量子级联激光器的制作方法

根据35U.S.C.§119本申请要求于2013年11月30日提交的美国临时申请61/910,342的优先权，本申请依赖于所述临时申请的内容并通过引用将其全文并入。

背景技术：

一般地说，本发明涉及量子级联设备，如光学放大器芯片，所述光学放大器芯片用于集成或外部腔量子级联激光器(QCLs)，ASE光源以及类似应用，所述设备在高温下具有高连续波(CW)功率，尤其是一些在高温环境下具有一定波长的设备，所述波长适用于红外对抗，热准直瞄准装置，气体和其他分子传感，和/或其他应用，特别是在较长的7μm及以上波长。

技术实现要素：

本发明针对具有开始于两个或多个薄阱的激活区的量子级联设备。更具体地说，公开了一种量子级联激光器结构，包括多个量子阱和多个势垒，所述多个量子阱的至少一部分限定了一激活区，所述激活区的一端邻接一注入势垒(injector barrier)，其中：在限定激活区的多个量子阱中的两个或多个相邻量子阱位于注入势垒的附近，并且每一个所述两个或多个量子阱都具有一宽度，所述宽度比所述限定激活区的多个量子阱中两个或多个后续量子阱的宽度要窄。所述生成的激活区具有增加的跃迁(transition)寿命，对于在长波长(>7μm)下发射或者发出激光的设备，可产生更高的效率和更好的整体性能，所述跃迁为从较高的光子发射能态到较低的光子发射能态。

附图说明

结合以下附图可以更好地理解以下详细叙述的本发明的具体实施例，其中相同的结构用相同的附图标记表示，其中：

图1描绘一能带图，说明了在现有的包括一激活区的量子级联结构中连续的量子阱和势垒的能级和厚度；

图2描绘了根据本发明一量子阱激活区的一实施例的能带图，说明了在现有的包括一激活区的量子级联结构中连续的量子阱和势垒的能级和厚度，所述激活区在其开端至少具有两个薄阱(紧接一注入势垒，在两个或更宽的量子阱前面)；

图3描绘了根据本发明一量子阱激活区的另一实施例的能带图，说明了在现有的包括一激活区和一阶梯阱组态的量子级联结构中连续的量子阱和势垒的能级和厚度，所述激活区在其开端至少具有两个薄阱(紧接一注入势垒，在两个或更宽的量子阱前面)，在所述阶梯阱组态中所述激活区的至少一最后的最后量子阱比所述激活区的至少一相邻量子阱具有更低的最小能态；

图4描绘了一分装的QCL芯片的脉冲光-电流-电压(LIV)曲线，所述芯片使用图3中改进的激活区结构；以及

图5描绘了一分装的QCL芯片的连续波(CW)光-电流-电压(LIV)曲线，所述芯片使用图3中改进的激活区结构。

具体实施方式

本发明讲授在量子级联设备，如QCL，在其激活区中利用两薄阱在较高的激光能态(upper lasing state)下增加电子的寿命和提高激光性能(较高激光能态的寿命τ4，特别是通过在一双声子、四级量子级联设备中延长跃迁寿命τ43，所述跃迁为从较高的光子发射或激光能态到较低的光子发射或激光能态。延长这种跃迁有利于长波长量子级联设备(从7μm以上)因为随着波长增加，较高的能态4和较低的能态3之间的能隙会降低，导致更低的跃迁寿命τ43，所述跃迁为从较高的光子发射或激光能态到较低的光子发射或激光能态。基于QCL系统速率方程(4级)，增益系数g或内部效率ηi与τ4(1-τ3/τ43)成正比，其中，τ3为较低的激光状态3的寿命，τ4为较高的激光状态4的寿命，并且1/τ4＝1/τ43+1/τ42+1/τ41+…更小的τ43可得到更小的τ4，并因此得到较小的增益系数和内部效率。因此，延长τ43可在长波长量子级联设备(7μm及以上)中提供更高的效率。

必须维持小能带以产生所希望的长波长时，寿命τ43也受两能级之间的空间重叠度的影响，更大的重叠会导致更短的寿命。

图2描绘了根据本发明一量子阱激活区的一实施例的能带图，说明了在现有的包括一激活区的量子级联结构中连续的量子阱和势垒的能级和厚度，所述激活区在其开端至少具有两个薄阱(紧接一注入势垒，在两个或更宽的量子阱前面)。在两个薄阱，而不是一个，位于注入势垒之后时，较高的能态4的波函数具有位于所述两薄阱内的一增加部分，但较低的能态3不能渗透到薄阱，因为较低的激光状态的能级远低于薄量子阱的基态。就这样，在较高的激光状态和较低的激光状态之间的重叠减小并且寿命τ43增加。例如，寿命τ43从图1所示常规结构的3.7ps增加到图2所示改进结构的5.5ps，尽管这两种结构具有相同的大约为133meV的激光发射跃迁能量(对应于9.4μm的激光发射波长)。

在激活区的开端的两个(或更多)薄量子阱的使用有利于连同阶梯阱激活区一起使用，所述阶梯阱激活区先前已公开，由本发明的发明人和/或他们同事在2011年11月29号提交的美国临时申请61/564375和在2012年10月26日提交的美国常规申请13/661559中公开，并通过引用将其全文包括在内。图3描绘了根据本发明一量子阱激活区的所述一实施例的能带图，说明了在现有的包括一激活区和一阶梯阱组态的量子级联结构中连续的量子阱和势垒的能级和厚度，所述激活区在其开端至少具有两个薄阱(紧接一注入势垒，在两个或更宽的量子阱前面)，在所述阶梯阱组态中所述激活区的至少一最后的最后量子阱比所述激活区的至少一相邻量子阱具有更低的最小能态。图3的能带图具有10.3μm的发射波长。例如，有源核的一阶段/周期的生长结构如下表1所示。本例中所述薄阱标有一星号。

表1

激光跃迁能量大约为118meV，对应于10.6μm。寿命τ43大约为4.8ps。它比在所述波长下的一QCL的典型值高40％左右，所述典型值为3.5ps。进一步地，能级4和5之间的能隙(较高的发射级和较高发射级之上的第一寄生级)被阶梯阱激活区加大，并进一步提高应用所述激活区的量子级联设备的效率。

基于此结构生长、制造和测试QCLs。分装的QCL芯片的脉冲和连续波(CW)光-电流-电压(LIV)曲线分别如图4和5所示，所述芯片来自所述实施例所公开的激活区结构。所述被测试的芯片有6mm长腔和9.5μm宽条纹。它以近10.7μm发射激光。所述设备的最大峰值功率2.1W已被证明，并且最大脉冲WPE为10.2％。CW输出功率1.1W也已被证明，并且最大自由扭结CW输出功率为1W，最大CW WPE为4.8％。

如图所示，所述被测试的设备也表现出良好的温度性能。在95℃时，最大CW输出功率仍然达到200mW。这是第一个已知的QCL，所述QCL具有长于10μm的波长并在室温下具有大功率(>1W)CW输出。另一个用略宽条纹(11.5μm)测试QCL证明了在15℃时CW输出功率为1.3W。