论文部分内容阅读
太赫兹(terahertz，THz)量子级联激光器(quantum cascade laser，QCL)是一种基于半导体子带间电子跃迁的发光器件。在1-5THz范围内，THz QCL是最高效的THz辐射源之一，具有输出功率高、尺寸小、全固态、电泵浦、易集成等优点。本论文系统研究了不同波导结构的THz QCL器件;实现了THz QCL的注入锁模和光谱调制;开发了高阶分布反馈THz QCL技术并大幅优化了器件远场光斑特性。主要工作如下: 1.利用德鲁德(Drude)理论模型获得THz QCL波导结构的折射率信息，通过有限元分析对4.3THz的波导结构进行了建模，研制了半绝缘表面等离子体波导与双面金属波导THz QCL器件，并从仿真和测试两方面对这两种波导结构的远场分布做了对比分析。仿真结果表明，双面金属波导结构具有更高的限制因子，可以有效地将本征模式电场限制在有源区内，但是其模式损耗大;由于波导口尺寸大，半绝缘表面等离子体THz QCL具有较好的远场光斑。在器件研制工艺上，重点研究了不同实验参数对金-金键合、干法刻蚀、氮化硅刻蚀的影响。器件测试结果表明，双面金属波导THz QCL器件可以在更高的温度下工作，但是由于远场光斑十分发散，导致收集到的功率小;而半绝缘表面等离子体波导THz QCL器件的远场发散角小，同时输出功率高。 2.实验研究了在不同驱动电流下THz QCL谐振腔对应的往返频率（其值等于相邻纵模模式的频率差）频谱、调制响应、频率牵引效应，揭示了往返频率可以被微波频率(radio frequency,RF)信号注入锁定。实验研究表明，在阈值电流附近改变RF信号的频率或者功率可以对THz QCL的光谱进行调制，即RF信号可以控制激射光谱的数目和位置等。同时，THz QCL纵模相邻模式之间的频率可以完全锁定在RF信号的频率，从而大幅提高器件的频率稳定性。锁频的THz QCL可应用于高精度光谱分析和高稳定的本征参考振荡源等应用领域。 3.研究通过改变光栅占空比降低波导有效折射率的方法，改善了三阶分布反馈(distributed feedback，DFB)THz QCL的相位匹配，并在实验上获得了高斯型、小发散角的远场光斑。对于33个光栅周期的三阶DFB THz QCL，通过频域的近-远场变换研究了不同光栅占空比器件的远场光斑形貌。仿真结果表明，可以通过改变三阶光栅的占空比使多周期器件获得相位匹配条件。在器件制备的过程中，采用了一种避免对下电极金属过度刻蚀从而防止器件被击穿的工艺方案，制作了不同脊波导宽度和光栅占空比的三阶DFB THz QCL器件并进行了测试表征。结果表明，光栅占空比为12％的器件比光栅占空比偏小的器件远场光束质量高，测得远场光斑的发散角为12°×13°。小发散角的三阶DFB THz QCL可应用于空间通信等领域。