CN104412469A - 具有由级联阶段制造的有源芯的用于中红外多波长级联分布反馈激光器的波导结构 - Google Patents

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Abstract

揭示了具有新的波导的级联分布反馈激光器。波导实现了有源和无源波导结构之间的激光束的连接，并改善了器件设计和输出效率。还揭示了制造和使用此类器件的方法。

Description

具有由级联阶段制造的有源芯的用于中红外多波长级联分布反馈激光器的波导结构
本申请根据35U.S.C.§119，要求2012年3月19日提交的美国临时申请系列第61/612,440号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术领域
本文一般地涉及基于半导体的激光器，更具体地，涉及位于中红外区域的分布反馈激光器，其具有由级联区段制造的有源芯，其还包括改性的波导以实现改进的性能。还揭示了制造和使用此类器件的方法。
技术背景
分布反馈(“DFB”)激光器是将衍射光栅结合到激光器的有源区域中的固态二极管激光器技术。DFB设计实现了通过温度变化发射略微可调节的稳定单波长。将多个DFB激光器组合到级联的DFB量子级联激光器中，实现了该技术的可调节性的放大。但是，当未使用的激光器区段没有加偏压时，级联的DFB QCL经受高的损耗，并且当使用偏压时，级联的DFB QCL经受高能耗。如果产生的DFB-QCL能够更节能并且仍然能提供级联的DFB QCL所观察到的波长的放大范围，那么这会是有利的。
发明内容
本发明的一个实施方式包括一个波导结构，所述波导结构包括：由光学增益材料制造的有源半导体光波导；桥；以及无源光波导；其中所述桥空间上位于有源波导和无源波导之间，并且有源波导、桥和无源波导没有通过光波导材料物理连接。在一些实施方式中，桥包括周期性结构，其选择性地允许某些波长与无源光波导相连。在一些实施方式中，有源波导、桥和无源波导包括GaInAs或者GaAlInAs。在一些实施方式中，有源波导和桥是平行的，并且在最近点相距约1-8um。在一些实施方式中，桥和无源波导是平行的，并且在最近点相距约1-8um。在一些实施方式中，有源波导和桥是平行的，并且在最近点相距约2-6um，桥和无源波导是平行的，并且在最近点相距约1-8um。
另一个实施方式包括激光器，所述激光器包括增益材料(所述增益材料包含至少两个在组成上不同的层，形成超晶格，其中所述增益材料通过次能带间跃迁或者带间跃迁产生光子)；至少两个连续放置的激光区段(其中各个激光区段包括具有非等价期或布拉格波长的光栅，其中所述激光区段被电隔离区域分开)；以及波导结构(所述波导结构包括与所述增益材料接触的有源波导、至少一个桥和无源波导，其中各个桥在空间上位于有源波导和无源波导之间，并且所述有源波导、桥和无源波导没有通过波导材料物理连接)。在一些实施方式中，光栅包括相移光栅。在一些实施方式中，桥与有源波导平行，并且在空间上位于光强度最高的中心。在一些实施方式中，有源波导和桥是平行的，并且在最近点相距约1-8um。在一些实施方式中，桥和无源波导是平行的，并且在最近点相距约1-8um。在一些实施方式中，有源波导和桥是平行的，并且在最近点相距约2-6um，桥和无源波导是平行的，并且在最近点相距约1-8um。在一些实施方式中，有源波导、桥和无源波导包括GaInAs或者GaAlInAs。
在上文所述的激光器的一些实施方式中，激光区段被电隔离区域分开，所述电隔离区域包括n-包覆层中的p-型层，或者通过去除n-包覆层的高掺杂部分将激光区段分开。在一些实施方式中，激光器区段的至少一个的发射波长约为2.5-15um。在一些实施方式中，超晶格的至少一个层包括GaxIn1-xAs，其中x是0-1。在一些实施方式中，超晶格的至少一个层包括AlyIn1-yAs，其中y是0-1。在一些实施方式中，有源区域包括至少两个堆叠，其中具有最短波长的激光器区段的堆叠位于器件的中心。在一些实施方式中，激光器区段以脉冲模式发出激光。在一些实施方式中，激光器脉冲宽度约为10ns至1ms。在其他实施方式中，激光器区段以连续模式发出激光。在一些实施方式中，所有的激光器区段可以是同时发射(fire)的。在其他实施方式中，激光器区段是依次发射的。
另一个实施方式包括检测从样品输出的信号的方法，所述方法包括从权利要求7的激光器向样品施加至少一个激光器事件，并在其与样品相互作用之后收集至少部分的光。在一些实施方式中，激光器波长位于红外区域。在一些实施方式中，收集光提供了样品的红外吸收的信息。在一些实施方式中，样品是气相。在其他实施方式中，样品是液相。在其他实施方式中，样品是固相。在一些实施方式中，收集光提供了样品的红外反射的信息。
附图说明
图1.CO2近2350cm-1处的吸收光谱。
图2.葡萄糖的吸收光谱。
图3.包括具有由级联阶段制造的有源芯的中红外多波长级联的DFB QCL的实施方式。
图4.图3的实施方式，其中在第二或第三DFB区段发射的光在其前方的DFB区段的无偏压芯区段会经受高的损耗。
图5.第二DFB QCL的脉冲光电流曲线与前平面相邻的第一DFB QCL中的DC偏压的关系。偏压是11V(黑色，闭合虚线，---)；10V(黑色，间隔虚线，---)；9V(灰色实线，––)；8V(灰色，长间隔虚线，–––)；4V(灰色点，···)；以及0V(黑色实线，––)。
图6.在QC芯下方具有无源波导的QCL结构的纵截面图(图6A)和相同的波导结构的前视图(看入平面中)(图6B)。
图7.如图6所示的QCL结构的近场图案(图7A)和远场图案(图7B)，表明光传播进入GaInAs无源波导层，但是是较高等级模式(higher order mode)。
图8.如图6所示的QCL结构的远场图案，但是没有第一短GaInAs层。这是具有良好基本模式的FF图案的一个例子，表明没有光传播进入较低的GaInAs层。
图9.提出的具有多波长级联的DFB QCL结构的波导结构的纵截面图(图9A)和横截面图(图9B)。短GaInAs层起了桥的作用，将光导入下方的无源波导层。
图10.显示对于如图6所示的QCL波导结构的10度和5度固体角度内的FF角和功率(百分比)的对比模拟图。波导结构是三重GaInAs层结构(0.67um、0.65um、0.65um)，间距d＝3.5um。短的GaInAs插入从300um的位置开始。在10度和5度角度内的光强度增加以及FF角的下降表明光传播进入无源波导层。需要约300-400um稳定化。模拟λ＝4.6um。
图11.替代结构的俯视图(图11A)。无源InGaAs波导结构和桥InGaAs结构位于激光器背脊侧。图11B显示结合多波长级联的DFB QCL的替代波导结构的纵截面图。短GaInAs层起了桥的作用，将光导入上方的无源波导层。槽(trench)可以被半隔离的InP(SI-InP)(铁掺杂)替代。
发明详述
参考以下实施方式、附图、实施例、权利要求以及之前和以下的描述，可以更容易地理解本发明。但是，在揭示和描述本发明的组合物、制品、装置和方法之前，应理解，本发明不限于所揭示的具体组合物、制品、装置和方法，除非另有说明，因为它们当然是可以改变的。还应当理解，本文所使用的术语仅仅是为了描述特定的方面而不是起限制作用。
提供以下描述，作为按其目前已知实施方式进行实施。为此，本领域技术人员应当意识和体会到，可以对本文所述的各个方面进行各种改变，同时仍然能够达到所述有益的结果。还显而易见的是，本发明所需的有益结果中的一部分可以通过选择一些特征而不利用其他的特征来获得。因此，本领域技术人员会认识到，许多更改和修改都是可能的，在某些情况下甚至是理想的。因此，提供的下述描述只是说明性的，并不是限制性的。
揭示了材料、化合物、组合物以及组分，它们可用于所揭示的方法和组合物，可结合所揭示的方法和组合物使用，可用于制备所揭示的组合物，或者是所揭示的方法和组合物的实施方式。在本文中公开了这些和其他的材料，应理解当公开了这些材料的组合、子集、相互作用、组等等而未明确地具体揭示这些化合物的每个不同的单独和共同组合以及排列时，在本文中具体设想和描述了它们中的每一种情况。因此，如果公开了一类取代物A、B、和C并且还公开了一类取代物D、E、和F和组合的实施方式A-D的实例，则可单独地和共同地设想每一个。因此，在本例中，具体设想了以下组合A-E、A-F、B-D、B-E、B-F、C-D、C-E和C-F中的每一个，应认为以上这些都是从A、B和/或C；D、E和/或F；以及实例组合A-D的内容揭示的。同样，也具体设想并揭示了上述的任何子集或这些子集的组合。因此，例如，具体设想了A-E、B-F和C-E的亚组，并应认为它们是从A、B和/或C；D、E和/或F；以及实例组合A-D的内容揭示的。这种概念应用于本内容的所有方面，包括但不限于组合物的任何组分以及所揭示组合物的制备方法和使用方法中的各步骤。因此，如果存在可进行的多个附加步骤，应当理解可通过所公开方法的任一特定实施方式或实施方式的组合来进行这些附加步骤中的每一个，而且可具体设想每一个这样的组合且应当认为它是公开的。
在本说明书和下面的权利要求书中提到许多术语，这些术语具有以下含义：
“包括”、“包含”或类似术语意为包括但不限于，即内含而非排它。
术语“约”修饰了所有范围内的术语，除非另有说明。例如，约1、2或3相当于约1、约2或约3，并且还包括约1-3，约1-2以及约2-3。组合物、组分、成分、添加剂和类似方面的公开的具体和优选数值及其范围仅用于说明，它们不排除其它定义数值或定义范围内的其它数值。本发明的组合物和方法包括具有本文所述的任何数值或数值的任何组合、具体数值、更具体的数值和优选数值的组合物和方法。
除非另外说明，否则，本文所用的不定冠词“一个”或“一种”及其相应的定冠词“该”表示至少一(个/种)，或者一(个/种)或多(个/种)。
本文所用的“超晶格”包括至少两个具有不同带隙的半导体材料，其产生量子阱囚禁和带间跃迁(参见例如，美国专利申请第61/564,375号，其全文通过引用结合入本文)。至少两个半导体材料的厚度可以在晶格内变化，或者可以是恒定的厚度。如果材料的厚度发生变化，则它们可以以线性或非线性方式变化。
本文所用“阶段”包括由超晶格形成的一系列的量子阱，其实现了电子从注入区跃迁到有源区段。本文所用“堆叠”包括一系列的阶段。“有源区域”或“芯”是由至少一个堆叠构成的，并且用于描述激光器产生光发射的区域。
本文所用“光波导”包括被一个或多个具有低折射率或介电指数的介电材料包围的具有高折射率或介电指数的介电材料，其中所述指数是在感兴趣的波长处测量的。本文所用“波导材料”包括在感兴趣的波长处具有高折射率的介电材料。
级联的DFB QCL结构实现从一个单独平面发射多波长(单模式)，如图3所示，并且见美国专利申请第61/586,327号所述，其全文通过引用结合入本文。第一DFB区段以λ1发出激光，第二DFB区段以λ2发出激光，等等。但是，通过第二区段或者任意除了第一DFB区段之外所发出的光会传播通过其前方的DFB区段，如图4所示。如果这些前方的区段未加偏压，则这些未加偏压区域中的损耗会是高的(>20cm-1)。损耗主要来自λ2(或者λ3、λ4、λ5等)通过未加偏压的芯区域。例如，λ2的光强度远低于λ1的光强度，尽管两个DFB区段的增益/芯区段是共享的，并且λ1和λ2之间的差异是小的。
当操作区段二时，可以通过同时对区段一加偏压(低于阈值电压)，来降低区段一中的损耗。λ2的强度会增加，如图5所示。偏压是11V(黑色，闭合虚线，---)；10V(黑色，间隔虚线，---)；9V(灰色实线，––)；8V(灰色，长间隔虚线，–––)；4V(灰色点，···)；以及0V(黑色实线，––)。如所示，偏压从0V变化到11V，功率存在一个四倍的增加。但是，总能耗存在相应的增加，因此降低了电光转化效率(wall plug efficiency)(WPE)。
为了避免与传播通过未加偏压的区段相关的损耗，可以将光(例如λ2、λ3、λ4、λ5等)通过额外的波导导出器件，并避开前方未加偏压的区段的芯。
第一个实施方式包括这样的波导结构，其将光被动地(passively)导出增益区域，并进入相邻的波导层。在一些实施方式中，相邻的光波导可包括一层或多层合适的材料，它们与增益区段是电磁相连的，但是不是物理连接的。该波导结构的实施方式可以降低强度损失，因为光会通过相邻波导而不是通过前方区段的芯。在一些实施方式中，波导结构实现了将无发射的DFB区段维持在未加偏压的状态，而不影响激光器输出。
另一个实施方式包括级联的DFB激光器，其还包括将光被动地(passively)导出增益区域，并进入相邻的波导层的波导结构。在一些实施方式中，波导结构包括一个或多个相邻光波导，其中相邻光波导可包括一层或多层合适的材料，它们与增益区段是电磁相连的，但是不是物理连接的。多波长级联的DFB(“cDFB”)激光器可包括由一系列级联区段制造的有源芯，以同时或者时间上依次地产生多波长。在一些实施方式中，cDFB激光器在红外(“IR”)区域发出激光。在一些实施方式中，cDFB在约2.5-15um的区域内发出激光。此类器件能够对单个分子的宽吸收线或者不同分子的多个吸收线进行取样。形成实施方式的方法可包括使用类似于用于分布反馈(“DFB”)量子级联激光器(“QCL”)的制造过程。本文的实施方式的优势在于，得益于较小的尺寸、较快的速度和较低的成本，它们能够替代波长可调节的外腔(“EC”)QCL。此外，本文的实施方式相对于DFB QCL阵列还具有尺寸和成本优势，因为DFBQCL阵列需要将光学件进行光学结合，以将阵列输出结合到一个光束中。
可使用的实施方式的一个具体应用是通过红外(“IR”)光谱的化学分析。化学键振动在中红外区域中的强吸收线可用于鉴定分子组成。中红外波长可调节源，例如DFB QCL，可用于在吸收线附近对波长进行扫描。虽然常规DFBQCL具有约为小10cm-1的小的波长调节范围并且常常被用于检测窄吸收线中的一条，例如小分子(例如，图1显示CO2在近2350cm-1处，即约为4.2-4.3um，的吸收线)，但是本文的实施方式可具有大得多的波长覆盖并且可用于检测大分子的宽吸收线(图2显示葡萄糖在950-1200cm-1处的吸收)。
芯提供了实现发出激光所需的光学增益。激光器的芯可包括量子级联(“QC”)或带间级联(“IC”)区域的堆叠。可以使用任意具有宽光学增益的QC或IC结构。在一些实施方式中，芯包括QC结构。在一些实施方式中，芯包括IC结构。各个芯的增益峰被设计成接近取样波长中的一个，如图6所示。具有较短波长处的光学增益的芯通常应该放在更接近光模块的中心，因为较短波长的光模块比较长波长的光模块窄。
本文的实施方式可包括增益材料，其包含至少两个在组成上不同的层，形成超晶格。通过对层进行适当的设计，可以在系统中的两个次能带之间加工粒子数反转，这对于实现激光器发射是必须的。层的厚度可以是相同或者可以是不同的，这取决于所需的设计。在一些实施方式中，层厚度约为在一些实施方式中，层厚度约为在一些实施方式中，层厚度约为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或者
可用于形成增益材料中的层的材料通常包括半导体，例如第IV、III-V和II-VI组半导体。在一些实施方式中，层可包括GaAs、GaSb、InAs、AlxGa1-xAs、SixGe1-x或者GaxIn1-xAs、AlyIn1-yAs、GxaIn1-xSb和AlxIn1-xSb，其中x和y是0-1。
可以通过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和MO-MBE)，金属有机气相外延(MOVPE)或者溅射法。这些方式能够生产厚度仅为数个原子间距的层。
本文的实施方式还包括光波导。本文所用的光波导包括将电磁波导入光谱中的物理结构。本文的实施方式包括这样一种光波导，其能够将未使用的区段维持在未加偏压的状态，而不影响激光器输出。包括在本文中的光波导可包括多层合适的材料，它们是电磁相连，但是不是物理连接的，例如如图9所示。在一些实施方式中，有源波导层包括脊波导，其是通过对量子级联增益材料中的平行槽进行蚀刻产生QC材料的隔离的条所产生的。
包括在本文中的光波导可包括桥层(“桥”)。桥包括合适的波导材料，例如GaInAs的短区段。如果DFB区段是四分之一波长偏移的话，桥可位于各个DFB区段的中心。或者，桥可以位于光强度纵向最大的位置。在一些实施方式中，桥可以包括光栅层。在此类实施方式中，桥可以选择性地波长连接两个具有不同有效折射率的波导。
对于波长λi，与各个DFB区段相互作用的桥的折射率(index)、宽度和长度可以以如下方式确定：波长为λi的光可以传播进入无源波导层。可以通过掺杂密度或组成(加入少量的AlInAs)来改变折射率。桥应该长于某个值，以确保束传播进入无源波导层下方。例如，对于λ约为4.6um的波导结构，其应该约为300-400um长，如图10所示。图10显示对于如图6所示的λ＝4.6um的QCL波导结构的10度和5度固体角度内的FF角和功率(百分比)的对比模拟图。波导结构是三重GaInAs层结构(0.67um、0.65um、0.65um)，间距d＝3.5um。区域300是分级期(grading period)。短GaInAs插入在位置100处开始(约为300um)，并在200处结束。束的垂直远场(“A”)和水平远场(“B”)角反应了在离开波导之前的光模块尺寸和与插入相互作用之后的下降。10°固体角度(“C”)和5°固体角度(“D”)内的百分比功率显示了在与插入相互作用之后的稳定生长的显著增加。在10度和5度角度内的光强度增加以及FF角的下降表明光传播进入无源波导层，并且需要约300-400um来稳定化。
在一些实施方式中，桥的长度约为100、150、200、250、300、350、400、450、500、550、600、650、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600、1700、1800、1900或者2000um。桥和上波导(以及桥和下波导)之间的距离可以通过如下方式确定：上波导(或下波导)中的光模块与桥结构中的光模块具有小(或有限)但是不为零的交叠。然后上波导中的模块可以穿过(或合并)进入桥结构，并进一步有效地进入下波导层。距离是波长，并且也是波导结构(各层的厚度和折射率)的函数。在λ约为4.6um的波导结构的情况下，距离包括约3.5um，而GaInAs的桥(和下波导层)的厚度包括约0.65um。在一些实施方式中，桥和上波导之间的距离包括约为0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0、2.25、2.5、2.75、3.0、3.25、3.5、3.75、4.0、4.25、4.5、4.74、5.0、5.25、5.5、5.75或者6.0um。在一些实施方式中，桥和无源(下)波导之间的距离包括约为0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0、2.25、2.5、2.75、3.0、3.25、3.5、3.75、4.0、4.25、4.5、4.74、5.0、5.25、5.5、5.75或者6.0um。
包括在本文中的光波导可包括无源波导层。无源波导层可包括合适的材料，其允许激光器以所需的波长传播，所述材料例如GaInAs。无源波导可包括如下尺寸：宽度约为1-20um，并且长度高至数个mm(通常通过切割定义长度)。在一些实施方式中，无源波导的宽度约为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或者20um，并且长度约为100、150、200、250、300、400、500、600、700、800、900、1000、1500、2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000或者10,000um。在一些实施方式中，桥和无源波导的厚度分别独立地约为0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9或者2.0um。可以通过如下方式实现横模约束：在介电材料的槽中的沉积，然后可用金涂覆整个脊，以帮助当脊产生光时从其去除热量。更通常地，通过如下方式实现横模约束：在槽中生长半绝缘材料，例如InP，如果激光器是生长在InP基材上的话。可以从无源波导的切割端发射光。
桥和无源波导层可以构建成与有源波导平行和/或相互平行。本文所用“平行”指的是由结构的长度和宽度形成的平面在每一处都是近似等距的和/或相对于共同平面具有相同的角度。在一些实施方式中，平行指的是平面具有±5、±4、±3、±2或者1±°的相同角度。
此外，对于该设计，具有较长波长的DFB区段应该位于整个结构的前面部分，具有较短波长的DFB区段应该位于背部。较短波长的光会传播通过无源波导层，而没有泄漏进入具有较长波长的前方DFB区段，因为对于“桥”GaInAs层的模交叠小于较短波长的情况。
本文的实施方式还可包括减反射或抗反射(AR)层。本文所用的AR层包括施加到器件的至少一端(面)的光学涂层，其降低了反射，特别是IR区域中的反射。AR层可以是任意类型，例如折射率匹配、单层干涉、多层干涉或者蛾眼(纳米结构化)。在一些实施方式中，AR涂层提供了小于约10％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.01％、0.001％或者0％的损失。
本文的实施方式还包括串联放置的至少两个激光器区段，各个激光器区段包括相移光栅，其中光栅具有非等价期或布拉格波长。本文所用光栅包括由具有不同折射率的交替材料的多层形成的结构，或者通过周期性地改变某些特性(例如高度)，使得波导中的有效折射率发生周期性的变化。各层边界引起光波的部分反射。对于传播通过第m级光栅的波，其波长接近周期乘以有效折射率的2/m倍，许多反射与结构干涉结合，光栅起了高品质反射器的作用。相移光栅可包括例如，1/8、1/4或者其他相移光栅。
在二极管激光器中使用1/4波偏移、分布反馈共鸣器是有利的，因为它们在光栅衰减带的中心提供共鸣，其比任一侧的共鸣都具有更高的品质因数。1/4波偏移DFB传输共鸣器的窄带共鸣具有洛伦兹回应。使用1/4波偏移共鸣器的进一步的信息可参见H.Haus和Y.Lai的“Theory of Cascaded Quarter WaveShifted Distributed Feedback Resonators(级联的1/4波偏移分布反馈共鸣器理论)”，28(1)IEEE J.Quantum Elec.205-213(1992)，其全文通过引用结合入本文。
可以通过电子束(“e束”)书写或者通过e束平版印刷制造的光栅掩模的接触印刷，对具有多周期的光栅进行图案化。
可在本文的实施方式中发现的额外组件包括在增益材料上方和/或下方的n型包覆层。可以用图案化电接触层包覆有源增益和波长选择性区段，所述图案化电接触层可包括用于不同激光器区段的各个控制电极。可以在图案化电接触层的合适区域中沉积绝缘介电材料，以对激光器结构的不同区域进行电隔离。
在一些实施方式中，激光区段被p型电隔离区域分开，如美国专利申请第13/050,026号所述，其全文通过引用结合入本文。例如，可以将有源波导芯夹在n型上包覆层和n型下包覆层之间。有源芯、n型下包覆层以及至少部分上包覆层延伸通过实施方式的电隔离激光器区段。一部分或多个部分的n型上包覆层包含足够的p型掺杂剂以限定一个或多个p型电隔离区域，其沿着分开了实施方式的区段的投影延伸穿过n型上包覆层的部分厚度。n型上包覆层和n型下包覆层可包括InP、GaAs、AlGaAs或者任意其他常规或尚未开发的合适的包覆材料。例如，预期各种包覆材料可能是合适的，包括II-VI半导体，Si-Ge基材料或者GaN基材料等，但不限于此。分离激光区段的其他方法见美国专利申请第61/586,327号所述，其全文通过引用结合入本文。
例如，或者预期n型上包覆层和n型下包覆层可以是GaAs基包覆层，但不限于此。一些包覆层可以是AlGaAs或者(Al)GaInP，而不是简单的GaAs。对于GaAs基包覆层，芯可以是GaAs/AlGaAs、AlGaAs/AlGaAs、(Al)GaInP/(Al)GaInP或者GaInAs/(Al)GaAs。对于结构的余下层，考虑类似组成的额外层，并且应该考虑选择以补偿GaInAs和GaAs基材之间的任意晶格失配。例如，其他可能的层是GaInP、AlGaInP、GaAsP和GaInAsP，但不限于此。对于GaAs基包覆层，用于制造(Al)GaAs半绝缘的合适的掺杂剂包括但不限于Cr和O。在非常低温生长，可以无需任意掺杂剂获得半绝缘(Al)GaAs。
本文的实施方式可用于脉冲波模式或者连续波模式。激光器持续时间可以是约1ns至1ms。在一些实施方式中，FWHM的脉冲宽度约为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、1us、10us、100us或者1ms。在一些实施方式中，本文所包括的器件可以设计成同时、单独和/或依次或以编程顺序发射所有的激光器区段。
本文所述的实施方式具有超过100cm-1、超过200cm-1、超过300cm-1、超过400cm-1或者超过500cm-1的可调节性。在一些实施方式中，cDFB实施方式的波长跨度约为100cm-1至500cm-1。
激光器区段的峰值波长可以选择为一个分子的宽吸收线或者不同分子的数个吸收线的取样波长(λsi，I＝1-n)。在一些实施方式中，cDFB在约2.5-15um的区域内发出激光。在一些实施方式中，cDFB在约为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或者15.0um发出激光。
本文的实施方式可用于任意数量的方法，其中IR辐射和特定的IR激光器辐射会是有利的。具体的应用包括IR吸收或反射测量、IR和FTIR光谱、拉曼光谱、气体和/或化学武器探测、化学动力学和动力学测量、热实验等。在一个实施方式中，本文的实施方式被用于IR吸收测量以鉴定分子组成。
实施例
实施例1
图6的波导结构被设计成通过将光导入芯层下方的GaInAs的波导层中，并扩大光模，来证实小的远场角。短GaInAs层(芯下方的第一层)位于靠近前平面，所以光只能被导入靠近前平面的波导层中。结果仅是部分成功的。光被导入如图7所示设计的波导结构中，从而证明我们可以通过放置GaInAs的第一短层，将光在任意选定点导出。但是，由于波导层的大宽度(出于小的远场角的目的)，更高级的模式是令人兴奋的，而不是基础模式。图8显示没有GaInAs第一层的情况下，光不会被导入第二波导层，因为两个光模之间的交叠太小。
实施例2(预测)
如图9所示是用于多波长级联的DFB QCL结构的所提出的波导结构。被各个DFB区段发出的光会通过桥层(例如，包含GaInAs)被导入各个区段下方的波导层(例如GaInAs)。桥可以放置在各个DFB区段的中心，其中光强度在1/4波偏移的DFB结构达到最大。该结构包括单个无源波导层，其穿过整个结构，并且该层的设计应该足够窄(约8um)，以避免较高级的模式。将光导向通过无源波导会使得光经受小得多的损失，因为低掺杂的GaInAs的损失在1-2cm-1的范围内。这可以通过降低GaInAs层中的掺杂来进一步降低。
实施例3(预测)
如图11所示是用于多波长级联的DFB QCL结构的所提出的替代波导结构。图11A显示结构的顶视图，其中，桥和无源波导位于激光器背脊侧。图11B描述了替代波导的纵截面图，显示桥位于无源波导和有源层之间的高度。波导层可包括在所需波长是可透射的任意数量的组合物。

Claims (30)

1.一种波导结构，其包括：
a.由光学增益材料制造的有源半导体光波导；
b.桥；以及
c.无源光波导；其中所述桥空间上位于有源波导和无源波导之间，并且有源波导、桥和无源波导没有通过光波导材料物理连接。
2.如权利要求1所述的波导结构，其特征在于，所述桥包括周期性结构，其选择性地允许某些波长与无源光波导相连。
3.如权利要求1所述的波导结构，其特征在于，所述有源波导、桥和无源波导包括GaInAs或者GaAlInAs。
4.如权利要求1所述的波导结构，其特征在于，所述有源波导和桥是平行的，并且在最近点相距约1-8um。
5.如权利要求1所述的波导结构，其特征在于，所述桥和无源波导是平行的，并且在最近点相距约1-8um。
6.如权利要求1所述的波导结构，其特征在于，所述有源波导和桥是平行的，并且在最近点相距约2-6um，以及所述桥和无源波导是平行的，并且在最近点相距约1-8um。
7.一种激光器，其包括：
a.增益材料，其包含至少两个在组成上不同的层，形成超晶格，其中所述增益材料通过次能带间跃迁或者带间跃迁产生光子；
b.至少两个连续放置的激光区段，其中各个激光区段包括具有非等价期或布拉格波长的光栅，其中所述激光区段被电隔离区域分开；以及
c.波导结构，其包括：
i.与增益材料接触的有源波导；
ii.至少一个桥；以及
iii.无源波导，其中：
1).各个桥在空间上位于有源波导和无源波导之间；以及
2).有源波导、桥和无源波导没有通过波导材料物理连接。
8.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述光栅包括相移光栅。
9.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述桥与有源波导平行，并且在空间上位于光强度最高的中心。
10.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述有源波导和桥是平行的，并且在最近点相距约1-8um。
11.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述桥和无源波导是平行的，并且在最近点相距约1-8um。
12.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述有源波导和桥是平行的，并且在最近点相距约2-6um，以及所述桥和无源波导是平行的，并且在最近点相距约1-8um。
13.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述有源波导、桥和无源波导包括GaInAs或者GaAlInAs。
14.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述激光区段被电隔离区域分开，所述电隔离区域包括n-包覆层中的p-型层，或者通过去除n-包覆层的高掺杂部分将激光区段分开。
15.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，激光器区段的至少一个的发射波长约为2.5-15um。
16.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，超晶格的至少一个层包括GaxIn1-xAs，其中x是0-1。
17.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，超晶格的至少一个层包括AlyIn1-yAs，其中y是0-1。
18.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述有源区域包括至少两个堆叠，其中具有最短波长的激光器区段的堆叠位于器件的中心。
19.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，激光器区段是脉冲模式。
20.如权利要求19所述的激光器，其特征在于，激光器脉冲宽度是约10ns至约1ms。
21.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，激光器区段以连续模式发出激光。
22.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，所有激光器区段可同时发射。
23.如权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述激光器区段是依次发射。
24.一种从样品检测信号输出的方法，所述方法包括：
a.从权利要求7的激光器向样品施加至少一个激光器事件；以及
b.在其与样品相互作用之后收集至少部分的光。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，激光器波长在红外区域中。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，收集光提供了样品的红外吸收的信息。
27.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述样品是气相。
28.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述样品是液相。
29.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述样品是固相。
30.如权利要求24所述的方法，其特征在于，收集光提供了样品的红外反射的信息。
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