量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）是一種基于單極性載流子躍遷的紅外半導(dǎo)體激光器，其發(fā)光機(jī)制源于電子在量子級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)子帶間的躍遷。這種激光器憑借其獨(dú)特的發(fā)光波長(zhǎng)覆蓋中遠(yuǎn)紅外波段的特性，在痕量氣體檢測(cè)、自由空間光通信、紅外對(duì)抗等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

長(zhǎng)期以來(lái)，分子束外延（MBE）技術(shù)憑借其在生長(zhǎng)參數(shù)控制精度和界面陡峭度方面的優(yōu)勢(shì)，成為QCL生長(zhǎng)的選技術(shù)。2020年，國(guó)外研究團(tuán)隊(duì)基于MBE技術(shù)制備的QCL單管器件達(dá)到了室溫連續(xù)輸出功率5.6 W的業(yè)界高水平。然而，MBE技術(shù)受限于高昂的成本和較低的生長(zhǎng)效率，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

相比之下，金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)具有成本低、生長(zhǎng)效率高的優(yōu)勢(shì)，是一種有望實(shí)現(xiàn)QCL大規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)，但其在材料生長(zhǎng)參數(shù)控制精度和界面陡峭度方面稍顯不足，性能一直落后于MBE技術(shù)。

面對(duì)這一挑戰(zhàn)，國(guó)防科技大學(xué)半導(dǎo)體激光團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用MOCVD技術(shù)實(shí)現(xiàn)了QCL全外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)；通過(guò)原位監(jiān)測(cè)、無(wú)損測(cè)試和破壞性測(cè)試等方法，對(duì)外延材料的質(zhì)量進(jìn)行了全面評(píng)估（圖1）。

圖1 使用MOCVD生長(zhǎng)的QCL外延結(jié)構(gòu)表征結(jié)果

研究結(jié)果顯示，外延材料具有光滑的表面和陡峭的異質(zhì)界面，其中，原位監(jiān)測(cè)可以清晰辨別出材料生長(zhǎng)導(dǎo)致的反射率周期性波動(dòng)，以及每一層InGaAs和InAlAs材料所對(duì)應(yīng)的反射率區(qū)間。高分辨率X射線衍射衛(wèi)星峰的半峰全寬低至14"，原子力顯微鏡測(cè)得表面均方根粗糙度低至0.18 nm；這些結(jié)果表明，外延材料具有較為陡峭的異質(zhì)界面和高的表面平整性。

腔長(zhǎng)為10 mm、脊寬為6 μm的器件，其室溫連續(xù)出光功率達(dá)到4.0 W，高電光轉(zhuǎn)換效率為15.3%。腔長(zhǎng)為10 mm、脊寬為12 μm的器件，其室溫連續(xù)出光功率達(dá)到6.3 W，高電光轉(zhuǎn)換效率為15.3%，是截至目前已報(bào)道的單脊量子級(jí)聯(lián)激光器出光功率的高世界紀(jì)錄水平。

圖2 不同腔長(zhǎng)、脊寬器件的連續(xù)出光功率-電流-電壓、電光效率的測(cè)試曲線

為解決單芯片功率受限的問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用空間合束技術(shù)，將多個(gè)芯片集成封裝為高功率模塊。由7個(gè)芯片組成的M7模塊在0.8 A工作電流時(shí)，室溫連續(xù)出光功率和電光轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到了9.3 W和12.2%。由19個(gè)芯片組成的M19模塊在1.0 A工作電流時(shí)，室溫連續(xù)出光功率和電光轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到了22.4 W和7.8%，這也是已報(bào)道的中波量子級(jí)聯(lián)激光模塊出光功率的世界高記錄水平。

團(tuán)隊(duì)還對(duì)M7模塊進(jìn)行了嚴(yán)格的壽命測(cè)試，三個(gè)模塊的無(wú)失效時(shí)間分別達(dá)到2045小時(shí)、963小時(shí)和761小時(shí)，且在整個(gè)測(cè)試期間出光功率均未出現(xiàn)衰減（圖3）。

圖3 量子級(jí)聯(lián)M7、M19模塊的測(cè)試曲線

后續(xù)工作中，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)優(yōu)化材料生長(zhǎng)和器件設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升MOCVD生長(zhǎng)QCL的性能指標(biāo)；同時(shí)開(kāi)發(fā)更高集成度的激光模塊，爭(zhēng)取在輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率方面實(shí)現(xiàn)新的突破，并積極探索在工業(yè)檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

您好，可以免費(fèi)咨詢技術(shù)客服[Daisy]

 筱曉(上海)光子技術(shù)有限公司

歡迎大家給我們留言，私信我們會(huì)詳細(xì)解答，分享產(chǎn)品鏈接給您。

免責(zé)聲明：

資訊內(nèi)容來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng)，不代表本網(wǎng)站及新媒體平臺(tái)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。如對(duì)文、圖等版權(quán)問(wèn)題存在異議的，請(qǐng)聯(lián)系我們將協(xié)調(diào)給予刪除處理。行業(yè)資訊僅供參考，不存在競(jìng)爭(zhēng)的經(jīng)濟(jì)利益。