表面发射多波长分布反馈同心环形激光器的制造方法
【专利说明】
[0001] 本申请根据35U.S.C. §119要求2012年2月28日提交申请的美国临时申请 61/604, 170的优先权，且基于其内容并通过引用将其内容整体援引于此。
技术领域
[0002] 本说明书总地设及基于半导体的激光器，并更具体地设及在中红外区的分布式反 馈激光器，该分布式反馈激光器具有由同屯、环制成的有源纤巧W同时或顺序地产生若干波 长。也披露了制造和使用该些设备的方法。
【背景技术】
[0003] 分布反馈值FB)式激光器是固态二极管激光器技术，它将衍射光栅引入到激光器 的有源区。DFB设计允许稳定的单波长的发射，所述波长经由温度改变而可细微地调谐。DFB 激光器广泛地用于光通信应用中，其中设备的精确和稳定的波长是关键的。然而，DFB激光 器的有限可调谐性导致许多问题并限制了该些设备在其它领域中的总体有用性。如果DFB 激光器的强度可扩展到更宽范围的波长，那么在例如红外对抗、气体感测、通信和其它应用 的领域内将是有利的。
【发明内容】
[0004] 第一实施例包括；激光器，其包括具有至少两个组成的不相似层的增益材料，所述 层形成超晶格；W及被布置成具有共同中屯、的同屯、圆的至少两个环形激光发射部分，其中 光栅具有非等同的周期或布拉格波长并且激光器部分由电隔离区分隔开。在一些实施例 中，增益材料通过子带间跃迁而产生光子。在一些实施例中，激光发射部分通过包括半绝缘 型层的电隔离区并通过移除n包层的高渗杂部分而分隔开。在一些实施例中，来自至少一 个激光器部分的发射波长从大约2. 5 y m至大约15 y m。在一些实施例中，超晶格的至少一 个层包括GaylrVyAs，其中X从0至1。在一些实施例中，超晶格的至少一个层包括AlyIrVyAs， 其中y从0至1。在其它实施例中，有源区包括至少一个、两个或=个有源叠层。在一些实 施例中，激光器部分W脉冲方式发出激光。在一些实施例中，激光脉冲持续时间从大约10ns 至大约1ms。在其它实施例中，激光器部分W连续模式发出激光。在一些实施例中，所有激 光器部分可同时发射。在一些实施例中，激光器部分是按顺序地发射的。
[0005] 第二实施例包括检测来自样本的信号输出的方法，包括：将至少一个激光事件从 一个实施例施加至样本；并在其与样本相互作用之后收集至少一些光。在一些实施例中， 激光波长处于中红外区。在一些实施例中，光的采集提供关于样本的中红外吸收率的信息。 在一些实施例中，样本是固态的、气态的或液态的。在一些实施例中，光的采集提供关于样 本的中红外反射的信息。在一些实施例中，样本是固态的或液态的。
【附图说明】
[0006] 图1. CO戒近235〇cm -1的吸收谱。
[0007] 图2.葡萄糖在不同浓度下的吸收谱。
[000引图3A描述了从顶部看并沿横截面的顶表面发射的中IRS波长分布反馈值FB)量 子级联（QC)同屯、环形激光器。每个环形激光器的金属触头（300)连接至未示出的焊盘。光 和电流（载流子）（330)受半绝缘（Sl)InP电流阻挡层约束。约束的替代方法可通过凸起 的脊来提供。图3B描述了底表面发射的DFB QC同屯、环形激光器。如图3A所示，每个环形 激光器的金属触头（300)连接至焊盘（未示出），并且光和电流（载流子）受半绝缘（SI) InP电流阻挡层约束。约束的替代方式可由凸起的脊来提供。
[0009] 图4.具有五个不同周期的五个光栅的反射谱，该些周期被选择W与图2所示的葡 萄糖的五个吸收峰值匹配。
[0010] 图5.来自QC纤巧的叠层的自发发射谱。每个纤巧的增益峰值被设计成接近诸采 样波长中的一个。
【具体实施方式】
[0011] 本发明可通过下面的详细说明、附图、示例和权利要求书W及之前和之后的描述 更容易地理解。然而，在公开和描述所提出的组成、制品、设备、和/或方法之前，应当理解 本发明不限于所披露的特定组成、制品、设备和方法，除非另有规定，否则它们当然可W变 化。也要理解本文中所使用的术语仅为了描述特定的方面而不是限制性的。
[0012] 本发明的W下描述在其当前已知的实施例中作为本发明的允许教义来提供。为 此，相关领域的普通技术人员将认识和理解可对本文中描述的本发明的各个方面作出许多 改变，同时仍获得本发明的有益结果。还应当清楚的是，通过选择本发明的某些特征而不采 用其它特征也可获得本发明期望的益处。因此，本领域普通技术人员将能认识到，在某些情 况下，可能需要、甚至是期望对本发明进行的许多修改和改变，该些修改和改变也构成本发 明的一部分。因此，提供W下描述用来说明本发明的原理而不是用来进行限制。
[0013] 披露了可用于、可结合地用于、可用于制备的材料、化合物、组成和组分或作为所 披露的方法和组成的实施例。本文中披露了该些和其它材料，并且要理解当披露该些材料 的组合、子集和相互作用、组等时，尽管可能为明确地披露该些化合物的每个个别和全体组 合置换的特别指向，然而每种情形在本文中是特别考虑并描述的。由此，如果披露了一类取 代物A、B和C W及一类取代物D、E和F，并披露了组合实施例A-D的例子，则每种情形被单 独考虑或全体考虑。由此，在本例中，A-E、A-F、B-D、B-E、B-F、C-D、C-E和C-F中的每一个 被特别考虑并且应当被认为从A、B和/或C、D、E和/或F W及A-D的组合例的公开内容 中被披露。同样，任何该些的子集或组合也被特别地考虑和/或披露。由此，例如，A-E、B-F 和C-E被特别地考虑并应当被认为从A、B和/或C、D、E和/或F的公开内容W及组合例 A-D中被披露。该种概念适用于本公开的所有方面，包括但不限于制造和使用所披露的组成 物的方法中的组成物和步骤的任意组合。由此，如果存在可被执行的众多附加步骤，则可理 解，该些附加步骤中的每个步骤可通过所披露方法的特定实施例或该些实施例的组合来执 行，并且每个该样的组合被特别地考虑并且应当被认为是已披露的。
[0014] 在本说明书和下面的权利要求书中，对应当被定义为具有下列含义的术语作出引 用：
[0015] "包括"、"包含"或类似术语表示涵盖但不限于，即包括并且非排他的。
[0016] 术语"大约"指所有范围术语，除非另有声明。例如，大约1、2或3等同于大约1、大 约2或大约3,并进一步包括从大约1-3、从大约1-2和从大约2-3。对组成物、组成、成份、 添加物和类似方面及其范围披露的特定值和优选值仅是示例性的；它们不排除其它预定值 或预定范围内的其它值。本公开的组成物和方法包括具有任何值或该些值的任意组合、具 体值、更具体值和本文描述的优选值的那些值。
[0017] 不定冠词"一"或"一个"及其相应的定冠词"该"在本文中用来表示至少一个或一 个或多个，除非另有规定。
[0018] 如本文中使用的，"超晶格"包括具有不同带隙的至少两种半导体材料，所述不同 的带隙产生量子阱约束和子带间跃迁（例如参见美国专利61/564, 375,在本文中全篇地援 引包含于此）。至少两种半导体材料的厚度可在晶格内改变或者可W是恒定厚度。如果材 料的厚度改变，它们可W线形或非线性方式改变。
[0019] 如本文中使用的，"级"包括由超晶格形成的一系列量子阱，该些量子阱允许电子 从注入区转移至有源部分。如本文中使用的，"叠层"包括一系列的级。"有源区"或"巧"由 至少一个叠层构成并用来描述激光器产生光发射的区。
[0020] 第一实施例包括多表面发射中IR多波长分布的反馈量子级联同屯、环形激光 器（"DFB-QC-邸L")，用来在时间上同时或按顺序地产生多个波长。在一些实施例中， DFB-QC-C化激光器处于W共享的共同中轴线同屯、的状态。在一些实施例中，每个DFB-QC环 形激光器的激光发射波长是通过其本身的二阶光栅确定的。在一些实施例中，所有DFB-QC 环形激光器沿同一方向朝向同一空间射出光。对与需要更多波长的某些应用，同屯、环形激 光器可在一个巧片中沿一个或两个方向重复，并且所有该些激光器可被设计成朝向同一空 间点发射光。
[0021] 在一些实施例中，DFB-C化在红外（IR)区内射出激光。在一些实施例中，DFB-C化 在从大约2. 5 y m至大约15 y m的区域内发射激光。该种设备能够对单个分子的宽吸收线或 来自不同分子的若干吸收线进行采样。形成实施例的方法可包括使用与分布式反馈值FB) 量子级联激光器（QCL)中使用的相同的制造工艺。该里的实施例是有利的，因为它们由于 更小的尺寸、更快的速度和更低的成本能取代波长可调谐的外腔巧C)QCL。此外，该些实施 例也具有优于DFB Q化阵列的尺寸和成本优势，因为DFB Q化阵列需要光组合光学器件W 将阵列的输出组合成一道光束。
[0022] 该些实施例可能有用的一种具体应用是经由红外（"IR")光谱测量的化学分析。 来自化学键的振动的IR区中的强吸收线可用来标识分子组分。类似DFB Q化的中IR波长 可调谐源可用来扫描吸收线周围的波长。尽管传统的DFB Q化具有大约lOcm-i的小波长调 谐范围并经常被用来检测窄吸收线中的一个，例如小分子的窄吸收线（作为示例，图1示出 在2350畑1 4附近的C0 2吸收线，即在4. 2-4. 3 y m周围），然而本发明的实施例具有大得多 的波长覆盖并可用来检测大分子的宽吸收线（图2示出葡萄糖的950cnTi-1200cnri下的吸 收）。
[0023] 巧提供获得其光发射所需的光增益。激光器的巧可包括量子级联（"QC")或带内 级联（"1C")区的叠层。可使用具有宽光学增益的任何QC或1C结构。在一些实施例中， 巧包括QC结构。在一些实施例中，巧包括1C结构。每个巧的增益峰值被设计成接近采样 波长之一，如图5所示。具有在较短波长下的光增益的巧一般应当被布置成更靠近光学模 式中屯、，因为较短波长的光学模式比较长波长的光学模式更窄。
[0024] 实施例可包括含至少两个组分不完全一样的层（该些层形成超晶格）的增益材 料。通过层厚度的适当设计，可设计系统中的两个子带之间的粒子数反转，该是取得激光发 射所需的。层的厚度可W是完全相同的或者可W是不同的，该依赖于期望的设计。在一些 实施例中，层具有从大约1A至大约500A的厚度。在一些实施例中，层具有从大约10A至 大约100A的厚度。在一些实施例中，层具有大约1，2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11，12, 13, 14, 15 ，16, 17, 18, 19, 20, 21，22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 70, 80, 90, 100， 125, 150, 175, 200, 250, 300, 350, 400, 450 或50日 A 的厚度。
[0025] 用于在增益材料中形成多个层的材料一般包括半导体，例如族IVJII-V和II-VI 半导体