用于產(chǎn)生太赫茲輻射的方法和設(shè)備的制作方法

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專利名稱：用于產(chǎn)生太赫茲輻射的方法和設(shè)備的制作方法
用于產(chǎn)生太赫茲輻射的方法和設(shè)備
政府資助研究與這里公開的主題有關(guān)的一些研究受到美國國家科學(xué)基金的資助，資助號為 NSF-ECS-0547019和NSF-0ISE-0530220，以及受到美國空軍科學(xué)研究局的資助，資助號為 FA9550-05-l-0435。美國政府擁有一些公開的主題的特定權(quán)利。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz)譜范圍(f " l-10THz ; A " 30-300微米；一般介于遠(yuǎn)紅外和微波波段之間)長期以來缺乏高效的、窄波段和可調(diào)諧的半導(dǎo)體源，特別是緊湊的電泵浦的室溫半導(dǎo)體源。一段時間以來，P摻雜的鍺激光器是唯一可用的THz區(qū)域的半導(dǎo)體源。然而，這種源僅能工作在溫度低于液氮的溫度下(也就是說需要低溫冷卻)。近來，已經(jīng)開發(fā)出針對THz譜范圍的基于半導(dǎo)體的量子級聯(lián)激光器(QCL)，其在脈沖模式下的最大工作溫度被報道為178開氏度(發(fā)射頻率為 3THz)。但是，對這些激光器來說，一些嚴(yán)重的局限是固有的。首先，它們的可調(diào)諧性由于增益譜(gain spectrum)狹窄而受到固有限制。第二，它們的工作溫度可能會保持限制在低溫溫度，這是由于通過低能量THz躍遷的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的基本要求所致；特別是，由于THz輻射的窄能帶躍遷特性，隨著工作溫度的升高，有更多的機會產(chǎn)生高能態(tài)的非輻射損耗，電子弛豫的附加隧道成為可能，從而妨礙粒子數(shù)反轉(zhuǎn)?；诠鈱?dǎo)開關(guān)或者混頻器技術(shù)，可替代的源可以在室溫下工作，但是效率低，體積大且具有較寬的發(fā)射波段。在其它涉及QCL的研究工作中，QCL被實現(xiàn)為在中紅外譜帶(例如 5到10微米)
以多個不同的波長同時發(fā)射激光。在一個這種例子中，單個量子級聯(lián)有源區(qū)同時最多產(chǎn)生三個不同的波長；在另一個例子中，被設(shè)計為以不同的波長產(chǎn)生中紅外線的兩個有源區(qū)被
整合到單個QCL波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，從該結(jié)構(gòu)中以幾百毫瓦的功率水平實現(xiàn)雙波長產(chǎn)生。
差頻產(chǎn)生(DFG， Difference-frequency generation)是非線性光學(xué)過程，其中，頻率為c^和"2的兩束(通常被稱為"泵浦"束)在具有二階非線性極化率x(2)的介質(zhì)中相互作用，以產(chǎn)生頻率為"="「"2的輻射。頻率為"="「^的波的強度由表達(dá)式<formula>formula see original document page 5</formula>這里，
<formula>formula see original document page 5</formula>是相干長度，W("》，n("i)和《分別為功率、折射率以及頻率為"i的束的波向量。a代表在不同頻率"的損失，Srff是相互作用的有效面積，并且假設(shè)介質(zhì)是對兩個泵浦都是透明的，且在DFG過程中的泵浦功率的損耗可以被忽略。根據(jù) 方程(l)，對于有效的DFG，需要使用具有大x(2)的材料，輸入高強度的束，并達(dá)到較低的損失以及相位匹配，<formula>formula see original document page 5</formula>
可以采用DFG來通過采用存在好的激光源的紅外(IR)或可見譜范圍中的泵浦頻率"jP c^來產(chǎn)生THz輻射。多種研究努力已經(jīng)報道了通過使用兩個連續(xù)波(CW)或脈沖激光器外部地泵浦非線性光學(xué)晶體，諸如LiNb03或GaAs，在室溫下實現(xiàn)窄帶THz的產(chǎn)生。一個這種努力報道了基于由來自兩個激光二極管的輸出泵浦的LiNb03中的DFG的CW THz產(chǎn)生，所述兩個激光二極管以大約1. 5微米的波長工作，每個激光二極管的功率水平約在1W，其中，可以在190到200微米(1. 5-1. 6THz)之間調(diào)諧該THz輸出。所檢測的THz信號的輸出功率在次納瓦(sub-nanowatt)水平。這些經(jīng)由DFG產(chǎn)生THz輻射的努力一般依賴于與非線性介質(zhì)關(guān)聯(lián)的低損失以及相位匹配以提高轉(zhuǎn)換效率。特別是，它們使用來自高強度脈沖固態(tài)激光器(通常約lGW/cn^，通常被非線性晶體的損傷閾值限制)的聚焦光束，并通過透明非線性晶體中真正的相位匹配或準(zhǔn)相位匹配得到數(shù)十毫米的大相干長度。這種方法提供了寬的譜可調(diào)諧性，并且的確可以在室溫下工作。但是，這需要強大的激光泵浦以及一般而言復(fù)雜的光學(xué)設(shè)備，最后得到龐大且笨拙的THz源。根據(jù)方程(1)， DFG中產(chǎn)生的信號的強度正比于二階非線性極化率的平方，因此如果使用具備更高的二階非線性極化率的非線性材料，基于DFG的輸出功率就可以大幅提高。就這點而言，自從1980年代后期以來的研究已經(jīng)確立可通過調(diào)整與量子阱結(jié)構(gòu)相應(yīng)的能級從而與被稱為子帶間躍遷的在同一波段內(nèi)的光學(xué)躍遷相對應(yīng)，來設(shè)計在中紅外和遠(yuǎn)紅外區(qū)域具有顯著光學(xué)非線性的非對稱單個或耦合量子阱結(jié)構(gòu)。特別地，一個研究測量了在耦合量子阱結(jié)構(gòu)中在60微米(5THz)時DFG的二階非線性極化率x (2)為106pm/V( S卩，比諸如LiNb03、 GaP、 GaAs的傳統(tǒng)的非線性晶體的二階非線性極化率大4個數(shù)量級)。
前述過程的機理如圖1所示。其中來自C02激光器的波長約10微米(分別相應(yīng) 于箭頭102和104所代表的能量躍遷)的兩個中紅外光束產(chǎn)生波長約62微米(對應(yīng)于箭頭106所代表的能量躍遷)的差頻信號。理論上，這種x②會使得即使在相對低的泵浦強度和短的相干長度的情況下都能夠有效率地產(chǎn)生THz。然而，所有相互作用的場都與子帶間躍遷諧振，因此在這些結(jié)構(gòu)中得到高的光學(xué)非線性。這導(dǎo)致了泵浦光束以及THz DFG光束的強烈吸收，因此不可避免地限制了 THz DFG的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本申請主要公開了基于差頻產(chǎn)生(DFG)產(chǎn)生太赫茲(THz)輻射的量子級聯(lián)激光器 (QCL)的具有進步性的設(shè)備和方法。通過本發(fā)明所公開的概念，申請人已經(jīng)認(rèn)識到并著重提出了通過圖1所示的過程示例的高二階光學(xué)非線性提供一種潛在的具有吸引力的實現(xiàn)DFG過程的可選方法。然而，為了實際部署該過程，顯著吸收的問題需要實質(zhì)性地減輕或克服。不過，申請人已經(jīng)認(rèn)識到并提出解決該吸收問題的方法。具體地，如果在為高二階非線性設(shè)計的量子阱結(jié)構(gòu)中實現(xiàn) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使得大多數(shù)載流子被發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)在較高的能級3上(圖1所示的最高能級)，而能級1和2被顯著地消耗，顯著吸收得到有效減輕。換一種說法，吸收問題可以通過設(shè)計一有源非線性半導(dǎo)體設(shè)備來解決，其中，來自于耦合量子阱的能態(tài)同時提供激光增益以及顯著的二階非線性極化率x(2)。在現(xiàn)有的一些研究工作中，在QCL結(jié)構(gòu)中，帶有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的諧振二階非線性極化率的整合演示了二階諧波產(chǎn)生(second-harmonicgeneration)。然而，該方法先前并未被DFG所采納，因為對高x (2)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)整合的好處與激光器設(shè)計的挑戰(zhàn)是相伴的，而后者對于THzDFG而言是尤其嚴(yán)重的。然而，申請人也已經(jīng)克服了這樣的設(shè)計上的挑戰(zhàn)，以有效地在QCL結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)DFG。因此，本申請公開了基于QCL中的差頻產(chǎn)生(DFG)提供太赫茲(THz)輻射的本發(fā)明的設(shè)備和方法的各種具體實施例。例如，在一個實施例中，高二階非線性極化率和粒子數(shù) 反轉(zhuǎn)被整合在支持產(chǎn)生兩個單獨的中紅外頻率的QCL中。在這些實施例中產(chǎn)生THz輻射的基本物理原理是在耦合量子阱非線性區(qū)域中的諧振DFG，類似于圖l所示的過程。然而，與基于這樣的結(jié)構(gòu)的先前的研究相比，根據(jù)本發(fā)明的具有進步性的實施例，整合的非線性有源區(qū)在能態(tài)3中具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。中紅外輻射在該過程中作為內(nèi)腔式光泵浦，但是因為在能態(tài)3中發(fā)生的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，該泵浦的諧振吸收被抑制，因此，在這一原則下，QCL腔的總長度可以為相干非線性光學(xué)產(chǎn)生作出貢獻。由此得到一種緊湊的THz輻射半導(dǎo)體源，其包括泵浦激光器和DFG非線性區(qū)。在其他方面，相比于此前的THz QCL的設(shè)計(非基于DFG)，根據(jù)本發(fā)明所公開的具有進步性的概念，使得更高的工作溫度和更寬的可調(diào)諧THz輻射成為可能。總之，本申請公開的一種具體實施例為本發(fā)明的設(shè)備，其包括具有整合在QCL的有源區(qū)中的顯著的二階非線性極化率(x (2))的量子級聯(lián)激光器(QCL)，其中QCL被配置為產(chǎn)生第一頻率為"J勺第一輻射，第二頻率為"2的第二輻射，以及基于來自于該非線性極化率的差頻產(chǎn)生(DFG)的第三頻率為"3 = "「"2的第三輻射。另一具體實施例為本發(fā)明的方法，其包括在量子級聯(lián)激光器(QCL)的有源區(qū)中整合顯著的二階非線性極化率(x(2))，由此產(chǎn)生第一頻率為A的第一輻射，第二頻率為 "2的第二輻射，以及基于來自于該非線性極化率的差頻產(chǎn)生(DFG)的第三頻率為"3 = "「"2的第三輻射。應(yīng)當(dāng)指出，所有前述概念以及在下面更詳細(xì)討論的其他概念(假定這些概念不是互斥的)的組合被仔細(xì)地考量作為本發(fā)明在此公開的主題的一部分。特別地，在本申請最后部分出現(xiàn)的權(quán)利要求的主題的所有組合被仔細(xì)地考量作為本發(fā)明在此公開的主題的一部分。同時還應(yīng)當(dāng)指出，在任何參考文獻引入的公開中出現(xiàn)的本發(fā)明所明確的術(shù)語都應(yīng)當(dāng) 采用與本發(fā)明公開的具體概念最為一致的意思。

圖1是概念性示出在具有顯著光學(xué)非線性的非對稱單個或耦合量子阱結(jié)構(gòu)中的差頻產(chǎn)生(DFG)的概念的能級圖。圖2是根據(jù)本公開的一個發(fā)明實施例的能級圖，其概念性地示出在涉及形成QCL 的有源區(qū)的兩個整合的量子級聯(lián)結(jié)構(gòu)的量子級聯(lián)激光器(QCL)中的差頻產(chǎn)生(DFG)。
圖3根據(jù)本公開的一個發(fā)明實施例示出配置為基于有源區(qū)中的DFG產(chǎn)生THz輻射的示例性QCL的一般布局和尺度。圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)根據(jù)本公開的一個發(fā)明實施例示出圖3所示的QCL的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、折射率分布和波導(dǎo)模式的附加細(xì)節(jié)。圖5(a)和圖5(b)根據(jù)本公開的一個發(fā)明實施例分別示出圖3和圖4(a)所示的 QCL的有源區(qū)的第二QC結(jié)構(gòu)(a)和第一QC結(jié)構(gòu)(b)的一個周期的計算得到的導(dǎo)帶圖。
圖5(c)是根據(jù)本公開的一個發(fā)明實施例的能級圖，示出基于在圖5(a)和圖5(b) 所示的導(dǎo)帶圖的THz諧振DFG過程。圖6是根據(jù)本公開的一個發(fā)明實施例的曲線圖，示出來自與圖3和圖4 (a)中的 QCL相似的示例性QCL的典型中紅外發(fā)射譜，以及這種QCL的典型電流-電壓(I_V)和光輸出與電流之間關(guān)系(L-I)的特征。圖7a是根據(jù)本公開的一個發(fā)明實施例的曲線圖，示出從與圖3和圖4(a)中所示的脊形QCL相似的示例性脊形QCL收集的不同溫度下的THz譜。圖7b是根據(jù)本公開的一個發(fā)明實施例的曲線圖，示出對于與圖3和圖4(a)中所示的脊形波導(dǎo)QCL相似的示例性脊形波導(dǎo)QCL，峰值THzDFG功率以及總的中紅外發(fā)射功率與注入電流的依賴關(guān)系，以及THzDFG功率與兩個中紅外泵浦功率乘積的關(guān)系。
圖8(a)和圖8(b)根據(jù)本公開的另一個發(fā)明實施例的QCL，分別示出中紅外激光模式和THz模式的強度分布以及波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)。圖9和圖10針對根據(jù)本公開的另一個發(fā)明實施例的基于DFG的QCL分別示出能級圖和導(dǎo)帶圖，該QCL包括與高非線性極化率整合的單個量子級聯(lián)結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生泵浦和DFG
頻率二者。圖11根據(jù)本公開的另一個發(fā)明實施例示出QCL的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的橫截面。圖12示出根據(jù)本公開的一個發(fā)明實施例示出圖11的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頂視圖。圖13示出對于圖11中所示QCL的束縛到連續(xù)QC結(jié)構(gòu)的一個周期的計算的導(dǎo)帶圖。圖14示出對于圖11中所示的QCL的中紅外和THz的計算的波導(dǎo)模式，以及波導(dǎo) 折射率分布圖。圖15(a)、圖15(b)、圖15(c)和圖15(d)示出根據(jù)圖11所示的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計的示例性QCL的各種操作特性。
具體實施例方式
下面的內(nèi)容為根據(jù)本公開的用于產(chǎn)生太赫茲輻射的方法和設(shè)備的各種相關(guān)概念和實施例的更為詳細(xì)的描述。應(yīng)當(dāng)了解上面所引入的并在下面更為詳細(xì)討論的各種概念可以以任何多種方式實現(xiàn)，所公開的概念并不局限于任何特定的實現(xiàn)方式。具體實現(xiàn)和應(yīng)用的例子僅提供為說明之用。根據(jù)本公開的方法和設(shè)備的各種實施例中，在基于兩個中紅外(IR)"泵浦"源的量子級聯(lián)激光器(QCL)中實現(xiàn)差頻產(chǎn)生(DFG)以提供太赫茲(THz)輻射的示例性標(biāo)準(zhǔn)包括 1)將顯著二階非線性極化x (2)與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)整合進QCL的有源區(qū)中；2)設(shè)計對于中紅外泵浦源以及來自于DFG的THz輻射均具有合適的低損失的波導(dǎo)；以及3)提供DFG的相位匹配。這些標(biāo)準(zhǔn)中的每一個會在下面依序討論。根據(jù)一個實施例，QCL中的DFG通過采用兩個整合在一起的量子級聯(lián)結(jié)構(gòu)以形成 QCL的有源區(qū)來實現(xiàn)，其中，一個QC結(jié)構(gòu)被配置為支持兩個中紅外泵浦源之一的諧振，另一個QC結(jié)構(gòu)被配置為支持兩個中紅外泵浦源的另外一個的諧振，該QC結(jié)構(gòu)的一個或兩個被配置為具有顯著的二階非線性極化率以支持基于DFG的THz輻射。圖2經(jīng)由針對各QC結(jié) 構(gòu)的能量圖概念性地示出這種實現(xiàn)的一個例子。在圖2所示的過程中，第一QC結(jié)構(gòu)被配置為支持以泵浦頻率叱發(fā)出激光(對應(yīng)于能量躍遷510)，而第二QC結(jié)構(gòu)被配置為支持以泵浦頻率"2發(fā)出激光(對應(yīng)于能量躍遷512)。在該實施例的一方面中，第二QC結(jié)構(gòu)也配置為具有高非線性極化率x (2);因此，其同時用作支持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和DFG的區(qū)域(對應(yīng)于能量躍遷514)。圖2中的點狀箭頭示意性地示出經(jīng)過該設(shè)備的電流(載流子路徑)。
在一個實施例中，經(jīng)圖2中的能量圖概念性地示出的QC結(jié)構(gòu)可以通過采用"三量子阱"或"二聲子諧振"結(jié)構(gòu)作為用于泵浦頻率的第一QC結(jié)構(gòu)，并采用"束縛到連續(xù)"結(jié) 構(gòu)作為用于帶有整合的非線性的泵浦頻率"2的第二QC結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。個別地，已知各設(shè)計都在室溫下工作。但是二聲子或三量子阱QC設(shè)計不具有DFG的高非線性極化率，申請人已經(jīng)認(rèn)識到且了解了束縛到連續(xù)QC設(shè)計可以支持DFG的高二階非線性極化率，以及束縛到連續(xù)設(shè)計可以針對多個不同的情況進行優(yōu)化(例如，不同泵浦頻率以及由此產(chǎn)生的DFG)。
考慮到上述情況，配置為基于DFG產(chǎn)生THz輻射的QCL的一個實施例包括具有兩個QC結(jié)構(gòu)或"子堆棧"的有源區(qū)。在該實施例的不同方面中，第一 QC結(jié)構(gòu)包括多級的"二聲子諧振"結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)支持對應(yīng)于第一泵浦頻率的第一激光發(fā)射波長；以及第二QC結(jié) 構(gòu)包括多階段"束縛到連續(xù)"結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)支持對應(yīng)于第二泵浦頻率"2的第二激光發(fā)射波長并同時具有對THz DFG的可感知的二階非線性極化率x(2)。在一個基于該實施例的示例性實現(xiàn)中，第一 QC結(jié)構(gòu)可以包括20級的二聲子諧振結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對于第一泵浦頻率支持大約7. 6微米的激光發(fā)射波長(且對于DFG具有相對小的x (2));且第二 QC結(jié)構(gòu)可以包括30級的束縛到連續(xù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)支持與第二泵浦頻率o2相對應(yīng)的大約8. 7微米的激光發(fā)射波長。此外，該第二QC結(jié)構(gòu)被配置為對于THz DFG來說具有顯著大的x(a(例如，在大約60微米)。根據(jù)本公開基于上面結(jié)合圖2討論的設(shè)計考慮的一個實施例(QCL的有源區(qū)中的兩個QC結(jié)構(gòu))，圖3示出被配置為基于有源區(qū)103中的DFG產(chǎn)生THZ輻射的示例性QCL 100 的一般布局和尺度，且圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)和圖4(d)示出QCL構(gòu)造、結(jié)構(gòu)和操作特征的附加細(xì)節(jié)，包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、折射率分布圖以及中紅外以及太赫茲波長的波導(dǎo)模式。在一個實現(xiàn)中，這種QCL可以基于InGaAs/AlInAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過分子束外延(MBE)生長，并晶格匹配到InP基底。更具體地，參考圖4(a)，在一個實施例中，MBE生長在InP基底122上開始，n摻雜為n = 1. 3-1. 8X1017cm—3，具有1. 6微米厚的GalnAs層116， n摻雜為n = 5X1016cm—3(第一低摻雜緩沖層)作為下部波導(dǎo)核心。在該下部波導(dǎo)核心116的頂部，生長20級"二聲子諧振"結(jié)構(gòu)112和30級"束縛到連續(xù)"結(jié)構(gòu)114，作為該QCL的有源區(qū)103，其中，兩個QC結(jié) 構(gòu)112和114被200nm厚的GalnAs間隔物(未在圖4(a)中示出)隔開，其n摻雜為n二 5X 1016cm—3。在該實施例中，兩個QC結(jié)構(gòu)使用的材料為Al。.48In。.52As和In。.53Ga。.47As，且該兩個結(jié)構(gòu)的層的順序，以納米為單位(從注入阻擋層開始，參見圖5(a)和圖5(b))分別為 40，20，7，60，9，59，10,52，12,38，12,32，12,32，16,31，19，31，22，30，22，29以及40，18，9， 54， 11,53， 11，48，22，34， 14,33， 13,32， 15,31， 19， 30， 23， 29， 25， 29。阻擋層以斜體字表示，下劃線的層被摻雜到n = 4X 1017cm—3。生長以1. 5微米厚的GalnAs層118結(jié)束，n摻雜為n = 5X 1016cm—3 (第二低摻雜緩沖層)，作為上部波導(dǎo)核心。然后，晶片被送到MOCVD腔，并且10微米厚、n摻雜為n = 1017cm—3的InP層120生長在上面，以為中紅外和THz模式二者提供頂部波導(dǎo)覆層。如圖3 所示，材料可能被處理成深度蝕刻的脊形波導(dǎo)，大約2mm長、15-25微米寬，且在該脊的側(cè)壁上具有400nm厚的Si3N4絕緣層110以及Ti/Au (20nm/400nm)頂接觸108。非合金Ge/Au接觸124沉積在基底122的背面。包括Al203/Au(200nm/50nm)層(未在圖4(a)中示出)的高反射涂層被沉淀在該設(shè)備的后表面上。而且，光柵105選擇性地布置在該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的表面并被配置為沿著波導(dǎo)管的長度提取DFG輻射。針對A = 7. 6微米(b) 、8. 7微米(c)和60微米(d)的模式，圖4 (b)、圖4 (c)和圖4(d)示出在TM。。波導(dǎo)模式下的磁場強度。Hx的值被規(guī)格化，使得/ (Hx)2dz[以ym為單位]=1 。還示出了折射指數(shù)分布圖，其中，具有大非線性極化率的區(qū)域畫了陰影?？梢允褂?針對二元化合物的數(shù)據(jù)和具有說明自由載流子貢獻的弛豫時間常數(shù)t = 10—"秒的Drude 模型之間的線性插值得到Al。.48In。.52As和In。.53Ga。.47AS化合物的折射率。已知該方法在中紅外區(qū)使用良好；然而，應(yīng)注意，因為存在Reststrahlenband(剩余射線帶)近似以及光學(xué) 聲子能量對材料成分的強依賴性，其對于60 m的波長不是非常準(zhǔn)確。對于20 m寬的脊形波導(dǎo)中的TM。。模式，分別針對7. 6iim、8. 7iim和60iim的波長獲得3. 266+iXO. 00057、 3. 248+iX 0.00080以及2. 981+i X 0. 161的有效折射率^ 。根據(jù)該數(shù)據(jù)，對應(yīng)于大約為 22iim的相干長度lc。h二 l/|k-(krk2) 1，相位失配k-(k「k2)被估計為大約(420+170i)cm—、
圖5(a)示出具有整合的二階光學(xué)非線性的"束縛到連續(xù)"第二 QC結(jié)構(gòu)114的30 級堆疊的一個周期520的計算出的導(dǎo)帶圖，其示出為圖3和圖4(a)所示的QCL 100的有源區(qū)103的形成部分。相似的，圖5(b)示出構(gòu)成QCL 100的有源區(qū)103的部分的"二聲子諧振"QC結(jié)構(gòu)112的20級堆疊的一個周期522的計算出的導(dǎo)帶圖。在這些圖中，波浪形曲線代表相關(guān)量子狀態(tài)波函數(shù)的模的平方。對于DFG重要的"束縛到連續(xù)"部分的電子狀態(tài)在圖5(a)中以粗體示出并標(biāo)記為1-5。兩個結(jié)構(gòu)的注入阻擋層525(即，電子需要隧穿以到達(dá) 該結(jié)構(gòu)的阻擋層)被表示為圖中最左側(cè)的阻擋層。基于圖5(a)和圖5(b)所示的導(dǎo)帶圖，圖5(c)的能級圖中示出了圖3和圖4(a) 中所示的QCL 100的有源區(qū)103中的THz諧振DFG過程的圖表，來自于圖5(a)的相關(guān)能級在圖5(c)中以粗體表示且也被標(biāo)記。特別地，圖5(c)示出QCL IOO被配置為基于來自于非線性極化率的差頻產(chǎn)生(DFG)來產(chǎn)生第一頻率的第一輻射(524)、第二頻率"2的第二輻射(526)、以及第三頻率為"="「"2的第三輻射(528)。在該DFG過程中，二階非線性極化率的表達(dá)式由下式給出
<formula>formula see original document page 10</formula>
(2)
其中，^為上激光能級1中的電子密度，n和n'為狀態(tài)的密度簇中(圖3a)的能級，eZij、 "ij以及r u為狀態(tài)i和j之間的躍遷的雙極矩陣元素、頻率和展寬。此處假設(shè)電子數(shù)量大多數(shù)在上激光能級1上，下激光能級上的電子數(shù)量忽略。在該具體的示例性實現(xiàn)中，對x (2) 最大的貢獻來自于圖5(a)和圖5(c)的狀態(tài)1、3和4。將計算得到的雙極矩陣元素和能量間隔插入方程(2)中，并假設(shè)展寬rij" 10meV，電子數(shù)量大多數(shù)在上激光態(tài)上，則對于在 7. 6禾P 8. 7微米波長的兩激光泵浦之間的DFG過程，二階非線性極化率x (2) " 4X 105pm/ V。實際上，對給定的實現(xiàn)來說x(2)的實際值可能較小，這是因為激光態(tài)中的電子數(shù)量分布更為均勻。此外，子帶間躍遷能量和線寬的值不確定也可能導(dǎo)致x(2)的實際值更小。如在下面與圖11和段
相結(jié)合討論的，用于更準(zhǔn)確估x (2)的更精煉的形式可以考慮激光 "增益=損失"的條件。對根據(jù)上面結(jié)合圖3和圖4 (a)討論過程構(gòu)造的示例性QCL進行了各種測量。利用傅里葉變換紅外波譜儀進行中紅外和THz發(fā)射的波譜測量。分別使用汞鎘碲檢測器和氦冷卻的硅輻射熱計對中紅外和THz進行波譜測量。分別利用校準(zhǔn)的熱電堆檢測器和校準(zhǔn)的輻射熱計對中紅外和THz發(fā)射進行功率測量。功率收集效率對中紅外來說估計約為70%，而對THz測量來說估計低于10X。下面進一步討論的各個圖中呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)沒有根據(jù)收集效率進行校正。為了區(qū)分中紅外泵浦和THz DFG，使用了光學(xué)濾波器。在圖6的插圖中示出了來自如上面結(jié)合圖3和圖4(a)所述構(gòu)造的示例性脊形波導(dǎo)設(shè)備的典型的中紅外發(fā)射譜。泵浦發(fā)射波長約為A "7.6ym和A "8.7ym。該設(shè)備在雙波長模式下在高至大約250開氏度的溫度下工作，并在室溫下提供單個波長發(fā)射(入"7. 6iim)。圖6也示出溫度為10開氏度，脈沖模式(200kHz的60ns脈沖)下，利用2011111寬、2111111長具有背面高反射涂層的脊形器件的設(shè)備的電流-電壓(I-V)特征和光輸出與電流關(guān)系(L-I)的特征。7.6iim和8.7iim泵浦激光的峰值功率分別以下部的兩條曲線繪制。沒有針對估計的70%的功率收集效率對該數(shù)據(jù)進行校正。在圖7a中示出了在不同溫度收集的來自代表性脊形波導(dǎo)QCL的THz波譜。從20iim寬、2mm長、帶有背面高反射涂層的脊形器件獲得這些波譜。此外，以脈沖模式操作該器件，其中，500kHz、60納秒的脈沖，峰值電流為3. 6安培。THz信號的波譜位置與中紅外泵浦的頻率的差相一致。10開氏度和80開氏度時的最大DFG輸出功率相當(dāng)，且150開氏度時的最大DFG輸出功率大約小了 5倍，150K是在該具體示例性設(shè)備中觀察到DFG的最高溫度。DFG信號隨溫度降低可以歸因于中紅外泵浦強度隨溫度的減小。特別地，10開氏度和80開氏度時兩個中紅外泵浦的峰值功率的乘積是相似的，而150開氏度時峰值功率的乘積大約小了4倍。圖7b中示出了在10開氏度時典型設(shè)備的峰值THz DFG功率和總中紅外發(fā)射功率與注入電流的依賴關(guān)系。圖7b的插圖中繪制了THz DFG功率與兩個中紅外泵浦功率的乘積的關(guān)系。方程l所預(yù)期的線性依賴關(guān)系可清晰地觀察到，其斜度效率為llnW/W2。該數(shù)據(jù)沒有分別針對中紅外和THz測量估計為70%和10%的功率收集效率進行校正。
為了估計QCL中的THz DFG轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)該考慮穿過QCL波導(dǎo)的x (2)的變化以及波導(dǎo)中非均勻的場強分布。在下面的分析中，假設(shè)泵浦波的功率遠(yuǎn)大于DFG發(fā)射的功率，并利用通用的教科書的方法來推導(dǎo)出在耦合TM極化波導(dǎo)模式的情況下的DFG轉(zhuǎn)換效率的表達(dá)式。
由頻率為和"2的兩個中紅外泵浦以頻率"="「"2引出的非線性
極化P(2)用作頻率為"的波的輻射源。對于耦合量子阱系統(tǒng)，P(2)被垂直于波導(dǎo)層極
化，因此，僅對TM極化波導(dǎo)模式有貢獻。在波導(dǎo)中頻率為"的模式下的磁場幅度可以寫作H(x， y， z， t) = H。(x， z) Xh(y) Xe""*—ky)， (Sl)其
中，圖4(a)中所示坐標(biāo)系H。(x， z)Xe""t—W是無源波導(dǎo)(即沒有P(2))中的模式，且h(y)是在其在波導(dǎo)中隨P(2)傳播時引起模式強度的增加的緩慢變化的幅度。將H(x， y，z， t)的表達(dá)式插入波方程并忽略h(y)的二階導(dǎo)數(shù)(使用緩變幅度近似)，我們得到<formula>formula see original document page 11</formula>(S2)這
里，我們利用了 H。 (x，z) Xe""—W是無源波導(dǎo)的波方程的解這一事實。利用不同階的波導(dǎo)模式的正交性，對于h(y)我們得到<formula>formula see original document page 12</formula>
由中紅外泵浦模式的電場引起的非線性極化<formula>formula see original document page 12</formula>
其中，Pw,(X,Z)是在頻率為A的模式白量。利用TM極化模式中電場和磁場之 ,、w叫(x,z)
(S3)
(S4)
(S5)其中，和b是
在頻率為的模式的有效折射率和波向量。將方程(S4)和(S5)插入方程(S3)中，并對 y進行積分，我們得到
<formula>formula see original document page 12</formula>其中，我們利用了 " = "「^的事實并假設(shè)(k「k2)/k" 1。為了計算DFG發(fā)射的功率，我們對頻率為"的模式的時間平均Poynting向量進行積分，
<formula>formula see original document page 12</formula>
其中，《.. > 是時間平均，且真實的場強表示為五(x，z力=五:(x，"e—'" + c.c.。將來自于方程
(S6)中關(guān)于h(y)的表達(dá)式插入方程(S7)并用泵浦波的兩個強度對表達(dá)式進行標(biāo)準(zhǔn)化，我們得到經(jīng)過一些簡化后的DFG波的功率的表達(dá)式
<formula>formula see original document page 12</formula>這里，Wi是頻率為"i的模式的功率，以及l(fā)。。h = l/|k-(krk2) Z) " 0Wf)2，可以進一步簡化該表達(dá)式，然后我們得到
<formula>formula see original document page 12</formula>其中，x (2)是QCL波導(dǎo)中非線性極化率的峰值，反應(yīng)的有效面積Seff由下式給出 J"(//^ (x, z))2j"(^^ (工，z))Vxcfe J"(^2 (x， z))^dz
<formula>formula see original document page 12</formula>注意，對于平面波，光束強度為I = W/S， x②為常量。我們重新得到平面波近似下的DFG 強度的表達(dá)式。為了估計QCL波導(dǎo)中的THz DFG轉(zhuǎn)換效率，我們利用圖4(b)、圖4(c)和圖4(d) 中所示的模式分布圖對方程(S10)中的積分進行估算，并參考圖4(a)忽略場強在x方向上的依賴性。假設(shè)中紅外泵浦是TM。。模式并驗證DFG對TM。。模式最有效率，對20 y m寬的脊形設(shè)備，我們得到Seff " 1800 ii m2。當(dāng)lcoh = 22線這導(dǎo)致內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率n int = W/ (W,2) 為 700yW/^，此處，功率Wi是在QCL波導(dǎo)內(nèi)側(cè)測得的。為了估算外部轉(zhuǎn)換效率，next = W/ (W具)，其中，功率Wi是在QCL波導(dǎo)外部測得的，我們可以利用Fresnel公式以及計算的 nrff來估算激光器前面的透射率。我們得到對于所有的三個波長的功率透射系數(shù) 0. 7，并得到next lmW/W2。注意，對于A = 60 iim以及 15X20 iim2的脊形波導(dǎo)橫截面，實際的前面透射系數(shù)可能比由Fresnel公式給出小很多，這也會導(dǎo)致較小的nrat值。
總之，在上面結(jié)合圖4(a)的實施例討論的例子中，沒有企圖實現(xiàn)相位匹配，也沒有最大化相干長度。TM。。泵浦和THz DFG模式之間的相位失配k-(k「k》估計約為420cm—、且THz DFG的損失a估計為 340cm—、參見方程(1)，其轉(zhuǎn)換成 22 y m的相干長度。利用le。h = 22 i！ m， x (2) " 4X 105pm/V的理論估計，并假設(shè)中紅外僅在TM。。模式下激發(fā)，預(yù)測 DFG轉(zhuǎn)換效率在波導(dǎo)架構(gòu)下為lmW/W2的數(shù)量級(order)。針對中紅外和THzDFG信號收集效率校正了的轉(zhuǎn)換效率的測量值約為50nW/W2。該差異可能來自于許多因素，包括在許多高階側(cè)邊模式下的中紅外激發(fā)，實際的x (2)值顯著偏小，較差的THz波失耦等。
雖然在圖4(a)的實施例中采用通過金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長的 10iim厚的InP頂部波導(dǎo)覆層120以為中紅外和THz模式提供介電模式限制，根據(jù)另一個實施例，采用組合的介電/金屬_表面_等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中，中紅外泵浦被限制在該介電波導(dǎo)核心，且該THz模式被金屬層/壁所引導(dǎo)，這與在先研究的THz QCL(非基于DFG)的結(jié)構(gòu)相類似。盡管該金屬層對THz模式有效，但它們對中紅外場引入了高的損失。因此，中紅外模式應(yīng)當(dāng)與金屬化壁具有低的重疊。這可以通過如此的設(shè)計得到中紅外模式被定位在厚的THz波導(dǎo)的中心，自然在壁上消失，因此與金屬有非常小的重疊。
根據(jù)本公開的另一個發(fā)明實施例，圖8(b)示出這種包括表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 180的QCL 100A的例子；而圖8(a)示出該QCL 100A的中紅外激光模式(中間的窄圖)和 THz模式(較寬的圖)的強度分布。特別地，在大約10.5ym厚的示例性波導(dǎo)中，對中紅外模式和THz模式，沿生長方向(從波導(dǎo)頂部計起的距離)示出了圖8(a)所示的強度分布，所述波導(dǎo)由同時用作電流注入的接觸的兩個金屬壁170和172形成。如圖8(b)所示，整合的有源區(qū)103占據(jù)了波導(dǎo)的中央?yún)^(qū)域(例如，4至5iim)。該波導(dǎo)的其余部分包括低摻雜的緩沖材料(例如層116和118，相似于圖4(a)中所示的那些層)。一方面，因為中紅外泵浦模式的窄分布，在一些實現(xiàn)中不必像THz QC激光器那樣將整個波導(dǎo)用有源區(qū)填充。另一方面，光柵182可選地放置在表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)180的表面并配置為沿著波導(dǎo)的長度提取DFG輻射。根據(jù)另一實施例，基于DFG的QCL可能包括與高非線性極化率整合的單個量子級聯(lián)結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生泵浦和DFG頻率二者。圖9和圖IO分別示出這種設(shè)備的能量圖和導(dǎo)帶圖。該設(shè)計基于對二聲子諧振結(jié)構(gòu)的變型。在圖9和圖IO中，負(fù)責(zé)激光動作和高二階非線性的能級用粗體表示并標(biāo)注為1、2和3。 1到3或2到3的激光躍遷被設(shè)計為具有相同的振子強度，對應(yīng)于THz輻射的頻率差為60 ii m。進行平均為 5X 1016cm—3的摻雜，并假設(shè)電子數(shù) 量被狀態(tài)1和2均勻共享，則60 ii m DFG的非線性極化率可大到8X 105pm/V。
在根據(jù)本公開的用于產(chǎn)生THz輻射的QCL的各種實施例中，QCL可以操作為產(chǎn)生連續(xù)波(CW)或者脈沖輻射，也可以基于受控的工作溫度變化配置為可變化地調(diào)諧第一、第二和第三頻率。為此，根據(jù)各實施例的設(shè)備還可以包括耦合到QCL(例如，參見圖4(a)和圖8(b))的熱電(TE)冷卻器190，以控制(穩(wěn)定在固定的點或變化)該QCL的工作溫度。一方面，該TE冷卻器可以是單級或多級的冷卻器，也可以配置為提供大約195至295開氏度范圍的QCL工作溫度。在依照上述發(fā)明概念的另一個示例性實現(xiàn)中，欲對圖4(a)所示的一般性的波導(dǎo) 結(jié)構(gòu)進行各種變型以實現(xiàn)這樣的THz QCL:該THz QCL可以被調(diào)整為不同的工作波長和/或工作性能度量。圖11示出了一種例子，其QCL的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與圖4(a)中所示的大體相似，但是根據(jù)本公開的另一個發(fā)明實施例其具有一些變化。在一個基于圖ll所示的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的示例性實現(xiàn)中，根據(jù)上述概念的DFG的THz QCL可以被設(shè)計為以波長A工=8. 9 y m和入2 =10. 5iim的中紅外操作，并產(chǎn)生A "60iim的太赫茲輸出，其在80開氏度為7iiW的輸出功率，在250開氏度時為大約1 P W的輸出功率，并且在300開氏度(亦即大約為室溫或以上)時大約300nW的輸出功率。更具體地，圖ll所示的QCL IOOB是基于由分子束外延(MBE)生長的In。.53Ga。.47As/ In。.52Ga。.48As異質(zhì)結(jié)構(gòu)。特別地，MBE生長始于n摻雜為9X 1016cm—3的InP基底122B，具有設(shè)計為以10. 5ii m進行發(fā)射的30級的二聲子諧振QC結(jié)構(gòu)112B，隨后是n摻雜為3X 1016cm—3 的100納米厚的GalnAs間隔物(未在圖11中示出)以及設(shè)計為以8. 9 y m進行發(fā)射的30 級的束縛到連續(xù)QC結(jié)構(gòu)114B。對于該示例性設(shè)備，從注入阻擋層開始，該束縛到連續(xù)結(jié)構(gòu) 114B的一個周期的層順序(以A為單位)為40/24/7/65/8/64/8/58/22/40/13/38/14/37/ 15/36/19/36/25/36/25/35,而二聲子諧振結(jié)構(gòu)112B的一個周期的層順序為40/20/7/60/9 /59/10/52/14/38/12/32/12/32/16/31/19/31/22/30/22/29。阻擋層以斜體表示，下劃線的層被摻雜為n = 3X1017cm—3。在圖13中示出了該束縛到連續(xù)結(jié)構(gòu)在施加偏壓為37kV/cm時一個周期的計算的導(dǎo)帶圖。如上所述，波浪形曲線代表波函數(shù)的模的平方。對于DFG重要的電子態(tài)以粗體表示并標(biāo)記為1至3。在圖11的QCL 100B中，MBE生長以n摻雜為3 X 1016cm—3的50nm厚的GalnAs 層(圖11中未示出)結(jié)束。上波導(dǎo)覆層包括3. 5iim厚的層120Bi和0. 2iim厚的InP層 12( 2，其n摻雜分別為5X 1016cm—3和5X 1018cm—3，然后用MOCVD生長在上面。與圖4(a)所示的QCL相同，在一些實現(xiàn)中，材料可以處理成深度蝕刻的脊形波導(dǎo)，其大約2mm長，15至 25 ii m寬(例如參見圖3)，且該脊的側(cè)邊壁上具有400nm厚的Si3N4絕緣層IIOB，以及具有 Ti/Au(20nm/400nm)頂接觸108B。非合金Ge/Au接觸124B可以被沉積在基底122B的背面上。此外，高反射涂層(例如包括Al2(VAu(200nm/50nm)層)可以被沉淀在該設(shè)備的后表面上。此外，光柵105B可以可選擇性地沉積在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的表面并被配置為沿著波導(dǎo)的長度提取DFG輻射。再次參考上面結(jié)合方程(2)討論的，在圖11的QCL 100B中，該束縛到連續(xù)結(jié)構(gòu)114B具有對于DFG明顯的x (2)。上激光態(tài)的電子密度可以通過"增益=損失"條件確定。介質(zhì)中帶有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光增益由下面的表達(dá)式給出
孫1 、勝么|Zl《.r (3)其中，nj"》為該
激光模式的有效折射率，n指低激光能級。QCL的"增益=損失"條件由下式給出gmaxX r =a wg+ a m (4)其中，gmax為方程(3)中激光
增益的峰值，r是帶有有源區(qū)的模式交疊因子(modal overl即factor), a wg和a m分別為波導(dǎo)和鏡像損失。對于QCL100B，參數(shù)分別取r " 0. 4， a wg " 8cm—、 a m " 3cm—、則得到 gmax " 28cm—、取r ij " 7. 5meV，從方程(2) 、 (3) 、 (4)中可以發(fā)現(xiàn)，對于我們的設(shè)備的DFG 過程，ANe " 2X 1015cm—3， | x (2) | " 4X 104pm/V。關(guān)于上面結(jié)合圖4(a)討論的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，指出了圖4(a)和圖11結(jié)構(gòu)之間的一些不同。首先，有源區(qū)和波導(dǎo)層的摻雜降低了，這導(dǎo)致了THz波的損失的減少。第二，現(xiàn)在為相位匹配k = kl-k2設(shè)計了波導(dǎo)。利用對中紅外泵浦和THz波的TM。。模式計算的的有效折射率，以及THz模式損失，圖11的QCL的關(guān)聯(lián)長度(參見方程1)在25至60iim寬的脊中大約為50至80ym，其大約比圖4(a)的QCL的關(guān)聯(lián)長度大三倍。le。h的限制因子為THz下的波導(dǎo)損失，其計算為a " 250cm—、應(yīng)當(dāng)了解，通過進一步減小基底、波導(dǎo)層和有源區(qū)的摻雜，可以將a減小到100cm—1以下。圖12示出圖11的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一個實現(xiàn)的頂視圖。正如上面所指出的，該波導(dǎo)可以被處理形成深蝕刻脊形波導(dǎo)，其大約2mm長25 m寬，包括錐形部分360、向前面370的方向展寬到大約60iim。此外，包括Al203/Au(200nm/50nm)層的高反射涂層可以被沉淀在后表面380上。一方面，該錐形部分360提高了來自于波導(dǎo)的THz輻射的外耦合效率。圖14 中示出IR和THz波的計算的波導(dǎo)模式，以及波導(dǎo)折射率分布圖。在圖14中，TM。。波導(dǎo)模式中的磁場強度在右軸表示，折射率分布在左軸表示，波長分別為A 二8.9ym(細(xì)黑線)以及60ym(粗灰線)。同樣，以灰色顯示的是有源區(qū)的兩部分。對于測量，根據(jù)圖11所示的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的示例性QCL在250kHz重復(fù)率60ns脈沖的脈沖模式下操作。使用兩個2"直徑的拋物線鏡面收集輻射一個具有5cm的聚焦長度以收集來自設(shè)備的光，另一個具有15cm的聚焦長度以將其重聚焦至熱電堆或者汞鎘碲化物 (MCT)檢測器以進行中紅外測量，或重聚焦至氦制冷的校準(zhǔn)的硅輻射熱計以進行THz測量。針對我們的設(shè)置的70%的收集效率校正了中紅外功率。波譜使用傅里葉變換紅外波譜儀取得。對于THz測量，使用光學(xué)過濾器阻擋中紅外輻射。這些示例性的QCL以雙重波長工作直到室溫。圖15(a)中示出了電流-電壓特性、兩個中紅外泵浦功率的乘積W("》XW("2) 對電流的依賴關(guān)系以及典型設(shè)備的典型發(fā)射譜。作為比較，圖15(b)中也示出了THz DFG 波譜，其使用圖15(a)中的中紅外波譜激發(fā)。由于波導(dǎo)中次波長THz模式限制，一方面來自QCL的THz DFG輸出可能顯著地發(fā) 散，THz外耦合效率可能較差。相應(yīng)地，在另一個實施例中，如圖12所示，硅超半球透鏡390 可選擇地附著在輸出面370上或者與其實現(xiàn)光學(xué)通信(例如與其適當(dāng)接近)。在一個示例性實現(xiàn)中，透鏡390可以是直徑2mm、高1. 19mm的高阻硅超半球透鏡，放置在輸出面370的 5iim之內(nèi)。對于透鏡準(zhǔn)直，來自QCL的中紅外輸出可以利用MCT檢測器成像。在一些實現(xiàn) 中，與沒有透鏡的設(shè)備相比，帶有透鏡的QCL的收集的THz DFG功率輸出提高了 25倍。在其它方面，該提高來自于提高的收集效率(從估計小于10%到大約100% )以及THz外耦合效率的增加。圖15(c)中示出在不同溫度收集的具有透鏡的設(shè)備的典型THz DFG波譜。在高至室溫的情況下觀察到了 THz輸出，其THz功率，對收集效率進行修正后，從80開氏度時大約7iiW降低至250開氏度時的liiW以及室溫時的300nW。該趨勢在圖15(d)中示出，其中畫出了不同溫度下的中紅外泵浦功率的乘積。圖15(d)中的數(shù)據(jù)表明，THz功率輸出的下降很大程度上來自于中紅外泵浦功率的下降(參見方程l)，而此時THz DFG轉(zhuǎn)換效率保持在常量 5iiW/W2。 (d)中的測量以及所有波譜的測量都是用在重復(fù)速率為250kHz、60ns3. 5A的脈沖電流下操作的設(shè)備進行的。總之，根據(jù)各實施例，所公開的QCL設(shè)備被配置為同時以三個紅外波長產(chǎn)生窄波
段輻射，由此擴展到整個中遠(yuǎn)紅外區(qū)域。這種光源可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用在例如各種材料的波譜儀、
遠(yuǎn)程感應(yīng)(包括爆炸檢測)以及射電天文外差式接收器的本地振蕩器中。盡管這里已描述和闡述了各種本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地想到
許多其它手段和/或結(jié)構(gòu)來執(zhí)行這些功能和/或得到這些結(jié)果和/或?qū)崿F(xiàn)一個或多個此處
描述的優(yōu)點。任一這些改變或變型都在這里公開的本發(fā)明的實施例的范圍內(nèi)。更一般地說，
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地了解此處描述的所有的參數(shù)、維度、材料和配置都是示例性的，
實際的參數(shù)、維度、材料和/或配置將依賴于使用本發(fā)明教導(dǎo)的具體應(yīng)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員
會認(rèn)識到或使用不超出常規(guī)的實驗?zāi)軌虼_定與此處公開的實施例等同的許多方式。因此可
以理解，前面給出的實施例僅是示例性方式，在所附的權(quán)利要求書和等同物的范圍內(nèi)，本發(fā)
明實施例可能被與此處描述和要求保護的不同地進行實踐。本公開的發(fā)明性實施例適用于
此處描述的每一單獨的特征、系統(tǒng)、部件、材料、工具和/或方法。此外，如果這種特征、系
統(tǒng)、部件、材料、工具和/或方法不是完全不一致的，任何兩個或更多這些特征、系統(tǒng)、部件、
材料、工具和/或方法的組合也包括在本公開的發(fā)明范圍內(nèi)。所有這里定義和使用的定義，都應(yīng)當(dāng)理解為控制在辭典的定義、參考文獻所引入的文獻中的定義，和/或已定義術(shù)語的普通意思。在說明書和權(quán)利要求書中使用的非限定冠詞"一"，除非有明確相反的明示，均應(yīng) 理解為"至少一個"之意。在說明書和權(quán)利要求書中使用的短語"和/或"，應(yīng)該理解為其所連接的元素的 "每一個或二者均是"，也就是說，這些元素在一些情況下相連接出現(xiàn)，而在另一些情況下不相連接出現(xiàn)。以"和/或"列示的多個元素應(yīng)當(dāng)以同樣的方式解釋，也就是說，"一個或多個" 這些元素相連接。其它元素可以選擇性地出現(xiàn)，而不是具體由"和/或"短語具體定義的元素出現(xiàn)，無論這些可選擇出現(xiàn)的其它元素與這些由"和/或"短語具體定義的元素是相關(guān)還是不相關(guān)的。因此，作為一個不具備限制性的例子，在指"A和/或B"時，當(dāng)其與開放式結(jié) 尾的語言，例如"包括"相連接使用時，在一種情況下，其僅指A (可選擇性地包括非B的其它元素)；在另一種情況下，其僅指B(可選擇性地包括非A的其它元素)；而在又一種情況下，其指A和B(可以選擇性地包括其它元素)；等。在說明書和權(quán)利要求書中使用的"或"，應(yīng)該理解為與上面定義的"和/或"的意義相同。例如，當(dāng)在一個列表中分隔項目時，"或"或"和/或"應(yīng)當(dāng)解釋為包括，也就是說，包括至少一個，但是也包括多于一個數(shù)目或者列表中的元素，以及可選擇地包括其它未列在表中的元素。僅當(dāng)有明確相反指示的詞語，例如"僅僅一個"或者"恰好一個"，或者當(dāng)使用
在權(quán)利要求書中時，"由......組成"是指恰好包括一個元素或者元素的列表。一般說來，
當(dāng)前面具有排除性的術(shù)語，如"任一個"、"其中之一"、"僅其中之一"或"恰好其中之一"時，此處使用的術(shù)語"或"僅僅解釋為表明排除了替代物(也就是說，一個或另一個，但不是二
者均有)。"主要由......組成"當(dāng)用在權(quán)利要求書中時，其具有其在專利法律領(lǐng)域中的一
般含義。在說明書和權(quán)利要求書中使用的短語"至少一個"，在指向一個或多個元素組成的列表時，應(yīng)該理解為至少一個元素從任意一個或多個列表中的元素中選擇出來，但是并不必定包括在元素列表中具體列出的每一個元素的至少一個，而且，也不排除任何元素列表中的元素的組合。這一定義也允許元素可以選擇性地出現(xiàn)，而不是具體定義在短語"至少一個"所指的元素列表中的元素，無論這些元素與那些具體定義的元素相關(guān)還是不相關(guān)。因此，作為一個非限制性的例子，"至少A和B中的一個"(或者等同地，"至少A或B中的一個"，或者等同地，"至少A和/或B中的一個")，在一種情況下，指至少一個，可選擇性地包括多于一個A，且沒有B出現(xiàn)(可以選擇性地包括非B的元素)；在另一種情況下，指至少一個，可選擇性地包括多于一個B，且沒有A出現(xiàn)(可以選擇性地包括非A的元素)；在又一種情況下，指至少一個，可選擇性地包括多于一個A，且至少一個，可選擇性地包括多于一個 B(可以選擇性地包括其它元素)，等。還應(yīng)當(dāng)理解，除非有明確相反的明示，在權(quán)利要求中的任何方法，其包括超過一個步驟或動作，該方法中的該些步驟或動作的順序并不必然限制在該方法中的該些步驟或動作被引用的順序。在權(quán)利要求書以及在上面的說明書中，所有的連接短語，例如"包含"、"包括"、"帶有"、"具備"、"含有"、"涉及"、"具有"、"包含有"以及類似的表述應(yīng)當(dāng)理解為開放式結(jié)尾的，
也就是說，其表示包括但不限于。僅僅有連接短語"由......組成"和"主要由......組
成"應(yīng)當(dāng)分別是封閉式或半封閉式的連接短語，就像美國專利局專利審查程序手冊2111. 03 部分所提出的那樣。
權(quán)利要求
一種設(shè)備，包括量子級聯(lián)激光器(QCL)，具有整合在所述QCL的有源區(qū)中的顯著的二階非線性極化率(χ(2))，所述QCL被配置為基于來自于所述非線性極化率的差頻產(chǎn)生(DFG)來產(chǎn)生第一頻率ω1的第一輻射、第二頻率ω2的第二輻射，以及第三頻率ω3＝ω1-ω2的第三輻射。
2. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述QCL包括第一量子級聯(lián)(QC)結(jié)構(gòu)，被配置為產(chǎn)生所述第一輻射；以及第二 QC結(jié)構(gòu)，被配置為產(chǎn)生所述第二輻射，其中，將所述非線性極化率整合在所述第一 QC結(jié)構(gòu)和所述第二 QC結(jié)構(gòu)的至少一個中。
3. 如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述非線性極化率整合在所述第一 QC結(jié)構(gòu)和所述第二QC結(jié)構(gòu)二者中。
4. 如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述非線性極化率僅整合在所述第一 QC結(jié)構(gòu)和所述第二QC結(jié)構(gòu)的一個中。
5. 如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述非線性極化率整合在所述第二 QC結(jié)構(gòu)中而不整合在所述第一QC結(jié)構(gòu)中。
6. 如權(quán)利要求2至5中任一個所述的設(shè)備，其中，所述第一 QC結(jié)構(gòu)包括至少一個二聲子結(jié)構(gòu)；以及所述第二 QC結(jié)構(gòu)包括至少一個束縛到連續(xù)結(jié)構(gòu)。
7. 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述第一 QC結(jié)構(gòu)包括大約從20到30個二聲子結(jié)構(gòu)；以及所述第二 QC結(jié)構(gòu)包括大約30個束縛到連續(xù)結(jié)構(gòu)。
8. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述QCL包括單個量子級聯(lián)(QC)結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生所述第一、第二和第三輻射。
9. 如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中，所述單個QC結(jié)構(gòu)包括至少一個改良的二聲子結(jié)構(gòu)。
10. 如前述權(quán)利要求中任一個所述的設(shè)備，其中，所述第一輻射和所述第二輻射分別具有電磁譜的中紅外波段中的第一波長和第二波長，且所述第三輻射具有所述電磁譜的太赫茲(THz)波段中的波長。
11. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述第一波長和第二波長在大約5到10微米的范圍內(nèi)；以及所述第三波長在大約30到300微米的范圍內(nèi)。
12. 如前述權(quán)利要求中任一個所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備被配置為在室溫下工作。
13. 如權(quán)利要求l至ll中任一個所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備被配置為在低于等于大約 250開氏度的溫度工作。
14. 如權(quán)利要求l至ll中任一個所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備被配置為在低于等于大約 150開氏度的溫度工作。
15. 如權(quán)利要求l至ll中任一個所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備被配置為在低于等于大約 80開氏度的溫度工作。
16. 如前述權(quán)利要求中任一個所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備被配置為基于工作溫度的受控變化可變地調(diào)諧所述第一、第二和第三頻率。
17. 如前述權(quán)利要求中任一個所述的設(shè)備，還包括耦合到所述QCL以控制所述QCL的工作溫度的熱電冷卻器。
18. 如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，所述熱電冷卻器被配置為提供覆蓋大約從195開氏度至295開氏度的范圍的工作溫度。
19. 如前述權(quán)利要求中任一個所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備被配置為在連續(xù)波(CW)模式下工作。
20. 如權(quán)利要求1至18中任一個所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備被配置為在脈沖模式下工作。
21. 如前述權(quán)利要求中任一個所述的設(shè)備，其中，所述QCL包括表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
22. 如權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中，所述表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括至少一個實質(zhì) 地限制所述第三輻射的導(dǎo)電面。
23. 如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中，所述表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被配置為使得所述第一和第二輻射不與所述至少一個導(dǎo)電面顯著交疊。
24. 如權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其中，所述表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括第一和第二導(dǎo)電面，其中，所述有源區(qū)被設(shè)置在所述第一和第二導(dǎo)電面之間；以及低摻雜的緩沖材料，與所述有源區(qū)一起被設(shè)置在所述第一和第二導(dǎo)電面之間。
25. 如權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其中，所述第一和第二導(dǎo)電面包括金屬接觸，以便于向所述設(shè)備施加電流。
26. 如權(quán)利要求21至25中任一個所述的設(shè)備，還包括光柵，設(shè)置在所述表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上，并被配置為沿著所述表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的長度提取所述第三輻射。
27. 如前述權(quán)利要求中任一個所述的設(shè)備，其中，所述QCL具有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括所述第三輻射的至少一部分發(fā)射出的背面和前面。
28. 如權(quán)利要求27所述的設(shè)備，其中，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括接近于所述前面的錐形部分。
29. 如權(quán)利要求27或28所述的設(shè)備，還包括與所述前面進行光學(xué)通信的透鏡。
30. —種方法，包括A)將顯著二階非線性極化率(x (2))整合在量子級聯(lián)激光器(QCL)的有源區(qū)中，從而便于基于來自于所述非線性極化率的差頻產(chǎn)生(DFG)來產(chǎn)生第一頻率的第一輻射、第二頻率"2的第二輻射，以及第三頻率"3= "r"2的第三輻射。
31. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述QCL包括被配置為產(chǎn)生所述第一輻射的第一量子級聯(lián)(QC)結(jié)構(gòu)，以及被配置為產(chǎn)生所述第二輻射的第二 QC結(jié)構(gòu)，其中，A)包括將所述非線性極化率整合在所述第一 QC結(jié)構(gòu)和所述第二 QC結(jié)構(gòu)的至少一個中。
32. 如權(quán)利要求31所述的方法，其中，A)包括將所述非線性極化率整合在所述第一 QC結(jié)構(gòu)和所述第二 QC結(jié)構(gòu)二者中。
33. 如權(quán)利要求31所述的方法，其中，A)包括將所述非線性極化率僅整合在所述第一 QC結(jié)構(gòu)和所述第二 QC結(jié)構(gòu)的一個中。
34. 如權(quán)利要求31所述的方法，其中，A)包括將所述非線性極化率整合在所述第二 QC結(jié)構(gòu)中而不整合在所述第一 QC結(jié)構(gòu)中。
35. 如權(quán)利要求31至34中任一個所述的方法，其中所述第一 QC結(jié)構(gòu)包括至少一個二聲子結(jié)構(gòu)；以及所述第二 QC結(jié)構(gòu)包括至少一個束縛到連續(xù)結(jié)構(gòu)。
36. 如權(quán)利要求35所述的方法，其中，所述第一 QC結(jié)構(gòu)包括大約20個二聲子結(jié)構(gòu)；以及所述第二 QC結(jié)構(gòu)包括大約30個束縛到連續(xù)結(jié)構(gòu)。
37. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述QCL包括單個量子級聯(lián)(QC)結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生所述第一、第二和第三輻射。
38. 如權(quán)利要求37所述的方法，其中，所述單個QC結(jié)構(gòu)包括至少一個改良的二聲子結(jié)構(gòu)。
39. 如權(quán)利要求30至38中任一個所述的方法，其中，所述第一輻射和所述第二輻射分別具有電磁譜的中紅外波段中的第一波長和第二波長，且所述第三輻射具有所述電磁譜的太赫茲(THz)波段中的波長。
40. 如權(quán)利要求39所述的方法，其中，所述第一波長和第二波長在大約5到10微米的范圍內(nèi)；以及所述第三波長在大約30到300微米的范圍內(nèi)。
41. 如權(quán)利要求30至40中任一個所述的方法，還包括在室溫下操作所述QCL。
42. 如權(quán)利要求30至40中任一個所述的方法，還包括在低于等于大約250開氏度的溫度下操作所述QCL。
43. 如權(quán)利要求30至40中任一個所述的方法，還包括在低于等于大約150開氏度的溫度下操作所述QCL。
44. 如權(quán)利要求30至40中任一個所述的方法，還包括在低于等于大約80開氏度的溫度下操作所述QCL。
45. 如權(quán)利要求30至44中任一個所述的方法，還包括可控地改變所述OCL的工作溫度，從而可變地調(diào)諧所述第一、第二和第三頻率。
46. 如權(quán)利要求45所述的方法，其中，可控地改變工作溫度包括在大約從195至295 開氏度的范圍上可控地改變所述工作溫度。
47. 如權(quán)利要求30至46中任一個所述的方法，還包括向所述QCL施加連續(xù)電流，從而在連續(xù)波(CW)模式下操作所述QCL。
48. 如權(quán)利要求30至46中任一個所述的方法，還包括向所述QCL施加脈沖電流，從而在脈沖模式下操作所述QCL。
全文摘要
用于通過差頻產(chǎn)生(DFG)產(chǎn)生輻射的設(shè)備和方法。在一個示例性實現(xiàn)中，量子級聯(lián)激光(QCL)具有整合在所述QCL的有源區(qū)中的顯著的二階非線性極化率(x(2))。所述QCL被配置為基于來自于所述非線性極化率的差頻產(chǎn)生(DFG)來產(chǎn)生第一頻率ω1的第一輻射、第二頻率ω2的第二輻射，以及第三頻率ω3＝ω1-ω2的第三輻射。一方面，所述QCL可以被配置為在室溫下產(chǎn)生明顯的THz輻射。
文檔編號H01S5/34GK101730961SQ200880016230
公開日2010年6月9日申請日期2008年3月14日優(yōu)先權(quán)日2007年3月16日
發(fā)明者米哈伊爾·A·貝爾金, 費德里科·卡帕索, 阿列克謝·別利亞寧申請人:哈佛大學(xué);德克薩斯A&M大學(xué)系統(tǒng)

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