可调谐激光器、用于制作和用于操作这种激光器的方法

可调谐激光器、用于制作和用于操作这种激光器的方法
【专利摘要】通过在有源区域附近精确地控制激光器的温度，半导体激光器尤其在中红外光谱范围中可调谐。本发明引入一种用于局部加热有源区域的新设计，由此允许快速加热并且因此调谐激光器。它通常适用于整个领域的激光器。本发明由下列构成：在结构上集成加热电阻器作为激光器的部分，将加热电阻器布置为接近将要被进行温度控制的部件，并且为这个电阻器馈送可变电流以便局部控制热耗散。在多发射体激光器中，电阻器能够与每个发射体区段关联以调谐每个区段的温度并且因此调谐其发射的波长。类似地，在多区段DBR激光器中，利用与每个光栅关联的电阻器，能够调谐每个光栅并且因此调谐关联的光学腔的波长。本发明还包括激光器的新的制造过程。
【专利说明】可调谐激光器、用于制作和用于操作这种激光器的方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体激光器，具体地讲，涉及尤其在中红外(mid-1R)光谱范围中(即，在大约3-14 μ?的波长中)可调谐的量子级联激光器(QCL)。

【背景技术】
[0002]通过在有源区域附近精确地控制激光器的温度来进行调谐。由于这个区域中示出基频谐振的大量分子，中红外光谱范围在感测应用中起到独一无二的作用。在最近十年中，量子级联激光器(QCL)已变为各种光谱范围中最频繁使用的高效激光源之一。例子是Maulini的美国专利7944959和Faist的美国专利申请2003/0174751。在Vurgaftman的美国专利8290011中也示出了生成中红外光谱的QCL激光器。
[0003]典型设计是产生特定发射波长(S卩，以单模发射)的分布反馈(DFB)激光器(这里，为在其上面具有Bragg光栅的QCL)。通过改变激光器的工作温度，实现有限光谱调谐。
[0004]然而，对于许多应用而言仍然非常希望多个光谱线的可用性，由此经常需要对激光波长的稳定控制。因此，本发明的目的在于设计这种在中红外范围中生成可精确地控制的多个光谱线的QCL。
[0005]然而，应该理解，本发明不限于任何波长的QCL，而是通常适用于整个领域的激光器，例如适用于具有多色发射体的QCL或垂直腔单发射体激光器(VCSEL)。


【发明内容】

[0006]为了实现以上主要目的，本发明引入一种用于调谐激光器(尤其是在中红外光谱范围中工作的QCL)的新的和有优势的技术。
[0007]首先，为了允许通过热调谐快速调制激光器的(一个或多个)发射波长，公开了一种局部加热的新方法。
[0008]埋入异质结构优选地用于实现根据本发明的新的可调谐激光器的特定设计。对于这个实现方式，呈现用于这种激光器的新的制造过程。
[0009]另外，如以上所指示，为了获得多个单一但可调谐的光谱模式，多个发射体可使用局部加热的新方法而被放置在同一光学波导上或放置在分离的波导上。这里，再一次，当使用埋入异质结构设计时，可实现上述新的制造过程。因此，保证了可调谐的波长独立的单光束发射。通过引入附加的蚀刻步骤，每个发射体能够被单个地处理。
[0010]此外，公开了一种用于使用分布Bragg反射器(DBR)获得可宽范围调谐的QCL的新技术。每个反射镜(DBR1、DBR2，在以下进一步解释)的反射率呈现具有模式间隔Δ λ I和Δ λ 2的梳形。因此，对于两个反射镜都呈现高反射率的模式，将会产生激光。集成电阻器允许以热方式调谐每个反射镜的反射率，因此能够使用游标效应在宽范围上获得准连续激光调谐。像在上述多色发射体的情况下一样，与一个或几个发射体区段关联的电阻器能够被用于调谐区段的温度并且因此调谐其光学性质。类似地，在具有几个发射体的多色激光器中，与每个DFB关联的电阻器能够被用于调谐DFB并且因此调谐关联的波长。

【专利附图】

【附图说明】
[0011]在附图中示出:
图1是现有技术的埋入异质结构(BH)加工过程，
图2是根据本发明的BH加工过程，
图3是根据本发明的具有单个集成电阻器的边缘发射激光器，
图4是图3中示出的激光器的顶视图，
图5具有两个集成电阻器的边缘发射激光器，
图6是图5中示出的激光器的顶视图，
图7是具有两个不对称布置的集成电阻器的激光器，
图8是图7中示出的激光器的顶视图，
图9是根据本发明的边缘发射多发射体激光器，
图10是图9中示出的激光器的顶视图，
图11是包括一个或多个加热电极的多区段激光器，
图12是图11中示出的激光器的顶视图，
下面的图是涉及如下各项的曲线图:
图13涉及电阻对电阻器沟道厚度，
图14涉及耗散功率密度对电阻器沟道厚度，
图15涉及有源区域平均温度增加对电阻器沟道厚度，
图16、17涉及两个电阻性沟道厚度的2-D温度图案，
图18涉及时间相关有源区域温度增加，
图19是示例性地示出作为注入的“加热”电流的函数的波长变化/调谐的表。

【具体实施方式】
[0012]集成电阻器
频繁使用的用于半导体激光器的发射调谐的技术是温度调谐。这通常通过以下方式来完成:控制或修改激光器基台的温度，导致有源介质或区域的温度改变，有源介质或区域的温度的改变继而影响激光器的发射光谱。
[0013]这种技术具有一些固有的限制或缺点。第一缺点是长时间常数，即作为激光器基台的温度的结果而修改有源介质的温度所需的时间。因此，可用的最大调谐速度被限制于Hz范围，这对于许多应用而言太慢。第二，为了加工单光谱模式激光器，通常需要窄有源区域以保证单模发射。因此，由于窄脊激光器的提高的热传导，调谐幅度受到限制。
[0014]本发明引入一种通过在激光器的有源区域附近引入耗散或加热区域来独立于激光器基台或壳体温度地局部增加有源区域温度的方式，因此允许有源区域介质温度的快速而闻效的调制。
[0015]为了针对埋入异质结构(BH)激光器获得这个结果，实现随后描述的加工过程的修改版本。请注意:下面的描述仅定义修改的制造过程的原理，其并不涉及细节。这些对于本领域技术人员而言是已知的。
[0016]图1示出现有技术BH加工过程。在半导体基底I (例如，η掺杂的InP)顶上，有源区域2被建造，η掺杂的包层3沉积到有源区域2上，η掺杂包层3稍后提供电注入到有源区域2中并且同时限制有源区域里面的光学模式。激光器脊由掩模4覆盖，然后被蚀刻，并且通过绝缘半导体材料5 (例如，InP:Fe)的选择性再生长，提供电绝缘。这里省略随后的制造步骤。
[0017]图2呈现根据本发明的一个方面的这个制造过程的新的和创造性的变化。在生长有源区域2’之后，应用掩模4’并且立即蚀刻激光器脊(即，有源区域)。然后，生长绝缘半导体层5’(例如，InP:Fe)。其后，η掺杂包层3’在平面再生长中沉积在整个装置上。再一次，这里省略随后的制造步骤。
[0018]与图1的现有技术结构的重要差异在于:外延再生长顺序颠倒，并且包层3’现在重叠整个结构，即也在绝缘层5’上方延伸。
[0019]这导致一些重要的优点。首先，它提供宽接触区域，根据本发明的耗散“加热器区域”能够被插入在该宽接触区域中。此外，选择性再生长的减小的厚度导致增加的层质量和减小的缺陷密度。
[0020]使用以上过程，生成耗散区段的方式是在包层3’里面插入电阻性沟道，该沟道允许有源区域的受控加热。
[0021]然而，本发明不限于描述的加工方法，而是覆盖如下任何情况:其中用于独立地修改局部有源区域温度的附加电极和/或特定电阻器被添加到半导体激光器。
[0022]请注意，在随后的描述和关联的附图中，未示出激光器的操作所需的所有部件(例如，必要的反射镜、任何抗反射涂层等)。本领域技术人员将会知道在哪里放置以及如何设计省略的部分和部件。为了清楚起见，下面的描述集中于使本发明区别于现有技术的那些部分和部件。
[0023]第一实施例
原则上，QCL激光器的波导包层通常是高度η+掺杂的区域，电子被直接地从叠加的金属接触部注入到该区域中。包层的掺杂通常被减小为接近有源区域，以便降低激光器的η掺杂区域的光学损耗。通过在包层中蚀刻合适的沟槽，能够生成两个不同的独立的接触部。这两个接触部之间的电阻取决于包层的链接区域的掺杂、厚度和宽度/长度。
[0024]图3详细地示出这个概念的实现方式。基底11上的有源区域12 (通常是η掺杂InP)由绝缘层15 (优选地，是InP:Fe)包围。在有源区域12和绝缘层15上方延伸的是包层13，包层13优选地由低掺杂InP构成。在包层13顶上示出由沟槽16划分的两个分离的高度掺杂的接触区域17a和17b，接触区域17a和17b优选地具有η++掺杂的InP。这些接触区域17a和17b中的每一个分别由金属(通常是Au)电极18a和18b覆盖。应该注意的是，对于本发明的功能而言，接触区域17a和17b不是必需的，从而它们可被省略。在这种情况下，电极18a和18b将会被直接放置在由沟槽16分离的包层13的两个岛上。反电极或阴极10被放置在基底11的底部。
[0025]通过电极18b( “加热”或“副”电极)注入到有源区域12中的电流在波导包层13的低掺杂区段中被部分地耗散，而来自电极18a( “主”电极)的电流被几乎直接注入到有源区域12中。因为包层13的固有电阻，由副电极18b注入的电流在电流路径14中生成热量，这继而加热有源区域12并且在某种程度上也加热绝缘层15。这种加热修改激光器的腔的光学性质并且因此修改发射波长。
[0026]通过修改注入到电极18b中的电流和/或通过修改分别通过两个电极18a和18b注入的电流之间的比率，或者通过适配分别施加于两个电极18a和18b的电压，经过路径14的电流被变更，并且因此有源区域12的温度被变更。这继而控制激光器的发射光谱。在图19中描绘的表中提供这种作用方法的例子，图19示出作为注入的“加热”电流的函数的发射波长的变化或调谐的示例性值。
[0027]能够在加工过程期间适配电流路径14(即，“加热区段”)的固有电阻。例如，增加沟槽16的蚀刻深度或将沟槽16放置为更加远离有源区域12和/或增加沟槽16的宽度或减小包层13的掺杂水平增加这个电流路径14(即，“加热区段”)的电阻，并且反之亦然。
[0028]图4示出第一实施例的顶视图。为了避免在面19a和19b附近使有源区域12过热并且因此损伤有源区域12，即为了避免所谓的C0D，可优选地使副电极18b保持比关联的有源区域12的长度短；然而，未在图4中示出这一点。如果存在接触区域17b (如以上所解释，接触区域17b不是必要的)，则这也优选地较短。通过修改沟槽16的形式和/或修改包层13的掺杂，也能够实现相同的目标。
[0029]第二实施例
图5显示第二实施例。相对于第一实施例的主要差异在于:两个“加热”或“副”电极28b和28c以及关联的结构以几乎对称的设计提供在有源区域22的两侧。存在都具有几乎相同的形状的两个沟槽26a和26b以及电阻性路径24a和24b。连同其后接触部20的基底21、绝缘层25和包层23具有与以上结合图3和4描述的功能相同的功能。要注意的是，如图3和4中所示那样不存在接触区域。这个结构的功能如以上利用存在两个加热区域的差异所描述的那样。这允许有源区域22的更均匀加热，这是另一优点。另外，这两个不同的加热区段能够被单独控制，允许如此构造的激光器的任何的各种期望的加热。
[0030]图6呈现图5的顶视图，示出第二实施例的布置，第二实施例的布置具有两个对称地布置的加热电极28b和28c、位于中间的主电极28a以及形成两个几乎对称的电阻性路径的两个沟槽26a和26b。能够相同地或稍微不同地构造整个结构。
[0031]第三实施例
图7和8示出第三实施例。这里，再一次，几个“加热”或“副”电极提供在有源区域周围，但整体具有显著不同的不对称的设计。首先，主电极38a不在有源区域32的中心，而是相对于中心移位。这例如允许设计发射窗口，提供所谓的垂直腔激光器的垂直出射窗口。
[0032]“加热”或“副”电极之一(即，38b和关联的结构)比另一副电极38c更接近主电极38a。因此，主电极38a和副电极38b之间的沟槽36a比主电极38a和副电极38c之间的沟槽36b窄。此外，两个沟槽36a和36b被示出为具有不同深度以指示设计的可能的变化。另外，两个截然不同的加热区段能够被单独控制，允许如此构造的激光器的任何期望的加热。
[0033]连同其后接触部30的基底31、绝缘层35和包层33具有与以上结合图3和4描述的功能相同的功能。然而，再次要注意的是，如图3和4中所示的，不存在接触区域。如上所述，图7和8中不出的结构的优点在于:它为垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的发射窗口分配空间，从而为这种类型的激光器提供本发明的优点，例如允许对其进行微调。
[0034]图8呈现图7的顶视图，示出具有不对称地布置的副电极或加热电极38b和38c的第三实施例的布置。显示的其它部件对应于图7中描绘的部分。通常，这个设计将会是与以上描述的激光器相同种类的边缘发射激光器。然而，如果需要并且如上所述，图7和8中示出的激光器可被设计为上述垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，并且因此合并这里作为例子不出的(垂直)出射窗口 39。
[0035]多发射体实施例
图9显示实现本发明的多色/波长边缘发射激光器结构。在这个设计中，通过同一有源区域42发射不同波长的几个激光器49a...49c被放置在共同基底41上。每一单个激光器49a...49c展示:主电极,每个主电极在这里由其主连接47a...47c指示；和至少一个副或加热电极，每个副或加热电极在这里由其副连接48a?"48c指示。附加的激光器49η被示出在右端，指示基底41上的激光器的数量不限于三个。反电极或阴极40被放置在基底41的底部上。
[0036]每一单个激光器49a...49c的绝缘层和包层43a...43c仅在图9和10中被画出轮廓，因为通过前面的描述，它们的位置和功能应该是清楚的。
[0037]每个激光器能够被单独控制，允许逐个地微调激光器结构的输出。一个可能性是通过所描述的实现的加热系统影响每个激光的有源区域的温度并且因此影响激光的波长。
[0038]如果所描述的多色/波长激光器是DFB类型，则温度控制通过所描述的加热系统来影响每个激光器上的光栅并且因此影响激光的波长。
[0039]图10呈现图9中描绘的设计的顶视图，示出实现本发明的多色、多发射体激光器结构的布置。描绘的实施例在每一个激光器上不出主电极及其连接47a…47c、位于该电极下面的绝缘层/包层43a…43c、单个副或加热电极及其相应的连接48a*“48c以及共同基底41。
[0040]多区段激光激光器
图11示出具有分布Bragg反射器的多区段、边缘发射激光器。用作分布反馈反射器(DBR区段)的Bragg光栅54b和54c被嵌入在例如位于有源区域52顶上的结构中。反电极或阴极50被放置在基底51的底部上。
[0041]看起来稍微类似于前面描述的多发射体激光器，存在位于这个DFB激光器顶上的主和副电极/连接的几种布置。然而，存在显著差异:激光器在这种情况下由多个区段(例如，前反射镜、后反射镜、相位区段)构成，并且这些区段的每个区段中的温度和驱动电流被用于调谐激光器的发射波长。
[0042]详细地讲:主电极及其关联的连接器57a和副电极/连接58a控制有源区域52的温度并且因此控制它的光学性质，而电极/连接对57b/58b和57c/58c分别控制DBR光栅54b和54c的温度(即，反射镜性质)。因此，可通过变更/控制有源区域52的温度以及DBR光栅54b和54c的温度两者来实现激光器的调谐。
[0043]图12是图11中描绘的设计的顶视图，示出边缘发射DBR激光器的布置。主电极/连接57a和副或加热电极/连接58a位于激光器的中心并且控制有源区域。两对主和副电极/连接57b/58b和57c/58c朝着有源区域的两端定位；它们控制用作前反射镜和后反射镜的光栅。
[0044]还在图12中不出位于各种电极下面的绝缘层/包层53a...53c、各种电极及其相应的连接57a...57c和58a...58c、以及共同基底51。
[0045]一般而言，当被应用于标准分布反馈(DFB)激光器时，本发明还具有另一优点。由于这种激光器通常包括光栅，所以由附加“加热”电极提供的加热可被用于快速地微调光学模式相位，即用于根据腔模式调整纵向光学模式的相位，因此提高单模产出并且减少模式跳跃的风险。
[0046]在下面，将会讨论图13至18 ;这些图示出各种功能和相关性的图或曲线图。
[0047]在具有7.5Mffl宽的脊和5Mm宽的耗散区域的边缘发射QCL激光器上进行测量。耗散区域被掺杂116 cm_3。在这个结构中，电阻性沟道的厚度变化，并且观测静态温度。
[0048]在图13中，耗散或加热区域的电阻被绘制为使用Drude模型计算的电阻器沟道的厚度的函数。
[0049]图14示出针对作为电阻器沟道厚度的函数的IA的注入电流的计算的耗散功率，电阻器沟道厚度进而是蚀刻深度的函数。
[0050]图15显示作为电阻器沟道厚度的函数的静态温度增加。如所示的，如果电阻性沟道的厚度从500nm改变为2Mm，则能够观测到高达200K的温度增加。
[0051]图16和17比较在电阻性路径里面IA的注入电流的情况下的500nm(图14)和图15)的两个电阻性沟道厚度的温度图案。
[0052]如上所述，本发明的主要优点之一在于可能获得对有源区域温度的高调制速度并且因此获得对发射波长的高调制速度。
[0053]图18描绘这个优点。分析500 nm深度的电阻性沟道的温度瞬态(左侧曲线)，并且将其与在瞬时基台温度改变的情况下的温度瞬态(右侧曲线)进行比较。
[0054]右侧曲线示出现有技术基台加热设计的温度改变的时间常数(或惯性)。左侧曲线示出根据本发明的系统的时间常数。在这个后者的情况下，温度能够在Ws内增加高达20K，而在基台温度的改变的情况下，在300μ8或更多时间内仅能够获得相同的增加，即使假设激光器的后接触部的瞬时温度改变。因此，在根据本发明的“加热接触设计”中，能够在MHz范围中调制温度，保证利用标准现有技术设计无法获得的激光发射的宽调谐。
[0055]最后，图19中示出的表呈现作为在2200CHT1发射的激光器的电阻性路径中耗散的电流的函数的500 nm厚的电阻性路径的发射调谐。
[0056]本发明的功能和各种实施例的以上详细描述允许本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下设计另外的实现方式。
【权利要求】
1.一种可调谐半导体激光器，该半导体激光器具有基底(111有源区域(12)、包层(13)、绝缘层(15),以及在所述包层(13)上或在所述包层(13)上方的主电极(1?)，主电极(18幻把电流注入提供到所述有源区域(12)中，其特征在于， -副电极或另一电极(1813),与所述主电极(1?)分离，用于将副电流注入到所述激光器中， -电阻性路径(14)，连接到所述副电极或另一电极(1?)，所述电阻性路径(14)被定位成影响所述有源区域(12)的温度。
2.如权利要求1所述的激光器，其中 -所述电阻性路径(14)在副电极(1?)和有源区域(12)和/或主电极(1?)之间延伸。
3.如权利要求1或2所述的激光器，其中 -所述电阻性路径(14)位于激光器的包层(13)中并且包含或包括具有预定电阻的区段。
4.如权利要求3所述的激光器，还包括: -主接触区域(17幻，位于主电极(18^)和包层(13)之间；和 -副接触区域或另一接触区域(1713),位于副电极(1?)和包层(13)之间。
5.如前面权利要求中任一项所述的激光器，其特征在于， -两个或更多的副电极(281^,280:3813,380)；和 -两个或更多的电阻性路径(24^ 241^34^346),优选地位于所述包层(23:33)中，与所述副电极(28)3,28(::38)3, 380)中的每个关联。
6.如前面权利要求中任一项所述的激光器，其中 -所述两个或更多的副电极(28^280)及其关联的电阻性路径(24^2413)被安置为相对于主接触区域(2?)近似地对称。
7.如前面权利要求中任一项所述的激光器，其中 -所述副电极(1813,180)中的至少一个比主电极(18?)短。
8.如前面权利要求中任一项所述的激光器，还包括: -81'叫8反射器(541 540，特别地，包围有源区域(52)的分布81'叫8反射器(08尺)。
9.如前面权利要求中任一项所述的激光器，构成 -量子级联激光器(特别地，在中红外光谱范围中工作的％1。
10.如权利要求1至9中任一项所述的激光器，构成 -垂直腔表面发射激光器0(^20，特别地，用于中红外光谱范围的％3此。
11.一种多发射体激光器，包括: -多个根据前面权利要求中任一项所述的激光器。
12.一种用于制造前面权利要求中任一项所述的激光器的方法，其特征在于下面的步骤: -在半导体基底(11)上生长有源区域， -将掩模应用到所述有源区域上并且蚀刻脊(12), -生长绝缘半导体层(15)， -沉淀包层(13), -在所述包层(13)中蚀刻具有预定深度的沟槽(16),因此产生至少两个分离的包层岛，以及 -利用电极(183和186)覆盖所述包层岛中的每一个。
13.如权利要求12所述的激光器的制造方法，其中 -半导体基底(11)是I！！？ II掺杂基底， -绝缘半导体层(15)是III？:？6， -包层(13)为11掺杂的，以及 -电极(18^1,1813)是金属电极，优选地是八11电极。
14.一种用于操作如权利要求1至12中任一项所述的激光器的方法，其中 -主注入电流由主电极(183 ；283 ；38幻递送，以及 -副注入电流由副电极(1813,180:2813,280:3813,380)中的至少一个递送， -所述副注入电流被调节以实现关联的电阻性路径(14 ；2如，2413 ^348,3413)的受控加热，该加热继而调谐激光器的频率。
15.如权利要求14所述的操作方法，其中 -选择主注入电流与副注入电流的比率以便提供期望的激光功率输出和调谐的频率两者和/或调整光学模式的相位。
【文档编号】H01S5/32GK104466670SQ201410463309
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】A.比斯穆托, J.沃尔夫, A.米勒, J.费尔斯特 申请人:阿尔佩斯激光有限公司