TW201342753A - 用於具有由串接級製成之活性核心之中紅外線多波長串級分佈反饋式雷射的波導結構 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示了具有新型波導之串級分佈回饋式雷射。波導允許主動與被動波導結構之間的雷射束的耦合及經改良之裝置設計與輸出效率。本發明亦揭示了此類裝置之製造方法及使用方法。

Description

用於具有由串接級製成之活性核心之中紅外線多波長串 級分佈反饋式雷射的波導結構 【相關申請案之交互參照】
本申請案根據專利法之規定主張2012年3月19日申請之美國臨時申請案第61/612,440號之優先權權益，本案依賴於該臨時申請案之內容且該臨時申請案全文以引用之方式併入本文中。
本說明書大體上係關於基於半導體之雷射，且更具體而言，係關於中紅外線區域中之分佈回饋式雷射，該等雷射具有由串接區段製成之活性核心，該等雷射進一步包含經修改之波導以允許改良效能。本發明亦揭示了此類裝置之製造及使用方法。
分佈回饋式(「DFB」)雷射為將繞射光柵併入雷射之主動區域內的固態二極體雷射技術。DFB設計允許發射可經由溫度變化輕微調諧之穩定的單波長。將多個DFB雷射 組合在串級DFB量子串接雷射內允許擴展此技術之可調諧性。然而，當未向未使用之雷射區段施加偏壓時，串級DFB QCL會遭受高損失，且當施加偏壓時，串級DFB QCL會遭受高功率消耗。若能夠創造出提高功率效率的同時依然提供串級DFB-QCL觀察到之擴展範圍之波長的DFB-QCL，則會很有益。
一個實施例包含波導結構，該波導結構包含由光學增益材料製成之主動半導體光學波導、光橋及被動光學波導；其中光橋在空間上位於主動波導及被動波導之間，且其中主動波導、光橋及被動波導經由光學波導材料非實體地連接。在一些實施例中，光橋包含選擇性地允許某些波長耦合至被動光學波導之週期性結構。在一些實施例中，主動波導、光橋及被動波導包含GaInAs或GaAlInAs。在一些實施例中，主動波導與光橋平行且在最近點處相距約1 μm至約8 μm。在一些實施例中，光橋與被動波導平行且在最近點處相距約1 μm至約8 μm。在一些實施例中，主動波導與光橋平行且在最近點處相距約2 μm至約6 μm，且光橋與被動波導平行且在最近點處相距約1 μm至約8 μm。
另一實施例包含雷射，該雷射包含：增益材料，該增益材料包含形成超晶格之至少兩個組成不同之層，其中增益材料藉由子帶間或帶間過渡產生光子；串聯佈置之至少兩個雷射區段，其中每一雷射區段包含具有不相等週期或佈雷格波長(Bragg wavelength)之光柵，且其中雷射區段係由電絕 緣區域隔開；及波導結構，該波導結構包含與增益材料接觸之主動波導；至少一個光橋；及被動波導，其中，每一光橋在空間上位於主動波導與被動波導之間，且主動波導、光橋及被動波導經由波導材料非實體地連接。在一些實施例中，光柵包含相移光柵。在一些實施例中，光橋與主動光導平行且在空間上以光強度最高之處為中心。在一些實施例中，主動波導與光橋平行且在最近點處相距約1 μm至約8 μm。在一些實施例中，光橋與被動波導平行且在最近點處相距約1 μm至約8 μm。在一些實施例中，主動波導與光橋平行且在最近點處相距約2 μm至約6 μm，且光橋與被動波導平行且在最近點處相距約1 μm至約8 μm。在一些實施例中，主動波導、光橋及被動波導包含GaInAs或GaAlInAs。
在上述雷射的一些實施例中，雷射區段由n型覆蓋層中包含p型層之電絕緣區域隔開，或藉由移除n型覆蓋層之高摻雜部分而隔開。在一些實施例中，自雷射區段中之至少一者發射之波長為約2.5 μm至約15 μm。在一些實施例中，超晶格之至少一個層包含GaxIn1-xAs，其中x為0至1。在一些實施例中，超晶格之至少一個層包含AlyIn1-yAs，其中y為0至1。在一些實施例中，主動區域包含至少兩個堆疊，其中在最短波長下具有雷射區段之堆疊佈置於裝置之中心處。在一些實施例中，雷射區段以脈衝模式雷射發光。在一些實施例中，雷射脈衝寬度為約10 ns至約1 ms。在一些實施例中，雷射區段以連續模式雷射發光。在一些實施例中，可同時激發所有雷射區段。在其他實施例中，連續地激發雷射區段。
另一實施例包含檢測來自樣本之信號輸出之方法，該方法包含將來自請求項7之雷射的至少一個雷射事件應用至樣本，以及在與樣本相互作用之後收集至少部分光。一些實施例中，雷射波長處於紅外線區域中。在一些實施例中，光之收集提供關於樣本之紅外線吸光度之資訊。在一些實施例中，樣本為氣相的。在其他實施例中，樣本為液相的。在其他實施例中，樣本為固體相的。在一些實施例中，光之收集提供關於樣本之紅外線反射率之資訊。
第1圖為2350 cm-1附近CO2之吸收光譜。
第2圖為葡萄糖之吸收光譜。
第3圖為包含具有由串接級製成之活性核心之中紅外線多波長串級DFB QCL之實施例。
第4圖為第3圖中之實施例，其中第二或第三DFB區段中發出之光將在該第二或第三DFB區段前面之未施加偏壓之核心區段經歷高損失。
第5圖為作為與前面相鄰之第一DFB QCL中DC偏壓之函數的第二DFB QCL之脈衝式光電流曲線。偏壓為11V(黑色緊密虛線，---)、10V(黑色間隔虛線，---)、9V(灰色實線，-)、8V(灰色長間隔虛線，---)、4V(灰色小點，…)及0V(黑色實線，-)。
第6圖為在QC核心下方具有被動波導之QCL結構的縱向截面圖(第6A圖)及同一波導結構之正視圖(從正面觀察)(第6B圖)。
第7圖為第6圖中所示之QCL結構之近場圖案(第7A圖)及遠場圖案(第7B圖)，指示光傳播進入GaInAs被動波導層，但光為較高階模中之光。
第8圖為第6圖中所示之QCL結構的遠場圖案，但該QCL結構中無第一短GaInAs層。此為具有良好基諧模之FF圖案的實例，指示沒有光傳播進入下GaInAs層。
第9圖為所提出之具有多波長串級DFB QCL結構之波導結構的縱向截面圖(第9A圖)及橫向截面圖(第9B圖)。短GaInAs層起到光橋作用，以將光導入下方之被動波導層。
第10圖為圖示針對第6圖所示之QCL波導結構的FF角度與10度及5度立體角之內之光強度的比較模擬的圖表。短GaInAs插入在300 μm之位置開始。FF角度降低及10度及5度角度之內之光強度增加表明光傳播進入被動波導層。需要約300 μm至400 μm來使之穩定。以λ=4.6 μm進行模擬。
第11圖為替代性結構之俯視圖(第11A圖)。被動InGaAs波導結構及光橋InGaAs結構位於雷射脊部之側面。第11B圖圖示與多波長串級DFB QCL組合之替代性波導結構的縱向截面圖。短GaInAs層起到光橋作用，以將光導入上方之被動波導層。溝槽可由半隔離式InP(SI-InP)(鐵摻雜)代替。
藉由參考以下實施方式、圖示、實例及申請專利範圍及以上各者之前及之後之說明，可更容易地對本發明進行 理解。然而，在揭示及描述本發明之組成物、製品、裝置及方法之前，應瞭解，除非以其他方式說明，否則本發明並不限於特定組成物、製品、裝置及方法，且以上各者因此當然可變化。還應瞭解本文中使用術語之目的僅僅為對特定態樣進行描述，且不欲作出限制。
提供本發明之以下描述以使得能夠教示本發明在本發明當前已知之實施例中。為此，熟習相關技術者將認識及領會到可對本文中所描述之發明的各種態樣進行許多改變，同時仍獲得本發明之有益結果。同樣將顯而易見的是，可藉由選擇本發明之某些特徵而不使用其他特徵來獲得本發明之一些所要利益。因此，此項技術之工作者將認識到可對本發明進行許多修改及調整，且在某些情況下該等修改及調整甚至可為所需要的且為本發明之一部分。因此，提供之以下描述作為對本發明原理之說明而非進行限制。
所揭示之材料、化合物、組成物及組份可用於所揭示之方法及組成物之實施例、可與該等實施例聯合使用、可用於製備該等實施例或可為該等實施例。本文中揭示了此等及其他材料，且應瞭解，在揭示此等材料之組合、子集、相互作用、群組等時，儘管可能未明確揭示此等化合物之每一各種個別及集合之組合與排列的具體參照，但在本文中對每一者進行具體設想及描述。因此，若揭示了一類取代物A、B及C以及一類取代物D、E及F，且揭示了組合實施例之實例A-D，則個別地及集合地設想了每一取代物。因此，在此實例 中，具體設想組合A-E、A-F、B-D、B-E、B-F、C-D、C-E及C-F中之每一者，且應認為該每一者係自A、B及/或C、D、E及/或F以及實例組合A-D之揭示案揭示。同樣地，具體設想及揭示此等組合之任意子集或組合。因此，舉例而言，具體設想A-E、B-F及C-E之子群組，且應認為該等子群組係自A、B及/或C、D、E及/或F以及實例組合A-D之揭示案揭示。此概念適用於此揭示案之所有態樣，包括(但不限於)組成物的任意組份及製造及使用所揭示組成物之方法中的步驟。因此，若存在可執行之各種額外步驟，應瞭解可用所揭示方法之任意特定實施例或實施例之組合來執行此等額外步驟中之每一者，且每一此類組合係經具體設想且應被認為係經揭示的。
在此說明書及以下之申請專利範圍中，將參考應界定為具有以下意義之許多術語：「包括」或類似術語意謂包含但不限於，亦即為包含的而非排他的。
除非明確規定，否則術語「約」表示範圍中之所有項。舉例而言，約1、2或3等同於約1、約2或約3，且進一步包含約1至3，約1至2及約2至3。針對組成物、組份、成份、添加物以及類似態樣而揭示之特定值及較佳值以及該等值之範圍僅為說明性的，該等值不排除其他經界定之值或在所界定範圍內之其他值。本揭示案之組成物及方法包括具有本文所描述之值、特定值、更特定值及較佳值中之任意值或任意組合。
除非明確說明，否則本文中所使用之不定冠詞「一」及其相應之定冠詞「該」意謂至少一個，或一或更多個。
如本文中所使用，「超晶格」包含具有產生量子阱限制及子帶間過渡之不同帶隙的至少兩種半導體材料(參見，例如：美國申請案第61/564,375號，該案全文以引用之方式併入本文)。至少兩種半導體材料之厚度可在晶格中改變，或該厚度可為恆定厚度。若材料之厚度改變，則該等厚度可以線性或非線性之形式改變。
如本文中所使用，「級」包含一系列由超晶格形成之量子阱，量子阱允許電子從注入區域過渡至主動區段。如本文中所使用，「堆疊」包含一系列級。「主動區域」或「核心」由至少一個堆疊組成且用於描述雷射之產生光發射的區域。
如本文中所使用，「光學波導」包含由一或更多個具有低折射率或低介電指數之介電材料包圍的具有高折射率或高介電指數之介電材料，其中在感興趣波長下對該等指數進行量測。如本文中使用，「波導材料」包含在感興趣波長下具有高反射率之介電材料。
如第3圖中所示及美國申請案第61/586,327號中所描述，串級DFB QCL結構允許自一個單一面發射複數個波長(單模)，該申請案全文在此以引用之方式併入。第一DFB區段在λ1處雷射發光，第二DFB區段在λ2處雷射發光，以此類推。然而，如第4圖中所示，除由第一DFB區段發射之光，由第二區段或其他區段發射之光將傳播穿過該區段前方 之DFB區段。若未對此等前方之區段施加偏壓，則在該等未施加偏壓之區域中之損失可為高的(>20 cm-1)。損失主要由穿過未施加偏壓之核心區域之λ2(或λ3、λ4、λ5等)的通道造成。舉例而言，即便兩個DFB區段之增益/核心區段為共用的，且λ1與λ2之間的差異很小，但λ2之光強度仍比λ1之光強度低得多。
在操作區段二時，可藉由同時向區段一施加偏壓(低於臨限值電壓)來降低區段一中之損失。如第5圖中所示，λ2之強度將升高。偏壓為11V(黑色緊密虛線，---)、10V(黑色間隔虛線，---)、9V(灰色實線，-)、8V(灰色長間隔虛線，---)、4V(灰色小點，…)及0V(黑色實線，-)。如圖所示，從0V至11V之偏壓，功率增加了四倍。然而，總功率消耗方存在同量之增加，且因此降低了電光轉換效率(wall plug efficiency；WPE)。
為了避免與傳播通過未加偏壓區段相關聯之損失，可經由額外波導將光(例如λ2、λ3、λ4、λ5等)匯出裝置並避開前方區段之未加偏壓核心。
第一實施例包含被動地將光匯出增益區域並導入相鄰波導層中之波導結構。在一些實施例中，相鄰之光學波導可包含合適材料之一或更多個層，該一或更多個層電磁耦合至增益區段，而不與增益區段實體連結。由於光將穿過相鄰之波導而不穿過前方區段之核心，此波導結構之實施例可降低強度之損失。在一些實施例中，波導結構允許將非發射DFB區段維持在未加偏壓狀態且不影響雷射輸出。
另一實施例包含串級DFB雷射，該串級DFB雷射進一步包含被動地將光匯出增益區域並導入相鄰波導層中之波導結構。在一些實施例中，波導結構包含一或更多個相鄰光學波導，其中相鄰光學波導可包含合適材料之一或更多個層，該一或更多個層電磁耦合至增益區段，而不與增益區段實體連結。多波長串級DFB(「cDFB」)雷射可包含由一系列串接區段製成之主動核心，以適時同時或連續地產生多個波長。在一些實施例中，cDFB雷射在紅外線(「IR」)區域中雷射發光。在一些實施例中，cDFB在約2.5 μm至約15 μm之區域中雷射發光。此類裝置能夠取樣單一分子之寬吸收線或不同分子之若干吸收線。形成實施例之方法可包含使用與分佈回饋式(「DFB」)量子串接雷射(「QCLs」)中所使用之製造流程類似的製造流程。本文中之實施例的優點在於：由於尺寸更小、速度更快及成本更低，本文中之實施例可替代波長可調諧外腔(「EC」)QCL。另外，實施例相較於DFB QCL陣列亦具有尺寸及成本優勢，原因在於DFB QCL陣列需要光學結合透鏡以將陣列之輸出結合為一個光束。
可使用實施例之一個特定應用為經由紅外線(「IR」)光譜學進行之化學分析。來自化學鍵之振動的中紅外線區域中之強吸收線可用於識別分子組成物。中紅外線波長可調諧源(如DFB QCLs)可用於繞吸收線掃描波長。雖然傳統DFB QCL具有約10cm-1之小波長調諧範圍，且傳統DFB QCL通常用於檢測窄吸收線中之一者，諸如小分子之窄吸收線(作為實例，第1圖圖示2350 cm-1附近(亦即約4.2 μm至4.3 μm) CO2之吸收線)，但本發明之實施例具有大得多的波長覆蓋範圍，且本發明之實施例可用於檢測大分子之寬吸收線(第2圖圖示葡萄糖在950 cm-1至1200 cm-1處之吸收線)。
核心提供實現雷射發光所需之光學增益。雷射之核心可包含量子串接(「QC」)之堆疊或帶間串接(「IC」)區域。可使用具有寬光學增益之任意QC或IC結構。在一些實施例中，核心包含QC結構。在一些實施例中，核心包含IC結構。如第6圖中所示，每一核心之增益峰值設計為接近取樣波長中之一者。由於較短波長之光模比較長波長之光模窄，因此通常應將在較短波長下具有光學增益之核心置放在更接近光模中心之處。
實施例可包含增益材料，該增益材料包含形成超晶格之至少兩個組成不同之層。藉由對層之厚度進行適當設計，可在系統中之兩個子帶之間設計實現雷射發射所必要之粒子數反轉。層之厚度可為相同的或可視所需設計而不同。在一些實施例中，層具有約1 Å至約500 Å之厚度。在一些實施例中，層具有約10 Å至約100 Å之厚度。在一些實施例中，層具有約1 Å、2 Å、3 Å、4 Å、5 Å、6 Å、7 Å、8 Å、9 Å、10 Å、11 Å、12 Å、13 Å、14 Å、15 Å、16 Å、17 Å、18 Å、19 Å、20 Å、21 Å、22 Å、23 Å、24 Å、25 Å、26 Å、27 Å、28 Å、29 Å、30 Å、35 Å、40 Å、45 Å、50 Å、55 Å、60 Å、70 Å、80 Å、90 Å、100 Å、125 Å、150 Å、175 Å、200 Å、250 Å、300 Å、350 Å、400 Å、450 Å或500 Å之厚度。
可用於形成增益材料中之層的材料大體上包含半導 體，諸如第IV族、第III-V族及第II-VI族半導體。在一些實施例中，層可包含GaAs、GaSb、InAs、AlxGa1-xAs、SixGe1-x，或GaxIn1-xAs、AlyIn1-yAs、GxaIn1-xSb及AlxIn1-xSb，其中x及y為0至1。
可使用各種技術生產超晶格增益材料，舉例而言，分子束磊晶(MBE)(包括氣源MBE及MO-MBE)、金屬有機氣相磊晶(MOVPE)或濺鍍。此等方法允許生產具有僅幾個原子間距之厚度之層。
實施例進一步包含光學波導。本文中所使用之光學波導包含導引光譜中之電磁波的實體結構。實施例包含允許將未使用之區段維持在未加偏壓狀態且不影響雷射輸出之光學波導。本文中呈現之光學波導可包含合適材料之多個層，舉例而言，如第9圖中所示，該等層電磁耦合，而非實體連結。在一些實施例中，主動波導層包含脊形波導，該脊形波導係藉由在量子串接增益材料中蝕刻平行溝槽而產生，以產生QC材料之隔離帶。
本文中呈現之光學波導可包含橋接層(「光橋」)。光橋包含為合適波導材料(諸如GaInAs)之短區段。若DFB區段移位四分之一波長，則光橋可定位於每一DFB區段之中心。或者，光橋可定位於縱向最大化光強度之處。在一些實施例中，光橋可包含光柵層。在此類實施例中，光橋可選擇性地將具有不同有效折射率之兩個波導波長耦合。
針對波長λi，與每一DFB區段相互作用之光橋的折射率、寬度及長度可以以下方式決定：具有波長λi之光可傳 播進入被動波導層。可藉由摻雜密度或組合物(添加少量AlInAs)來改變折射率。光橋應長於特定值以確保光束傳播進入下方之被動波導。舉例而言，如第10圖中所示，針對λ為~4.6 μm之波導結構，光橋之長度應為約300 μm至400 μm。在一些實施例中，光橋之長度為約100 μm、150 μm、200 μm、250 μm、300 μm、350 μm、400 μm、450 μm、500 μm、550 μm、600 μm、650 μm、700 μm、800 μm、900 μm、1000 μm、1100 μm、1200 μm、1300 μm、1400 μm、1500 μm、1600 μm、1700 μm、1800 μm、1900 μm或2000 μm。光橋與上波導之間(以及光橋與下波導之間)的距離可以以下方式決定：上波導(或下波導)中之光模與光橋結構中之光模具有很少的(或有限的)、但不為零的重疊部分。隨後，上光導中之光模可有效地過渡(或融合)至光橋結構中且進一步過渡(或融合)至下光導層中。該距離為波長以及波導結構(每一層之厚度及折射率)之函數。在針對λ為~4.6 μm之波導結構之情況下，該距離包含約3.5 μm，而GaInAs光橋(及下波導層)之厚度包含約0.65 μm。在一些實施例中，光橋與上波導之間的距離包含約0.5 μm、0.75 μm、1.0 μm、1.25 μm、1.5 μm、1.75 μm、2.0 μm、2.25 μm、2.5 μm、2.75 μm、3.0 μm、3.25 μm、3.5 μm、3.75 μm、4.0 μm、4.25 μm、4.5 μm、4.74 μm、5.0 μm、5.25 μm、5.5 μm、5.75 μm或6.0 μm。在一些實施例中，光橋與被動(下)波導之間的距離包含約0.5 μm、0.75 μm、1.0 μm、1.25 μm、1.5 μm、1.75 μm、2.0 μm、2.25 μm、2.5 μm、2.75 μm、3.0 μm、3.25 μm、3.5 μm、3.75 μm、4.0 μm、4.25 μm、 4.5 μm、4.74 μm、5.0 μm、5.25 μm、5.5 μm、5.75 μm或6.0 μm。
本文中呈現之光學波導可包含被動波導層。被動波導層可包含允許雷射在所需波長下傳播之合適材料，諸如GaInAs。被動波導可包含寬度為約1 μm至約20 μm、長度達若干毫米(長度通常由分裂界定)之尺寸。在一些實施例中，被動波導之寬度為約1 μm、2 μm、3 μm、4 μm、5 μm、6 μm、7 μm、8 μm、9 μm、10 μm、11 μm、12 μm、13 μm、14 μm、15 μm、16 μm、17 μm、18 μm、19 μm或20 μm，長度為約100 μm、150 μm、200 μm、250 μm、300 μm、400 μm、500 μm、600 μm、700 μm、800 μm、900 μm、1000 μm、1500 μm、2000 μm、3000 μm、4000 μm、5000 μm、6000 μm、7000 μm、8000 μm、9000 μm或10,000 μm。在一些實施例中，光橋及被動波導之厚度各自分別為約0.05 μm、0.1 μm、0.2 μm、0.3 μm、0.4 μm、0.45 μm、0.5 μm、0.55 μm、0.6 μm、0.65 μm、0.7 μm、0.75 μm、0.8 μm、0.9 μm、1.0 μm、1.1 μm、1.2 μm、1.3 μm、1.4 μm、1.5 μm、1.6 μm、1.7 μm、1.8 μm、1.9 μm或2.0 μm。可藉由在介電材料之溝槽中沉積來實現橫向模式約束，且隨後可用金塗覆整個脊部以在脊部產生光時幫助自脊部散熱。更通常而言，若雷射在InP基板上生長，則藉由在溝槽中生長半絕緣材料(諸如InP)來實現橫向模式約束。光可自被動波導之分裂端發出。
可將光橋及被動波導層構造為與主動波導平行及/或相互平行。如本文中所使用，「平行」意謂由結構之長度 及寬度形成之平面相對於共用平面之距離處處近似相等及/或具有相同角度。在一些實施例中，平行意謂平面具有±5、±4、±3、±2或1±°之相同角度。
此外，有了此設計，具有較長波長之DFB區段應位於整個結構之前面部分，且具有較短波長之DFB區段應位於後面。較短波長之光將傳播穿過被動波導層而不洩露到具有較長波長之前DFB區段中，原因在於較短波長與「光橋」GaInAs層之模重疊較少。
實施例可進一步包含抗反射或防反射(AR)層。如本文中所使用，AR層包含塗覆至裝置之至少一端(面)且降低反射(具體而言降低IR區域中之反射)之光學塗層。AR層可為任意類型，諸如折射率匹配型、單一層干擾型、多層干擾型或蛾眼(奈米結構)型。在一些實施例中，AR塗層提供低於約10%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.01%、0.001%或0%之損失。
實施例進一步包含至少兩個串聯置放之雷射區段，每一雷射區段包含相移光柵，其中多個光柵具有不相等週期或佈雷格波長。本文中所使用之光柵包含由具有不同折射率之多層交替材料形成之結構，或藉由某一特徵(諸如高度)之週期性變化形成之結構，從而引起波導中有效折射率之週期性變化。每一層邊界導致光波之部份反射。對於傳播穿過第m階光柵之光波(光波之波長接近於週期與有效折射率之乘積的倍)，許多反射與相長干涉結合，且光柵起到高品質反射器之作用。相移光柵可包含(例如)1/8、1/4或其他 相移光柵。
二極體雷射中四分之一波長相移、分佈回饋式共振器之使用係有益的，原因在於該等共振器在光柵阻帶之中心處提供共振，相較於任意側之共振，中心處之共振具有較高品質之因數。四分之一波長相移DFB傳輸共振器之窄帶共振具有洛仁子(Lorentzian)回應。可在H.Haus及Y.Lai之Theory of Cascaded Quarter Wave Shifted Distributed Feedback Resonators,28(1)IEEE J.QUANTUM ELEC.205-213(1992)中發現四分之一波長相移共振器之原理及用途，此文章全文以引用之方式併入本文。
具有多個週期之光柵可藉由電子束(「e-beam」)寫入或接觸印刷由e-beam微影製造之光柵遮罩而圖案化。
在實施例中可發現之額外組份包含在增益材料上方及/或下方之n型覆蓋層。主動增益及波長選擇性區段可用圖案化之電接觸層覆蓋，該圖案化之電接觸層包含專用於不同雷射區段之各別控制電極。可將絕緣介電材料沉積在圖案化電接觸層之適當區域中以電性隔離雷射結構之不同區域。
在一些實施例中，如美國申請案第13/050,026號中所描述，雷射區段由p型電隔離區域隔開，該案全文以引用之方式併入。舉例而言，可將主動波導核心夾在上n型覆蓋層與下n型覆蓋層之間。主動核心及下n-型覆蓋層以及上覆蓋層之至少部分延伸穿過實施例之電性隔離的雷射區段。上n型覆蓋層之一部分或多個部分包含足夠之p型摻雜物以界定一或更多個p型電隔離區域，該一或更多個p型電隔離區域沿將實施例之區段隔開的突出部延伸穿過上n型覆蓋層之部 分厚度。上n型覆蓋層與下n型覆蓋層可包含InP、GaAs、AlGaAs，或其他習知的或尚未研發之合適覆蓋材料。舉例而言(且並非限制)，設想可能合適之各種覆蓋材料，包括第II-VI族半導體、Si-Ge或GaN基材料等。在美國申請案第61/586,327號中描述了隔開雷射區段之額外方法，該案全文以引用之方式併入。
舉例而言(且並非限制)，或者設想上n型覆蓋層與下n型覆蓋層可為GaAs基覆蓋層。一些覆蓋層可為AlGaAs或(Al)GaInP，而非僅僅只有GaAs。對於GaAs基覆蓋層，核心可為GaAs/AlGaAs、AlGaAs/AlGaAs、(Al)GaInP/(Al)GaInP或GaInAs/(Al)GaAs。針對結構之剩餘層設想類似組合物之額外層，且類似組合物之額外層應經選擇以補償GaInAs與GaAs基板之間的任意晶格錯配。舉例而言(且並非限制)，其他可能之層為GaInP、AlGaInP、GaAsP及GaInAsP。對於GaAs基覆蓋層，用於形成(Al)GaAs半絕緣之合適摻雜物包括(但不限於)Cr及O。在溫度增長非常緩慢之情況下，可在無任何摻雜物之情況下獲得半絕緣(Al)GaAs。
本文中之實施例可以脈衝模式或連續波模式使用。雷射脈衝持續時間可為約1 ns至約1 ms。在一些實施例中，FWHM下之脈衝寬度為約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或1 ms。在一些實施例中，本文中所呈現之裝置可設計為同時、個別地及或以 連續或程式化之順序激發所有雷射區段。
本文中所描述之實施例具有超過100 cm-1、超過200 cm-1、超過300 cm-1、超過400 cm-1或超過500 cm-1之可調諧性。在一些實施例中，cDFB實施例具有自約100 cm-1至約500 cm-1之波長跨度。
雷射區段之峰值波長可選擇為一個分子之寬吸收線或不同分子之若干吸收線的樣本波長(λsi，I=1至n)。在一些實施例中，cDFB在約2.5 μm至約15 μm之區域中雷射發光。在一些實施例中，cDFB在約2.5 μm、2.6 μm、2.7 μm、2.8 μm、2.9 μm、3.0 μm、3.1 μm、3.2 μm、3.3 μm、3.4 μm、3.5 μm、3.6 μm、3.7 μm、3.8 μm、3.9 μm、4.0 μm、4.1 μm、4.2 μm、4.3 μm、4.4 μm、4.5 μm、4.6 μm、4.7 μm、4.8 μm、4.9 μm、5.0 μm、5.1 μm、5.2 μm、5.3 μm、5.4 μm、5.5 μm、5.6 μm、5.7 μm、5.8 μm、5.9 μm、6.0 μm、6.5 μm、7.0 μm、7.5 μm、8.0 μm、8.5 μm、9.0 μm、9.5 μm、10.0 μm、10.5 μm、11.0 μm、11.5 μm、12.0 μm、12.5 μm、13.0 μm、13.5 μm、14.0 μm、14.5 μm或15.0 μm下雷射發光。
可以任意數目之方法使用實施例，其中IR輻射及特定IR雷射輻射將為有益的。特定應用包括IR吸光度或反射率量測、IR及FTIR光譜學、拉曼光譜學、氣體及/或化學武器檢測、化學動力學及動力量測、熱試驗等。在一個實施例中，在IR吸光度量測中使用該等實施例以識別分子組成物。
實例 實例1
第6圖中之波導結構經設計以藉由將光導入核心層下方之GaInAs波導層並擴展光模來展示小遠場角度。短GaInAs層(核心下方之第一層)位於前面附近，以使得僅可將光導入前面附近之波導層中。結果僅部分成功。如第7圖中所示，如所設計將光導入波導結構，從而證明可藉由置放短的第一GaInAs層而將光匯出任意所選點。然而，由於波導層之大寬度(為了實現小遠場角)，啟動較高階模而非基諧模。第8圖圖示在無第一GaInAs層之情況下由於兩個光模之間的重疊太少，光將不會被導入第二波導層。
實例2(預期)
第9圖中圖示所提出之用於多波長串級DFB QCL結構之波導結構。由每一DFB區段發出之光將經由光橋層(舉例而言，包含GaInAs)導入每一區段下方之波導層(例如，GaInAs)。可將光橋置放於每一DFB區段之中心，在該中心處，四分之一波長相移DFB結構之光強度達到最大值。此結構包含穿過整個結構之單一被動波導層，且此層之設計應足夠窄(~8 μm)以避免較高次模。導引光穿過被動波導將允許光經歷低得多之損失，原因在於低摻雜GaInAs之損失係在1 cm-1至2 cm-1範圍之內。可藉由降低GaInAs層中之摻雜進一步降低該損失。
實例3(預期)
第11圖中圖示另一所提出之用於多波長串級DFB QCL結構波導結構。第11A圖圖示結構之俯視圖，其中光橋及被動波導位於雷射脊部之側面。第11B圖描述該替代波導 之縱向截面圖，該縱向截面圖圖示光橋位於被動波導與主動層之間的一高度處。波導層可包含任意數目之組成物，該等組成物在需要之波長下為透光的。

Claims (20)

  1. 一種波導結構，該波導結構包含：a.由一光學增益材料製成之一主動半導體光學波導；b.一光橋；及c.一被動光學波導；其中該光橋在空間上位於該主動波導與該被動波導之間，且其中該主動波導、光橋及被動波導經由一光學波導材料非實體地連接。
  2. 如請求項1所述之波導結構，其中該主動波導與光橋平行且在最近點處相距約1 μm至約8 μm。
  3. 如請求項1所述之波導結構，其中該光橋與該被動波導平行且在該最近點處相距約1 μm至約8 μm。
  4. 如請求項1所述之波導結構，其中該主動波導與光橋平行且在該最近點處相距約2 μm至約6 μm，且該光橋與該被動波導平行且在該最近點處相距約1 μm至約8 μm。
  5. 一種雷射，該雷射包含：a.一增益材料，該增益材料包含形成一超晶格之至少兩個組成不同之層，其中該增益材料藉由子帶間或帶間過渡產生光子； b.串聯佈置之至少兩個雷射區段，其中每一雷射區段包含具有不相等週期或佈雷格波長之光柵，且其中該等雷射區段係由一電絕緣區域隔開；及c.一波導結構，該波導結構包含：i.與一增益材料接觸之一主動波導；ii.至少一個光橋；及iii.一被動波導；其中：1.每一光橋在空間上位於該主動波導與被動波導之間；且2.該主動波導、光橋及被動波導經由一波導材料非實體地連接。
  6. 如請求項5所述之雷射，其中該主動波導與光橋平行且在該最近點處相距約1 μm至約8 μm。
  7. 如請求項5所述之雷射，其中該等光橋與該被動波導平行且在該最近點處相距約1 μm至約8 μm。
  8. 如請求項5所述之雷射，其中該主動波導與光橋平行且在該最近點處相距約2 μm至約6 μm，且該光橋與該被動波導平行且在該最近點處相距約1 μm至約8 μm。
  9. 如請求項5所述之雷射，其中該等雷射區段由一n型覆蓋層中包含一p型層之一電絕緣區域隔開，或藉由移除該n型覆蓋層之高摻雜部分而隔開。
  10. 如請求項5所述之雷射，其中自該等雷射區段中之至少一者發射之波長為約2.5 μm至約15 μm。
  11. 如請求項5所述之雷射，其中該超晶格之至少一個層包含GaxIn1-xAs，其中x為0至1。
  12. 如請求項5所述之雷射，其中該超晶格之至少一個層包含AlyIn1-yAs，其中y為0至1。
  13. 如請求項5所述之雷射，其中該主動區域包含至少兩個堆疊，其中在最短波長下具有雷射區段之該等堆疊佈置於該裝置之中心。
  14. 一種檢測來自一樣本之信號輸出的方法，該方法包含以下步驟：a.將來自請求項5之雷射的至少一個雷射事件應用至該樣本；及b.在與該樣本相互作用之後收集至少部分光。
  15. 如請求項14所述之方法，其中該雷射波長處於紅外線區域中。
  16. 如請求項14所述之方法，其中該光之該收集步驟提供關於該樣本之紅外線吸光度之資訊。
  17. 如請求項14所述之方法，其中該樣本為氣相的。
  18. 如請求項14所述之方法，其中該樣本為液相的。
  19. 如請求項14所述之方法，其中該樣本為固體相的。
  20. 如請求項14所述之方法，其中該光之該收集步驟提供關於該樣本之紅外線反射率之資訊。
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