MOCVD生长的中红外高功率量子级联激光器

量子级联激光器(QCL)是中远红外波段的优质光源,具有体积小、重量轻、电光转化效率高等诸多优势,在传感、通信和国防等领域有重要的应用前景。金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术作为更高效的外延方式,应发展适用于QCL的MOCVD外延生长技术以满足快速增长的市场需求。本文报道了全结构由MOCVD技术外延的QCL,通过将传统的“双声子共振”有源区结构修订为“单声子共振结合连续态抽取”结构,减少了电子的热逃逸,改善了器件的温度特性。针对该结构,进一步改变了有源区的掺杂浓度,并对比了不同掺杂浓度对器件性能的影响。腔长8 mm、平均脊宽约6.7μm的较高掺杂有源区器件在20℃下连续输出功率达3.43 W,中心波长约4.6μm,电光转化效率达13.1%;8 mm腔长的较低掺杂有源区器件在20℃下连续输出功率达2.73 W,中心波长约4.5μm,阈值电流仅0.56 A,峰值电光转化效率达15.6%。器件的输出功率和电光转化效率较之前文献报道的MOCVD制备的QCL有明显提高。该结果表明,MOCVD完全具备生长高功率QCL的能力,这对推动QCL的技术进步具有重要意义。

中红外可调谐量子级联激光器研究进展

量子级联激光器(QCL)是中红外波段重要的激光光源,其中,可调谐中红外量子级联激光器具有单纵模、频率可调谐的优点,成为目前研究的热点。可调谐中红外量子级联激光器主要通过分布反馈(DFB)光栅、分布布拉格反射(DBR)光栅、外腔衍射光栅等方法实现。本文介绍了中红外量子级联激光器的基本原理,分别归纳、总结了近年来DFB、DBR可调谐量子级联激光器以及外腔可调谐量子级联激光器的研究进展,讨论了各种可调谐方法的优缺点。最后,对可调谐量子级联激光器的发展趋势进行了展望。

单模带间级联激光器(特邀)

基于锑化物的带间级联激光器同时具有带间跃迁的高增益和级联结构的高量子效率,是中红外波段重要的相干光源,其功耗低于其它中红外半导体激光器,因而单模带间级联激光器在基于激光吸收光谱技术的高分辨气体检测和化学传感等领域具有很大的优势。目前利用Bragg光栅实现波长选择的单模分布反馈带间级联激光器已经实现商品化,但是,与同样有源区结构的Fabry-Pérot腔带间级联激光器最高600 mW的出光功率相比,单模功率最高55 mW,损耗较大。对几种不同结构的分布反馈带间级联激光器的性能进行对比分析,探讨这类单模中红外激光器损耗的主要来源以及改进思路。此外,介绍了垂直腔面发射和光子晶体带间级联激光器的进展,并与分布反馈带间级联激光器的性能进行比较,讨论其优缺点及适用的场景。

基于GaInAs/AlInAs中红外量子级联激光器的自洽电子子带能级结构研究

中红外(Mid-infrared,MIR)量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)已被广泛应用于定向红外对抗、自由空间光通信、痕量气体传感等重要领域。利用Nextnano++软件进一步完善了自洽计算基于MIR QCL器件的薛定谔方程和泊松方程的理论方法。针对InP衬底上生长的GaInAs/AlInAs多量子阱MIR QCL器件,研究了四能级双声子共振QCL结构中有源区的电子子带能级结构,并对这些子带能级随器件工作温度、驱动电场、注入区掺杂浓度等变化的规律进行了系统研究,获得了与实验结果一致的理论结果。此工作为MIR QCL器件的生长和制备提供了理论设计和研究方法,为了解器件工作条件提供了理论预期,也为进一步提高MIR QCL的发光功率和效率提供了理论研究支撑。

基于分子吸收的中红外量子级联激光器频率锁定技术

量子级联激光器(QCL)具有出射功率高、覆盖范围宽等优点,在中红外探测领域发挥重要作用。由于激光器对外界环境变化的敏感性导致激光波长波动,在400 s的观测时间内频率漂移峰峰值高达180 MHz,在一定程度上限制了QCL激光器的性能,影响分子光谱探测的准确度。频率锁定技术作为改善激光器运行状态最有效的方法在中红外区域得到广泛应用。该研究发展了一种基于气体分子吸收的QCL激光频率锁定技术,以5.3μm QCL激光器为例,采用调制激光波长的方法将激光频率锁定于一氧化氮(NO)分子1875.8128 cm^(-1)处的吸收峰上。介绍了误差信号的产生原理,分析了使用三次谐波信号作为误差信号用于频率锁定的优越性。使用长30 cm的单通道NO吸收池得到了高信噪比(SNR)的NO吸收信号,标定了三次谐波幅值电压与激光频率的转换系数。并对锁定过程进行详细的介绍,探究了反馈控制回路中比例、积分、微分参数设置在激光锁频过程的重要性,给定了详细的锁定参数。主动干扰激光器锁定,从扰动开始至恢复稳定的时间好于40 ms,证明了该锁定系统可以抵抗外界干扰迅速响应并保持稳定。使用误差信号的波动结合电压-频率转换系数分析了频率锁定系统的稳定性,在10 ms的积分时间下频率漂移好于673 kHz,Allan方差分析结果显示,当积分时间延长至100 s时,相对频率漂移为4.5 kHz(对应稳定度为8×10^(-11)),有效提高了激光频率的长期稳定性。这种使用直接调制激光器而不需要使用外部调制器件的方法,简化了系统复杂度的同时也提升光学探测系统的探测性能。

InAs基中红外带间级联激光器中的自加热效应（英文）

制备并测试了 II 型中红外带间级联激光器制备的器件在脉冲和连续工作模式下最高工作温度分别为275K和226K.80K下器件激射波长为3.8μm左右阈值电流密度约17A/cm2.对器件在连续工作模式下的自加热效应进行了分析并利用有限元方法模拟了器件连续工作时的温度分布图.分析和模拟结果均表明自加热效应是限制器件连续工作温度的重要因素.提高散热性能将是进一步提升器件工作温度的有效手段.

红外子带间量子级联激光器的短波极限

从理论上探讨了红外子带间量子级联激光器向短波段发展的可能性及其根本性困难 ,用模型固体理论的基本假设、应变能带理论、非抛物性能带的经验二带模型、传播矩阵和分层逼近法 ,分析计算了以 Ga Sb为衬底的In As/Al Sb,In As/Al0 .6 Ga0 .4Sb,和以 In P为衬底的 In0 .5 3 Ga0 .4 7As/In0 .5 2 Al0 .4 8As的带阶 ,及其所组成的量子阱在加和不加电场作用下的束缚态 .发现其导带最大子带边能量差不可能超过其阱深的 56%～ 62 % ,而且受到导带间接能谷的限制而进一步减小 .设计提出了迄今发射最短波长为 2 .88μm的由 2 5个周期共 2 50个耦合量子阱组成、外加电场为 10 0 k

采用4.8μm中红外量子级联激光器的痕量一氧化碳气体检测仪

一氧化碳是一种无色、无味、有毒、易燃的危险气体,且低浓度的该气体可以使人中毒、窒息、危及生命。因此研制一种能够检测一氧化碳气体浓度的检测仪意义重大,尤其在环境复杂(湿度和粉尘浓度都很大)的矿井下。本文所述的是一种紧凑型检测仪器,其能够灵敏、快速、连续地监测环境空气中痕量一氧化碳气体浓度。该仪器采用激发波长为4.8μm的中红外量子级联激光器(QCL)和红外碲镉汞探测器的最新半导体技术,结合中红外光程长度为76m的多次反射herriott吸收气室,可以在4s的采样时间内实现40nmol·mol-1气体检测灵敏度。同时,该仪器利用差分吸收光谱检测原理,设计了双光路双通道空间光学结构,消除了电调制光源所带来的不稳定性,有效地提高了仪器浓度检测下限。实验表明,该仪器通过所集成的气体浓度反演算法,能够在无需校准的情况下,可以用于环境监测中的实地痕量气体测量,并且操作人员可以通过替换在不同波长下运行的QCL来测量其他气体。

室温连续中红外量子级联激光器驱动电源的研制

为了满足中红外波长调制光谱技术中室温连续中红外量子级联激光器的驱动要求,设计并研制了一种量子级联激光器驱动电源系统.首先,设计了直接数字合成模块来产生直流、锯齿波和正弦波的叠加驱动信号以调谐激光器的电流,进而调制其输出波长;其次,设计了高速(约40ns)过流保护电路,配合电压深度负反馈原理,保证激光器工作的可靠性,提高激光器电流的稳定度;再次,将比例-积分-微分软件算法与温度模拟控制电路相结合,在简化电路结构的同时,有效地控制和稳定激光器的温度,防止因温度变化造成激光器输出波长的漂移和发光功率的波动.利用该驱动电源系统对中科院半导体所研制的中心波长为4.76μm的量子级联激光器做驱动测试,结果表明:驱动电源系统电流调节的线性度为0.0068%,驱动电源的长期(240h)电流稳定度为4.99×10-5,量子级联激光器的光强稳定度为5.07×10-4,控温稳定性为0.01℃,温度稳定时间为17s;当量子级联激光器的驱动电流为330mA,温度为21℃时,在240h内峰值波长的漂移为±0.02nm.

采用7.5μm中红外量子级联激光器的痕量甲烷气体检测仪

一种具有高稳定性和高敏感度的紧凑型仪器,能精确、实时、实地连续测量和显示环境空气中的痕量甲烷(CH4)浓度。仪器采用了已集成热电制冷器激射波长为7.5μm的法布里-珀罗量子级联激光器(QCL)在室温脉冲工作模式下的最新技术,以覆盖CH4位于ν4附近基频特征吸收谱带。同时,采用高品质液氮制冷碲镉汞中红外探测器,配合全反射镀金椭球反射镜一同使用,在20cm单路径开放式光路吸收气室环境下,确保被测甲烷气体浓度为200μmol.mol-1的实验条件下保持稳定度高达5.2×10-3。此仪器所集成的软件算法通过时间鉴别电子技术实现对QCL控制,能够在无需校准的情况下,提供连续痕量甲烷气体检测。实验表明,仪器可以用于环境监测中的实地痕量气体测量,并且操作人员可以通过替换在不同波长下运行的QCL来测量其他气体。

高功率中红外量子级联激光器模块

量子级联激光器(QCL)是一类新型半导体激光器,利用量子级联激光器产生中红外波段(3~5μm)激光是目前的研究热点。尤其是随着中红外激光在定向红外对抗系统、自由空间光通信和痕量气体传感等领域的应用,QCL更加受到人们重视。QCL在中红外波段的辐射是独特的优势,具有体积小、质量轻、可直接电调制、电光效率高等特点。基于最先进的量子阱外延层生长技术,采用磷化铟为基底、高可靠性脊波导结构,采用法布里-珀罗腔型的量子级联激光器能够输出单管功率1W量级的的中红外波段激光。

基于发射光谱测量的中红外量子级联激光器热特性分析

基于不同脉冲工作条件下的激射光谱测量可以对激光器的一系列特性进行分析表征 ,为此建立了中红外激光器测量表征系统 ,其中包括引入双调制技术的 FTIR发射光谱测量系统和具有甚宽脉冲参数调节范围的 I-V、I-P测量系统 ,并通过计算机经由 GPIB总线进行控制 ,同时开发了相应的测量软件。利用此系统对采用气态源分子束外延技术生长的中红外波段 In Al As/In Ga As/In P量子级联激光器的热特性进行了测量分析 ,得出了器件的热阻参数 ,同时也对器件的激射温度范围、激射波长的温度特性、激射时的最高脉冲占空比、激射谱线宽度及其模式特征等一系列参数进行了测量 ,获得了有意义的结果。

中红外量子级联激光器的发射光谱测量

基于FTIR光谱仪建立了中红外半导体激光器发射光谱测量系统 ,并引入双调制技术改善了系统的性能。用此系统对中红外波段量子级联激光器的激射特性进行了测量 ,对有关测量结果进行了分析 。

宽调谐中红外飞秒及窄带长脉冲激光器件的研制和集成

中红外飞秒光参量放大器(OPA)是重要的红外飞秒激光源,笔者在此领域发展了一系列创新技术,以实现装置高效、稳定、紧凑的目标,成功地将100 fs 的中红外飞秒激光在2.0～4.5μm宽波长范围内可调谐。基于 OPA 输出,研制了产生窄带长脉冲激光的时间望远镜。其集成化器件可输出时间同步的可调谐长短脉冲激光,在一个系统上集成了波长可调谐,高光谱(-0.1 nm)分辨率和高时间(-100 fs)分辨率等三种独特的功能。

3～4μm锑化物带间级联激光器研究进展(特邀)

3~4μm波段中红外激光器在工业气体检测、医学医疗和自由空间光通信等诸多领域具有十分重要的应用。目前锑化物半导体带间级联激光器是实现中红外3~4μm波段的理想方案。带间级联激光器(Interband Cascade Laser,ICL)可以看做是通过电子和空穴复合产生光子的传统二极管激光器以及通过引入多个级联区来提高电子注入效率的子带间量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)的融合。文中概要介绍了带间级联激光器的基本工作原理,阐述了国际上主要研究单位包括俄克拉荷马大学、美国海军实验室、德国伍兹堡大学等带间级联激光器的发展历史,介绍了国内单位包括中国科学院半导体所研制成功带间级联激光器的性能,分析了该类激光器设计制备技术难点和及性能进一步提升优化的技术方案。

基于中红外量子级联激光器系统的甲醛和甲烷光谱检测（英文）

采用相对灵敏度为3.61×10^-6 cm^-1Hz^-1/2的QCL气体检测系统对室温下的甲醛气体进行了吸收光谱的测试,采用F-P标准具对系统进行相对频率校准,根据此波段甲烷的吸收谱线对甲醛吸收光谱进行绝对频率校准.当调谐QCL工作温度为-15℃～20℃,以每5℃变化时,采集并处理相应的频率调谐光谱.采用He,Ne,Kr,O2和CO2作为本波段的非吸收性缓冲气体作用于甲醛,通过计算光谱数据得出1 253.143 92 cm-1处甲醛的吸收线强度.给出了N2中的展宽光谱以及相应的光谱数据处理残差结果,并对结果进行了分析。

带间级联激光器电子注入区优化研究(特邀)

带间级联激光器有源区内部的物理机制复杂,尚未得到充分研究。优化了电子注入区结构,通过减小InAs/AlSb啁啾超晶格中InAs量子阱的厚度促进电子向光增益区的注入,在较低的电子注入区掺杂浓度下满足了光增益区电子数和空穴数基本相等的注入平衡条件,降低了有源区中自由载流子吸收和杂质散射造成的光损耗。采用该有源区结构的带间级联激光器实现了较好的室温激射性能,腔长4 mm、脊宽20μm且腔面未镀膜器件的阈值电流为200 mA,单腔面出光功率为55 mW。通过分析2~5 mm不同腔长器件的电压-电流-光功率性能,得到器件的波导损耗仅为3 cm^(-1),有源区载流子寿命为0.7 ns。

基于中红外量子级联激光器的痕量CO检测仪研制

为了提高一氧化碳(CO)气体浓度的检测下限和灵敏度,研制了一种痕量CO检测仪。该检测仪采用激发波长为4.8μm的中红外量子级联激光器(QCL),结合中红外光程长度为76 m的多次反射herriott吸收气室,有效地提高了CO气体浓度检测下限和灵敏度。同时,利用差分双光路空间光学结构,消除了电调制光源所带来的不稳定性。实验表明,该检测仪能够灵敏、快速和连续地检测环境空气中痕量CO气体浓度,在4 s的采样时间内达到了40 nmol/mol气体检测灵敏度,也可通过替换在不同波长下运行的QCL测量其它气体。

带间级联激光器性能对结构变化的耐受性研究

通过对两种结构参数与设计偏差较大的带间级联激光器(ICL)的研究,探讨了器件性能在结构变化下的耐受性。在300 K时,即使和4.6μm的设计波长相比蓝移700μm以上,激光器仍然性能良好,其阈值电流密度低至320 A/cm^2。此研究为带间级联激光器在结构变化方面的耐受性提供了坚实的实验依据。

基于MOCVD生长的4.6μm中红外量子级联激光器

中红外量子级联激光器在红外对抗、痕量气体检测、自由空间光通信等领域具有广阔的应用前景,采用MOCVD生长量子级联激光器的方法具有生产效率高、可做再生长、便于多组分生长等优点。报道了可室温连续波工作的中红外量子级联激光器,波长4.6μm,采用MOCVD生长应变补偿的InGaAs/InAlAs材料。实验探究了不同掺杂对芯片性能的影响,通过优化掺杂浓度提升了器件性能。腔长3 mm,脊宽13μm的芯片在288 K的温度下,脉冲模式下最大峰值功率达到722 mW,电光转换效率和阈值电流密度分别为6.3%和1.04 kA/cm^(2),在连续模式下功率输出达到364 mW。文中成功实现了用MOCVD生长中红外量子级联激光器,为中红外波段的激光应用提供了技术支撑。