[发明专利]中红外垂直腔激光器

说明书

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。

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。

技术领域

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Applied Physics Letters，109，151108(2016)中发表的“Room-temperature Mid-Infrared Interband Cascade Vertical Cavity Surface EmittingLasers”，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 withGaSb-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。

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IEEEJournal 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。

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。

发明内容