Способ перестройки частоты терагерцового квантово-каскадного лазера Российский патент 2024 года по МПК H01L27/15 

Изобретение относится к технологии создания терагерцовых квантово-каскадных лазеров (ТГц ККЛ) с возможностью перестройки частоты генерации излучения. Данный способ позволяет перестраивать частоту излучения при постоянных температуре и токе через лазер. Возможность перестройки частоты излучения в достаточно широких пределах является необходимым условием для применения лазеров данной конструкции в спектроскопии.

Наиболее простые способы перестройки частоты генерации ТГц ККЛ основаны на использовании зависимости показателя преломления активной среды лазера от температуры, а также зависимости положения максимума контура усиления лазера от приложенного к нему напряжения [Vitiello M. S., Tredicucci A. Tunable emission in THz quantum cascade lasers //IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. – 2011. – Т. 1. – №. 1. – С. 76-84.]. Такие методы характеризуются относительно невысокими коэффициентами перестройки: несколько десятков МГц/К по температуре (что на два порядка меньше, чем в случае ККЛ инфракрасного диапазона) и несколько МГц/мА по току. Данные коэффициенты не могут обеспечить широкий диапазон перестройки, обычно ограничивающийся несколькими гигагерцами. Кроме того, перестройка изменением температуры оказывается весьма медленной и приводит к сильному гашению генерации при температурах более 100 К, а перестройка прикладываемым напряжением/током носит скачкообразный характер. В связи с этими недостатками были разработаны различные способы перестройки частоты ТГц ККЛ с использованием специализированных конструкций.

Известен способ [Hempel M. et al. Fast continuous tuning of terahertz quantum-cascade lasers by rear-facet illumination //Applied Physics Letters. – 2016. – Т. 108. – №. 19. – С. 191106.] непрерывной перестройки частоты ТГц ККЛ, основанный на изменении показателя преломления активной среды лазера и её эффективной длины путём освещения заднего торца ККЛ лазерным диодом ближнего инфракрасного диапазона. Диапазон непрерывной перестройки достигал 9 ГГц. К недостаткам описанного способа можно отнести снижение выходной мощности ККЛ при увеличении мощности излучения лазерного диода, а также дополнительные затраты охлаждающей мощности.

Принципиально схожий способ, предложенный в работе [Ohtani K., Beck M., Faist J. Electrical laser frequency tuning by three terminal terahertz quantum cascade lasers //Applied Physics Letters. – 2014. – Т. 104. – №. 1. – С. 011107.], также основан на изменении показателя преломления активной среды ККЛ внешним электрическим полем. В данном способе это поле возникает в структуре транзистора с высокой подвижностью электронов, интегрированного в подложку ККЛ. Недостатками данного способа являются небольшой диапазон перестройки в 2 ГГц, а также большая чувствительность характеристик устройства к качеству производства.

Нелинейные эффекты также могут быть использованы для перестройки частоты ТГц ККЛ. В работе [Qian X. et al. Frequency tuning of THz quantum cascade lasers //Terahertz, RF, Millimeter, and Submillimeter-Wave Technology and Applications VIII. – SPIE, 2015. – Т. 9362. – С. 127-132.] описан способ перестройки частоты излучения ККЛ с использованием смешения частот излучения ККЛ и внешнего СВЧ излучения. Такой способ обеспечивает непрерывную перестройку частоты в диапазоне до 100 ГГц, при этом сохраняется хорошее качество пучка и одномодовый характер излучения ККЛ. Основным недостатком этого способа является крайне низкая выходная мощность, связанная с низким коэффициентом преобразования мощности нелинейного процесса смешения.

Известны также способы перестройки частоты излучения ТГц ККЛ с использованием пары лазеров, оптически связанных при помощи нанесённых на их поверхность фотонно-кристаллических решёток. Так, в способе, предложенном в работе [Kundu I. et al. Continuous frequency tuning with near constant output power in coupled Y-branched terahertz quantum cascade lasers with photonic lattice //ACS Photonics. – 2018. – Т. 5. – №. 7. – С. 2912-2920], моды двух ТГц ККЛ взаимодействовали через воздушный промежуток по принципу Вернье. С учётом этой связи независимое изменение напряжения на каждом из лазеров приводило к непрерывной перестройке частоты излучения всей системы в диапазоне до 19 ГГц. Достоинством этого способа также является практически неизменная выходная мощность во всём диапазоне перестройки.

Одним из наиболее распространённых способов перестройки частоты лазеров является использование внешнего резонатора. В работе [Lee A. W. M. et al. Tunable terahertz quantum cascade lasers with external gratings //Optics letters. – 2010. – Т. 35. – №. 7. – С. 910-912.] реализован способ перестройки частоты ТГц ККЛ при помощи внешнего резонатора, формируемого торцом ККЛ и внешней дифракционной решёткой. Диапазон скачкообразной перестройки частоты ККЛ достигал 165 ГГц, непрерывная же перестройка ограничивалась 9 ГГц. Принципиальные трудности в данном способе вызывает необходимость фокусировки пучка, отражённого от дифракционной решётки, обратно в резонатор ККЛ размером меньше длины волны излучения. В связи с этим предъявляются значительные требования к качеству используемых оптических элементов, таких как линза, антиотражающее покрытие, а также к самому пучку.

Другой способ [Castellano F. et al. Tuning a microcavity-coupled terahertz laser //Applied Physics Letters. – 2015. – Т. 107. – №. 26. – С. 261108.] позволяет перестраивать ТГц ККЛ с распределённой обратной связью второго порядка, которая формируется периодическими парными прорезями в верхней обкладке лазерного полоска. Этот способ также основан на использовании внешнего резонатора, который примыкает к резонатору ККЛ и формируется верхней обкладкой лазерного полоска и внешним металлическим зеркалом, параллельным ей. Перестройка частоты ККЛ оказывается возможной за счёт взаимодействия мод резонатора ККЛ с модами внешнего резонатора, размер которого изменяется подвижным зеркалом, посредством системы обратной связи. При использовании данного способа был достигнут диапазон непрерывной перестройки в 162 ГГц.

Известен способ [Curwen C. A., Reno J. L., Williams B. S. Broadband continuous single-mode tuning of a short-cavity quantum-cascade VECSEL //Nature Photonics. – 2019. – Т. 13. – №. 12. – С. 855-859.] перестройки частоты ТГц ККЛ особой конструкции – поверхностно излучающего ККЛ с внешним вертикальным резонатором. Такой лазер представляет собой конструкцию из активной метаповерхности со множеством лазерных полосков и выходного окна с высоким коэффициентом отражения, формирующего внешний резонатор. Широкий диапазон непрерывной перестройки в таких лазерах (до 880 ГГц) достигается за счёт работы активной метаповерхности на низших модах резонатора Фабри-Перо (m = 2), что значительно увеличивает диапазон свободной перестройки без перескока по модам. Подобный режим работы возможен благодаря очень короткому резонатору в комбинации с высокоотражающим зеркалом. В процессе перестройки сохраняются высокий уровень выходной мощности и хорошая форма пучка в дальнем поле в силу того, что излучательная апертура, в отличие от лазеров с торцевым излучением, в данном случае имеет порядок миллиметров.

Также существует способ [US 8532152 B2] перестройки частоты ТГц ККЛ, принятый за прототип, основанный на изменении поперечной компоненты волнового вектора лазерной моды. Продольная компонента волнового вектора фиксировалась путём создания распределённой обратной связи, в то время как поперечная компонента изменялась. Для этого использовался «проволочный» ККЛ, поперечное сечение которого много меньше длины волны излучения, и составляет порядка одной трети длины волны. Такая конструкция приводит к тому, что значительная часть поля моды выходит за пределы волновода, давая возможность эффективно влиять на неё путём приближения к боковой поверхности ККЛ металлического или диэлектрического плунжера. Таким образом была достигнута величина диапазона непрерывной перестройки в 137 ГГц, в последующих работах увеличенная до 330 ГГц за счёт уменьшения размера поперечного сечения ККЛ. К недостаткам данного способа относится сложное поведение выходной мощности в процессе перестройки и ее невысокий уровень, что является результатом сокращения размера апертуры.

Техническим результатом изобретения является конструктивно простой способ перестройки частоты ТГц ККЛ, в котором отсутствуют механически подвижные части. В предложенном способе для перестройки частоты ТГц ККЛ необходимо приложить напряжение смещения к перестроечному элементу, что требует использования стандартного блока питания. Кроме того, предложенный способ может быть реализован в ранее изготовленных ТГц ККЛ, что позволит улучшить характеристики данных приборов и сделать их более востребованными для прикладных задач.

Способ перестройки частоты излучения ТГц ККЛ основан на изменении поперечной компоненты волнового вектора лазерной моды с помощью перестроечного элемента, который должен быть оптически связан с резонатором лазера, т.е. лазерная мода должна пространственно перекрываться с перестроечным элементом. Такого рода оптическая связь может быть достигнута, когда ширина лазерного полоска ТГц ККЛ будет много меньше длины волны ТГц излучения в активной области лазера, что приведет к “вытеканию” лазерной моды из резонатора. Кроме того, для обеспечения существенного пространственного перекрытия лазерной моды и перестроечного элемента необходимо располагать перестроечный элемент на расстоянии менее 10 мкм от резонатора ТГц ККЛ (фиг. 1). В такой конфигурации появляется возможность изменять поперечную компоненту волнового вектора лазерной моды за счет изменения показателя преломления в перестроечном элементе при приложении внешнего электрического поля. Предпочтительнее использовать для перестроечного элемента материалы с ярко выраженной зависимостью показателя преломления от приложенного электрического поля в ТГц диапазоне, поскольку это позволит добиться максимальной перестройки частоты излучения ТГц ККЛ. В качестве таких материалов могут использоваться примесные полупроводники, полупроводниковые материалы с модулированным легированием и квантовыми ямами, сегнетоэлектрики и др.

Фиг. 1. Принципиальная схема ТГц ККЛ с перестроечным элементом, состоящая из:

поз. 1 – подложка;

поз. 2 – ТГц ККЛ;

поз. 3 – перестроечный элемент;

поз. 4 – напряжение смещение к ТГц ККЛ;

поз. 5 – напряжение смещение к перестроечному элементу;

поз. 6 – распределение интенсивности ТГц поля.

Пример 1

Терагерцовый квантово-каскадный лазер (ТГц ККЛ) с полосковой геометрией формируется на основе многослойной GaAs/AlGaAs или InGaAs/InAlAs гетероструктуры, выращенной методом молекулярно-лучевой или МОС-гидридной эпитаксии. Перестроечный элемент с контактными площадками для приложения внешнего электрического поля формируется рядом с резонатором ТГц ККЛ. При этом:

1) Ширина лазерного полоска ТГц ККЛ должна быть много меньше длины волны ТГц излучения в активной области лазера, что приведет к “вытеканию” лазерной моды из резонатора;

2) Перестроечный элемент должен быть оптически связан с резонатором ТГц ККЛ, чтобы лазерная мода пространственно перекрывалась с перестроечным элементом, т.е. перестроечный элемент должен располагается на расстоянии менее 10 мкм от резонатора ТГц ККЛ;

3) Перестроечный элемент должен иметь ярко выраженную зависимость показателя преломления от приложенного электрического поля в терагерцовом диапазоне, т.е. перестроечный элемент должен быть основан на примесных полупроводниках, полупроводниковых материалах с модулированным легированием и квантовыми ямами или сегнетоэлектриках.

4) Перестройка частоты генерации ТГц ККЛ должна осуществляться приложением напряжение смещения к перестроечному элементу.

Изобретение относится к технологии создания терагерцовых квантово-каскадных лазеров с возможностью перестройки частоты генерации излучения. Способ перестройки частоты генерации терагерцового квантово-каскадного лазера, который заключается в изменении поперечной компоненты волнового вектора лазерной моды за счет изменения показателя преломления в перестроечном элементе при приложении внешнего электрического поля, который оптически связан с резонатором квантово-каскадного лазера, при этом ширина лазерного полоска терагерцового квантово-каскадного лазера меньше длины волны терагерцового излучения, а перестроечный элемент обладает ярко выраженной зависимостью показателя преломления от приложенного электрического поля в терагерцовой области спектра и расположен на расстоянии не более 10 мкм от резонатора терагерцового квантово-каскадного лазера. Технический результат – упрощение схемы, в которой отсутствуют механически подвижные части. 1 ил.

Способ перестройки частоты генерации терагерцового квантово-каскадного лазера, который заключается в изменении поперечной компоненты волнового вектора лазерной моды за счет изменения показателя преломления в перестроечном элементе при приложении внешнего электрического поля, который оптически связан с резонатором квантово-каскадного лазера, при этом ширина лазерного полоска терагерцового квантово-каскадного лазера меньше длины волны терагерцового излучения, а перестроечный элемент обладает ярко выраженной зависимостью показателя преломления от приложенного электрического поля в терагерцовой области спектра и расположен на расстоянии не более 10 мкм от резонатора терагерцового квантово-каскадного лазера.