Одночастотный квантово-каскадный лазер терагерцового диапазона Российский патент 2025 года по МПК H01S5/323 

Изобретение относится к технологии создания квантово-каскадных лазеров терагерцового диапазона (ТГц ККЛ) с возможностью работы в одночастотном режиме генерации. Данный способ позволяет обеспечить генерацию терагерцового излучения на одной продольной моде резонатора Фабри-Перо при определенных значениях температуры и тока через лазер. Кроме того, существует возможность подстройки значений температуры/тока, при которых ТГц ККЛ будет работать в одночастотном режиме.

Возможность работы ТГц ККЛ в одночастотном режиме генерации в широком диапазоне токов и температур является необходимым условием для применения данных лазеров в спектроскопии высокого разрешения. В терагерцовом диапазоне находится большое число спектральных линий поглощения многих молекул (CO, OH и др.) и атомов (OI и др.), что позволяет эффективно идентифицировать и количественно характиризовать данные вещества при наличии соответствующих подходов для спектроскопии. Например, для решения ряда астрофизических задач необходимо измерять малые концентрации различных веществ в газовых облаках межпланетного пространства, что требует использования одночастотных терагерцовых источников с узкой спектральной линией в качестве локального осциллятора для гетеродинной спектросокпии. Таким источником может быть квантово-каскадный лазер, у которого за счет использования межподзонных переходов электронов в зоне проводимости и системы фазовой автоподстройки частоты ширина линии генерации составляет десятки кГц при центральной частоте генерации в диапазоне от 2 до 5 ТГц. При этом существует технологическая сложность создания одночастотных ТГц ККЛ, т.к. при использовании традиционной полосковой конструкции данные лазеры работают в многочастотном режиме генерации.

Подавляющее большинство ТГц ККЛ изготавливаются с полосковой геометрией, когда торцы гребневого мезаполоска (волновода) лазера формируются методом скалывания или методом плазмохимического травления. При такой конструкции коэффицент отражения торцов полоска -зеркал составляет более 50%, что формирует резонатор Фабри-Перо (ФП) с сильной обратной связью и большим числом продольных мод ФП. Это приводит к многочастотной генерации, когда спектр лазерного излучения содержит множество ФП мод с межмодовым интервалом от 10 ГГц до 70 ГГц при длине резонатора ФП от 4 мм до 0.5 мм. Ширина полосы генерации ТГц ККЛ, которая содержит гребенку ФП мод, определяется спектром усиления активной среды лазера и уровнем потерь в резонаторе (сумма потерь в волноводе и потерь на зеркалах). Спектр усиления активной среды ТГц ККЛ имеет неоднородный контур с максимумом, вблизи которого “зажигаются” наиболее интенсивные ФП моды. Обычно в спектрах генерации ТГц ККЛ присутствует от двух до пяти наиболее интенсивных мод ФП и набор ФП мод с кратно (в два и более раза) меньшей интенсивность. Одночастотным ТГц ККЛ будем называть лазер, у которого в спектре содержиться одна интенсивная мода ФП, а все остальные моды ФП подавлены с коэффициентом подавления боковых мод более 30 дБ.

Наиболее простым способом достижения одночастотной генерации ТГц ККЛ является использование резонаторов ФП малой длины, при которой поддерживается генерация только одной продольной моды ФП. Для такого подхода длина резонатора ФП должна быть менее 1 мм. Недостатком такого метода является снижение оптической мощности ТГц ККЛ из-за интегрального уменьшения площади активной среды. Кроме того, при таком подходе возрастают потери на зеркалах, которые обратно пропорциональны длине резонатора.

Одним из наиболее распространенных способов достижения одночастотной генерации является использование ТГц ККЛ с распределенной обратной связью (РОС), которая имеет селективную по пропусканию частоты периодическую структуру. В работе [Wienold M., Tahraoui A., Schrottke L., Sharma R., Lü X., Biermann K., Hey R., and Grahn H.T. Lateral distributed-feedback gratings for single-mode, high-power terahertz quantum-cascade lasers //Opt. Express. – 2012. – Т. 20. – С. 11207-11217] представлены ТГц ККЛ на основе поверхностно-плазмонного волновода с РОС на основе латеральной решетки первого порядка. Данный способ позволил продемонстрировать ТГц ККЛ в непрерывном режиме генерации с высокими выходными мощностями излучения. В спектре генерации таких лазеров присутствовала одна спектральная линия вблизи 3.3 ТГц. Отметим, что в данном случае частота генерации ТГц ККЛ определяется Брэгговской частотой решетки РОС, что позволяет подстраивать положение спектральной линии лазера под нужную частоту.

В работе [ Benjamin S. Williams, Sushil Kumar, Qing Hu, and John L. Reno. Distributed-feedback terahertz quantum-cascade lasers with laterally corrugated metal waveguides //Opt. Lett. – 2005. – Т. 30. – С. 2909-2911] продемонстрированы одночастотные ТГц ККЛ с РОС первого порядка на основе гофрированной формы двойного металлического волновода. На спектрах излучения, изготовленных ТГц ККЛ, измеренных при разных значениях тока инжекции и температуре 8 К, для трех периодов РОС с Λ = 15.0, 15.5, 16.0 мкм, присутствует линия генерации с частотой 2.935, 2.853 и 2.776 ТГц, соответственно. ТГц ККЛ без РОС, изготовленные на той же пластине, излучали многомодовый спектр на частотах в диапазоне 2.7–2.85 ТГц. Пиковая мощность, излучаемая ТГц ККЛ с РОС, была относительно низкой (100–300 мкВт) по сравнению с пиковой мощностью аналогичных лазеров с Фабри-Перо резонатором, которые имели оптическую мощности около 1 мВт.

Также известны способы создания одночастотных ТГц ККЛ с РОС более высоких порядков. В работе [Castellano F., Tredicucci A. Tuning a microcavity-coupled terahertz laser //Appl. Phys. Lett. – 2015. – Т. 107. – № 26. – С. 261108-1] для достижения одночастотной генерации используется РОС второго порядка, сформированная периодическими парными прорезями в верхней обкладке волновода ТГц ККЛ. Это позволяет поддерживать единственную продольную моду резонатора, и тем самым обеспечивает одночастотный вывод излучения с высоким показателем подавления боковой моды (более 45 дБ).

Принципиально схожий метод достижения одночастотной генерации с РОС ТГц ККЛ является использование распределенного Брэгговского отражателя (РБО) [Quanyong Lu. et. al. Room temperature continuous wave, monolithic tunable terahertz source based on highly efficient mid-infrared quantum cascade lasers //Sci. Rep. – 2016. – Vol. 6. – P. 1]. В РОС-лазерах гофрированная решетка располагается вдоль всей активной области лазера. Лазеры с РБО содержат решетку вне активной среды. Метод достижения одномодовой генерации также основан на селективности периодической структуры с обратной связью. Недостатком данного способа является то, что на выходное излучение таких лазеров сильное влияние оказывает перескок мод. Таким образом, в данных лазерах необходимо тщательно контролировать температуру и рабочую точку (ток/напряжение).

Другой способ [US 9728930 B2] достижения одночастотной генерации в ТГц ККЛ основан на использовании внешнего вертикального резонатора. Для этого используется метаповерхность, которая состоит из набора активных элементов с субволновыми размерами. Каждый такой элемент содержит активную лазерную среду, заключенную между двумя металлическими слоями, как у ТГц ККЛ с двойным металлическим волноводом. В данном случае получается отражатель на основе активной матеповерхности. Подбирая необходимую длину внешнего вертикального резонатора можно обеспечить одночастотную генерацию ТГц ККЛ.

Также существует способ [US 2005/0058166 A1] достижения одночастотной генерации ТГц ККЛ, принятый за прототип, основанный на использовании двойного металлического волновода, который позволяет ограничивать оптическую моду внутри активной области ТГц ККЛ. Использование двойного металлического волновода обеспечивает высокий уровень перекрытия оптической моды и активной среды лазера (фактор оптического ограничения Г~1), что снижает порог усиления, требуемый для получения лазерного излучения. Уменьшая длину резонатора ФП с двойным металлическим волноводом можно достигнуть одночастотный режим генерации ТГц ККЛ. Недостатком данного метода является снижение оптической мощности ТГц ККЛ при малых длинах резонатора.

Техническим результатом изобретения является конструктивно и технологически простой способ достижения одночастотной генерации ТГц ККЛ, в котором используется традиционная технология изготовления ТГц ККЛ с двойным металлическим волноводом. В предложенном способе для достижения одночастотной генерации ТГц ККЛ необходимо разделить лазерный волновод на две секции, которые будут оптически связанными, т.е. ТГц излучение будет распространяться в составном двухсекционном резонаторе. Кроме того, предложенный способ может быть реализован в ранее изготовленных ТГц ККЛ с двойным металлическим волноводом за счет последующего разделения волновода на две секции.

Способ достижения одночастотной генерации ТГц ККЛ основан на создании оптически связанных двух секций в двойном металлическом волноводе, т.е. лазерная мода должна распростнаряться в двухсекционном волноводе (фиг. 1, 2). Такого рода оптическая связь может быть достигнута, когда расстояние между двумя секциями двойного металлического волновода (“воздушный зазор”) составляет менее 10 мкм. Две секции волновода выполнены из активной среды лазера (многослойной гетероструктуры GaAs/AlGaAs или InGaAs/AlGaAs) и представляют собой активную секцию, где при инжекции тока генерируется лазерное излучение, и пассивную секцию, которая осуществляет селекцию лазерных мод, т.е. поддерживает существование одной продольной моды резонатора ФП (фиг. 3, 4). Пассивная секция должна иметь существенно меньшую геометрическую длину по сравнению с активной секцией, что позволит увеличить расстояние между модами ФП в пассивной секции и подавить боковые ФП моды активной секции. Например, характерные длины активной секции составляют от 1 до 5 мм, а пассивной секции – от 0.1 до 0.5 мм. Кроме того, пассивная секция может дополнительно питаться током для подстройки одночастотной генерации ТГц ККЛ при изменении рабочей точки (ток/напряжение в активной секции) или температуры лазера.

Фиг. 1. Принципиальная схема одночастотного ТГц ККЛ, состоящая из:

поз. 1 – активная секция;

поз. 2 – пассивная секция;

поз. 3 – воздушный зазор.

Фиг. 2. Снимок сканирующего электронного микроскопа одночастотного ТГц ККЛ с активной и пассивной секциями.

Фиг. 3. Измеренный спектр генерации одночастотного ТГц ККЛ при токе инжекции в активной секции 0.986 А.

Фиг. 4. Измеренный спектр генерации одночастотного ТГц ККЛ при разных токах инжекции в активной секции 0.926, 0.956, 0.985 и 1.004 А.

Пример 1

Одночастотный терагерцовый квантово-каскадный лазер (ТГц ККЛ) на основе многослойной GaAs/AlGaAs или InGaAs/InAlAs гетероструктуры с двойным металлическим волноводом, состоящим из двух оптически связанных секций – активной секции для генерации лазерного излучения и пассивной секции для селекции лазерных мод. При этом:

1) Двойной металлический волновод основан на металлах Au, Cu или Ag c малым коэффициентом потерь в терагерцовом диапазоне.

2) Толщина активная области на основе многослойной GaAs/AlGaAs или InGaAs/InAlAs гетероструктуры составляет от 5 до 20 мкм.

3) Длина активной секции лазерного волновода составляет от 1 до 5 мм.

4) Длина пассивной секции лазерного волновода составляет от 0.1 до 0.5 мм.

5) Расстояние между двумя секциями должно быть менее 10 мкм для оптимальной оптической связи.

6) Электрическое питание активной секции осуществялется для создания условия лазерной генерации. Электрическое питание пассивной секции осуществляется для подстройки режима одночастотной генерации ТГц ККЛ.

Изобретение относится к технологии создания квантово-каскадных лазеров терагерцового диапазона (ТГц ККЛ) с возможностью работы в одночастотном режиме генерации. Способ достижения одночастотной генерации ТГц ККЛ основан на создании оптически связанных двух секций в двойном металлическом волноводе, т.е. лазерная мода должна распростнаряться в двухсекционном волноводе. Такого рода оптическая связь может быть достигнута, когда расстояние между двумя секциями двойного металлического волновода (“воздушный зазор”) составляет менее 10 мкм. Две секции волновода выполнены из активной среды лазера (многослойной гетероструктуры GaAs/AlGaAs или InGaAs/AlGaAs) и представляют собой активную секцию, где при инжекции тока генерируется лазерное излучение, и пассивную секцию, которая осуществляет селекцию лазерных мод, т.е. поддерживает существование одной продольной моды резонатора ФП. Технический результат - генерация терагерцового излучения на одной продольной моде резонатора Фабри-Перо. 4 ил.

Способ достижения одночастотной генерации квантово-каскадных лазеров терагерцового диапазона с двойным металлическим волноводом (ДМВ), отличающийся тем, что ДМВ состоит из активной и пассивной секций на основе усиливающей среды лазера из многослойной гетероструктуры GaAs/AlGaAs или InGaAs/AlGaAs, в активной секции ДМВ при инжекции тока генерируется лазерное излучение, в пассивной секции ДМВ поддерживается существование одной продольной моды резонатора Фабри-Перо, расстояние между активной и пассивной секциями ДМВ составляет менее 10 мкм для эффективного распространения лазерной моды в двухсекционном ДМВ.