Dispositivo láser de emisión de ondas terahercios.

Dispositivo (1) láser de emisión de onda en una gama de frecuencia comprendida entre 0,

5 THz y THz queincluye una heteroestructura semiconductora (2), siendo dicha heteroestructura (2) de forma cilíndrica de seccióncircular, e incluyendo:

- una primera capa (7) de material semiconductor ópticamente no lineal que incluye medios emisores (10,11),

- una segunda capa (8) y una tercera capa (6) de material semiconductor que presenta cada una un índiceóptico más bajo que el índice del material utilizado para dicha primera capa (7) y situadas sobre una parte yotra de dicha primera capa (7);

- al menos una capa metálica (3, 4) situada en un extremo de dicha heteroestructura (2),

caracterizada porque estos medios emisores son aptos para emitir en al menos dos modos de galería ópticos quepertenecen al infrarrojo cercano, estando dichos al menos dos modos de galería confinados en dicha primera capa(7) y que permite la generación en dicha primera capa (7) de una radiación en un modo de galería electromagnéticode frecuencia comprendida entre 0,5 THz y 5 THz, denominado modo Terahercios, siendo dicha radiación obtenidapor diferencia de las frecuencias de dichos dos modos de galería, asegurando la geometría cilíndrica de dichaheteroestructura el apareo de fases entre los dos modos de galería ópticos que pertenecen al infrarrojo cercano y elmodo Terahercios a la diferencia de frecuencia.

Dispositivo láser de emisión de ondas Terahercios.

La presente invención se refiere a un dispositivo láser de emisión de onda en una gama de frecuencia comprendida entre 0, 5 THz y 5 THz.

El ámbito de Terahercios (THz) del espectro electromagnético está comprendido entre las microondas y el infrarrojo lejano y se extiende de 500 GHz (0, 5 THz) a 5 THz (típicamente 1 THz corresponde a una energía de 4 meV o también a una longitud de onda en el vacío de 300 µm) .

Las fuentes THz encuentran sus principales aplicaciones en la espectroscopia y las imágenes en los ámbitos de la seguridad y de la medicina. Se pueden, por otra parte, emplear para las telecomunicaciones en espacio libre a corta distancia (por ejemplo en el interior de los edificios) para el análisis no destructivo de alimentos, de capas de acabado, de circuitos integrados. Las tecnologías THz se describen de manera general en los documentos “Cuttingedge terahertz technology” (M. Tonouchi, Nature Photonics, febrero 2007, pág. 97) y “Terahertz technology: a land to be discovered” (M. Koch, Optics and Photonics News, marzo 2007, pág. 21) .

En el contexto de la espectroscopia THz, se distinguen en general la espectroscopia de banda ancha en el ámbito temporal (THz-TDS o “THz Time Domain Spectroscopy”) y la espectroscopia que utiliza una fuente THz monocromática (CW o “Continuous Wave”) . Debido a su resolución frecuencial intrínsecamente limitada, los sistemas TDS se emplean sobre todo para la espectroscopia de estructuras de bajos factores de calidad. En efecto, en un experimento de TDS típico, la ventana de tiempo es de 100 ps, de ahí una resolución frecuencial de 5 GHz. Por otra parte, las fuentes THz continúas y monocromáticas CW encontraron un extenso ámbito de aplicación en espectroscopia astronómica o en el estudio de las reacciones químicas que se desarrollaban en la alta atmósfera, donde las resonancias THz puestas en juego tienen a menudo factores de calidad entre 102 y 106.

La espectroscopia THz presenta, por otra parte, grandes aplicaciones en seguridad civil y militar, por ejemplo en la detección de agentes químicos o de explosivos. En todas las situaciones donde el producto analizado se encuentra en fase gaseosa, los espectros adquiridos por un método CW tienen una resolución bien superior a la de los espectros obtenidos por un modo TDS. La tecnología TDS por su parte se utiliza en gran medida para la caracterización de materiales en fase condensada.

En lo que se refiere a las fuentes TDS, las fuentes tradicionales de radiación THz, tal como los láseres de gas o los osciladores “backward wave oscillators”, son costosas e incómodas. Las fuentes THz que se basan en conjuntos de osciladores sólidos también son costosas. En la actualidad, los dispositivos más utilizados para generar y detectar impulsos THz de banda ancha son las antenas dipolares fotoconductoras excitadas por un láser femtosegundo, que es a menudo costoso y voluminoso. Se describen tales dispositivos en el documento “Sensing with Terahertz Radiation” (D. Mittleman Springer-Verlag, Heidelberg (2003) ) .

Se conocen por otra parte distintas fuentes de tipo CW.

Una primera fuente conocida de tipo monocromático CW utiliza la técnica de fotomezcla o “Photomixing” el heterodinaje óptico permite generar una onda THz continua. La pulsación de dos diodos láser continuos que emiten alrededor de 800 nm y no sintonizados de algún THz induce una oscilación de carga en la banda de conducción de un semiconductor tal como GaAs o InGaAs semiaislantes.

No obstante, las demostraciones realizadas hasta ahora son sistemas no integrados y las potencias THz máximas generadas siguen siendo relativamente bajas, del orden de 100 nW, tal como lo muestran los documentos “Photomixing up to 3, 8 THz in low-temperature-grown GaAs” (E. R. Brown et al. Appl. Phys. Lett. 66, 285, (1995) ) y “Generation and detection of coherent terahertz waves using two photomixers” (S. Verghese et al, Appl. Phys. Lett. 73, 3824 (1998) ) .

Los láseres de cascada cuántica constituyen un segundo tipo de fuentes monocromáticas CW en el ámbito THz. Dichas fuentes se describen en los documentos “Terahertz semiconductor-heteroestructura laser”, R. Kohler et al, Nature 417, 156 (2002) Microcavity terahertz quantum-cascade Laser”, G. Fasching et al, Infrared to Terahertz technologies for Health and the Environment Proceedings of the SPIE vol. 6010, 601006-1 to 601006-11. (9-112005) . Estas fuentes permiten generar una potencia más elevada, pero son poco sintonizables y no funcionan más que a temperaturas criogénicas. Por esta última razón, estas fuentes son sistemas incómodos y complejos.

Una tercera fuente conocida de tipo CW utiliza la técnica de conversión de frecuencia. Los efectos no lineales de segundo orden se utilizan así para la generación y la amplificación de THz, siguiendo distintos enfoques:

- mezcla de láseres medio infrarroja en el GaAs masivo tal como describe en el documento a “Noncolinear phase matching en GaAs” (L. Aggarwal et al, Appl. Phys. Lett. 22, 239, (1973) ) ;

- mezcla de impulsos ultra breves infrarrojos cercano en cristales tales como ZnSe, LiNbO3 tal como se describe en el documento “Generation of Far-Infrared Radiation by Picosecond Light Pulses en LiNbO3” (K.

H. Yang et al, Appl. Phys. Lett. 19, 320, (1971) ) , o LiNbO3 invertido periódicamente (PPLN o “Periodically 2

Poled Lithium Niobate”) tal como se describe en el documento “Generation of narrow-band terahertz radiationn via optical rectification of femtosecond pulses in periodically poled lithium niobate” (Y. -S. Lee et al, Appl. Phys. Lett. 76, 2505 (2000) ) .

Debido a su fuerte coeficiente no lineal y sus bajas pérdidas en el ámbito THz (~1 cm-1) , el GaAs constituye un material de elección para estas aplicaciones. El documento “Terahertz-wave generation en quasi-phase-matched GaAs” (K. L. Vodopyanov et al, Appl. Phys. Lett. 89, 141119, (2006) ) describe la generación de ondas THz de 0, 9 a 3 THz en el GaAs periódicamente invertido, con una eficacia de conversión de 10-3 utilizando dos haces de bombeo próximos a 3 µm.

No obstante, todos estos sistemas no son ni compactos, ni fáciles de emplear fuera de un laboratorio de investigación.

El documento “Nonlinear phase matching in THz semiconductor waveguides” (V. Berger and C. Sirtori, Semicond. Sci. Technol. 19, 964 (2004) ) propone explotar la dispersión anormal creada por la absorción por la banda de fonón en GaAs para conceder en fase dos haces de bombeo cercana IR (Infrarrojo) y el haz THz generado en una guía de onda de tipo “ridge”; esta propuesta no fue todavía objeto de una demostración experimental. Por otra parte, al igual que las otras soluciones, no permite obtener un sistema compacto.

En este contexto, la presente invención tiene por objeto proporcionar un dispositivo láser compacto de emisión de onda luminosa en una gama de frecuencia comprendida entre 0, 5 THz y 5 THz que permite liberarse de las limitaciones mencionadas más arriba en términos de molestia, de complejidad y de coste.

A tal efecto, la invención propone un dispositivo láser de emisión de onda en una gama de frecuencia comprendida entre 0, 5 THz y 5 THz que incluye una heteroestructura semiconductora, siendo dicho dispositivo caracterizado porque dicha heteroestructura es de forma cilíndrica de sección circular, incluyendo dicha heteroestructura:

- una primera capa de material semiconductor ópticamente no lineal que incluye medios emisores aptos para emitir en al menos dos modos de galería ópticos que pertenecen al infrarrojo cercano, siendo dichos al menos dos modos de galería confinados en dicha primera capa y permitiendo la generación en el seno de dicha primera capa de una radiación en un modo de galería electromagnético de frecuencia comprendida entre 0, 5 THz y 5 THz, dicho modo Terahercios, siendo dicha radiación obtenida por diferencia de las frecuencias de dichos dos modos de galería, asegurando la geometría cilíndrica de dicha heteroestructura el apareo de fases entre los dos modos de galería ópticos que pertenecen al infrarrojo cercano y el modo Terahercios a la diferencia de frecuencia;

- una segunda y una tercera capa de material semiconductor que presenta cada una un índice óptico más bajo que el índice del material utilizado... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo (1) láser de emisión de onda en una gama de frecuencia comprendida entre 0, 5 THz y 5 THz que incluye una heteroestructura semiconductora (2) , siendo dicha heteroestructura (2) de forma cilíndrica de sección circular, e incluyendo:

- una primera capa (7) de material semiconductor ópticamente no lineal que incluye medios emisores (10, 11) ,

- una segunda capa (8) y una tercera capa (6) de material semiconductor que presenta cada una un índice óptico más bajo que el índice del material utilizado para dicha primera capa (7) y situadas sobre una parte y otra de dicha primera capa (7) ;

- al menos una capa metálica (3, 4) situada en un extremo de dicha heteroestructura (2) ,

caracterizada porque estos medios emisores son aptos para emitir en al menos dos modos de galería ópticos que pertenecen al infrarrojo cercano, estando dichos al menos dos modos de galería confinados en dicha primera capa (7) y que permite la generación en dicha primera capa (7) de una radiación en un modo de galería electromagnético de frecuencia comprendida entre 0, 5 THz y 5 THz, denominado modo Terahercios, siendo dicha radiación obtenida por diferencia de las frecuencias de dichos dos modos de galería, asegurando la geometría cilíndrica de dicha heteroestructura el apareo de fases entre los dos modos de galería ópticos que pertenecen al infrarrojo cercano y el modo Terahercios a la diferencia de frecuencia.

2. Dispositivo (1) según la reivindicación anterior caracterizado porque dicha heteroestructura (2) de forma cilíndrica incluye una zona central semiaislante (14) que se extiende sensiblemente entre los dos extremos de dicha heteroestructura (2) .

3. Dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho dispositivo (1) incluye dos capas metálicos (3, 4) situadas cada una a un extremo de dicha heteroestructura (2) .

4. Dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque dicha o dichas capas metálicas (3, 4) se realizan en oro.

5. Dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichos medios emisores se realizan según una de las siguientes formas:

- uno o una pluralidad de pozos cuánticos;

- uno o una pluralidad de planos (10) de puntos de cuánticos (11) ;

- uno o una pluralidad de estructuras de cascada cuántica.

6. Dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho material semiconductor ópticamente no lineal de dicha primera capa (7) es un material III-V tal como el GaAs o InGaAsP o un material II-VI.

7. Dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el material semiconductor de dicha segunda y tercera capa (8, 6) es de AlxGa1-xAs con 0, 2 < x < 0, 6 o de InP.

8. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque dicha segunda capa (8) semiconductora es una capa dopada p y dicha tercera capa (6) semiconductora es una capa dopada n.

9. Dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha primera capa (7) incluye una pluralidad de planos (10) de emisores.

10. Dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha heteroestructura (2) de forma cilíndrica incluye dos capas semiconductoras (9, 5) , recubriendo dichas capas de protección contra la oxidación, respectivamente dicha segunda capa (8) y tercera capa (6) .

11. Dispositivo (1) según la reivindicación anterior, caracterizado porque cada una de dichas capas de protección (9, 5) contra la oxidación tiene un espesor comprendido entre 2 y 10 nm.

12. Dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el espesor de dichas segunda capa (8) y tercera capa (6) está comprendido entre 0, 5 y 5 µm.

13. Dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque incluye dos contactos eléctricos (12, 13) para la inyección de una corriente de bombeo de dichos medios emisores (10, 11) .

14. Dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el espesor de dicha primera capa (7) está comprendido entre 200 y 400 nm.

15. Dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el diámetro de dicha heteroestructura cilíndrica (2) está comprendido entre 30 y 100 µm.

16. Dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha primera capa (7) es una capa no intencionalmente dopada.

17. Sistema criogénico que integra un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16.

18. Red que incluye una pluralidad de dispositivos según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizada porque cada uno de dichos dispositivos presenta sensiblemente la misma frecuencia.

19. Red según la reivindicación 18, caracterizada porque dichos dispositivos están suficientemente próximos unos de otros para acoplar los campos evanescentes THz de los distintos dispositivos.

20. Red según la reivindicación 18, caracterizada porque se reinyecta una parte de la radiación THz emitida por dicha red en dicha red.

21. Red (200) que incluye una pluralidad de dispositivos (201, 202, 203, 204, 205, 206) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizada porque cada uno de dichos dispositivos (201, 202, 203, 204, 205, 206) presenta frecuencias THz diferentes, siendo cada uno de dichos dispositivos controlado individualmente.

22. Procedimiento de realización de un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque incluye las siguientes etapas:

- Crecimiento epitaxial por deposición sobre un substrato semiconductor de una estructura que incluye al menos las capas siguientes en este orden a partir del substrato:

o una capa semiconductora sacrificatoria;

o una primera capa semiconductora de protección;

o una capa realizada de un material semiconductor idéntico al de dicha segunda capa;

o una capa realizada de un material semiconductor idéntico al de dicha primera capa, incluyendo dicha capa medios emisores;

o una capa realizada de un material semiconductor idéntico al de dicha tercera capa;

o una segunda capa semiconductora de protección; -Redistribución sobre un substrato huésped previamente metalizado de dicha estructura epitaxial de modo que la segunda capa de protección esté en contacto con el metal de dicho substrato huésped; -Adelgazamiento de dicho substrato semiconductor por abrasión mecánica; -Ataque químico selectivo de dicho substrato sobre el espesor restante, siendo dicha capa sacrificatoria utilizada como capa de detención; -Ataque químico selectivo de dicha capa sacrificatoria, siendo dicha primera capa de protección utilizada como capa de detención; -Realización de una máscara que define una abertura de diámetro inferior al diámetro de la heteroestructura de forma cilíndrica; -Implantación iónica que vuelve semiaislante la zona no protegida por dicha máscara; -Eliminación de dicha máscara; -Deposición de una capa metálica circular de diámetro igual al diámetro de la heteroestructura de forma cilíndrica; -Grabado de las partes no recubiertas por dicha capa metálica circular de tal modo a formar la heteroestructura de forma cilíndrica.

23. Procedimiento según la reivindicación anterior, caracterizado porque dicha máscara define una abertura de diámetro inferior de 1 a 2 µm al diámetro de la heteroestructura de forma cilíndrica.