单片集成电泵浦布拉格反射波导太赫兹激光器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种太赫兹激光输出的单片集成、电栗浦布拉格反射波导非线性频率转换光源，属于光电子器件技术领域。
【背景技术】
[0002]太赫兹(THz)波通常指频率在0.1THz-1OTHz (相应波长为3mm-30 μ m)的电磁波，它在物质结构表征、生物医学、环境监测、安全检查及国防等领域具有非常广阔的应用前景。太赫兹波可通过电子技术或光学技术的方式产生，但这些方法各有利弊。光电导天线、光整流、等离子体振荡和电子非线性传输线等方法产生的太赫兹辐射效率很低，发射的太赫兹光束平均功率只有纳瓦到微瓦的数量级。太赫兹自由电子激光器输出功率很高，但是其体积非常庞大，造价昂贵，难以实现商业化。基于半导体的全固态太赫兹量子级联激光器具有能量转换效率低、体积小、轻便、价格低廉和频率可调等特点，但这种器件目前工作温度低(低于240K)的缺点严重限制了其应用。近年来，基于非线性差频或参量转换技术产生的太赫兹辐射源取得了很大进展，但这些方法通常采用外部栗浦光源(如C02、Nd:YAG和半导体激光器等)注入到各向异性晶体(如KTP、LiNbO3, PPLN等)中进行非线性频率转换，体积较大，还需增加光束整形系统和反射镜等部分，系统比较复杂，而且需要精密的光学装调，不适合批量生产。GaAs/AlGaAs等II1- V半导体材料具有很高的非线性系数和宽的透明窗口，结合先进的半导体制备工艺非常适合发展单片集成的非线性频率转换光源，但其具有大的色散，难以实现相位匹配，为解决这个问题，人们采用双折射相位匹配、准相位匹配、高Q谐振腔、光子带隙结构、Cherenkov相位匹配等技术来实现非线性频率转换，但这些方法的光学转换效率不高，导致太赫兹波输出功率很低。
[0003]布拉格反射波导为一种具有线缺陷的一维光子晶体，它由上下布拉格反射镜(DBR)和中心腔组成，利用光子带隙效应限制光场，其导模有效折射率可低于布拉格反射波导的低折射率层，因此布拉格反射波导存在两种不同的光子带隙导引机制。在布拉格反射波导中，可控制不同波长的光波工作在不同光子带隙导引模式，从而实现完全相位匹配，产生高效率非线性频率转换。
[0004]加拿大多伦多大学利用布拉格反射波导作为非线性波导，采用1550nm波长和1950nm波长的外部激光源栗浦，通过差频实现了 7.9-8.9 μ m波长可调谐中红夕卜激 光(Dylan F.Logan, M.Giguere, A.Villeneuve, and Amr S.Helmy.Widelytunable mid-1nfrared generat1n via frequency convers1n in semiconductorwaveguides[J].0ptics Letters.November 2013.Vol.38.N0.21.pages 4457-4460.)，但目前尚未有实现太赫兹激光的报道，而且这种方法需要采用光学元件将外部光源输出的光耦合进布拉格反射波导中，系统复杂、体积较大，而且其低的耦合效率会降低转换效率。另夕卜，中国专利，申请号为201110272765.7，名称为“低横向发散角布拉格反射波导边发射半导体激光器”，该半导体激光器采用布拉格反射波导结构可实现低横向发散角、高亮度激光输出，但受太赫兹波段增益介质的本身限制，无法直接应用在太赫兹波段，目前仅在近红外波段实现了激光输出。
【发明内容】
[0005]本发明为了解决布拉格反射波导单独用于非线性频率转换波导或半导体激光器波导均无法实现太赫兹波激光输出的问题，提供一种紧凑的、单片集成电栗浦的太赫兹激光器。
[0006]为了达到上述目的，本发明的技术方案如下:
[0007]单片集成电栗浦布拉格反射波导太赫兹激光器，其特征是，该激光器的外延片采用BRL结构，它包括第一 DBR-BRL、第二 DBR-BRL、Y波导、功率放大器和非线性波导，其中:
[0008]第一 DBR-BRL和第二 DBR-BRL为单片上两个相邻的条形激光器，且两者之间刻有隔离沟槽，其表面分别刻有分布式布拉格反射光栅DBR I和DBR II，第一 DBR-BRL和第二DBR-BRL输出窄线宽且不同波长λ 2的激光；
[0009]第一 DBR-BRL和第二 DBR-BRL输出的光分别进入Y波导的两个输入端，Y波导上表面具有电绝缘层I，Y波导的输出端直接输出双波长λ JP λ 2的激光；
[0010]Y波导输出的光入射到功率放大器，功率放大器对进入的双波长λ jp λ 2激光产生功率放大；
[0011 ] 功率放大器输出的光入射到非线性波导，非线性波导上表面具有电绝缘层II，利用布拉格反射波导实现相位匹配，使注入的两种不同波长λ^Ρ λ 2的激光产生差频I/Xl-1fX2= I/λ 3，实现太赫兹激光λ3输出。
[0012]所述第一 DBR-BRL和第二 DBR-BRL结构层相同，且由下至上依次为衬底、N-包层、N-DBR、缺陷层、P-DBR、P-包层和P-盖层；N_DBR和P-DBR均由多对高、低折射率材料周期性组成，两者的周期对数可不相同；缺陷层折射率介于N-DBR和P-DBR的高低折射率层的折射率之间，其中间插入有源区。
[0013]第一 DBR-BRL、第二 DBR-BRL和功率放大器三部分分别具有P-电极1、P-电极II和P-电极III，且各电极之间刻有深的隔离沟槽；第一 DBR-BRL和第二 DBR-BRL工作在小电流范围，起种子激光注入作用，可分别改变第一 DBR-BRL和第二 DBR-BRL的注入电流，调节输出波长λ 2，从而实现输出太赫兹激光波长的可调谐；功率放大器工作在大电流范围，对注入的两种波长激光起功率放大作用，通过调节其电流可控制输出太赫兹激光的功率。
[0014]本发明的有益效果是:
[0015]本发明的太赫兹激光器中，所有部分均为单片集成、一次外延得到，器件为电栗浦方式，因此尺寸很小、结构紧凑。该激光器的外延结构采用布拉格反射波导代替传统的全反射波导结构进行光限制，它利用基频光和差频光工作在不同的光子带隙导引模式来实现完全相位匹配，从而高效的获得太赫兹激光输出。这种激光器通过在第一 DBR-BRL和第二DBR-BRL上刻蚀波长啁啾的光栅，实现单片集成、双波长激光输出，还可通过分别控制第一DBR-BRLl和第二 DBR-BRL2的注入电流改变波长，实现可调谐的太赫兹波激光输出。另外，本发明激光器外延方向采用布拉格反射波导结构，它具有高增益系数、大激光腔、强模式选择的特性，可输出窄光束发散的激光，从而降低应用成本。总之，本发明提出的单片集成电栗浦、波长可调谐及室温工作的太赫兹波激光器在材料科学、生命科学、信息技术和国防安全等多个领域具有非常光明的应用前景，有望推进太赫兹领域的应用进展。
【附图说明】
[0016]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0017]图1为本发明的单片集成电栗浦布拉格反射波导太赫兹激光器结构示意图。
[0018]图中:1、第一 DBR-BRL ;2、第二 DBR-BRL ;3、Y波导；4、功率放大器；5、非线性波导。
[0019]图2为单片集成电栗浦布拉格反射波导太赫兹激光器外延结构的折射率分布示意图。
[0020]图中:a、衬底;b、N_包层;c、N-DBR ;d、缺陷层;e、P_DBR ;f、P_ 包层;g、P_ 盖层。
[0021]图3为实施例1的激光器波导在不同波长下的材料折射率分布和导模有效折射率分布O
【具体实施方式】
[0022]如图1所示，单片集成电栗浦布拉格反射波导太赫兹激光器，所有部分均同时生长在同一衬底上，其外延结构自下至上依次为衬底、N-包层、N型布拉格反射镜(N-DBR)、缺陷层、P型布拉格反射镜(P-DBR)、P-包层和P-盖层。衬底为N型重掺杂的II1- V族化合物，如GaAs、InP、GaSb或GaN等。N-包层折射率通常低于N-DBR中的低折射率材料，用以抑制光场向衬底泄露。N-DBR由m对高折射率Ch和低折射率材料C 期交替生长得到。缺陷层通常不掺杂，有源区位于其中心，可为单层或多层量子阱、量子点等增益材料。P-DBR由η对低折射率材料&和高折射率材料E Η周期交