中红外垂直腔激光器
专利汇可以提供中红外垂直腔激光器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且所公开的是在 中红外 区工作的光 泵 浦垂直腔 激光器 结构，其已经证明了室温连续波工作。该结构使用由InGaAsSb组成的I型 量子阱 的周期性增益有源区，以及提供强空穴约束和大量泵浦吸收的势垒/覆层区。一个优选 实施例 包括至少一个晶片键合的基于GaAs的反光镜。几个优选实施例还包括如所公开的用于中IR VCL的 波长 调谐的装置，包括MEMS调谐元件。该文件还包括如所公开的使用VCL的 光谱 学系统，包括用于检测工业和环境重要气体的浓度的系统。，下面是中红外垂直腔激光器专利的具体信息内容。
1.一种光泵浦垂直腔激光器(VCL)，所述光泵浦垂直腔激光器在泵浦波长处用泵浦源进行光泵浦，并在发射波长处提供VCL发射，所述VCL包括：
第一反射镜(240)；
第二反射镜(250)；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(210)，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(220)以及与所述势垒区相邻的覆层区(230)，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。
2.根据权利要求1所述的VCL，其中，所述I型量子阱还包括镓。
3.根据权利要求1所述的VCL，其中，所述发射波长在大约3-5um的范围内。
4.根据权利要求1所述的VCL，其中，每个所述量子阱以大约1-2％范围内的应变被压缩应变。
5.根据权利要求1所述的VCL，其中，所述势垒区包括五元AlInGaAsSb。
6.根据权利要求1所述的VCL，其中，所述覆层区包括AlAsSb。
7.根据权利要求1所述的VCL，其中，所述泵浦波长落入大约1.45-1.65um、大约1.7-
2.1um以及大约0.95-1.15um的范围的列表中的一者。
8.根据权利要求1所述的VCL，其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的至少一者包括Al(x)Ga(1-x)As，其中，0≤x≤1。
9.根据权利要求1所述的VCL，其特征在于，所述第一反射镜和所述第二反射镜两者都包括Al(x)Ga(1-x)As，其中，0≤x≤1。
10.根据权利要求1所述的VCL，其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的至少一者包括镓和锑。
11.根据权利要求1所述的VCL，还包括处于所述第一反射镜和所述第二反射镜中的至少一者与所述有源区之间的晶片键合界面。
12.根据权利要求11所述的VCL，其中，所述晶片键合界面包括处于所述第一反射镜和所述第二反射镜中的至少一者与所述有源区之间的等离子体活化键合。
13.根据权利要求11所述的VCL，还包括在所述晶片键合界面处的至少一个界面氧化物层，所述界面氧化物层来自包括以下的组：Al2O3、SiO2、镓氧化物、砷氧化物、铟氧化物和锑氧化物。
14.根据权利要求11所述的VCSEL，还包括在所述晶片键合界面处的有孔金属层。
15.根据权利要求1所述的VCL，包括至少六个I型量子阱。
16.根据权利要求1所述的VCL，包括多对量子阱，其中，所述多对量子阱中的每对量子阱被布置在唯一的驻波峰上。
17.根据权利要求16所述的VCL，确切地包括十个量子阱。
18.根据权利要求1所述的VCL，还包括用于调谐所述发射波长以在波长调谐范围上产生可调谐发射的机构(360、370、380、390)。
19.根据权利要求1所述的VCL，其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的一者被从所述有源区分离。
20.根据权利要求1所述的VCL，其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的一者与光纤集成一体。
21.根据权利要求18所述的VCL，其中，所述调谐机构包括热调谐。
22.根据权利要求21所述的VCL，其中，所述热调谐通过改变所述泵浦源的泵浦功率来实现。
23.根据权利要求18所述的VCL，其中，所述调谐机构包括MEMS调谐结构，所述MEMS调谐结构用于通过移动所述第一反射镜和所述第二反射镜中至少一者的位置来改变间隙的尺寸。
24.根据权利要求23所述的VCL，其中，所述间隙被抽空以形成真空间隙。
25.根据权利要求23所述的VCL，其中，所述第一反射镜是包括Al(x)Ga(1-x)As的固定反射镜，其中，0≤x≤1，所述第二反射镜是设置在柔性薄膜上、并与所述有源区隔开一间隙的沉积反射镜。
26.根据权利要求1所述的VCL，其中，所述VCL发射的近场光斑尺寸在所述发射波长的约2.5-7倍的范围内。
27.根据权利要求23所述的VCL，其中，所述调谐机构被设计为以模式列表中的一种运行，所述模式列表包括：固定位置、步进方式、连续扫描方式、以及具有重复率的重复扫描方式。
28.根据权利要求27所述的VCL，其中，所述重复率从固定的到超过1MHz的高重复率来运行。
29.一种光谱学系统，被配置为探测样品的光学性质，所述系统包括：
可调谐激光器，所述可调谐激光器发射可调谐发射，所述可调谐发射具有波长调谐范围内的第一波长相关性，所述可调谐发射与所述样品相互作用以产生变换的波长相关性；
光学检测器，所述光学检测器用于检测所述变换的波长相关性；以及
用于将所述变换的波长相关性转换为所述样品的性质的装置，其中，所述可调谐激光器是根据权利要求18所述的VCL。
30.根据权利要求29所述的系统，还包括用于确定所述性质的空间相关性的装置。
31.根据权利要求30所述的系统，其中，所述装置包括光束转向机构，所述光束转向机构用于移动所述可调谐发射。
32.根据权利要求29所述的系统，其中，所述样品是气体。
33.根据权利要求29所述的系统，其中，所述样品包括来自包括以下气体的组中的至少一种气体：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。
34.根据权利要求29所述的系统，其中，所述性质是一种成分的浓度。
35.根据权利要求34所述的系统，其中，所述性质是气体浓度。
36.根据权利要求35所述的系统，还包括用于确定所述气体浓度的空间相关性的装置。
37.根据权利要求35所述的系统，还包括用于响应于所述气体浓度而切断气流的装置。
38.根据权利要求35所述的系统，还包括用于反馈到发动机燃烧系统以优化燃烧过程的装置。
39.根据权利要求29所述的系统，其中，所述样本存在于土木结构及其周围环境中，其中，所述土木结构为来自包括以下的组中的至少一者：航站楼、体育场、公园和大型公共空间。
40.一种垂直腔激光器(VCL)，所述垂直腔激光器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(240)；
第二反射镜(250)；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(210)，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(220)。
41.根据权利要求40所述的VCL，其中，所述泵浦波长大体上小于GaSb的带隙波长。
42.根据权利要求40所述的VCL，其中，所述发射波长在大约3-5um的范围内。
43.一种光泵浦垂直腔激光器(VCL)，所述光泵浦垂直腔激光器在泵浦波长处用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(240)；
第二反射镜(250)；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(210)，所述I型量子阱(210)包括铟、砷和锑，并且所述第一反射镜和所述第二反射镜(240、250)中的至少一者包括GaAs。
44.根据权利要求43所述的VCL，其中，所述发射波长在大约3-5um的范围内。
中红外垂直腔激光器
技术领域
背景技术
由W.W.Bewley等人在Applied Physics Letters，109，151108(2016)中发表的“Room-
temperature Mid-Infrared Interband Cascade Vertical Cavity Surface Emitting
Lasers”，以及由G.K.Veerabathran等人在Applied Physics Letters，110，071104(2017)中发表的“Room-temperature vertical cavity surface emitting lasers at 4um with GaSb-based type II quantum wells”。在ICL eVCL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。
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IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2011年9月/10月，第5号，第17卷中的“Type I Diode Lasers for Spectral Region Above 3.0um”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。
发明内容
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。
GaSb，在另一实施例中为纯AlAsSb。
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。
是透明的。
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
具体实施方式
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。
记指代类似或相似的部分。
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。
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。
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Physica E，20(2004)，196-203中的“The 6.1Angstrom family(GaSb，InAs，AlSb)and its heterostructures:a selective review”和I.Vurgaftmann等人于2001年6
月1日在Journal of Applied Physics中，第80卷，第11期的“Band Parameters for III-V compound semiconductors and their alloys”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。
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。
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NIR VCL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。
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。
要更高的泵浦功率。
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。
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NIR VCSEL的方式来控制横向模式
场直径。
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。
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。
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，Wolfgang Drexler和James Fujimoto在
2015年第二版的“Optical Coherence Tomography:Principles and Applications”的第
23章中进行了描述。
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。
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。
610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。
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