气体传感用长波长大应变量子阱分布反馈激光器的研究

摘要

近年来波长范围在1.6-2.1μm的近红外激光器引起研究人员们的注意，工作于此波段的激光器因其发射波长与很多环境以及工业气体，例如(CH4，HCL，H2O，CO，NO)的吸收谱线相一致，可用做气体传感的光源。大应变InGaAs/InGaAsP多量子阱(MQW)分布反馈(DFB)激光器由于在上波导层制备有光栅，能够输出稳定的单模激光，线宽在几兆赫兹，远小于气体分子的吸收线宽（百兆赫兹），并且DFB激光器的波长可以被温度和电流调谐，适合作为气体传感系统的光源。本文围绕长波长大应变气体传感量子阱DFB激光器的研制开展了以下几个方面的工作：
　　 ⑴优化了甲烷气体探测用1.65μm MQW DFB激光器的制作工艺。目前，已经初步实现了1.65μm甲烷检测用外延片的小批量生产能力。器件阈值电流小于25mA，功率大于10mW,量子效率大于20％，光谱线宽小于10MHz，边模抑制比大于40dB。器件通过了老化筛选，预测激光器的寿命约为11年。管芯经耦合封装后，输出光功率在注入电流为Ith+80mA时大于8mW，完全满足甲烷气体的检测要求。
　　 ⑵采用低压金属有机化合物气相沉积法( LP-MOCVD)生长并制作了波长为1.7945μm的大应变InGaAs/InGaAsP MQW DFB激光器，对应一氧化氮的吸收谱线。采用生长中断技术改善了阱的质量，引入载流子阻挡层提高了器件的温度稳定性。工作温度在-20℃-50℃时，腔长为300μm未镀膜管芯的阈值电流范围为10 mA-35mA。20℃时阈值电流为19.7 mA，输出光功率在连续注入电流为100 mA时可达到9.9 mw。器件在很大的电流范围内保持单模工作，波长调制率为0.012 nm/mA。激光器的特征温度为58K，与传统通讯用1.55微米InGaAsP分布反馈激光器的特征温度相当。
　　 ⑶采用LP-MOCVD方法生长并制作了波长为1.82μm、1.84μm、1.86μm、1.9μm的大应变InGaAs/InGaAsP MQW DFB激光器，对应水汽的吸收谱线。采用生长中断和应变缓冲层技术改善了阱的质量，引入载流子阻挡层提高了器件的温度稳定性。其中1.82μmDFB激光器光谱的边模抑制比大于30dB，波长随电流和温度近似线性变化，调制率分别为0.013nm/mA和0.12nm/℃，特征温度为58K。腔长300μm未镀膜管芯的阈值电流小于25mA，注入电流100mA时功率大于8mW。器件均通过老化筛选，预测激光器的寿命约为11年。经耦合封装后，出纤光功率在65mA注入电流下大于3mW，满足水汽检测的要求。1.84μmDFB激光器光谱的边模抑制比大于30dB，波长的电流调制率为0.011nm/mA。1.86μmDFB激光器光谱的边模抑制比为38.9dB，波长的电流调制率为0.014nm/mA。腔长600μm未镀膜管芯的阈值电流约40mA，出光功率大于7mW。1.9μmDFB激光器光谱的边模抑制比大于25dB，腔长600μm未镀膜管芯的阈值电流在30mA左右。本文针对甲烷、一氧化氮、水汽等气体的检测需求，研究制作了1.6μm-1.9μm波段内6种波长的DFB激光器。