太赫兹量子级联激光器

太赫兹技术近年来发展迅速,应用越来越广泛,是当前的热门研究领域。太赫兹量子级联激光器是产生太赫兹辐射的重要器件,对太赫兹量子级联激光器的发展,以及有源区和波导层的设计等进行了详细讨论。     

单模太赫兹量子级联激光器

为了获得窄线宽太赫兹光源,制作了基于表面金属光栅的单模太赫兹量子级联激光器。通过优化光栅结构,获得了具有较强耦合效率和较低损耗的光栅结构参数。波导结构采用半绝缘表面等离子体波导以便能获得较高的光输出功率。激光器单模激射波长为95μm。10 K时,器件最高单模输出功率达到了43 m W,单模抑制比为18 d B。单模器件工作温度超过70 K,在70 K时,仍然有5 m W的单模输出功率。这种输出性能良好的激光器有望作为太赫兹接收机的本振源。     

太赫兹量子级联激光器研究进展

量子级联激光器(QCL)是一种基于多量子阱子带间跃迁的单极性半导体激光器,激射频率位于中远红外以及太赫兹(THz)波段。在1～5 THz激射频率范围内,THz QCL是最有效的电泵浦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。本文首先对THz QCL的有源区结构、波导结构以及材料体系进行了简介,然后从有源区方面对极限激射频率、高工作温度、大输出功率等高性能THz QCL进行了梳理,接着从波导结构方面对一维光栅、二维光子结构、超表面结构等THz QCL光子工程研究进展进行了综述。另外对主动稳频THz光频梳、被动稳频THz光频梳、THz双光梳等THz QCL光频梳方面的最新研究成果进行了介绍。     

高输出功率太赫兹量子级联激光器与温度特性

半导体太赫兹量子级联激光器(THz QCL)是一种相干性好线宽窄的太赫兹辐射源,有潜力获得高的输出功率.采用基于非平衡格林函数(NEGF)方法的计算工具设计、生长、制备了基于砷化镓系材料的THz QCL.在10 K温度下,峰值功率达到270 mW,平均功率为2. 4 mW,单位面积的输出功率与已报道的最高值相当.采用NEGF方法对器件的温度变化特性做了详细的分析.     

太赫兹量子级联激光器有源区有限元模拟

采用有限元分析法解决了太赫兹量子级联激光器(THz QCL)有源区模拟问题。由于InP基差频THz QCL有源区为千层纳米结构,无法拆分实验探索,因此模拟分析显得尤为必要。首先列出有源区量子结构的薛定谔方程,而后采用Galerkin有限元法改写薛定谔方程,再根据连续性和边界条件,得到本征值矩阵方程,最后采用Matlab写出运算程序求解本征值矩阵方程,求出波函数。针对不同有源区量子结构,设定材料、组分、厚度和周期数及外加偏压等参数,即可得到波函数模方、能级、频率和波长等模拟结果。选取InP基差频THz QCL结构进行验证,结果表明此模型切实可行,其拓展应用也可以解决GaAs THz QCL模拟问题。     

高输出功率锥形波导太赫兹量子级联激光器

制作了基于锥形波导结构的高输出功率的太赫兹(THz)量子级联激光器。激光器采用单面金属波导结构,并采用锥形波导形状提高光输出功率,且保证了良好的光斑远场发散角。激光器水平方向远场光斑发散角为18.4?,器件输出中心波长为93 μm(3.23 THz),器件最高输出功率达到了185 mW,最高工作温度为95 K。80 K时,器件的最高脉冲输出功率能达到65 mW。基于如此高的输出功率,制作了液氮杜瓦封装的小型便携式太赫兹激光源。     

太赫兹量子级联激光器光注入特性

基于三能级速率方程,研究了独立运行、主从注入和相互注入太赫兹量子级联激光器(THz-QCLs)的相对强度噪声和调制特性。在自由运行情况下,THz-QCL的自发辐射噪声在低频时表现出白噪声特性。与传统的半导体激光器不同,在低频区没有对应于弛豫振荡的共振峰。主从注入可以有效降低THz-QCLs噪声20 dB,提高THz-QCLs低噪声工作的效率。对于互注入THz-QCLs,即使在锁相区,噪声也明显高于自由运行情况。通过应用注入锁定方案,与直接调制方案相比,可以大大增加调制带宽。     

GaAs/AlGaAs太赫兹量子级联激光器的热分析

为研究太赫兹量子级联激光器(THz QCLs)中的热传输及有效散热方法,建立了二维/三维有限元热分析模型,模拟计算了GaAs/AlGaAs THz QCLs低温工作时的温度及热流分布;并讨论了源区结构参数、热沉材料及散热膜层对器件热传输的影响规律。研究结果表明,器件源区温度水平方向分布较均匀,垂直方向温差大,源区热量主要依靠热沉导出;减小源区厚度、增加腔长与减小脊宽均有利于促进热传导并降低源区温度;在器件顶部增加AlN薄膜具有显著的辅助散热效果,当薄膜厚度大于8 μm时,源区温降趋于缓慢。     

共振声子太赫兹量子级联激光器研究

针对四阱有源区、一阱注入区及三阱有源设计,采用蒙特卡洛模拟方法研究了共振声子太赫兹量子级联激光器的性能差异。采用傅里叶变换光谱仪及远红外探测器测量了四阱共振声子太赫兹量子级联激光器的低温电光特性。详细讨论了提高太赫兹量子级联激光器发射功率的方案。     

Horn antennas for terahertz quantum cascade lasers

Far-field pattern and extraction efficiency of double metal 1.8 THz quantum cascade lasers (QCL) are controlled using miniaturised horn antennas. Enhancement of the optical output power of ten times and quasi-circular beam pattern are obtained     

宽谱太赫兹量子级联激光器的自混合特性

基于传输矩阵理论及多模速率方程,研究了宽谱太赫兹量子级联激光器在不同光反馈强度下的自混合动力学特性.研究发现,在弱反馈下光场自混合对激光器光谱特性影响很小;反射物位置移动时的自混合信号呈正弦规律变化,同时自混合信号幅度随反射物位置的变化表现出周期性调制现象.宽谱量子级联激光器在弱反馈下可以应用于测距、成像及光谱测量.在...     

InGaAs/GaAsSb/InP terahertz quantum cascade lasers

The development of In_0.53Ga_0.47As/GaAs_0.51Sb_0.49 terahertz quantum cascade lasers is reviewed, starting with the first demonstration, through growth direction dependent performance issues, to high performance devices. This InP-based material system is an attractive alternative to the almost exclusively used GaAs/Al_xGa_1-xAs. Devices achieve maximum operating temperatures of 142 K and exhibit broadband lasing over a range of 660 GHz. A special focus has to be put on the growth direction related interface asymmetry for this material system. Symmetric active region designs are an elegant technique to investigate such asymmetries. A significant impact on the device performance is observed and attributed to interface roughness scattering.     

基于偏振调节的太赫兹量子级联激光器双光梳研究

太赫兹量子级联激光器（THz QCL）双光梳在光谱检测、测距、成像等领域具有重要应用。双光梳信号严重依赖THz耦合光功率。利用THz QCL激射光为线偏振光的特性,在双光梳光路上插入线偏振片,通过旋转偏振片以达到对THz光强进行调节的作用。系统研究了THz QCL双光梳谱和功率与偏振角度的依赖关系,为实现高稳定THz双光梳光源与应用奠定基础。     

基于布拉格反射镜的单模太赫兹量子级联激光器

常规的分布式布拉格反射（DBR）半导体激光器中,增益区域所对应的自由谱间距应大于DBR高反射率带宽的1/2,以获得稳定的单模激射。该条件限制了DBR激光器的阈值和功率特性。文章首次提出并实现了基于DBR选模的太赫兹量子级联激光器（THz-QCL）,并突破了上述限制。作者所实现的THz-QCL采用脊波导结构,利用解理腔面和DBR反射镜构成谐振腔,利用有源区增益谱较窄的特点,通过调整DBR反射率谱使增益谱与DBR高反射带在频域中部分重叠,从而获得了单模激射的THz-QCL。该方案使得DBR高反射带显著宽于自由谱间距,即显著提高了激光器中增益区域的长度,从而降低阈值并提高功率特性。实验上,作者研制出增益区域长达3.6 mm的DBR激光器,单模激射的频率为2.7 THz,边模抑制比达到25 dB,该激光器的阈值和温度特性与相同材料制备的法布里-泊罗腔多模激光器相当。文章中的工作为实现高性能单模太赫兹量子级联激光器提供了新的研究思路。     

太赫兹量子级联激光器中的光电调控：综述

太赫兹量子级联激光器作为目前产生太赫兹激光的最有效手段之一,如何提升其性能表现一直是科学界所关注的重点。本篇综述将从光电调控的角度,阐述目前太赫兹量子级联激光器的性能进展。从激光器有源区设计原理开始,介绍几种新的有源区设计,再从谐振腔的角度介绍一系列新的结构,并展示他们对于功率和光束质量的提升。最后,阐述了太赫兹量子级联激光器在偏振调控和频率调谐的最新进展。     

THz量子级联激光器跃迁速率的数值求解及验证

THz量子级联激光器(QCL,quantum cascade laser )有源区载流子的跃迁速率是研究激光器内部输运特性,模拟激光器特性和优化设计的关键 参数。本文针对跃迁速率的计算问题,在连续介质模型下提出了一种运用自洽方法和费米黄 金法则计算THz QCL有源区载流子跃迁速率的方法。方法考虑了包括电子-纵向光声子散射 、电子-电子散射机制以及电子-光子散射对跃迁速率的影响。利用本文方法对已报道的TH z QCL进行了数值模拟,讨论了温度参数和注入掺杂浓度参数对跃迁速率的影响并进行了模 拟分析,分析结果与已报道的理论和实验结果一致,验证了方法的适用性和准确性。本文方 法的提出为运用速率方程法进行THz QCL有源层的建模和优化设计提供了基础。     

Si-based quantum staircase terahertz lasers

Design results are presented for electrically pumped quantum staircase intersubband p-i-p SiGe/Si strain-balanced superlattice lasers to be operated at 77 K or higher. The wavelength of laser emission will be in the THz range. Two approaches of quantum staircase lasers will be presented, one utilizes the inverted light-hole effective mass, while the other inverted heavy-hole mass. Optical gain on the order of a few 100 cm⁻¹ can be achieved for both laser designs.