單片寬波長可調(diào)諧中紅外激光源的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2012年11月30日提交的、序號為61/731，831的美國臨時申請的優(yōu) 先權(quán)，該臨時申請的內(nèi)容是本文的基礎(chǔ)，并且全部通過引用并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本說明書總地涉及基于半導(dǎo)體的激光器，更具體地講，涉及中紅外區(qū)域中的分布 式布拉格（Bragg)反射器（DBR)激光器，所述DBR激光器具有包括異構(gòu)級聯(lián)級的有源芯層， 提供寬帶放大與基于集成光柵的調(diào)諧能力，提供連續(xù)的可用波長，所述連續(xù)的可用波長可 取地在大波長范圍上（例如，多達中心波長的20、30、40或50% )。還公開了制作這樣的器 件的方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 中紅外區(qū)域中的來自化學(xué)鍵的振動的強吸收線可以用于識別重要的分子。中 紅外波長可調(diào)諧源，比如分布式反饋（DFB)量子級聯(lián)激光器（QCLs)或波長可調(diào)諧外腔 (EC)QCLs，可以用于掃描吸收線周圍的波長。DFB QCL常用于檢測選定的窄吸收峰，諸 如特定的小分子的主吸收峰，例如，在圖1的曲線圖中在y軸線強度（cm ^/(molecule cm2)上示出的、水平軸上的2350cm1的波數(shù)（4. 2-4.3μπι)附近的CO 2的吸收峰?，F(xiàn) 存的EC-QCLs通常具有大約100、甚至直到500cm 1的明顯大很多的波長調(diào)諧范圍，并 且可以用于檢測大分子的更寬的特征吸收曲線。以前提出的一個例子是如圖2的曲線 圖中所示的葡萄糖的950-1200CII1 1的吸收曲線的檢測（參見，例如，M. Brandstetter、 A. Genner、Κ· Anic 和 Β· Lendl, ''Tunable external cavity quantum cascade laser for the simultaneous determination of glucose and lactate in aqueous phase，〃The Royal Society of Chemistry，2010)，跡線從頂部跡線向下分別示出關(guān)于300、200和 lOOmg/dl葡萄糖濃度的、作為波數(shù)的函數(shù)的吸光度。另一個受關(guān)注的例子是常見的爆炸 性材料的中紅外吸收曲線特性的檢測。使用外腔QCL，F(xiàn)uchs等人證實了在長達25m的距 離處以靈敏度20 μ g/cm2檢測爆炸物（比如PETN、TNT、RDX和SEMTEX)的量的能力。（參 見 F. Fuchs、S. Huggera、M. Kinzera、Q. K. Yanga、[ Bronnera、R. Aidama、K. Degreifb、 S. Rademacherb、F. Schnilrerc 和 W. Schweikertc, ''Standoff detection of explosives with broad band tunable external cavity quantum cascade lasers,^Proc. of SPIE vol. 8268, 82681N-1_9, 20l2。）圖 3 的曲線圖示出了關(guān)于 PETN(l02)、RDX(104)、TATP(l06) 和TNT(IOS)的、作為以微米為單位的波長的函數(shù)的吸光度，連同用于檢測這些物質(zhì)和其他 物質(zhì)的感興趣的波長范圍R的一個例子。
[0005] EC QCLs通常提供寬調(diào)諧范圍，但是比DFB QCLs更大，制造和維護比DFB QCLs更 昂貴，并且在微秒范圍內(nèi)的典型的調(diào)諧時間調(diào)諧到給定頻率相對較慢。DFB QCLs通常較 小，制造和維護比較便宜，并且通常使得可以在微秒范圍內(nèi)的調(diào)諧時間發(fā)射通常在非常窄 的范圍內(nèi)的、可以非常快速地調(diào)諧的、穩(wěn)定的窄波長。然而，可容易制造的、可寬范圍調(diào)諧的 QCLs (諸如具有超結(jié)構(gòu)光柵的DBR激光器）的實現(xiàn)一直缺乏，阻礙了它們在感測較大分子 (諸如具有像以上在圖2和圖3中所描繪的吸收曲線一樣的吸收曲線的那些分子）中的經(jīng) 濟應(yīng)用。如果低成本、相對高效、快速調(diào)諧和其他有益性質(zhì)的超結(jié)構(gòu)光柵DBR QCLs激光器 可以在寬波長范圍上容易地實際利用，則在各種領(lǐng)域中都將是有利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 公開了具有3-14 μπι的范圍內(nèi)的波長范圍的單片可調(diào)諧中紅外激光器，該單片可 調(diào)諧中紅外激光器包括異構(gòu)量子級聯(lián)有源區(qū)域、連同至少第一集成光柵。異構(gòu)量子級聯(lián)有 源區(qū)域包括至少一個疊層，該疊層包括至少兩個級，可取地，三個或更多個級?？扇〉?，第一 集成光柵的布拉格波長是可調(diào)諧的，在一個替代實施例中，通過微加熱器調(diào)諧。也可以利用 電流注入。所述激光器可取地還包括可以獨立于第一光柵進行調(diào)諧的第二可調(diào)諧集成光 柵，第一光柵和第二光柵可取地是具有各自的不同的第一梳狀間隔和第二梳狀間隔的梳狀 光柵?？扇〉?，第一集成光柵和第二集成光柵均可以在至少等于各自的第一梳狀間隔和第 二梳狀間隔中的較大間隔的整個范圍上獨立地進行調(diào)諧。
[0007] 所述光柵可以包括采樣光柵，可取地，包括交織采樣光柵或者其他的通過模擬或 其他處理優(yōu)化的甚至更復(fù)雜的超結(jié)構(gòu)光柵。
[0008] 對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，這些特征和優(yōu)點以及其他特征和優(yōu)點從說明書和附圖將 是清楚的。
【附圖說明】
[0009] 圖I. 2350cm 1附近的CO 2的吸收光譜；
[0010] 圖2.葡萄糖的吸收光譜；
[0011] 圖3.幾個常見爆炸物的吸收光譜；
[0012] 圖4.包括中紅外QCL的實施例，該中紅外QCL具有由異構(gòu)級聯(lián)級構(gòu)成的有源芯 層，以及具有基于集成光柵的調(diào)諧能力、功率和波長監(jiān)視；
[0013] 圖5.圖4的實施例的波長鑒別器的反射或透射濾光器的可取的濾光函數(shù)；
[0014] 圖6.具有四個不同疊層設(shè)計的異構(gòu)級聯(lián)疊層的示例放大自發(fā)光譜，這四個不同 疊層設(shè)計具有四個不同的波長峰值/中心波長；
[0015] 圖7.采用了長波長寬增益芯片的光柵調(diào)諧的外腔激光器的示例性脈沖激光發(fā)射 波長相關(guān)的峰值功率，該長波長寬增益芯片由具有兩個不同疊層設(shè)計的異構(gòu)級聯(lián)疊層構(gòu) 成，這兩個不同疊層設(shè)計具有兩個不同的波長峰值/中心波長；
[0016] 圖8.在該圖的頂部，由七個交織采樣光柵構(gòu)成的超結(jié)構(gòu)光柵（SSG)的結(jié)構(gòu)的一部 分的表示，連同該光柵的計算的反射光譜，該反射光譜具有14cm 1的梳狀間隔；
[0017] 圖9A和9B.使用梳狀型光柵反射器的基于Vernier的調(diào)諧的圖示；
[0018] 圖IOA和10B.通過直接注入獲得的時間分辨的調(diào)諧效果結(jié)果，圖IOA中示出電流 接通事件，圖IOB中示出電流切斷事件；
[0019] 圖IlA和11B.通過微加熱器獲得的時間分辨的調(diào)諧效果結(jié)果，圖IlA中示出電流 接通事件，圖IlB中示出電流切斷事件；
[0020] 圖12.從與圖4的器件類似的器件，通過分別系統(tǒng)地和單個地按IOmA增量將注入 前光柵和后光柵中的DC電流從O變?yōu)?40mA，而獲取的225(15X 15)掃描的光譜。
【具體實施方式】
[0021] 通過參照以下詳細描述、附圖、示例和權(quán)利要求書以及它們的前面的和后面的描 述，可以更容易地理解本發(fā)明。然而，在公開和描述所提出的合成物、物品、器件和方法之 前，要理解本發(fā)明不限于所公開的特定的合成物、物品、器件和方法，除非另有規(guī)定，因為這 些當然可以改變。還要理解，本文中所使用的術(shù)語僅僅是為了描述特定方面的目的，而非意 圖限制。
[0022] 以下對于本發(fā)明的描述是作為本發(fā)明在其當前已知的實施例中的使能教導(dǎo)而提 供的。為此，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識和意識到，可以對本文中所描述的本發(fā)明的各方面 做出許多改變，同時仍然獲得本發(fā)明的有益結(jié)果。還將顯而易見的是，本發(fā)明的期望的益處 中的一些可以通過選擇本發(fā)明的特征中的一些、而不利用其他特征來獲得。因此，本領(lǐng)域的 技術(shù)人員將認識到，對于本發(fā)明的許多修改和改動是可能的，在某些情況下甚至可能是可 取的，并且是本發(fā)明的一部分。因此，以下描述是作為本發(fā)明的原理的例示說明而提供的， 而非限制本發(fā)明。
[0023] 公開了材料、化合物、合成物和成分，這