JP2016500472A - 波長のチューニング範囲の広いモノリシックな中赤外レーザ源 - Google Patents

波長のチューニング範囲の広いモノリシックな中赤外レーザ源 Download PDF

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Abstract

モノリシックかつチューニング可能な中赤外レーザが、３〜１４μｍの範囲内の波長範囲を有し、異種混成量子カスケード活性領域を少なくとも第１の一体化された回折格子とともに備えている。異種混成量子カスケード活性領域は、少なくとも１つのスタックを備え、スタックは、２つ、望ましくは少なくとも３つの異なるステージを備えている。レーザを動作させるおよび較正する方法も開示される。

Description

関連出願
本出願は、２０１２年１１月３０日に出願された米国特許仮出願第６１／７３１，８３１号の米国特許法第１１９条のもとでの優先権の利益を主張し、この米国特許仮出願の内容は、その全体が、ここでの言及によって本明細書に援用される。
本明細書は、広くには、半導体基盤のレーザに関し、より詳しくは、望ましくは広い波長範囲（例えば、中心波長の２０、３０、４０、または５０％にもなる）にわたる入手可能波長の連続体をもたらす一体型の回折格子にもとづくチューニング能力を備える広帯域の増幅をもたらす異種混成（ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ）のカスケードステージを備える活性コアを有している中赤外領域の分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザに関する。そのようなデバイスの製造方法も開示される。
化学結合の振動からの中赤外領域の強力な吸収線を、重要な分子を特定するために使用することができる。分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−Ｆｅｅｄｂａｃｋ）量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）または波長のチューニングが可能な外部共振器（ＥＣ）ＱＣＬなど、中赤外の波長のチューニング可能な光源を、吸収線の付近の波長を走査するために使用することができる。ＤＦＢ ＱＣＬは、例えば図１のグラフにおいて線強度（ｃｍ−１）／（分子ｃｍ−２）についてのｙ軸に示されている横軸上の２３５０ｃｍ−１（４．２〜４．３μｍ）という波数の付近のＣＯ２の吸収ピークなど、特定の小さな分子の主要な吸収ピークなどの選択された狭い吸収ピークを検出するために頻繁に使用される。既存のＥＣ−ＱＣＬは、一般に、約１００〜最大５００ｃｍ−１にもなる顕著に広い波長のチューニング範囲を有し、大型の分子のより広い特徴吸収プロフィルを検出するために使用することができる。これまでに提案されている一例は、図２のグラフに示されるとおりのグルコースの９５０〜１２００ｃｍ−１の吸収プロフィルの検出であり（例えば、Ｍ．Ｂｒａｎｄｓｔｅｔｔｅｒ、Ａ．Ｇｅｎｎｅｒ、Ｋ．Ａｎｉｃ、およびＢ．Ｌｅｎｄｌの「Ｔｕｎａｂｌｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃａｖｉｔｙ ｑｕａｎｔｕｍ ｃａｓｃａｄｅ ｌａｓｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｌｕｃｏｓｅ ａｎｄ ｌａｃｔａｔｅ ｉｎ ａｑｕｅｏｕｓ ｐｈａｓｅ」、Ｔｈｅ Ｒｏｙａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、２０１０を参照されたい）、図中の線は、一番上の線から下方への順にそれぞれ３００、２００、および１００ｍｇ／ｄｌのグルコース濃度における吸収を波数の関数として示している。別の興味深い例は、一般的な爆発物に典型的な中赤外の吸収プロフィルの検出である。外部共振器ＱＣＬを使用して、Ｆｕｃｈｓらは、最大２５ｍの距離において２０μｇ／ｃｍ２の感度でＰＥＴＮ、ＴＮＴ、ＲＤＸ、およびＳＥＭＴＥＸなどの爆発物の量を検出できることを実証している（Ｆ．Ｆｕｃｈｓ、Ｓ．Ｈｕｇｇｅｒａ、Ｍ．Ｋｉｎｚｅｒａ、Ｑ．Ｋ．Ｙａｎｇａ、Ｗ．Ｂｒｏｎｎｅｒａ、Ｒ．Ａｉｄａｍａ、Ｋ．Ｄｅｇｒｅｉｆｂ、Ｓ．Ｒａｄｅｍａｃｈｅｒｂ、Ｆ．Ｓｃｈｎｕｒｅｒｃ、およびＷ．Ｓｃｈｗｅｉｋｅｒｔｃの「Ｓｔａｎｄｏｆｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ ｗｉｔｈ ｂｒｏａｄ ｂａｎｄ ｔｕｎａｂｌｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃａｖｉｔｙ ｑｕａｎｔｕｍ ｃａｓｃａｄｅ ｌａｓｅｒｓ」、Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ ｖｏｌ．８２６８、８２６８１Ｎ−１−９、２０１２を参照されたい）。図３のグラフは、ＰＥＴＮ（１０２）、ＲＤＸ（１０４）、ＴＡＴＰ（１０６）、およびＴＮＴ（１０８）について、波長（単位は、マイクロメートル）の関数としての吸収を、これらの物質および他の物質の検出において用いられる対象の波長範囲Ｒの一例とともに示している。
ＥＣ ＱＣＬは、典型的に、広いチューニング範囲を提供するが、ＤＦＢ ＱＣＬと比べて大型かつ製造および維持に費用がかかり、所与の周波数へのチューニングが比較的低速であり、典型的なチューニング時間はミリ秒の範囲である。ＤＦＢ ＱＣＬは、典型的に、より小型であり、製造および維持にあまり費用がかからず、典型的に、マイクロ秒の範囲のチューニング時間で、典型的にはきわめて狭い範囲において、きわめて迅速にチューニングすることができる安定かつ狭い波長の放射を可能にする。しかしながら、超構造回折格子を有するＤＢＲレーザなど、容易に製造可能かつ幅広くチューニング可能なＱＣＬの実現されておらず、上述の図２および３に示した吸収プロフィルと同様の吸収プロフィルを有する分子などのより大型の分子の検出におけるそれらの経済的な適用を妨げている。超構造回折格子ＤＢＲ ＱＣＬレーザの低コスト、適切な効率、素速いチューニング、および他の有益な特性を広い波長範囲にわたって容易かつ実用的に利用できるならば、さまざまな分野において好都合であると考えられる。
３〜１４μｍの範囲内の波長範囲を有するモノリシック（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）かつチューニング可能な中赤外レーザが開示され、異種混成量子カスケード活性領域を少なくとも第１の一体化された回折格子とともに備えている。異種混成量子カスケード活性領域は、少なくとも１つのスタック（ｓｔａｃｋ）を備え、スタックは、少なくとも２つ、望ましくは３つ以上のステージを備えている。望ましくは、第１の一体化された回折格子のブラッグ波長が、一選択肢としての実施形態においては、マイクロヒータによってチューニング可能である。電流の注入を採用することも可能である。さらにレーザは、第１の回折格子とは別個独立にチューニングすることができる第２のチューニング可能な一体化された格子をさらに備え、第１および第２の回折格子は、望ましくは、それぞれの非同一な第１および第２のくし間隔を有するくし状回折格子である。望ましくは、第１および第２の一体化された回折格子は各々、それぞれの第１および第２のくし間隔のうちの大きい方の間隔に少なくとも等しい範囲にわたって別個独立してチューニング可能である。
回折格子は、抽出回折格子、望ましくはインターリーブ抽出回折格子、あるいはシミュレーションまたは他のプロセスによって最適化されたとおりの他のさらにもっと複雑な超構造回折格子を備えることができる。
これらの特徴および利点ならびに他の特徴および利点が、本明細書および図面から、当業者にとって明らかであろう。
図１は、２３５０ｃｍ−１の付近のＣＯ２の吸収スペクトルである。
図２は、グルコースの吸収スペクトルである。
図３は、いくつかの一般的な爆発物の吸収スペクトルである。
図４は、一体化された回折格子にもとづくチューニングの可能性ならびに出力および波長の監視を有する異種混成カスケードステージで製作された活性コアを有する中赤外ＱＣＬを備える実施形態である。
図５は、図４の実施形態の波長弁別器の反射または透過フィルタの望ましい光学フィルタ関数である。
図６は、４つの異なる波長ピーク／中心波長を有する４つの異なるスタック設計による異種混成カスケードスタックの典型的な増幅自然スペクトルである。
図７は、２つの異なる波長ピーク／中心波長を有する２つの異なるスタック設計による異種混成カスケードスタックで製作された長波長広利得チップを備える回折格子チューニング型外部共振器レーザについて、典型的なパルスレーザ発振波長依存のピーク出力である。
図８は、７つのインターリーブ抽出格子で製作された超構造格子（ＳＳＧ）の構造の一部分を図の上部に示し、１４ｃｍ−１のくし間隔を有する格子の計算による反射率スペクトルをさらに示している。
図９Ａは、くし形回折格子反射器によるＶｅｒｎｉｅｒにもとづくチューニングの説明である。図９Ｂは、くし形回折格子反射器によるＶｅｒｎｉｅｒにもとづくチューニングの説明である。
図１０Ａは、直接注入によって得られた時間分解されたチューニング効果の結果であり、電流オンの事象を示している。 図１０Ｂは、直接注入によって得られた時間分解されたチューニング効果の結果であり、電流オフの事象を示している。
図１１Ａは、マイクロヒータによって得られた時間分解されたチューニング効果の結果であり、電流オンの事象を示している。 図１１Ｂは、マイクロヒータによって得られた時間分解されたチューニング効果の結果であり、電流オフの事象を示している。
図１２は、前側および後ろ側の回折格子へのＤＣ電流をそれぞれ０から１４０ｍＡまで１０ｍＡ刻みで体系的かつ個別に変化させることによって図４のデバイスと同様のデバイスから得られた２２５（１５×１５）回の走査からなるスペクトルである。
以下の詳細な説明、図面、実施例、および特許請求の範囲、ならびにそれぞれの先の説明および以降の説明を参照することで、本発明をより容易に理解することができる。しかしながら、本発明の組成、物品、デバイス、および方法を開示し説明する前に、本発明が、特に指定されない限り、開示される特定の組成、物品、デバイス、および方法に限定されず、したがって当然ながらさまざまであってよいことを、理解すべきである。さらに、本明細書において用いられる用語が、あくまでも特定の態様を説明する目的のためのものに過ぎず、本発明を限定しようとするものではないことも、理解すべきである。
本発明の以下の説明は、本発明を現時点において知られる実施形態にて実施可能にする教示として提示される。この目的のため、本明細書に記載される本発明の種々の態様について、本明細書の有益な結果を依然として得ながら、多数の変更を行うことができることを、当業者であれば認識および理解できるであろう。また、他の特徴を利用することなく、本発明の特徴のうちの一部を選択することによって、本発明の望ましい利点のうちの一部を得ることができることは、明らかであろう。したがって、当業者であれば、本発明について多数の改良および調整が可能であり、特定の状況においてはそのような改良および調整が望ましいかもしれず、そのような改良および調整が本発明の一部であることを、理解できるであろう。このように、以下の説明は、本発明の原理の例示として提示されており、本発明を限定するものとして提示されているわけではない。
開示される方法および組成物の実施形態のために使用することができ、それらの実施形態とともに使用することができ、それらの実施形態の準備に使用することができ、あるいはそれらの実施形態である材料、化合物、組成物、およびコンポーネントが開示される。これらの材料および他の材料が本明細書に開示され、そのような材料の組合せ、サブセット、相互作用、群、などが開示されている場合、それらの化合物の種々の個別的および包括的な組合せおよび置換のそれぞれの具体的な言及は明示的には開示されていないかもしれないが、各々が本明細書において具体的に想定および説明されていると理解される。すなわち、置換要素Ａ、Ｂ、およびＣからなる集合ならびに置換要素Ｄ、Ｅ、およびＦからなる集合が開示され、組合せの実施形態の例Ａ−Ｄが開示されている場合、各々が個別的および総括的に想定されている。すなわち、この例においては、組合せＡ−Ｅ、Ａ−Ｆ、Ｂ−Ｄ、Ｂ−Ｅ、Ｂ−Ｆ、Ｃ−Ｄ、Ｃ−Ｅ、およびＣ−Ｆの各々が具体的に想定されており、「Ａ、Ｂ、および／またはＣ；Ｄ、Ｅ、および／またはＦ」ならびに例としての組合せＡ−Ｄが開示されていると見なされるべきである。同様に、これらの任意のサブセットまたは組合せも、具体的に想定され、開示されている。すなわち、例えば、Ａ−Ｅ、Ｂ−Ｆ、およびＣ−Ｅからなる部分群が具体的に想定されており、「Ａ、Ｂ、および／またはＣ；Ｄ、Ｅ、および／またはＦ」という開示ならびに例としての組合せＡ−Ｄの開示から、開示されていると見なされるべきである。この考え方は、これらに限られるわけではないが、組成物のあらゆる成分ならびに開示の組成物の作成および使用の方法におけるあらゆる工程など、本開示のすべての態様に当てはまる。すなわち、実行可能な種々の追加の工程が存在する場合、それら追加の工程の各々を、開示される方法の任意の特定の実施形態または実施形態の組合せとともに実行することができ、そのような組合せの各々が具体的に想定され、開示されていると見なされるべきであると理解される。
本明細書および以下の特許請求の範囲において、いくつかの用語への言及がなされるが、それらは以下の意味を有すると定義されるべきである。
「含む」または同様の用語は、「・・・を包含するが、それ（それら）に限られない」という意味であり、すなわち包含を意味し、排他を意味しない。
用語「約」は、特に述べられない限り、その範囲内のすべての条件を指す。例えば、約１、２、または３は、約１、約２、または約３と等価であり、約１〜３、約１〜２、および約２〜３をさらに含む。組成物、コンポーネント、成分、添加物、および同様の態様、ならびにこれらの範囲について開示される特定の好ましい値は、あくまでも例示のためのものに過ぎず、他の定められた値または定められた範囲内の他の値を排除するものではない。本発明の組成物および方法は、本明細書に記載の値、特有の値、より特有の値、および好ましい値のうちの任意の値または任意の組合せを有する組成物および方法を含む。
本明細書において使用されるとき、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」ならびに対応する定冠詞「ｔｈｅ」は、特に指定されない限り、少なくとも１つまたは１つ以上を意味する。
本明細書において使用されるとき、「超格子」は、量子井戸閉じ込めおよびバンド間、または典型的には、一般的にサブバンド間遷移を生じさせる異なるバンドギャップを有する少なくとも２つの半導体材料を含む（例えば、ここでの言及によってその全体が本明細書に援用される米国特許出願第１３／６６１，５５９号を参照）。少なくとも２つの半導体材料の厚さは、格子内で変化してもよく、あるいは一定の厚さであってもよい。材料の厚さが変化する場合、線形または非線形の様相で変化してもよい。
本明細書において使用されるとき、「ステージ」は、電子が注入領域から活性部分へ遷移することを可能にする超格子によって形成された一連の量子井戸を含み、１つ以上のバンド間またはサブバンド間遷移によってレーザ発振を生じさせるように構造付けられている活性部分を有する。個々のステージの構造が、一般に、きわめて狭い波長範囲におけるレーザ発振を生じる。スタックは、積み重ねの構成にて配置された複数のステージを含む。本明細書において使用されるとき、「異種混成量子カスケード」は、複数のスタックを含み、異なるスタックからのステージは同一でなく、すなわち異なる中心周波数のレーザ発振をそれぞれ生じさせる少なくとも２つの異なるステージ構造が存在する。「活性領域」または「コア」は、少なくとも１つのスタックで構成され、発光を生じさせるレーザの領域を表すために使用される。
図４に概略的に示される実施形態は、きわめて広くかつきわめて有用な中赤外波長範囲をカバーするモノリシックかつチューニング可能な中赤外レーザ源２０を備える。モノリシックかつチューニング可能な中赤外レーザ源２０は、少なくとも１０％、より望ましくは少なくとも３０％、さらには５０％という中心波長に対して正規化された幅をは有するのが好ましく、対象の大型の分子を検出するために約３μｍ〜約１４μｍの領域に充分に位置する波長（例えば、１つの選択肢としての実施形態によれば、６〜１０μｍに位置する）をカバーする。レーザチップ３０のコアまたは利得領域３２が、随意の位相制御領域３４および少なくとも１つの回折格子構造３６、３８（望ましくは２つであり、必ずしも必要ではないが望ましくはレーザの両端に位置する）と同じチップ３０上に一体化された、１つ以上異種混成のカスケードステージ（後述）のスタックを備える（図示のレーザでは、回折格子が両端に位置しており、回折格子３６が前側の回折格子として配置され、回折格子３８が後ろ側の回折格子として配置されている）。望ましくは、異なる中心波長を有する少なくとも２つの異なるスタックの設計（後述）が存在し、あるいは望ましくはさらに広い波長のチューニングのために、３つ以上の異なるスタックの設計が存在する。
回折格子３６、３８は、望ましくは抽出回折格子（ｓａｍｐｌｅｄ ｇｒａｔｉｎｇ）またはインターリーブ抽出回折格子（ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ ｓａｍｐｌｅｄ ｇｒａｔｉｎｇ）であってよく、あるいは最も好ましくは、回折格子は、超構造回折格子である。望ましくは、２つの回折格子は各々、くし状構造反射関数を有するが、Ｖｅｒｎｉｅｒチューニングの使用のための協働に向けて最適化された互いに異なるくし間隔を有する。各々の回折格子を別個独立にチューニングするために、望ましくは、マイクロヒータ５０が設けられ、あるいは直接注入電極５２が設けられ、もしくはこれらの組合せが設けられる。さらに、回折格子チューニングは、望ましくは、チューニング範囲の全体にわたる連続的なチューニングの可能性を生み出す（すき間がなく、すなわち対応できない波長が存在しないチューニング範囲を生み出す）ように、両方の回折格子のための外部のコントローラ（あるいは随意により、パッケージ内部のコントローラ（図示されていない））によって同時に制御される。実施形態において、そのような連続的なチューニングの可能性を有するために、２つの一体化された分布帰還型回折格子（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｇｒａｔｉｎｇｓ）が、２つのくし間隔のうちの大きい方に少なくとも等しい範囲にわたってそれぞれ独立してチューニング可能であることが望ましい。
レーザ２０は、望ましくは、出力および波長監視装置を内部または表面に備えるパッケージ筐体２００または基板を有する。図４に示される実施形態においては、レンズ４０が、水平方向の矢印によって表される、レーザチップ３０から出てくる放射を通過させて平行にし、あるいは集中させる。２つの低反射率の部分反射ミラー４２、４４が、放射の一部を、下向きの矢印によって表されるように、フォトダイオード５４などの出力センサおよび波長弁別器５６（ここでは、波長選択性反射器５８および第２のフォトダイオード６０などの第２の出力センサの形態である）へと向け直す。反射器５８を、例えば対象の波長範囲を通じて単調減少（あるいは、単調増加）のＲ（ＲｍｉｎからＲｍａｘへ）を有する図５に示されるフィルタ関数などのフィルタ関数を有するように設計または選択することができる。第１のフォトダイオードの出力が、レーザからの出力の読み取りをもたらす一方で、検出される出力の２つのレベルを比較することで、波長の簡単かつ直接的な検出が可能である。広帯域の反射防止コーティング４６が、望ましくは、ファブリーペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）モードを抑えるために、図４に示されるようにモノリシックなレーザチップ３０の端部に設けられる。検出のためのリード線ＬＳおよび制御のためのリード線ＬＣが、望ましくは、デバイスにおいて生じる熱から制御回路を絶縁する外部の検出、電源、および制御回路との使用のために、パッケージ２００の外部へと通じる。能動的な熱電冷却（図示されていない）が、望ましくはパッケージ内に適用される。
上述のように、広利得コアは、異種混成の構造または設計を有する複数のステージからなる１つ以上のスタックを備え、各々のステージが、特定の中心波長およびその周囲の波長を増幅／放射するように設計されている。望ましくは、それぞれの異なるスタックによってもたらされる少なくとも２つまたは３つ、あるいは３つよりも多くの異なるピーク利得波長が存在する。異なるピークが実質的に組み合わさり、広い光学利得の範囲が生み出される。例えば、図６に、増幅された自然の放射が、波長（単位は、マイクロメートル）の関数として、任意単位にて示されている（このＱＣＬチップを備える回折格子チューニングによる外部共振器レーザにおいて、約３．８〜４．８μｍの波長範囲におけるレーザ発振が、図６の例においては中心波長の約２２．３％の範囲をカバーしている）。図６においてＳ１〜Ｓ４と標記された種々のスタックの波長ピークが組み合わさり、全体としての利得曲線Ｔとなる（中心波長の付近の出力の落ち込みは、この例が外部共振器レーザにおいて試験された広利得コアであるがゆえのＣＯ２の吸収に起因している）。２つの異なるピーク利得波長だけを有するスタックを備えるより長波長のコアから生み出された実験的レーザ発振の結果が、図７に示されている（この場合には、波長（単位は、マイクロメートル）の関数としてのピーク出力（単位は、ミリワット）の図であり、約３５０ｃｍ−１（中心波長の３１．６％）の波数範囲について、８μｍのすぐ上方から１１μｍのすぐ下方まで広がる波長範囲をもたらしており、この手法の有望さを示している（なお、最も好ましい現在の実施形態のために、異なるピーク波長の数を増やすことおよびチューニング範囲を広くすることが考えられる））。
上述のように、意図される実施形態においては、現時点において好まれるとおり、Ｖｅｒｎｉｅｒチューニングのために、ペアの超構造回折格子が最も望ましく、わずかに異なる周期を持つ周期的なくし状の反射関数を有する前側および後ろ側の回折格子を備える。交互配置された７つの異なる抽出回折格子を有している典型的な超構造回折格子の設計が、図８の上部に示されており、計算による反射応答曲線が、グラフの下部に示されている。結果としての反射曲線は、約１０００ｃｍ−１から約１６６７ｃｍ−１まで延び、あるいは約６から１０μｍまで延びているくしである。平坦さを、モデル化およびモデルにもとづく設計の調節によってさらに改善できると期待される。
Ｖｅｒｎｉｅｒチューニングの原理が、図９Ａおよび９Ｂに示されている。２つの回折格子が、図示のとおりの周期的な反射のくしを有する（黒塗りの縦棒によって、横軸上の波数の関数として表されている）。図示のように、他方の回折格子よりもわずかに小さいくし間隔Ｓを有している１つの回折格子および他方のくしよりもわずかに大きいくし間隔Ｌを有している１つの回折格子が、図４のＱＣＬレーザのための前側および後ろ側の反射器として一緒に使用される。図９Ａに示されるとおり、間隔が大きい方の回折格子を加熱（ヒータまたは電流注入による）することで、この回折格子の反射のくしＬが低い波数の方へと押され（間隔が大きい方の回折格子の反射率の棒が、白抜きで描かれている棒の位置へと、小さな矢印によって示されているように左側へと移動する）、整列Ａ１から整列Ａ２への移行によって示されるとおり、２つの回折格子の間の整列が、小さい方のくしのより高い波数のピークへと順に生じ、波数の増加へと向かうチューニングが生じる。図９Ｂに同様に示されているように、小さい間隔の回折格子を加熱すると、この回折格子の反射のくしＳが低い波数の方へと押され、整列Ａ３から整列Ａ４への移行によって示されるとおり、整列が大きい方のくしのより低い波数のピークへと順に生じ、波数の減少へと向かうチューニングが生じる。上方または下方へのチューニング時に、順次の整列の間のすき間へのチューニングは、両方の回折格子を所望の正確な波数（波長）へと移動するように協調して加熱することによって対処される。２つの回折格子を、２つのくしの間隔ＳおよびＬのうちの大きい方に少なくとも等しい範囲にわたってそれぞれ独立にチューニングできるならば、チューニング範囲の外側境界の範囲内のすべての周波数がチューニング可能なはずである。
チューニングを、望ましくは、ＤＢＲ回折格子への直接注入またはマイクロヒータの使用によって達成することができる。図１０Ａおよび１０Ｂが、注入において得られたいくつかの結果を示しており、電流オンの事象が図１０Ａに示され、電流オフの事象が図１０Ｂに示されており、グラフの線は、波数（単位は、ｃｍ−１）を時間（単位は、マイクロ秒）の関数として示している。各々の図において、一番上の線は、５０ｍＡの電流についての線であり、下方の線は順に、１００ｍＡ、１５０ｍＡ、および１８０ｍＡについての線である。図１１Ａおよび１１Ｂは、マイクロヒータによってチューニングされるＤＢＲについて、同じ試験および線を示している。図から見て取ることができるとおり、応答時間は、２つの手法において同じくらいである（どちらも比較的高速である）。マイクロヒータの方が少し広いチューニング範囲を示しており、それゆえに潜在的に望ましいかもしれない。
異種混成の量子カスケード活性領域を少なくとも第１のチューニング可能な一体化された分布帰還型回折格子とともに備え、望ましくはさらに第２のチューニング可能な一体化された分布帰還型回折格子とともに備え、これらの回折格子が望ましくは互いにレーザの両端部に配置されている図４のレーザなどのモノリシックかつチューニング可能な中赤外レーザを特徴付ける方法が、レーザの出力の波長を検出およびマッピングする一方で、第２の回折格子の反射率関数を一定に保持しつつ、第１の回折格子をそのチューニング範囲の全体にわたってチューニングしながらレーザを動作させ、次いで第１の回折格子の反射率関数を一定に保持しつつ、第２の回折格子をそのチューニング範囲の全体にわたってチューニングしながらレーザを動作させることを含むことができる。そのような実験の結果が、図１２に示されており、図１２は、前側および後ろ側のＳＧ（抽出回折格子）ＤＢＲ部分へと供給されるＤＣ電流をそれぞれ０から１４０ｍＡまで１０ｍＡ刻みで体系的に変化させることによって得られた２２５（１５×１５）回の走査からなるスペクトルの形態にて、抽出回折格子（ＳＧ）ＤＢＲ ＱＣレーザについての結果を示している。この実験は、格子の性能はスペクトルの全域にわたって過度に一様ではないが、Ｖｅｎｉｅｒチューニング技術によって利用することができる広いチューニングの可能性を示している。超構造回折格子が、通常は、性能の改善のためにより望ましく、スペクトルを一様にするための代案として好ましいと考えられる。
図４のレーザなどのモノリシックかつチューニング可能な中赤外レーザの１つの有益な動作方法も、図１２に関連して理解することができる。出力波長を指令および制御するためにレーザの予測的な特徴付けに頼るよりもむしろ、レーザを、単純に、順次的な掃引またはより複雑なパターンのいずれかにて、レーザの範囲内の種々の周波数を通って動作させることができる。例えば、わずかな変化とともに繰り返される図１２に示したチューニングによって生み出されるパターンが、比較的高い分解能で対処可能な波長範囲のすべてを迅速にカバーすることができる。次いで、波長依存性の応答の検出を、応答を生じさせている波長の検出と並行して進めることができ、したがって生成される波長の厳密な予測制御が不要になり、制御システムの要件を大幅に軽減できる可能性がある。
このデバイスは、空気中のＣＯ２の少なくとも１つの吸収線を検出し、あるいは空気中の他の有力な気体の吸収線を検出し、もしくはパッケージ筐体内に含まれる基準気体サンプルの少なくとも１つの吸収線を検出することによる較正の方法を使用することもできる。
製造の方法は、ＤＦＢ ＱＣＬに伝統的に用いられる製造プロセスと同様の製造プロセスの使用を含むことができる。本明細書の実施形態は、チューニング可能なＥＣ ＱＣＬを、寸法がより小さく、速度がより速く、コストがより低いデバイスで機能的に置き換えることができる点で、好都合である。さらに、実施形態は、ＤＦＢ ＱＣＬアレイに対するサイズおよびコストの利点も有する。なぜならば、ＤＦＢ ＱＣＬアレイは、典型的には、アレイの出力を１つの光ビームへと光学的に結合させる結合光学系を必要とするからである。
実施形態は、超格子を形成する少なくとも２つの組成が同一ではない層を備える利得材料を含むことができる。層の厚さの適切な設計により、レーザ発光を達成するために必要なシステム内の２つのサブバンドの間の反転分布を作成することが可能である。層の厚さは、同一であっても、所望の設計に応じて異なってもよい。いくつかの実施形態において、層は、約１Åから約５００Åの厚さを有する。いくつかの実施形態において、層は、約１０Åから約１００Åの厚さを有する。いくつかの実施形態において、層は、約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、または５００Åの厚さを有する。
利得材料の層の形成に使用することができる材料は、一般に、ＩＶ族、ＩＩＩ−Ｖ族、およびＩＩ−ＶＩ族の半導体などの半導体を含む。いくつかの実施形態において、層は、ＧａＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＳｉｘＧｅ１−ｘ、あるいはＧａｘＩｎ１−ｘＡｓおよびＡｌｙＩｎ１−ｙＡｓを含むことができ、ここでｘおよびｙは、０〜１である。
超格子利得材料を、例えば分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）（ガスソースＭＢＥおよびＭＯ−ＭＢＥを含む）、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）、またはスパッタリングなど、さまざまな技術を使用して生成することができる。これらの方法は、わずか数個の原子の間隔の厚さを有する層の生成を可能にする。
実施形態は、光導波路をさらに含むことができる。光導波路は、本明細書において用いられるとき、光スペクトル内の電磁波を案内する物理的構造を含む。いかなる特定の種類の導波路にも限定されないが、広く用いられている光導波路の一種類は、リッジ導波路である。リッジ導波路は、量子カスケード利得材料に平行なトレンチをエッチングして、必須ではないが典型的には約４〜１５μｍの幅および数ｍｍの長さ（長さは、通常は劈開によって定められる）の絶縁されたＱＣ材料の帯を生成することによって生み出される。横モード閉じ込めを、トレンチに誘電材料を堆積させることによって達成することができ、次いで、電気コンタクトの提供および発光時のリッジから熱を除去するのを支援のために、リッジ全体が、典型的には、金でコーティングされる。さらに一般的には、横モード閉じ込めは、レーザがＩｎＰ基板上に成長させられている場合、ＩｎＰなどの半絶縁性材料をトレンチ内に成長させることによって達成される。光は、導波路の劈開端から放射される。
実施形態は、反射防止または無反射（ＡＲ）層をさらに含むことができる。本明細書において使用されるとき、ＡＲ層は、デバイスの少なくとも１つの端部（面）に施され、特にＩＲ領域における反射を軽減する光学的なコーティングを含む。ＡＲ層は、屈折率整合、単層干渉、多層干渉、またはモスアイ（ナノ構造化）など、任意の種類であってよい。いくつかの実施形態において、ＡＲコーティングは、約１０％、５％、４％、３％、２％、１％、０．５％、０．１％、０．０１％、または０．００１％未満の損失、あるいは０％の損失をもたらす。
回折格子を、電子ビーム（「ｅ−ビーム」）書込み、ｅ−ビームリソグラフィで作製された回折格子マスクのコンタクトプリンティング、またはホログラフィによって、パターン形成することができる。
実施形態に見ることができる別のコンポーネントとして、利得材料の上方および／または下方の両方のｎ型クラッド層が挙げられる。活性利得部分および波長選択部分に、種々のレーザ部分に専用のそれぞれの制御電極を備えるパターン形成された電気コンタクト層を被せることができる。レーザ構造の個々の領域を電気的に分離するために、パターン形成された電気コンタクト層の適切な領域に、絶縁誘電体材料を付着させることができる。
典型的な実施形態において、レーザ発振部分は、ここでの言及によってその全体が本明細書に援用される米国特許出願第１３／０５０，０２６号に記載のように、ｐ型の電気絶縁領域によって隔てられる。例えば、活性導波路コアを、上側および下側のｎ型クラッド層の間に挟むことができる。上側のクラッド層の少なくとも一部だけでなく、活性コアおよび下側のｎ型クラッド層が、実施形態の電気的に絶縁されたレーザ部分を通って延びる。上側のｎ型クラッド層の一部分は、実施形態の各部分を隔てる投影に沿って上側のｎ型クラッド層の厚さの一部分を横切って延びるｐ型の電気絶縁領域を定めるために、充分なｐ型ドーパントを含む。上側および下側のｎ型クラッド層は、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、あるいは任意の他の伝統的または未だ開発されていない適切なクラッド層材料を含むことができる。例えば、これらに限られるわけではないが、ＩＩ−ＶＩ族の半導体、Ｓｉ−ＧｅまたはＧａＮを主体とする材料、など、さまざまなクラッド層材料が適し得ると考えられる。
ｐ型の絶縁領域を実現するには多様なやり方が存在する。とりわけ、選択成長、イオン注入、およびｐ型ドーパントの拡散がある。最後の選択肢が選ばれる場合、上側および下側のｎ型クラッド層ならびに利得材料のそれぞれの組成を、ドーパントの拡散によるｐ型電気絶縁領域の形成を容易にするように選択することができる。さらに詳しくは、上側および下側ｎ型クラッド層はＩｎＰを含むことができ、ｐ型ドーパントを、ＩｎＰ上側ｎ型クラッド層における最大安定濃度がほぼｎ×１０１８ｃｍ−３（ここで、ｎは３未満である）を下回るように選択することができる。
レーザ発振部分を絶縁する別の方法は、ｎ型クラッド層の高ドープ部分の除去を含む。
これに限られるわけではないが、例として、別の方法として、上側および下側のｎ型クラッド層を、ＧａＡｓを主体とするクラッド層とすることができることが考えられる。クラッド層のいくつかは、単純なＧａＡｓまたはＩｎＰの代わりに、ＡｌＧａＡｓまたは（Ａｌ）ＧａＩｎＰであってよい。ＧａＡｓを主体とするクラッド層において、コアは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、（Ａｌ）ＧａＩｎＰ／（Ａｌ）ＧａＩｎＰ、またはＧａＩｎＡｓ／（Ａｌ）ＧａＡｓであってよい。同様の組成の追加の層が、構造の残りの層について考えられ、ＧａＩｎＡｓおよびＧａＡｓ基板の間に存在し得る回折格子不整合を補償するように選択されるべきである。例えば、これらに限られるわけではないが、他の考え得る層は、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰ、およびＧａＩｎＡｓＰである。ＧａＡｓを主体とするクラッド層において、（Ａｌ）ＧａＡｓを半絶縁性にするために使用される適切なドーパントとして、これらに限られるわけではないがＣｒおよびＯが挙げられる。きわめて低い温度の成長において、半絶縁性の（Ａｌ）ＧａＡｓを、ドーパントを必要とせずに得ることができる。
本明細書の実施形態は、望ましくはパルスモードで使用されるが、いくつかの用途においては、連続波モードが有用かもしれない。レーザのパルスの継続時間は、約１ｎｓから約１ｍｓであってよい。いくつかの実施形態において、ＦＷＨＭにおけるパルス幅は、約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、または１ｍｓである。いくつかの実施形態において、本明細書に具現化されるデバイスを、すべてのレーザ部分が同時に、個々に、さらには／あるいは順次またはプログラムされた順序で、レーザ発振するように設計することができる。
実施形態を、ＩＲ放射（特に、ＩＲレーザ放射）が好都合であると考えられるいくつかの任意の方法において使用することができる。特定の用途として、ＩＲ吸光度または反射率の測定、ＩＲおよびＦＴＩＲ分光、ラマン分光、ガスおよび／または化学兵器検出、化学動力学および反応速度論の測定、熱実験、などが挙げられる。一実施形態において、実施形態は、分子組成を同定するためのＩＲ吸光度測定に用いられる。

Claims (31)

  1. 異種混成量子カスケード活性領域を、少なくとも第１の一体化された分布帰還型回折格子とともに備えている
    ３〜１４μｍの範囲内の波長を有するモノリシックかつチューニング可能な中赤外レーザ。
  2. 前記異種混成量子カスケード活性領域は、少なくとも２つのスタックを備えており、各スタックは、異なるステージを備えている
    請求項１に記載のレーザ。
  3. 前記異種混成量子カスケード活性領域は、少なくとも３つのスタックを備えており、各スタックは、異なるステージを備えている
    請求項１に記載のレーザ。
  4. 前記第１の分布帰還型回折格子のブラッグ波長は、チューニング可能である
    請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ。
  5. 前記第１の分布帰還型回折格子のブラッグ波長は、マイクロヒータによって熱的にチューニングされる
    請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ。
  6. 前記第１の分布帰還型回折格子に、前記第１の分布帰還型回折格子への電流注入のためのコンタクトが与えられている
    請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ。
  7. 前記第１の回折格子とは独立してチューニングすることができる第２のチューニング可能な一体化された分布帰還型回折格子をさらに備え、
    前記第１および第２の回折格子は、くし状の回折格子であり、それぞれの非同一な第１および第２のくし間隔を有している
    請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ。
  8. 前記第１および第２の一体化された分布帰還型回折格子は、前記それぞれの第１および第２のくし間隔のうちの大きい方の間隔に少なくとも等しい範囲にわたって、それぞれ独立してチューニング可能である
    請求項７に記載のレーザ。
  9. 少なくとも前記第１の一体化された分布帰還型回折格子は、抽出回折格子を備えている
    請求項１〜８のいずれかに記載のレーザ。
  10. 少なくとも前記第１の一体化された分布帰還型回折格子は、インターリーブ抽出回折格子を備えている
    請求項１〜８のいずれかに記載のレーザ。
  11. 少なくとも前記第１の一体化された分布帰還型回折格子は、超構造回折格子を備えている
    請求項１〜８のいずれかに記載のレーザ。
  12. 中心波長の少なくとも１０％というチューニング可能な出力範囲を有している
    請求項４〜１１のいずれかに記載のレーザ。
  13. 中心波長の少なくとも２０％というチューニング可能出力範囲を有している
    請求項４〜１１のいずれかに記載のレーザ。
  14. 中心波長の少なくとも３０％というチューニング可能出力範囲を有している
    請求項４〜１１のいずれかに記載のレーザ。
  15. 中心波長の少なくとも４０％というチューニング可能出力範囲を有している
    請求項４〜１１のいずれかに記載のレーザ。
  16. 中心波長の少なくとも５０％というチューニング可能出力範囲を有している
    請求項４〜１１のいずれかに記載のレーザ。
  17. 少なくとも６〜１０μｍというチューニング可能波長範囲を有している
    請求項４〜１１のいずれかに記載のレーザ。
  18. 少なくとも８〜１１μｍというチューニング可能波長範囲を有している
    請求項４〜１１のいずれかに記載のレーザ。
  19. 少なくとも３．７〜４．７μｍというチューニング可能波長範囲を有している
    請求項４〜１１のいずれかに記載のレーザ。
  20. 少なくとも５〜８μｍというチューニング可能波長範囲を有している
    請求項４〜１１のいずれかに記載のレーザ。
  21. 前記異種混成量子カスケード活性領域および少なくとも前記第１の一体化された分布帰還型回折格子を収容しているパッケージ筐体をさらに備え、
    前記パッケージ筐体は、当該レーザから出力される波長を監視するための波長監視装置をさらに収容している
    請求項４〜２０のいずれかに記載のレーザ。
  22. 前記波長監視装置は、波長弁別器および出力監視器を備えている
    請求項２１に記載のレーザ。
  23. 前記波長弁別器は、透過型または反射型の波長選択フィルタと、第２の出力監視器とを備えている
    請求項２２に記載のレーザ。
  24. ファブリーペローレーザ発振モードを抑制するための広帯域の反射防止コーティングを有する面をさらに備える
    請求項１〜２３のいずれかに記載のレーザ。
  25. 異種混成量子カスケード活性領域を少なくとも第１および第２のチューニング可能な一体化された分布帰還型回折格子とともに備えているモノリシックかつチューニング可能な中赤外レーザを特徴付ける方法であって、
    前記第２の回折格子の反射率関数を一定に保持しつつ、前記第１の回折格子を前記第１の回折格子のチューニング範囲の全体にわたってチューニングしながらレーザを動作させるステップと、その後に前記第１の回折格子の反射率関数を一定に保持しつつ、前記第２の回折格子を前記第２の回折格子のチューニング範囲の全体にわたってチューニングしながらレーザを動作させるステップとを含む
    方法。
  26. チューニングしながら動作させる両ステップと同時に、レーザの出力の波長を検出するステップをさらに含む
    請求項２５に記載の方法。
  27. 異種混成量子カスケード活性領域を少なくとも第１および第２のチューニング可能な一体化された分布帰還型回折格子とともに備えているモノリシックかつチューニング可能な中赤外レーザを較正する方法であって、
    空気中のＣＯ２の少なくとも１つの吸収線を検出するステップを含む
    方法。
  28. 異種混成量子カスケード活性領域を少なくとも第１および第２のチューニング可能な一体化された分布帰還型回折格子とともに備えているモノリシックかつチューニング可能な中赤外レーザを較正する方法であって、
    パッケージ筐体内に含まれる基準気体サンプルの少なくとも１つの吸収線を検出するステップを含む
    方法。
  29. 異種混成量子カスケード活性領域を少なくとも第１および第２のチューニング可能な一体化された分布帰還型回折格子とともに備えているモノリシックかつチューニング可能な中赤外レーザを動作させる方法であって、
    レーザをチューニング信号の入力の全範囲にわたって動作させつつ同時に、出力波長および、もし存在するならば波長依存性の応答を検出するステップを含む
    方法。
  30. モノリシックかつチューニング可能な中赤外レーザを動作させる方法であって、
    レーザを自身の範囲内の種々の周波数にわたって動作させつつ同時に、ａ）サンプルまたは他の物質をビームに曝し、ｂ）前記サンプルまたは他の物質の波長依存性の応答を検出し、ｃ）前記応答を生成している波長を検出するステップを含む
    方法。
  31. 前記レーザを自身の範囲内の種々の周波数にわたって動作させるステップは、前記レーザの周波数を自身の周波数範囲の少なくとも一部にわたって掃引するステップを含む
    請求項３０に記載の方法。
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