通信波段半导体分布反馈激光器(内封面文章)

陆丹, 杨秋露, 王皓, 贺一鸣, 齐合飞, 王欢, 赵玲娟, 王圩

中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室

[摘要]半导体分布反馈(DFB)激光器以其卓越的光谱特性、调制特性以及低成本、可量产优势已经成为光纤通信、空间光通信中的重要光源,并将在5G、数据中心、激光雷达以及微波光子学等应用中发挥不可替代的作用。针对通信波段半导体DFB激光器的不同应用需求及特征展开综述,分别就直接调制DFB激光器、大功率DFB激光器以及低噪声(窄线宽及低相对强度噪声)DFB激光器的设计原理、优化方法及进展进行了整理、评述与展望。

高速电吸收调制激光器研究进展

孙长征, 杨舒涵, 熊兵, 王健, 罗毅

清华大学电子工程系

[摘要]随着数据中心、5G宽带无线通信的不断发展,短距宽带传输的需求大幅增长,极大地推动了高速光电器件 的发展。在短距应用中,虽然直接调制激光器具有低成本、低功耗的优势,但其调制带宽和传输距离受到张弛振荡 频率和频率啁啾的限制。电吸收调制激光器(EML)集成光源具有大调制带宽、低频率啁啾的特点,可以实现更高 速率和更远距离的传输。介绍了EML集成光源的外延集成方案和器件结构,并介绍了国内外研究机构对高速率、 大功率、低成本EML的主要研究进展,最后对EML的未来发展进行了展望。

单模半导体纳米线激光器(封底文章)

片思杰, Salman Ullah, 杨青, 马耀光

浙江大学光电科学与工程学院

[摘要]随着通信行业的快速扩张以及光互联、片上实验室等技术的发展,人们对激光器等器件集成化、小型化的需求日益增长。半导体纳米线激光器由于其独特的一维结构与灵活的带隙调控性能等特点,在微纳激光器领域受到广泛研究。实现单模输出的半导体纳米线激光器,对光互联、传感、光谱学以及干涉测量等领域具有重要意义。综述了单模半导体纳米线激光器的基本技术与研究进展。介绍了半导体纳米线激光器的常用材料,并利用圆介质波 导模型分析了其基本模式特性,详细阐述了半导体纳米线实现单模激光输出的主要方法以及发展现状,并对各方 案面临的挑战进行了总结。

胶质量子点激光器及片上集成

刘慧, 龚旗煌, 陈建军

北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室

[摘要]胶质量子点作为一种半导体纳米晶体,具有量子产率高(约为100%)、辐射波长可调、性质稳定、折射率较高、可溶液处理和制作成本低廉等优点,被广泛用作微纳激光器的增益材料。基于胶质量子点的纳米尺寸(2~20 nm)和可溶液处理的性质,胶质量子点可以通过自组装的方式密集堆积形成高折射率微纳结构。为此,从胶质量子点激光器谐振腔的制备方面,总结了三类常见的胶质量子点微纳激光器,并对各自的特点进行了详细的分析。 此外,还介绍了胶质量子点激光器与波导的片上集成,并着重介绍了模板辅助填充法这一集成方法。最后对胶质 量子点激光器及片上集成在集成光子回路领域的发展进行了展望。

单模直调垂直腔面发射激光器研究进展(内封底文章)

刘安金

中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室

[摘要]垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有尺寸小、功耗低、效率高、调制带宽大、寿命长、圆形光束、在片测试、易于二维阵列排列等优点,广泛应用于数据通信、传感、激光雷达、材料加工等领域。这些应用通常要求VCSEL具有优异的模式、速率、能效、高温性能等。人们基于“分离”限制思路发展了多种单模新型氧化限制VCSEL。采用新型 VCSEL结构、改善有源区性能、减小寄生效应和减小热效应等方法,VCSEL在速率、功耗、高温性能等方面取得了 显著进展。光子超结构具有优异的性能,它为VCSEL控制模式和光场,以及其和平面光子回路的集成提供了新 思路。

量子级联激光器研究进展

刘峰奇, 张锦川, 刘俊岐, 卓宁, 王利军, 刘舒曼, 翟慎强, 梁平, 胡颖, 王占国

中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室

[摘要]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。

基于二维层状材料的激光器

王琪, 钟阳光, 赵丽云, 史建伟, 张帅, 王公堂, 张青, 刘新风

山东师范大学物理与电子科学学院

[摘要]二维过渡金属硫族化合物(TMDC)具有独特的优势,可以作为增益材料实现激光发射。TMDC材料固有的强库仑相互作用和弱的介电屏蔽效应使其具有大的激子结合能,从而有助于实现室温下稳定的激子发光,其高达6~7的折射率能够提高光约束能力,原子层表面没有悬空键,当与硅基半导体器件连接时,能够避免晶格失配。这些独特性质使其成为极具潜力的增益材料,可以与硅基微腔连接构成激光器件,原子级厚度和近红外的光谱辐射能使其与集成器件互联。本文从光学微腔的分类和激光原理,以及二维材料激光器等方面总结了近几年基于 TMDC材料的激光器研究进展,并指出了当前存在的问题及展望了其发展前景。

太赫兹量子级联激光器研究进展

万文坚, 黎华, 曹俊诚

中国科学院上海微系统与信息技术研究所太赫兹固态技术重点实验室

[摘要]量子级联激光器(QCL)是一种基于多量子阱子带间跃迁的单极性半导体激光器,激射频率位于中远红外以及太赫兹(THz)波段。在1~5 THz激射频率范围内,THz QCL是最有效的电泵浦THz辐射源,具有结构紧凑、易集成、输出功率高和转换效率高等优点。本文首先对THz QCL的有源区结构、波导结构以及材料体系进行了简介,然后从有源区方面对极限激射频率、高工作温度、大输出功率等高性能THz QCL进行了梳理,接着从波导结构方面对一维光栅、二维光子结构、超表面结构等THz QCL光子工程研究进展进行了综述。另外对主动稳频THz 光频梳、被动稳频THz光频梳、THz双光梳等THz QCL光频梳方面的最新研究成果进行了介绍。

表面等离激元半导体纳米激光器

智婷, 陶涛, 刘斌, 张荣

南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院

[摘要]激光技术的发展推动了现代科学与技术的进步,改变了人类的生活。其中微型化激光光源成为目前的研究热点之一。得益于金属等离激元的光场强局域化作用,等离激元纳米激光器不仅能够获得突破光学衍射极限的超小物理尺寸,而且可以实现大调制速度以及极小的激射阈值,从而受到广泛的关注。对国内外等离激元纳米激光器的近期进展进行了综述,从增益介质、金属种类和器件结构三个方面进行对比总结,最后对等离激元纳米激光器 的未来发展潜力进行讨论和展望。

半导体微纳米线激光器研究进展

于果,李俊超,温培钧,胡晓东

北京大学物理学院

[摘要]半导体微纳米线激光器可作为集成的相干光源,在光通信、光计算、传感器、生物学研究等领域有着广泛的应用前景.介绍了国内外在实现半导体微纳米线激光器波长可调谐及单模激射方面的研究进展.讨论了基于光子-激子强耦合效应的激子极化激元Bose-Einstein凝聚现象,为发展低激射阈值微纳米线激光器提供了新的途径. 简述了基于激子极化激元的新型激光器的工作原理和新进展.

GaN 垂直腔面发射激光器研究进展

杨天瑞,徐欢,梅洋,许荣彬,张保平,应磊莹

厦门大学电子科学与技术学院

[摘要]氮化镓(GaN)垂直腔面发射激光器(VCSEL)在近20年来获得了飞速发展,已成为下一代半导体激光器的研究热点.GaN是制造从紫外波段到绿色波段光电子器件的绝佳材料,而VCSEL具有阈值和发散角小、调制速率高,以及输出光束呈圆对称等特点.首先回顾了基于GaN的VCSEL的发展历史,简要介绍了它的主要应用方向;然后讨论了反射镜与谐振腔设计与制造中的关键问题;接着分析了三种不同结构的GaN VCSEL的散热机理,并分析讨论了优化散热的策略;最后介绍了基于GaN的蓝色、绿色和紫外VCSEL的研究进展及最新思路。

纳米激光器进展、新物理问题以及技术挑战

张浩然, 孙嘉诚, 邓志磊, 邹俊龙, 陈佳炜, 何熙, 王涛, 王高峰

杭州电子科技大学智能微传感器与微系统教育部工程研究中心

[摘要]纳米光学是光子学与纳米技术交叉产生的一个新的前沿基础方向,可以使人们在纳米尺度上操控光与物质的相互作用以及探索新的物理现象。纳米激光器是一种新型光源,有关它的研究是纳米光学领域的一个重要分支。由于其尺度特性,并且对光有着很高的限制性,近年来关于纳米激光器的研究吸引着越来越多科研工作者的注意。从激光器的微型化角度出发,综述了该领域近年来取得的一些令人鼓舞的进展。首先,对近年来成功实现的各类新型激光器及其特点进行了简述;其次,对激光器在微纳尺度出现的新物理问题进行了分析,并阐述其最新 进展;最后,对纳米激光器在实现应用过程中存在的一些技术挑战进行介绍和分析。

带边模式光子晶体面发射半导体激光器研究进展

陆寰宇, 佟存柱, 王子烨, 田思聪, 汪丽杰, 佟海霞, 李儒颂, 王立军

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室

[摘要]光子晶体面发射激光器(PCSEL)是一种可以实现极低发散角(小于1°)、高功率激光输出的新型半导体激光器,在激光雷达、空间通讯、传感和激光加工等领域有着重要的应用前景。由于产生谐振的方式不同,其可分为缺陷模式和带边模式两种类型,其中带边模式光子晶体面发射激光器具有更好的单模特性且易于二维集成等优点。 鉴于此,简述带边模式光子晶体面发射激光器的基本原理与研究进展,在理论推导和几个实例的基础上,对如何提 高带边模式光子晶体面发射激光器的输出功率进行论述,并提出一种新的功率增强方法,最后对带边模式光子晶 体面发射激光器的发展趋势进行展望。

基于高折射率半导体微纳颗粒米氏共振的荧光调控

向进,徐毅,兰胜

暨南大学信息科学技术学院电子工程系

[摘要]与贵金属纳米颗粒相比,全介质纳米颗粒因支持光频段低损耗的米氏共振而受到广泛关注,成为纳米光子学中增强光与物质间相互作用的重要材料.高折射率半导体纳米颗粒是重要的全介质纳米颗粒,其同时支持电和磁谐振,可在光频段构建低损耗超材料和超表面.结合近年来国内外关于高折射率半导体材料亚波长颗粒的研究,重点介绍了基于米氏共振实现半导体微纳颗粒荧光调控的相关工作及应用,并对该领域的发展进行了展望.

1.3 μm 半导体量子点激光器的研究进展

吕尊仁, 张中恺, 王虹, 丁芸芸, 杨晓光, 孟磊, 柴宏宇, 杨涛

中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室

[摘要]由于半导体量子点具有很强的三维量子限制效应,量子点(QD)激光器展现出低阈值电流、高调制速率、高温度稳定、低线宽增强因子和高抗反射等优异性能,有望在未来高速光通信及高速光互连等领域有重要的应用。同时,量子点结构具有对位错不敏感的特性,使得量子点激光器成为实现硅光集成所迫切需求的高效光源强有力候选者。先简要综述1.3 μm 半导体量子点激光器的研究进展,再着重介绍GaAs基量子点激光器在阈值电流密 度、温度稳定性、调制速率和抗反射特性等方面展示出的优异特性,最后对在切斜Si衬底和Si(001)衬底上直接外 延生长的量子点激光器进行介绍。

正方形-FP 耦合腔半导体激光器的激射及热特性研究(封面文章)

黄勇涛, 马春光, 郝友增, 肖金龙, 杨跃德, 黄永箴

中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室

[摘要]理论分析并制备了1.31 μm 正方形-Fabry-Perot(FP)耦合腔半导体激光器,其中正方形腔作为FP腔的一个反射端面,其反射率可以通过改变注入正方形腔的电流调节。正方形模式和FP模式之间的模式耦合能够抑制其他边模,易于实现单模激射。实验获得的单模激射边模抑制比最高为38 dB,其波长调谐范围为6 nm,估算的器件特征温度T0 为46 K。

光场分布对GaN 基绿光激光器的影响

梁锋,赵德刚,江德生,刘宗顺,朱建军,陈平,杨静

中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室

[摘要]详细研究了n型AlGaN限制层与InGaN上波导对GaN基绿光激光器光场分布与电学特性的影响,结果表明:增加n型AlGaN限制层厚度或提高InGaN上波导中的铟组分可以明显抑制GaN 基绿光激光器的光场泄漏,改善光场分布;相比In0.02Ga0.98N上波导,采用更高铟组分的In0.05Ga0.95N上波导可增加光场限制因子,改善绿光激光器的性能。综合调控n型限制层和上波导才能有效改善GaN基绿光激光器的光场分布,提高激光器的性能.

多通道干涉大范围可调谐激光器的研究

蒋春, 陈泉安, 王宽宽, 陆巧银, 国伟华

华中科技大学武汉光电国家研究中心

[摘要]提出了一种新型单片集成大范围可调谐半导体激光器———多通道干涉(MCI)激光器,采用多臂干涉进行选模,制作简单且容差大。基于电光效应调谐的MCI激光器波长调谐范围大于40 nm,在整个调谐范围内的边模抑制比(SMSR)大于40 dB,且激光器与半导体光放大器集成的器件出纤功率大于13 dBm。基于热光效应调谐的MCI激光器波长调谐范围大于45 nm,在整个调谐范围内的SMSR大于48 dB,线宽小于250 kHz,总的热调谐功耗低于50 mW。具体阐述了器件的理论设计、器件制作以及器件的测试。

1160 nm 光泵垂直外腔面发射激光器设计及制备

张卓, 宁永强, 张建伟, 张继业, 曾玉刚, 张俊, 张星, 周寅利, 黄佑文,秦莉, 刘云, 王立军

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室

[摘要]1160 nm 波段垂直外腔面发射半导体激光器(VECSEL)是医用橙黄激光的基频光源,但是其发光区的高应变InGaAs量子阱会引起严重的应变积累效应,限制高功率输出。提出一种在单个发光区内采用GaAsP材料对高应变InGaAs量子阱进行二次补偿的方法,保证发光区内的光学吸收层具有高的材料生长质量。提出含Al吸收层的结构,以降低GaAsP势垒引起的能带阻挡效应,提高了发光区光生载流子的注入效率。所制备的VECSEL器件激光波长为1160 nm,输出功率达1.02 W,并获得圆形对称的输出光斑形貌,光斑在正交方向上的发散角分别为 10.5°和11.9°。

基于光谱合束的800 nm 高亮度半导体激光源

张俊, 彭航宇, 付喜宏, 秦莉, 宁永强, 王立军

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室

[摘要]高功率800 nm 波段半导体激光器是远距离照明的优选光源之一,但受光束质量及亮度限制,难以远距离传输,提升高功率800 nm 半导体激光器的光束质量及亮度是关键。光谱合束方法在保持激光单元的光束质量时,提高了激光功率和亮度。基于光谱合束方法,结合芯片增益光谱来优化合束谱宽和结构,耦合10个800 nm 激光线阵,研制出连续功率为363.5 W,光束质量为4.17 mm·mrad,亮度为212 MW/(cm2·sr)的激光源,电光转换效率为 40%。通过进一步结构优化及偏振合束,有望获得千瓦级的高功率800 nm 半导体激光,为远距离激光照明提供高 性能光源。

基于正交光注入增益开关850 nm-VCSEL 获取双路宽带光学频率梳的方案

樊利, 郑小梅, 夏光琼, 吴正茂

西南大学物理科学与技术学院

[摘要]提出了基于正交光注入增益开关850 nm 垂直腔面发射激光器(850 nm-VCSEL)获取梳距可调双路宽带光学频率梳(OFC)的方案,通过数值仿真研究了系统参量对OFC性能的影响。在该方案中,首先采用大信号电流调制850 nm-VCSEL使其呈增益开关状态,此时Y 偏振分量激射并呈周期脉冲状态,而X 偏振分量被抑制,可以获得一路偏振沿Y 方向的OFC(Y-OFC);进一步引入偏振方向沿X 方向的注入光(即正交光注入),在合适的注入参数条件下,增益开关850 nm-VCSEL中的X 偏振分量被激射并呈周期脉冲动力学状态,且输出的X 偏振分量具有与Y 偏振分量强度相当的光谱分布,从而可以获得两路正交的OFC。数值仿真的结果表明:受到调制频率fm =4.2 GHz、调制深度m =0.75的大信号电流调制的850 nm-VCSEL,在频率失谐Δv=10.0 GHz的正交光注入下,通 过选取合适的注入光场振幅Einj 可使激光器输出带宽(功率变化在10 dB范围内)超过105.0 GHz的双路宽带 OFC。借助于正交光注入下增益开关850 nm-VCSEL输出的X 偏振分量和Y 偏振分量的光谱分布,确定了获得 双路OFC所需的Einj 和Δv 的范围。最后,通过分析其他调制频率下所获取的OFC性能,论证了该方案产生双路 宽带OFC梳距的可调谐性。

基于VCSEL的湿法氧化工艺的温度依赖性研究

陈磊, 罗妍, 冯源, 晏长岭, 范杰, 高欣, 邹永刚, 郝永芹

长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室

[摘要]湿法氧化工艺是垂直腔面发射激光器(VCSEL) 制备过程中极为关键的技术,但目前氧化工艺的稳定性和可控性仍有待完善。针对氧化过程中的核心因素———氧化温度进行深入研究,通过设置对照实验,探究了氧化温度对氧化速率及氧化孔形状的作用规律,这对精确控制氧化孔的尺寸和形貌并改善器件的电光特性具有重要意义。同时根据AlGaAs氧化反应机理,优化设计了氧化温控曲线,实验结果表明,通过该氧化温控氧化的样品具有非常良好的热稳定性,整体结构可靠性高。

高增益CsPbBr3钙钛矿纳米棒的研制及其稳定性研究

时月晴, 李如雪, 余佳豪, 王胜, 杨绪勇, 陈锐

南方科技大学电子与电气工程系

[摘要]通过在CsPbBr3 纳米晶体中加入油胺铟(In(OAm)3)和支化三(二乙胺)膦(TDP)配体,在减缓晶体生长速度的同时促进取向生长,获得了CsPbBr3 钙钛矿纳米棒材料。通过透射电子显微镜、X射线衍射系统、紫外-可见分光光度计、光致发光光谱仪对所制备的CsPbBr3 钙钛矿纳米棒晶体特性进行表征,结果表明该纳米棒具有质量好、缺陷密度低、发光性能较好的优点;利用可变条纹长度和变功率PL光谱测得了样品的增益系数(860 cm-1)和阈值 功率(17.5 μJ/cm2);同时测量了样品在极端老化的双八五(温度85 ℃和相对湿度85%)条件下的发光稳定性,发 现稳定性得到了提升。为实现高稳定性钙钛矿激光器提供了实验基础和材料支撑。

高功率氮化镓基蓝光激光器

胡磊, 张立群, 刘建平, 黄思溢, 任霄钰, 田爱琴, 周伟, 熊巍, 李德尧, 池田昌夫, 杨辉

中国科学技术大学纳米技术与纳米仿生学院

[摘要]高功率氮化镓基蓝光激光器在激光显示、激光照明和材料加工等领域具有很大的应用前景。通过优化蓝光激光器p-AlGaN限制层的生长温度,抑制了量子阱热退化,通过优化量子阱结构,改善了载流子分布,研制出了高功率蓝光激光器。利用变腔面反射率法获得蓝光激光器的内部光学损耗为6.8 cm-1,载流子注入效率为90%。在脉冲工作条件下,蓝光激光器的阈值电流密度为1 kA/cm2,斜率效率为1.65 W/A,预计在6 kA/cm2 电流密度 下,输出光功率能达到4 W;在连续工作条件下,激光器的阈值电流密度为1 kA/cm2,由于封装散热性能不佳,斜 率效率下降为1 W/A,预计在6 kA/cm2 的电流密度下,输出光功率为2.2 W。

2.75 μm 中红外GaSb基五元化合物势垒量子阱激光器

袁野, 柴小力, 杨成奥, 张一, 尚金铭, 谢圣文, 李森森, 张宇, 徐应强, 宿星亮, 牛智川

中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室

[摘要]设计制备了GaSb基I型InGaAsSb量子阱激光器,其激射波长为2.75 μm。五元势垒材料AlGaInAsSb有效降低了势垒的价带能级并提高了价带带阶,使量子阱发光波长红移至2.75 μm 波段。通过优化分子束外延生长参数,得到了高发光效率的量子阱激光器外延材料,在此基础上设计并制备了腔长为1.5 mm、脊宽为50 μm、中心波长为2.75 μm 的法布里-珀罗腔结构的激光器;所设计激光器可以实现室温连续激射,其最大输出功率为 60 mW,阈值电流密度为533 A·cm-2。

基于标准CMOS技术的新型多晶硅发光器件的设计与实现

艾康, 程骏骥, 朱坤峰, 吴克军, 刘钟远, 刘志伟, 赵建明, 黄磊, 徐开凯

电子科技大学电子薄膜与集成器件重点实验室

[摘要]目前与互补金属氧化物半导体工艺兼容且具有高发光效率的硅基光源的制作技术尚不成熟,针对这一问题,研究了一种新型多晶硅发光器件。首先研究了该结构在反偏电压下可能存在的各种雪崩模式(带间跃迁、轫致辐射、空穴在轻和重质量带之间的带内跃迁、高场条件下的电离和间接带间重组),对不同雪崩模式下的发光机理进行了理论分析;然后研究了器件内部的空穴和电子在反偏电压下的漂移及扩散情况,指出载流子注入增加了参 与雪崩倍增过程的载流子数量,进而使碰撞电离率提高;最后对器件的电场、光谱、电流与光强等数据进行分析,对 量子效率和光电转换效率进行计算,验证了所研究结构通过载流子注入实现了碰撞电离率的提高,进而实现了发 光效率的提高,其中量子效率为5.9×10-5,光电转换效率为4.3×10-6。

974 nm 双光纤光栅激光器随温度变化特性

郭文涛, 郭小峰, 谭满清

中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室

[摘要]对974 nm 双光纤光栅激光器的温度特性进行理论分析与实验研究,理论模拟了双光纤光栅的栅距对反射率的影响。先在室温(25 ℃)下测试器件的光谱,与未加双光纤光栅器件的光谱相比,双光纤光栅激光器的光谱中的次峰得到明显抑制,测试得到峰值波长(974.07 nm)锁定在光栅的中心波长974 nm 附近。对器件的功率电流电压特性进行测试,当工作电流达到400 mA时,尾纤输出功率大于253 mW。再分别测试器件在全温范围下的波长 变化率和功率变化率,得到波长变化率小于8.2×10-3 nm/℃。最后测试器件的微分结构函数曲线并分析热阻分 布,通过优化热沉的烧结工艺使器件功率变化率小于1.06%。

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