯底結(jié)構(gòu)的示意；中間為矩形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08，矩形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo) 08刻蝕有同心矩形二階光柵12，矩形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08的四邊分別連接錐形耦合區(qū)波導(dǎo) 09和單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)10。所述四邊連接的單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)為窄條寬脊波導(dǎo)，窄條寬脊波導(dǎo)與矩形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)由錐形耦合波導(dǎo)連接。如圖6所示，其提供了一種環(huán)形結(jié)構(gòu)的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的俯視示意圖，省略了襯底結(jié)構(gòu)的示意；中間為圓形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08，圓形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08刻蝕有同心圓形二階光柵13，圓形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08的周圍分布連接單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)10。表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08為圓形，圓形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)08的四周環(huán)繞分布陣列結(jié)構(gòu)，每個(gè)陣列結(jié)構(gòu)均為單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)10。所述四周連接的單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)為窄條寬脊波導(dǎo)，因?yàn)檎瓧l寬脊波導(dǎo)分布較密集，錐形耦合波導(dǎo)可以省去。如圖2至6所示的波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)，均是提高輸出功率的有效方法。當(dāng)然本發(fā)明的
8保護(hù)范圍不限于上述幾種排列結(jié)構(gòu)，凡是從上述排列結(jié)構(gòu)衍生出來的結(jié)構(gòu)都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。將四個(gè)激光器單元按十字排列，中間為表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)，四周為窄脊型波導(dǎo)，兩者由錐形波導(dǎo)連接。中間表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)刻蝕二階矩形光柵。由于光柵的狹縫要求將上金屬層和上接觸層都刻通，因此矩形光柵表面發(fā)射區(qū)是電學(xué)開路的，沒有載流子注入，沒有光學(xué)增益，其作用是匯聚水平方向的太赫茲激光，然后耦合從表面發(fā)射，這要求表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)的波導(dǎo)損耗要盡可能低，因此，還可以考慮將有源區(qū)也刻通，既可以降低波導(dǎo)損失，還可以增加耦合強(qiáng)度。多個(gè)激光器單元還可以環(huán)形排列，中間為圓形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)，四周為環(huán)形分布的窄脊型波導(dǎo)。當(dāng)窄脊型波導(dǎo)分布較密集時(shí)，錐形耦合區(qū)可省去。中間表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)刻蝕二階同心環(huán)形光柵。這種環(huán)形陣列激光器的出射激光光束為圓形，輸出功率由于多個(gè)激光器單元疊加而大大增加。采用環(huán)形光柵的一個(gè)好處在于，發(fā)射區(qū)沒有載流子注入，沒有電流引起的熱源，工作溫度可大大降低。但同時(shí)也沒有光學(xué)增益，因此要求其波導(dǎo)損耗和面積盡可能小，而不至于窄脊型波導(dǎo)傳輸來的太赫茲波大量損失，因此要求將上金屬層和上接觸層都刻通，甚至將有源區(qū)也刻通。實(shí)施例三本實(shí)施例提供一種實(shí)施例一和二所述的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的制作方法，該制作方法采用雙面金屬波導(dǎo)工藝，包括以下步驟以半絕緣GaAs為襯底，分子束外延(MBE)生長約500納米厚的Ala ^Eia5As刻蝕阻擋層；在所述刻蝕阻擋層上分子束外延(MBE)生長約500納米厚的重?fù)诫sη型GaAs上接觸層，其作用是使金屬和GaAs形成非合金的歐姆接觸；在所述上接觸層上分子束外延(MBE)生長AWaAs/GaAs交替多層周期結(jié)構(gòu)有源區(qū)，厚度約10微米；在所述有源區(qū)上分子束外延(MBE)生長約50納米的重?fù)诫sη型GaAs下接觸層； 然后在GaAs下接觸層上電子束蒸發(fā)一下金屬層，所述下金屬層可以為Ti/Au薄膜，厚約1 微米；至此形成一片襯底；在另一重?fù)诫sη型GaAs襯底表面蒸發(fā)Pd/Ge/Pd/ln薄膜，厚度約1微米；至此形成另一片襯底；將兩片襯底的金屬面相對(duì)，熱壓鍵合在一起；對(duì)所述半絕緣GaAs襯底進(jìn)行拋光，直到離刻蝕阻擋層約100微米，然后采用濕法腐蝕，腐蝕到刻蝕阻擋層，再用HF酸去除刻蝕阻擋層；濕法腐蝕減薄上接觸層至50納米左右，以減少自由載流子吸收引起的波導(dǎo)損耗；采用剝離技術(shù)在所述半絕緣GaAs襯底上制作上金屬層；以上金屬層為模版，自對(duì)準(zhǔn)刻蝕出三個(gè)區(qū)域波導(dǎo)，即單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)、錐形耦合區(qū)波導(dǎo)和表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)；其中單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)寬約100微米，表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)寬度一般可為單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)寬度的2-3倍；再在單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)和錐形耦合區(qū)波導(dǎo)上光刻出一階光柵，在表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)上光刻出二階光柵，將上金屬層和上接觸層刻通。單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)遠(yuǎn)離表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)的端面由解離或刻蝕形成，并鍍有高反射膜。電極分別從上金屬層(06)和下金屬層(02)或重?fù)诫sη型GaAs襯底(01)引出。重?fù)诫sη型GaAs襯底底部電子束蒸發(fā)Ti/Au金屬層。
制作實(shí)施例二所述的雙對(duì)稱結(jié)構(gòu)(圖2)、單排陣列(圖3)、雙排陣列(圖4)、十字陣列(圖幻、環(huán)形陣列(圖6)等太赫茲激光器，并不會(huì)增加工藝步驟，只是增加了光刻部分圖形的復(fù)雜性。不過十字陣列和環(huán)形陣列的表面發(fā)射區(qū)刻蝕光柵，可能要增加深刻蝕工藝。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，其特征在于所述表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器包括單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)、錐形耦合區(qū)波導(dǎo)和表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)；單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)和錐形耦合區(qū)波導(dǎo)采用一階光柵結(jié)構(gòu)，表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)采用二階光柵結(jié)構(gòu)；單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)內(nèi)部產(chǎn)生單模太赫茲種子光，錐形耦合區(qū)波導(dǎo)將所述太赫茲種子光放大并耦合到表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)，表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)使太赫茲激光垂直襯底表面出射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，其特征在于所述單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)為窄條寬的脊形波導(dǎo)，窄條寬的脊形波導(dǎo)的表面刻蝕一階光柵，光柵為周期排列的平行狹縫，狹縫的長度小于脊形波導(dǎo)的條寬；所述單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)為在垂直方向從下至上依次為重?fù)诫sη型GaAs襯底、下金屬層、下接觸層、有源區(qū)、上接觸層、上金屬層；其中所述一階光柵的狹縫將所述上金屬層和上接觸層均刻通，或者一階光柵的狹縫將所述上金屬層、上接觸層和有源區(qū)均刻通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，其特征在于所述單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)遠(yuǎn)離錐形耦合區(qū)波導(dǎo)的端面鍍有高反射膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，其特征在于所述錐形耦合區(qū)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)為在垂直方向從下至上依次為重?fù)诫sη型GaAs襯底、下金屬層、下接觸層、有源區(qū)、上接觸層、上金屬層；其中所述一階光柵的狹縫將所述上金屬層和上接觸層均刻通，或者一階光柵的狹縫將所述上金屬層、上接觸層和有源區(qū)均刻通；所述一階光柵的狹縫長度不到錐形耦合區(qū)波導(dǎo)的兩邊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，其特征在于所述表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)為寬脊形波導(dǎo)；表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)為在垂直方向從下至上依次為重?fù)诫sη 型GaAs襯底、下金屬層、下接觸層、有源區(qū)、上接觸層、上金屬層；其中所述二階光柵的狹縫將所述上金屬層和上接觸層均刻通，或者二階光柵的狹縫將所述上金屬層、上接觸層和有源區(qū)均刻通；所述二階光柵的狹縫長度不到表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)的兩邊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，其特征在于 所述表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器為雙對(duì)稱結(jié)構(gòu)，中間為表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)，表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)的兩邊對(duì)稱分布錐形耦合區(qū)波導(dǎo)和單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，其特征在于 所述表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器為單排陣列結(jié)構(gòu)，中間為表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)，表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)的一邊并行排列分布錐形耦合區(qū)波導(dǎo)和單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，其特征在于 所述表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器為十字陣列結(jié)構(gòu)，中間為矩形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)，矩形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)刻蝕有同心矩形二階光柵，矩形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)的四邊分別分布連接錐形耦合區(qū)波導(dǎo)和單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，其特征在于 所述表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器為環(huán)形陣列結(jié)構(gòu)，中間為圓形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)，圓形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)刻蝕有同心圓形二階光柵，圓形表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)的周圍分布連接單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)。
10.一種權(quán)利要求1所述的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的制作方法，其特征在于， 包括以下步驟步驟一，以半絕緣GaAs為襯底，外延生長一刻蝕阻擋層；在所述刻蝕阻擋層上外延生長一上接觸層；在所述上接觸層上外延生長一有源區(qū)；在所述有源區(qū)上外延生長一下接觸層，然后在下接觸層上電子束蒸發(fā)一下金屬層；至此形成一片襯底；步驟二，在另一重?fù)诫sη型GaAs襯底表面電子束蒸發(fā)Pd/Ge/Pd/ln薄膜形成另一片襯底；步驟三，將兩片襯底的金屬面相對(duì)，熱壓鍵合在一起；步驟四，對(duì)所述半絕緣GaAs襯底進(jìn)行拋光，直到離刻蝕阻擋層預(yù)設(shè)距離，然后采用濕法腐蝕，腐蝕到刻蝕阻擋層，再用HF酸去除刻蝕阻擋層；再用濕法腐蝕減薄上接觸層至設(shè)定厚度；采用剝離技術(shù)在所述半絕緣GaAs襯底上蒸發(fā)一上金屬層；以上金屬層為模版，自對(duì)準(zhǔn)刻蝕出單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)、錐形耦合區(qū)波導(dǎo)和表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)；再在單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)和錐形耦合區(qū)波導(dǎo)上光刻出一階光柵，在表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)上光刻出二階光柵，將上金屬層和上接觸層刻通。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的制作方法，其特征在于所述單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)在遠(yuǎn)離表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)的端面鍍有高反射膜。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的制作方法，其特征在于從所述上金屬層和重?fù)诫sη型GaAs襯底引出電極。
全文摘要
本發(fā)明提供一種表面發(fā)射太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器及其制作方法，該激光器包括單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)、錐形耦合區(qū)波導(dǎo)和表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)；單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)和錐形耦合區(qū)波導(dǎo)采用一階光柵結(jié)構(gòu)，表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)采用二階光柵結(jié)構(gòu)；單模產(chǎn)生區(qū)波導(dǎo)內(nèi)部產(chǎn)生單模太赫茲種子光，錐形耦合區(qū)波導(dǎo)將所述太赫茲種子光放大并耦合到表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)，表面發(fā)射區(qū)波導(dǎo)使太赫茲激光垂直襯底表面出射。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的大功率、窄線寬和小發(fā)散角太赫茲激光表面發(fā)射，在一定程度上抑制了橫向高次模的激射，同時(shí)減少了波導(dǎo)之間的耦合損失和端面損失。
文檔編號(hào)B82Y20/00GK102545056SQ20121002369
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月2日
發(fā)明者萬文堅(jiān), 曹俊誠, 韓英軍 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所