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InP基激光器波长超过2.2 µm

2023/9/5 9:30:05 材料来源：雅时

由于锑化物具有表面活性效应，因此应变InP激光器波长接近2.3 µm时，其输出功率为毫瓦级

日本NTT工程师称已突破2.2 µm屏障，进而提升了InP基激光器的性能。该团队的InP脊形波导激光器具备应变InGaAsSb多量子阱，波长高达2.278 µm时，其输出功率为毫瓦级。

这一突破增强了InP激光器的吸引力，许多要求光源范围在2.1 µm至2.3 µm的应用中，InP激光器可作为晶格匹配GaSb基激光器的替代。在上述谱域中，GaSb基激光器可用于气体传感器、生物医学传感器、汽车尾气分析仪，但该材料系统的加工技术没有InP的成熟，几十年来，InP一直是电信行业的关键材料。

延长InP基激光器的波长绝非易事。InP基激光器的有源区域采用InGaAs量子阱时，为使该激光器波长超过2.1 µm，材料系统中的应变必须大于+ 1.8%。生长此类结构具有挑战性，其生长温度需低于500°C，仅需少量量子阱和厚度小于6 nm的层。最受关注的是应变大造成的缺陷，这些缺陷可能会抑制激光器发射。

为避免这些问题，NCT团队转向InGaAsSb量子阱，通过表面活性剂介导生长来抑制缺陷形成。生长应变InGaAs阱的过程中，锑充当表面活性剂，锑并非由这些工程师首次引入，但他们提高了锑元素含量，相较于同行研究人员，进一步延长了发射时间。

激光器之所以能破纪录，是因为两步外延工艺，首先，由InGaAsP和InP生长四期多量子阱有源区域夹层，所有都通过金属有机MBE生长。研究团队研究了这些结构后，转向MOCVD进行再生长，以便添加掺杂Zn的InP层和InGaAs层，此后形成脊形波导激光器。据团队发言人Manabu Mitsuhara介绍，NCT生产的应变InGaAsSb激光器也可通过其他生长方法形成，如MBE和MOCVD，这些方法能生长具有明显界面的有源区域。

Mitsuhara和同事研究了两个通过金属有机MBE生长的样品，其活性区域的厚度不同。X射线衍射证实，在阱和势垒之间，两种异质结构的界面均光滑，而对明确卫星峰的模拟表明，量子阱的应变为+2.3%，其中一个样品中的量子阱厚度为6.4 nm，另一个样品中的量子阱厚度为8.4 nm。两个样品的势垒厚度均为20.6 nm，应变为-0.23%。

基于模型固体理论进行计算，由光致发光测量和X射线衍射获得的应变值而得出计算结果，建议阱和势垒的成分分别为In0.82Ga0.18As0.95Sb0.05和In0.45Ga0.55As0.95Sb0.05。

Mitsuhara和同事使用制造InP电信激光器的标准工艺，制造出腔长600 µm、条带宽度2.5 µm的脊形波导激光器。此类激光器的量子阱厚度为6.4 nm和8.4 nm，可产生多种Fabry-Perot模式，15°C时峰值波长分别为2.190 µm和2.278 µm。受100 mA电流驱动，运行温度从15°C升至55°C时，长波长光源每个面的输出功率从5.9 mW降至2.4 mW。

Mitsuhara称，将该激光器应用于吸收光谱应该很容易，仅需具有单模运行和毫瓦级输出功率的可调谐光源即可。

参考文献

M. Mitsuhara et al. App. Phys. Lett 122 141105 (2023)

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