微系统所在太赫兹量子级联激光器研究方面取得进展

据www.sim.ac.cn网站报道,近日,中科院上海微系统所太赫兹固态技术院重点实验室在太赫兹(THz)量了级联激光器(QCL)研究方面取得进展。THz QCL是太赫兹技术在通信和成像等应用方面的关键器件。自2002年世界上第一个THz QCL诞生以来,不管是在激射功率、频率,还是在工作温度等方面,THz QCL都取得了很大的进步。但是由于THz辐射对应的子带间能级差很小,而且自由载流子吸收损失在THz波段十分严重,所以要实现室温高功率THz QCL器件十分困难。器     

低阈值连续波工作的2.9 THz量子级联激光器

为了获得低阈值连续波工作太赫兹源,采用固源分子束外延技术生长了GaAs/AlGaAs束缚态向连续态跃迁的太赫兹量子级联激光器(QCL)有源区,基于半绝缘-等离子体波导工艺制作了太赫兹量子级联激光器。获得了激光器(腔面未镀高反射膜)的发射光谱和相应的输出特性等性能,其中器件在10 K工作温度、350 mA激励电流下的中心频率为2.93 THz,连续波工作模式的阈值电流密度为156 A/cm2,器件的最大光输出功率为7.84 mW,最高工作温度为62 K。     

单模太赫兹量子级联激光器

为了获得窄线宽太赫兹光源,制作了基于表面金属光栅的单模太赫兹量子级联激光器。通过优化光栅结构,获得了具有较强耦合效率和较低损耗的光栅结构参数。波导结构采用半绝缘表面等离子体波导以便能获得较高的光输出功率。激光器单模激射波长为95μm。10 K时,器件最高单模输出功率达到了43 m W,单模抑制比为18 d B。单模器件工作温度超过70 K,在70 K时,仍然有5 m W的单模输出功率。这种输出性能良好的激光器有望作为太赫兹接收机的本振源。     

基于多模速率方程电路建模的太赫兹量子级联激光器稳态性能及输出光谱特性分析

通过改进的三能级多模态速率方程,运用电路建模 方法,建立了太赫兹(THz)量子级联激光器(QCL)的一种等效电路模型。由于基于多模 态效应进行建模,所建模型能够有效表 征多模态效应对THz QCL光电性能的影响。模型中,涉及的非辐射散射时间、自激发射弛豫 时间以及电子逃 逸时间均根据器件有源层结构参数通过自洽数值求解获得。采用所建模型,可运用通用电路 仿真工具实现对 THz QCL光电特性的模拟分析,克服了数值分析方法计算复杂、模拟时间长的缺点。运用电 路仿 真工具PSPICE对2.47THz QCL的稳态特性和输出光谱特性进行了模拟 分析,并讨论了温度变化对器 件阈值电流、输出光功率以及输出频谱的影响,分析结果与已报道的理论和实验结果一致 ,验证了本文方法的适用性和准确性。     

太赫兹量子级联激光器及其光束表征技术

简要介绍太赫兹量子级联激光器(THz QCL)的工作原理及其进展。研究多个器件输出激光的光束质量,分别采用热探测器阵列和THz量子阱探测器(THz QWP)表征连续激射和脉冲激射THz QCL激光的光束图形,对比分析不同热探测器阵列对THz激光的表征能力,比较热探测器阵列和THz照相机对平行THz激光表征的差异。分析光束改善后THz激光光斑的尺寸、二维强度分布等特点,根据对THz QCL输出激光的改善效果,给出采用外部手段改善THz QCL激光光束的几种方法。研究表明,除了采用精细的波导工艺之外,锗(Ge)透镜、超半球高阻硅透镜和聚乙烯透镜都是外部改善技术中很好的手段。     

高输出功率太赫兹量子级联激光器与温度特性

半导体太赫兹量子级联激光器(THz QCL)是一种相干性好线宽窄的太赫兹辐射源,有潜力获得高的输出功率.采用基于非平衡格林函数(NEGF)方法的计算工具设计、生长、制备了基于砷化镓系材料的THz QCL.在10 K温度下,峰值功率达到270 mW,平均功率为2. 4 mW,单位面积的输出功率与已报道的最高值相当.采用NEGF方法对器件的温度变化特性做了详细的分析.     

太赫兹量子级联激光器有源区增益分析和设计

太赫兹量子级联激光器(QCL)有源区设计主要包括啁啾超晶格、束缚-连续态跃迁和共振声子等模式。本文利用密度矩阵方法模拟太赫兹QCL光增益谱的基本特征,特别是通过分析太赫兹QCL光增益特性与子带寿命的依赖关系,理解太赫兹QCL对超晶格子带间非辐射跃迁寿命的要求。进而根据这些要求给出一种基于束缚-连续态跃迁和共振声子混合模式的太赫兹QCL有源区设计方案,利用纵光学声子共振帮助缩短束缚-连续态跃迁模式中下辐射态寿命。     

高输出功率锥形波导太赫兹量子级联激光器

制作了基于锥形波导结构的高输出功率的太赫兹(THz)量子级联激光器。激光器采用单面金属波导结构,并采用锥形波导形状提高光输出功率,且保证了良好的光斑远场发散角。激光器水平方向远场光斑发散角为18.4?,器件输出中心波长为93 μm(3.23 THz),器件最高输出功率达到了185 mW,最高工作温度为95 K。80 K时,器件的最高脉冲输出功率能达到65 mW。基于如此高的输出功率,制作了液氮杜瓦封装的小型便携式太赫兹激光源。     

高输出功率太赫兹量子级联激光器与温度特性（英文）

半导体太赫兹量子级联激光器(THz QCL)是一种相干性好线宽窄的太赫兹辐射源,有潜力获得高的输出功率.采用基于非平衡格林函数(NEGF)方法的计算工具设计、生长、制备了基于砷化镓系材料的THz QCL.在10 K温度下,峰值功率达到270 mW,平均功率为2. 4 mW,单位面积的输出功率与已报道的最高值相当.采用NEGF方法对器件的温度变化特性做了详细的分析.     

GaAs/AlN异构集成太赫兹倍频器芯片

针对太赫兹GaAs肖特基二极管倍频器芯片散热能力差导致输出功率低的问题,开展了GaAs/AlN异构集成太赫兹倍频器芯片研究。通过稳态热仿真发现,将肖特基二极管芯片衬底由GaAs替换为热导率更高的AlN可以降低结温。对芯片衬底替换工艺开展了研究,获得了GaAs/AlN异构集成太赫兹二极管。分别对基于GaAs衬底二极管和基于GaAs/AlN异构集成二极管的162 GHz倍频器开展功率性能测试对比。测试结果表明:装配GaAs衬底二极管的倍频器输入功率为200 mW时,输出功率最高为43.6 mW;而装配GaAs/AlN异构集成二极管的倍频器输入功率提高到316 mW,输出功率为72.4 mW。肖特基二极管由GaAs衬底替换为AlN衬底后耐受功率(输入功率)提高了约58%,倍频效率由21.8%提升至22.9%,输出功率也相应提升,验证了相比GaAs衬底肖特基二极管,GaAs/AlN异构集成太赫兹二极管的散热性能及耐受功率具有明显的优越性。     

Thermal management for high-power photonic crystal light emitting diodes

An effective heat dissipation structure is a crucial element for stable thermal management in ensuring thermal stability of high power photonic crystal light emitting diodes (PC-LEDs). New integrated structure for effective thermal management is put forward for high power PC-LEDs to reduce the thermal resistance between the chip and heat dissipation device, which can be composed by the heat pipes or an active heat dissipation device. Based on the thermal resistances analyzed, 3D thermal distributions for the device CSM360 with the nominal electric power of 80 W are simulated and analyzed by using of ANSYS. Compared with the general metal fins model, the heat pipes integrated model improves the heat dissipation efficiency of CSM360 by 36.61%, while the active heat dissipation device integrated model improves the heat dissipation efficiency by 60.2% at the temperature of 50 °C on the cold end of the device. The results show that the integrated structure can obtain a significant improvement in thermal management and achieve a reduction in temperature in the working status of CSM360. Heat dissipation experiments are also conducted, and the values of temperature distributions are validated to be coincident with those from simulations.     

中远红外量子级联激光器研究进展(特邀)

量子级联激光器具有效率高、体积小、功耗低、波长可大范围选取的特点,已经被广泛应用于定向红外对抗系统、自由空间光通信和痕量气体传感等领域。回顾了量子级联激光器近20年的进展。首先总结了量子级联激光器的总体发展历程和发光原理;接着介绍了主要用于定向红外对抗的大功率量子级联激光器的几种典型有源区结构设计,然后讨论了气体传感用的单模分布反馈量子级联激光器;接着又论述了单片集成高亮度量子级联激光器相干阵列的研究情况;此外,还介绍了自由空间通信用的量子级联激光器的发展情况;最后,描述了近些年才出现中红外量子级联激光器光频梳的研究进展。     

大功率LED排式热管散热器的开发及性能研究

开发了一种应用于大功率LED散热的排式热管散热器。在大空间自然对流冷却环境中,分别在0°、30°、60°、90°放置条件下对其启动性能、均温特性、散热性能进行了试验研究。试验结果表明:散热器启动性能良好,启动时间约为67min;在输入功率为30～70W的范围内,热源表面中心点温度不超过75℃;各倾角下散热器均具有较低的总热阻及扩散热阻,0°放置时总热阻最小。基于试验所得结果,通过计算LED结温论证了排式热管散热器在各倾角条件下均可满足热输出70W以下大功率LED散热的需求。     

S波段液冷固态功放组件的设计

功放组件是固态雷达发射机的重要组成部分,其热设计已成为发射机可靠性水平的重要标志之一。介绍了一种输出功率在工作频带内达1kW的液冷功放组件,对其电讯设计、电磁兼容及热设计都做了详细的阐述。试验表明,该组件热性能满足要求,保证组件实现高输出功率,工作稳定可靠。     

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。     

Thermal Behavior Investigation of Terahertz Quantum-Cascade Lasers

This paper investigates the heat conduction behavior of a terahertz (THz) quantum-cascade laser (QCL) active region by measuring its temperature using in-situ microprobe band-to-band photoluminescence (PL) technique. The heat resistance of different regions in QCL structure is derived from the temperature measurement. Experimental results show that thinning the substrate from 300 $mu{hbox {m}}$ thick to 140 $mu{hbox {m}}$ lowers thermal resistance of the device by 21%, which helps achieving continuous-wave operation. A thermodynamic differential equation was numerically solved and the temperature profiles and thermal behavior of various regions within actively biased QCL devices under various conditions were obtained. The simulation confirms the measured results that the substrate accounts for 59% of the total device thermal resistance.      

Thermal Modeling of Terahertz Quantum-Cascade Lasers: Comparison of Optical Waveguides

We compare a set of experimental lattice temperature profiles measured in a surface-emitting terahertz (THz) quantum-cascade laser (QCL) with the results of a 2-D anisotropic heat diffusion model. We evaluate the temperature dependence of the cross-plane thermal conductivity (kappa_perp) of the active region which is known to be strongly anisotropic due to its superlattice-like nature. Knowledge of kappa_perp and its temperature dependence is crucial in order to improve the temperature performance of THz QCLs and this has been used to investigate the longitudinal lattice temperature distribution of the active region and to compare the thermal properties of metal-metal and semi-insulating surface-plasmon THz optical waveguides using a 3-D anisotropic heat diffusion model.     

功率型LED模组基板横/纵向散热性能研究

为了研究LED模组的散热性能,对其基板的横向和纵向散热性能进行了对比研究。首先建立加快基板横向和纵向散热性能的有限元模型,即在基板上覆盖高导热层和基板内添加高热导率热沉结构。并运用有限元(FEM)分析方法对两种基板的散热效果以及基板和LED芯片温度分布的均匀性进行了对比分析。最后,对于基板上覆盖高导热层的结构,结合实际工艺和散热性能的考虑,进一步优化了高导热层的厚度。     

百瓦级多芯片半导体激光器稳态热分析

半导体激光器在各领域的广泛应用要求其输出功率不断提高,使得多芯片集成封装大功率半导体激光器的发展成为主流之一。针对典型的12 只芯片以阶梯形式封装的百瓦级激光器,利用ANSYS 软件进行了稳态热分析,模拟得出芯片有源区温度及其热耦合温升与热沉结构尺寸变化的关系曲线,分析了该激光器热特性,进而提出一种使芯片散热较好的热沉结构。     

LD泵浦的1.3at.%Er3+: CaF2中红外高功率固体激光器（特邀）

3 μm波段激光是高精度外科手术的理想光源,也可作为长波中红外光参量振荡器的有效泵浦源。LD直接泵浦Er3+掺杂晶体是获得2.7~3 μm波段中红外激光的有效技术途径,具有成本低、结构紧凑简单等优点。由于Er3+ 2.8 μm激光下能级阻塞问题,一般需要高浓度掺杂,但高浓度掺杂易引起强烈的光吸收,增强了激光晶体的热效应,从而阻碍了激光功率的提升。低声子能量的氟化钙晶体特有的萤石型结构使得三价稀土离子极易形成“团簇”,将低浓度Er3+掺杂到氟化钙晶体中即可获得高效率的中红外激光增益介质。笔者课题组使用温度梯度法成功生长了低浓度掺杂1.3at.%Er3+: CaF₂激光晶体,利用LD直接泵浦获得了2.2 W的中红外激光输出,这是目前利用LD端面泵浦同类晶体中的最高中红外激光输出功率。同时,文中还对上转换泵浦方式下该晶体的2.8 μm激光特性进行了研究。实验结果表明,低浓度掺杂的1.3at.%Er3+: CaF₂晶体是一类具有产业化前景的中红外激光材料,有望推动长波中红外激光器向着结构紧凑、成本低的方向发展。