DE112015001051T5 - 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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Abstract

Offenbart wird ein optischer Halbleiteremitter mit einem optischen Modus und einem Verstärkungsabschnitt, 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 Index N0 des optischen Modus in dem Niedrigverlust-Wellenleiter zwischen Na und Nb, wobei N0 innerhalb eines Fehlerbereichs von 5 % von identisch zu dem Brechungsindex des Verstärkungsbereichs liegt, und wobei der Verstärkungsbereich auf Stoß angrenzend zu dem Niedrigverlust-Wellenleiter ist, und wobei die Größe und Form des/der optischen Modus/Modi in dem Niedrigverlust-Wellenleiter und der Verstärkungsbereich innerhalb eines 10%-Fehlerbereichs von Gleichheit liegen. Wünschenswerterweise sollte zumindest eines der Halbleitermaterialien A und B eine ausreichend große Bandlücke aufweisen, so dass die passive Wellenleiter-Struktur Strom unter einem Spannungsbias von 15 V blockiert.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität vorläufige US-Patentanmeldung Nr. 61/946,700, welche am 28. Februar 2014 angemeldet wurde. Die Offenbarung der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/946,700 wird hier durch Bezugnahme einbezogen.
  • 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/US2013/072195, welche am 27. November 2013 angemeldet wurde.
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Beschreibung betrifft allgemein Quantenkaskadenlaser („QCLs“), und insbesondere passive Wellenleiterstrukturen zur Verwendung in QCLs und QCLs, welche solche Strukturen verwenden.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • 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 Infrarot-(„mid-IR“)- oder fern-Infrarot-(„far-IR“)-Wellenlängenbereich.
  • 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 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • DBR QCLs weisen typischerweise einen im Wesentlichen einheitlichen gemeinsamen Kern auf, wie in 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.
  • 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
  • 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 alternierende 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 großen Bandlücke aufweisen, so dass die passive Wellenleiterstruktur elektrischen Strom sehr gut blockieren kann, sogar unter Hochspannungsbias. Der effektive Index des optischen Modus in dem passiven Wellenleiter N0 wird zwischen Na und Nb liegen; für eine gute Ausbreitung des optischen Modus sollten die Größe des/der optischen Modus/Modi in dem passiven und dem Verstärkungsabschnitt gleich oder nahezu gleich sein.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung stellt einen optischen Halbleiter-Emitter bereit, welcher einen optischen Modus 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 von Na bzw. NB aufweisen mit einem effektiven Index N0 des optischen Modus in dem Niedrigverlust-Wellenleiter zwischen Na und Nb, wobei N0 innerhalb eines Fehlerbereichs von 5 % von identisch zu dem Brechungsindex des Verstärkungsbereichs liegt, und wobei der Verstärkungsbereich auf Stoß angrenzend zu dem Niedrigverlust-Wellenleiter ist, und wobei die Größe und Form des/der optischen Modus/Modi in dem Niedrigverlust-Wellenleiter und der Verstärkungsbereich innerhalb eines 10%-Fehlerbereichs von Gleichheit liegen.
  • Diese und andere Merkmale und Vorteile werden den Fachleuten aus der Beschreibung und den Zeichnungen offensichtlich werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 (Stand der Technik) ist ein Graph eines Absorptionsspektrums für CO2 im Infrarot.
  • 2 (Stand der Technik) ist ein Graph von Absorptionsspektren von verschiedenen explosiven Zusammensetzungen im Infrarot.
  • 3 (Stand der Technik) ist ein schematisches Querschnittsdiagramm eines DBR QCL.
  • 4A, 4B und 4C sind schematische Querschnittsansichten von verschiedenen alternativen Aspekten bestimmter Ausführungsformen einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
  • 5A und 5B sind Graphen von Profilen optischer Modi von einigen Ausführungsformen von Strukturen gemäß der vorliegenden Offenbarung, wie sie durch Computersimulation erzeugt werden.
  • 6 ist ein Graph eines gepulsten V/I-Kurventests einer Ausführungsform einer passiven Wellenleiterstruktur gemäß der vorliegenden Offenbarung.
  • 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
  • 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, außer 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.
  • Die folgende Beschreibung der Erfindung wird als Lehre der Erfindung in ihren derzeit bekannten Ausführungsformen bereitgestellt. Zu diesem Zweck werden die Fachleute auf dem relevanten Fachgebiet erkennen und anerkennen, dass viele Änderungen an den verschiedenen Aspekten der Erfindung, welche hier beschrieben werden, vorgenommen werden können, während dennoch die vorteilhaften Ergebnisse der vorliegenden Erfindung erhalten werden. Es wird auch offensichtlich werden, dass einige der gewünschten Vorteile der vorliegenden Erfindung durch Auswählen einiger der Merkmale der vorliegenden Erfindung erhalten werden können, ohne andere Merkmale zu verwenden. Dementsprechend werden diejenigen, die in der Technik arbeiten, erkennen, dass viele Modifikationen und Anpassungen der vorliegenden Erfindung möglich sind und sogar unter bestimmten Umständen wünschenswert sein können und ein Teil der vorliegenden Erfindung sind. Somit wird die folgende Beschreibung als eine Illustration der Prinzipien der vorliegenden Erfindung bereitgestellt und nicht als eine Begrenzung davon.
  • Offenbart sind Materialien, Zusammensetzungen und Komponenten, welche 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, 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.
  • 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:
    „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.
  • 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.
  • 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, so dass die passive Wellenleiterstruktur elektrischen Strom sehr gut blockieren kann, sogar unter einem relativ hohen Spannungsbias. Der effektive Index von dem optischen Modus in dem passiven Wellenleiter N0 wird zwischen Na und Nb sein; für eine gute Ausbreitung des optischen Modus sollte N0 gleich (oder nahezu gleich) zu dem Brechungsindex in einem assoziierten Verstärkungsabschnitt sein, welcher auf Stoß angrenzend zu dem passiven Wellenleiter ist. Auch sollte für eine gute Ausbreitung des optischen Modus die Größe des optischen Modus/ der optischen Modi in dem passiven und in dem Verstärkungsbereich gleich oder annäherungsweise gleich sein.
  • 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 AlGaInAs oder GaInAsP oder AlGaIn(P)Sb, wobei die Zusammensetzung(en) für den gewünschten Brechungsindex (welcher zu dem entsprechenden aktiven oder nicht-transpareten Wellenleiter passt) und zum Übereinstimmen mit dem Gitter an InP eingestellt werden. Für einen eine eher kurze Wellenlänge emittierenden QCL-Kern (λ = 4,5 µm), GaInAsP oder AlGaInAs 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 GaInAsP oder AlGaInAs Materials um 0,8–0,9 eV sein (entsprechend einer Photoluminiszenz-Wellenlänge um 1,45 µm).
  • In Hinsicht Vorsehen der gewünschten isolierenden oder halbisolierenden Natur des transparenten Wellenleiters können InP und AlInAs halbisolierend gezüchtet werden. Obwohl AlInAs bei niedriger Wachstumstemperatur halbisolierend gezüchtet worden ist, entweder aufgrund nativer Defekte oder von C-Kontaminierung, wird AlInAs üblicherweise halbisolierend gezüchtet durch Hinzufügen von Dotierungsatomen, wie beispielsweise Fe, Ti, Ru oder anderen Übergangsmetallen, welche tiefe Fallen bilden, welche freie Träger einfangen; dies ist auch der Fall für InP. Es ist gezeigt worden (siehe zum Beispiel [B. Tell, U. Koren und B. I Miller, Metalorganic vapor-phase-epitaxial growth of Fe-doped In0.53Ga0.47As, J. Appl. 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 GaInAsP 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 Indizes von InP und AlInAs zu niedrig, um zu dem Index des aktiven Kerns des Lasers zu passen. So können sie nicht als das Kernmaterial eines passiven Wellenleiters agieren.
  • 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 AlInAs und GaInAs Schichten. Das GaInAs wird undotiert belassen, während das AlInAs wünschenswerterweise mit einem Element mit tiefer Falle (deep trap element) dotiert ist. Undotiertes AlInAs, wie es in einem Reaktor gezüchtet wird, ist etwas von einem n-Typ und wird dementsprechend als Dotierungs-Fe genommen, welches als Falle 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 GaInAs/InP; AlGaInAs/AlGaInAs oder GaInAsP/GaInAsP – von unterschiedlichen Zusammensetzungen, mit geringer Bandlücke/großer Bandlücke – oder eine andere Kombination.
  • Eine transparente oder eine Niedrigverlust-Wellenleiterstruktur mit einem Kern, welcher aus alternierenden undotierten (oder dotierten, für ein halbisolierendes Verhalten) GaInAs/AlInAs Schichten hergestellt ist, ist in 4C gezeigt. Der Kern ist zwischen oberen und unteren InP Mantelschichten (n-dotiert) sandwichmäßig angeordnet (es wird angemerkt, dass das n mit den hochgestellten „–„ allgemein im Stand der Technik als eine niedrig-n-Typ-Dotierung angesehen wird), wie ein aktiver QCL Kern. Das Verhältnis der Dicke von GaInAs und AlInAs ist auf solch eine Weise designt, dass der effektive Index des optischen Modus in dem passiven Wellenleiter demjenigen in dem Wellenleiter mit QCL Laserkerns gleicht. Wenn AlInAs für ein halbisolierendes Verhalten geeignet dotiert ist, kann der Kern des passiven Wellenleiters elektrische Energie bis zu einem bestimmten Spannungsbias (> 20V) blockieren, so dass kein Fehlerstrom durch den passiven Wellenleiter hindurch gehen kann. Daher werden keine zusätzlichen Strom-blockierenden-(Isolations-)-Strukturen benötigt und die Herstellung der Vorrichtungen kann vereinfacht werden.
  • Wie in 4A gesehen werden kann, kann der Niedrigverlust-Wellenleiter für die vorderen und hinteren DBR Gitter verwendet werden. Wie in der Alternative von 4B gesehen werden kann, kann der Niedrigverlust-Wellenleiter auch für den Phasenabschnitt verwendet werden, falls gewünscht (und, wenn der Phasenabschnitt über einen Mikro-Heizer anstelle von Strominjektion gesteuert wird, ist in dem Fall der Niedrigverlust-Wellenleiter isolierend (das heißt halbisolierend)).
  • Der passive Wellenleiter wird gemäß der vorliegenden Offenbarung einen niedrigen optischen Verlust aufweisen, was hauptsächlich an einer reduzierten freien Trägerabsorption liegt. Da das GaInAs/AlInAs Material entweder nicht dotiert ist oder dotiert ist, um halbisolierende Eigenschaften zu produzieren, ist der optische Verlust in dem Niedrigverlust-Wellenleiterkern vernachlässigbar. Der effektive Brechungsindex des passiven Wellenleiters kann zwischen 3,1 (der Brechungsindex von AlInAs) und 3,3 (der Brechungsindex von GaInAs) eingestellt werden durch Verändern des Verhältnisses der Dicken von AlInAs und GaInAs. Daher kann der effektive Index des passiven Wellenleiters leicht designt werden, um zu dem effektiven Index des optischen Modus in dem aktiven (Licht-emittierenden) Wellenleiter(-Kern) zu passen. Der passive Wellenleiter gemäß dieser Ausführungsform kann, wenn die AlInAs Schichten in der Wellenleiterstruktur dotiert sind, um halbisolierend zu sein, elektrischen Strom bis zu einem Hochspannungsbias (> 20V) blockieren. Dies kann den Vorrichtungsherstellungsprozess weiter vereinfachen, da keine zusätzliche Isolierung benötigt wird, so dass die Isolierungsregionen, welche in 4A und 4B gezeigt sind, optional sind oder weggelassen werden können.
  • Die derzeit bevorzugteste Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist eine passive optische Niedrigverlust-Wellenleiter-Kern-Struktur, welche in opto-elektronischen Vorrichtungen im mittleren IR verwendet werden kann, insbesondere in Kombination mit QCL 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.
  • Für einige Vorrichtungen ist ein Wellenleiter-Kern-Abschnitt (oder Abschnitte) wünschenswert, welcher auf Stoß angrenzend zu einem aktiven (= Licht-emittierenden) Kernabschnitt (oder Abschnitten) ist. Das Wellenleiterkernmaterial wird derartig ausgewählt, dass der optische Modus 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 Index 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, so dass Strom, welcher in den aktiven Kern injiziert wird, nicht in den Wellenleiter entweichen würde und nicht verschwendet werden würde.
  • Daher weist eine wünschenswerte Niedrigverlust-Wellenleiter-Struktur einen Kern auf, welcher aus alternierenden nicht dotierten (oder mit Eisen dotierten) AgInAs/AlInAs Schichten hergestellt ist, wie in 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 GaInAs/AlInAs sollte größer als 0,1 µm sein. Das Verhältnis der Dicken von GaInAs und AlInAs ist auf solch eine Weise designt, dass der effektive Index des optischen Modus 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 des optischen Modus in dem passiven Wellenleiter sollte ähnlich zu derjenigen in dem Wellenleiter mit QC Laserkern sein. 5A und 5B zeigen den simulierten optischen Modus von zwei passiven Wellenleitern mit unterschiedlichen Dicken-Verhältnissen. 5A zeigt den optischen Modus in der passiven Wellenleiter-Struktur mit einem GaInAs/AlInAs Dickenverhältnis von 50/50. Hier weist ein Paar von GaInAs und AlInAs Schichten eine Dicke von 0,5 µm auf. Der effektive Index ist 3,169, was etwas niedriger als der Zielwert (Index des Modus in einem bestimmten QCL aktiven Abschnitt) von 3,2172 ist. 5B zeigt den optischen Modus gemäß der Simulation in der passiven Wellenleiter-Struktur mit einem GaInAs/AlInAs Verhältnis von 68/32. Der effektive Index ist 3,207, was dem bestimmten effektiven Index‘ des aktiven Kerns recht gut entspricht.
  • Die Niedrigverlust-Wellenleiter-Ausführungsform mit Dotierung kann elektrischen Strom mit hohem Spannungsbias (> 20 V) blockieren, dank ihres Enthaltens von AlInAs Schichten, die dick genug sind, welche dotiert gezüchtet werden, um halbisolierend zu sein. 6 zeigt eine Test-Spannung-Strom-(VI)-Kurve einer quadratischen Ebene (square mesa) einer passiven Wellenleiter-Struktur mit solch einer Dotierung. Sie zeigt keinen offensichtlichen Leckage-Strom bis zu einem Spannungsbias von höher als 25 V.
  • Ein DBR QCL Wafer mit dieser passiven Wellenleiter-Struktur 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. 7 zeigt die Licht-Strom-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.
  • Ausführungsformen sind hier wünschenswerterweise in einem gepulsten Modus, jedoch kann ein kontinuierlicher Wellenmodus 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 µs, 10 µs, 100 µs 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.
  • 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.
  • 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 breitest mögliche 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, nichtsdestotrotz Äquivalente hierzu repräsentieren.

Claims (10)

  1. Optischer Halbleiter-Emitter, welcher einen optischen Modus und einen Verstärkungsabschnitt aufweist, wobei der Emitter eine Niedrigverlust-Wellenleiter-Struktur aufweist, welche aus zwei alternierenden Schichten von Halbleitermaterialien A und B hergestellt ist, welche Brechungsindizes von Na bzw. Nb aufweisen, mit einem effektien Index N0 des optischen Modus in dem Niedrigverlust-Wellenleiter zwischen Na und Nb, wobei N0 innerhalb eines 5 % Fehlerbereichs von identisch zu einem Brechungsindex des Verstärkungsabschnitts ist, wobei der Verstärkungsabschnitt auf Stoß mit dem Niedrigverlust-Wellenleiter verbunden ist, und wobei die Größe und Form des optischen Modus/der optischen Modi in dem Niedrigverlust-Wellenleiter und dem Verstärkungsabschnitt innerhalb eines 10%-Fehlerbereichs von Gleichheit liegen.
  2. Emitter gemäß Anspruch 1, wobei zumindest eines der Halbleitermaterialien A und B eine ausreichend große Bandlücke aufweist, so dass die passive Wellenleiter-Struktur Strom unter einem Spannungsbias von 15 V blockiert.
  3. Emitter gemäß Anspruch 1, wobei zumindest eines der Halbleitermaterialien A und B eine ausreichend große Bandlücke aufweist, so dass die passive Wellenleiter-Struktur Strom unter einem Spannungsbias von 20 V blockiert.
  4. Emitter gemäß Anspruch 1, wobei zumindest eines der Halbleitermaterialien A und B eine ausreichend große Bandlücke aufweist, so dass die passive Wellenleiter-Struktur Strom unter einem Spannungsbias von 25 V blockiert.
  5. Emitter gemäß Anspruch 1, wobei das Material A AlInAs ist und Material B GaInAs ist.
  6. Emitter gemäß Anspruch 5, wobei das AlInAs und das GaInAs nicht dotiert belassen werden.
  7. Emitter gemäß Anspruch 5, wobei das GaInAs nicht dotiert belassen wird und das AlInAs mit einem Element oder Elementen mit tiefer Falle dotiert wird.
  8. Emitter gemäß Anspruch 7, wobei das Element oder die Elemente mit tiefer Falle eines ist von oder eine Kombination von Eisen und Titan.
  9. Emitter gemäß Anspruch 7, wobei das Element mit tiefer Falle Eisen ist.
  10. Emitter gemäß Anspruch 7, wobei das Element mit tiefer Falle Ruthenium ist.
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