TW201342755A - 面射型多波長分散式－反饋的同心環雷射 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示佈置於同心圓中之多面發射型中IR多波長分散式-回饋的量子級聯環雷射。雷射運用量子級聯核心設計以在中紅外線區域中產生光學增益且雷射可同時或順序地產生若干波長。本發明亦揭示製造此等裝置之方法以及使用此等裝置之方法。

Description

面射型多波長分散式-反饋的同心環雷射
本申請案根據專利法主張2012年2月28日申請之美國臨時申請案第61/604,170號之優先權權益，本文依賴於該申請案之內容且該申請案之內容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，且更特定而言係關於中紅外線區域中之分散式回饋雷射，該等分散式回饋雷射具有由同心環製成之活性核心以同時或順序地產生若干波長。亦揭示製造此等裝置及使用此等裝置之方法。
分散式回饋(「DFB」)雷射為固態二極體雷射技術，該固態二極體雷射技術將繞射光柵併入雷射之活性區域。DFB設計允許發射經由溫度改變可稍作調諧之穩定、單一的波長。DFB雷射廣泛地用於光學通信應用中，在該等光學通信應用中，裝置之精確並穩定的波長係關鍵的。然而，DFB雷射之受限可調諧性呈現出眾多問題且限制裝置在其他領域中 之整體效用。若DFB雷射之強度可擴展至整個更寬範圍之波長，則該DFB雷射在諸如紅外線干擾、氣體感測、通信及其他應用之領域中可能有利。
第一實施例包含：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；及至少兩個圓形雷射區段，該至少兩個圓形雷射區段以共同中心置放於同心圓中，其中光柵具有非等效週期或佈雷格波長，且其中雷射區段藉由電氣絕緣區域分離。在一些實施例中，增益材料藉由子帶間過渡產生光子。在一些實施例中，雷射區段藉由包含半絕緣型層的電氣絕緣區域分離或藉由移除N型包覆層之高度摻雜部分來分離。在一些實施例中，來自雷射區段中之至少一個雷射區段的發射波長為約2.5 M至約15 M。在一些實施例中，超晶格中之至少一個層包含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。在其他實施例中，活性區域包含至少一個、兩個或三個活性堆疊。在一些實施例中，雷射區段以脈衝模式雷射。在一些實施例中，雷射脈衝持續時間為約10 NS至約1 MS。在其他實施例中，雷射區段以連續模式雷射。在一些實施例中，所有雷射區段可同時激發。在一些實施例中，雷射區段順序地激發。
第二實施例包含一種偵測來自樣品之信號輸出的方法，該方法包含以下步驟：向樣品施加來自實施例之至少一個雷射事件；及在雷射事件與樣品相互作用後收集光之至少 一部分。在一些實施例中，雷射波長處於中紅外線區域中。在一些實施例中，收集光之步驟提供關於樣品之中紅外線吸光度之資訊。在一些實施例中，樣品為固相、氣相或液相的。在一些實施例中，收集光之步驟提供關於樣品之中紅外線反射之資訊。在一些實施例中，樣品為固相或液相的。
300‧‧‧金屬觸點
330‧‧‧光及電流(載體)
第1圖為CO2在2350CM-1附近的吸收光譜。
第2圖為葡萄糖在不同濃度下的吸收光譜。
第3A圖自頂部且以橫截面描述頂面發射中IR三波長分散式回饋(DFB)的量子級聯(QC)同心環雷射。每一環雷射之金屬觸點(300)連接至未圖示之接合墊。光及電流(載體)(330)藉由半絕緣(SI)INP電流阻擋層約束。約束之替代性方式可藉由突起的脊部提供。第3B圖描述底面發射DFB QC同心環雷射。如在第3A圖中，每一環雷射之金屬觸點(300)連接至未圖示之接合墊，且光及電流(載體)藉由半絕緣(SI)INP電流阻擋層約束。約束之替代性方式可藉由突起的脊部提供。
第4圖為具有五個不同週期之五個光柵的反射光譜，該五個不同週期經選擇以匹配第2圖中所圖示之葡萄糖之五個吸收峰值。
第5圖為來自QC核心之堆疊之自發發射光譜。每一核心之增益峰值設計為接近取樣波長中之一個取樣波長。
可參考以下詳細描述、圖式、實例及申請專利範圍 及以上各者之先前描述及以下描述更容易地理解本發明。然而，在揭示及描述本文組成物、物件、裝置及方法之前，應理解，除非另有說明，本發明並不限於所揭示之特定組成物、物件、裝置及方法，因為此等組成物、物件、裝置及方法無疑是可變化的。亦應理解，本文中所用術語僅用於描述特定態樣之目的且不意在限制。
提供本文之以下描述作為在本發明之當前已知實施例中致能本發明之教義。為此，相關領域之技術人員將認識到且瞭解，可對本文中描述之本發明之各種態樣作出許多改變，同時仍獲得本發明之有益結果。亦將顯而易見的是，本發明之所要利益中之一些利益可藉由選擇本發明之特徵中之一些特徵而不運用其他特徵來獲得。因此，此技術領域中之工作人員將認識到，對本發明之許多修改及改編在某些情況下係可能的且甚至係合意的，且該等修改及改編為本發明之一部分。因此，提供以下描述作為對本發明之原理之說明且不作為本發明之原理之限制。
揭示材料、化合物、組成物及組分，該等材料、化合物、組成物及組分可用於、可共同用於、可用於準備所揭示方法及組成物之實施例或為所揭示方法及組成物之實施例。本文揭示該等材料及其他材料，且應理解，當揭示該等材料之組合、子集、相互作用、群組等，儘管可能該等組份之每一不同之個別及集合組合及排列之特定參考未明確揭示，但本文特定設想並描述每一者。因此，若揭示一類取代物A、取代物B及取代物C且揭示一類取代物D、取代物E 及取代物F以及組合實施例A-D之實例，則個別地及集合地設想每一者。因此，在此實例中，特定地設想組合A-E、組合A-F、組合B-D、組合B-E、組合B-F、組合C-D、組合C-E及組合C-F中之每一組合且應將每一組合考慮為自A、B及/或C之揭示內容、D、E及/或F之揭示內容以及示例性組合A-D之揭示內容揭示。同樣，亦特定地設想及揭示該等組合中之任何子集或組合。因此，舉例而言，特定地設想A-E、B-F及C-E之子群組，且該子群組應考慮為自A、B及/或C之揭示內容、D、E及/或F之揭示內容以及示例性組合A-D之揭示內容揭示。此概念適用於本揭示案之所有態樣，包括(但不限於)組成物之任何組分及製造所揭示組成物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，則應理解，該等額外步驟中之每一步驟可由所揭示方法之任何特定實施例或實施例之組合實施，且應理解，特定地設想每一此組合且應將每一此組合考慮為經揭示的。
在此說明書中且在以下申請專利範圍中，將參考眾多術語，該等術語將界定為具有以下意義：「包括」或相似術語意謂涵蓋但不限制，亦即，為包含性的而非獨佔的。
除非另有規定，術語「約」涉及範圍中之所有術語。舉例而言，約1、2或3等效於約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。所揭示之用於組成物、組分、成份、添加物及相似態樣之特定及較佳值以及該等值之範圍僅用於說明；該等值及該等範圍不排除其他所界定之 值或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、更特定之值及較佳值中之任何值或任何組合。
除非另有說明，本文所使用之不定冠詞「一」及其相應定冠詞「該/該等」意謂至少一個或一或更多個。
如本文中所使用，「超晶格」包含具有不同帶隙之至少兩種半導體材料，該等不同帶隙產生量子阱約束及子帶間過渡(參見(例如)美國申請案第61/564,375號，該申請案全文以引用之方式併入本文中)。至少兩種半導體材料之厚度可在晶格內改變或可為恆定厚度。若材料之厚度改變，則該等厚度可以線性方式或非線性方式改變。
如本文中所使用，「級」包含藉由超晶格形成之一系列量子阱，該等量子阱允許電子自注射極區域過渡至活性區段。如本文中所使用，「堆疊」包含一系列級。「活性區域」或「核心」由至少一個堆疊組成，且「活性區域」或「核心」用以描述雷射產生光發射之區域。
第一實施例包含多面發射型中IR多波長分散式回饋的量子級聯同心環雷射(「DFB-QC-CRL」)以即時地同時或順序地產生多個波長。在一些實施例中，DFB-QC-CRL雷射處於具有共用共同中心軸之同心佈置中。在一些實施例中，每一DFB-QC環雷射之雷射波長藉由該雷射自身之二階光柵決定。在一些實施例中，所有DFB-QC環雷射沿同一方向朝向同一空間發射光。對於需要更多波長之某些應用，可在一個晶片內以一維或二維方式重複同心環雷射，且所有雷射可 經設計以朝向同一空間點發射光。
在一些實施例中，DFB-CRL在紅外線(「IR」)區域中雷射。在一些實施例中，DFB-CRL在約2.5 M至約15 M之區域中雷射。此類裝置能夠取樣單一分子之寬吸收譜線或不同分子之若干吸收譜線。形成實施例之方法可包含使用類似於用於分散式回讀(「DFB」)的量子級聯雷射(「QCLS」)之製造過程的製造過程。本文中之實施例有利之處在於，由於更小的尺寸、更快的速度及更低的成本，該等實施例可取代波長可調諧外腔(「EC」)QCL。此外，較之DFB QCL陣列，實施例亦具有尺寸及成本優勢，因為DFB QCL陣列需要光學合成光學器件來將陣列之輸出合成為一個光束。
實施例可能有用之一個特定應用為經由紅外線(「IR」)光譜法應用於化學分析中。來自化學鍵之振動的中IR區域中之強吸收譜線可用以識別分子組成物。如DFB QCL之中IR波長可調諧源可用以掃描吸收譜線周圍之波長。儘管傳統DFB QCL具有約10 CM-1之小波長調諧範圍且傳統DFB QCL通常用以偵測窄吸收譜線中之一個吸收譜線，諸如小分子之吸收譜線(例如，第1圖圖示2350 CM-1附近之CO2之吸收譜線，亦即，約4.2至4.3 M)，但本發明之實施例具有更大波長覆蓋率且本發明之實施例可用以偵測大分子之寬吸收譜線(第2圖圖示在950 CM-1至1200 CM-1處之葡萄糖之吸收)。
核心提供實現雷射所需之光學增益。雷射之核心可包含量子級聯(「QC」)區域或帶間級聯(「IC」)區域之堆疊。 可使用具有大光學增益之任何QC結構或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。每一核心之增益峰值經設計以接近取樣波長中之一個取樣波長，如第5圖中所圖示。在較短波長下具有光學增益之核心通常應置放於更靠近光模之中心處，因為較短波長之光模比較長波長之光模窄。
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。藉由層厚度之適當設計，可在系統中之兩個子帶之間設計粒子數反轉，該粒子數反轉為實現雷射發射所必需。層之厚度可視所要設計而相同或不同。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。
可用以形成增益材料中之層的材料大體上包含半導體，諸如IV族半導體、III-V族半導體及II-VI族半導體。在一些實施例中，層可包含GAAS、ALXGA1-XAS、SIXGE1-X，或GAXIN1-XAS及ALYIN1-YAS、GASB、INAS、ALSB、GAXIN1-XSB，其中X及Y為0至1。
超晶格增益材料可使用各種技術產生，例如分子束 磊晶(MBE)(包括氣源MBE及MO-MBE)、有機金屬氣相磊晶(MOVPE)或濺鍍。此等方法允許產生具有僅幾個原子間距之厚度的層。
實施例可進一步包含光學波導。如本文中所使用之光學波導包含實體結構，該實體結構導引光譜中之電磁波。儘管不限於任何特定類型之波導，但通常使用之一類光學波導為脊形波導。藉由在量子級聯增益材料中蝕刻平行溝槽以形成QC材料之絕緣環來形成脊形波導，在環雷射之情況下，該脊形波導通常(但不必)寬約10 M且長若干毫米，該波導包含圓或圓形結構。可藉由在溝槽中沉積介電材料來實現橫向模式約束，且隨後通常用金塗佈整個脊部以提供電性接觸及幫助在脊部產生光時自脊部移除熱量。更通常而言，若雷射形成於INP基板上，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。自頂面或地面發射光。
實施例可進一步包含抗反射(AR)層。如本文中所使用，AR層包含光學塗層，該光學塗層塗覆至裝置之至少一面且該光學塗層減少反射(尤其是在IR區域中)。AR層可為任何類型之層，諸如折射率匹配層、單一層干擾層、多層干擾層或蛾眼膜(奈米結構的)層。在一些實施例中，AR塗層提供小於約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雷射區段，該至少兩個雷射區段以共同中心點置放於同心圓中，每一雷射區段包含光柵，其中光柵具有非等效週期或佈雷格波長。如本文中所 使用，光柵包含以下結構，該結構由具有變化折射率之多層替代材料形成，或該結構藉由一些特性(諸如高度)之週期性變化(從而導致導引中之有效折射率之週期性變化)而形成。每一層邊界引起光波之部分反射。對於波長接近週期與有效折射率之倍增的波，許多反射與相長干擾組合，且光柵充當高品質反射器，該高品質反射器在平面中部分地反射光以實現雷射且部分地將光反射出平面作為面射輸出。
另一實施例包含多個同心環雷射，該等同心環雷射在單一晶片上以一維或二維方式重複。在一些實施例中，雷射經設計以朝向同一空間點發射光。
可藉由電子束微影技術製造之光柵遮罩之電子束(「E束」)直寫或接觸印刷來圖案化具有多個週期之光柵。第4圖圖示具有五個不同週期之五個光柵的五個反射峰值，該五個不同週期經選擇以匹配第2圖中所圖示之葡萄糖之五個吸收峰值。
實施例中可找到之額外組分包含增益材料上方及/或下方之N型包覆層。活性增益及波長選擇區段可由圖案化電氣接觸層包覆，該圖案化電氣接觸層包含專用於不同雷射區段之個別控制電極。絕緣介電材料可沉積於圖案化電氣接觸層中之適當區域中以使雷射結構之不同區域電氣絕緣。
在一些實施例中，活性波長核心可包夾於上N型包覆層與下N型包覆層之間。上N型包覆層與下N型包覆層可包含INP、GAAS、ALGAAS、INAS、ALSB或合適的任何其他習知包覆材料或待開發包覆材料。舉例而言(但並非限 制)，設想各種包覆材料(包括II-VI半導體、基於SI-GE之材料或基於GAN之材料等)可為合適的。
額外組分可包含絕緣層及金屬接觸層(參見(例如)第3A圖及第3B圖)。
存在實現絕緣區域之不同方法。在該等方法中，尤其係選擇性的鐵摻雜INP之生長、離子植入及P型摻雜劑之擴散。若選擇最後之選項，則上N型包覆層及下N型包覆層之個別組成物及增益材料可經選擇以促進藉由摻雜劑擴散形成P型電氣絕緣區域。更特定而言，上N型包覆層及下N型包覆層可包含INP，且P型摻雜劑可經選擇以使得該P型摻雜劑在INP上N型包覆層中之最大穩定濃度低於大約N X 1018 CM-3，其中N小於3。
絕緣雷射區段之替代性方法包含移除N型包覆層之高度摻雜部分。
舉例而言(但並非限制)，可替代地設想上N型包覆層及下N型包覆層可為基於GAAS之包覆層。包覆層中之一些包覆層可為代替僅GAAS或INP之ALGAAS或(AL)GAINP。對於基於GAAS之包覆層，核心可為GAAS/ALGAAS、ALGAAS/ALGAAS、(AL)GAINP/(AL)GAINP或GAINAS/(AL)GAAS。設想類似組成物之額外層用於結構之剩餘層，且該等額外層應經選擇以補償GAINAS與GAAS基板之間的任何晶格失配。舉例而言(但並非限制)，其他可能的層為GAINP、ALGAINP、GAASP及GAINASP。對於基於GAAS之包覆層，用以製成(AL)GAAS半絕緣之合適的摻雜劑 包括(但不限於)CR及O。在極低之溫度增長下，可在無任何摻雜劑之情況下獲得半絕緣(AL)GAAS。
本文中之實施例可用於脈衝或連續波模式中。雷射脈衝持續時間可為約1 NS至約1 MS。在一些實施例中，在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 S、10 S、100 S或1 MS。在一些實施例中，本文中體現之裝置可經設計以同時地、個別地及/或以順序的或漸進式次序激發所有雷射區段。
由於本文中之實施例併入外腔量子級聯雷射之態樣，可自裝置輸出之雷射波長之寬度顯著大於來自DFB雷射之雷射波長的所預料寬度。DFB QCL大體上具有約10 CM-1之小可調諧性。
雷射區段之峰值波長可經選擇為一個分子之寬吸收譜線或不同分子之若干吸收譜線之取樣波長(SI，I=1至N)。在一些實施例中，DFB CRL在約2.5 M至約15 M之區域中雷射。在一些實施例中，DFB CRL在約2.5 M、2.6 M、2.7 M、2.8 M、2.9 M、3.0 M、3.1 M、3.2 M、3.3 M、3.4 M、3.5 M、3.6 M、3.7 M、3.8 M、3.9 M、4.0 M、4.1 M、4.2 M、4.3 M、4.4 M、4.5 M、4.6 M、4.7 M、4.8 M、4.9 M、5.0 M、5.1 M、5.2 M、5.3 M、5.4 M、5.5 M、5.6 M、 5.7 M、5.8 M、5.9 M、6.0 M、6.5 M、7.0 M、7.5 M、8.0 M、8.5 M、9.0 M、9.5 M、10.0 M、10.5 M、11.0 M、11.5 M、12.0 M、12.5 M、13.0 M、13.5 M、14.0 M、14.5 M或15.0 M下雷射。
實施例可用於任何數目之方法中，其中IR輻射及特定IR雷射輻射將為有利的。特定應用包括IR吸光度或反射率測量、IR及FTIR光譜法、拉曼(RAMAN)光譜法、氣體及/或化學武器偵測、化學動態學及動力學測量、熱實驗等。在一個實施例中，實施例用於IR吸光度測量以識別分子組成物。
300‧‧‧金屬觸點
330‧‧‧光及電流(載體)

Claims (18)

  1. 一種雷射，該雷射包含：i)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過渡產生光子；及ii)具有非等效長度之至少兩個圓形雷射區段，該至少兩個圓形雷射區段以一共同中心置放於一同心圓中，其中：a.每一雷射區段包含i.一光柵，該光柵具有一非等效週期或佈雷格(Bragg)波長；及ii.一活性區域；且b.該等雷射區段藉由一電氣絕緣區域分離。
  2. 如請求項1所述之雷射，其中該等雷射區段藉由一電氣絕緣區域分離，該電氣絕緣區域在一n型包覆層中包含一p型或半絕緣層，或該等雷射區段藉由移除該n型包覆層之高度摻雜部分來分離。
  3. 如請求項1所述之雷射，其中來自該等雷射區段中之至少一個雷射區段的發射波長為約2.5 μm至約15 μm。
  4. 如請求項1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。
  5. 如請求項1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。
  6. 如請求項1所述之雷射，其中該活性區域包含至少三個堆疊，且其中該等雷射區段經佈置以使得以最短波長發射之該區段最靠近該共同中心，且以最長波長發射之該區段最遠離該共同中心。
  7. 如請求項1所述之雷射，其中該等雷射區段以脈衝模式雷射。
  8. 如請求項7所述之雷射，其中雷射脈衝寬度為約10 ns至約1 ms。
  9. 如請求項1所述之雷射，其中該等雷射區段以連續模式雷射。
  10. 如請求項1所述之雷射，其中所有雷射區段可同時激發。
  11. 如請求項1所述之雷射，其中該等雷射區段可順序地激發。
  12. 一種偵測來自一樣品之信號輸出的方法，該方法包含以下步驟：a.向該樣品施加來自請求項1之該雷射之至少一個雷射事件；及b.在該雷射事件與該樣品相互作用後，收集光之至少一部分。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該雷射波長處於紅外線區域中。
  14. 如請求項13所述之方法，其中收集該光之該步驟提供關於該樣品之紅外線吸光度之資訊。
  15. 如請求項12所述之方法，其中該樣品為氣相的。
  16. 如請求項12所述之方法，其中該樣品為液相的。
  17. 如請求項12所述之方法，其中該樣品為固相的。
  18. 如請求項12所述之方法，其中收集該光之該步驟提供關於該樣品之紅外線反射之資訊。
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