中红外垂直腔激光器制造技术

所公开的是在中红外区工作的光泵浦垂直腔激光器结构，其已经证明了室温连续波工作。该结构使用由InGaAsSb组成的I型量子阱的周期性增益有源区，以及提供强空穴约束和大量泵浦吸收的势垒/覆层区。一个优选实施例包括至少一个晶片键合的基于GaAs的反光镜。几个优选实施例还包括如所公开的用于中IR VCL的波长调谐的装置，包括MEMS调谐元件。该文件还包括如所公开的使用VCL的光谱学系统，包括用于检测工业和环境重要气体的浓度的系统。

Mid infrared vertical cavity laser

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】中红外垂直腔激光器相关申请的交叉引用本申请要求2017年7月17日提交的美国临时专利申请No.62/533,501的权益。美国临时专利申请62/533,501的内容通过引用合并于此。关于联邦政府赞助研究或开发的声明本专利技术是在政府支持下由ARPA-E办公室DOE授予的合同号DE-AR0000538来完成的。政府享有本专利技术中的一些权利。
本专利技术总体上涉及中红外半导体激光器，并且更具体地涉及可调谐中红外半导体激光器和垂直腔激光器。
技术介绍
室温连续波(RTCW)垂直腔激光器(VCL)在超过约3.0微米(um)波长下运行的实现具有严峻的挑战。截至2017年6月，采用II型带间级联激光(ICL)技术的电泵VCL(eVCL)虽然很有希望，但仅实现了高于3.0um的室温脉冲运行。两个最新的结果在以下文献中被描述：由W.W.Bewley等人在AppliedPhysicsLetters，109，151108(2016)中发表的“Room-temperatureMid-InfraredInterbandCascadeVerticalCavitySurfaceEmittingLasers”，以及由G.K.Veerabathran等人在AppliedPhysicsLetters，110，071104(2017)中发表的“Room-temperatureverticalcavitysurfaceemittinglasersat4umwithGaSb-basedtypeIIquantumwells”。在ICLeVCL中实现RTCW运行将需要进一步降低工作电压和/或减少光损耗。如果采用供选择的用于eVCL的I型InGaAsSb量子阱，则会出现一系列不同的挑战。AlGaAsSb或AlInGaAsSb势垒与GaSb晶格匹配，I型量子阱的能带排列导致空穴约束随着波长的增加而越来越差，从而导致物质利益降低和最高工作温度降低。G.Belenky等人在IEEEJournalofSelectedTopicsinQuantumElectronics，2011年9月/10月，第5号，第17卷中的“TypeIDiodeLasersforSpectralRegionAbove3.0um”中描述了这一挑战。与边缘发射激光器相比，VCL中的这个问题甚至更加严重，因为VCL的增益长度短，并且其热阻通常比边缘发射器差。因此，在使用I型量子阱的VCL中，RTCW运行还没有在超过3.0um处实现。从前述内容可以清楚地看出，所需要的是在>3.0um的波长下工作的垂直腔激光器结构，其能够在室温连续波工作。
技术实现思路
本专利技术的实施例描述了在大于3.0um波长下运行的第一RTCWVCL结构。本专利技术的实施例在光泵浦结构中采用包括铟、砷和锑的I型压缩应变量子阱，以实现RTCWVCL运行。理想地，该结构采用周期性增益，这是指其中至少一个量子阱与光学驻波中的峰值基本对准的结构。周期性增益通常包括具有多个量子阱的结构，这些量子阱基本上与多个驻波峰对准。这种光泵浦的VCL结构具有多个优点。首先，光泵浦在光腔中不需要掺杂物，从而消除了自由载流子吸收，这是eVCL损耗的主要来源。这也使得可以考虑比可获得的eVCL范围更广的材料，例如不能有效掺杂的材料。其次，由于所有量子阱能够被定位于非常接近光驻波的峰值，因此周期性增益结构是光学泵浦的理想选择，但是很难在电泵浦中实现，最大化有效增益。周期性增益还可以缓解应变累积，从而可以使用大量广泛分离的高度压缩应变的量子阱，从而获得比电泵浦I型结构更高的增益。本专利技术的实施例采用被设计为将InGaAsSb量子阱中的空穴约束最大化的势垒和覆层。该势垒/覆层在一个优选实施例中为AlInGaAsSb/AlAsSb，在另一优选实施例中为纯GaSb，在另一实施例中为纯AlAsSb。本专利技术的又一实施方式包括集成在激光腔中以改变激光波长的调谐机构。该调谐机构可以采用热调谐，也可以采用微机电系统(MEMS)调谐。3-5um范围内的可调式VCL在各种物质的检测中，特别是在气体检测中，具有许多应用。本专利技术的实施例包括基于该文件中公开的VCL的光谱学系统。在这些系统中，具有第一波长相关性(dependence)的可调谐VCL发射光与样品相互作用，以产生变换的波长相关性，这可能与样品的性质有关。本专利技术的一个实施例提供了一种光泵浦垂直腔激光器(VCL)，其在泵浦波长处用泵浦源光泵浦，并在发射波长处提供VCL发射，所述VCL包括第一反射镜、第二反射镜、以及周期性增益有源区。其中，所述周期性增益有源区包括至少两个I型量子阱，所述I型量子阱包括铟、砷和锑，所述有源区还包括与所述I型量子阱相邻的势垒区以及与所述势垒区相邻的覆层区，所述势垒区在所述泵浦波长处进行吸收，所述覆层区在所述泵浦波长处基本上是透明的。本专利技术的另一个实施例提供了一种垂直腔激光器(VCL)，其在泵浦波长处用泵浦光源进行光泵浦，所述VCL包括第一反射镜、第二反射镜；以及周期性增益有源区。其中，所述周期性增益有源区包括至少两个I型量子阱，所述I型量子阱包括铟、砷和锑，所述有源区还包括与所述I型量子阱相邻的GaSb势垒区。本专利技术的另一个实施例提供了一种光泵浦垂直腔激光器(VCL)，该光泵垂直腔激光器在泵浦波长处以泵浦光源进行光泵浦，并在发射波长处提供VCL发射，所述VCL包括第一反射镜、第二反射镜、以及周期性增益有源区。其中，所述周期性增益有源区包括至少两个I型量子阱，所述I型量子阱包括铟、砷和锑，并且所述第一反射镜和所述第二反射镜中的至少一者包括GaAs。附图说明图1是与GaSb晶格匹配或几乎晶格匹配的各种材料的能带阵容，示出了根据本专利技术实施例的空穴和电子约束。图2A示出了根据本专利技术的优选实施例的激光器结构，图2B和2C示出了该实施例的RTCW激光器的结果。图3示出了包括MEMS可调结构的本专利技术的优选实施例。图4示出了在3000-3600nm范围内的几种对工业和环境重要的气体的吸收线。图5示出了在4500-6000nm范围内在燃烧中较重要的几种气体的压力扩展吸收光谱。图6示出了根据本专利技术的实施例的能够作为空间位置的函数来测量气体浓度的光谱系统。具体实施方式根据本专利技术原理的说明性实施例的描述旨在结合附图来被阅读，这些附图应被认为是整个说明书的一部分。在其中所公开的本专利技术的实施例的描述中，对方向或取向的任何引用仅是为了描述的方便，而不是为了以任何方式限制本专利技术的范围。相对性的术语，例如“较低的”、“较高的”、“水平的”、“垂直的”、“上面的”、“下面的”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”以及它们的派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应解释为指的是当时所描述的方向或在所讨论的附图中所示的方向。这些相对性的术语仅是为了描述的方便，并且不需要以特定的方向构造或运行该设备，除非如此明确指出。诸如“附加的”、“附着的”、“连接的”、“耦接的”、“互连的”等类本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光泵浦垂直腔激光器(VCL)，所述光泵浦垂直腔激光器在泵浦波长处用泵浦源进行光泵浦，并在发射波长处提供VCL发射，所述VCL包括：/n第一反射镜(240)；/n第二反射镜(250)；以及/n周期性增益有源区；/n其中，所述周期性增益有源区包括至少两个I型量子阱(210)，所述I型量子阱包括铟、砷和锑，所述有源区还包括与所述I型量子阱相邻的势垒区(220)以及与所述势垒区相邻的覆层区(230)，所述势垒区在所述泵浦波长处进行吸收，所述覆层区在所述泵浦波长处基本上是透明的。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170717 US 62/533,5011.一种光泵浦垂直腔激光器(VCL)，所述光泵浦垂直腔激光器在泵浦波长处用泵浦源进行光泵浦，并在发射波长处提供VCL发射，所述VCL包括：
第一反射镜(240)；
第二反射镜(250)；以及
周期性增益有源区；
其中，所述周期性增益有源区包括至少两个I型量子阱(210)，所述I型量子阱包括铟、砷和锑，所述有源区还包括与所述I型量子阱相邻的势垒区(220)以及与所述势垒区相邻的覆层区(230)，所述势垒区在所述泵浦波长处进行吸收，所述覆层区在所述泵浦波长处基本上是透明的。


2.根据权利要求1所述的VCL，其中，所述I型量子阱还包括镓。


3.根据权利要求1所述的VCL，其中，所述发射波长在大约3-5um的范围内。


4.根据权利要求1所述的VCL，其中，每个所述量子阱以大约1-2％范围内的应变被压缩应变。


5.根据权利要求1所述的VCL，其中，所述势垒区包括五元AlInGaAsSb。


6.根据权利要求1所述的VCL，其中，所述覆层区包括AlAsSb。


7.根据权利要求1所述的VCL，其中，所述泵浦波长落入大约1.45-1.65um、大约1.7-2.1um以及大约0.95-1.15um的范围的列表中的一者。


8.根据权利要求1所述的VCL，其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的至少一者包括Al(x)Ga(1-x)As，其中，0≤x≤1。


9.根据权利要求1所述的VCL，其特征在于，所述第一反射镜和所述第二反射镜两者都包括Al(x)Ga(1-x)As，其中，0≤x≤1。


10.根据权利要求1所述的VCL，其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的至少一者包括镓和锑。


11.根据权利要求1所述的VCL，还包括处于所述第一反射镜和所述第二反射镜中的至少一者与所述有源区之间的晶片键合界面。


12.根据权利要求11所述的VCL，其中，所述晶片键合界面包括处于所述第一反射镜和所述第二反射镜中的至少一者与所述有源区之间的等离子体活化键合。


13.根据权利要求11所述的VCL，还包括在所述晶片键合界面处的至少一个界面氧化物层，所述界面氧化物层来自包括以下的组：Al2O3、SiO2、镓氧化物、砷氧化物、铟氧化物和锑氧化物。


14.根据权利要求11所述的VCSEL，还包括在所述晶片键合界面处的有孔金属层。


15.根据权利要求1所述的VCL，包括至少六个I型量子阱。


16.根据权利要求1所述的VCL，包括多对量子阱，其中，所述多对量子阱中的每对量子阱被布置在唯一的驻波峰上。


17.根据权利要求16所述的VCL，确切地包括十个量子阱。


18.根据权利要求1所述的VCL，还包括用于调谐所述发射波长以在波长调谐范围上产生可调谐发射的机构(360、370、380、390)。


19.根据权利要求1所述的VCL，其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的一者被从所述有源区分离。


20.根据权利要求1所述的VCL，其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的一者与光纤集成一体。


21.根据权利要求18所述的VCL，其中，所述调谐机构包括热调谐。


22.根据权利要求21所述的VCL，其中，所述热调谐通过改变所述泵浦源的泵浦功率来实现。


23.根据权利要求18所述的VCL，其中，所述调谐机构包括MEMS调谐结构，所述MEMS调谐结构用于通过移动所述第一反射镜和所述第二反射镜中至少一者的位置来改变间隙的尺寸。


24.根据权利要求23所述的VCL，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：V·贾亚拉曼，K·拉斯科拉，S·西格尔，F·汤纳，A·科伯，
申请(专利权)人：统雷有限公司，普雷维乌姆研究公司，
类型：发明
国别省市：美国;US