氣體傳感用長波長大應(yīng)變量子阱分布反饋激光器的研究.pdf

1、近年來波長范圍在1.6-2.1μm的近紅外激光器引起研究人員們的注意，工作于此波段的激光器因其發(fā)射波長與很多環(huán)境以及工業(yè)氣體，例如(CH4，HCL，H2O，CO，NO)的吸收譜線相一致，可用做氣體傳感的光源。大應(yīng)變InGaAs/InGaAsP多量子阱(MQW)分布反饋(DFB)激光器由于在上波導(dǎo)層制備有光柵，能夠輸出穩(wěn)定的單模激光，線寬在幾兆赫茲，遠小于氣體分子的吸收線寬（百兆赫茲），并且DFB激光器的波長可以被溫度和電流調(diào)諧，適合作為

2、氣體傳感系統(tǒng)的光源。本文圍繞長波長大應(yīng)變氣體傳感量子阱DFB激光器的研制開展了以下幾個方面的工作：
　　 ⑴優(yōu)化了甲烷氣體探測用1.65μm MQW DFB激光器的制作工藝。目前，已經(jīng)初步實現(xiàn)了1.65μm甲烷檢測用外延片的小批量生產(chǎn)能力。器件閾值電流小于25mA，功率大于10mW,量子效率大于20％，光譜線寬小于10MHz，邊模抑制比大于40dB。器件通過了老化篩選，預(yù)測激光器的壽命約為11年。管芯經(jīng)耦合封裝后，輸出光功率在注

3、入電流為Ith+80mA時大于8mW，完全滿足甲烷氣體的檢測要求。
　　 ⑵采用低壓金屬有機化合物氣相沉積法( LP-MOCVD)生長并制作了波長為1.7945μm的大應(yīng)變InGaAs/InGaAsP MQW DFB激光器，對應(yīng)一氧化氮的吸收譜線。采用生長中斷技術(shù)改善了阱的質(zhì)量，引入載流子阻擋層提高了器件的溫度穩(wěn)定性。工作溫度在-20℃-50℃時，腔長為300μm未鍍膜管芯的閾值電流范圍為10 mA-35mA。20℃時閾值電流為

4、19.7 mA，輸出光功率在連續(xù)注入電流為100 mA時可達到9.9 mw。器件在很大的電流范圍內(nèi)保持單模工作，波長調(diào)制率為0.012 nm/mA。激光器的特征溫度為58K，與傳統(tǒng)通訊用1.55微米InGaAsP分布反饋激光器的特征溫度相當。
　　 ⑶采用LP-MOCVD方法生長并制作了波長為1.82μm、1.84μm、1.86μm、1.9μm的大應(yīng)變InGaAs/InGaAsP MQW DFB激光器，對應(yīng)水汽的吸收譜線。采用生

5、長中斷和應(yīng)變緩沖層技術(shù)改善了阱的質(zhì)量，引入載流子阻擋層提高了器件的溫度穩(wěn)定性。其中1.82μmDFB激光器光譜的邊模抑制比大于30dB，波長隨電流和溫度近似線性變化，調(diào)制率分別為0.013nm/mA和0.12nm/℃，特征溫度為58K。腔長300μm未鍍膜管芯的閾值電流小于25mA，注入電流100mA時功率大于8mW。器件均通過老化篩選，預(yù)測激光器的壽命約為11年。經(jīng)耦合封裝后，出纖光功率在65mA注入電流下大于3mW，滿足水汽檢測的要

6、求。1.84μmDFB激光器光譜的邊模抑制比大于30dB，波長的電流調(diào)制率為0.011nm/mA。1.86μmDFB激光器光譜的邊模抑制比為38.9dB，波長的電流調(diào)制率為0.014nm/mA。腔長600μm未鍍膜管芯的閾值電流約40mA，出光功率大于7mW。1.9μmDFB激光器光譜的邊模抑制比大于25dB，腔長600μm未鍍膜管芯的閾值電流在30mA左右。本文針對甲烷、一氧化氮、水汽等氣體的檢測需求，研究制作了1.6μm-1.9μm