中科院上海微系统与信息技术研究所曹俊诚教授团队：具有侧面取样光栅的单模太赫兹量子级联激光器

第一作者：邵棣祥

通讯作者：曹俊诚

通讯单位：中科院上海微系统与信息技术研究所太赫兹固态技术重点实验室

研究背景

量子级联激光器（QCL）是一种基于多量子阱子带间跃迁的半导体激光器，在1～5 THz频率范围内, QCL是最有效的电泵浦太赫兹（THz）辐射源，具有结构紧凑、易集成、输出功率高和转换效率高等优点。自2002年首次报道以来，THz-QCL得到了快速的发展。对于吸收光谱、通信和外差混频等大多数应用而言，单纵模、宽调谐范围的THz-QCL都是必要的。另一方面，由于大气中的水蒸气对太赫兹辐射有明显的衰减作用，因此大多数实际应用中希望THz-QCL具有较高的输出功率。为了实现单模THz-QCL，通常采用一阶、二阶和三阶分布反馈（DFB）光栅，其中侧面DFB光栅可以与脊波导同时制作，因此采用传统的制作工艺时不需要额外的步骤。采用一阶侧面DFB光栅的半绝缘表面等离子体波导THz-QCL已经实现了单模激射。

内容简介

取样光栅在光通信和中红外波段半导体激光器中得到了广泛的应用，而本文中，曹教授团队将其用于THz-QCL以提高输出功率，并实现单模工作。在侧面光栅中采用周期性取样的结构，可以降低侧面DFB光栅导致的波导宽度突然变化带来的传输损耗，还可以改善激光器的模式选择特性，从而实现单纵模激射。曹教授团队制作的侧面取样光栅THz-QCLs与传统的DFB光栅器件相比，输出峰值功率提高了11.8%，在10K时边摸抑制比（SMSR）大于20dB，且侧面取样光栅结构不会影响激光器的远场分布。

图文简介

一、器件设计和制作

有源区：基于束缚态向连续态跃迁和共振声子散射结合的结构，总厚度11μm，设计激射频率3.4THz。

波导结构：半绝缘表面等离子体波导，光场限制在顶层金属层和有源区下方的高掺杂n型接触层之间，并延伸到半绝缘衬底中。

光栅结构：如图1（a）所示，脊宽W_W=120μm，W_N=100μm，一阶光栅周期Λ=12.28μm，制作了取样光栅占空比分别为1（均匀光栅）、1/2/和1/3的芯片以进行比较。

制作工艺：外延层采用分子束外延（MBE）制作，Ti-Au顶部金属电极采用电子束蒸发和剥离工艺制作，脊波导和侧面取样光栅采用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺和湿法刻蚀工艺制作，侧面Ge/Au/Ni/Au电极通过蒸发和退火工艺形成。衬底减薄至150μm后背面沉积Ti/Au层，然后解理为2.5mm长度的器件并焊接到铜热沉上。

图1（a）侧面取样光栅THz-QCL的示意图，（b）脊宽120μm时基模场分布的仿真结果，（c）所制作器件的顶视图

二. 测试结果

测试时器件安装在一个带有聚乙烯窗口的闭氦低温恒温器上，脉冲电源的脉宽为5μs，重复频率为5kHz。

采用热电堆功率计测量器件的脉冲P-I特性曲线，如图2所示，10K温度下侧面取样光栅THz-QCL的阈值电流为550A/cm^2，略低于DFB光栅的情况，当取样光栅占空比为1/3时峰值输出功率取得最大值，与DFB光栅的情况相比增加了11.8%。这是因为与等长的DFB光栅相比取样光栅的光栅部分长度更短，因此减小了由于波导宽度的突变而导致光传输损耗。考虑到更大的占空比会造成光栅模式选择特性的减弱，实际中必须折中考虑输出功率和模式特性。

图2 10K、脉冲工作模式下侧面取样光栅THzQCLs的测试结果（a）P-I特性曲线和占空比为1/2时的V-I特性曲线；b）P-I特性的放大图；（c）占空比为1时的发射光谱

采用傅里叶红外光谱仪测量了器件的光谱特性。图3（a）显示FP腔器件具有典型的多纵模输出特性，而侧面取样光栅器件可以实现单纵模工作。图3（b）显示不同占空比的侧面取样光栅器件激射光谱的峰值不同，这可能来源于解理面位置不同带来的相移。占空比为1/2和1/3的器件SMSR分别可达24dB和20dB。

图3（a）占空比为1/2的侧面取样光栅与F-P结构THzQCLs发射光谱的比较；（b）10K、2.1A驱动电流的脉冲工作模式下占空比为1/2和1/3的侧面取样光栅THzQCLs发射光谱的比较

通过在离激光发射面约15cm的球面上旋转Golay探测器，测量了器件的远场分布，典型结果如图4（b）所示。测试结果表明器件具有单横模的特性，在半高全宽处测得侧向发散角（θ）为44°，横向发散角（Φ）为40°。

图4（a）远场测试中扫描角度的示意图；（b）测量得到的二维远场分布，侧面取样光栅THzQCLs的占空比为1/2，驱动电流为1.86A

总结

我们提出并实验验证了一种基于侧向取样光栅的THzQCLs，该器件具有工艺简单、成本低、输出功率高、可实现单模工作的优点。测试结果表明：侧向取样光栅THz-QCL的峰值功率随光栅占空比减小而增加，占空比为1/3时的输出峰值功率比DFB-THz-QCLs提高了11.8%。测试结果表明还显示，侧向取样光栅THz-QCLs的边模抑制比大于20dB，且取样光栅对器件的远场特性几乎没有影响。

作者介绍

曹俊诚，1994年获东南大学电子工程系博士学位。现任中科院上海微系统与信息技术研究所研究员（国家二级）、博士生导师。曹俊诚是国家杰出青年基金获得者、中科院“百人计划”入选者、国务院政府特殊津贴获得者、新世纪百千万人才工程国家级人选、国家科技部/基金委重大仪器项目首席科学家、上海市“优秀学科带头人计划”入选者、上海市自然科学牡丹奖获得者、江西省首批国家级引进人才入选者和“中国科学院优秀教师”称号获得者。担任国家第六代移动通信（6G）技术研发总体专家组专家、国家太赫兹技术领域主题专家组专家。兼任北京大学、上海交通大学、上海科技大学、华中科技大学和南昌大学等兼职/特聘教授。