中红外量子级联激光器的研究进展

以不同结构类型的有源区为主线,如三阱垂直跃迁有源区、超晶格有源区、应变补偿量子阱有源区、束缚-连续跃迁有源区和四阱双声子共振有源区等,介绍了半导体能带工程在量子级联激光器中的应用。以不同技术指标和特性参数为主要内容,如激射波长、阈值电流密度、工作温度和输出功率等,评述了量子级联激光器在近3～5年内的研究进展。提出了进一步改善器件性能的可能途径,并指出了其今后研究的新方向。     

量子级联激光器噪声特性的电路模拟

对文献报道的量子级联激光器的速率方程组进行简化,并引入Langevin噪声源,在单模与线性增益的情况下对速率方程进行了小信号处理,在此基础上构建了激光器的小信号电路模型,spice仿真结果表明激光器的噪声频谱的3-dB截止频率随光功率增加而增加,而噪声强度则随光功率增加而减少,当光功率很大时,它们都趋向于饱和值,得到的...     

脉冲式DFB中红外量子级联激光器的气体检测系统

采用了脉冲式中红外分布反馈(DFB)量子级联激光器(QCL),其可调工作波长范围为1 248～1257 cm-1.在2.6 cm-1的可调光谱范围内,通过每个温度下的硫化氢光谱来描述QCL系统的温度调谐特性.利用所采集的标准具信号来校准频率,解析信号特性可得出系统的分辨率.采用直接光谱吸收技术,并结合系统中多反腔所提供...     

高效率量子级联激光器

由于宽带宽光通信和光记录应用的需求,二极管激光器的商业用途在过去十年中极大地提高。电子和空穴被电力射入激活区,以发射光子复合,激光波长基本由激活区的带隙决定。这些激光器在光谱的近红外(08～16μｍ)和可见光区(包括蓝光)达到高效率。但由于缺乏合适的高质量小带隙半导体,它在中红外光谱带(2～20μｍ)有严重缺陷。与现在广泛用于通信和消费电子器件的短波长材料(ＡｌＧａＡｓ/ＧａＡｓ,ＩｎＰ/ＧａＩｎＡｓＰ)相比,这些材料(如铅盐)一般不够耐用,难于处理,可靠性较低。中红外光谱(图1)称作“分子足迹区”,该区气体有与分子振动相关…     

中红外量子级联激光器的光子集成（特邀）

中红外光子集成芯片在环保监测、医疗诊断和国防安全等领域具有广泛的应用前景,但激光光源与无源波导光路的片上集成仍是中红外集成光学需要攻克的关键难题之一。量子级联激光器（QCL）是中红外波段的重要半导体激光光源,文中介绍了近几年中红外QCL在光子集成方面的研究进展,包括InP基单片集成、硅基单片集成、硅基异质键合集成和III-V/锗混合外腔激光器。     

一种中红外量子级联激光器的热模型

采用电路建模方法,通过分析中红外量子级联激 光器(QCL,quantum cascade laser)中增益的 热依赖特性,运用简化的二层级电子速率方程和光子速率方程,建立了能体现温度变化对中 红外QCL光电性能影响的等效电路热模型。热模型的建立,使得对QCL热依赖特性可 以运用通用电路仿真 工具进行模拟仿真,克服了数值分析方法计算复杂、模拟时间长的缺点。利用PSPICE软件对 模型进行模拟分析,分析结果与已报道的理论和实验结果一致,验证了模型的实用性和 准确性。     

量子级联激光器研究进展

因量子级联激光器的工作波长可覆盖红外到太赫兹波段,在大气污染检测、工业污染监控、医学诊断、毒品及生化危险品灵敏检测、自由空间通信等领域具有广泛的应用前景。从1994年问世到现在,量子级联激光器已经从最初的实验室原理器件发展到可实用化的红外波段最具发展前景的半导体激光器。本文从量子级联激光器设计思路的演进、工作波长范围的扩展、提高输出功率、实现单模的宽调谐、提高光束质量等方面依次介绍相应的研究进展,最后给出简要总结与展望。     

量子级联激光器热仿真与分析

针对大功率量子级联激光器对高散热能力的迫切需求,文章通过有限元法建立了常见器件结构的二维散热模型。在设置的热沉温度为293 K、波长为8.3μm、波导宽为8μm、发热功率为12.4 W的器件模型中,研究了不同器件散热结构和封装结构对量子级联激光器的温度及热通量分布的影响,进而评价器件的散热能力。结果表明,正焊无电镀金双沟道脊器件、正焊有电镀金双沟道脊器件和倒焊器件的最高温度分别为546,409和362 K。在掩埋异质结器件中,正焊无电镀金器件、正焊有电镀金器件、倒焊器件的最高温度分别为404,401和361 K。与使用铜底座相比,使用金刚石底座的掩埋异质结倒焊器件有源区的最高温度为355 K。对模型热通量分布进行了分析,发现掩埋异质结器件的热量分布更加均匀,有源区温度更低,这表明掩埋异质结更适合高功率器件。     

量子级联半导体激光器

日本东北大学电气通信研究所研制成功了一种由砷化铟和锡化铝构成的新型量子级联半导体激光器。通过实验证实 ,该激光器在 9 94μm发红外激光。用砷化铟使该种激光器成功振荡在世界上尚属首次。量子级联激光器的原理是将很多所谓级联的发光层以阶梯式连结 ,根据结构确定振荡波长。该激光器将用于监测对环境污染的气体。 (No .1 1 )量子级联半导体激光器     

中红外可调谐量子级联激光器研究进展

量子级联激光器(QCL)是中红外波段重要的激光光源,其中,可调谐中红外量子级联激光器具有单纵模、频率可调谐的优点,成为目前研究的热点。可调谐中红外量子级联激光器主要通过分布反馈(DFB)光栅、分布布拉格反射(DBR)光栅、外腔衍射光栅等方法实现。本文介绍了中红外量子级联激光器的基本原理,分别归纳、总结了近年来DFB、DBR可调谐量子级联激光器以及外腔可调谐量子级联激光器的研究进展,讨论了各种可调谐方法的优缺点。最后,对可调谐量子级联激光器的发展趋势进行了展望。     

量子级联激光器的一种新的等效电路模型

采用电路建模方法,通过分析量子级联激光器（QCL,quantum cascade laser）中电子在子能带间跃迁机理和量子阱间的输运特性得到其二层级电子速率方程和光子速率方程,以此建立QCL的等效电路模型。电路模型的建立使得对QCL特性可以用通用电路仿真工具进行模拟仿真,克服了数值分析方法计算复杂,模拟时间长的缺点。...     

中远红外量子级联激光器研究进展(特邀)

针对脊形波导结构的大功率脉冲量子级联激光器面临的光束质量差和热积累严重的问题,研究了一种新型锥形波导量子级联激光器结构设计方法。通过COMSOL软件仿真优化脉冲功率60 W,重复频率10 kHz输出的锥形量子级联激光器光学和热学特性,分析了不同几何参数对波导光场模式分布、传输特性和最大内部温度的影响以及不同热沉材料、热沉温度和脉冲宽度对核心层内部温度分布的影响。结果表明,在4.6 μm的波长下,直波导宽度为5 μm,在锥度角为1.9°,直波导/锥形波导长度比为1∶3,可以保证直波导产生TM基模输出,整个端口的透射率、反射率、损耗、光限制因子达到最好效果。在同脊宽条件下,对于3 mm腔长,该锥形波导结构激光器核心区的面积对比条形的脊波导结构大10倍左右,更有利于大功率输出。此外,基于该结构进行了不同脉冲模式下的热学仿真分析,为器件工作模式和封装方式的选择提供有益参考。文中研究相关结论可为后续工艺设计和实验验证提供数据支持。     

THz量子级联激光器跃迁速率的数值求解及验证

THz量子级联激光器(QCL,quantum cascade laser )有源区载流子的跃迁速率是研究激光器内部输运特性,模拟激光器特性和优化设计的关键 参数。本文针对跃迁速率的计算问题,在连续介质模型下提出了一种运用自洽方法和费米黄 金法则计算THz QCL有源区载流子跃迁速率的方法。方法考虑了包括电子-纵向光声子散射 、电子-电子散射机制以及电子-光子散射对跃迁速率的影响。利用本文方法对已报道的TH z QCL进行了数值模拟,讨论了温度参数和注入掺杂浓度参数对跃迁速率的影响并进行了模 拟分析,分析结果与已报道的理论和实验结果一致,验证了方法的适用性和准确性。本文方 法的提出为运用速率方程法进行THz QCL有源层的建模和优化设计提供了基础。     

应变补偿InGaAs/InAlAs量子级联激光器

利用应变补偿的方法研制出激射波长 λ≈ 3.5— 3.7μm的量子级联激光器 .条宽 2 0 μm,腔长 1 .6mm的 Inx Ga1- x As/Iny Al1- y As量子级联激光器已实现室温准连续激射 .在最大输出功率处的准连续激射可持续 30 min以上 .     

量子级联激光器生热的电路模型分析

通过分析量子级联激光器（QCL）中各量子阱的生热及阱间的热流输运情况,得到它的热输运方程,以此为基础类比电路理论建立了等效电路模型,利用matlab和EWB512分别进行理论与电路模拟,得到了它的生热特性,并对可能影响它的生热特性的一些因素进行了分析。     

5.36μm InP基一维光子晶体量子级联激光器

制作了基于InP基量子级联激光器的一维光子晶体.采用普通光学曝光的方法代替电子束曝光,结合反应耦合等离子刻蚀,在激光器的一侧腔面制作出4个周期的空气/半导体对作为Bragg反射器.对于一个22μm宽,2mm长的正焊器件,80K下的光谱测试证实了其准连续激射,激射波长为5.36μm.     

5.36μm InP基一维光子晶体量子级联激光器

制作了基于InP基量子级联激光器的一维光子晶体.采用普通光学曝光的方法代替电子束曝光,结合反应耦合等离子刻蚀,在激光器的一侧腔面制作出4个周期的空气/半导体对作为Bragg反射器.对于一个22μm宽,2mm长的正焊器件,80K下的光谱测试证实了其准连续激射,激射波长为5.36μm.     

InGaAs／InAlAs量子级联激光器研究

简要报道了自行研制的InGaAs/InAlAs量子级联激光器的制备及其主要特性,该器件具有增强型脊型波导结构,在80K时阈值电流为0．5A,相应的阈值电流密度为5KA／cm^2。     

基于电路建模的THz量子级联激光器稳态性能分析

通过改进的三能级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,quantum cascade)的一种等效电路模型。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。采用该模型可运用通 用电路仿真工 具实现对THz QCL器件光电特性的模拟仿真,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3.9THz QCL的稳态特性进行了模拟仿真,并 讨论了温度变化对器件阈值电 流、增益系数、粒子数反转的影响,其分析结果与已报道的理论和实验结果一致,验证了本 方法的适用性和准确性。     

基于量子级联激光器的自由空间通信

本文展示了基于中红外量子级联激光器的自由空间通信。该系统的基本单元由一个室温下连续工作的分布反馈量子级联激光器和一个中红外探测器组成,通过该系统成功地进行了40MHz正弦波信号和载波为30MHz的调幅视频信号的传输。本研究提供了量子级联激光器用于自由空间光通信的概念性的验证。系统的最高通信频率受限于调制电路带宽,通过使用改进后的调制电路可以大大提升该通信系统的性能。