CH710975B1 - Passive Wellenleiterstruktur mit alternierenden GaInAs/AlInAs-Schichten für optoelektronische Vorrichtungen im mittleren Infrarot. - Google Patents

Passive Wellenleiterstruktur mit alternierenden GaInAs/AlInAs-Schichten für optoelektronische Vorrichtungen im mittleren Infrarot. Download PDF

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CH710975B1 CH01088/16A CH10882016A CH710975B1 CH 710975 B1 CH710975 B1 CH 710975B1 CH 01088/16 A CH01088/16 A CH 01088/16A CH 10882016 A CH10882016 A CH 10882016A CH 710975 B1 CH710975 B1 CH 710975B1
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Xie Feng
Zah Chung-En
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Thorlabs Quantum Electronics Inc
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Halbleiteremitter, welcher in einer optischen Mode betreibbar ist und einen Verstärkungsabschnitt aufweist, wobei der Emitter eine Halbleiter-Wellenleiterstruktur umfasst, die aus zwei alternierenden Schichten von Halbleitermaterialien A, B hergestellt ist, welche Brechungsindizes von N a und N b aufweisen, mit einem effektiven Brechungsindex N 0 der optischen Mode in dem Niedrigverlust-Wellenleiter zwischen N a und N b , wobei die Wellenleiterstruktur transparent für vom Verstärkungsabschnitt emittiertes Licht ist, wobei das Verhältnis der Dicke der Materialien A und B so gewählt ist, um die Wellenleiterstruktur mit dem effektiven Brechungsindex N 0 , welcher identisch zu dem Brechungsindex des Verstärkungsbereichs ist oder innerhalb eines Fehlerbereichs von 5% im Vergleich zum Brechungsindex des Verstärkungsabschnitts liegt, auszustatten, wobei der Verstärkungsbereich auf Stoss angrenzend zu dem Niedrigverlust-Wellenleiter ist und wobei die Grösse und Form der optischen Mode/Moden in der Niedrigverlust-Wellenleiterstruktur und im Verstärkungsbereich gleich sind oder innerhalb eines Fehlerbereichs von 10% liegen. Wünschenswerterweise sollte zumindest eines der Halbleitermaterialien A und B eine ausreichend grosse Bandlücke aufweisen, sodass die passive Wellenleiterstruktur Strom unter einem Spannungsbias von 15 V blockiert.

Description

(57) Die Erfindung betrifft einen optischen Halbleiteremitter, welcher in einer optischen Mode betreibbar ist und einen Verstärkungsabschnitt aufweist, wobei der Emitter eine Halbleiter-Wellenleiterstruktur umfasst, die aus zwei alternierenden Schichten von Halbleitermaterialien A, B hergestellt ist, welche Brechungsindizes von Na und Nb aufweisen, mit einem effektiven Brechungsindex No der optischen Mode in dem NiedrigverlustWellenleiter zwischen Na und Nb, wobei die Wellenleiterstruktur transparent für vom Verstärkungsabschnitt emittiertes Licht ist, wobei das Verhältnis der Dicke der Materialien A und B so gewählt ist, um die Wellenleiterstruktur mit dem effektiven Brechungsindex No, welcher identisch zu dem Brechungsindex des Verstärkungsbereichs ist oder innerhalb eines Fehlerbereichs von 5% im Vergleich zum Brechungsindex des Verstärkungsabschnitts liegt, auszustatten, wobei der Verstärkungsbereich auf Stoss angrenzend zu dem Niedrigverlust-Wellenleiter ist und wobei die Grösse und Form der optischen Mode/Moden in der Niedrigverlust-Wellenleiterstruktur und im Verstärkungsbereich gleich sind oder innerhalb eines Fehlerbereichs von 10% liegen. Wünschenswerterweise sollte zumindest eines der Halbleitermaterialien A und B eine ausreichend grosse Bandlücke aufweisen, sodass die passive Wellenleiterstruktur Strom unter einem Spannungsbias von 15 V blockiert.
CH 710 975 B1
Beschreibung Querverweis auf verwandte Anmeldungen [0001] Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/946 700, weiche am 28. Februar 2014 angemeldet wurde. Die Offenbarung der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/946 700 wird hier durch Bezugnahme einbezogen.
[0002] Diese Anmeldung ist auch auf die vorläufige Anmeldung mit der Serien-Nr. 61/732 289 bezogen, welche am 30. November 2012 angemeldet wurde, und auf die Anmeldung Nr. PCT/US 2013/072 195, welche am 27. November 2013 angemeldet wurde.
Gebiet der Erfindung [0003] Die vorliegende Beschreibung betrifft allgemein Quantenkaskadenlaser («QCLs»), und insbesondere passive Wellenleiterstrukturen zur Verwendung in QCLs und QCLs, welche solche Strukturen verwenden.
Technischer Hintergrund [0004] Ein Quantenkaskadenlaser ist eine unipolare Vorrichtung. Er verwendet Inter-Sub-Bandübergänge, anders als die traditionellen direkten Bandlücke-Halbleiterlaser, und er emittiert üblicherweise in dem mittleren lnfrarot(«mid-IR»)- oder Fern-Infrarot(«far-IR»)-Wellenlängenbereich.
[0005] Quellen im mittleren Infrarot sind aus verschiedenen Gründen von Interesse. Starke Absorptionslinien in dem mittleren Infrarotbereich aus der Schwingung von chemischen Bindungen können verwendet werden, um eine molekulare Zusammensetzung zu identifizieren. Zum Beispiel zeigt Fig. 1 (Stand der Technik) eine starke Absorptionslinie von CO2 nahe 4,3 μm. Eine Einzelwellenlängen-Lichtquelle im mittleren IR, wie beispielsweise ein QCL, kann verwendet werden, um Gasmoleküle zu detektieren, wie beispielsweise CO2, durch Detektieren der Absorption einer charakteristischen Wellenlänge, wie beispielsweise 4,3 μm.
[0006] Um eine Einzelwellenlängen-Emission zu erreichen, können Gitterstrukturen dem QCL in dem aktiven Bereich hinzugefügt werden, um einen Quantenkaskadenlaser («DFB QCL») mit verteilter Rückkopplung («DFB») herzustellen. DFB-QCLs emittieren im Allgemeinen eine einzelne Wellenlänge und können nur über einen kleinen Wellenlängenbereich eingestellt werden, was ihnen erlaubt, verwendet zu werden, um eine einzelne Spezies von kleinen Gasmolekülen, wie beispielsweise CO2, zu detektieren. Jedoch weisen einige grosse Moleküle in festen oder flüssigen Phasen breite und/ oder komplexe Absorptionsspektren auf, wie zum Beispiel die explosiven Substanzen in Fig. 2, welche Infrarotabsorptionsspektren für PETN 102, RDX 104, TATP 106 und TNT 108 zeigt. Zum Detektieren und Differenzieren von Substanzen mit solch breiten und/oder komplexen Absorptionsspektren sind QCLs mit sowohl einer Einzelwellenlängen-Emission als auch einem breiten Frequenzbereich wünschenswert. Ein Bereich R, welcher in der Figur gekennzeichnet ist, kann zum Beispiel verwendet werden, um unter den gezeigten Spektren zu differenzieren und sie zu detektieren.
[0007] QCLs mit externem Resonator können sowohl eine Einzelwellenlängen-Emission als auch einen breiten Frequenzbereich aufweisen, sie sind jedoch teuer und voluminös. Ein verteilter Bragg-Reflektor(«DBR»)-QCL weist eines oder beide Reflexionsgitter ausserhalb des Verstärkungsbereichs des Lasers auf, was eine unabhängige thermische Einstellung der Gitter und einen breiteren Frequenzbereich als ein DFB-QCL erlaubt. Somit ist ein DBR-QCL eine potentielle Alternative zu QCLs mit externem Resonator mit den Vorteilen relativ niedriger Kosten und einer kompakten, robusten und monolithischen Form.
[0008] DBR-QCLs weisen typischerweise einen im Wesentlichen einheitlichen gemeinsamen Kern auf, wie in Fig. 3 gezeigt ist (Stand der Technik). Die Gitterschichten auf DBR-Abschnitten sind direkt auf der/den Schicht(en) des gemeinsamen Kerns gebildet. Da der Bereich des gemeinsamen Kerns unter dem DBR im Betrieb passiv ist (nicht ein Teil des Verstärkungsbereichs), welcher keinen oder einen minimalen Pumpstrom im Betrieb erhält (aufgrund von zusätzlichen assoziierten stromblockierenden Strukturen oder dergleichen), weist er eine relativ starke Resonanzabsorption auf.
[0009] Ein Implementieren eines Wellenleiters, welcher anders ist als der Wellenleiter des aktiven Bereichs in einem DBR-QCL, ist in den verwandten Anmeldungen, auf welche oben Bezug genommen wurde, offenbart. Durch Verwenden eines unterschiedlichen Wellenleiters für die DBRs, welche transparent (oder zumindest transparenter als der Wellenleiter mit aktivem Bereich) für Wellenlängen in dem Arbeitswellenlängenbereich ist, können Absorptionsverluste in den DBRs reduziert werden, was eine höhere maximale Leistung und einen breiteren Gesamteinstell-(Laser)-Bereich in der Laservorrichtung erlaubt.
Zusammenfassung [0010] Um die oben beschriebenen Vorteile des Enthaltens eines transparenten Wellenleiters in einem DBR-QCL vorzusehen sowie ähnliche Vorzüge eines transparenten Wellenleiters in anderen aktiven optischen Halbleitervorrichtungen vorzusehen, enthält die vorliegende Offenbarung eine transparente (oder relativ transparente) Wellenleiterstruktur, welche aus zwei alternierenden Schichten von Halbleitermaterialien A und B hergestellt ist, welche Brechungsindizes von Na und Nb aufweisen. Wünschenswerterweise sollte zumindest eines von A und B eine relativ grosse Bandlücke aufweisen,
CH 710 975 B1 sodass die passive Wellenleiterstruktur elektrischen Strom sehr gut blockieren kann, sogar unter Hochspannungsbias. Der effektive Brechungsindex No der optischen Mode in der passiven Wellenleiterstruktur wird zwischen Na und Nb liegen; für eine gute Ausbreitung der optischen Mode sollten die Grösse der optischen Mode/Moden in dem passiven und dem Verstärkungsabschnitt gleich oder nahezu gleich sein.
[0011] Eine Ausführungsform der Erfindung stellt einen optischen Halbleiter-Emitter bereit, welcher in einer vorbestimmten optischen Mode betreibbar ist und einen Verstärkungsabschnitt aufweist, wobei der Emitter eine Niedrigverlust-Wellenleiterstruktur enthält, welche aus zwei alternierenden Schichten von Halbleitermaterialien A und B hergestellt ist, welche Brechungsindizes Na bzw. Nb aufweisen, mit einem effektiven Brechungsindex No der optischen Mode in der Niedrigverlust-Wellenleiterstruktur zwischen Na und Nb, wobei die Wellenleiterstruktur transparent für vom Verstärkungsabschnitt emittiertes Licht ist, wobei das Verhältnis der Dicke der Materialien A und B so gewählt ist, um die Wellenleiterstruktur mit dem effektiven Brechungsindex No, welcher identisch zu einem Brechungsindex des Verstärkungsbereichs ist oder innerhalb eines Fehlerbereichs von 5% im Vergleich zum Brechungsindex des Verstärkungsabschnitts liegt, auszustatten, und wobei der Verstärkungsbereich auf Stoss angrenzend zu der Niedrigverlust-Wellenleiterstruktur ist und wobei die Grösse und Form der optischen Mode/Moden in der Niedrigverlust-Wellenleiterstruktur und im Verstärkungsbereich gleich ist/sind oder innerhalb eines Fehlerbereichs von 10% liegen.
[0012] Diese und andere Merkmale und Vorteile werden den Fachleuten aus der Beschreibung und den Zeichnungen offensichtlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0013] Fig. 1 (Stand der Technik) ist ein Graph eines Absorptionsspektrums für C02 im Infrarot.
Fig. 2 (Stand der Technik) ist ein Graph von Absorptionsspektren von verschiedenen explosiven Zusammensetzungen im Infrarot.
Fig. 3 (Stand der Technik) ist ein schematisches Querschnittsdiagramm eines DBR-QCL.
Fig. 4A, 4B und 4C sind schematische Querschnittsansichten von verschiedenen alternativen Aspekten bestimmter Ausführungsformen einer Vorrichtung gemäss der vorliegenden Offenbarung.
Fig. 5A und 5B sind Graphen von Profilen optischer Moden von einigen Ausführungsformen von Strukturen gemäss der vorliegenden Offenbarung, wie sie durch Computersimulation erzeugt werden.
Fig. 6 ist ein Graph eines gepulsten V/I-Kurventests einer Ausführungsform einer passiven Wellenleiterstruktur gemäss der vorliegenden Offenbarung.
Fig. 7 ist eine graphische Kurve eines gepulsten LIV-Tests für einen DBR-QCL mit einer passiven Wellenleiterstruktur gemäss der vorliegenden Offenbarung und eines Vergleichs-DBR-QCL.
Detaillierte Beschreibung [0014] Die vorliegende Erfindung kann durch Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung, Zeichnungen, Beispiele und Ansprüche und ihre vorherige und folgende Beschreibung leichter verstanden werden. Jedoch sollte, bevor die vorliegenden Zusammensetzungen, Artikel, Vorrichtungen und Verfahren offenbart und beschrieben werden, verstanden werden, dass diese Erfindung nicht auf die spezifischen offenbarten Zusammensetzungen, Artikel, Vorrichtungen und Verfahren beschränkt ist, äusser wenn dies anders spezifiziert ist, da dies natürlich variieren kann. Es sollte auch verstanden werden, dass die Terminologie, welche hier verwendet wird, nur dem Zwecke des Beschreibens bestimmter Aspekte dient und nicht dazu gedacht ist, beschränkend zu sein.
[0015] Offenbart sind Materialien, Zusammensetzungen und Komponenten, weiche verwendet werden können für, verwendet werden können zusammen mit, verwendet werden können als Vorbereitung für, oder welche Ausführungsformen des offenbarten Verfahrens und von Zusammensetzungen sind. Diese und andere Materialien sind hier offenbart und es sei verstanden, dass, wenn Kombinationen, Untermengen, Interaktionen, Gruppen etc. von diesen Materialien offenbart sind, während eine bestimmte Bezugnahme auf jedes verschiedene Individuum und kollektive Kombinationen und Permutationen von diesen Zusammensetzungen nicht offenbart sein mögen, jede von diesen hier spezifisch beabsichtigt und beschrieben ist. Somit, falls eine Klasse von Substituten A, B und C offenbart ist sowie eine Klasse von Substituten D, E und F und ein Beispiel einer Kombinationsausführungsform A-D offenbart ist, dann wird jede individuell und kollektiv in Betracht gezogen. Somit wird in diesem Beispiel jede von den Kombinationen A-E, A-F, B-D, B-E, B-F, C-D, C-E und C-F spezifisch in Betracht gezogen und sollte als offenbart angesehen werden aus der Offenbarung von A, B und/oder C; D, E und/oder F; und die Beispielskombination A-D. Ähnlich wird jede Untermenge oder jede Kombination von diesen auch spezifisch in Betracht gezogen und offenbart. Somit sollte zum Beispiel die Untergruppe von A-E, B-F und C-E als spezifisch in Betracht gezogen angesehen werden und als aus der Offenbarung von A, B und/oder C; D, E und/oder F; und der Beispielskombination A-D angesehen werden. Dieses Konzept gilt für alle Aspekte dieser Offenbarung, einschliesslich,
CH 710 975 B1 jedoch nicht darauf beschränkt, aller Komponenten von Zusammensetzungen und Schritten in den Verfahren des Herstellens und Verwendens der offenbarten Zusammensetzungen. Somit, wenn es eine Anzahl von zusätzlichen Schritten gibt, welche ausgeführt werden können, sei verstanden, dass jeder von diesen zusätzlichen Schritten mit jeglicher spezifischer Ausführungsform oder Kombination der Ausführungsformen der offenbarten Verfahren ausgeführt werden kann, und dass jede derartige Kombination spezifisch in Betracht gezogen wird und als offenbart angesehen werden sollte.
[0016] In dieser Beschreibung und in den Ansprüchen, welche folgen, wird auf eine Reihe von Begriffen Bezug genommen, welche als die folgende Bedeutung habend definiert sein sollten:
[0017] «Enthält», «enthalten» oder ähnliche Begriffe bedeuten ein Einschliessen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, das heisst, inklusiv und nicht exklusiv.
Der Begriff «ungefähr» bezieht sich auf alle Begriffe in dem Bereich, soweit nicht anders genannt. Zum Beispiel ist ungefähr 1, 2 oder 3 äquivalent zu ungefähr 1, ungefähr 2 oder ungefähr 3 und umfasst weiterhin ein von ungefähr 1-3, von ungefähr 1-2 und von ungefähr 2-3. Spezifische und bevorzugte Werte, welche für Zusammensetzungen, Komponenten, Inhaltstoffe, Additive und ähnliche Aspekte und Bereiche davon offenbart sind, dienen lediglich zu illustrativen Zwecken; sie schliessen nicht definierte andere Werte aus oder andere Werte innerhalb definierter Bereiche. Die Zusammensetzungen und Verfahren der Offenbarung enthalten diejenigen, welche jeden Wert oder jede Kombination von den Werten, spezifischen Werten, noch spezifischeren Werten und bevorzugten Werten haben, welche hier beschrieben sind.
[0018] Der unbestimmte Artikel «ein»/«eine» und sein entsprechender bestimmter Artikel «der»/«die»/«das», welche hier verwendet werden, bedeuten zumindest ein/eine oder eine oder mehr, soweit nicht anders spezifiziert.
[0019] Die vorliegende Offenbarung enthält eine transparente Wellenleiterstruktur (oder relativ transparent, relativ zu einem nicht unter Spannung stehenden, aktiven oder Verstärkungsabschnitt-Wellenleiter), welcher aus zwei alternierenden Schichten von Halbleitermaterialien A und B hergestellt ist, welche Brechungsindizes von Na und Nb haben. Wünschenswerterweise sollte zumindest eines von A und B eine relativ grosse Bandlücke aufweisen, sodass die passive Wellenleiterstruktur elektrischen Strom sehr gut blockieren kann, sogar unter einem relativ hohen Spannungsbias. Der effektive Brechungsindex der optischen Mode in der Wellenleiterstruktur No wird zwischen Na und Nb sein; für eine gute Ausbreitung der optischen Mode sollte No gleich (oder nahezu gleich) zu dem Brechungsindex in einem assoziierten Verstärkungsabschnitt sein, welcher auf Stoss angrenzend zu der passiven Wellenleiterstruktur ist. Auch sollte für eine gute Ausbreitung der optischen Mode die Grösse der optischen Mode/Moden in dem passiven und in dem Verstärkungsbereich gleich oder annäherungsweise gleich sein.
[0020] In dem Fall von QCLs, welche im mittleren Infrarot emittieren, welche auf InP-Substrate aufgewachsen werden, sollte der transparente Wellenleiterkern (durchschnittlich) bezüglich seines Gitters an das von InP angepasst werden unter Verwendung von Komponenten, wie beispielsweise AIGalnAs oder GalnAsP oder AIGaln(P)Sb, wobei die Zusammensetzung(en) für den gewünschten Brechungsindex (welcher zu der entsprechenden aktiven oder nicht-transparenten Wellenleiterstruktur passt) und zum Übereinstimmen mit dem Gitter an InP eingestellt werden. Für einen eine eher kurze Wellenlänge emittierenden QCL-Kern (λ = 4,5 μm), GalnAsP oder AIGalnAs weist bei Raumtemperatur eine Bandlücke von ungefähr 0,95-1 eV (entsprechend einer Photoluminiszenz-Wellenlänge um 1,28 μm) den geeigneten Brechungsindex auf, jedoch für einen QCL-Kern, welcher um λ = 10-11 μm emittiert, sollte die Bandlücke des geeigneten GalnAsP- oder AIGalnAs-Materials um 0,8-0,9 eV sein (entsprechend einer Photoluminiszenz-Wellenlänge um 1,45 μm).
[0021] In Hinsicht Vorsehen der gewünschten isolierenden oder halbisolierenden Natur des transparenten Wellenleiters können InP und AllnAs halbisolierend gezüchtet werden. Obwohl AllnAs bei niedriger Wachstumstemperatur halbisolierend gezüchtet worden ist, entweder aufgrund nativer Defekte oder von C-Kontaminierung, wird AllnAs üblicherweise halbisolierend gezüchtet durch Hinzufügen von Dotierungsatomen, wie beispielsweise Fe, Ti, Ru oder anderen Übergangsmetallen, welche tiefe Störstellen (deep traps) bilden, welche freie Träger einfangen; dies ist auch der Fall für InP. Es ist gezeigt worden (siehe zum Beispiel [B. Teil, U. Koren und B. I. Miller, Metalorganic vapor-phase-epitaxial growth of Fe-doped lnO.53GaO.47As, J. Appi. Phys 61,1172, 1987], [D. G. Knight, W. T. Moore and R. A. Bruce, Growth of semi-insulating InGaAsP alloys using low pressure MOCVD, J. Crystal Growth 124, 352,1992]), dass GalnAsP mit einer geringen Bandlücke (< 0,8-0,9 eV) schwierig zu dotieren ist für halbisolierende Qualitäten; falls sie halbleitend bei Raumtemperatur sind, werden sie bei höherer Temperatur (400 K) leitend, was die Temperatur ist, bei welcher ein QCL-Kern wahrscheinlich arbeiten wird. Jedoch sind die Brechungsindizes von InP und AllnAs zu niedrig, um zu dem Brechungsindex des aktiven Kerns des Lasers zu passen. So können sie nicht als das Kernmaterial eines passiven Wellenleiters agieren.
[0022] Die Lösung von diesem bestimmten Problem, welches durch die vorliegende Offenbarung bereitgestellt wird, ist es, als transparenten Wellenleiter nicht ein homogenes Material zu verwenden, sondern einen Stapel aus AllnAs- und GalnAs-Schichten. Das GalnAs wird undotiert belassen, während das AllnAs wünschenswerterweise mit einem Element mit tiefer Störstelle (deep trap element) dotiert ist. Undotiertes AllnAs, wie es in einem Reaktor gezüchtet wird, ist etwas von einem n-Typ und wird dementsprechend als Dotierungs-Fe genommen, welches als Störstelle für die Elektronen wirkt. Wenn die Dicke des halbisolierenden Materials gross genug ist (0,5 μm zum Beispiel), tritt ein Tunnel-Effekt durch es hindurch nicht auf und der resultierende Stapel ist ausreichend isolierend. Als alternative Ausführungsformen könnten unterschiedliche Stapel ausgewählt werden, wie beispielsweise GalnAs/lnP; AIGalnAs/AIGalnAs oder GalnAsP/GalnAsP von unterschiedlichen Zusammensetzungen, mit geringer Bandlücke/grosser Bandlücke - oder eine andere Kombination.
CH 710 975 B1 [0023] Eine transparente oder eine Niedrigverlust-Wellenleiterstruktur mit einem Kern, welcher aus alternierenden undotierten (oder dotierten, für ein halbisolierendes Verhalten) GalnAs/AllnAs-Schichten hergestellt ist, ist in Fig. 4C gezeigt. Der Kern ist zwischen oberen und unteren InP-Mantelschichten (n-dotiert) sandwichmässig angeordnet (es wird angemerkt, dass das n mit dem hochgestellten «-» allgemein im Stand der Technik als eine niedrig-n-Typ-Dotierung angesehen wird) wie ein aktiver QCL-Kern. Das Verhältnis der Dicke von GalnAs und AllnAs ist auf solch eine Weise designt, dass der effektive Brechungsindex der optischen Mode in dem passiven Wellenleiter demjenigen in dem Wellenleiter mit QCL-Laserkerns gleicht. Wenn AllnAs für ein halbisolierendes Verhalten geeignet dotiert ist, kann der Kern des passiven Wellenleiters elektrische Energie bis zu einem bestimmten Spannungsbias (> 20 V) blockieren, sodass kein Fehlerstrom durch den passiven Wellenleiter hindurchgehen kann. Daher werden keine zusätzlichen stromblockierenden (Isolations-)Strukturen benötigt und die Herstellung der Vorrichtungen kann vereinfacht werden.
[0024] Wie in Fig. 4A gesehen werden kann, kann der Niedrigverlust-Wellenleiter für die vorderen und hinteren DBR-Gitter verwendet werden. Wie in der Alternative von Figur 4B gesehen werden kann, kann der Niedrigverlust-Wellenleiterauch für den Phasenabschnitt verwendet werden, falls gewünscht (und, wenn der Phasenabschnitt übereinen Mikro-Heizer anstelle von Strominjektion gesteuert wird, ist in dem Fall der Niedrigverlust-Wellenleiter isolierend (das heisst halbisolierend)).
[0025] Der passive Wellenleiter wird gemäss der vorliegenden Offenbarung einen niedrigen optischen Verlust aufweisen, was hauptsächlich an einer reduzierten freien Trägerabsorption liegt. Da das GalnAs/AllnAs-Material entweder nicht dotiert ist oder dotiert ist, um halbisolierende Eigenschaften zu produzieren, ist der optische Verlust in dem NiedrigverlustWellenleiterkern vernachlässigbar. Der effektive Brechungsindex des passiven Wellenleiters kann zwischen 3,1 (der Brechungsindex von AllnAs) und 3,3 (der Brechungsindex von GalnAs) eingestellt werden durch Verändern des Verhältnisses der Dicken von AllnAs und GalnAs. Daher kann der effektive Brechungsindex des passiven Wellenleiters leicht designt werden, um zu dem effektiven Brechungsindex der optischen Mode in dem aktiven (Lichtemittierenden) Wellenleiter(-Kern) zu passen. Der passive Wellenleiter gemäss dieser Ausführungsform kann, wenn die AllnAs-Schichten in der Wellenleiterstruktur dotiert sind, um halbisolierend zu sein, elektrischen Strom bis zu einem Hochspannungsbias (> 20 V) blockieren. Dies kann den Vorrichtungsherstellungsprozess weiter vereinfachen, da keine zusätzliche Isolierung benötigt wird, sodass die Isolierungsregionen, welche in Fig. 4A und 4B gezeigt sind, optional sind oder weggelassen werden können.
[0026] Die derzeit bevorzugteste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist eine passive optische NiedrigverlustWellenleiter-Kern-Struktur, welche in optoelektronischen Vorrichtungen im mittleren IR verwendet werden kann, insbesondere in Kombination mitQCL-aktiven Materialien. Dies ist insbesondere nützlich in dem Fall eines Lasers mit einem relativ dicken aktiven Bereich, welcher bei langen Wellenlängen emittiert, wie beispielsweise ein QCL, welcher in dem mittleren IR-Bereich oder darüber hinaus emittiert.
[0027] Für einige Vorrichtungen ist ein Wellenleiter-Kern-Abschnitt (oder Abschnitte) wünschenswert, welcher auf Stoss angrenzend zu einem aktiven (= lichtemittierenden) Kernabschnitt (oder Abschnitten) ist. Das Wellenleiterkernmaterial wird derartig ausgewählt, dass die optische Mode mit so wenig Verlust wie möglich an dem Übergang fortschreitet. Dies ist teilweise ein Problem des Wachstums; zusätzlich wird jedoch das Material des Wellenleiterkerns wünschenswerterweise für einen geeigneten Brechungsindex ausgewählt, üblicherweise identisch zu dem Brechungsindex des aktiven Kerns. Wenn der Wellenleiterkern nicht dotiert ist oder niedrig-dotiert ist, wird ein Ausbreitungsverlust durch den Wellenleiter keine oder nur sehr wenig freie Trägerabsorption enthalten. Wie angemerkt, wäre es in einigen Ausführungsformen auch sehr vorteilhaft, wenn der Wellenleiterkern nicht einfach undotiert wäre, sondern halbisolierend wäre, sodass Strom, welcher in den aktiven Kern injiziert wird, nicht in den Wellenleiter entweichen würde und nicht verschwendet werden würde.
[0028] Daher weist eine wünschenswerte Niedrigverlust-Wellenleiterstruktur einen Kern auf, welcher aus alternierenden nicht dotierten (oder mit Eisen dotierten) AglnAs/AllnAs-Schichten hergestellt ist, wie in Fig. 4C gezeigt ist. Der Kern ist zwischen oberen und unteren InP-Mantelschichten (n-dotiert) sandwichartig eingeschlossen, ähnlich dem QCL-Kern. Die Gesamtdicke des passiven Wellenleiter-Kerns ist gleich zu derjenigen von dem QC-Laserkern. Die Dicke eines Paars von GalnAs/AllnAs sollte grösser als 0,1 μm sein. Das Verhältnis der Dicken von GalnAs und AllnAs ist auf solch eine Weise designt, dass der effektive Brechungsindex der optischen Mode in dem passiven Wellenleiter demjenigen in dem Wellenleiter mit QC-Laserkern entspricht; das Verhältnis der Dicken wird auch grösser als 1% und kleiner als 99% (nicht ein reines Material) sein. - Diese Tatsache besteht aufgrund des Bereichs von Brechungsindizes, welche angestrebt sind. Die Grösse der optischen Mode in dem passiven Wellenleiter sollte ähnlich zu derjenigen in dem Wellenleiter mit QC-Laserkern sein. Fig. 5A und 5B zeigen die simulierten optischen Moden von zwei passiven Wellenleitern mit unterschiedlichen Dieken-Verhältnissen. Fig. 5A zeigt die optische Mode in der passiven Wellenleiterstruktur mit einem GalnAs/AllnAs-Dickenverhältnis von 50/50. Hier weist ein Paar von GalnAs- und AllnAs-Schichten eine Dicke von 0,5 μm auf. Der effektive Brechungsindex ist 3,169, was etwas niedriger als der Zielwert (Brechungsindex der optischen Mode in einem bestimmten QCL-aktiven Abschnitt) von 3,2172 ist. Fig. 5B zeigt die optische Mode gemäss der Simulation in der passiven Wellenleiterstruktur mit einem GalnAs/AllnAs-Verhältnis von 68/32. Der effektive Brechungsindex ist 3,207, was dem bestimmten effektiven Brechungsindex des aktiven Kerns recht gut entspricht.
[0029] Die Niedrigverlust-Wellenleiter-Ausführungsform mit Dotierung kann elektrischen Strom mit hohem Spannungsbias (> 20 V) blockieren, dank ihres Enthaltens von AllnAs-Schichten, die dick genug sind, welche dotiert gezüchtet werden, um halbisolierend zu sein. Fig. 6 zeigt eine Test-Spannung-Strom(VI)-Kurve einer quadratischen Ebene (square mesa)
CH 710 975 B1 einer passiven Wellenleiterstruktur mit solch einer Dotierung. Sie zeigt keinen offensichtlichen Leckage-Strom bis zu einem Spannungsbias von höher als 25 V.
[0030] Ein DBR-QCL-Wafer mit dieser passiven Wellenleiterstruktur wurde hergestellt. Auf einem individuellen Wafer wurden sowohl ein regulärer DBR-QCL (ein QCL, welcher den gleichen aktiven Wellenleiter in den Verstärkungs- und den DBR-Abschnitten aufweist) als auch DBR-QCL mit passivem Wellenleiter (unter Verwendung des passiven Wellenleiterkerns, um den QCL-Kern in den vorderen und hinteren DBR-Abschnitten zu ersetzen) hergestellt. Fig. 7 zeigt die LichtStrom-Spannung(LIV)-Kurven eines DBR-QCL mit passivem Wellenleiter und diejenigen eines regulären DBR-QCL von dem gleichen Wafer und mit der gleichen Streifendicke. Die LIVs sind ähnlich. Da dies der erste so gezüchtete Wafer ist, ist die Herstellung insbesondere an dem Übergangsbereich [der Stossverbindung] zwischen dem Verstärkungs- und dem DBR-Abschnitt nicht perfekt. Die Daten, welche hier gezeigt sind, sind somit erst vorläufige Ergebnisse. Höhere Ausgangsleistung und ein möglicher weiterer Einstellbereich werden in der Zukunft mit dem DBR-QCL mit dem passiven Wellenleiter erwartet. Doch was gesehen werden kann, ist, dass Lasertätigkeit bei niedrigeren Spannungen erreicht werden kann, sogar in diesem ersten Versuch.
[0031] Ausführungsformen sind hier wünschenswerterweise eine gepulste optische Mode, jedoch kann eine kontinuierliche optische Mode in einigen Anwendungen nützlich sein. Eine Laserimpulsdauer kann von ungefähr 1 ns bis ungefähr 1 ms betragen. In einigen Ausführungsformen ist die Impulsbreite bei FWHM ungefähr 1 ns, 2 ns, 3 ns, 4 ns, 5 ns, 6 ns, 7 ns, 8 ns, 9 ns, 10 ns, 20 ns, 50 ns, 60 ns, 70 ns, 80 ns, 90 ns, 100 ns, 200 ns, 300 ns, 400 ns, 500 ns, 600 ns, 700 ns, 800 ns, 900 ns, 1 ps, 10 ps, 100 ps oder 1 ms. In einigen Ausführungsformen können Vorrichtungen, welche hier verkörpert sind, designt sein, um alle Laserabschnitte gleichzeitig, individuell und/oder in einer sequentiellen oder programmierten Reihenfolge zu zünden.

Claims (8)

  1. [0032] Ausführungsformen können in jeglicher Anzahl von Verfahren verwendet werden, wobei IR-Strahlung und insbesondere IR-Laserstrahlung vorteilhaft wäre. Besondere Anwendungen enthalten IR-Absorptions- oder Reflexions-Messungen, IR- und FTIR-Spektroskopien, Raman-Spektroskopie, Gas- und/oder Chemische-Waffen-Detektierung, chemische Dynamik- und Kinetik-Messungen, thermische Experimente, etc. In einer Ausführungsform werden die Ausführungsformen in IR-Absorptions-Messungen verwendet, um molekulare Zusammensetzungen zu identifizieren.
    [0033] Während die vorliegende Erfindung in einiger Länge beschrieben worden ist und mit einigen Besonderheiten hinsichtlich der verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen, ist nicht beabsichtigt, dass sie auf irgendeine dieser Besonderheiten oder Ausführungsformen oder jegliche bestimmte Ausführungsform beschränkt sein soll, sondern sie soll mit Bezug auf die angehängten Ansprüche ausgelegt werden, um so die breitestmögliche Interpretation von solchen Ansprüchen hinsichtlich des Standes der Technik sein und daher, um effizient den beabsichtigten Umfang der Erfindung einzuschliessen. Weiterhin beschreibt das Vorangegangene die Erfindung hinsichtlich Ausführungsformen, die durch den Erfinder absehbar sind, für welche eine ausführbare Beschreibung verfügbar war, obwohl unerhebliche Modifikationen der Erfindung, welche derzeit nicht absehbar sind, dennoch Äquivalente hierzu repräsentieren.
    Patentansprüche
    1. Optischer Halbleiter-Emitter, welcher in einer vorbestimmten optischen Mode betreibbar ist und einen Verstärkungsabschnitt aufweist, wobei der Emitter eine Wellenleiterstruktur aufweist, welche aus alternierenden Schichten von zumindest zwei Halbleitermaterialien A und B hergestellt ist, welche Brechungsindizes Na bzw. Nb aufweisen, mit einem effektiven Brechungsindex No der optischen Mode in der Wellenleiterstruktur zwischen Na und Nb, wobei die Wellenleiterstruktur transparent für vom Verstärkungsabschnitt emittiertes Licht ist, wobei das Verhältnis der Dicke der Materialien A und B so gewählt ist, um die Wellenleiterstruktur mit dem effektiven Brechungsindex No, welcher identisch zu einem Brechungsindex des Verstärkungsabschnitts ist oder innerhalb eines Fehlerbereichs von 5% im Vergleich zum Brechungsindex des Verstärkungsabschnitts liegt, auszustatten, wobei der Verstärkungsabschnitt auf Stoss mit der Wellenleiterstruktur verbunden ist, und wobei die Grösse und Form der optischen Mode in der Wellenleiterstruktur und im Verstärkungsabschnitt gleich sind oder innerhalb eines Fehlerbereichs von 10% liegen.
  2. 2. Emitter gemäss Anspruch 1, wobei zumindest eines der Halbleitermaterialien A und B eine ausreichend grosse Bandlücke aufweist, sodass die Wellenleiterstruktur Strom unter einem Spannungsbias von 15 V blockiert.
  3. 3. Emitter gemäss Anspruch 1, wobei zumindest eines der Halbleitermaterialien A und B eine ausreichend grosse Bandlücke aufweist, sodass die Wellenleiterstruktur Strom unter einem Spannungsbias von 20 V blockiert.
  4. 4. Emitter gemäss Anspruch 1, wobei zumindest eines der Halbleitermaterialien A und B eine ausreichend grosse Bandlücke aufweist, sodass die Wellenleiterstruktur Strom unter einem Spannungsbias von 25 V blockiert.
  5. 5. Emitter gemäss Anspruch 1, wobei das Material A AllnAs ist und Material B GalnAs ist.
  6. 6. Emitter gemäss Anspruch 5, wobei das AllnAs und das GalnAs nicht dotiert belassen werden.
  7. 7. Emitter gemäss Anspruch 5, wobei das GalnAs nicht dotiert belassen wird und das AllnAs mit einem Element oder Elementen mit tiefer Störstelle dotiert wird.
    CH 710 975 B1
  8. 8. Emitter gemäss Anspruch 7, wobei das Element oder die Elemente mit tiefer Störstelle eines ist von oder eine Kombination von Eisen und Titan.
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