本申请基于35U.S.C.§119要求美国临时申请61/910,322的优先权，该临时申请的申请日为2013年11月30日，本文依赖于该专利内容并通过引用将其全文并入。
背景技术：
人们认识到，可以使用化学键振动产生的中红外区中的强吸收线来识别各种重要分子的分子组分，包括例如CO2和如PETN、TATP、TNT以及RDX等爆炸物，在图1中的曲线中，水平轴上波数2350cm-1(4.2-4.3μm)附近的CO2吸收峰显示在线强度(cm-1)/(分子cm-2)的y轴上。通过使用外腔QCL，Fuchs等人展示了探测如PETN、TNT、RDX以及SEMTEX等爆炸物数量的能力，其中在多达25米的距离处具有灵敏度20μg/cm2(参见F.Fuchs,S.Huggera,M.Kinzera,Q.K.Yanga,W.Bronnera,R.Aidama,K.Degreifb,S.Rademacherb,F.Schnürerc,andW.Schweikertc,“Standoffdetectionofexplosiveswithbroadbandtunableexternalcavityquantumcascadelasers,”Proc.ofSPIEvol.8268,82681N-1-9,2012.)。图3中的曲线图示出了PETN(102)、RDX(104)、TATP(106)以及TNT(108)作为以微米为单位的波长的函数的吸光度，以及在检测这些以及其它物质中使用的感兴趣波长范围R的一个实例。
在普通的检测方法中，当中红外辐射源被通过各种适用于表征目标模块的波长来调谐(或扫描)时，能够检测到吸收峰。一种提供此调谐的方式是通过使用具有倾斜可调节光栅的外腔激光器。尽管此类装置作为宽可调谐辐射源是有效的，但是如果减少计入的部件，特别是如果去除机械移动部件，则此类辐射源的复杂性、成本、可靠性以及调谐速度中的一个或多个可被改善。
相应地，人们期望提供单片的、宽调谐范围的半导体辐射源，尤其是在中红外波长范围中，因为此辐射源使得能够实现各种有益检测方法的实际应用。
技术实现要素：
本公开针对一种半导体辐射源，包括有源芯结构(activecorestructure)、至少一个微加热器以及至少一个第一电极，所述有源芯结构包括半导体材料，所述微加热器位于有源芯结构上方并且与有源芯结构热连通，所述第一电极位于微加热器的一侧上并且与所述有源芯结构电连通，用于将电流注入有源芯结构中，以控制有源芯结构中的电流密度。还公开了操作所述源来设置调谐输出波长的方法。独立于所述芯结构中的电流密度来使用一个或多个微加热器以直接控制所述芯结构的温度，从而通过配合使用温度和电流密度控制实现更宽的波长调谐范围。微加热器紧挨芯结构能够提供短至20微秒的快速调谐响应时间。
本公开的进一步特征和优点在下文的具体实施例中描述或由下文的具体实施例而将变得显而易见。
附图说明
本公开内容的具体实施例的以下详细描述在结合以下附图一起阅读时能够得到最好的理解，其中相同的结构显示使用相同的引用标记，并且其中：
图1为任意单位的CO2在2350cm-1附近作为波数函数的吸收光谱；
图2为任意单位的几种普通爆炸物作为波数函数的吸收光谱图；
图3A为表示在不同基台温度下(如标注在各自的迹线上)、工作在连续(“连续波”或“CW”)模式中的分布反馈式(“DFB”)量子级联激光器(“QCL”)的典型性能特性的曲线图，包括左边y轴上(顶部的两条迹线)的电压(V)以及右边y轴上的峰值功率(mW)，该电压和峰值功率为x轴上的工作电流(A)的函数；
图3B为表示在不同基台温度下(如标注在各自的迹线上)、工作在脉冲模式中的DFB量子级联激光器的典型性能特性的曲线图，包括左边y轴上(顶部的两条轨迹)的电压(V)以及右边y轴上的峰值功率(mW)，该电压和峰值功率为x轴上的工作电流密度(曲线图的顶部)的函数；
图3C为在不同基台温度下(如标注在曲线中的图例)、工作在CW模式中的典型DFB量子级联激光器的波数(以及波长)输出曲线图，该波数(以及波长)输出为电输入功率的函数；
图4A为根据本公开一个实施例的可调谐半导体辐射源的剖面示意图；
图4B为根据图4A或4C的实施例的俯视示意图，包括对于图4A或4C中的可调谐半导体辐射源实施例有用的金属化图案；
图4C为与图4A中的可调谐半导体辐射源相似的剖面示意图，除了具有表示电流流动以及热流动总体路径的箭头并且示出了不具有光栅G的替代实施例；
图5A所示为表示对于不同的工作电流电平(如在各自迹线上所标注的)，通过使用大致如图4A-C的实施例中所示设置的微加热器，调谐效应(单位：波数)作为时间(单位：微秒)的函数的曲线图，电流电平从在t＝0时开启微加热器开始；
图5B所示为表示对于不同的工作电流电平(如在各自迹线上所标注的)，通过使用大致如图4A-C的实施例中所示设置的微加热器，调谐效应(单位：波数)作为时间(单位：微秒)的函数曲线图，电流电平从在t＝0时关闭微加热器开始；
图6A为另一实施例的可调谐半导体辐射源的剖面示意图；
图6B为对图6A中的可调谐半导体辐射源实施例有用的金属化图案实施例的俯视示意图。
具体实施方式
分布反馈式(“DFB”)量子级联激光器(“QCL”)以及类似的装置一般以两种方式进行波长调谐。通过改变注入芯中的电流，可实现(以波数为单位的中心波长的)0.3％的波长调谐范围以及几微秒的调谐速度(上升时间)。通过改变基台温度，可实现(以波数为单位的中心波长的)0.5-2％的波长调谐范围以及几微秒的调谐速度。
通过增加的电流注入而对芯的直接加热快速增加了波导的有效折射率(neff)，这导致了更长的激光波长(λ)，激光波长的变化量为Δλ＝2ΔneffΛ/m，其中Λ和m分别为光栅周期和级次。然而，电流注入范围受限于激光器的翻转电流(rollovercurrent)，尤其是在CW操作下。
图3A为表示在不同基台温度下(如标注在各自的迹线上)、工作在连续(“连续波”或“CW”)模式中的分布反馈式(“DFB”)量子级联激光器(“QCL”)的典型性能特性的曲线图，包括左边y轴上(顶部的两条迹线)的电压(V)以及右边y轴上的峰值功率(mW)，该电压和峰值功率为x轴上的工作电流(A)的函数。图3B为表示在不同基台温度下(如标注在各自的迹线上)、工作在脉冲模式中的DFB量子级联激光器的典型性能特性的曲线图，包括左边y轴上(顶部的两条轨迹)的电压(V)以及右边y轴上的峰值功率(mW)，该电压和峰值功率为x轴上的工作电流密度(曲线图的顶部)的函数。如图3A所示，该装置的翻转或最大工作电流(由不同迹线的向右端部表示)大大限制了工作电流总的可用范围。如图3B所示，其中迹线显示为电流密度的函数，这种效应在脉冲模式操作中较不严重但是仍然存在。
图3C为在不同基台温度下(如标注在曲线中的图例)、工作在CW模式中的典型DFB量子级联激光器的波数(以及波长)输出曲线图，该波数(以及波长)输出为电输入功率的函数。如在图3C中可看出，对于CW模式操作而言，通过电流注入调谐实现的波长调谐范围(在图3C中的每条单独迹线内实现的范围)小于通过改变基台温度实现的波长调谐范围(跨过图3C中所有单独迹线、或跨过所有单独迹线的各位置之间实现的范围)。对于多种气体的实时光谱感应而言，在整个相对宽波长范围的高速调谐(快于一毫秒)是可取的或者甚至是必要的。
图4A为根据本公开的可调谐半导体辐射源的一个实施例的剖面示意图，而图4C为与图4A中的可调谐半导体辐射源相似的剖面示意图，除了具有表示电流流动以及热流动一般路径的箭头并且代表不具有光栅G的可选实施例。图4B为根据图4A或4C的实施例的俯视示意图，包括对于图4A或4C中的可调谐半导体辐射源实施例有用的金属化图案、以及可选的抗反射面或涂层50。
根据图4A-C中所表示的实施例及其变形，半导体辐射源10包括具有半导体材料的有源芯结构22以及与有源芯结构热连通且位于有源芯结构上方(如图所示，期望位于正上方)的微加热器M。该源进一步包括位于微加热器一侧上的第一电极12，第一电极12与有源芯结构电连通，用于将电流注入有源芯结构中，以控制有源芯结构中的电流密度。期望地，该源还可进一步包括位于与第一电极12相对的微加热器一侧上的第二电极14，第二电极14也与有源芯结构电连通，用于将电流注入有源芯结构中，以控制有源芯结构中的电流密度。期望地，该源进一步包括位于有源芯结构20上方以及微加热器M下方的上包覆层16，上包覆层16为n掺杂层。该源可进一步包括也是n掺杂的附加的上包覆层18、20，最好是，按各自顺序依次使用更高掺杂：层16、层18、层20，期望分别是N-InP、n+InP以及n++InP和/或n++InGaAs。期望地，源10还可包括包围电极12以及(如果存在)电极14并且微加热器位于其上的绝缘或钝化层30，期望由Si3N4或SiO2组成。
源10的有源芯结构22期望包括a)量子级联阶段(quantumcascadestages)、b)带间级联阶段、c)单个或多个量子阱、或这些结构的任意组合。有源芯结构期望位于N型的下包覆层24、26上，N型的下包覆层24、26优选按各自顺序依次使用更高的掺杂：24、26，期望分别为N-InP和n+InP。该芯结构可通过半绝缘层28来结合(朝图4A以及4C的侧向方向)，期望地，半绝缘层28为半绝缘的InP。
期望地，沟槽T沿着微加热器的两侧设置，在本情形中，沟槽T沿着电极12、14的外边缘设置。沟槽T有利于确保微加热器M的热量在源10内主要为垂直传输(即，朝图中的垂直方向、朝芯结构22向下传输)，而不是垂直和水平一起传输。
源10可进一步包括在有源芯结构22上和/或中的分布反馈式光栅G。替代地，源10可不具有在有源芯结构22上和/或中的分布反馈式光栅(即，图4A中所示的光栅G是可选的，并且如在图4C的替代实施例中所示，可将该光栅省略)，并且进一步包括(在没有光栅的情形中)光学耦合至有源芯结构22的低反射面或抗反射涂层50(图4B)，以允许源10作为低相干放大自发射源(coherencyamplifiedspontaneousemissionsource)工作。在任一实施例中，期望地，源10的波长范围在可见光或近红外范围内。具体地，期望地，源10的波长范围最好在0.4至20μm的范围内。
图4C的视图包括箭头E和H，这两个箭头表示在图4A以及4C的实施例中的电流(E)和热量(H)流动的一般路径。图4B的俯视图表示金属化或焊盘设置的实施例，其中两个焊盘BP1、BP2与微加热器M电连接，而焊盘BP3与电极12电连接，用于将电流供给至芯结构22，并且另一(可选的)焊盘BP4与电极14电连接，也用于将电流供给至芯结构20。
根据图4A-C中的实施例，使用顶侧居中的加热器(微加热器M)，可以非常快速地改变芯结构22的温度。图5A所示为表示对于不同的工作电流电平(如在各自迹线上所标注的)，通过使用大致如图4A-C的实施例中所示设置的微加热器，调谐效应(单位：波数)作为时间(单位：微秒)的函数的曲线图，电流电平从在t＝0时开启微加热器开始，图5B所示为表示对于不同的工作电流电平(如在各自迹线上所标注的)，通过使用大致如图4A-C的实施例中所示设置的微加热器，调谐效应(单位：波数)作为时间(单位：微秒)的函数曲线图，电流电平从在t＝0时关闭微加热器开始。如图5A所示，由于顶部加热器电流的变化而导致的芯温度上升时间大约为20微秒。这部分是因为加热器在该芯正上方居中并且位于非常靠近该芯的位置(朝图4A以及4C中的垂直方向约5μm内)。如图5B所示，下降时间稍微慢些，但是在约40微秒处仍非常快。通过将电流从侧电极12、14注入芯结构22，来分开控制激射或ASE辐射。这允许该源工作在脉冲或连续模式中，在任一模式中具有宽且快速的可调谐性。
如上所述，图3A以及3B表示了在CW操作(图3A)和脉冲操作(图3B)的条件下，DFB量子级联激光器的光功率-电流-电压特性随基台温度的函数，而图3C表示了在不同基台温度下，典型DFB量子级联激光器的CW激射波数(波长)随输入电功率(激光工作电流x电压)的函数。如从图3C可以看出，基台温度越低，仅通过电流注入而实现的快速波长调谐范围就越大(在10℃处，为5.6cm-1或中心波长的0.3％)。通过单独将基台温度从10℃变化至70℃，可实现9.2cm-1(中心波长的0.5％)的更宽但是缓慢的调谐范围。通过将电流以及从10℃变化至70℃的基台温度组合，可实现14.8cm-1(中心波长的0.8％)的更宽的调谐范围。在本公开中，顶部微加热器M用于改变芯温而不是改变基台温度(其一般通过热电冷却器、或可选地通过热沉或其它大气耦合的冷却)，以扩宽本公开的源的快速波长调谐范围。此外，对于给定的基台温度，脉冲操作下的芯温(缺乏单独的加热)比CW操作下的芯温更低，使得脉冲操作下的波长调谐范围的蓝光侧相对于图3C中所示的得到延长。在图3C中，可通过将顶部迹线推算至零电功率，来估计此附加的波长调谐范围。换句话说，通过使该源工作在脉冲模式下，我们可进一步增大波长调谐范围，同时通过在该芯的顶部上使用微加热器来增大波长的调谐速度。通过使用短宽度(如50ns或更短)脉冲，可将由于注入电流引起的(injection-current-induced)脉冲宽度内的加热而导致的波长啁啾(wavelengthchirping)降到最低。
对于本公开的源包括DFB光栅并且工作在激射模式下的实施例，其比常规DFB激光模块(具有一个用于电流注入的电极)具有明显更宽的波长调谐范围。还可使用无光谱跳模的连续方式来实现调谐，这是使用典型分布布拉格反射器(DBR)激光器以及EC-QCL模块难以实现的。还可实现比典型EC-QCL模块更快的调谐及更小的尺寸及更结实的结构(或封装)。上述特性应当实现具有高产量以及低成本的紧凑的波长调谐模块制造，该波长调谐模块用于多种气体的实时光谱感应。
图6A为另一实施例的可调谐半导体辐射源的剖面示意图，而图6B则为俯视示意图，包括对于图6A中的可调谐半导体辐射源实施例有用的金属化图案。在图6A-B的实施例中，半导体辐射源10包括有源芯结构22、电极12以及两微加热器M1、M2，有源芯结构22包括半导体材料，电极12位于有源芯结构22的上方，与有源芯结构22电连通，用于将电流注入有源芯结构以控制有源芯结构22中的电流密度，两微加热器M1、M2位于电极12的两侧，与有源芯结构22热连通。如同在图4A-C的实施例中，源10可进一步包括位于有源芯结构20上方以及微加热器M下方的上包覆层16，上包覆层16为n掺杂层。期望地，有源芯结构22包括量子级联阶段、带间级联阶段、或单个或多个量子阱、或这些结构的组合。
期望地，图6A-B中的辐射源10进一步包括沿每一微加热器M1、M2与电极12相对的一侧的沟槽T。
图6A-B中的源10可进一步包括位于有源芯结构中或上的分布反馈式光栅G，或可选地，辐射源10可不具有分布反馈式光栅G而是可进一步包括光学耦合到有源芯结构的低反射面或抗反射涂层50，以允许源10作为低相干放大自发射源工作。期望地，源10工作在可见光或近红外的波长范围内，更期望地，工作在0.4至20μm的波长范围内。如图6B所示，两焊盘BP1以及BP2可被设置与第一微加热器M电连接，附加的两焊盘BP5以及BP6可被设置与第二微加热器M2电连接。附加的焊盘BP3、BP4中的一个或两个可设置与电极12电连接。图6A-B中的实施例的一个优点在于(如图6B所示)电导线不需要横跨沟槽T。
然而，相对于图4A-C中的实施例，图6A-B的源10的实施例在调谐速度方面并不是最优选的，这是因为来自微加热器M1、M2的热量的行进路径H相对更长。尽管如此，其调谐范围是相当宽的，并且相应地，图6A-B中的实施例可有利于需要中速、宽范围调谐的地方。
本公开还涵盖了设置半导体辐射源辐射的方法，包括通过将电流传输通过辐射源的微加热器M或微加热器M1、M2来加热辐射源10的有源芯结构10，调谐根据本公开的源10的输出波长。
在一种替代方式中，除了通过将电流传输通过微加热器M或微加热器M1来调谐源10的一个或多个输出波长，该方法可进一步包括使辐射源工作在连续波(CW)操作下。还通过电极12或电极12、14改变注入进有源芯结构22的电流来进一步调谐一个或多个输出波长。在第二替代方式中，该方法可进一步包括使辐射源工作在脉冲操作下，期望地，工作在短脉冲操作下(等于或小于约50ns)，以最小化(热学上引起的)波长啁啾。