近日,睿創(chuàng )研究院及睿創(chuàng )光子團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)團隊實(shí)現了高性能、室溫連續工作、多個(gè)激射波長(cháng)的帶間級聯(lián)激光器系列,結合分子束外延技術(shù),在InAs襯底上生長(cháng)帶間級聯(lián)激光器材料,制備的窄脊器件室溫激射波長(cháng)接近4.6μm和5.2μm。
目前大部分帶間級聯(lián)激光器生長(cháng)在GaSb襯底上,而睿創(chuàng )團隊報道的帶間級聯(lián)激光器生長(cháng)在InAs襯底上,波導包層由InAs/AlSb超晶格和高摻雜的InAs層構成。相比于常見(jiàn)的GaSb基帶間級聯(lián)激光器,InAs基帶間激光器在較長(cháng)波長(cháng)處(例如長(cháng)于4.5μm)具有更低的閾值電流密度。
(a)4.6μm波長(cháng)、2mm腔長(cháng)、10μm脊寬的器件在20℃-64℃之間連續激射光譜;
(b)同一器件在20℃-64℃之間的連續電流-電壓-功率曲線(xiàn)
對于4.6μm波長(cháng)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(cháng)和10μm脊寬的窄脊器件的連續工作溫度可達64℃,室溫輸出功率為20mW;在相近波長(cháng)處為目前報道的最高連續工作溫度。對于5.2μm波長(cháng)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(cháng)和10μm脊寬的窄脊器件最高連續工作溫度為41℃,室溫輸出功率為10mW;其中閾值電流密度在類(lèi)似波長(cháng)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”(DOI:10.1109/LPT.2023.3335856)分別發(fā)表于A(yíng)pplied Physics Letters和IEEE Photonics Technology Letters。
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,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)境監測、工業(yè)控制、醫療診斷和自由空間通信等領(lǐng)域具有重要的應用價(jià)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(lái)構造,有源區大多為InAs/GaInSb二類(lèi)量子阱,其能力可覆蓋從中紅外到遠紅外的波長(cháng)范圍。
帶間級聯(lián)激光器結合了傳統半導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備的應用中顯得非常重要。
目前全球帶間級聯(lián)激光器市場(chǎng)仍由國外企業(yè)占據主導地位,國內仍處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初始階段。本文報道的這兩項工作標志著(zhù)睿創(chuàng )光子在帶間級聯(lián)激光器的外延設計和器件制備等多個(gè)方面同時(shí)達到了較高的技術(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)。該工作也為后續單??烧{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。
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