CN104205531B - 具有由级联阶构成的活性芯的中红外多波长串接分布式反馈激光器 - Google Patents

具有由级联阶构成的活性芯的中红外多波长串接分布式反馈激光器 Download PDF

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Abstract

公开了具有多个串联安排的激光部分的串接分布式反馈激光器。该串接分布式反馈激光器利用量子级联芯设计以在中红外区域中产生光学增益，并可同时或按顺序地生成若干个波长。还公开了制造和使用这样的设备的方法。

Description

具有由级联阶构成的活性芯的中红外多波长串接分布式反馈 激光器
本申请根据35U.S.C.§119要求2012年1月13日提交的美国临时申请序列号61/586,327的优先权的权益，本申请的整体依赖以上申请的内容且以上申请的内容通过引用全部结合至此。
技术领域
本说明书一般涉及基于半导体的激光器，并且更特别地，涉及在中红外区域的分布式反馈激光器，具有由级联阶构成的活性芯，以同时或按顺序地生成多个波长。还公开了制造和使用这样的设备的方法。
背景技术
分布式反馈(“DFB”)激光器是一种固态二极管激光器技术，将衍射光栅整合进该激光器的活性区。这种DFB设计允许发射稳定、单一的波长，可通过温度变化轻微调谐。DFB激光器被广泛用于光学通信应用，其中设备的精确且稳定的波长是很关键的。然而，DFB激光器受限的可调谐性显出一些问题并且限制了这种设备在其他领域的整体效用。如果DFB激光器的优势能够扩展到更广的波长范围，在诸如红外对抗、气体探测、通信及其他应用的领域中将是有益的。
发明概要
第一个实施例包括一种激光器，它包括：增益材料，该增益材料包括形成超晶格的至少两个成分不同的层；光波导，它包括涂有防反射材料的两端；以及至少两个激光部分，它们包括串联放置的四分之一波移动光栅，其中这些光栅具有不等的周期或布拉格波长，并且其中激光部分被电隔离区域分隔。在一些实施例中，该增益材料通过子带间跃迁生成光子。在一些实施例中，这些激光发射部分被包括在n型覆层中的p型层的电隔离区域分开，或通过去除该n型覆层的高掺杂部分而被分开。在一些实施例中，来自这些激光部分中至少一个的发射波长在大约2.5μm至大约15μm之间。在一些实施例中，该超晶格的至少一层包括GaxIn1-xAs，其中x从0到1。在一些实施例中，该超晶格的至少一层包括AlyIn1-yAs，其中y从0到1。在其他实施例中，该活性区包括至少三个活性堆叠。在一些实施例中，这些激光部分以脉冲模式发射激光。在一些实施例中，该激光脉冲时长从大约10ns至大约1ms。在其他实施例中，这些激光部分以连续模式发射激光。在一些实施例中，所有激光部分可同时发射。在一些实施例中，这些激光部分是按顺序地发射。
第二实施例包括一种检测来自样本的信号输出的方法，包括：将来自一个实施例的至少一个激光事件施加于该样本；并收集与该样本交互后的光的至少一部分。在一些实施例中，该激光波长在中红外区域。在一些实施例中，对于光的收集提供了该样本的中红外吸收信息。在一些实施例中，该样本为气相或液相。在一些实施例中，对于光的收集提供了该样本的中红外反射信息。在一些实施例中，该样本为固相或液相。
附图简述
图1.CO2在2350cm-1附近的吸收光谱。
图2.葡萄糖在三个不同浓度处的吸收光谱。
图3.一个实施例，包括一中红外多波长串接DFB QCL，具有一由级联阶构成的活性芯。
图4.五个具有不同周期的串联的光栅的反射光谱，选择这些周期以匹配图2示出的葡萄糖的五个吸收峰。
图5.一张图，示出了该串接DFB(“cDFB”)激光器的一个实施例的这些DFB部分之一的四分之一波长移动光栅的细节。
图6.来自一个QC芯堆叠的自发发射光谱。每个芯的增益峰被设计为在采样波长之一的附近。
图7.在一用相同晶片制造的cDFB实施例中，来自该芯的电致发光光谱同来自四个不同DFB量子级联激光器(“QCL”)的激光光谱相比。
图8.根据紧挨着前端面的第一个DFB QCL中的DC偏压，第二个DFB QCL的脉冲光-电流曲线。该偏压为11V(黑色，紧凑的破折号；---)；10V(黑色，隔开的破折号；---)；9V(灰色实线；––)；8V(灰色，长隔开的破折号；–––)；4V(灰色点；···)；以及0V(黑色实线；––)。
图9.该cDFB的示例性顺序操作以最小化该设备的热加热并允许多个采样波长。
详细描述
通过参考以下详细描述、附图、示例、和权利要求，以及它们之前和之后的描述，可以更轻易地理解本发明。然而，在公开和描述本组分、物品、设备、以及方法之前，应理解除非另有说明，本发明不限于所公开的这些特定组分、物品、设备、以及方法，像这样的可以，当然，变化。还应理解在此使用的术语仅是为了描述特别的方面的目的而并不打算作限制。
下面作为以本发明当前已知的实施例对其进行的授权教学，提供对于本发明的描述。为此，那些相关领域的技术人员将认识到并且领会到可对在此描述的本发明的各个方面进行许多变化，而仍然得到本发明的有益结果。也很明显，通过选择本发明的部分特征而不采用其他特征，可以得到本发明的部分期望效益。因此，那些在本领域工作的人员将认识到对于本发明的许多修改和适应是可能的，在特定情况甚至可以是令人满意的，而且是本发明的一部分。从而，下面对本发明原理的描述是作为说明性的，而非对其进行限制。
所公开的是材料、混合物、组分、以及组件，可用于，可共同用于，可用于准备所公开的方法和组分，或是其实施例。在此公开了这些及其他材料，并且应理解当公开这些材料的组合、子集、交互、聚合等时，根据特定参考可能未明确公开这些混合物的每种不同个体及集体的组合和排列，在此明确地预计并描述每种(组合和排列)。因此，如果公开了一组可被代替的A、B和C以及一组可被代替的D、E和F，以及一个组合实施例示例，公开了A-D，那么每个都被单独地和共同地预计到。因此，在这个示例中，每种组合A-E、A-F、B-D、B-E、B-F、C-D、C-E以及C-F都被明确预计到，并且应当认为是通过公开A、B和/或C；D、E和/或F；以及该示例组合A-D进行了公开。同样地，也明确预计到并公开了这些的任何子集或组合。因此，例如，明确预计到了子集A-E、B-F和C-E，并且应当认为是通过公开A、B、和/或C；D、E和/或F；以及该示例组合A-D进行了公开。这个概念适用于本公开的所有方面，包括但不限于这些组分的任何组件以及制造和使用所公开组分的方法的任何步骤。因此，如果有可执行的各种额外步骤，应理解到对于本公开方法的任何特定实施例或实施例的组合，都可执行这些额外步骤中的每一个，并且每个这种组合都被明确预计到并应当被认为是公开了。
在本说明书以及下面的权利要求中，将参考若干术语，它们将被定义为具有下述含义：
“包括”或类似术语意思是包含但不限于，也就是说，包括性的，而非排他性的。
术语“大约”涉及在范围内的所有项，除非另作说明。例如，大约1、2、或3等同于大约1、大约2、或大约3，并且进一步包含从大约1-3，从大约1-2，以及从大约2-3。所公开的用于组分、组件、原料、添加物，及类似方面，及其范围的特定的和优选的值仅作说明；它们不排斥其他定义的值或其他在定义范围内的值。本公开的组分和方法包括那些具有在此描述的任何值或任何这些值的组合、特定值、更特定的值、以及优选的值。
在此使用的不定冠词“一”及其对应定冠词“该”意思是至少一个，或一个或更多，除非另有说明。
如在此使用的，“超晶格”包括至少两种具有不同带隙的半导体材料，产生量子阱限制以及子带间跃迁(见，例如，美国申请号61/564,375，其内容通过引用全部结合至此)。该至少两种半导体材料的厚度可在晶格内变化或可以是恒定厚度。如果这些材料的厚度改变，它们可以线性或非线性方式改变。
如在此使用的，“阶(stage)”包括一系列由该超晶格形成的量子阱，允许电子从注入区域跃迁到活性部分。如在此使用的，“堆叠”包括一系列阶。该“活性区”或“芯”由至少一个堆叠组成，并被用于描述该激光器产生光发射的区域。
第一个实施例包括多波长串接DFB(“cDFB”)激光器，具有由一系列级联阶构成的活性芯以在时间上同时或按顺序地生成多个波长。在一些实施例中，该cDFB激光器在红外(“IR”)区域发射激光。在一些实施例中，该cDFB在从大约2.5μm至大约15μm区域内发射激光。这样的一种设备能够对单个分子的宽吸收谱线进行采样或对来自不同分子的多个吸收谱线进行采样。形成实施例的方法可包括使用一种与分布式反馈(“DFB”)量子级联激光器(“QCL”)中所使用的类似的制造工艺。在此的实施例是有优势的，在于它们由于较小的尺寸、较快的速度以及较低的成本，可代替波长可调谐外腔(“EC”)QCL。进一步地，实施例相对于DFB QCL阵列还具有尺寸和成本优势，因为DFB QCL阵列需要光学组合仪器将一阵列的输出组合成一个光束。
实施例可能有用的一个特别的应用是通过红外(“IR”)光谱进行化学分析。来自化学键振动的在中IR区域中的强吸收谱线可被用于识别分子成分。中IR波长可调谐源如DFBQCL可被用于扫描在一吸收谱线周围的波长。然而传统DFB QCL具有大约10cm-1的小波长调谐范围，并被用于检测窄吸收谱线中的一个，诸如一小分子的吸收谱线(如一示例，图1示出了CO2在2350cm-1附近即围绕4.2-4.3μm的吸收谱线)，本发明的实施例具有大得多的波长覆盖范围并且可被用于检测大分子的宽吸收谱线(图2示出了葡萄糖在950-1200cm-1处的吸收)。
该芯提供了实现激光发射所需的光学增益。该激光器的芯可包括一堆量子级联(“QC”)或带间级联(“IC”)区域。可使用任何具有宽光学增益的QC或IC结构。在一些实施例中，该芯包括一QC结构。在一些实施例中，该芯包括一IC结构。每个芯的增益峰被设计为在这些采样波长之一的附近，如图6所示。由于较短波长的光学模式比较长波长的光学模式窄，这些具有在较短波长处光学增益的芯通常应当被放置在较接近该光学模式中心处。
实施例可包括一增益材料，该增益材料包括形成一超晶格的至少两个成分不同的层。通过对层厚度的适当设计，可能在该系统中两个子带间形成粒子数反转，这对于实现激光发射是必要的。根据理想的设计，这些层的厚度可能相同或可能不同。在一些实施例中，这些层具有从大约至大约的厚度。在一些实施例中，这些层具有从大约至大约的厚度。在一些实施例中，这些层具有大约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、35、40、45、50、55、60、70、80、90、100、125、150、175、200、250、300、350、400、450、或的厚度。
在该增益材料中可被用于形成这些层的材料通常包括半导体，诸如IV、III-V、以及II-VI族半导体。在一些实施例中，这些层可包括GaAs、AlxGa1-xAs、SixGe1-x、或GaxIn1-xAs以及AlyIn1-yAs，其中x和y从0到1。
可使用各种技术生产超晶格增益材料，例如分子束外延(MBE)(包括气源MBE以及MO-MBE)、金属有机物气相外延(MOVPE)、或溅射。这些方法允许生产其厚度仅有少量的原子间距的层。
实施例可进一步包括光波导。光波导，如在此使用的，包括一物理结构，用于引导该光谱中的电磁波。虽然不限于任何特定型号的波导，常用的一种光波导类型是脊型波导。一脊型波导通过在该量子级联增益材料中蚀刻平行沟而制成，以制成(典型但非必须)大约10μm宽、数mm长(该长度通常由裂开决定)的QC材料的隔离的条纹。可通过沟中的介电材料沉积物实现横模限制，之后，整个脊典型地被金涂敷以提供电接触并在该脊产生光时帮助其散热。更一般地，通过在沟中生长半绝缘材料诸如InP(如果该激光器在InP基底上生长)，实现横模限制。光从波导的裂开端发射出来。
实施例可进一步包括一防反射或减反射(AR)层。如在此使用AR层包括光学涂层，被应用于该设备的至少一端(面)并且减少反射，特别在IR区域。这些AR层可是任何类型，诸如折射率匹配、单层干涉、多层干涉、或蛾眼(纳米结构)。在一些实施例中，该AR涂层提供小于大约10％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.01％、0.001％的损耗、或0％的损耗。
实施例进一步包括至少两个串接放置的激光部分，每个激光部分包括四分之一波移动光栅，其中这些光栅具有不等的周期或布拉格波长。一光栅，如在此使用的包括由多层具有不同折射率的替代材料形成的结构，或通过一些特征(诸如高度)的周期性变化，其结果是波导中有效折射率的周期性变化。每一层的边界引起光波的部分反射。对于其波长接近该周期与有效折射率的乘积的两倍的波，多数反射与相长干涉相结合，并且该光栅充当了高质量的反射器。
二极管激光器中的四分之一波移动的分布式反馈谐振器的使用是有益的，因为它们在该光栅阻带中心提供了谐振，比两侧的谐振具有更高的Q。四分之一波移动的DFB传输谐振器的窄带谐振具有洛伦兹响应。对于四分之一波移动的谐振器的理论和使用可以在H.Haus和Y.Lai的“Theory of Cascaded Quarter Wave Shifted Distributed FeedbackResonators”(28(1)IEEE J.QUANTUM ELEC.205-213(1992))中找到，其内容通过引用全部结合至此。
通过电子束(“e-beam”)写入或通过电子束光刻而制造的光栅掩模的接触印刷，可以使具有多个周期的光栅图案化。图4示出具有五个不同周期的五个串联的光栅的五个反射峰，选择这些周期以匹配图2示出的葡萄糖的五个吸收峰。
在实施例中可能找到的额外组件包括在该增益材料上方和/或下方的n型覆层。这些活性增益和波长选择性部分可用图案化电接触层来加盖，该图案化电接触层包括专用于不同激光部分的各自的控制电极。在该图案化电接触层的适当区域中可沉积绝缘介电材料，以电隔离该激光器结构的不同区域。
在一些实施例中，这些激光发射部分被p型电隔离区分开了，如美国申请号13/050,026所描述的，其内容通过引用全部结合至此。例如，一活性波导芯可被夹在上层及下层n型覆层之间。该活性芯及下层n型覆层以及上层覆层的至少一部分贯穿了该实施例的电隔离的激光部分。该上层n型覆层的一个或多个部分包括充分的p型掺杂以定义p型电隔离区域，该(这些)区域沿一投影横跨该上层n型覆层的部分厚度，隔开该实施例的各部分。这些上层及下层n型覆层可包括InP、GaAs、AlGaAs，或任何其他传统或尚未开发的合适的覆盖材料。例如，但并非以限制方式，预计到各种覆盖材料可能是合适的，包括II-VI半导体、Si-Ge或GaN基材料，等等。
有多种方式实现该p型隔离区域。其中包括选择性生长、离子注入、以及p型掺杂扩散。如果选择最后一个选项，可选择这些上层和下层n型覆层以及增益材料各自的组分以帮助利用掺杂扩散形成该p型电隔离区域。更特别地，这些上层和下层n型覆层可包括InP，并且该p型掺杂可这样挑选，使其在InP上层n型覆层中的最大稳定浓度小于大约n x1018cm-3，其中n小于3。
隔离这些激光发射部分的一种替代方法包括去除该n型覆层的高掺杂部分。
通过示例，而非限制的方法，可选地预计到这些上层和下层n型覆层可为GaAs基覆层。这些覆层中的一些可以是AlGaAs或(Al)GaInP而非简单的GaAs或InP。对于GaAs基覆层，该芯可以是GaAs/AlGaAs、AlGaAs/AlGaAs、(Al)GaInP/(Al)GaInP、或GaInAs/(Al)GaAs。对该结构的其余层，可以预计到类似成分的额外层，并且应当选择为补偿GaInAs和GaAs基底之间的任何晶格不匹配。例如，而非通过限制方式，其他可能的层是GaInP、AlGaInP、GaAsP、以及GaInAsP。对于GaAs基覆层，所使用的使(Al)GaAs半绝缘的合适掺杂包括，但不限于Cr和O。在极低温度下生长，可以不需任何掺杂获得半绝缘(Al)GaAs。
在此的实施例可用于脉冲或连续波模式。激光脉冲时长可从大约1ns至大约1ms。在一些实施例中，该脉冲在FWHM为大约1ns、2ns、3ns、4ns、5ns、6ns、7ns、8ns、9ns、10ns、20ns、50ns、60ns、70ns、80ns、90ns、100ns、200ns、300ns、400ns、500ns、600ns、700ns、800ns、900ns、1μs、10μs、100μs、或1ms。在一些实施例中，在此实施的设备可被设计为同时、单独发射所有激光部分，和/或按顺序或按程序顺序(发射)。
如在此的实施例结合一外腔量子级联激光器的各方面，可以是来自该设备的输出的激光波长的幅度明显大于对于一DFB激光器的期望。DFB QCL通常具有大约10cm-1的小可调谐性。在此描述的实施例具有超过100cm-1、超过200cm-1、超过300cm-1、超过400cm-1、或超过500cm-1的可调谐性。在一些实施例中，这些cDFB实施例具有从大约100cm-1至大约500cm-1的可调谐性。
这些激光部分的峰值波长可被选为一个分子的宽吸收谱线或来自不同分子的几个吸收谱线的采样波长(λsi，I＝1至n)。在一些实施例中，这些cDFB在从大约2.5μm至大约15μm的区域内发射激光。在一些实施例中，这些cDFB在大约2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、5.6、5.7、5.8、5.9、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5、11.0、11.5、12.0、12.5、13.0、13.5、14.0、14.5、或15.0μm发射激光。
实施例可用于很多方法中，其中IR辐射，及特别的IR激光辐射将是有益的。特别的应用包括IR吸收或反射测量、IR及FTIR光谱学、拉曼光谱学、气体和/或化学武器检测、化学动态和动力测量、热实验等。在一个实施例中，这些实施例被用于IR吸收测量以识别分子组分。
示例
示例1
图7所示出的光谱是从具有由三个活性堆叠构成的芯的cDFB激光器获得。来自该芯的电致发光光谱示为“(a)”表示该增益光谱。四个发光光谱示为曲线“(b)”、“(c)”、“(d)”、和“(e)”是来自四个同一晶片制造的不同激光部分的激光发射光谱。
示例2
根据第一个激光部分(即紧挨着前端面)中的DC偏压，该cDFB中的第二个激光部分的脉冲光-电流曲线(图8)也被测量。示出的偏压为11V(黑色，紧凑的破折号；---)；10V(黑色，隔开的破折号；---)；9V(灰色实线；––)；8V(灰色，长隔开的破折号；–––)；4V(灰色点；···)；以及0V(黑色实线；––)。由于通过该第一激光部分腔的光学损耗减小，来自第二激光部分的输出功率随DC偏压增加而增加。由于电流在9V小于0.12A，该DC偏压的功耗可以保持得低(～0.1W)。通过使用脉冲偏压还能进一步减少该功耗。
示例3
为了最小化一个脉冲中以及来自施加于同一激光部分的邻近脉冲的发热，我们建议以下如图9所示的时间顺序操作，并且脉冲宽度近似于几百纳秒或更小，例如200ns，以保持该芯的温度上升至低于20℃。在图9示出的时间顺序操作中，为了最小化来自任何串接激光部分的输出穿过在它前面的激光部分的光学损耗，当它们不需要处于激光发射模式时，这些激光部分应当在阀值以下DC或脉冲偏压。这将最小化来自非激光发射激光阶的反馈，如Li等人，36(10)IEEE Journal of Quantum Electronics，1110-1116(2000)所指出的，其内容通过引用全部结合至此。

Claims (18)

1.一种激光器，包括：
a.增益材料，包括形成超晶格的至少两个成分不同的层，其中，所述增益材料通过子带间跃迁而生成光子；
b.光波导，包括涂有防反射材料的两端；以及
c.至少两个串联放置的激光发射部分，其中每个激光发射部分包括光栅，其中所述光栅具有不等的周期或布拉格波长，并且其中所述激光发射部分被包括在InP上层N型覆层中的最大稳定浓度小于n×1018cm-3的P型掺杂的电隔离区域分开或通过去除所述N型覆层的高掺杂部分而被分开，其中n小于3。
2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述光栅包括四分之一波移动光栅。
3.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，来自所述激光发射部分中的至少一个的发射波长在2.5μm至15μm之间。
4.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述超晶格的至少一层包括GaxIn1-xAs，其中x是从0到1。
5.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述超晶格的至少一层包括AlyIn1-yAs，其中y是从0到1。
6.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光器的活性区包括至少三个堆叠，其中，这些具有最短波长处的激光发射部分的堆叠被放置在所述激光器的中心。
7.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光发射部分以脉冲模式发射激光。
8.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，激光脉冲宽度是从10ns至1ms。
9.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光发射部分以连续模式发射激光。
10.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所有激光发射部分是同时发射的。
11.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光发射部分是按顺序地发射。
12.一种用于检测来自样本的信号输出的方法，包括：
a.将来自如权利要求1所述的激光器的至少一个激光事件施加于所述样本；并且
b.收集与所述样本交互后的光的至少一部分。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，激光波长是在红外区域。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，对于光的收集提供了所述样本的红外吸收的信息。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述样本为气相。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述样本为液相。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述样本为固相。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，对于光的收集提供了所述样本的红外反射的信息。
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