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突破！睿創(chuàng)團(tuán)隊中紅外帶間級聯(lián)激光器研究取得重要進(jìn)展
導(dǎo)讀：相比于常見的GaSb基帶間級聯(lián)激光器，InAs基帶間激光器在較長波長處(例如長于4.5μm)具有更低的閾值電流密度。
近日，睿創(chuàng)研究院及睿創(chuàng)光子團(tuán)隊在中紅外帶間級聯(lián)激光器(Interband cascade laser，ICL)的研究取得重要進(jìn)展，相關(guān)團(tuán)隊實(shí)現(xiàn)了高性能、室溫連續(xù)工作、多個激射波長的帶間級聯(lián)激光器系列，結(jié)合分子束外延技術(shù)，在InAs襯底上生長帶間級聯(lián)激光器材料，制備的窄脊器件室溫激射波長接近4.6μm和5.2μm。
目前大部分帶間級聯(lián)激光器生長在GaSb襯底上，而睿創(chuàng)團(tuán)隊報道的帶間級聯(lián)激光器生長在InAs襯底上，波導(dǎo)包層由InAs/AlSb超晶格和高摻雜的InAs層構(gòu)成。相比于常見的GaSb基帶間級聯(lián)激光器，InAs基帶間激光器在較長波長處(例如長于4.5μm)具有更低的閾值電流密度。
(a)4.6μm波長、2mm腔長、10μm脊寬的器件在20℃-64℃之間連續(xù)激射光譜；
(b)同一器件在20℃-64℃之間的連續(xù)電流-電壓-功率曲線
對于4.6μm波長的帶間級聯(lián)激光器，寬脊器件室溫脈沖閾值電流密度為292A/cm²；2mm腔長和10μm脊寬的窄脊器件的連續(xù)工作溫度可達(dá)64℃，室溫輸出功率為20mW；在相近波長處為目前報道的最高連續(xù)工作溫度。對于5.2μm波長的帶間級聯(lián)激光器，寬脊器件室溫脈沖閾值電流密度為306A/cm²；2mm腔長和10μm脊寬的窄脊器件最高連續(xù)工作溫度為41℃，室溫輸出功率為10mW；其中閾值電流密度在類似波長為報道的最低水平。
相關(guān)論文“High-temperature continuous-wave operation of InAs-based interband cascade laser”(DOI：10.1063/5.0171089)和“InAs-based interband cascade laser operating at 5.17 μm in continuous wave above room temperature”(10.1109/LPT.2023.3335856)分別發(fā)表于Applied Physics Letters 和IEEE Photonics Technology Letters。
(a)5.2μm波長、2mm腔長、10μm脊寬的器件在15℃-41℃之間連續(xù)激射光譜；
(b)同一器件在15℃-41℃之間的連續(xù)電流-電壓-功率曲線
帶間級聯(lián)激光器是基于能帶工程和量子力學(xué)產(chǎn)生激射，技術(shù)含量很高并且研制難點(diǎn)眾多，是國家納米和量子器件核心技術(shù)的重要體現(xiàn)，目前和量子級聯(lián)激光器(Quantum cascade laser，QCL)并列為重要的中紅外激光光源，在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制、醫(yī)療診斷和自由空間通信等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值和科學(xué)意義。
帶間級聯(lián)激光器的原始概念由美國俄克拉荷馬大學(xué)的楊瑞青教授(Rui Q. Yang)于1994年首次提出，目前基本上都采用近晶格匹配的InAs/GaSb/AlSb三五族材料體系來構(gòu)造，有源區(qū)大多為InAs/GaInSb二類量子阱，其能力可覆蓋從中紅外到遠(yuǎn)紅外的波長范圍。帶間級聯(lián)激光器結(jié)合了傳統(tǒng)半導(dǎo)體二級管激光器和量子級聯(lián)激光器的優(yōu)勢，與同樣能覆蓋中紅外波段的量子級聯(lián)激光器相比，具有更低的閾值功耗密度和閾值電流密度，這種極低功耗的優(yōu)勢在一些需要便攜和電池供電設(shè)備的應(yīng)用中顯得非常重要。
目前全球帶間級聯(lián)激光器市場仍由國外企業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位，國內(nèi)仍處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初始階段。本文報道的這兩項(xiàng)工作標(biāo)志著睿創(chuàng)光子在帶間級聯(lián)激光器的外延設(shè)計和器件制備等多個方面同時達(dá)到了較高的技術(shù)水平，成為掌握高性能帶間級聯(lián)激光器技術(shù)的企業(yè)。該工作也為后續(xù)單?？烧{(diào)諧的DFB帶間級聯(lián)激光器的研發(fā)和量產(chǎn)打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。
睿創(chuàng)光子(無錫)技術(shù)有限公司是煙臺睿創(chuàng)微納技術(shù)股份有限公司的控股子公司，聚焦III-V族光電子器件、硅基光電子器件等光子芯片技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。
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