銻化物半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)展

銻化物半導(dǎo)體激光器是目前能夠覆蓋中紅外波段的主要手段。銻化物半導(dǎo)體激光器經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，已經(jīng)逐漸走向成熟。由于在這個波段具有很多氣體分子的吸收峰以及具有較高透過率的大氣窗口，使得中紅外銻化物半導(dǎo)體激光器在氣體檢測、材料加工以及自由空間光通信等領(lǐng)域具有重要的作用。

目前，國際上GaSb基半導(dǎo)體激光器已經(jīng)開始從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)品化，國內(nèi)加快開展銻化物半導(dǎo)體激光器研究的重要性和緊迫性不言而喻。據(jù)麥姆斯咨詢報道，來自中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所等機(jī)構(gòu)的科研人員圍繞銻化物半導(dǎo)體激光器的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述分析，相關(guān)研究內(nèi)容發(fā)表在《光電技術(shù)及應(yīng)用》期刊。

銻化物半導(dǎo)體激光器原理

銻化物激光器通常直接通過分子束外延（MBE）制備于GaSb襯底上，所使用的材料為GaSb、AlSb、InAs等二元化合物及由此衍生的三元、四元化合物。典型的銻化物半導(dǎo)體激光器包含限制層、波導(dǎo)層、有源區(qū)、電極接觸層。激光器上下限制層的作用是憑借其與波導(dǎo)層之間的導(dǎo)帶、價帶帶階差對載流子實(shí)現(xiàn)空間上的約束。波導(dǎo)層則來源于SCH的設(shè)計(jì)，憑借著高于限制層的折射率可以抑制光場進(jìn)入限制層與襯底，從而實(shí)現(xiàn)降低器件內(nèi)損耗的目的。有源區(qū)即發(fā)生受激輻射的區(qū)域，是使得激光器工作的核心區(qū)域。接觸層用于與外部電極形成歐姆接觸提升激光器的效率，同時也起著防止內(nèi)部結(jié)構(gòu)被氧化的作用。

銻化物半導(dǎo)體激光器技術(shù)特點(diǎn)

目前銻化物半導(dǎo)體激光器主要包括Ⅰ型量子阱激光器、Ⅰ型量子阱級聯(lián)激光器以及Ⅱ型的帶間級聯(lián)激光器。其中Ⅰ型量子阱激光器以及Ⅰ型量子阱級聯(lián)激光器的主要優(yōu)勢波段在1.8~3.5 μm波段，其具有瓦級的室溫連續(xù)輸出功率，其中在2 μm附近已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)接近2 W的大功率輸出，而在3 μm附近已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)接近1 W的大功率輸出。這種Ⅰ型的激光器由于結(jié)構(gòu)較為簡單，性能穩(wěn)定，可以具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率和工作溫度。此外，為了方便集成到光學(xué)系統(tǒng)上，高光束質(zhì)量的GaSb基單橫模半導(dǎo)體激光器已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)接近500 mW的大功率輸出。此外，銻化物分布式反饋（DFB）激光器也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了邊模抑制比大于50 dB的大功率輸出。對于Ⅱ類帶間級聯(lián)激光器，目前已經(jīng)成為覆蓋3~4 μm波段的主要手段，其可以實(shí)現(xiàn)3.5 μm及以上692 mW的大功率輸出。其波長目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)工作到2.9~6.2 μm，低溫已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)接近10 μm的激光輸出。

GaSb基Ⅰ型量子阱激光器能帶示意圖

GaSb基Ⅰ型量子阱級聯(lián)激光器能帶示意圖

GaSb基Ⅱ類量子阱帶間級聯(lián)激光器的有源區(qū)能帶示意圖

銻化物半導(dǎo)體激光器在氣體檢測、自由空間光通信等領(lǐng)域具有重要的作用。

銻化物半導(dǎo)體激光器應(yīng)用于氣體檢測

紅外波段包含了大量氣體分子的特征振動躍遷吸收譜，在該波段發(fā)展的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器吸收光譜技術(shù)（TDLAS）便成了氣體檢測的理想方案。TDLAS利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的窄線寬和波長隨注入電流改變的特性實(shí)現(xiàn)對分子的單個或幾個距離很近很難分辨的吸收線的測量，具有很高的靈敏度和很低的檢測限。同時為了消除譜線線型和抑制背景噪聲，需要入射光可調(diào)諧且窄線寬，能達(dá)到這些要求的只有工作在中紅外波段的高性能銻化物半導(dǎo)體激光器，使用這種中紅外激光器的氣體檢測一般都能達(dá)到ppb（十億分之一）量級的濃度。

銻化物半導(dǎo)體激光器應(yīng)用于自由空間光通信

自由空間光通信屬于光無線通信的一類，使用紅外光作為數(shù)據(jù)的載體，可以實(shí)現(xiàn)兩個點(diǎn)之間長達(dá)數(shù)公里的高速通信，適用于保密通信、城域網(wǎng)擴(kuò)展、局域網(wǎng)互聯(lián)、應(yīng)急通信等領(lǐng)域。目前常用的自由空間光通信系統(tǒng)主要采用750~1600 nm的近紅外激光器作為光源，此類激光器抵抗大氣擾動的能力較弱。工作于2~5 μm的中紅外銻化物激光器具有更大的優(yōu)勢：更長的波長可以減弱分子和粒子導(dǎo)致的光損耗；在惡劣天氣下的性能降低較?。?.5 μm附近波長大氣背景噪聲在3.5 μm處于明顯的低值；對于人眼更加安全。目前工作于中紅外大氣透明窗口的銻化物ICL光源主要在實(shí)驗(yàn)室研究階段。

總而言之，相較于GaAs、InP等發(fā)展較為成熟的Ⅲ-Ⅴ光電子材料體系，銻化物材料有其獨(dú)特的優(yōu)勢?；谶@些優(yōu)勢，銻化物半導(dǎo)體激光器未來有望朝向高光束質(zhì)量、更長波長、更大功率和激光高速調(diào)制等方向進(jìn)一步發(fā)展。

審核編輯：劉清