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气体传感用长波长大应变量子阱分布反馈激光器的研究

作　者: 于红艳
导　师: 杨田林；潘教青
学　校: 山东大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 低压金属有机化合物气相沉积 多量子阱分布反馈激光器 生长中断 载流子阻挡层 应变缓冲层
分类号: TN248
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


近年来波长范围在1.6—2.11μm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,H20, 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。本论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：1.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10m W,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。2.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。3.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600gm未镀膜管芯的阈值电流在30mA左右。本论文针对甲烷、一氧化氮、水汽等气体的检测需求,研究制作了1.6μmm-1.9μm波段内6种波长的DFB激光器。

全文目录


摘要  8-10
ABSTRACT  10-13
符号表  13-14
第一章 绪论  14-35
  1.1 引言  14-15
  1.2 TDLAS技术发展简介  15-21
    1.2.1 TDLAS技术  15-17
    1.2.2 TDLAS技术的原理  17-21
  1.3 基于TDLAS技术的气体传感用DFB激光器概述  21-25
    1.3.1 TDLAS光源的选择  21-23
    1.3.2 DFB激光器在气体检测中的应用  23-24
    1.3.3 几种气体的吸收谱  24-25
  1.4 长波长激光器的研究进展  25-30
  1.5 本论文的主要工作和创新点  30-35
    1.5.1 本论文的目的和意义  30-31
    1.5.2 本论文的主要工作和创新点  31-35
第二章 实验设备及主要测试方法  35-53
  2.1 MOCVD设备及原理  35-47
    2.1.1 MOCVD技术简介  35-37
    2.1.2 AIX200型设备介绍  37-42
    2.1.3 源材料及组分控制原理  42-45
    2.1.4 外延生长的限制机制  45-47
  2.2 材料性能测试技术和方法  47-51
  2.3 激光器性能参数测试技术和方法  51-52
  2.4 本章小结  52-53
第三章 大应变量子阱半导体激光器相关理论  53-75
  3.1 半导体激光器的基础理论  53-58
    3.1.1 粒子数反转和阈值增益  54-57
    3.1.2 半导体激光器的等效电路  57-58
  3.2 应变量子阱理论及其增益谱计算  58-69
    3.2.1 应变多量子阱相关理论  59-67
    3.2.2 量子阱增益谱的计算  67-69
  3.3 DFB激光器工作原理  69-74
  3.4 本章小结  74-75
第四章 材料生长和器件制作流程  75-90
  4.1 材料生长  75-84
  4.2 器件的具体制作流程  84-89
  4.3 本章小结  89-90
第五章 气体传感用长波长大应变量子阱分布反馈激光器的研制  90-116
  5.1 1.65微米甲烷探测用DFB激光器的制备  90-93
  5.2 1.79微米一氧化氮探测用DFB激光器的制备  93-98
  5.3 1.8微米水汽探测用DFB激光器的制备  98-114
    5.3.1 650℃材料生长  99-106
    5.3.2 600℃材料生长  106-114
  5.4 本章小结  114-116
第六章 总结  116-119
参考文献  119-126
致谢  126-128
攻读学位期间发表的论文  128-129
学位论文评阅及答辩情况表  129

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 激光技术、微波激射技术 > 激光器
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