1.74μm大应变InGaAs/InGaAsP半导体锁模激光器

针对光频梳、医学光声成像及痕量气体探测等应用需要,研制了一种InP基碰撞锁模半导体激光器,可在1.74μm波段实现重复频率为19.3GHz的高效锁模,其射频(RF)谱半高全宽(FWHM)约14kHz。在可饱和吸收区未加偏压时,激光器的阈值电流为83mA,最大出光功率可达到25.83mW。固定吸收区偏置电压在-1.6V,增益区驱动电流高于130mA时,锁模激光器开始输出微波射频信号,并且RF谱的FWHM随着电流增加可下降至十几kHz。固定驱动电流为520mA,在吸收区偏置电压从-1.4V降至-2V过程中,激光发射光谱逐渐展宽,在-2V偏压下,光谱的FWHM为9.88nm,包含40多个间隔为0.2nm的纵模。对比分析了不同驱动电流和偏置电压下的射频频谱和发射光谱的变化趋势,证明了该锁模器件具有高效、稳定的锁模机制。

近红外激光雷达低噪声光电二极管探测方法

光电二极管探测方法由于受暗电流、热噪声等因素的影响,其噪声水平较高,导致信噪比较低,为此研究近红外激光雷达低噪声光电二极管探测方法。深入分析光电二极管的频率响应特性,了解其响应速度、带宽以及噪声特性是优化探测性能的关键。设计合理的探测阵列编码策略,确定探测阵列的排布方式,确保信号完整性和提高空间分辨率。在光电二极管探测接收过程中,关注其灵敏度、动态范围以及暗电流性能等参数以确保实现探测。试验结果表明,近红外激光雷达低噪声光电二极管探测方法的探测信噪比为8,检测灵敏度较好。

MBE脱氧条件与InGaAs/InP APD性能的相关性

InP基InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)对近红外光具有高敏感度,使其成为微弱信号和单光子探测的理想光电器件。然而随着先进器件结构越来越复杂,厚度尺寸从量子点到几微米不等,性能越来越受材料中晶格缺陷的影响和工艺条件的制约。采用固态源分子束外延(MBE)技术分别在As和P气氛保护下对InP衬底进行脱氧处理并外延生长晶格匹配的In_(0.53)Ga_(0.47)As薄膜和APD结构材料。实验结果表明,As脱氧在MBE材料质量方面比P脱氧具有明显的优势,可获得陡直明锐的异质结界面,降低载流子浓度,提高霍尔迁移率,延长少子寿命,并抑制器件中点缺陷或杂质缺陷引起的暗电流。因此,As脱氧可以有效提高MBE材料的质量,这项工作优化了InP衬底InGaAs/InP外延生长参数和器件制造条件。

基于InGaAs单光子探测器的线阵扫描激光雷达及其光子信号处理技术研究

随着探测体系的发展,基于单光子探测技术的光子计数激光雷达受到了广泛关注,有效降低了系统对激光功率的需求,广泛应用在远距离测距及成像领域。针对激光雷达在人眼安全波段的工作需求,基于自由运转模式InGaAs/InP SPAD单光子探测器设计了一套多元收发的远程线阵光子计数激光雷达扫描成像原型系统,对探测器在日光背景下的探测概率影响因素展开了分析,配合主动淬灭电路设计及工作温度、偏压调整获得了系统的最佳工作点,并针对扫描视场中孤立目标特征采用了点云滤波及后脉冲预处理算法,将单个接收通道的原始数据率由200 kbps量级降低至小于1 kbps。与记录单次回波相比,单个测距周期记录四次回波可将有效数据量提升约5%。同时也对探测器的噪声及后脉冲等特性进行了分析。该系统工作波段为1550 nm,探测器线阵规模可达到128元,激光重频为20 kHz,可在2 s内实现水平200°范围内的激光三维成像,作用距离>3 km。经过成像算法处理,该系统在日光条件下成功实现多距离目标三维成像,成像目标清晰。

光通信用激光器及光电二极管质子位移损伤效应研究

激光器、探测器等光通信器件对空间辐射环境中高能粒子引入的位移损伤敏感,且随时间累积不可恢复。针对光通信用垂直腔面发射激光器和光电二极管开展了质子辐照试验,并对辐照前后器件的光功率-电流-电压曲线、阈值电流、低频噪声等参数进行了测试分析。研究结果表明:由于质子辐照后,载流子被辐射感生缺陷形成的非辐射复合中心捕获,降低了少数载流子的寿命,复合产生的光子数量减少,因此850 nm垂直腔面发射激光器在质子辐照后光输出功率、外量子效率随注量的增加而降低;InGaAs光电二极管暗电流和噪声密度谱增加。

空间高功率激光二极管泵浦源阵列的相变热控系统

为了实现空间高功率激光二极管泵浦源阵列的快速散热,建立了空间高功率激光二极管泵浦源阵列相变热控系统,对热控系统的热界面材料(TIM)、紫铜热沉、相变材料、相变增强材料、主动加热回路和太空辐射板进行了研究与设计。首先,介绍了激光二极管泵浦源阵列的热特性与热控指标,从而提出热控设计思路,详细设计了热控系统,并在有无泡沫铜填空的条件下制定了两种热控方案。然后,用NX软件分析了两种不同的方案。分析结果显示:不填充泡沫铜方案的整个相变过程在800 s完成,LD上的温度最高达到59.98℃,相变材料上表面温度最高达到47.12℃;填充泡沫铜方案在200 s内完成相变过程,LD最高温度为38.35℃,并且LD在360 s后和相变温度点温度一致。填充泡沫铜方案可以满足10~40℃的温度指标要求。最后,根据填充泡沫铜方案设计加工了激光二极管泵浦源阵列热控系统,通过实验验证,该系统可以满足空间高功率激光二极管泵浦源阵列快速散热要求。

InGaAsP多量子阱激光二极管及其组件的γ辐射效应

本工作进行多量子阱激光二极管及其组件的γ辐照实验研究,总剂量(以Si计)达5.5×104Gy。结果表明:多量子阱激光二极管抗γ射线辐照能力很强,在实验总剂量下,裸管形式的多量子阱激光二极管的P-I特性I、-V特性及中心波长基本未变化。而多量子阱激光二极管组件因包含光学窗口、耦合透镜及光纤等附属光学元件,这些附属元件受γ辐照后光学性能下降,最终导致激光二极管组件输出光功率随总剂量增大而下降,停止辐照后,不需加偏置,在室温下即能发生退火,使得斜率效率逐渐回升。

有源区掺杂的AlGaN基深紫外激光二极管性能优化

为了改善深紫外激光二极管的性能,本文提出了有源区量子势垒n掺杂、p掺杂和n-p掺杂三种结构.利用Crosslight软件,对原始结构和有源区掺杂的三种结构进行仿真研究,比较四种结构的P-I特性曲线、V-I特性曲线、载流子浓度、辐射复合速率和能带图.仿真结果表明,有源区量子势垒n-p掺杂结构的性能更优,其阈值电压和阈值电流分别为4.40V和23.8mA;辐射复合速率达到1.64×10^(28)cm^(-3)/s;同一注入电流下电光转换效率达到42.1%,比原始结构增加了3.9%;改善了深紫外激光二极管的工作性能.

激光二极管端泵方形Tm:YAG复合晶体的热效应

为了有效解决激光二极管端面泵浦激光晶体引起的热效应问题,引入复合晶体的概念,通过两种复合晶体模型(即单端键合和双端键合)来降低激光晶体的热效应。根据激光二极管端面泵浦激光晶体工作特点,建立端面泵浦方形Tm:YAG复合晶体热模型,利用热传导理论,用有限元分析法对复合晶体的温度场、热应力场和形变量进行了数值计算,分析了单端/双端键合方式、未掺杂晶体长度、增益晶体长度对方形复合晶体内部温度场及形变量的影响。结果表明,平衡状态下,激光二极管泵浦功率为30 W、泵浦光斑半径为400μm时,YAG晶体厚度c_(1)为1 mm,增益晶体厚度c_(2)为1.5 mm,方形单端键合和双端键合的Tm:YAG复合晶体内部最大温升分别为81.2、77.9℃;内部最大应力分别为146、104 MPa;热形变量为0.468、0.172μm。可见,复合晶体能有效缓解晶体的温升和热形变,且双端键合的方式降低晶体热效应的效果更好。当增益晶体厚度为2.6 mm以上时,两种键合方式对复合晶体内部最大温升的影响基本保持一致。该研究为方形Tm:YAG复合晶体的增益晶体厚度、未掺杂晶体厚度的选择提供了参考依据,也为实现Tm:YAG激光器高功率输出目标提供了理论指导。

Zn扩散对InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管雪崩击穿概率的影响

对InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管进行结构设计与数值仿真,得到相应的电学与光学参数。针对雪崩击穿概率对器件光子探测效率的影响,研究了两次Zn扩散深度差、Zn扩散横向扩散因子、Zn掺杂浓度以及温度参数与器件雪崩击穿概率的关系。研究发现,当深扩散深度为2.3μm固定值时,浅扩散深度存在对应最佳目标值。浅扩散深度越深,相同过偏压条件下倍增区中心雪崩击穿概率越大,电场强度也会随之增加。当两次Zn扩散深度差小于0.6μm时,会发生倍增区外的非理想击穿,导致器件的暗计数增大。Zn扩散横向扩散因子越大,倍增区中心部分雪崩击穿概率越大,而倍增区边缘雪崩击穿概率会越小。在扩散深度不变的情况下,浅扩散Zn掺杂浓度对雪崩击穿概率无明显影响,但深扩散Zn掺杂浓度越高,相同过偏压条件下雪崩击穿概率越小。本文研究可为设计和研制高探测效率、低暗计数InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管提供参考。

二极管泵浦Cr4+:YAG调Q腔内C切Nd:GdVO4/KTP拉曼激光器

研究了二极管泵浦Cr4+:YAG调Q腔内c切Nd:GdVO4/KTP拉曼激光器。以c切Nd:GdVO4作为激光增益介质,以KTP作为拉曼晶体,以T0为80%与89%的两块Cr4+:YAG分别作为可饱和吸收体,获得了高效的1097 nm拉曼激光输出。当使用T0为89%的Cr4+:YAG且泵浦功率为6.42 W时,在1097 nm处获得481 mW的最大平均输出功率。

高成品率大耦合因子DFB激光二极管芯片设计与制备

设计并制备了一种基于相移光栅的大耦合因子分布反馈(DFB)激光二极管芯片,解释了相移光栅在大耦合因子下实现芯片高成品率的机理。采用传输矩阵法模拟了不同耦合因子下随机相位对均匀光栅和相移光栅激光二极管芯片单模特性的影响,发现对于常规均匀光栅DFB结构,随着耦合因子的增加,芯片阈值增益差会明显降低,从而降低芯片单模成品率;而相移光栅DFB结构在不同耦合因子下,芯片阈值增益差并没有明显变化,仍能够保证比较高的单模成品率。采用电子束光刻制作了1/4波长相移光栅和均匀光栅并进行了对比,最后制备出大归一化耦合因子(κL=2.1)的相移光栅DFB激光器二极管芯片。测试统计数据显示,与均匀光栅激光二极管芯片相比,新型相移光栅DFB激光二极管芯片成品率明显高,达70%以上。与常规归一化耦合因子(κL≈1.2)DFB激光二极管芯片相比,在宽温(-40~95℃)下,新型大耦合因子激光二极管芯片的光谱单模特性更稳定,同时具有更低的阈值电流,在低工作电流(30 mA)下,芯片的-3 dB带宽大于18 GHz,满足传输速率为25 Gbit/s的高速传输协议要求。

二极管激光器介导光动力疗法在牙周牙髓联合病变中的研究

目的:探讨二极管激光器介导的光动力疗法(PDT)联合根管内消毒在牙周牙髓联合病变患者中的临床应用价值。方法:选取2021年11月至2023年12月苏州口腔医院收治的100例牙周牙髓联合病变患者,按照随机数表法将其分为观察组和对照组,每组50例。对照组给予根管内消毒治疗,观察组在对照组治疗基础上给予PDT治疗,比较两组患者的临床疗效、根管内细菌数量,龈沟液炎性因子白细胞介素-6(IL-6)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)及干扰素-γ(IFN-γ)表达水平,以及牙周袋深度(PD)、龈沟出血指数(SBI)及牙周附着丧失(AL)相关指标。结果:观察组患者治疗后显效28例(占56%),有效20例(占40%),无效2例(占4%),治疗总有效率为96.00%;对照组显效20例(占40%),有效21例(占42%),无效9例(占18%),治疗总有效率为82.00%。观察组治疗总有效率高于对照组,差异有统计学意义(χ^(2)=4.639,P<0.05)。与对照组相比,观察组患者的根管内细菌数量显著减少,IL-6、TNF-α显著降低,差异有统计学意义(t=6.524、5.268,4.394,P<0.05);两组患者的IFN-γ比较差异无统计学意义(P>0.05)。治疗后两组患者的PD、SBI及AL指标均显著降低,且观察组较对照组指标水平更低,差异有统计学意义(t=5.401、6.309、7.006,P<0.001)。结论:PDT联合根管内消毒在治疗牙周牙髓联合病变时可显著提高临床疗效,降低根管内细菌数量和龈沟液炎性因子水平,改善牙周健康指标。

带有非吸收窗口的高性能InGaAs/AlGaAs量子阱激光二极管

为了解决限制近红外单发射区InGaAs/AlGaAs量子阱半导体激光二极管失效阈值功率提升的腔面光学灾变损伤问题,研制了一种带有Si杂质诱导量子阱混杂非吸收窗口的新型激光二极管,并对其性能进行了测试分析。首先,对于带有非吸收窗口的二极管,在其谐振腔上方前后腔面附近的窗口区域覆盖50 nm Si/100 nm SiO_(2)组合介质层,在远离腔面的增益区域覆盖50 nm Si/100 nm TiO_(2)组合介质层,并采用875℃/90 s快速热处理工艺促进Si杂质扩散诱导量子阱混杂并去除非辐射复合中心。然后,基于相同外延结构、相同流片工艺制备了无非吸收窗口的激光二极管作对照组。测试结果显示,带有非吸收窗口的新型激光二极管平均峰值输出功率提升约33.6%,平均峰值输出电流提升约50.4%,腔面光学灾变损伤的发生概率和破坏程度均明显降低,且其阈值电流、斜率效率及半高全宽等特性也无任何退化。该研究证明,采用Si杂质诱导量子阱混杂技术制备的非吸收窗口,对近红外单发射区InGaAs/AlGaAs量子阱半导体激光二极管腔面光学灾变损伤有明显的抑制效果。

InGaAsP PBC型激光二极管的弛豫频率和调制特性的研究

本文对BC型激光二极管(LD)从理论上导出弛豫振荡频率公式,并在实验上得到了验证.研制出高速LD组件,其调制频率可以达到5.3GHz.并在一公里光纤链路上测量了检测信号的载噪比、互调失真等特性.结果表明:该LD组件可用于直接传输C波段卫星下行信号(3.7～4.2GHz)的副载波复用光纤通信系统.

基于InGaAs/InP盖革模式雪崩二极管探测器的激光雷达的应用

在过去的十年里,随着材料生长、设备装置设计及操作电路等各方面的提升,InGaAs/InP盖革模式雪崩二极管(APD)技术得到了长足的发展。高性能、大面阵的雪崩二极管探测器阵列被成功设计并生产出来。该探测器阵列具有单光子探测灵敏度,并能完成三维成像。基于上述优势,该模式下的激光雷达已被广泛应用于机载平台。亚纳秒量级的脉冲激光雷达在探测距离数十千米时,可以荻得厘米量级的距离分辨率。通过使用高性能的单光子探测器,这种模式下的激光雷达在测绘速度上较其它模式的激光雷达有很大的提升。更令人振奋的是,该模式下的波长超过1400 nm对人眼安全的二极管激光雷达在无人驾驶领域具有得天独厚的优势,将在未来的自动驾驶应用中崭露头角。

InGaAs单光子雪崩焦平面研究进展(特邀)

雪崩光电二极管(APD)是一种高灵敏度光电器件。按照工作电压的不同可分为线性APD和盖革APD。其中,盖革APD的工作电压高于击穿电压,利用半导体材料内部载流子的高雪崩增益可实现单光子级信号探测,也被称为单光子雪崩光电二极管(SPAD)。InGaAs材料SPAD在0.9~1.7μm光谱范围内有高量子效率,是1.06、1.55μm主动激光探测的理想探测器。通过将高效率InGaAs SPAD阵列芯片与CMOS计时/计数读出电路芯片集成封装,制备的雪崩焦平面探测器可对光子信号进行时间量化,在三维激光雷达、远距离激光通信、稀疏光子探测等领域有广泛应用。介绍了InGaAs单光子雪崩焦平面的器件结构及基本原理,在此基础上回顾了国内外雪崩焦平面技术的研究进展,并对未来发展方向进行了展望。

基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的烟气氨逃逸检测研究及应用(特邀)

烟气氨逃逸是许多大型能源转化设备脱硝系统都存在的问题,大量的氨逃逸不仅威胁机组运行,增加系统维护成本,而且还会形成二次污染,危害大气环境和人体健康,因此,必须对氨逃逸进行实时监测和有效控制。可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种先进的痕量气体检测技术,具有灵敏度高、选择性强、可实时在线测量等优点,广泛应用于各种污染气体检测领域,并且已经成为当前烟气氨逃逸在线检测的主流技术。本文介绍了可调谐二极管激光吸收光谱技术的基本原理,总结了氨逃逸的常用检测方式,综述了可调谐二极管激光吸收光谱技术在烟气氨逃逸检测方面的研究和应用进展,并对未来的发展应用进行了展望。

高可靠1.3μm InGaAsP/InP激光二极管

用一次液相外延及自对准制管技术精心制作出了可靠性很高的脊形波导（ＲＷＧ）激光器。其阈值电流的一致性好、远场特性好，用标准单模光纤耦合功率Ｐｆ（Ｉｔｈ＋２０ｍＡ）的典型值为１．５ｍＷ。它的制作工艺用了自对准技术使得工艺较为简单，重复性好、成品率高。由于只用一次液相外延且在工艺制作中没有破坏有源层，它具有比掩埋型（ＢＨ）激光器高得多的可靠性，经过加速老化寿命试验，得到了环境温度为２５℃，１００ｍＡ、ＣＷ条件下的寿命（ＭＴＴＦ）为１．０３ｘ１０~６ｈ，其退化激活能Ｅａ＝０．５４３ｅＶ。

基于Python的半导体激光二极管仿真技术研究

基于Python语言,编写具有UI界面的半导体激光二极管(LD)仿真EDA程序,该程序可以设置LD芯片有源区的材料组分,分析材料参数并计算波导折射率,绘制折射率分布曲线和光强分布曲线,计算芯片的有源区的能带结构及增益特性并绘制在不同载流子浓度下的光增益谱曲线。通过该EDA程序,对791 nm波长的半导体激光二极管芯片进行了仿真,参考仿真结果制作了发光区条宽为190μm,腔长为4 mm的芯片,15 A电流下其峰值功率达16.25 W。