KR20140112071A - 캐스케이드 스테이지로 이루어진 액티브 코어를 구비한 중적외선 다중파장 연결 분포-궤환형 레이저 - Google Patents

캐스케이드 스테이지로 이루어진 액티브 코어를 구비한 중적외선 다중파장 연결 분포-궤환형 레이저 Download PDF

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펭 시에
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Abstract

직렬로 배치된 다수의 레이저 섹션들을 갖춘 연결 분포 궤환형 레이저가 개시된다. 상기 연결 분포 궤환형 레이저는 중적외선 영역에서의 광학 이득을 생성하기 위해 양자 캐스케이드 코어 디자인을 이용하고, 동시에 또는 순차적으로 몇몇 파장을 생성한다. 또한, 그와 같은 장치를 이용하는 방법에 따른 제조 방법이 개시된다.

Description

캐스케이드 스테이지로 이루어진 액티브 코어를 구비한 중적외선 다중파장 연결 분포-궤환형 레이저{Mid-IR multiwavelength concatenated distributed-feedback laser with an active core made of cascaded stages}
본 출원은 35 U.S.C.§119 하에 2012년 1월 13일 출원된 미국 가출원 제61/586,327호를 우선권 주장하고 있으며, 상기 특허 문헌의 내용은 참조를 위해 본 발명에 모두 포함된다.
일반적으로, 본 발명은 반도체-기반 레이저에 관한 것으로, 특히 동시에 또는 순차적으로 몇개의 파장을 생성하기 위해 캐스케이드 스테이지로 이루어진 액티브 코어를 갖춘 중적외선 영역의 분포 궤환형 레이저에 관한 것이다. 또한, 그와 같은 장치의 제조 및 이용 방법이 개시된다.
분포 궤환형(DFB) 레이저들은 이러한 레이저의 액티브 영역에 회절격자를 통합시키는 고체 상태 다이오드 레이저 기술이다. 그러한 DFB 디자인은 온도 변화를 통해 약간 조정될 수 있는 안정한 단일 파장의 방출을 가능하게 한다. 상기 DFB 레이저는 장치의 정확하면서 안정한 파장이 필요한 광통신 애플리케이션에 폭넓게 사용되고 있다. 그러나, 그러한 DFB 레이저의 제한된 조정성은 다수의 문제를 제공함과 더불어 다른 분야에서 그러한 장치의 전체적인 효용성을 제한한다. 이는 그러한 DFB 레이저의 강도가 광범위한 파장 범위에 걸쳐 확장될 수 있다면 적외선 대응, 가스 감지, 통신, 및 다른 애플리케이션과 같은 분야에 장점이 될 수 있다.
본 발명은 동시에 또는 순차적으로 몇개의 파장을 생성하기 위해 캐스케이드 스테이지로 이루어진 액티브 코어를 갖춘 중적외선 영역의 분포 궤환형 레이저, 및 이와 같은 장치의 제조 및 이용 방법을 제공하기 위한 것이다.
제1실시예는 초격자를 형성하는 적어도 2개의 구성적으로 동일하지 않은 층들을 포함하는 이득 재료; 반사방지 재료로 코팅된 2개의 단부를 포함하는 광도파로; 및 직렬로 배치된 적어도 2개의 레이저 섹션(또는 레이징 섹션)을 구비하는 레이저를 포함하며, 격자는 비등가 주기 또는 브래그 파장을 가지며, 상기 레이저 섹션은 전기적 격리영역에 의해 분리된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 이득 재료는 인터서브밴드 전이(intersubband transition)에 의해 광자를 생성한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 레이저 섹션은 n-클래딩층의 높게 도핑된 부분의 제거에 의해 또는 n-클래딩층에 p형 층을 포함하는 전기적 격리영역에 의해 분리된다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 레이저 섹션의 적어도 하나로부터의 방출 파장은 약 2.5 mm 내지 약 15 mm이다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 초격자의 적어도 하나의 층은 GaxIn1 - xAs를 포함하며, 여기서 x는 0 내지 1이다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 초격자의 적어도 하나의 층은 AlyIn1 - yAs를 포함하며, 여기서 y는 0 내지 1이다. 다른 실시예에 있어서, 액티브 영역은 적어도 3개의 액티브 스택을 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 레이저 섹션은 펄스 모드로 레이징(lasing)한다. 몇몇 실시예에 있어서, 레이저 펄스 주기는 약 10 ns 내지 약 1 ms이다. 다른 실시예에 있어서, 레이저 섹션은 연속 모드로 레이징한다. 몇몇 실시예에 있어서, 모든 레이저 섹션이 동시에 화이어(fire)된다. 몇몇 실시예에 있어서, 레이저 섹션이 순차적으로 화이어된다.
제2실시예는 제1실시예로부터의 적어도 하나의 레이저 결과를 샘플에 적용하는 단계; 및 광이 상기 샘플과 상호작용된 후 상기 광의 적어도 일부를 수집하는 단계를 구비하는 샘플로부터 출력된 신호를 검출하는 방법을 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 레이저 파장은 중적외선 영역에 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 광의 수집은 샘플의 중적외선 흡수율에 대한 정보를 제공한다. 몇몇 실시예에 있어서, 샘플은 가스 또는 액체 상이다. 몇몇 실시예에 있어서, 광의 수집은 샘플의 중적외선 반사율에 대한 정보를 제공한다. 몇몇 실시예에 있어서, 샘플은 고체 또는 액체 상이다.
도 1은 2350 cm-1 부근의 CO2의 흡수 스펙트럼이다.
도 2는 3개의 다른 농도의 글루코스(glucose)의 흡수 스펙트럼이다.
도 3은 캐스케이드 스테이지로 이루어진 액티브 코어를 갖춘 중적외선(mid-IR) 다중파장 연결 DFB QCL을 포함하는 실시예이다.
도 4는 도 2에 나타낸 글루코스의 5개의 흡수 피크를 일치시키기 위해 선택된 5개의 다른 주기를 갖는 연속의 5개의 격자의 반사 스펙트럼이다.
도 5는 연결 DFB(cDFB) 레이저 실시예의 DFB 섹션들 중 어느 하나를 위한 1/4 파장 이동 격자를 상세히 나타내는 사진이다.
도 6은 QC 코어들의 스택(stack)으로부터의 자발 방출 스펙트럼이다. 각 코어의 이득 피크는 샘플링 파장들의 어느 하나게 가깝도록 디자인된다.
도 7은 동일한 웨이퍼로부터 제조된 cDFB 실시에 있어서의 4개의 다른 DFB 양자 캐스케이드 레이저(QCL)들로부터의 레이징 스펙트럼과 비교된 코어로부터의 전계발광 스펙트럼이다.
도 8은 전면 파셋(front facet) 옆의 제1DFB QCL에서의 DC 바이어스의 함수로서 제2DFB QCL의 펄스광-전류 곡선이다. 그러한 바이어스는 11V(검정색, 간격이 좁은 점선; ---); 10V (검은색, 간격이 넓은 점선; - - -); 9V (회색 실선; ─); 8V (회색, 간격이 넓은 긴 점선; ─ ─ ─); 4V (회색 점선; …); 및 0V (검은색 실선; ─)이다.
도 9는 장치의 열적 가열을 최소화하여 다중 샘플링 파장을 허용하기 위한 cDFB의 예시의 순차 동작을 나타낸다.
본 발명은 이하의 상세한 설명, 도면, 예, 및 청구항들과, 그리고 이들의 이전 및 이하의 설명들을 참조함으로써 좀더 잘 이해될 수 있다. 그러나, 그러한 제공된, 구성, 제품, 장치, 및 방법들을 개시 및 기술하기 전, 변경 가능하다는 것과 같이 달리 특정하지 않는 한 본 발명을 개시된 특정 구성, 제품, 장치, 및 방법들로 한정하지 않는다는 것을 이해해야 한다. 또한, 본원에 사용된 전문용어는 특정 형태만을 기술하기 위한 것일 뿐 한정하려는 것이 아니라는 것을 이해해야 한다.
이하 현재 공지의 실시예들로 발명을 교시함으로써 본 발명의 설명이 제공된다. 이를 위해, 많은 변경이 본원에 기술된 발명의 다양한 형태로 이루어질 수 있으면서, 본 발명의 유효 결과 또한 얻을 수 있다는 것은 통상의 기술자들이라면 용이하게 알 수 있을 것이다. 본 발명의 원하는 몇몇 이점들이 다른 형태를 이용하지 않고 본 발명의 일부 형태를 선택함으로써 얻어질 수 있다는 것 또한 명확히 알 수 있을 것이다. 따라서, 통상의 기술자들은 본 발명에 대한 많은 변형 및 적용이 가능하고 심지어 소정의 환경에 바람직하며 본 발명의 일부가 된다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 이하의 설명은 본 발명의 원리의 설명으로 제공되며, 그것으로 한정하진 않는다.
개시된 방법 및 구성을 위해 사용되고, 그와 연관되어 사용되고, 그를 준비하기 위해 사용되거나, 또는 그를 실시하기 위해 사용될 수 있는 재료, 화합물, 조성, 및 성분들이 개시된다. 이들 및 다른 재료들이 본원에 개시되며, 이들 재료의 조합, 서브세트(subset), 상호작용, 그룹 등이 개시될 경우, 이들 화합물의 각각의 다양한 개별적인 그리고 집합적인 조합 및 변경의 특정 기준이 명확히 개시되는 한편, 각각이 본원에 명확히 고려되어 기술된다는 것을 알아야 한다. 따라서, 치환 등급 A, B, 및 C 뿐만 아니라 D, E, 및 F가 개시되고, 조합의 실시예 A-D가 개시되면, 각각이 개별적으로 그리고 집합적으로 고려된다. 따라서, 이러한 예에서, 각각의 조합 A-E, A-F, B-D, B-E, B-F, C-D, C-E, 및 C-F가 특히 고려되며, 개시된 A, B, 및/또는 C; D, E, 및/또는 F; 및 예시 조합 A-D의 개시로부터 고려된다. 마찬가지로, 소정의 서브세트 또는 이들의 조합 또한 고려되어 개시된다. 따라서, 예컨대 A-E, B-F, 및 C-E의 서브-그룹이 특히 고려되며, 개시된 A, B, 및/또는 C; D, E, 및/또는 F; 및 예시 조합 A-D의 개시로부터 고려될 수 있다. 이러한 개념은 한정하진 않지만 그러한 개시된 구성을 만들고 그러한 구성을 이용하는 방법에 있어서의 단계 및 그러한 구성들의 소정 성분들을 포함하는 이러한 개시의 모든 형태에 적용된다. 따라서, 만약 수행될 수 있는 다양한 추가 단계들이 있다면, 이들 각각의 추가 단계들은 개시된 방법의 소정 특정 실시예 또는 실시예들의 조합에 의해 수행될 수 있으며, 개시된 각각의 그와 같은 조합이 특별히 고려될 수 있다는 것을 알아야 한다.
본 명세서 및 이하의 청구항들에 있어서, 이하와 같은 의미를 나타내도록 정의되는 다수의 용어에 대한 참조가 이루어질 것이다.
"포함", "포함하는" 등의 용어는 한정하진 않지만 포함함과 더불어 배제하지 않는다는 것을 강조하는 의미를 나타낸다.
용어 "약"은 달리 나타내지 않는 한 모든 범위와 관련된다. 예컨대, 약 1, 2, 또는 3은 약 1, 약 2, 또 약 3과 동일하며, 또 약 1-3, 약 1-2, 및 약 2-3을 포함한다. 구성, 성분, 혼합물, 첨가물 등의 형태에 대한 개시된 특정 바람직한 수치 및 그 범위는 단지 설명을 위한 것일 뿐이며, 다른 규정된 수치 또는 규정된 범위 내의 다른 수치들을 배제하진 않는다. 그러한 개시의 구성 및 방법들은 소정 수치 또는 이 소정 수치의 조합, 특정 수치, 좀더 특정한 수치, 및 본원에 개시된 바람직한 수치들을 갖는 것들을 포함한다.
본원에 사용된 부정관사 "a" 또는 "an" 및 대응하는 정관사 "the"는 달리 특정하지 않는 한 적어도 하나, 또는 하나 또는 그 이상을 의미한다.
본원에 사용된 바와 같은 "초격자(superlattice)"는 양자 우물 구속 및 인터서브밴드 전이(intersubband transition)를 야기하는 각기 다른 밴드갭(bandgap)을 갖는 적어도 2개의 반도체 재료를 포함한다(예컨대 그 전체 내용이 참조로 본원에 포함되는 미국출원 제61/564,375호 참조). 적어도 2개의 반도체 재료의 두께는 격자 내에서 변하거나 또는 일정한 두께가 될 것이다. 그 반도체 재료의 두께가 변할 경우, 선형 또는 비선형 방식으로 변할 것이다.
본원에 사용된 바와 같은 "스테이지(stage)"는 인젝터 영역(injector region)에서 액티브 섹션(active section)으로 전자가 전이될 수 있게 하는 초격자에 의해 형성된 일련의 양자 우물을 포함한다. 본원에 사용된 바와 같은 "스택(stack)"은 일련의 스테이지를 포함한다. "액티브 영역" 또는 "코어"는 적어도 하나의 스택으로 이루어지며, 광 방출을 야기하는 레이저의 영역을 기술하기 위해 사용된다.
제1실시예는 시간에 따라 동시에 또는 순차적으로 다중파장을 생성하기 위해 일련의 캐스케이드 스테이지로 이루어진 액티브 코어를 갖춘 다중파장 연결 DFB(cDFB) 레이저를 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 cDFB 레이저는 적외선(IR) 영역에서 레이징한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 cDFB는 약 2.5 mm 내지 약 15 mm 영역에서 레이징한다. 그와 같은 장치는 단일 분자의 광범위한 흡수 라인 또는 각기 다른 분자로부터의 몇 개의 흡수 라인을 샘플링할 수 있다. 실시예들을 형성하는 방법은 분포 궤환형(DFB) 양자 캐스케이드 레이저(QCL)에 사용된 것과 유사한 제조 공정을 이용하는 것을 포함할 것이다. 본원의 실시예들은 보다 작은 크기, 보다 빠른 속도 및 보다 낮은 비용으로 인해 파장 조정가능 외부 공동(EC) QCL을 대체할 수 있는 장점이 있다. 더욱이, 실시예들은 또한 DFB QCL 어레이가 어레이의 출력을 하나의 광학 빔에 결합하기 위해 광학 결합 옵틱(optic)을 필요로 하기 때문에 DFB QCL 어레이 이상의 크기 및 비용의 장점을 갖는다.
실시예들이 유용해지는 하나의 특정 애플리케이션은 적외선(IR) 분광기를 통해 화학적 분석이 이루어진다. 화학적 결합의 진동으로부터 중적외선 영역에서의 강한 흡수 라인은 분자 조성을 확인하는데 사용될 수 있다. DFB QCL과 같은 중적외선 파장 조정가능 소스들은 흡수 라인 주변의 파장을 스캔하는데 사용될 것이다. 통상의 DFB QCL들은 약 10 cm-1의 작은 파장 조정 범위를 갖고 작은 분자의 것과 같은 좁은 흡수 라인들 중 어느 하나(예로서, 도 1은 2350 cm-1에 가까운, 즉 약 4.2-4.3 mm의 CO2의 흡수 라인을 나타냄)를 검출하는데 종종 사용되지만, 본 발명의 실시예들은 보다 큰 파장 범위를 가지며, 큰 분자의 광범위한 흡수 라인(도 2는 글루코스의 950-1200 cm-1에서의 흡수를 나타냄)을 검출하는데 사용될 수 있다.
코어는 레이징을 달성하기 위해 필요한 광학 이득을 제공한다. 레이저의 코어는 스택의 양자 캐스케이드(QC; quantum cascade) 또는 인터밴드 캐스케이드(IC; interband cascade) 영역을 포함할 것이다. 광범위한 광학 이득을 갖는 소정의 QC 또는 IC 구조가 사용될 것이다. 몇몇 실시예에 있어서, 그러한 코어는 QC 구조를 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 코어는 IC 구조를 포함한다. 각 코어의 이득 피크는 도 6에 나타낸 바와 같은 샘플링 파장의 어느 하나에 가까워지도록 디자인된다. 일반적으로 보다 짧은 파장에서의 광학 이득을 갖는 코어는 보다 짧은 파장의 광학 모드가 보다 긴 파장의 것 보다 좁기 때문에 광학 모드의 중심에 더 가깝게 위치될 것이다.
실시예들은 적어도 초격자를 형성하는 2개의 구성적으로 동일하지 않은 층들을 포함하는 이득 재료를 포함할 것이다. 적절한 층 두께의 디자인에 의해, 레이저 방출을 달성하는데 필요한 시스템에서의 2개의 서브밴드들간 밀도 반전을 꾀할 수 있다. 그러한 층들의 두께는 동일하거나 또는 원하는 디자인에 따라 달라질 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 그러한 층들은 약 1 Å 내지 약 500 Å의 두께를 갖는다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 층들은 약 10 Å 내지 100 Å의 두께를 갖는다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 층들은 약 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, 또는 500 Å의 두께를 갖는다.
일반적으로 이득 재료의 층들을 형성하기 위해 사용되는 재료들은 그룹 IV, III-V, 및 II-VI 반도체들과 같은 반도체를 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 층들은 GaAs, AlxGa1 -xAs, SixGe1 -x, 또는 GaxIn1 - xAs 및 AlyIn1 - yAs를 포함하며, 여기서 x 및 y는 0 내지 1이다.
초격자 이득 재료는 여러 기술들, 예컨대 분자-빔 에피택시(MBE; molecular-beam epitaxy)(가스-소스 MBE 및 MO-MBE를 포함하는), 금속유기 기상 에피택시(MOVPE; metalorganic vapor phase epitaxy), 또는 스퍼터링을 이용하여 생성될 것이다. 이들 방법은 단지 극소 원자 공간만의 두께를 갖는 층들의 생성을 가능하게 한다.
실시예들은 광도파로를 더 포함한다. 본원에 사용된 광도파로는 광학 스펙트럼에서의 전자기파를 안내하는 물리적 구조를 포함한다. 소정 특정 타입의 도파로로 한정하진 않지만, 흔히 사용된 한 타입의 광도파로는 릿지 도파로(ridge waveguide)이다. 릿지 도파로는 통상 반드시 필요한 것은 아니지만 QC 재료의 아이솔레이트 스트라이프(isolated stripe)를 생성하기 위해 양자 캐스케이드 이득 재료에 약 10 mm의 넓은 그리고 수 mm의 긴(그 길이는 보통 클리빙(cleaving)함으로써 규정) 평행한 트렌치들을 에칭함으로써 생성된다. 측면 모드 제한은 유전체의 트렌치에 증착에 의해 달성되며, 이후 전체 릿지가 통상 전기 접촉을 제공하고 광을 생성할 때 릿지로부터 열을 제거하는 것을 돕기 위해 금으로 코팅된다. 좀더 흔하게, 측면 모드 제한은 레이저가 InP 기판 상에 성장될 때 InP와 같은 반절연물을 트렌치에 성장시킴으로써 달성된다. 광은 도파로의 클리빙된 단부로부터 방출된다.
실시예들은 반사방지 또는 무반사(AR) 층을 더 포함할 것이다. 본원에 사용된 바와 같은 AR 층은 장치의 적어도 하나의 단부(파셋(facet))에 적용된 광학 코팅을 포함하며, 이는 특히 IR 영역에서의 반사를 감소시킨다. 상기 AR 층들은 인덱스-매칭(index-matching), 단일 층 간섭, 다수 층 간섭, 또는 모스 아이(moth eye; 나노구조)와 같은 소정 타입의 층이 될 것이다. 몇몇 실시예들에 있어서, 상기 AR 코팅은 약 10%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0.5%, 0.1%, 0.01%, 0.001% 이하, 또는 0%의 손실을 제공한다.
실시예는 직렬로 배치된 적어도 2개의 레이저 섹션(또는 레이징 섹션(lasing section))을 더 포함하며, 상기 각각의 레이저 섹션들은 1/4 파 이동 격자를 포함하고, 그러한 격자는 비등가 주기 또는 브래그(Bragg) 파장을 갖는다. 본원에 사용된 바와 같은 격자는 가이드에 있어서의 유효 굴절률의 주기적 변화를 야기하는 몇몇 특성(높이와 같은)의 주기적 변화에 의해, 또는 변경의 굴절률을 갖는 교호 재료의 다수 층들로부터 형성된 구조를 포함한다. 각 층의 경계는 광파의 부분 반사를 야기한다. 파장이 주기 및 유효 굴절률 증가의 2배에 가까운 파의 경우, 많은 반사들이 보강 간섭과 결합되고, 격자는 고품질 반사기로서 작용한다.
다이오드 레이저에 있어서의 1/4 파 이동 분포 궤환형 공진기들의 사용은 이들이 격자 저지대역(grating stopband)의 중심에 공진을 제공함에 따른 장점이 있으며, 그 공진은 양측에 대한 공진보다 높은 Q의 공진이다. 1/4 파 이동 DFB 전송 공진기의 협대역 공진은 로렌치안 응답(Lorentzian response)을 갖는다. 그러한 이론 및 1/4 파 이동 공진기들의 사용은 그 전체 내용이 본원에 참조로 포함된 28(1) IEEE J. Quantum Elec. 205-213 (1992)에서의 H. Haus 및 Y. Lai에 의한 캐스케이드 1/4 파 이동 분포 궤환형 공진기(Theory of Cascaded Quarter Wave Shifted Distributed Feedback Resonators )의 이론에서 알 수 있다.
다수 주기를 갖는 격자는 전자 빔(e-빔)에 의해 제조된 격자 마스크의 e-빔 라이팅(writing) 또는 접촉 프린팅에 의해 패턴될 수 있다. 도 4는 도 2에 나타낸 글루코스의 5개의 흡수 피크를 일치시키기 위해 선택된 5개의 다른 주기를 갖는 연속의 5개의 회절 격자의 5개의 반사 피크를 나타낸다.
실시예들에서 발견되는 추가의 구성들은 상기 이득 재료 위 및/또는 아래 모두의 n-형 클래딩층들을 포함한다. 액티브 이득 및 파장 선택 섹션은 각기 다른 레이저 섹션으로 제공된 각각의 콘트롤 전극을 포함하는 패턴된 전기 접촉층으로 캡(cap)될 것이다. 절연 유전체는 레이저 구조의 개별 영역들을 전기적으로 격리하기 위해 패턴된 전기 접촉층에 적절한 영역으로 적층될 것이다.
몇몇 실시예에 있어서, 레이저 섹션들은 그 전체 내용이 참조로 본원에 포함되는 미국출원 제13/050,026호에 기술된 바와 같은 p형 전기적 격리영역에 의해 분리된다. 예컨대, 액티브 도파로 코어는 상부 n형 클래딩층과 하부 n형 클래딩층 사이에 샌드위치될 것이다. 적어도 일부의 상부 클래딩층 뿐만 아니라, 액티브 코어 및 하부 n형 클래딩층은 실시예의 전기적으로 격리된 레이저 섹션들에 걸쳐 확장한다. 상기 상부 n형 클래딩층의 일부 또는 일부들은 실시예의 섹션들을 분리하는 프로젝션(projection)을 따라 상부 n형 클래딩층의 두께의 일부를 가로질러 확장하는 p형 전기적 격리영역(들)을 규정하도록 충분한 p형 도펀트를 포함한다. 상부 및 하부 n형 클래딩층들은 InP, GaAs, AlGaAs를 포함하거나, 또는 적절한 소정의 다른 기존의 클래딩 재료 또는 여전히 계속해서 개발되고 있는 클래딩 재료를 포함할 것이다. 예컨대, 그리고 제한하진 않지만, II-VI 반도체, Si-Ge 또는 GaN계 재료 등을 포함한 적절한 다양한 클래딩 재료들이 있을 수 있다는 것을 알아야 한다.
또한 p형 격리영역을 실현하는 다양한 다른 방식들이 있다. 이들 중에는 선택적 성장, 이온 주입, 및 p형 도펀트의 확산이 있다. 상기 마지막 옵션이 선택되면, 상부 및 하부 n형 클래딩층의 각각의 조성 및 이득 재료가 도펀트 확산에 의해 p형 격리영역의 형성을 용이하게 하기 위해 선택될 것이다. 특히, 상기 상부 및 하부 n형 클래딩층은 InP를 포함하며, 상기 p형 도펀트는 InP 상부 n형 클래딩층에서의 최대 안정 농도가 3보다 작은 약 n × 1018 cm-3 이하이도록 선택될 것이다.
레이저 섹션을 격리하는 대안의 방법은 n-클래딩층의 크게 도핑된 부분의 제거를 포함한다.
예로서, 그리고 한정하진 않지만, 선택적으로 상부 및 하부 n형 클래딩층이 GaAs계 클래딩층인 것으로 고려한다. 그러한 클래딩층들의 일부는 단순히 GaAs 또는 InP 대신 AlGaAs 또는 (Al)GaInP가 될 수 있다. GaAs계 클래딩층의 경우, 코어는 GaAs/AlGaAs, AlGaAs/AlGaAs, (Al)GaInP/(Al)GaInP, 또는 GaInAs/(Al)GaAs가 될 것이다. 유사한 조성의 추가적인 층들이 그러한 구조의 나머지 층들을 위해 고려되며 GaInAs와 GaAs 기판간 소정의 격자 불일치를 보상하기 위해 선택될 것이다. 예컨대, 그리고 한정하진 않지만, 다른 가능한 층들은 GaInP, AlGaInP, GaAsP, and GaInAsP이다. GaAs계 클래딩층들의 경우, 반절연 (Al)GaAs을 만드는데 이용된 적절한 도펀트는 한정하진 않지만 Cr 및 O를 포함한다. 매우 낮은 온도 성장에서, 반절연 (Al)GaAs는 소정의 도펀트 없이 얻어질 수 있다.
본원의 실시예들은 펄스파 모드 또는 연속파 모드에 사용될 수 있다. 레이저 펄스 주기는 약 1 ns 내지 약 1 ms가 될 것이다. 몇몇 실시예에 있어서, FWHM에서의 펄스 폭은 약 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 ms, 10 ms, 100 ms, 또는 1 ms이다. 몇몇 실시예에 있어서, 본원에 개시된 장치들은 동시에, 개별적으로, 및/또는 순차로 또는 프로그램 순서로 모든 레이저 섹션들을 화이어(fire)하도록 디자인된다.
본원의 실시예들이 외부 공동 양자 캐스케이드 레이저의 형태를 포함함에 따라, 상기 장치들로부터 출력되는 레이저 파장의 폭은 DFB 레이저로부터 예상되는 것보다 상당히 크다. DFB QCL은 일반적으로 약 10 cm-1의 작은 조정성을 갖는다. 본원에 기술된 실시예들은 100 cm-1 이상, 200 cm-1 이상, 300 cm-1 이상, 400 cm-1 이상, 또는 500 cm-1 이상의 조정성을 갖는다. 몇몇 실시예에 있어서, cDFB 실시예들은 약 100 cm-1 내지 약 500 cm-1의 조정성을 갖는다.
그러한 레이저 섹션들의 피크 파장은 하나의 분자의 광범위한 흡수 라인 또는 각기 다른 분자들로부터의 몇개의 흡수 라인의 샘플링 파장(λsi, I = 1 내지 n)이 되도록 선택될 것이다. 몇몇 실시예에 있어서, cDFB는 약 2.5 mm 내지 약 15 mm의 범위에서 레이징한다. 몇몇 실시예에 있어서, cDFB는 약 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, 또는 15.0 mm에서 레이징한다.
실시예들은 IR 방사, 특히 IR 레이저 방사가 효과적인 소정 다수의 방법들에 사용될 수 있다. 특정 애플리케이션들은 IR 흡수율 또는 반사율 측정, IR 및 FTIR 분광, 라만 분광, 가스 및/또는 무기 검출, 화학적 변화 및 운동 측정, 열적 실험 등을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 그러한 실시예들은 분자 조성을 확인하기 위해 IR 흡수율 측정에 사용된다.
예
예 1
도 7에 나타낸 스펙트럼은 3개의 액티브 스택으로 이루어진 코어를 구비한 cDFB 레이저로부터 얻어진다. "(a)"로 나타낸 코어로부터의 전계발광 스펙트럼은 이득 스펙트럼을 나타낸다. 곡선 "(b)", "(c)", "(d)", 및 "(e)"로 나타낸 4개의 레이징 스펙트럼은 동일한 웨이퍼로 제조된 4개의 각기 다른 레이저 섹션들로부터의 레이징 스펙트럼이다.
예 2
cDFB의 제2레이저 섹션의 펄스광-전류 곡선(도 8)은 또한 제1레이저 섹션(즉, 전면 파셋 옆의)에서의 DC 바이어스의 함수로서 측정된다. 그러한 바이어스는 11V(검정색, 간격이 좁은 점선; ---); 10V (검은색, 간격이 넓은 점선; - - -); 9V (회색 실선; ─); 8V (회색, 간격이 넓은 긴 점선; ─ ─ ─); 4V (회색 점선; …); 및 0V (검은색 실선; ─)이다.
제2레이저 섹션으로부터의 출력 파워는 제1레이저 섹션의 공동을 통한 감소된 광학 손실로 인해 증가된 DC 바이어스에 따라 증가한다. 그러한 DC 바이어스의 파워 소비는 전류가 9V에서 0.12A 이하이기 때문에 낮게(~0.1W) 유지될 수 있다. 그러한 파워 소비는 펄스 바이어스를 이용하여 더 감소될 수 있다.
예 3
펄스 내에서 그리고 동일한 레이저 섹션에 인가된 이웃하는 펄스로부터 가열을 최소화하기 위해, 본원 출원인은 도 9에 나타낸 바와 같은 연이은 시간 순차 동작 및 20℃ 이하로 코어 온도 상승을 유지하도록 대략 수백 ns(nanosecond) 이하, 예컨대 200 ns의 펄스 폭을 제안하고 있다. 도 9에 나타낸 연이은 시간 순차 동작 동안, 중심의 레이저 섹션을 통한 연결에 따른 소정 레이저 섹션으로부터의 출력의 광학 손실을 최소화하기 위해, 레이징 모드로 될 필요가 없을 때 임계치 이하로 바이어스된 펄스 또는 DC가 될 것이다. 이는 그 전체 내용이 본원에 참조로 포함되는 Li 등에 의한 36 (10) IEEE Journal of Quantum Electronics, 1110-1116 (2000)에서 알 수 있는 바와 같이 비-레이징 레이저 스테이지로부터 피드백 스테밍(feedback stemming)을 최소화할 것이다.

Claims (19)

  1. a. 초격자를 형성하는 구성이 다른 적어도 2개의 층들을 포함하고, 인터서브밴드 전이(intersubband transition)에 의해 광자를 생성하는 이득 재료;
    b. 반사방지 재료로 코팅된 2개의 단부를 포함하는 광도파로; 및
    c. 직렬로 배치된 적어도 2개의 레이저 섹션을 포함하며,
    각각의 상기 레이저 섹션은 격자를 포함하고, 상기 격자는 비등가 주기 또는 브래그 파장을 가지며, 상기 레이저 섹션은 전기적 격리영역에 의해 분리되는, 레이저.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 격자는 1/4 파 이동 격자를 포함하는, 레이저.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 섹션은 n-클래딩층의 높게 도핑된 부분의 제거에 의해 또는 n-클래딩층에 p형 층을 포함하는 전기적 격리영역에 의해 분리되는, 레이저.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 섹션의 적어도 하나로부터의 방출 파장은 약 2.5 mm 내지 약 15 mm인, 레이저.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 초격자의 적어도 하나의 층은 GaxIn1 - xAs를 포함하며, 여기서 x는 0 내지 1인, 레이저.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 초격자의 적어도 하나의 층은 AlyIn1 - yAs를 포함하며, 여기서 y는 0 내지 1인, 레이저.
  7. 청구항 1에 있어서,
    액티브 영역은 적어도 3개의 스택을 포함하며, 가장 짧은 파장의 레이저 섹션을 갖는 스택은 장치의 중심에 배치되는, 레이저.
  8. 청구항 1에 있어서,
    레이저 섹션은 펄스 모드로 레이징하는, 레이저.
  9. 청구항 8에 있어서,
    레이저 펄스 폭은 약 10 ns 내지 약 1 ms인, 레이저.
  10. 청구항 1에 있어서,
    레이저 섹션은 연속 모드로 레이징하는, 레이저.
  11. 청구항 1에 있어서,
    모든 레이저 섹션이 동시에 화이어(fire)되는, 레이저.
  12. 청구항 1에 있어서,
    레이저 섹션들이 순차적으로 화이어되는, 레이저.
  13. a. 청구항 1의 레이저로부터의 적어도 하나의 레이저 결과를 샘플에 적용하는 단계; 및
    b. 광이 상기 샘플과 상호작용된 후 상기 광의 적어도 일부를 수집하는 단계를 포함하는, 샘플로부터 출력된 신호를 검출하는 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    레이저 파장은 적외선 영역에 있는, 샘플로부터 출력된 신호를 검출하는 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    광의 수집은 샘플의 적외선 흡수율에 대한 정보를 제공하는, 샘플로부터 출력된 신호를 검출하는 방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    샘플은 가스 상(gas phase)인, 샘플로부터 출력된 신호를 검출하는 방법.
  17. 청구항 13에 있어서,
    샘플은 액체 상인, 샘플로부터 출력된 신호를 검출하는 방법.
  18. 청구항 13에 있어서,
    샘플은 고체 상인, 샘플로부터 출력된 신호를 검출하는 방법.
  19. 청구항 13에 있어서,
    광의 수집은 광의 적외선 반사율에 대한 정보를 제공하는, 샘플로부터 출력된 신호를 검출하는 방법.
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