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導讀：相比于常見的GaSb基帶間級聯激光器，InAs基帶間激光器在較長波長處(例如長于4.5μm)具有更低的閾值電流密度。
近日，睿創(chuàng)研究院及睿創(chuàng)光子團隊在中紅外帶間級聯激光器(Interband cascade laser，ICL)的研究取得重要進展，相關團隊實現了高性能、室溫連續(xù)工作、多個激射波長的帶間級聯激光器系列，結合分子束外延技術，在InAs襯底上生長帶間級聯激光器材料，制備的窄脊器件室溫激射波長接近4.6μm和5.2μm。
目前大部分帶間級聯激光器生長在GaSb襯底上，而睿創(chuàng)團隊報道的帶間級聯激光器生長在InAs襯底上，波導包層由InAs/AlSb超晶格和高摻雜的InAs層構成。相比于常見的GaSb基帶間級聯激光器，InAs基帶間激光器在較長波長處(例如長于4.5μm)具有更低的閾值電流密度。
(a)4.6μm波長、2mm腔長、10μm脊寬的器件在20℃-64℃之間連續(xù)激射光譜；
(b)同一器件在20℃-64℃之間的連續(xù)電流-電壓-功率曲線
對于4.6μm波長的帶間級聯激光器，寬脊器件室溫脈沖閾值電流密度為292A/cm²；2mm腔長和10μm脊寬的窄脊器件的連續(xù)工作溫度可達64℃，室溫輸出功率為20mW；在相近波長處為目前報道的最高連續(xù)工作溫度。對于5.2μm波長的帶間級聯激光器，寬脊器件室溫脈沖閾值電流密度為306A/cm²；2mm腔長和10μm脊寬的窄脊器件最高連續(xù)工作溫度為41℃，室溫輸出功率為10mW；其中閾值電流密度在類似波長為報道的最低水平。
相關論文“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”(10.1109/LPT.2023.3335856)分別發(fā)表于Applied Physics Letters 和IEEE Photonics Technology Letters。
(a)5.2μm波長、2mm腔長、10μm脊寬的器件在15℃-41℃之間連續(xù)激射光譜；
(b)同一器件在15℃-41℃之間的連續(xù)電流-電壓-功率曲線
帶間級聯激光器是基于能帶工程和量子力學產生激射，技術含量很高并且研制難點眾多，是國家納米和量子器件核心技術的重要體現，目前和量子級聯激光器(Quantum cascade laser，QCL)并列為重要的中紅外激光光源，在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制、醫(yī)療診斷和自由空間通信等領域具有重要的應用價值和科學意義。
帶間級聯激光器的原始概念由美國俄克拉荷馬大學的楊瑞青教授(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三五族材料體系來構造，有源區(qū)大多為InAs/GaInSb二類量子阱，其能力可覆蓋從中紅外到遠紅外的波長范圍。帶間級聯激光器結合了傳統(tǒng)半導體二級管激光器和量子級聯激光器的優(yōu)勢，與同樣能覆蓋中紅外波段的量子級聯激光器相比，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。
目前全球帶間級聯激光器市場仍由國外企業(yè)占據主導地位，國內仍處于產業(yè)發(fā)展的初始階段。本文報道的這兩項工作標志著睿創(chuàng)光子在帶間級聯激光器的外延設計和器件制備等多個方面同時達到了較高的技術水平，成為掌握高性能帶間級聯激光器技術的企業(yè)。該工作也為后續(xù)單?？烧{諧的DFB帶間級聯激光器的研發(fā)和量產打下了堅實的基礎。
睿創(chuàng)光子(無錫)技術有限公司是煙臺睿創(chuàng)微納技術股份有限公司的控股子公司，聚焦III-V族光電子器件、硅基光電子器件等光子芯片技術研發(fā)與產業(yè)化。
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