InGaAsP/InP二维半导体光子晶体激光器的研究

光子晶体具有调控光子的能力,而光子晶体激光器的实现则证实了这种调控能力。描述了基于InGaAsP/InP材料的二维半导体光子晶体激光器的研究,主要介绍了点缺陷型光子晶体微腔激光器的理论设计、模拟分析及与器件性能的比较。理论上采用平面波展开法和三维有限时域差分法,分析了通过采用调整点缺陷腔的最近临空气孔的尺寸,可以提高光学微腔的品质因子Q,从而提高激光器的工作性能,降低激光器的激射阈值,实验中研制了不同近邻孔径尺寸的激光器,观测到激光器激射阈值降低的现象,实验结果与理论模拟相一致,除此之外,还实现了光子晶体三角形腔和H2腔激光器的激射。

光子晶体调制半导体激光器侧模

为了实现半导体激光器的单侧模稳定工作,提出了一种在激光器的脊条两侧引入光子晶体结构滤除半导体激光器高阶侧模的方法。通过调整激光器上表面的刻蚀深度、光子晶体区域的条宽和间隔来改变激光器内部的模场分布,同时结合选择性的载流子注入来增强基模的激射优势,进而减少侧模的数量。实验上制作了主脊条宽度为6μm,光子晶体周期5μm,波长1 550 nm的半导体激光器。测试结果表明:在连续工作的情况下,电流300 mA的时候,高阶侧模受到抑制,水平发散角变为10.2°,证实了光子晶体结构调制激光器侧模的可行性。

780nm InGaAsP/InGaP/AlGaAs高功率半导体激光器

采用MOCVD生长了InGaAsP/InGaP/AlGaAs材料系分别限制异质结构(SCH)的高功率半导体激光器.对于厚度为10nm的单量子阱,通过计算量子阱增益谱优化了器件的激射波长.在室温下外延材料的荧光峰值波长为764nm,由于In原子的记忆效应(Incarry-overeffect)和As/P的替换作用使材料的InGaP/AlGaAs界面不陡峭,通过在InGaP/AlGaAs间长一层5nm的GaAsP大大改善了界面质量.器件的阈值电流从界面改善前的560mA减小到改善后的450mA,斜率效率也从0.61W/A提高到了0.7W/A,特别是单面最大输出功率已经从370mW增加到了940mW,发生灾变性光学损伤时的工作电流已经由原来的1100mA上升为1820mA.

In_(0.53)Ga_(0.47)As/In_(0.52)Al_(0.48)As雪崩光电二极管的数值模拟研究

建立了SACM型In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As雪崩光电二极管(APD)的分析模型,通过数值研究和理论分析设计出高性能的In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As APD。器件设计中,一方面添加了In0.52Al0.48As势垒层来阻挡接触层的少数载流子的扩散,进而减小暗电流的产生;另一方面,雪崩倍增区采用双层掺杂结构设计,优化了器件倍增区的电场梯度分布。最后,利用ATLAS软件较系统地研究并分析了雪崩倍增层、电荷层以及吸收层的掺杂水平和厚度对器件电场分布、击穿电压、IV特性和直流增益的影响。优化后APD的单位增益可以达到0.9 A/W,在工作电压(0.9 Vb)下增益为23.4,工作暗电流也仅是纳安级别(@0.9 Vb)。由于In0.52Al0.48As材料的电子与空穴的碰撞离化率比In P材料的差异更大,因此器件的噪声因子也较低。

慢正电子对ZnO中本征缺陷的研究

利用慢正电子研究了不同氧含量时射频磁控反应溅射制备的ZnO样品,观察到ZnO中本征缺陷(VO,VZn)随混合气体中O2比例(PO2)的变化关系。结果表明:PO2≤70%时,这些ZnO样品中存在同一种缺陷类型,O空位(VO)和Zn填隙(Zni)可能是材料中主要缺陷。PO2>70%时,这些ZnO样品中缺陷以Zn空位(VZn)为主。随着反应室中O2含量的增加,样品的Zn空位(VZn)浓度逐渐增加;当PO2为85%时,与正电子湮没的VZn数目减少,可能是杂质原子对VZn屏蔽引起的结果;PO2低于50%,材料中H原子数目相对较多,H原子会与晶格中的悬挂键结合,和存在同种缺陷的其它样品相比,这时能与晶格原子悬挂键湮没的正电子数目要减少很多。随着O2含量增加,VZn浓度逐渐变大,VO和Zni浓度相应减小,这些变化与光致发光谱(Photoluminescence,PL)反映的实验结果相吻合。

交叉蝴蝶结纳米结构的Fano共振效应用于表面增强相干反斯托克斯拉曼散射的理论研究

Fano共振效应拥有独特的局域场增强效果,在表面增强相干反斯托克斯拉曼散射中,不同波长局域场增强空间位置相同的结构结合Fano共振效应,可以实现"混合频率共振模式",使得表面增强相干反斯托克斯拉曼散射总的增强因子得到大幅度提高。采用FDTD软件系统研究了对称的交叉蝴蝶结Au纳米结构的Fano共振效应,该效应使得交叉蝴蝶结结构中心位置附近的电场强度得到大幅度的增强,把该结构应用到表面增强相干反斯托克斯拉曼散射中,可以使表面增强相干反斯托克斯拉曼散射信号的增强因子高达10^(13),达到单分子检测的水平。

半导体激光器研究进展

半导体激光器从诞生至今半个世纪,在理论、实践和应用方面取得了巨大进展,占据了整体激光领域的大部分市场,广泛应用于通信网络、工业加工、医疗美容、激光传感、航空国防、安全防护,以及消费电子等领域。本文在回顾国际国内早期半导体激光器发展历程的基础上,重点针对高功率泵浦源领域的GaAs基8xx nm和9xx nm半导体激光器,三维感知领域的905 nm隧道结激光器和940 nm垂直腔面发射激光器,以及光谱分析和红外感测领域的GaSb基红外激光器和InP基量子级联激光器进行了简单总结。内容包括半导体激光器的主要应用场景、所追求的主要目标、近10年国内外发展的最新进展,以及今后可能的发展趋势与方向。

纳米孔径垂直腔面发射激光器的制备及特性

在850nm波长垂直腔面发射激光器的基础上制备了纳米孔径垂直腔面发射激光器.当小孔尺寸为400nm×400nm时,在25mA驱动电流下,其最大输出光功率达到了0.3mW,功率密度约为2mW/μm2.文中介绍了纳米孔径垂直腔面发射激光器的制备工艺,并对它的光谱特性和寿命特性进行了分析.

光刻胶光学性质的光谱椭偏测量方法研究

利用相调制型光谱椭偏仪研究了光刻胶光学常数的测量方法，针对测量过程中光刻胶曝光控制优化了测量方案和仪器参数。对常见的$9912正型光刻胶，给出了曝光前后275～650nm波段的光学常数。并采用动态椭偏法测量了所需波长下曝光前的光学常数。实验结果表明：该测量方法适用于光刻胶在紫外一可见．红外宽波段的光学性质研究，在光刻模拟、新型光刻胶材料研制及其光学性质表征等领域有重要实用价值。

GaAs／InP键合电学性质的研究

Ⅲ-Ⅴ族晶片键合技术对于光电器件的制备和实现光电集成有着重要意义,然而,对于键合界面的电学性质仍然研究较少。采用热电子发射理论,基于界面态能级在禁带中连续分布的假设,根据分布函数结合Ⅰ-Ⅴ测试曲线可建立键合结构的界面态计算模型。利用该模型对不同条件下键合的InP/GaAs电学性质做了分析比较,通过初始势垒的确定,计算并比较了各种键合条件下GaAs/InP键合时的界面电荷及界面态密度。实验及计算结果表明疏水处理表面550℃条件下键合晶片对有更低的表面初始势垒和更少的界面态密度,具有更好的Ⅰ-Ⅴ特性。

二维光子晶体对耦合波导激光器侧模的调制研究

利用光子晶体的自准直效应来调制耦合波导激光器的侧模,并用时域有限差分(FDTD)方法对五通道和九通道耦合波导激光器进行仿真,成功改变了模式的传播方向,使得相邻光场之间的相位差从π变为零。在两种耦合波导结构中分别获得了远场发散角为12°和7°的单峰,既兼顾了激光器的稳定性,又得到了高质量的光束。

OPS-VECSEL芯片的生长与光谱研究

光泵浦半导体垂直外腔面发射激光器(OPS-VECSEL)是一种新型激光器,在很多领域都具有广阔的应用前景。采用MOCVD生长了工作波长为980nm的VECSEL芯片,测量了芯片X射线衍射(XRD)图谱,光致发光(PL)谱和反射谱,结果表明,芯片生长的准确性较高。同时采用物理光学的理论结合实际模型,运用矩阵分析方法计算了VECSEL的反射谱,计算结果与实验结果吻合良好。最后,通过对不同窗口层厚度的纵向增强因子的计算和分析得到了共振结构具有高的峰值增强,反共振结构具有大的增益带宽。在理论上提出,对于该OPS-VECSEL结构,采用共振和反共振结构之间的窗口厚度可以使其稳定工作在特定波长而又不严格限制增益带宽。

表面等离子激元调制的亚波长束斑半导体激光器

近场有源探针可以解决近场光学扫描显微镜等应用中对高亮度和高光功率的需求.提出一种制备具有表面等离子激元结构的微纳束斑的半导体激光器的设计方案.模拟分析表明,此激光器在3.5μm的远场仍然可以获得小于波长的束斑,并且其输出功率密度与没有表面激元结构的激光器比较提高近30倍.

光子晶体在半导体激光器中的应用

激光的发明,将人类带入光通信、光存储、光显示的高科技文明中,随着高科技的不断发展、进步和应用范围的不断扩大,对激光的要求更高,例如低阈值、高效率、高亮度、高速、小体积、好的模式特性等,这些要求在现有的传统激光器理论及技术中是难以达到的。但是当人们将光子晶体的理论与现有激光物理和技术相结合时,则有望突破传统激光器的性能瓶颈。例如,提高自发辐射速率,同时获得更高的自发辐射向受激辐射的耦合效率,实现激光器的无阈值工作;利用光子晶体对光子态的调制作用,可以获得比传统激光器大几个数量级的光学腔品质因子,大幅度提高激光的亮度、单色性;结合光子晶体微腔及其显著增加的光学腔品质因子,可以提高激光器的调制速率等,因此,人们预期光子晶体科学与技术将成为未来光电子领域发展的核心之一。文章介绍了光子晶体在半导体激光器中的应用,指出光子晶体科学技术引入发展了几十年的半导体激光器中,使半导体激光器展现出更加优异的性能。最后文章作者展望了光子晶体激光器的未来发展和应用的方向。

128×160元GaAs/AlGaAs多量子阱长波红外焦平面阵列

研制了128×160元GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面阵列,它是目前国内报道的最大像元数的量子阱红外焦平面阵列.77K时,器件的平均黑体响应率Rv=2.81×107V/W,平均峰值探测率Dλ=1.28×1010cm·W-1·Hz1/2,峰值波长λp=8.1μm,器件的盲元率为1.22%.

160×128元多量子阱长波红外焦平面探测器件研制

报道了新研制出的160×128元GaAs/AlGaAs多量子阱长波红外焦平面器件。使用MBE的方法在半绝缘的GaAs衬底上生长器件结构;开发了用普通光刻技术和离子束刻蚀法制备2D光栅技术,以及探测器芯片与读出电路互联技术。在77 K时测试,器件的平均峰值探测率Dλ*=1.28×1010 cmW-1Hz1/2,峰值波长为λp=8.1μm,截止波长为λc=8.47μm。器件的非盲元率≥98.8%,不均匀性10%。

高密度排列大功率垂直腔面发射激光器列阵

报道了980nm高密度排列大功率垂直腔面发射激光器列阵的研制.列阵单元为蜂窝状密堆积排列,单元台面直径为70μm,氧化孔径为30μm,相邻单元间隔为100μm.制作了含7,19,37个单元的列阵,讨论了它们的阈值电流和远场特性.在室温连续工作条件下,3种列阵的最大输出功率分别为0.26,0.5和0.6W.其中含37个单元的列阵在6A脉冲电流(脉宽30μs,重复频率100Hz)激发下,输出功率达到1.4W.

283nm背照射p-i-n型AlGaN日盲紫外探测器

实验中使用在蓝宝石衬底上用低压金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长的AlGaN基p-i-n结构材料,通过对工艺流程的优化设计,制作了背照射p-i-n型AlGaN日盲紫外探测器,获得了较高的外量子效率。材料中p区和i区的Al组分为40%,n区Al组分为65%。探测器为直径500μm的圆形,光谱响应起止波长为260~310 nm,峰值响应波长283 nm。零偏压下,暗电流密度为2.7×10-10Acm-2,对应的R0A参数为3.8×108Ωcm2,峰值响应率为13 mA/W,对应的峰值探测率为1.97×1012cmHz1/2W-1。其在-7 V偏压下,峰值响应率达到148 mA/W,对应的外量子效率达到63%。

高功率980nm垂直腔面发射激光器的温度特性

应变补偿量子阱结构因带宽大、增益高和波长漂移速度低等特点而成为近年来研究的热点。首次介绍了国内980nm高功率InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱结构的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的变温实验,测得脉冲条件下600μm直径的器件在10～100℃温度范围内发射波长漂移速度为0.05nm/K,阈值电流随温度变化呈现先缓慢下降后迅速上升的特性。结合VCSEL反射谱、PL谱和增益峰值波长漂移速度,对器件阈值电流特性进行了合理的分析和解释。连续工作状态下,测试得到器件峰值功率为1W,根据波长与耗散功率的实验曲线及热阻计算公式,可估算出垂直腔面发射激光器热阻值为10K/W。

双色量子阱红外探测器大面阵芯片的研制

采用GaAs/AlGaAs和InGaAs/AlGaAs多量子阱,研制出了双色同像素读取结构的中波/长波量子阱红外探测器及160×128元中波/长波双色多量子阱红外探测器芯片。器件的材料结构生长是采用分子束外延技术,在5.08 cm半绝缘GaAs衬底上完成的。发展了双色大面阵制备工艺,二维光栅的制备使用标准光刻和离子束刻蚀技术。在77 K时,对量子阱红外探测器测试,得到中、长波段峰值探测率分别为Dλ=(1.61～1.90)×1010 cmHz1/2W-1和(1.54～2.67)×1010 cmHz1/2W-1。中、长波段峰值波长分别为(2.7～3.8)μm和8.3μm。