科技進展

上海微系統所高性能帶間級聯激光器研究取得重要進展

  

  近日,上海微系統與信息技術研究所高性能室溫連續工作中紅外帶間級聯激光器(Interband Cascade Laser, ICL)研究取得重要進展。第三研究室III-V族化合物半導體材料與器件課題組龔謙研究員帶領的紅外半導體激光器團隊采用分子束外延法在GaSb襯底上生長了3.4um帶間級聯激光器材料,并成功制備出高性能室溫連續工作帶間級聯激光器。2.9mm腔長、7um窄脊波導器件連續工作溫度可達80℃,20℃時閾值電流密度為177A/cm2,單面輸出功率42mW@200mA,外量子效率高達37% per stage5stage級聯),內損耗小于5cm-1。2.9mm腔長、150um寬脊波導器件,脈沖模式下20℃時的閾值電流密度為130A/cm2。

  相關研究論文“High Performance Interband Cascade Lasers With AlGaAsSb Cladding Layers”于202231日在IEEE Photonics Technology Letters發表(DOI10.1109/LPT.2022.3153334),論文鏈接:https://ieeexplore.ieee.org/document/9718238。論文的第一作者為中國科學院上海微系統與信息技術研究所博士研究生趙旭熠,通信作者為龔謙研究員。

  帶間級聯激光器是基于量子效應和能帶工程的新型半導體激光器,和量子級聯激光器(Quantum Cascade Laser, QCL)并列為重要的中遠紅外激光光源。在環境監控、醫療診斷以及軍事紅外對抗等領域具有重要的應用前景。ICL器件原型由美國Oklahoma大學楊瑞青教授于1994年首次提出,基本結構為通過Type-II量子阱的導帶和價帶之間躍遷實現電子和空穴的輻射復合,每個有源區通過InAs/AlSb啁啾超晶格結構實現串聯連接。級聯結構也可用于連接Type-I量子阱有源區。ICL結合了傳統半導體帶間躍遷激光器和量子級聯激光器的優勢,具有載流子注入均勻,量子效率高、波長易調節、閾值電流低、工作電壓低、和閾值功耗低等優點。

  本項工作標志著課題組研究人員在ICL器件設計、材料外延和器件制備三個方面同時達到了較高的技術水平。課題組解決了高精度分子束外延材料生長控制和Sb化物激光器工藝中的一系列難點問題。在器件結構上使用具有更高熱導率的AlGaAsSb四元合金層取代了常用的InAs/AlSb超晶格作為激光器覆蓋層材料,取得了令人激動的結果。本項工作為后續實用化的帶間級聯DFB激光器和帶間級聯高功率激光器研發打下了堅實的基礎。

  1 a2.9mm腔長,7um脊波導寬度器件在10~80℃間連續工作的電流-光功率曲線和20℃時的電流-電壓曲線;(b2.9mm腔長,7um脊波導寬度器件在不同溫度下的高分辨光譜圖。

  2脈沖模式和連續工作模式下2.9mm腔長、7um脊波導寬度器件與2.9mm腔長、10um脊波導寬度器件的閾值電流密度-溫度(Jth-T)關系。

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