一种太赫兹矢量涡旋量子级联激光器的制作方法

1.本专利涉及太赫兹量子级联激光器领域，更具体地涉及一种太赫兹矢量涡旋量子级联激光器。


背景技术：

2.太赫兹(thz)量子级联激光器(quantum cascade laser，qcl)因其能量转换效率高、体积小、易集成、电泵浦等优点而成为2-5thz范围内极具潜力的相干光源，在成像、物质检测以及通信等领域有重要应用。例如，在成像及物质检测方面，因为大量分子及团簇的本征振转能级处于太赫兹波段，所以该波段也被称为分子的指纹谱段，利用该特性的太赫兹成像技术已被应用在分子光谱学、生物医学、安全以及非破坏性检验等领域。在通信方面，太赫兹无线通信具有宽带宽、高保密和可穿透等离子体层等优点，能够成为继微波和光通信的又一个重要通信频段。
3.以(l为拓扑荷数，i是虚数单位，为角向坐标)形式相位分布的电磁波具有轨道角动量，由于其螺旋形的波前，因此被称作涡旋光。涡旋光用于sted技术，能突破衍射极限使得分辨率降低到纳米量级。并且，通过轨道角动量的编码与复用，理论上可以在同一通信频率增加无限数量的信道。涡旋光可分为标量涡旋光和矢量涡旋光，标量涡旋场的偏振均一，空间上处处一样，矢量涡旋场的偏振随着空间位置变化。
4.目前，涡旋光大多通过分立的器件产生，具有光路辅助不稳定的缺点。而集成的涡旋光发射器均集中在可见光和通信波段，在太赫兹波段还没有能够直接产生涡旋光的激光器。因此，亟需一种激光器，能够对太赫兹波的相位进行涡旋调控，以直接产生稳定的标量涡旋太赫兹波。


技术实现要素：

5.为解决上述现有技术中的问题，本专利提供一种太赫兹矢量涡旋量子级联激光器及其制备方法，能够直接发射矢量涡旋太赫兹波，并具有稳定性高的优点，使出射的矢量涡旋太赫兹波具有较高的模式纯度。
6.本专利提供的一种太赫兹矢量涡旋量子级联激光器，包括一衬底以及位于该衬底上方的键合金属层，所述键合金属层的上方设有沿激光器的长度方向排布且彼此相连的种子激光区和总线波导，以及设于所述总线波导的一侧、沿激光器的长度方向排布且彼此间隔开的谐振环和过渡电极，在所述谐振环和所述过渡电极之间架设有金属空气桥，并且所述种子激光区的端部以及所述总线波导的端部设有吸收边界。
7.进一步地，所述种子激光区自下而上包括第一有源区和第一顶部金属层，所述第一有源区中具有周期性光栅结构。
8.进一步地，所述周期性光栅结构由若干尺寸相同的长条形光栅组成，所述长条形光栅等距间隔。
9.进一步地，所述总线波导包括渐变区和保持区，所述渐变区的宽度从所述种子激
光区向所述保持区渐缩，所述保持区为宽度保持不变的长条形区域。
10.进一步地，所述渐变区具有起始侧和终止侧，所述起始侧的宽度与所述种子激光区的宽度相匹配，所述终止侧的宽度则与所述保持区的宽度相匹配。
11.进一步地，所述谐振环自下而上依次包括第三有源区和第三顶部金属层，且所述第三顶部金属电极具有周期性双狭缝结构。
12.进一步地，所述周期性双狭缝结构由若干组等距间隔并成一定角度周向排布的双狭缝组成，每组双狭缝则由两个长度方向指向所述谐振环的轴心的单狭缝构成。
13.本专利还提供一种太赫兹矢量涡旋量子级联激光器的制备方法，包括：
14.步骤s1，制备具有键合金属层和有源区层的衬底。
15.步骤s2，在具有键合金属层和有源区层的衬底上制作出吸收边图形。
16.步骤s3，在吸收边图形区域内的有源区层的表面制作出周期性光栅图形，并对具有周期性光栅图形的有源区层进行腐蚀，得到周期性光栅狭缝。
17.步骤s4，在进行所述步骤s3之后的有源区层的表面制作电极图形，并在光刻好的电极图形上生长金属，剥离后形成顶部金属层。
18.步骤s5，以光刻胶作为所述顶部金属层的掩膜，对未被光刻胶覆盖的有源区层的区域进行刻蚀，露出键合金属层，制作完成种子激光区、总线波导、谐振环、过渡电极以及吸收边界。
19.步骤s6，在所述谐振环和所述过渡电极之间制作金属空气桥。
20.进一步地，所述步骤s1包括：
21.步骤s11，制备具有第一金属层的第一衬底；包括：提供第一基底，在第一基底表面外延生长腐蚀阻挡层，在腐蚀阻挡层上外延生长上接触层，在上接触层上外延生长有源区层，在有源区层外延生长下接触层，然后在下接触层上形成第一金属层。
22.步骤s12，制备具有第二金属层的第二基底；包括：提供第二基底，在第二基底表面形成第二金属层。
23.步骤s13，将所述第一金属层与所述第二金属层键合在一起，形成键合金属层。
24.步骤s14，对所述第一基底进行腐蚀，露出腐蚀阻挡层，再去除腐蚀阻挡层，所述第二基底作为所述衬底。
25.进一步地，所述步骤s6包括：
26.步骤s61，将光刻胶填入所述谐振环和所述过渡电极之间的空隙，以使所述谐振环的顶部金属层以及所述过渡电极的顶部金属层的表面具有一定宽度的光刻胶。
27.步骤s62，采用高温烘烤光刻胶，以使所述谐振环的顶部金属层以及所述过渡电极的顶部金属层表面的光刻胶变形拱起。
28.步骤s63，制作形成光刻胶倒台面，并在变形拱起的光刻胶表面生长金属。
29.步骤s64，对进行所述步骤s63后的所有区域进行顶部涂胶保护，并对进行步骤s63后的衬底通过化学腐蚀进行减薄，然后在减薄后的衬底背后生长金属。
30.步骤s65，剥离多余的金属，并去除填入的光刻胶，制备出金属空气桥。
31.本专利能够通过电泵浦直接发射有较高模式纯度的太赫兹矢量涡旋激光，可以实现中空的环状远场光斑，所发射的矢量涡旋光可以分解成携带轨道角动量的左旋和右旋圆偏振光，偏振特性为角向偏振光，具有稳定性高、激发效率高、线宽窄、边模抑制比高的优
点。
附图说明
32.图1是按照本专利的太赫兹矢量涡旋量子级联激光器的结构示意图。
33.图2是图1中种子激光区的结构示意图。
34.图3是图1中总线波导的结构示意图。
35.图4是按照本专利的太赫兹矢量涡旋量子级联激光器的制备方法的流程图。
36.图5是图1中金属空气桥的制备流程图。
37.图6是按照本专利的太赫兹矢量涡旋量子级联激光器的l-i-v测试结果。
38.图7是按照本专利的太赫兹矢量涡旋量子级联激光器在不同泵浦电流下的光谱图。
39.图8是按照本专利的太赫兹矢量涡旋量子级联激光器发射涡旋光的拓扑荷数的模式纯度图。
具体实施方式
40.下面结合附图，给出本专利的较佳实施例，并予以详细描述。
41.如图1所示，本专利提供的太赫兹矢量涡旋量子级联激光器，采用双金属波导结构，包括衬底1，在衬底1的上方具有键合金属层2，键合金属层2的上方设有沿激光器的长度方向排布且彼此相连的种子激光区3和总线波导4，总线波导4的一侧设有沿激光器的长度方向排布且彼此间隔开的谐振环5和过渡电极6，谐振环5和过渡电极6均设于键合金属层2的上方，在谐振环5和过渡电极6之间架设有金属空气桥7。并且，在种子激光区3的端部以及总线波导4的端部设有吸收边界8。
42.种子激光区3整体呈长方形，如图2所示，其自下而上包括第一有源区31和第一顶部金属层32。其中，第一有源区31中具有周期性光栅结构311，该周期性光栅结构311由若干尺寸相同的长条形光栅组成，且这些长条形光栅等距间隔。周期性光栅结构311的形成方式为：先在第一有源区31中腐蚀出若干尺寸相同的光栅狭缝，然后在第一有源区31表面长金，长金时，金属进入光栅狭缝形成光栅结构311，其余未进入光栅狭缝的金属则在第一有源区31表面生长为第一顶部金属层32。周期性光栅结构311中的长条形光栅个数为60-100，相邻两个长条形光栅的间距为8μm-22μm，每个长条形光栅的长度为150μm-250μm，宽度为8μm，高度(即第一有源区13的腐蚀深度)为600nm。若设计本专利的激光器激发的涡旋光频率为3.45thz，则将长条形光栅个数设计为60个，相邻两个长条形光栅的间距设计为12.1um，每个长条形光栅的长度设计为150μm-250μm，长度设计为8μm，高度设计为600nm。同时，在光栅中心加入四分之一涡旋光波长的π相移，能够提高分布反馈结构的q值，使激射的频率工作在光子能带的禁带中心，保持单模特性。
43.再次参考图1，总线波导4包括渐变区41和保持区42。其中，渐变区41的宽度从种子激光区3向保持区42渐缩，保持区42为宽度保持不变的长条形区域。渐变区41具有起始侧411和终止侧412，起始侧411的宽度与种子激光区3的宽度相匹配，终止侧42的宽度则与保持区42的宽度相匹配。渐变区41渐缩的距离为1000μm-1600μm，即起始侧411和终止侧412之间的距离为1000μm-1600μm。保持区42的长度为500μm-1000μm，宽度为10μm。以种子激光区3
的宽度为150μm为例，总线波导4即从150μm经过1000μm-1600μm后渐缩为宽度10μm的波导结构，并保持10μm的宽度传输500μm-1000μm。总线波导4的具体结构如图3所示，自下而上包括第二有源区43和第二顶部金属层44。其中，第二有源区43的一部分和第二顶部金属层44的一部分呈梯形状，梯形状部分的短边共同构成上述起始侧411，长边则共同构成上述终止侧412。另外，第二顶部金属层44用于引线，以提供电泵浦。
44.再次参考图1，谐振环5自下而上依次包括第三有源区51和第三顶部金属层52。其中，第三顶部金属电极52具有周期性双狭缝结构。周期性双狭缝结构由若干组等距间隔并成一定角度周向排布的双狭缝组成，每组双狭缝则由两个长度方向指向所述谐振环的轴心的单狭缝构成。单狭缝的宽度在2μm-6μm之间，长度在8μm-14μm之间。
45.由于谐振环5的半径r和其回音壁模式阶数n满足：k0×neff
×
r＝n，其中，k0是真空中的波矢，n
eff
是有效折射率。因而，通过调整谐振环5的半径r可调节其回音壁模式阶数n。另外，目标矢量涡旋光的拓扑荷数与上述双狭缝的个数m有关，即分解的左旋/右旋圆偏振涡旋光的拓扑荷数分别为n-m 1/n-m-1。在实际设计时，可调整谐振环5与总线波导4的间距以提高耦合效率，并将每组双狭缝的两个单狭缝之间的夹角θ设计为四分之一有效波长，来抑制反向回音壁模式，提高涡旋激光的耦合效率和模式纯度。以激发3阶/1阶的左旋/右旋圆偏振涡旋光为例，此时所需参数如下：r＝170.1μm，n＝40，m＝38，θ＝2.34
°
。种子激光3产生的固定频率的种子激光，经过总线波导4耦合到谐振环5中，激发谐振环5的回音壁模式。由于谐振环5的辐射单元由周期性的双狭缝构成，且双狭缝的个数和谐振环的回音壁模式阶数具有固定的差值，使得发射的激光具有固定的相位差，有利于构建涡旋光的相位分布。
46.过渡电极6位于图1中的谐振环5右侧(即靠近种子激光3的一侧)，其自下而上包括第四有源区61和第四顶部金属层62，用于经过金属空气桥7给谐振环5提供电泵浦。过渡电极6为边长100μm-400μm的正方形，与谐振环5之间的距离为5μm-70μm。
47.金属空气桥7为一个拱起的金属结构，其下方为空气，用于连接谐振环5和过渡电极6。金属空气桥7的长度和宽度分别为5μm-70μm和4μm-30μm。吸收边界8包括第五有源区，用于吸收多余的电磁场。需要说明的是，上述第一有源区31、第二有源区43、第三有源区51、第四有源区61以及第五有源区为同一有源区(即第一有源区31、第二有源区43、第三有源区51、第四有源区61以及第五有源区的顶面处于同一高度)，在一个步骤中制备完成，上述第一顶部金属层32、第二顶部金属层44、第三顶部金属层52以及第四顶部金属层62也为同一金属层(即第一顶部金属层32、第二顶部金属层44、第三顶部金属层52以及第四顶部金属层62的顶面和底面处于同一高度)，在一个步骤中制备完成，为方便说明，故而将其区分开。
48.以下对制备上述太赫兹矢量涡旋量子级联激光器的方法进行说明。
49.如图4所示，本专利提供的太赫兹矢量涡旋量子级联激光器的制备方法，包括以下步骤：
50.步骤s1，制备具有键合金属层2和有源区层的衬底1。包括：
51.步骤s11，制备具有第一金属层的第一基底：提供第一基底，在第一基底表面外延生长腐蚀阻挡层，在腐蚀阻挡层上外延生长上接触层，在上接触层上外延生长有源区层，在有源区层外延生长下接触层，然后在下接触层上形成第一金属层。有源区层包含90个周期重复的模块，每个模块包含相互交叠的9层gaas势阱和9层al
0.15
ga
0.85
as势垒，自gaas开始厚度依次为：11.4、2.0、12.0、2.0、12.2、1.8、12.8、1.5、15.8、0.6、9.0、0.6、14.0、3.8、11.6、
3.5、11.3、2.7(nm)，前两层gaas为掺杂层，n型掺杂浓度为10
16
cm-3
。
52.步骤s12，制备具有第二金属层的第二基底：提供第二基底，在第二基底表面形成第二金属层。
53.步骤s13，将第一金属层与第二金属层键合在一起，形成键合金属层。此时得到的键合金属层对应上文的键合金属层2。
54.步骤s14，对第一基底进行腐蚀，露出腐蚀阻挡层，再用酸溶液(例如hf酸或浓盐酸)去除腐蚀阻挡层。此时，具有第二金属层的第二基底保留下来，形成上述衬底1，具有键合金属层2和有源区层的衬底1即制备完成。
55.步骤s2，在具有键合金属层和有源区层的衬底上制作出吸收边图形。该吸收边图形即为上述种子激光区3、总线波导4、谐振环5、过渡电极6、以及吸收边界8的周缘所形成的边界图形。
56.步骤s3，采用光刻技术在吸收边图形区域内的有源区层的表面制作出周期性光栅图形，采用硫酸体系的腐蚀液对具有周期性光栅图形的有源区层进行腐蚀，得到周期性光栅狭缝。此时，具有周期性光栅狭缝的有源区即对应上述第一有源区31。其中，腐蚀深度通过台阶仪进行标定。腐蚀完成后，需将有源区层表面的光刻胶去除。
57.步骤s4，采用光刻技术在具有周期性光栅狭缝的有源区层的表面制作电极图形，并采用电子束蒸发法、磁控溅射法或热蒸发法在光刻好的电极图形上生长金属，剥离光刻胶后形成顶部金属层。此时的顶部金属层即对应上述第一顶部金属层32、第二顶部金属层44、第三顶部金属层52以及第四顶部金属层62。其中，第三顶部金属层52具有双狭缝图形。
58.步骤s5，以光刻胶作为顶部金属层的掩膜，对未被光刻胶覆盖的有源区层的区域进行刻蚀，露出键合金属层。需要说明的是，作为掩膜的光刻胶比顶部金属层以及步骤s2中的吸收边界宽5um，以保护顶部金属层和吸收边界。刻蚀完成后，将有源区层表面的光刻胶去除。此时，上述种子激光区3、总线波导4、谐振环5、过渡电极6以及吸收边界8制作完成。
59.步骤s6，在谐振环5和过渡电极6之间制作金属空气桥7。制作金属空气桥7的过程如图5所示，包括：
60.步骤s61，使用低速匀胶工艺，将光刻胶填入谐振环5和过渡电极6之间的空隙，以使谐振环5的第三顶部金属层52以及过渡电极6的第四顶部金属层62的表面具有一定宽度的光刻胶。
61.步骤s62，采用高温(140℃)烘烤光刻胶一段时间(例如15分钟)，使第三顶部金属层52以及第四顶部金属层62表面的光刻胶变形拱起。
62.步骤s63，使用反转胶工艺形成光刻胶倒台面71，并采用电子束蒸发法在变形拱起的光刻胶表面生长金属。
63.步骤s64，对进行步骤s63后的所有区域进行顶部涂胶保护，并对进行步骤s63后的衬底1通过柠檬酸化学腐蚀减薄至200μm左右，然后在减薄后的衬底1的背后生长金属，以提高散热性。选择化学腐蚀是为了避免压迫顶部的空气桥金属。
64.步骤s65，在丙酮中剥离多余的金属，并采用去胶液去除填入的光刻胶，最终制备出如图5中的金属空气桥7。
65.利用本专利，可以获得高模式纯度的太赫兹标量涡旋激光，下面通过实验结果详细介绍本专利激光器的性能。
66.图6示出了本专利的太赫兹矢量涡旋量子级联激光器在不同温度下的l-i-v测试结果，该结果在重复频率为60khz、脉宽为1μs的脉冲模式下测得。测试中同时泵浦激光器和谐振环。从图中可以看出，上述器件在20k下的最高输出功率为5.78mw，77k下的最高输出功率为3.78mw。
67.图7示出了本专利的太赫兹矢量涡旋量子级联激光器的光谱特性测试结果。泵浦条件为：同时泵浦激光器和谐振环，重复频率为60khz、脉宽为1μs的脉冲模式。测试温度为77k。从图中可以看出，激光器从阈值电流开始，随着电流的增加一直保持的单模特性，直到峰值电流时出现了多模特性。激光器激射的中心频率为f＝3.445thz。
68.图8示出了激光器出射的涡旋光经过分离之后的左旋/右旋圆偏振涡旋光的模式纯度。可以得出左旋/右旋圆偏振涡旋光的拓扑荷数分别为3和1。此结果符合理论设计(40阶回音壁模式和38个散射元)，其的模式纯度分别高达87.7％和91％。
69.可以看出，本专利可以实现中空的环状远场光斑，所发射的矢量涡旋光可以分解成携带轨道角动量的左旋和右旋圆偏振光，具有模式纯度高、线宽窄、边模抑制比高的特点。
70.以上所述的，仅为本专利的较佳实施例，并非用以限定本专利的范围，本专利的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本专利申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本专利专利的权利要求保护范围。本专利未详尽描述的均为常规技术内容。