刘舒曼 1,2,*张锦川 1,2叶小玲 1,2刘俊岐 1,2[ ... ]刘峰奇 1,2
作者单位
摘要
1 中国科学院半导体研究所 半导体材料科学重点实验室,北京 100083
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心,北京 100049
基于锑化物的带间级联激光器同时具有带间跃迁的高增益和级联结构的高量子效率,是中红外波段重要的相干光源,其功耗低于其它中红外半导体激光器,因而单模带间级联激光器在基于激光吸收光谱技术的高分辨气体检测和化学传感等领域具有很大的优势。目前利用Bragg光栅实现波长选择的单模分布反馈带间级联激光器已经实现商品化,但是,与同样有源区结构的Fabry-Pérot腔带间级联激光器最高600 mW的出光功率相比,单模功率最高55 mW,损耗较大。对几种不同结构的分布反馈带间级联激光器的性能进行对比分析,探讨这类单模中红外激光器损耗的主要来源以及改进思路。此外,介绍了垂直腔面发射和光子晶体带间级联激光器的进展,并与分布反馈带间级联激光器的性能进行比较,讨论其优缺点及适用的场景。
中红外 单模 带间级联激光器 分布反馈 面发射激光器 Mid-infrared Single-mode Interband cascade lasers Distributed feedback Vertical emitting lasers 
光子学报
2023, 52(10): 1052403
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Semiconductor Materials Science, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing Key Laboratory of Low Dimensional Semiconductor Materials and Devices, Beijing 100083, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Division of Quantum Materials and Devices, Beijing Academy of Quantum Information Sciences, Beijing 100193, China
We demonstrated an electrically pumped InP-based microcavity laser operating in continuous-wave mode. The active region is designed with antimony surfactants to enhance the gain at 2 μm, and a selective electrical isolation scheme is used to secure continuous-wave operation for the microcavity laser at room temperature. The lasers were fabricated as a notched elliptical resonator, resulting in a highly unidirectional far-field profile with an in-plane beam divergence of less than 2°. Single-mode emission was obtained over the entire dynamic range, and the laser frequencies were tuned linearly with the pumping current. Overall, these directional lasers pave the way for portable and highly integrated on-chip sensing applications.
whispering-gallery mode continuous-wave operation electrical isolation directional emission 
Chinese Optics Letters
2023, 21(4): 041405
Yanjiao Guan 1,2Ruixuan Sun 1,2Ning Zhuo 1,*Xiyu Lu 1,2[ ... ]Fengqi Liu 1,2,3
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Semiconductor Materials Science, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing Key Laboratory of Low Dimensional Semiconductor Materials and Devices, Beijing 100083, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Beijing Academy of Quantum Information Sciences, Beijing 100193, China
We report on the design and fabrication of a dual-wavelength switchable quantum cascade laser (QCL) by optimizing the design of a homogeneous active region and combining superposed distributed feedback gratings. Coaxial, single-mode emissions at two different wavelengths were achieved only through adjusting the bias voltage. Room temperature continuous-wave operation with output powers of above 30 mW and 75 mW was realized for single-mode emission at 7.61 µm and 7.06 µm, respectively. The simplified fabrication process and easy wavelength control of our designed dual-wavelength QCL make it very attractive for developing miniature multi-species gas sensing systems.
quantum cascade laser dual-wavelength mid-infrared 
Chinese Optics Letters
2023, 21(1): 011408
孙永强 1,2费腾 1,2黎昆 1,2郭凯 1[ ... ]王占国 1,2
作者单位
摘要
1 中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室,北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院,北京 100049
基于金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术实现了室温连续(CW)输出功率达到瓦级的中波红外量子级联激光器(QCL)。通过MOCVD生长条件优化,实现了高界面质量双声子共振结构材料生长,制备出室温CW功率最高为1.21 W的4.6 μm QCL。具体研究了基于生长的30和40级有源区材料所制备器件的性能,探究了不同级数对器件性能的影响。相比于30级有源区器件,40级有源区器件单位面积等效输出功率没有明显提升,但器件性能随温度的升高迅速下降,这归因于更加显著的热积累效应和外延材料变厚导致的质量恶化。因此,在通过增加有源区级数提升器件功率时,需要充分考虑有源级数、热积累和材料生长质量等因素之间的平衡。MOCVD是半导体材料产业界普遍采用的技术,本研究工作对于提升QCL材料制备效率、推进QCL技术产业化应用具有重要意义。
激光器 中红外 量子级联激光器 金属有机物化学气相沉积 高功率 连续输出 
光学学报
2022, 42(22): 2214002
作者单位
摘要
1 中国人民解放军63963部队,北京 100072
2 陆军某部,北京 100072
3 四川天微电子股份有限公司,四川 成都 610200
火情探测是特种车辆灭火抑爆系统的重要组成部分,火情探测能力的高低直接影响车辆及其内部乘载员的安全。现有动力舱火情探测系统主要利用温度传感器和非成像光学火情探测器,但由于动力舱结构复杂,环境恶劣,基于温度传感器的动力舱火情探测系统由于无法实现舱内空间全覆盖安装,因此容易产生火灾漏报现象,而非成像光学火情探测器由于灵敏度过高容易产生火情误报现象,动力舱应用甚少。与现有动力舱火情探测系统不同,设计了红外成像火情探测系统,采用测温热像装置和测温显控装置,能够实现对动力舱一定目标空间内的实时温度监控,通过温度识别算法和设定预警温度阈值、报警温度阈值,实现了高温预警功能和火灾报警功能。利用标准火焰测试平台对探测系统进行了实验测试,结果表明红外成像火情探测系统的火灾响应时间小于5 s,满足国军标的要求。该系统将火灾发生后的报警提升到火灾发生前预警,能够有效避免动力舱火灾漏报问题,保护特种车辆内部人员安全。
火情探测 红外成像 动力舱 高温预警 火灾报警 fire detecting infrared imaging technology engine bay fire early warning fire alarm 
红外与激光工程
2022, 51(5): 20210384
宁超 1,2孙瑞轩 1,2于天 1,2刘舒曼 1,2,*[ ... ]刘峰奇 1,2,3
作者单位
摘要
1 中国科学院半导体研究所 半导体材料科学重点实验室,北京 100083
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心,北京 100049
3 北京量子信息科学研究院,北京 100193
带间级联激光器有源区内部的物理机制复杂,尚未得到充分研究。优化了电子注入区结构,通过减小InAs/AlSb啁啾超晶格中InAs量子阱的厚度促进电子向光增益区的注入,在较低的电子注入区掺杂浓度下满足了光增益区电子数和空穴数基本相等的注入平衡条件,降低了有源区中自由载流子吸收和杂质散射造成的光损耗。采用该有源区结构的带间级联激光器实现了较好的室温激射性能,腔长4 mm、脊宽20 μm且腔面未镀膜器件的阈值电流为200 mA,单腔面出光功率为55 mW。通过分析2~5 mm不同腔长器件的电压-电流-光功率性能,得到器件的波导损耗仅为3 cm-1,有源区载流子寿命为0.7 ns。
半导体激光器 中红外 分子束外延 带间级联激光器 量子阱 锑化物 Semiconductor laser Midinfrared Molecular beam epitaxy Interband cascade laser Quantum well Antimonide 
光子学报
2022, 51(2): 0251208
Chao Ning 1,2Tian Yu 1,2Shuman Liu 1,2,*Jinchuan Zhang 1,2[ ... ]Fengqi Liu 1,2,3
Author Affiliations
Abstract
1 Beijing Key Laboratory of Low Dimensional Semiconductor Materials and Devices, Key Laboratory of Semiconductor Materials Science, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
2 Center of Materials Science and Opto-Electronic Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Beijing Academy of Quantum Information Sciences, Beijing 100193, China
We demonstrate GaSb-based interband cascade lasers (ICLs) emitting around 3.65 µm, which exhibit a room-temperature continuous-wave (CW) output power above 100 mW. Cavity-length analysis showed that the laser structure has a low internal loss of 3 cm-1 while maintaining a total internal quantum efficiency greater than one. After 6400 h CW operation at 25°C, the threshold current of the laser increased by 3%, and the output power decreased by 7%, indicating good reliability of the device.
interband cascade lasers quantum well mid-infrared semiconductor lasers 
Chinese Optics Letters
2022, 20(2): 022501
刘舒曼 1,2,*刘俊岐 1,2翟慎强 1,2卓宁 1,2[ ... ]刘峰奇 1,2,3
作者单位
摘要
1 中国科学院半导体研究所 半导体材料科学重点实验室,北京 100083
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心,北京 100049
3 北京量子信息科学研究院,北京 100193
量子级联探测器是一种光伏型的子带间跃迁红外探测器,通过厚度渐变的啁啾量子阱中台阶状的子带分布,产生内建电场,使得有源区中的光生载流子定向输运,器件工作时无需外加偏压,避免了暗电流噪声的产生,能够实现室温长波红外响应。由于子带间跃迁吸收系数小、具有偏振选择性,量子级联探测器目前存在响应率低、对正入射响应无响应、探测率对温度敏感等问题。针对这些问题,本文介绍三种新型量子级联探测器有源区的设计,包括量子点/阱耦合、束缚-微带斜跃迁和小能量台阶有源区,在中波、长波和甚长波波段展现出优良的器件性能。
红外探测器 量子级联探测器 光子探测器性能 电子能级 能带 量子效应 Infrared detector Quantum cascade detector Photon detector performance Electronic energy level Energy band Quantum effect 
光子学报
2021, 50(10): 1004004
刘峰奇 1,2,*张锦川 1刘俊岐 1,2卓宁 1[ ... ]王占国 1,2
作者单位
摘要
1 中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室, 北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100049
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。
激光器 量子效应 隧穿 量子级联激光器 
中国激光
2020, 47(7): 0701007
赵越 1,2张锦川 1刘传威 1,2王利军 1,2[ ... ]刘峰奇 1,2
作者单位
摘要
1 中国科学院半导体 材料科学重点实验室, 北京 100083
2 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院, 北京 101408
量子级联激光器具有效率高、体积小、功耗低、波长可大范围选取的特点, 已经被广泛应用于定向红外对抗系统、自由空间光通信和痕量气体传感等领域。回顾了量子级联激光器近20年的进展。首先总结了量子级联激光器的总体发展历程和发光原理; 接着介绍了主要用于定向红外对抗的大功率量子级联激光器的几种典型有源区结构设计, 然后讨论了气体传感用的单模分布反馈量子级联激光器; 接着又论述了单片集成高亮度量子级联激光器相干阵列的研究情况; 此外, 还介绍了自由空间通信用的量子级联激光器的发展情况; 最后, 描述了近些年才出现中红外量子级联激光器光频梳的研究进展。
量子级联激光器 定向红外对抗 自由空间通信 相位锁定阵列 光频梳 quantum cascade laser directed infrared countermeasure free space optical communication phase locked arrays frequency comb 
红外与激光工程
2018, 47(10): 1003001

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