量子阱激光器中的热场分布对光输出特性的影响

计算和分析了具有应变层结构的量子阱激光器的温度场分布，首次给出了具有马鞍状温度分布的三维图形，以及温度分布对诸特性的影响，并将理论研究结果与我们设计研制的以及文献报导的实际器件的测试结果进行了对比．结果表明，理论计算结果与实验测量结果相符合．

分布反馈太赫兹量子级联激光器实现高功率单模输出

太赫兹量子级联激光器(THz QCL)是一种基于超晶格或耦合多量子阱中电子共振隧穿和子带间跃迁的单极光源,其辐射频率可通过能带和波函数设计进行调控,具有响应速度高、体积小、便于集成等优点。近年来,国际上多个科研团队展开了对THz QCL的密集研究,器件性能取得了显著的进展。针对THz QCL的实际应用,目前急切需要解决两个方面的问题:第一方面,受限于严重的大气衰减、光束合成等困难,急需解决THz QCL功率输出提升的问题。第二方面,研制窄线宽、高功率单模输出的太赫兹本振源。

室温低阈值分布反馈量子级联激光器

报道了室温脉冲工作和低温下连续工作的分布反馈量子级联激光器(DFB-QCL),提出了一种新型波导和光栅制备技术,同时获得了合适的光耦合系数和低的波导损耗.利用这种方法研制出波长为7.7μm的分布反馈量子级联激光器.激光器可以在大的温度范围内(155～320K)实现单模激射,边模抑制比约30dB.DFB-QCL在室温脉冲工作时阈值电流密度为970A/cm2,峰值输出功率达到75mW.该激光器还可以在连续模式下工作,最高工作温度为130K.

基于中红外分布反馈量子级联激光器的光声光谱技术用于痕量甲烷气体检测

由于工业监控和环境检测的需要,甲烷气体检测日益得到人们的关注。研究了基于中红外分布反馈量子级联激光器(DFB-QCL)的光声光谱技术,并应用于痕量甲烷的检测。自主研发的DFB-QCL室温工作时的激射波长在7.6μm附近,覆盖了甲烷的特征吸收谱线1 316.83cm-1。待测甲烷气体充入亥姆霍兹光声谐振腔中,DFB-QCL的工作频率为234Hz、室温脉冲工作时峰值功率为80mW。中红外光经过甲烷吸收后,产生的声波信号经麦克风检测,由锁相放大器对信号进行采集并输入计算机进行处理。按信噪比为1计算,得到甲烷的探测极限为189nmol.mol-1。

基于衍射光栅耦合输出的一级分布反馈太赫兹量子级联激光器

对比研究了两种不同结构太赫兹波段的双金属波导一级分布反馈量子级联激光器(THz-DFB-QCL).提出并实现基于衍射光栅耦合输出的THz-DFB-QCL中,太赫兹波通过衍射光栅而非解理腔面形成出射.计算表明,优化衍射光栅的结构可实现约70%的激光输出效率和小于1%的反射率,激光发散角约为10°×50°.极低的反射率可以有效抑制反射波对腔内谐振的干扰,是获得单模激射的关键.实验上,利用衍射光栅耦合输出的激光器实现了频率约2.58 THz的稳定单模激光,边模抑制比达23 dB,光束分布与理论计算相吻合.得益于较好的衍射效率和光束准直性,相比于常规的解理腔面边发射激光器,通过衍射光栅耦合输出显著提升了激光功率.

7.8μm二级分布反馈量子级联激光器

报道了基于应变补偿的InP基In0.53+xGa0.47-xAs／In0.52-yAl0.48+yAs分布反馈量子级联激光器．采用二级光栅作为反馈，激射工作波长为7．8μm，在1％占空比，5kHz频率的工作条件下，在93～173K的温度范围内，单模发射光谱边模抑制比均超过20dB，调谐系数dλ／dT=0．5125nm／K．在93K时，峰值功率为30mW，直到153K时，峰值光功率仍达到12mW．

分布反馈量子级联激光器光栅反馈特性

为探究Bragg光栅结构对TM模反馈特性的影响,利用有限时域差分法对具有TM模的分布反馈(DFB)量子级联激光器Bragg光栅结构进行仿真研究。重点分析了侧向耦合光栅的光学特性以及光栅侧壁倾角对光栅反射谱、损耗的影响及原因,并探究了光栅刻蚀深度及占空比与TM模的耦合系数、损耗的关系。结果表明有效折射率是影响Bragg波长的主要因素,而光限制因子是不同周期的侧向耦合光栅结构耦合系数产生巨大差别的原因,当光栅侧壁倾角90°时镜面损耗最小。光栅周期、占空比、刻蚀深度与耦合系数的关系表明:这些参数不仅影响光栅的相对介电常数,也会对光限制因子产生作用,从而影响耦合系数的大小;耦合系数与刻蚀深度具有正比关系,大周期光栅耦合系数随占空比的变化率较小。对光栅光反馈特性的理论研究有利于提升对DFB量子级联激光器的认识,促进激光器性能的提升和发展。

半导体量子阱激光器计算机辅助分析

介绍了一种基于VisualC++的量子阱激光器计算机辅助分析工具,采用分层迭代逼近法,提供了单量子阱激光器的计算模型。可以对突变折射率波导进行模式分析,也可以对任意折射率分布的渐变折射率波导进行精确分析。

用于产生微波信号的分布反馈激光器与Y形波导单片集成器件的研究

设计并制作了一种在Y形波导的两个分支上集成分布反馈(distributed feedback,DFB)激光器的单片集成器件.DFB激光器的布拉格光栅一次曝光形成,具有相同的光栅周期.当注入电流分别单独加载到两段DFB激光器之上时,从Y形波导端输出光波长在1565nm附近,边模抑制比大于30dB.当大于阈值且相差大于20mA的两个电流同时加载到两段DFB激光器上时,从Y形波导端输出的光谱具有双模分布,双模频率的差值可以拍频产生微波频段的信号.通过调节两段DFB的注入电流,微波信号的频率可以在13～42GHz之间快速连续调谐.这种基于Y形波导的两段DFB并联的拍频光源比传统的双段级联DFB器件有较好的光学和电学隔离,可以作为光学拍频源的一种新的实现方法.

980nm大功率垂直腔面发射激光器温度和远场分布特性

采用发射波长为980nm的InGaAs／GaAs应变量子阱，在垂直腔面发射结构中共设计生长3组、每组3个量子阱，形成9个量子阱的周期性增益结构，并使每组均位于腔场极大处，以获得最好的增益匹配。为提高激光器的输出功率及获得较好的光束质量，采用大台面直径和由衬底面出射激光的结构。每个单元器件的P面台面直径为400-600μm，经湿氮气氛下40min的侧氧化后在有源区形成直径300-500μm的电流限制孔。而N面出光孔的直径仍为相应的400-600μm。在室温连续工作下器件的最大输出功率达到1．4W。随着注入电流的增大，观察到激光远场分布从空心圆环向中心单亮斑转化的过程。对不同温度下的激光输出特性进行了变温测试，结果表明通过DBR和有源区结构设计上较好的匹配，实现了室温下最低的激射闽值电流。

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。

多有源区垂直腔面发射半导体激光器的特性分析

提出了一种多有源区隧道再生应变量子阱垂直腔面半导体激光器(VCSEL)结构,其微分量子效率可以大于1,并且可以得到阈值电流小、输出功率大的器件。从理论上得到了针对这种结构的以固定输入电流及串联电阻为参数的最优化分布式布喇格反射镜(DBR)的反射率。从理论上证实了这种结构随着有源区数目的增加能大大提高输出功率,并能极大降低阈值电源密度。

半导体激光器的进展

文中概述了近年来国际上半导体激光器的发展趋势及各种不同的半导体激光器的具体技术指标

高速850 nm垂直腔面发射激光器的优化设计与外延生长

利用传输矩阵理论和TFCalc薄膜设计软件分析了分布布拉格反射镜和垂直腔面发射激光器(VCSEL)的反射率谱特性,对比了从谐振腔入射与从表面入射时反射率谱的差异,为白光反射谱表征VCSEL外延片提供了依据.利用Crosslight软件模拟了InGaAs/AlGaAs应变量子阱的增益谱随温度的变化特性及VCSEL器件内部温度分布,设计了增益-腔模调谐的VCSEL.采用金属有机物化学气相淀积设备外延生长了顶发射VCSEL,制作了氧化孔径为7.5μm的氧化限制型VCSEL器件,测试了器件的直流特性、光谱特性和眼图特性;6 mA,2.5 V偏置条件下输出光功率达5 mW,4级脉冲幅度调制传输速率达50 Gbit/s.

锑化物中红外单模半导体激光器研究进展

锑化物材料因为其天然的禁带宽度较小的优势,是2~4μm波段半导体光电材料和器件研究的理想体系。近年来,国内外在锑化物大功率半导体激光器方面的研究取得了很大的进展,实现了大功率单管、阵列激光器的室温工作。然而,由于锑化物材料与常见的半导体单模激光器制备工艺的不兼容性,只有少数几个研究单位和公司掌握了锑化物单模激光器的制备技术。文中介绍了锑化物单模激光器常用的侧向耦合分布反馈激光器的基本原理,分析了其设计的关键技术,回顾了锑化物单模激光器的设计方案和制备技术,并针对国内外锑化物单模激光器主要研究内容进行了总结。

940nm垂直腔面发射激光器的设计及制备

利用PICS3D计算得到InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱的增益特性,得到量子阱的各项参数,再通过传输矩阵理论和TFCalc膜系设计软件分别仿真出上下分布式布拉格反射镜的白光反射谱.采用金属有机化合物气相沉积技术外延生长了垂直腔面发射激光器结构,之后通过干法刻蚀、湿法氧化以及金属电极等芯片技术制备得到8μm氧化孔径的VCSEL芯片.最终,测试得到其光电特性实现室温下阈值电流和斜效率分别为0.95 mA和0.96 W/A,在6 mA电流和2 V电压下输出功率达到4.75 mW,并测试了VCSEL的高温特性.

高温稳定25 Gbit/s 850 nm垂直腔面发射激光器

通过在N型分布布拉格反射镜(DBR)中采用高热导率AlAs材料,且增加AlAs层所占的厚度比例,在保持DBR反射率基本不变的情况下,大幅度增加了N型DBR的热导率,提高了器件高温工作性能。制作了氧化限制型顶发射VCSEL器件,不同温度条件下的直流测试结果表明:25℃时热反转功率超过8 mW;85℃时热反转电流为11 mA,功率达5 mW,表现出较好的高温工作特性。远场发散角小于17°。0～70℃的温度条件下眼图都较清晰,表明器件满足高温25 Gbit/s工作要求。

分布反馈式太赫兹量子级联激光器在光场自注入下的动力学

基于Lang-Kobayashi方程并引入可用于描述分布反馈式光栅对腔内光场耦合效应的修正端面反射系数,研究了分布反馈式太赫兹量子级联激光器在不同光场自注入强度下的动力学响应行为。随着自注入光场强度的增加,激光器由稳态向周期态、准周期态,甚至混沌状态过渡,但是太赫兹量子级联激光器和传统半导体激光器相比,可以在更大的自注入强度下保持稳定。移动目标反射物时,工作在稳态、周期态和准周期态下的分布反馈式太赫兹量子级联激光器的输出信号可正确描述反射物的移动规律,但处于混沌状态的激光器输出信号将出现失真。通过与典型稳态解模型对比可知,所提理论模型可提供更精确的输出信号规律。该研究为描述有光栅结构的量子级联激光器的动力学行为提供了理论支撑,也从理论上探索了分布反馈式太赫兹量子级联激光器在自注入成像技术应用中的可能。

用于共封装光学的高功率连续波DFB激光器

为了应对共封装光学(CPO)系统对硅光外置光源提出的高功率、低噪声、低功耗等要求,设计了一种波长在1310 nm附近的AlGaInAs多量子阱(MQW)高功率连续波(CW)分布反馈(DFB)激光器芯片。通过在有源层MQW的下方插入一层InGaAsP远场减小层,实现光模场向n型包层下移,减小远场发散角的同时降低了量子阱区的光限制因子和整体的光吸收损耗,制作的激光器可以实现高斜率效率、非致冷高温高功率工作。测试结果显示,该激光器在25℃下,阈值电流为20 mA,斜率效率为0.46 W/A,输出功率为173 mW@400 mA;当注入电流为300 mA时,激光器的水平和竖直发散角分别是15.2°和19.1°,边模抑制比大于55 dB,洛伦兹线宽小于600 kHz,相对强度噪声(RIN)小于-155 dB/Hz;在85℃高温下,激光器阈值电流为32 mA,输出功率达到112 mW@400 mA。

976 nm锥形半导体激光器结构设计与优化

锥形半导体激光器具有高亮度、高光束质量等特点。通过借助数值模拟仿真软件Lastip,优化设计了976 nm锥形半导体激光器结构。在低光限制因子Г条件下,确定了In Ga As/Al Ga As量子阱厚度及非对称波导厚度比值关键参数,并分析了主振荡器的注入光功率和耦合进锥形区的基侧模衍射分布特性。研究结果表明:与传统的单量子阱器件结构相比,当光限制因子Г相同均为2%时,在工作电流为3 A条件下,优化设计的非对称双量子阱结构主振荡器的基侧模分布更为集中。其注入光功率由2.76 W提升至3.67 W,同时耦合进锥形区的基侧模衍射分布更为均匀,并具有稳定的电光转换效率。