[发明专利]电泵浦垂直腔激光器

说明书

所公开的是在中红外区中操作的电泵浦垂直腔激光器结构，其已经证实了室温连续波操作。该结构使用带间级联增益区、低损耗折射率波导和两个分布式反射镜。优选的实施方式包括至少一个晶片键合式GaAs基反射镜。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年10月8日提交的美国临时专利申请NO.62/742,637的权益。美国临时专利申请62/742,637的公开内容和全部教导通过引用合并于此。

关于联邦资助研究或开发的声明

本发明是在政府支持下根据由高等能源研究计划局(ARPA-E)的能源部(DOE)办公室授予的合同号DE-AR0000538来完成的。政府享有本发明中的一些权利。

技术领域

本发明通常涉及中红外半导体激光器、可调谐中红外半导体激光器和垂直腔激光器。

背景技术

对于用于大多数商业应用的可行的设备而言，优选的是以超过3.0微米(um)的波长实现室温连续波(RTCW)垂直腔激光器(VCL)或垂直腔面发射激光器(VCSEL)的操作。例如，许多涉及光谱学的场景都需要连续监控。在光谱上重要的3um-7um范围内的垂直腔激光器的中红外操作所需的半导体材料是在GaSb衬底上生长的锑化镓(GaSb)材料系统的一部分，或者作为一种选择，其是在InAs衬底上生长的密切相关的砷化铟(InAs)材料系统的一部分。由于这些材料的各种局限性，实现RTCW中红外VCL运行面临严峻的挑战。在这种材料系统中，随着发射波长被推到3.0um以上，采用AlGaAsSb或AlInGaAsSb势垒的I型InGaAsSb量子阱受到空穴限制减小的困扰。这使得热敏性更强的垂直腔激光器几何结构尤其具有挑战性，尽管使用超过3.0um的Ⅰ型量子阱已实现了边缘发射激光器，如由G.Belenky等人在IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，第17卷，2011年9月/10月第5期中发表的“用于大于3.0um的光谱区域的Ⅰ型二极管激光器(Type I Diode Lasersfor Spectral Region Above 3.0um,)”中所描述。实现3um-7um操作的最可靠的方法是使用Ⅱ型量子阱带间级联激光器(ICL)增益区，该区域使用电子回收，如最初在由J.Meyer等人在Electronics Letters，第32卷，1996年1月4日第1期中发表的“Ⅱ型和Ⅰ型带间级联激光器”(Type II and type I interband cascade lasers,)中所描述。这些装置已经证实了在室温下以从至少3.0um-5.6um起的波长的CW操作，如由I.Vurgaftman等人在IEEEJournal of Selected Topics in Quantum Electronics，第17卷，2011年9月/10月第5期中发表的“中红外Ⅱ型带间级联激光器”(Mid-IR Type II Interband Cascade Lasers,)中所描述，以及由W.Bewley等人在Optics Express，第20卷，2012年1月30日第3期，第3235-3240页中发表的“在室温下以λ＝4.7um-5.6um操作的连续波带间级联激光器”(Continuouswave interband cascade lasers operating above room temperature atλ＝4.7-5.6um,)中所描述。在InAs衬底上生长的Ⅱ型ICL结构也表现出了希望，如由L.Li等人在Applied Physics Letters，106(25)，第251102-1-251102-4页中发表的“在高温下运行的低阈值InAs基带间级联激光器”(Low-threshold InAs-based interband cascade lasersoperating at high temperatures,)中所描述。我们还注意到的是，ICL增益区可以包含并行级联量子阱器件，该器件在每个激活级中都包含多个量子阱，如R.Yang在美国专利6404791B1“并行级联量子阱发光器件”(Parallel Cascade Quantum Well LightEmitting Device,)中所描述的实施例。