表面发射多波长分布反馈同心环形激光器

摘要

披露了布置在同心圆内的多表面发射中IR多波长分布反馈量子级联环形激光器。激光器利用量子级联芯设计以在中红外区内产生光增益，并可同时或顺序地产生若干波长。也披露了制造和使用这些设备的方法。

权利要求

1.一种激光器，包括：

i)增益材料，其包括至少两个组成不完全相同的层，所述层形成超晶格，其中所述增益材料通过子带间跃迁而产生光子；以及ii)具有不等长度的至少两个圆形激光发射部分，所述至少两个圆形激光部分被布置在具有共同中心的同心圆内，其中：a.每个激光发射部分包括：

i.具有不等的周期或布拉格波长的光栅；以及ii.有源区；以及

b.所述激光发射部分由包括在InP上n型包层内的最大稳定浓度低于n×1018cm-3的p型掺杂物的电隔离区分隔开，其中n小于3。

2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，来自至少一个激光器发射部分的发射波长是从2.5μm至15μm。

3.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述超晶格的至少一个层包括GaxIn1-xAs，其中x从0至1。

4.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述超晶格的至少一个层包括AlyIn1-yAs，其中y从0至1。

5.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述有源区包括至少三个叠层，并且所述激光器发射部分被布置成使在最短波长下发射的部分最靠近所述共同中心，并使在最长波长下发射的部分最远离所述共同中心。

6.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光器发射部分以脉冲模式发出激光。

7.如权利要求6所述的激光器，其特征在于，激光脉宽是从10ns至1ms。

8.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光器发射部分以连续模式发出激光。

9.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所有激光器发射部分可同时地发射。

10.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光器发射部分是按顺序地发射的。

11.一种检测来自样本的信号输出的方法，包括：a.从权利要求1所述的激光器向所述样本施加至少一个激光事件；以及b.在它已与所述样本相互作用之后收集至少一些光。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，激光波长是在红外区中。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，光的收集提供关于所述样本的红外吸收率的信息。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述样本处于气相。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述样本处于液相。

16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述样本处于固相。

17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，光的收集提供关于所述样本的红外反射率的信息。

说明书

表面发射多波长分布反馈同心环形激光器

[0001] 本申请根据35U.S.C.§119要求2012年2月28日提交申请的美国临时申请61/604,170的优先权，且基于其内容并通过引用将其内容整体援引于此。

技术领域

[0002] 本说明书总地涉及基于半导体的激光器，并更具体地涉及在中红外区的分布式反馈激光器，该分布式反馈激光器具有由同心环制成的有源纤芯以同时或顺序地产生若干波长。也披露了制造和使用这些设备的方法。

背景技术

[0003] 分布反馈(DFB)式激光器是固态二极管激光器技术，它将衍射光栅引入到激光器的有源区。DFB设计允许稳定的单波长的发射，所述波长经由温度改变而可细微地调谐。DFB激光器广泛地用于光通信应用中，其中设备的精确和稳定的波长是关键的。然而，DFB激光器的有限可调谐性导致许多问题并限制了这些设备在其它领域中的总体有用性。如果DFB激光器的强度可扩展到更宽范围的波长，那么在例如红外对抗、气体感测、通信和其它应用的领域内将是有利的。

发明内容

[0004] 第一实施例包括：激光器，其包括具有至少两个组成的不相似层的增益材料，所述层形成超晶格；以及被布置成具有共同中心的同心圆的至少两个环形激光发射部分，其中光栅具有非等同的周期或布拉格波长并且激光器部分由电隔离区分隔开。在一些实施例中，增益材料通过子带间跃迁而产生光子。在一些实施例中，激光发射部分通过包括半绝缘型层的电隔离区并通过移除n包层的高掺杂部分而分隔开。在一些实施例中，来自至少一个激光器部分的发射波长从大约2.5μm至大约15μm。在一些实施例中，超晶格的至少一个层包括GaxIn1-xAs，其中x从0至1。在一些实施例中，超晶格的至少一个层包括AlyIn1-yAs，其中y从0至1。在其它实施例中，有源区包括至少一个、两个或三个有源叠层。在一些实施例中，激光器部分以脉冲方式发出激光。在一些实施例中，激光脉冲持续时间从大约10ns至大约1ms。
在其它实施例中，激光器部分以连续模式发出激光。在一些实施例中，所有激光器部分可同时发射。在一些实施例中，激光器部分是按顺序地发射的。

[0005] 第二实施例包括检测来自样本的信号输出的方法，包括：将至少一个激光事件从一个实施例施加至样本；并在其与样本相互作用之后收集至少一些光。在一些实施例中，激光波长处于中红外区。在一些实施例中，光的采集提供关于样本的中红外吸收率的信息。在一些实施例中，样本是固态的、气态的或液态的。在一些实施例中，光的采集提供关于样本的中红外反射的信息。在一些实施例中，样本是固态的或液态的。

附图说明

[0006] 图1.CO2接近2350cm-1的吸收谱。

[0007] 图2.葡萄糖在不同浓度下的吸收谱。

[0008] 图3A描述了从顶部看并沿横截面的顶表面发射的中IR三波长分布反馈(DFB)量子级联(QC)同心环形激光器。每个环形激光器的金属触头(300)连接至未示出的焊盘。光和电流(载流子)(330)受半绝缘(SI)InP电流阻挡层约束。约束的替代方法可通过凸起的脊来提供。图3B描述了底表面发射的DFB QC同心环形激光器。如图3A所示，每个环形激光器的金属触头(300)连接至焊盘(未示出)，并且光和电流(载流子)受半绝缘(SI)InP电流阻挡层约束。约束的替代方式可由凸起的脊来提供。

[0009] 图4.具有五个不同周期的五个光栅的反射谱，这些周期被选择以与图2所示的葡萄糖的五个吸收峰值匹配。

[0010] 图5.来自QC纤芯的叠层的自发发射谱。每个纤芯的增益峰值被设计成接近诸采样波长中的一个。

具体实施方式

[0011] 本发明可通过下面的详细说明、附图、示例和权利要求书以及之前和之后的描述更容易地理解。然而，在公开和描述所提出的组成、制品、设备、和/或方法之前，应当理解本发明不限于所披露的特定组成、制品、设备和方法，除非另有规定，否则它们当然可以变化。也要理解本文中所使用的术语仅为了描述特定的方面而不是限制性的。

[0012] 本发明的以下描述在其当前已知的实施例中作为本发明的允许教义来提供。为此，相关领域的普通技术人员将认识和理解可对本文中描述的本发明的各个方面作出许多改变，同时仍获得本发明的有益结果。还应当清楚的是，通过选择本发明的某些特征而不采用其它特征也可获得本发明期望的益处。因此，本领域普通技术人员将能认识到，在某些情况下，可能需要、甚至是期望对本发明进行的许多修改和改变，这些修改和改变也构成本发明的一部分。因此，提供以下描述用来说明本发明的原理而不是用来进行限制。

[0013] 披露了可用于、可结合地用于、可用于制备的材料、化合物、组成和组分或作为所披露的方法和组成的实施例。本文中披露了这些和其它材料，并且要理解当披露这些材料的组合、子集和相互作用、组等时，尽管可能为明确地披露这些化合物的每个个别和全体组合置换的特别指向，然而每种情形在本文中是特别考虑并描述的。由此，如果披露了一类取代物A、B和C以及一类取代物D、E和F，并披露了组合实施例A-D的例子，则每种情形被单独考虑或全体考虑。由此，在本例中，A-E、A-F、B-D、B-E、B-F、C-D、C-E和C-F中的每一个被特别考虑并且应当被认为从A、B和/或C、D、E和/或F以及A-D的组合例的公开内容中被披露。同样，任何这些的子集或组合也被特别地考虑和/或披露。由此，例如，A-E、B-F和C-E被特别地考虑并应当被认为从A、B和/或C、D、E和/或F的公开内容以及组合例A-D中被披露。这种概念适用于本公开的所有方面，包括但不限于制造和使用所披露的组成物的方法中的组成物和步骤的任意组合。由此，如果存在可被执行的众多附加步骤，则可理解，这些附加步骤中的每个步骤可通过所披露方法的特定实施例或这些实施例的组合来执行，并且每个这样的组合被特别地考虑并且应当被认为是已披露的。

[0014] 在本说明书和下面的权利要求书中，对应当被定义为具有下列含义的术语作出引用：

[0015] “包括”、“包含”或类似术语表示涵盖但不限于，即包括并且非排他的。

[0016] 术语“大约”指所有范围术语，除非另有声明。例如，大约1、2或3等同于大约1、大约2或大约3，并进一步包括从大约1-3、从大约1-2和从大约2-3。对组成物、组成、成份、添加物和类似方面及其范围披露的特定值和优选值仅是示例性的；它们不排除其它预定值或预定范围内的其它值。本公开的组成物和方法包括具有任何值或这些值的任意组合、具体值、更具体值和本文描述的优选值的那些值。

[0017] 不定冠词“一”或“一个”及其相应的定冠词“该”在本文中用来表示至少一个或一个或多个，除非另有规定。

[0018] 如本文中使用的，“超晶格”包括具有不同带隙的至少两种半导体材料，所述不同的带隙产生量子阱约束和子带间跃迁(例如参见美国专利61/564,375，在本文中全篇地援引包含于此)。至少两种半导体材料的厚度可在晶格内改变或者可以是恒定厚度。如果材料的厚度改变，它们可以线形或非线性方式改变。

[0019] 如本文中使用的，“级”包括由超晶格形成的一系列量子阱，这些量子阱允许电子从注入区转移至有源部分。如本文中使用的，“叠层”包括一系列的级。“有源区”或“芯”由至少一个叠层构成并用来描述激光器产生光发射的区。

[0020] 第一实施例包括多表面发射中IR多波长分布的反馈量子级联同心环形激光器(“DFB-QC-CRL”)，用来在时间上同时或按顺序地产生多个波长。在一些实施例中，DFB-QC-CRL激光器处于以共享的共同中轴线同心的状态。在一些实施例中，每个DFB-QC环形激光器的激光发射波长是通过其本身的二阶光栅确定的。在一些实施例中，所有DFB-QC环形激光器沿同一方向朝向同一空间射出光。对与需要更多波长的某些应用，同心环形激光器可在一个芯片中沿一个或两个方向重复，并且所有这些激光器可被设计成朝向同一空间点发射光。

[0021] 在一些实施例中，DFB-CRL在红外(IR)区内射出激光。在一些实施例中，DFB-CRL在从大约2.5μm至大约15μm的区域内发射激光。这种设备能够对单个分子的宽吸收线或来自不同分子的若干吸收线进行采样。形成实施例的方法可包括使用与分布式反馈(DFB)量子级联激光器(QCL)中使用的相同的制造工艺。这里的实施例是有利的，因为它们由于更小的尺寸、更快的速度和更低的成本能取代波长可调谐的外腔(EC)QCL。此外，这些实施例也具有优于DFB QCL阵列的尺寸和成本优势，因为DFB QCL阵列需要光组合光学器件以将阵列的输出组合成一道光束。

[0022] 这些实施例可能有用的一种具体应用是经由红外(“IR”)光谱测量的化学分析。来自化学键的振动的IR区中的强吸收线可用来标识分子组分。类似DFB QCL的中IR波长可调谐源可用来扫描吸收线周围的波长。尽管传统的DFB QCL具有大约10cm-1的小波长调谐范围并经常被用来检测窄吸收线中的一个，例如小分子的窄吸收线(作为示例，图1示出在-12350cm 附近的CO2吸收线，即在4.2-4.3μm周围)，然而本发明的实施例具有大得多的波长覆盖并可用来检测大分子的宽吸收线(图2示出葡萄糖的950cm-1-1200cm-1下的吸收)。

[0023] 芯提供获得其光发射所需的光增益。激光器的芯可包括量子级联(“QC”)或带内级联(“IC”)区的叠层。可使用具有宽光学增益的任何QC或IC结构。在一些实施例中，芯包括QC结构。在一些实施例中，芯包括IC结构。每个芯的增益峰值被设计成接近采样波长之一，如图5所示。具有在较短波长下的光增益的芯一般应当被布置成更靠近光学模式中心，因为较短波长的光学模式比较长波长的光学模式更窄。

[0024] 实施例可包括含至少两个组分不完全一样的层(这些层形成超晶格)的增益材料。通过层厚度的适当设计，可设计系统中的两个子带之间的粒子数反转，这是取得激光发射所需的。层的厚度可以是完全相同的或者可以是不同的，这依赖于期望的设计。在一些实施例中，层具有从大约 至大约 的厚度。在一些实施例中，层具有从大约 至大约的厚度。在一些实施例中，层具有大约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或 的厚度。

[0025] 用于在增益材料中形成多个层的材料一般包括半导体，例如族IV、III-V和II-VI半导体。在一些实施例中，层可包括GaAs,AlxGa1-xAs,SixGe1-x,或GaxIn1-xAs和AlyIn1-yAs,GaSb,InAs,AlSb,GaxIn1-xSb，其中x和y从0至1。

[0026] 超晶格增益材料可使用多种技术来制造，例如分子束外延(MBE)(包括气源MBE和MO-MBE)、金属有机汽相外延(MOVPE)或溅射。这些方法允许制造厚度仅几个原子间距的层。

[0027] 实施例可进一步包括光波导。本文中使用的光波导包括在光谱内引导电磁波的物理结构。尽管不局限于任何类型的波导，但通常使用的一种类型的光波导是脊波导。脊波导是通过在量子级联增益材料中蚀刻平行沟道而产生，以形成QC材料的隔离环，典型地但非必要地，大约10μm宽和几毫米长——在环形激光器的情形下，波导包括圆或圆形结构。侧向模约束可通过在介电材料的沟槽内沉积来达成，然后整个脊一般涂有金以提供电接触并当其产生光时帮助从脊去除热。更常见地，如果激光器在InP衬底上生长，则侧向模约束是通过在沟道中生长诸如InP的半绝缘材料而取得的。光从顶表面或底表面射出。

[0028] 实施例可进一步包括防反射或防反射性(AR)层。如本文中使用的，AR层包括被施加至设备的至少一个面并减少反射的光学涂层，尤其是在IR区内。AR层可以是任何类型的，例如折射率匹配、单层干涉、多层干涉、或蛾眼(纳米结构)。在一些实施例中，AR涂层提供低于约10％,5％,4％,3％,2％,1％,0.5％,0.1％,0.01％,0.001％或0％的损失。

[0029] 实施例进一步包括被布置在具有共同圆心的同心圆内的至少两个激光器部分，每个激光器部分包括光栅，其中光栅具有非均等周期或布拉格波长。本文中使用的光栅包括从具有变化折射率的交替材料的多个层或通过某些特征(例如高度)的周期性变化形成的结构，由此导致波导中的有效折射率的周期性变化。每个层边界导致光波的部分反射。对于波长接近周期和有效折射率倍数的波来说，许多反射与结构性干涉组合，并且光栅起到高质量反射器的作用，它在平面内部分地反射光以取得激光发射并使之作为表面发射输出部分地离开平面。

[0030] 另一实施例包括在单个芯片上的一个或两个维度上重复的多个同心环形激光器。在一些实施例中，激光器被设计成朝向同一空间点射出光。

[0031] 具有多个周期的光栅可通过光栅掩模的电子束(“e束”)写入或接触印刷来布图，这是通过电子束平版印刷来制造的。

[0032] 可在各实施例中发现的附加组件包括在增益材料之上和/或之下的n型包层。有源增益和波长选择部分可覆盖有布图的电接触层，该电接触层包括专门用于不同激光器部分的相应控制电极。绝缘介电材料可被沉积到经布图的电接触层内的适当区内，以使激光器结构的各离散区电隔离。

[0033] 在一些实施例中，有源波导芯可被夹设在上n型包层和下n型包层之间。上n型包层和下n型包层可包括InP,GaAs,AlGaAs,InAs,AlSb，或者其它传统的或尚未研发出的适宜包层材料。例如，并且不作为限制，构思多种包层材料可以是适宜的，包括II-VI半导体、基于Si-Ge或GaN的材料等。

[0034] 附加的组件可包括绝缘层和金属接触层(例如参见图3A和图3B)。

[0035] 存在多种多样的方法来实现隔离区。这些方法是掺铁的InP的选择性生长、离子注入以及p型掺杂物的扩散。如果选择最后一个选项，则上n型包层和下n型包层的相应组成物以及增益材料可被选择以利于通过掺杂物扩散形成p型电隔离区。更具体地，上n型包层和下n型包层可包括InP并且p型掺杂物可被选择以使InP上n型包层内的其最大稳定浓度低于大约n×1018cm-3，其中n小于3。

[0036] 使各激光发射部分隔离的替代方法包括去除n包层的高度掺杂部分。

[0037] 作为示例而非限定，替代地构思，上n型包层和下n型包层可以是基于GaAs的包层。包层中的一些可以是AlGaAs或(Al)GaInP，而不简单地是GaAs或InP。对基于GaAs的包层，芯可以是GaAs/AlGaAs,AlGaAs/AlGaAs,(Al)GaInP/(Al)GaInP或GaInAs/(Al)GaAs。对结构的其余层考虑类似组合物的附加层，并且应当选择类似组合物的附加层以补偿GaInAs和GaAs衬底之间的任何晶格失配。例如，并且不作为限制，其它可能的层是GaInP,AlGaInP,GaAsP和GaInAsP。对基于GaAs的包层，用以使(Al)GaAs半绝缘的适宜的掺杂剂包括，但不限于Cr和O。在非常低温度生长下，半绝缘(Al)GaAs是在没有任何掺杂剂的情况下可获得的。

[0038] 本文中的实施例可用于或者脉冲模式或者连续波模式。激光脉冲持续时间可以从大约1ns至大约1ms。在一些实施例中，在FWHM下的脉宽大约为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或1ms。在一些实施例中，本文中体现的设备可被设计成同时地、分别地和/或以连续或编程顺序发出所有激光器部分。

[0039] 由于本文的实施例包括外腔量子级联激光器的一些方面，因此可从设备输出的激光波长的宽度显著大于将人们从DFB激光器预期得到的宽度。DFB QCL一般具有10cm-1左右的很小的可调谐性。

[0040] 激光器部分的峰值波长可被选择成一个分子的宽吸收线或来自不同分子的若干吸收线的采样波长(λsi，I＝1到n)。在一些实施例中，激光从大约2.5μm至大约15μm的区域内在DFB CRL中发射。在一些实施例中，DFB CRL在大约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或15.0μm下发射激光。

[0041] 实施例可用于任何数量的方法，其中IR照射，尤其是IR激光照射，将是有利的。具体应用包括IR吸收率或反射率测量、IR和FTIR光谱学、气体和/或化学武器探测、化学动力和运动测量、热试验等。在一个实施例中，这些实施例被用于IR吸收测量以鉴别分子组成物。