中红外垂直腔激光器的制作方法

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

本发明是在政府支持下由arpa-e办公室doe授予的合同号de-ar0000538来完成的。政府享有本发明中的一些权利。

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明的实施例描述了在大于3.0um波长下运行的第一rtcwvcl结构。本发明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。

本发明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。

本发明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。本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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，示出了根据本发明实施例的空穴和电子约束。

图2a示出了根据本发明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可调结构的本发明的优选实施例。

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示出了根据本发明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

根据本发明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。在其中所公开的本发明的实施例的描述中，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发明的范围。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”等类似的术语是指一种关系，其中结构通过中间结构直接或间接地彼此固定或附接，而且两者可移动或刚性的附件或关系也一样，除非另有明确说明。而且，本发明的特征和优点通过参考示例性实施例来说明。因此，本发明明显不应该限于这样的示例性实施例，该示例性实施例示出了可以单独存在或以特征的其他组合存在的特征的一些可能的非限制性的组合。本发明的范围由所附的权利要求书限定。

本发明描述了目前设想的实施本发明的最佳模式。该说明书并非旨在以限制性的意义来理解，而是提供了本发明的示例，本发明通过参考附图仅出于说明性目的而被提出，以向本领域的普通技术人员建议本发明的优点和构造。在附图的各个图中，类似的附图标记指代类似或相似的部分。

在本发明的优选实施例中，vcl的工作波长是3-5um。优选地，使用6-12个压缩应变(1-2％应变)的ingaassb量子阱，在光腔中的3-6个驻波峰处具有成对的量子阱。ingaassb量子阱与较宽的带隙势垒层相邻，并且该势垒层与较宽的带隙覆盖层相邻。在优选实施例中，势垒层是与gasb基本上晶格匹配的五元alingaassb，而覆盖层是与gasb基本上晶格匹配的alassb。alingaassb吸收在1.55um范围内的优选的泵浦波长，而alassb对该泵浦波长是透明的并且还用作空穴阻挡层，如下面进一步讨论的。优选地调节五元材料的量，以获得约40-80％的泵浦光的活性区的单程吸收效率，与相对均匀的量子阱泵浦结合起来，从而使泵浦能量有效地利用。注意，尽管ingaassb是优选的阱的组成，但也可以使用inassb或其他化合物来获得接近5um的更长的波长。

在替代的优选实施例中，ingaassb量子阱被纯gasb层覆盖，这可以提供良好的空穴约束和热导率。然而，该替代实施例的实现需要低温生长以克服应变约束。或者，量子阱可以直接被alassb覆盖，而无需中间的alingaassb层。由于宽带隙alassb不会吸收1.55um附近的泵浦波长，并且吸收只会在量子阱中发生，从而降低了吸收效率并增加了所需的阈值功率，因此这种实现方式不是首选。在又一个实施例中，可以去除alassb覆层，仅留下alingaassb势垒。这种方法的缺点是，当实质上移动到大约比3.0um更长的波长时，空穴约束会越来越差。

在优选实施例中，alassb的存在提供了额外的空穴约束，如图1的能带图所示。虽然与gasb晶格匹配或几乎晶格匹配的材料的异质结构带偏移尚不明确，但可以根据文献做出合理的估计，从中可以得出定性结论。图1示出了在应变的ingaassb量子阱、相邻的alingaassb五元势垒区和alassb覆层区之间的估计的带偏移。这些偏移量是根据h.kroemer在physicae，20(2004)，196-203中的“the6.1angstromfamily(gasb，inas，alsb)anditsheterostructures:aselectivereview”和i.vurgaftmann等人于2001年6月1日在journalofappliedphysics中，第80卷，第11期的“bandparametersforiii-vcompoundsemiconductorsandtheiralloys”中估计的。尽管带偏移值存在一些不确定性，但是图1的主要点是alassb用作空穴阻挡层，与仅由五元(quinary)alingaassb势垒提供的空穴约束相比，增加了空穴约束。

波长在约1.45-1.65um的范围内，优选1.55um的泵浦波长，因为普遍可获得成本效益好的泵浦激光器。优选该波长，还因为它将被与优选的阻挡材料gasb晶格匹配的五元alingaassb吸收。在替代的优选实施例中，可以使用约0.95-1.15um和1.7-2.1um范围内的替代泵浦波长。在此设计中，使用具有alingaassb势垒(50nm宽度)和1.55um范围泵浦的6-12量子阱(约9nm宽)可以提供足够的增益和足够的吸收长度，从而能够有效地利用可用的泵浦功率。请注意，在对alingaassb势垒透明的更长波长(例如2.1um)下进行泵浦，尽管吸收率较低，但对于给定量的吸收功率确实具有较少的热量，当可获得足够的泵浦功率时会产生较高的输出功率。

在优选实施例中，vcl使用在gaas衬底上生长的、包括al(x)ga(1-x)as(其中，0≤x≤1)的至少一个晶片键合反射镜。由gaas/algaas的四分之一波长层交替组成的基于gaas的反射镜已知具有非常低的中红外损耗，如g.d.cole等人在optica的2016年第3卷，第6期，第647-656页的“highperformancenear-andmid-infraredcrystallinecoatings”中所述。这些反射镜还具有较大的折射率对比度，相应地具有较大的带宽，对于大于0.9um的泵浦波长是透明的，并且具有出色的导热性，这是nirvcl领域的技术人员众所周知的。此外，这些反射镜可以在4至6英寸大基板上以所需的大厚度和高表面质量生长，因此对于中红外vcl的批量生产具有商业吸引力。然而，替代的优选实施例中，可以使用在gasb基板上生长的外延生长或晶片键合的反光镜，例如gasb/alassb的交替层，它们也提供高折射率对比。但是，反射镜中的gasb会吸收1.55um的优选泵浦波长，从而降低泵浦效率，并随着泵浦被吸收并生成自由载流子而增加反射镜中的自由载流子损耗。作为另一优选实施例，可以在光学腔的一侧或两侧上使用诸如锗/硫化锌(ge/zns)之类的沉积反射镜或采用znse、thf4、caf2或si的反射镜。

图2a至图2c示出了对本发明的优选实施例的实践的还原，表明在3.349um附近的rtcw运行。如图2a所示，该实施例中的结构的有源区使用驻波270的5个峰上的5对压缩应变的(1-2％)量子阱210(厚度约9nm)，其组成近似为in(0.55)ga(0.45)as(0.26)sb(0.74)。由大约al(0.22)ga(0.46)in(0.32)as(0.3)sb(0.7)组成的五级势垒220(约50nm)围绕ingaassb量子阱，并且吸收1550nm(1.55um)的泵浦辐射。对1550nm的光透明的晶格匹配的alassb覆层区230提供了额外的空穴约束。两个井之间的距离是半波长或大约485nm。激光器在有源区的任一侧上采用gaas/algaas四分之一波晶片键合的分布式布拉格反射器(dbr)镜240、250。1.55um处的光泵浦光束通过gaas基板260进入，而3.349um的发射光则穿过该结构的相对侧出现。

在上述可选的优选实施例中，图2a中的alingaassb和alassb可以用纯gasb或纯alassb代替。由于应变增加(纯gasb)而需要低温生长，或者由于吸收降低(纯alassb)而需要更高的泵浦功率。

如图2b和图2c所示，该结构中的发射是单波长，代表单一的横向和纵向模式。图2b示出了由ftir光谱分析仪(osa)在阈值以上和以下提供的迹线，示出了在阈值以上的清晰的激光峰和仅在阈值以下的osa噪声。图2c示出了随着泵浦功率变化的对激光波长的热调谐。该器件在与晶片键合界面(interface)处采用内径约20um的浅环形蚀刻，以提供折射率引导。

为了实现3.34um范围内的发射，实现有效的单模运行所需的近场光斑尺寸优选地应该在大约8-26um的范围内。该横向光束的尺寸随波长粗略地缩放，并且理想的单模光束尺寸应在发射波长的约2.5-7倍的范围内。如vcsel领域的技术人员所熟知的，可以使用蚀刻后标杆(post)的或氧化物约束的几何形状，以类似于nirvcsel的方式来控制横向模式场直径。

图2a的结构可以根据如下实施例来制造。首先，gaas/algaasdbr反射镜在gaas基板上生长。此外，10qw周期性增益有源区分别在gasb基板上生长，并包括inassb停止蚀刻层，以帮助后续的去除基板。晶片键合领域的技术人员很容易理解，dbr反射镜和有源区可以通过等离子体活化的低温键合来连接。在该过程中，键合界面处的gaas表面和gasb表面均使用氧等离子体进行等离子体活化，并且借助于在键合界面处的少量h2o将两个晶片接合在一起，以形成氧化物键。该氧化物可以是镓、砷、铟或锑的氧化物。也可以在界面处引入界面al2o3或sio2层，以提高键合强度。在室温下，键合会在数小时内形成，随后在100-200℃下退火可提高键合强度。另一种键合方法是使用金属键合，例如金-金键合，并在金属中开孔以使光线通过。形成键之后，可以使用众所周知的hf/cro3的混合物去除gasb基板，并在inassb停止蚀刻层上停止。柠檬酸：过氧化氢为2：1的混合物可用于去除停止刻蚀层并在gasb层上停止。接下来，第二晶片键合步骤将第二gaas/algaas反射镜连接到有源区，实现激光腔。可以使用h2o2：nh4oh为30：1的蚀刻去除与第二个反射镜相关联的gaas基板，并停止在高铝含量的algaas层上作为停止蚀刻。这将整个激光腔留在与底部反射镜相关的单个gaas基板上。

光泵浦的使用提供了rtcw运行以外的其他优点。正如在nirvcl中所证明的那样，光泵浦vcl腔通常比其电泵腔具有更大的调谐范围。因此，本发明的实施例还提供了一种伴随在此公开的光泵浦vcl结构的调谐机构。在优选实施例中，vcl包括固定的半vcl，该固定的半vcl包括固定反射镜和有源区，可变间隙将第二可移动镜从固定的半vcl隔开。可移动镜由微机电系统(mems)致动。我们注意到，术语“间隙”在此定义得足够宽，以表示不包括固体材料但可能包括空气、真空或任何数量的气体的任何间隙。

该mems调谐机制在nir处可提供超过中心波长10％的调谐范围，并且在中ir时可提供类似的性能。mems调谐机制可以被配置为以固定方式运行，或者以从dc到大于1mhz的重复速率进行步进调谐、连续扫描或重复扫描。图3示出了周期性增益i型光泵浦mems可调vcl的优选实施例。如图所示，固定的底部反射镜310由gaas/algaas组成，并在晶片键合界面320处接合至包括如上所述的ingaassb量子阱的i型周期性增益有源区330。1550nm的泵浦光束穿过gaas基板340和底部gaas/algaas反射镜310进入，并在i型有源区330中被吸收。顶部反射镜350被置于氮化硅(sin)薄膜360上，由沉积的材料组成。sin薄膜360包括孔，使得光路上没有sin。在一优选实施例中，顶部反射镜350包括zns和ge的交替层。顶部反射镜的替代优选材料包括znse、thf4和caf2。在又一替代实施例中，顶部反射镜可以是gaas/algaas，并且薄膜gaas可以代替氮化硅。理想情况下，顶部反射镜的反射率应在99％至99.9％的范围内，往返损耗应小于0.2％。在与柔性薄膜一体的顶部触点370和与固定的半vcl一体的底部触点380之间施加电压，导致间隙390收缩并调谐至较短的波长。在制造过程中，间隙被牺牲(sacrificial)层(例如聚酰亚胺、硅或锗)占据，这是mems技术领域的技术人员众所周知的，并且牺牲层在制造过程快结束时释放出来，以创造间隙和悬浮结构。图3中所示的mems执行器(actuator)的制造与近红外中的mems执行器非常相似。关键制造步骤是mems-vcsel领域的技术人员众所周知的，例如，wolfgangdrexler和jamesfujimoto在2015年第二版的“opticalcoherencetomography:principlesandapplications”的第23章中进行了描述。

尽管图3的mems调谐机制提供了较宽的调谐范围，但是可选的可调谐结构也是可能的，例如，通过集成电阻加热器，或者通过改变泵浦功率进行热调谐，如图2c所示。另一种方法是使用第二反射镜，该第二反射镜与半vcl分离，并且根据调谐要求可以固定或移动。一种特殊情况是使用光纤作为第二可移动镜，该第二可移动镜连接到诸如压电转换器的换能器以实现调谐。该光纤在纤维末端表面上将具有适当的高反射光学涂层，其用作可移动反射镜。

根据本发明的实施例的可调谐vcl可以被结合到许多光谱检测系统中。这样的系统可以被配置为检测液体、固体或气体样品的各种性质。实例包括对环境和工业上重要的气体的浓缩，例如，甲烷、乙烷、氨、二氧化碳、水蒸气、hf蒸气、一氧化二氮、乙炔、羰基硫、二甲基硫、氰化氢、臭氧和一氧化碳。图4和图5示出了这些气体中的几种的吸收的光谱相关性，包括在图5中对燃烧重要的气体的压力扩展光谱。测量气体浓度的一种常用方法是使用光学检测器测量通过气体传输的调谐激光发射的光谱相关性，并将其与入射到气体上的光的光谱相关性进行比较。吸收线将表现为透射光谱中的倾角，这些倾角的大小可以通过适当的信号处理与所关注气体的浓度相关。使用本发明实施例的vcl的光谱学可以测量与样品相互作用后来自vcl的光发射的波长相关性的任何变化，包括但不限于强度、偏振，相位或其他参数的变化的光谱相关性，并涉及到样本属性的改变。与样品的相互作用也可以采取多种形式，包括但不限于透射、反射或散射。通常，根据本发明的实施例的来自vcl的可调谐发射将具有第一光谱相关性，该第一光谱相关性将在与感兴趣的样品相互作用时改变为变换的光谱相关性。光学光谱领域的技术人员众所周知，利用光学检测器和适当的信号处理来对相对于第一光谱相关性的变换的光谱相关性进行量化，可以用来确定感兴趣样品的性质。此分析可以被反馈以优化另一个系统。例如，根据本发明的实施例的基于vcl的光谱系统可以监视燃烧系统中的气体浓度，并且反馈到内燃机以优化例如燃料效率。

光谱学可以与用于空间映射的技术一起使用，以作为空间位置的函数来量化样品的性质。图6示出了一个示例，其中使用例如常规的光束转向镜使来自根据本发明的vcl610的可调谐发射越过油井垫630而被操纵。当光束从各种回射器(retro-reflectors)620反射回来时，光束会穿过整个油井垫，并返回到与光束操纵的可调谐vcl共同定位的光学探测器。分析所检测到的光功率与时间的关系可以量化穿过整个油井垫的甲烷气体的空间分布，并用于评估甲烷泄漏。该信息可以被反馈到截止阀以响应于检测到的泄漏而关闭或改变气流。图6的一般配置的其他应用可包括在公共场所(如体育场、公园、机场或火山活动区)进行空间制图和有毒气体的监测。

请注意，本发明描述的具有rtcw运行能力的vcl可以在室温以下和/或在依据应用的脉冲模式下被采用。这样的vcl仍将落入本发明的范围内。

请注意，如先前在nirvcsel中已经证明的，图2a和图3的vcl可以以阵列的形式被制造，以创建更高功率或多波长阵列。

尽管已经在一些长度处描述了本发明，并带有关于几个所描述的实施例的一些特征，但是本发明并不限于任何这样的细节或实施例或任何特定的实施例，而应是参照所附权利要求书来解释，提供对从现有技术看来的此类权利要求书的最宽泛的解释，因此有效地涵盖本发明的预期范围。此外，前述内容根据发明人所预见的实施例描述了本发明，尽管对于本发明的非实质性修改目前尚不能预见，但发明人可以预见其实施例，但是仍然可以表示其等同形式。