用于量子级联激光器的太赫兹可饱和吸收装置
阅读说明：本技术 用于量子级联激光器的太赫兹可饱和吸收装置 (Terahertz saturable absorption device for quantum cascade laser ) 是由 曾和平 马艳颖 袁帅 聂源 王瑾 王勇 沈嘉伟 于 2019-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及超快光学应用技术领域,具体涉及用于量子级联激光器的太赫兹可饱和吸收装置,包括基底芯片,包括基底层,以及镀于所述基底层表面的GST膜层；所述GST膜层在基底层的表面形成GST可饱和吸收部；驱动源部,与基底层电连接,用于输出定向电压驱动基底层中的载流子迁移,以改变GST可饱和吸收部对太赫兹波的吸收率,使得GST可饱和吸收部能够增强对低能量太赫兹波的吸收率,且减弱对高能量太赫兹波的吸收率,对太赫兹波进行可饱和吸收。本发明的太赫兹可饱和吸收器能够更好的配合量子级联激光器,且能够对太赫兹进行可饱和吸收,能够辅助量子级联激光器实现输出太赫兹辐射脉冲窄化,并兼顾提升太赫兹波的吸收效果。(The invention relates to the technical field of ultrafast optical application, in particular to a terahertz saturable absorption device for a quantum cascade laser, which comprises a substrate chip, a substrate layer and a GST film layer plated on the surface of the substrate layer, wherein the substrate chip comprises the substrate layer; the GST film layer forms a GST saturable absorption part on the surface of the substrate layer; and the driving source part is electrically connected with the basal layer and used for outputting directional voltage to drive the carrier migration in the basal layer so as to change the absorptivity of the GST saturable absorption part on the terahertz waves, so that the GST saturable absorption part can enhance the absorptivity of the low-energy terahertz waves, weaken the absorptivity of the high-energy terahertz waves and saturably absorb the terahertz waves. The terahertz saturable absorber can be better matched with a quantum cascade laser, can perform saturable absorption on terahertz, can assist the quantum cascade laser to realize narrowing of output terahertz radiation pulses, and can improve the absorption effect of terahertz waves.)
技术领域
本发明涉及超快光学应用技术领域，具体涉及用于量子级联激光器的太赫兹可饱和吸收装置。
背景技术
太赫兹波的波谱范围在微波和红外之间，其波长范围介于0.03mm-3mm之间，对应的频率范围0.1THz-10THz之间，频谱上处于已经被深入研究的微波和中红外波之间。太赫兹具有独特的性质，因为太赫兹可以穿透常见的介质材料，如纸质、皮革、塑料、织物等，使得其在材料学、信息科学、物理学、生物学、医学以及军事等方面均有应用。在众多的太赫兹辐射产生方式中，基于半导体的太赫兹量子级联激光器(QCL)由于其体积小、轻便、功率高和易集成等特点，成为此领域一类重要的辐射源器件。
现目前，对于太赫兹波吸收器件方面的研究比较落后，已经实现的基于石墨烯材料的太赫兹可饱和吸收体和基于超材料(metamaterial)结构的太赫兹吸收器都是分立的器件，且使用的材料与太赫兹量子级联激光器差异较大，故不可能用在基于太赫兹量子级联激光器材料的片上集成系统中。
为解决上述问题，公开号为CN105703216B的中国专利公开了一种集成吸收波导的太赫兹量子级联激光器及其制作方法，所述量子级联激光器包括：半绝缘GaAs衬底；位于所述半绝缘GaAs衬底上表面的GaAs缓冲层；位于所述GaAs缓冲层表面的n型重掺杂下接触层；位于所述n型重掺杂下接触层表面的有源区；位于所述有源区表面的n型重掺杂上接触层；位于所述n型重掺杂上接触层表面且设有间隔距离L的第一、第二上电极金属层，其中，所述第二上电极金属层为退火后可形成高波导损耗的上电极金属层；以及位于所述n型重掺杂下接触层表面及有源区两侧的下电极金属层。
上述现有方案中，在太赫兹吸收器的基底材料（半绝缘GaAs衬底）上增加了电极金属层，从而提高对太赫兹波的吸收效率。但是，该现有方案中的太赫兹吸收器采用同一吸收率吸收不同能量（低能量和高能量）的太赫兹，即要么保持一个较高的吸收率，要么保持一个较低的吸收率，使得太赫兹吸收器难以实现可饱和吸收，导致吸收器对太赫兹波的吸收效果不好；此外，由于太赫兹吸收器难以实现可饱和吸收，使得量子级联激光器的输出脉冲较宽，导致与量子级联激光器配合使用效果不好。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够更好的配合量子级联激光器，且能够对太赫兹进行可饱和吸收的太赫兹可饱和吸收器，以辅助量子级联激光器实现输出太赫兹辐射脉冲窄化，并兼顾提升太赫兹波的吸收效果。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
用于量子级联激光器的太赫兹可饱和吸收装置，包括：
基底芯片，包括基底层，以及镀于所述基底层表面的GST膜层；所述GST膜层在基底层的表面形成GST可饱和吸收部；
驱动源部，与基底层电连接，用于输出定向电压驱动基底层中的载流子迁移，以改变GST可饱和吸收部对太赫兹波的吸收率，使得GST可饱和吸收部能够增强对低能量太赫兹波的吸收率，且减弱对高能量太赫兹波的吸收率，对太赫兹波进行可饱和吸收。
本方案中，基底芯片的基底层作为太赫兹波的传播介质，由驱动源部输入的定向电压作为吸收太赫兹波的能量，使得基底层中的载流子快速交换以减少谷间散射时间，从能够改变GST可饱和吸收部对太赫兹波的吸收率，使得GST可饱和吸收部能够增强对低能量太赫兹波的吸收率，实现对太赫兹波进行可饱和吸收。本方案中，设于基底层表面的GST膜层（GST可饱和吸收部）能够适用于量子级联激光器，使得太赫兹可饱和吸收器能够更好的与量子级联激光器配合，从而能够实现量子级联激光器输出太赫兹辐射脉冲的窄化；此外，GST可饱和吸收部能够增强对低能量太赫兹波的吸收率、减弱对高能量太赫兹波的吸收率，对太赫兹波的可饱和吸收，使得对太赫兹波的吸收效果得到提升。因此，本方案中的太赫兹可饱和吸收器能够更好的配合量子级联激光器，且能够对太赫兹进行可饱和吸收，能够辅助量子级联激光器实现输出太赫兹辐射脉冲窄化，并兼顾提升太赫兹波的吸收效果。
优选的，所述GST膜层镀于所述基底层解理面的表面，以在基底层解理面的表面形成GST可饱和吸收部。
这样，能够利用平行的基底层解理面构建腔内谐振，提升单色能量密度，实现受激辐射，受激辐射产生的光子在谐振腔内传输获得增益，这有利于提升对太赫兹波的吸收效果。
优选的，所述基底层的表面具有垂直于所述基底层解理面布置的脊条槽，以及垂直于所述基底层解理面布置的级联波导层。
这样，脊条槽两端是基底层的解理面，使得相互平行的两个解理面构成谐振腔的反射面，结合级联波导层能够实现太赫兹波的级联放大，有利于提升对太赫兹波的吸收效果。
优选的，所述驱动源部包括驱动电源，所述驱动电源的正极端与基底层电连接，负极端与级联波导层连接。
这样，驱动电源的正极与基底层电连接，负极与级联波导层连接，使得驱动电源能够输出定向电压，驱动基底层内的载流子迁移，有利于辅助改变GST可饱和吸收部对太赫兹波的吸收率，从而提升对太赫兹波的吸收效果。
优选的，所述太赫兹可饱和吸收装置还包括用于采集GST可饱和吸收部的太赫兹波吸收结果的反馈信号采集部；
所述驱动源部还包括与所述反馈信号采集部输出端连接的反馈控制电路，用于根据GST可饱和吸收部的太赫兹波吸收结果生成调制信息，并通过调制信息控制驱动电源输出对应的强度的定向电压。
这样，通过反馈信号采集部采集GST可饱和吸收部的太赫兹波吸收结果，并传输给并驱动源部的反馈控制电路，反馈控制电路根据太赫兹波吸收结果生成调制信息，控制驱动电源输出对应的强度的定向电压，使得驱动电源能够动态调整输出的驱动电流，从而改变GST可饱和吸收部对太赫兹波的吸收率，以实现增强对低能量太赫兹波的吸收率，减弱对高能量太赫兹波的吸收率的效果，有利于辅助基底芯片实现对太赫兹波的可饱和吸收，能够提升对太赫兹波的吸收效果。
优选的，所述反馈信号采集部包括放大器，以及与放大器负极端连接的稳压电阻；所述放大器的正极端与GST可饱和吸收部电连接，输出端与反馈控制电路的输入端电连接。
这样，通过放大器采集GST可饱和吸收部的太赫兹波吸收结果，所述太赫兹波吸收结果实际上是一个电压信号，然后对该电压信号放大后传输给反馈控制电路的输入端，有利于反馈控制电路控制驱动电源工作，从而有利于提升对太赫兹波的吸收效果。
优选的，所述基底层为砷化镓芯片、高阻硅、氮化硅或石墨烯。
这样，砷化镓芯片、高阻硅、氮化硅和石墨烯均为高损伤材料，这有利于更好的吸收太赫兹波，能够辅助提升对太赫兹波的吸收效果。
优选的，所述GST膜层为镀于基底层表面的Ge-Sb-Te材料。
这样，Ge-Sb-Te材料具有较高的可扩展性，有利于更好的镀于基底层表面；此外，Ge-Sb-Te材料的功耗低，对能量的消耗少，有利于辅助太赫兹波吸收器更好的吸收太赫兹波。
优选的，所述GST膜层通过磁控溅射的方式镀于基底层表面。
这样，GST膜层通过磁控溅射技术镀在基地层上，磁控溅射的方法具有成膜速率高和膜的粘附性好的优点。
优选的，所述GST膜层的厚度为10nm-10μm。
这样，10nm-10μm的厚度，在节约Ge-Sb-Te材料的前提下，还能够很好的辅助基底层实现对太赫兹波的可饱和吸收。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为实施例中太赫兹可饱和吸收装置的逻辑框图；
图2为实施例中太赫兹可饱和吸收装置的结构示意图；
图3为实施例中太赫兹脉冲时域的示意图；
图4为实施例中太赫兹脉冲频域的示意图；
图5为实施例中太赫兹波段饱和吸收曲线的示意图；
图6为实施例中GST材料表面微结构图的示意图。
说明书附图中的附图标记包括：基底芯片1、脊条槽11、波导层12、GST可饱和吸收部2、驱动源部3、反馈信号采集部4。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例：
本实施例公开了一种用于量子级联激光器的太赫兹可饱和吸收装置。
如图1和图2所示：用于量子级联激光器的太赫兹可饱和吸收装置，包括：
基底芯片1，包括基底层，以及设于所述基底层表面的GST膜层，GST膜层镀于所述基底层解理面的表面，以在基底层解理面的表面形成GST可饱和吸收部2；GST可饱和吸收部2能够增强对低能量太赫兹波的吸收率，且减弱对高能量太赫兹波的吸收率，对太赫兹波进行可饱和吸收。
具体实施过程中，基底层为砷化镓芯片、高阻硅、氮化硅或石墨烯中的一种，本实施例中基底层为砷化镓芯片；砷化镓芯片的表面具有垂直于所述基底层解理面布置的脊条槽11，且砷化镓芯片的表面还具有级联波导层12。
GST膜层为硫化锗锑碲合金(Ge-Sb-Te)材料在所述砷化镓芯片表面镀成的GST膜层，基于Ge-Sb-Te的相变合金材料主要：Ge1Sb4Te7，Ge1Sb2Te4，Ge2Sb2Te3和Ge2Sb2Te5，本实施例中选用Ge2Sb2Te5；GST膜层通过磁控溅射的方法镀于砷化镓芯片表面，GST膜层的厚度为10nm-10μm。
驱动源部3，与基底芯片1的基底层电连接，用于输出定向电压驱动基底层中的载流子迁移，以改变GST可饱和吸收部2对太赫兹波的吸收率，使得GST可饱和吸收部2能够增强对低能量太赫兹波的吸收率，且减弱对高能量太赫兹波的吸收率，对太赫兹波进行可饱和吸收。
具体实施过程中，驱动源部3包括驱动电源和反馈控制电路，驱动电源的正极端与基底层电连接，负极端与级联波导层连接；反馈控制电路用于根据GST可饱和吸收部2的太赫兹波吸收结果生成调制信息，并通过调制信息控制驱动电源输出对应的强度的定向电压。
反馈信号采集部4，与GST可饱和吸收部2连接，用于采集GST可饱和吸收部2的太赫兹波吸收结果。
具体实施过程中，反馈信号采集部4包括放大器，以及与放大器负极端连接的稳压电阻，所述放大器的正极端与GST可饱和吸收部电连接，输出端与反馈控制电路的输入端电连接，用于将采集的GST可饱和吸收部的太赫兹波吸收结果传输给反馈控制电路。
本实施例中，通过实验对太赫兹可饱和吸收装置进行了测试。
实验中，将量子级联激光器和本方案中的太赫兹可饱和吸收装置配合，太其获得的太赫兹脉冲的时域和频域如图3所示和图4所示。该实验中，在砷化镓的解理面表面镀有50nm的GST膜层，获得了3 THz谱宽的太赫兹辐射，与此同时，该GST膜层也抑制了量子级联激光器中低阶谐振模式，从而实现更窄的太赫兹脉冲输出。
为进一步分析其具体物理图像，本实施例中，测定了GST材料在太赫兹波段的饱和吸收曲线。具体的：将纯高阻硅片和镀有50nmGST材料的相同硅片，在太赫兹光束的空间焦点前后移动，移动过程中在每一个空间位置记录下此时硅片透射的太赫兹强度，当硅片接近太赫兹波空间焦点时，由于电场增强，纯高阻硅片对太赫兹波的吸收也随之增强(透射降低)，对应如图5中曲线1在z=0附近的凹陷，而对于镀有50nmGST材料的相同高阻硅片，由于存在饱和吸收在焦点前后较高功率位置透射率提升，对应如图5中曲线2在z=0附近的凸起。
通过实验，对GST材料产生的饱和吸收原因进行了分析：1)由于加入了相变材料GST，太赫兹辐射后材料中的载流子快速交换以减少了谷间散射时间，产生对低能量太赫兹辐射的吸收增加，对高能量太赫兹辐射的吸收减少的效果；2)太赫兹引起了GST材料可逆相变，诱导产生经典的蛾眼结构(Moth-eye structures，如图6所示)，近焦点处电场越强产生的蛾眼结构越多，而蛾眼结构上下表面可实现太赫兹波的干涉相消，即透射增强，最终实现可饱和吸收。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。