Scientific Journal of Microelectronics Wei Dian Zi Qi Kan * 1.55μm 波段半导体激光器研究进展及军事应用 陈融 1,2, 李特 *1, 张月 1,2 1,2, 王钰智 1. 长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林长春,130

Save this PDF as:
 WORD  PNG  TXT  JPG

Size: px
Start display at page:

Download "Scientific Journal of Microelectronics Wei Dian Zi Qi Kan * 1.55μm 波段半导体激光器研究进展及军事应用 陈融 1,2, 李特 *1, 张月 1,2 1,2, 王钰智 1. 长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林长春,130"

Transcription

1 * 1.55μm 波段半导体激光器研究进展及军事应用 陈融 1,2, 李特 *1, 张月 1,2 1,2, 王钰智 1. 长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林长春, 长春理工大学研究生院, 吉林长春, 摘 要 :1.55μm 半导体激光器是光纤通信领域的重要光源, 但由于其选用的材料体系问题, 致使其温度特性和功率输出表现一 直不十分理想, 这也在一定程度上阻碍了该波段激光器在其他军用和民用领域的应用 近年来,InGaAlAs/InP 以及 InGaNAs/GaAs 材料体系的研究工作为制作高表现的 1.55μm 的半导体激光器提供了契机, 同时也为其在军事领域的应用提供了很大的可能性 关键词 :1.55μm; 半导体激光器 ; 军事应用 The Research Progress and Military applications of 1.55μm Semiconductor Lasers Rong Chen 1,2, Te Li *1, Yue Zhang 1,2, Yuzhi Wang 1,2 1.National Key Lab on High power diode laser, Changchun University of Science and Technology 2. Graduate School: Changchun University of Science and Technology Abstract:1.55μm semiconductor lasers are important light sources of optical fiber communication field. Because of the problem in its common material system, its temperature characteristics and output power performance have been not very ideal, which prevent its applications in other military and civilian fields in some ways. In recent years, some researches on the InGaAlAs/InP and InGaNAs/GaAs material systems provide an opportunity for the high-performance of 1.55μm semiconductor lasers and provide a great possibility for its application in the military field. Key word:1.55μm;semiconductor laser;military application 引言 自从光纤通信时代来临, 激射波长为 1.55μm [1] 的光源就成为了最重要的光源之一 这是因为在光纤通信领域 1.55μm 波段处损耗最低, 因此 1.55μm 波长的光源是最合适的激光通信光源 此外, 该波长的光源还具有人眼安全 性, 这就使其在激光探测和激光测距方面拥有无可比拟的优势 近年来, 高功率 1.55μm 激光器在空间光通信领域 的发展也十分迅猛 半导体激光器一直是 1.55μm 波段光源的重要组成部分, 基于它的研究早在上世纪 70 年代就已 经开始 发展至今, 用于该波段的材料体系已从最开始的 InGaAsP/InP 发展到现在的 InGaAlAs/InP,InGaNAs/GaAs 以及 InAs 量子点等 制备技术上, 高功率器件多采用大光腔的结构, 用于光通信的器件都采用 DFB 结构 不仅如 此, 随着键合技术的成熟,1.55μm 波段的垂直腔面发射激光器的研究也得到了很大的发展 可以说在应用领域的 重要作用时刻推动着该波段半导体激光器的进步 μm 激光器研制的难点和存在的问题 目前, 用于制作 1.55μm 波长激光的半导体材料主要是生长在 InP 衬底上的 InGaAsP 材料体系 但是, 用 InGaAsP 材料体系制作的激光器的温度特性很差, 通常,InGaAsP/InP 基半导体激光器的特征温度只有 40-50K [2], 这个数值 甚至低于 1.3μm 的 InGaAsP/InP 基半导体激光器的特征温度 60-80K 而 GaAs 基 980nm 的半导体激光器的特征温 度往往高于 150K 过低的温度特性容易造成激光器的阈值电流升高和微分量子效率下降, 进而影响器件的输出功 率 如果 T 0 很小, 则激光器工作电流随温度增加而急剧增加, 激光器则会由于增加工作电流而被加热, 由此进一步 增加阈值电流, 这种热的剧变过程使得激光器功率急剧下降, 甚至损坏激光器 为了克服 InGaAsP 半导体激光器的这 * 基金项目 : 国家自然基金 ( 基金号 : ). 6

2 个缺点, 往往需要外置冷却装置来维持这种激光器的恒温工作 但额外的冷却装置使得整个激光器系统变得结构复 杂 成本提高, 这个问题也直接关系到 1.55μm 半导体激光器在各个领域的应用 为了解决这个问题, 找到影响半导体激光器温度特性的根源就十分重要, 其实, 已有大量的研究表明, 对于长 [3-6] 波长半导体激光器而言, 俄歇复合是造成器件温度特性差的主要原因 众所周知, 俄歇复合随温度和禁带宽度 的变化较大, 尤其是随禁带宽度的变化几乎呈指数性增长 因此, 对于长波长半导体激光器而言, 俄歇复合对于性 能的影响是十分明显的 载流子泄露问题是另一个影响器件温度特性的重要因素 载流子泄露过程存在于器件工作的几乎所有微观过 程, 无论是注入电流低于阈值电流还是高于阈值电流 它将直接影响器件的阈值电流和输出功率 载流子泄露问题 从半导体激光器诞生开始就一直是阻碍半导体激光器性能提高的重要问题, 有源区和波导结构的能带差决定了载流 子势垒的高度, 拥有高于该势垒能量的载流子可以 逃离 量子阱的束缚, 因此, 当温度升高时, 将有更多的载流 子能量超越势垒高度, 从而增加载流子泄露的发生几率 μm 半导体激光器的研究进展 [7-13] 近年来, 光纤通信的发展为长波长半导体激光器的发展提供了契机 1.55μm 波段的半导体激光器成为了研 究热点, 而由于 InGaAsP/InP 半导体激光器的温度特性一直不理想, 所以两种 " 新的 " 材料体系 InGaAsN/GaAs 和 InGaAlAs/InP 常被用来制作 1.55μm 半导体激光器 InGaAsN/GaAs 材料体系中,ΔEc=0.79ΔEg, 这样的导带差能够 较好地抑制电子泄露情况的发生 该体系的另一个优点是 N 元素的加入增加了 InGaAsN 的电子有效质量, 使得该 材料体系中电子和空穴的有效质量更加匹配, 这就为降低器件的阈值电流提供了有利的条件 [14] 但含 N 的半导体 材料的诸多特性还有待研究, 且其外延技术相对不太成熟, 因此这种材料体系的激光器研究也仅处于起步阶段 InGaAlAs/InP 材料体系中,ΔEc=0.72ΔEg,InAlAs 垒层禁带宽度为 1.45eV, 这些参数足以保证热泄露引起的载 流子泄露的减少 该材料体系在光场限制上也有自己的优势, 因此, 目前, 关于该材料体系的半导体激光器的研究 也开始逐渐增多 [15] 在 InGaAlAs 材料体系中,ΔEc=0.4eV,ΔEv=0.3eV; 而在 InGaAsP 材料体系中,ΔEc=0.2eV, ΔEV=0.4eV 可以看出在 InGaAlAs/InP 材料体系中, 较大的导带能带差更能有效地减少电子的泄露, 从而提高器 件的性能 另外, 需要说明的是 InGaAlAs 材料体系只有一种 V 族元素, 因此其在外延生长上的难度远小于 InGaAsP 材料体系 上世纪 90 年代, 包括美国南加利福尼亚大学 加州大学圣芭芭拉分校 贝尔实验室等很多著名的研究机构就 开始对 InGaAlAs/InP 材料体系进行研究, 虽然大部分的研究内容限于对于材料特性的研究, 但这些研究为日后开 展 InGaAlAs/InP 激光器的研究奠定了基础 美国新墨西哥大学一个研究小组近年来在 InGaAlAs 半导体激光器领域 开展了一些研究 他们的第一个 InGaAlAs 半导体激光器诞生于 2000 年 [16], 它采用 1μm 厚的宽波导结构, 有源区 包含 4 个 InGaAs 量子阱, 用该结构制作的 1mm 腔长器件的阈值电流密度为 770 A cm-2, 注入效率达到 40%, 特征 温度仅为 45K 同年, 该小组通过引入渐变折射率波导和应变量子阱等结构改善了器件的输出特性,1mm 腔长器 件的阈值电流密度将为 410 A cm-2, 注入效率增加到 62%, 特征温度升高至 69 K [17] 2009 年, 该小组报道的条宽 100μm 器件室温连续输出功率达到 500mW, 注入电流为 2A, 特征温度为 70K (10-50 ), 这是目前 InGaAlAs 1.55μm 半导体激光器的最好水平 国内早在 80 年代末,90 年代初, 就有单位开始研究 1.55μm 半导体激光器, 但几乎所有的研究都只针对以 InGaAsP 为有源区的结构 其中很大一部分来自长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室, 他们将大光腔结 构应用到 InGaAsP 半导体激光器中, 采用液相外延技术生长外延结构 [18-20] 制作了脉冲激射的 1.55μm 半导体激光 器, 最高输出功率达到 2W 国内的西安炬光科技公司有 1.55μm 的半导体激光器产品,2010 年, 该公司发布的产品目录显示, 他们可以提 供连续功率 1W 的 1.55μm 激光器产品 [21], 该产品采用该公司自主研发的 F-mount 封装方式, 但该产品的芯片来自 7

3 外国公司并且激光器的具体温度特性和激光器的外延结构并未提及 3 军事应用前景 科学人员为高表现 1.55μm 半导体激光器的研究所作出的努力使人们看到了希望, 同时也为 1.55μm 半导体激光器的军事应用提供了可能 正如前文所说,1.55μm 半导体激光器是理想的激光通信光源, 又由于其人眼安全性特点, 使其成为激光测距等领域的适用光源, 人眼对波长大于 1.4μm 的光的最大容许曝光量比对 0.88μm 光的高一万倍以上, 且水对波长为 1.55μm 的光的吸收系数要小得多, 而且这一波长的光穿过烟雾的能力强, 使得这一波段的光受外界环境干扰很小 因此把这一波段的器件应用于光纤通信以外的激光射击模拟 激光制导 激光雷达 激光测距等领域, 有很大的发展前途 激光测距 : 激光测距是以激光器作为光源进行测距 根据激光工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器 激光测距仪由于激光的单色性好 方向性强等特点, 加上电子线路半导体化集成化, 与光电测距仪相比, 不仅可以日夜作业 而且能提高测距精度 在激光测距领域, 半导体激光器多用于红外测距 现有的半导体激光测距仪的工作波长多为 808nm, 该波长的光线可以用肉眼观察, 所以其隐蔽性差, 而且 808nm 激光的穿透能力较弱 而 1.55μm 半导体激光器由于波长较长, 所以其穿透能力强, 再加上其人眼安全的特性, 并处于 μm 的大气窗口, 使其很有希望成为激光测距的最佳光源 此外, 普通的红外夜视仪难以观察到 1.55μm 的激光光线 ; 其对应的 Ge 和 InGaAs 探测器的灵敏区, 无需低温制冷, 这些也是此波段激光光源应用于军事领域的一个重要优势 激光制导 : 激光制导是 60 年代才开始发展起来的一种新技术 激光波束方向性强 波束窄, 故激光制导精度高, 抗干扰能力强 目前已出现激光半主动制导和激光驾束制导的空对地 地对空导弹以及激光制导航空炸弹 激光驾束和激光半主动制导已应用于反坦克导弹技术中 我们知道, 对付激光制导武器的常用办法是对目标进行烟幕保护, 即在可能被袭击的目标周围施放烟幕, 把目标隐藏在浓浓的烟幕之中 目前, 激光制导运用的光源多为 1.06μm 的 Nd:YAG 固体激光光源 [22], 该波段的光受烟雾的影响较大, 透过率低, 这就大大降低了全天候作战的能力 而 1.55μm 半导体激光器对于烟雾的穿透能力高, 且相对于固体激光器, 又有体积小 重量轻等优势, 因此,1.55μm 光源很有可能取代 Nd:YAG 固体激光光源, 成为激光制导激光器的首选 激光雷达 : 激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径, 而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探 城市规划 农业开发 水利工程 土地利用 环境监测 交通通讯 防震减灾及国家重点建设项目等方面 雷达系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统 激光器产生并发射一束光脉冲, 打在物体上并反射回来, 最终被接收器所接收 目前, 激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避方面的应用越来越多, 德国戴姆勒奔驰宇航公司研制成功的障碍探测激光雷达就是这种雷达的典型代表之一, 它的激光光源是固体 1.54μm 激光器 [23] 该激光雷达的视场为 32 度 32 度, 能探测 米距离内直径 1 厘米粗的电线, 将装在新型 EC 135 和 EC 155 直升机上 大气激光通信 : 现代战争中, 能否获得信息 能否成功阻止对方获得己方机密信息, 已经成为决定战争胜负的关键因素 通信技术的每一次改革与创新都推动了战场通信的变革 大气激光通信技术兼具微波通信和光纤通信的优点, 其灵活的通信方式必将在未来战场通信中扮演重要角色 大气激光通信中激光源的波长选择中, 选择 大气窗口 频段是首要考虑方面, 其次还要避开环境中的高频辐射频段 为了避开太阳光散射的影响, 同时也考虑保密性的需要, 红外激光成为可选波段 常用的处于大气窗口的红外通信波段有 :810~860nm 980~1060nm 以及 1550~1600nm, 另外还要避开地球的热辐射, 这一波段大致在 900~1000nm, 因此 810~860nm 和 1550~1600nm 是较为合理的频段 考虑到大气散射造成的衰减与波长成反比, 以及目前光纤通信系统多用 1550nm 频段,1550nm 附近是较为合适的频段 激光射击模拟 : 激光射击模拟装置被军事专家公认为最有效的现代化射击训练设备, 能够保障使用激光束完全 8

4 模拟射击情况, 创造最大程度上接近实战的训练环境, 可在各种演习中得到广泛使用 步兵武器激光射击模拟器直接装配在被模拟武器的枪管上, 通过空弹射击发射模拟激光束 在进行不要求空弹发射条件下的射击训练时, 可以在板机把上安装一个电子射击按钮 激光射击模拟器的使用能够帮助陆军步兵部队和特种部队在较短时间内解决高质量 高效率射击训练和战术培训任务, 保障战斗训练效率提高 15-20% 目前在激光射击模拟装置上装备的主要是 905nm 波段的半导体激光器 [24], 虽然该激光束可以透过眼角膜和晶状体, 但最终会被视网膜吸收, 加上人眼系统的聚焦作用, 可以使入射激光会聚呈极小的斑点, 从而使视网膜单位面积上的激光能量急剧增加, 造成眼损伤 如果将激光系统换成 1550nm 的半导体激光器, 那么上述情况就会得到改变 4 展望 随着军用和民用领域对激光光源的需求日益增多, 实际应用对半导体激光器的工作条件提出了越来越高的要求 体积小 紧凑化已经仅仅是对半导体激光器的最基本要求, 而波长多样化 光场小型化 能够适应任何使用环境等需求目前正成为半导体激光器的发展方向 [25] 特别是对于 1.55μm 波段的器件, 由于该器件多用于激光通信 激光测距等领域, 因此对各项特性指标要求更为严格 这就对半导体激光器研究者提出了一个新的课题 -- 找到更适合的用于 1.55μm 波段的材料体系并制备相应的激光器件 由于 InP 基 InGaAlAs 材料体系以及 InGaAsN/GaAs 材料体系在能带结构上的特有优势, 这两种材料体系在未来 1.55μm 波段高功率半导体激光器的材料选择中必将成为有利的竞争者 参考文献 [1] Pan, Z. Q., H. W. Cai, et al. "Single-frequency Phosphate Glass Fiber Laser with 100mW Output Power at 1535nm and its Polarization Characteristics." [C]14th Optoelectronics and Communications Conference, 2009: 7-8. [2] S. Seki, H. Oohashi, H. Sugiura, et al. "Study on the dominant mechanisms for the temperature sensitivity of threshold current in 1.3-μm InP-based strained-layer quantμm-well lasers". [J] IEEE J. Quantμm Electron., 1996, 32(8): [3] J. Taylor and V. Tolstikhin. "Intervalence band absorption in InP and related materials for optoelectronic device modeling". [J] J. Appl. Phys., 2000, 87(3): [4] G. Fuchs, C. Schiedel, A. Hangleiter, et al. "Auger recombination in strained and unstrained InGaAs/InGaAsP multiple quantμmwell lasers". [J] Appl. Phys. Lett., 1993, 62(4): [5] J. O'Gorman, A. F. J. Levi, T. Tanbun-Ek, et al. "Temperature dependence of long wavelength semiconductor lasers". [J] Appl.Phys. Lett., 1992, 60(9): [6] H. Kurakake, T. Uchida, T, Yamamoto, et al. "Effect of recombination in separate-confinement heterostructure(sch) layers on temperature characteristics of semiconductor lasers". [J] IEEE J.Select. Topics Quantμm Electron., 1997, 3(2): [7] T. Higashi, S. J. Sweeney, A. F. Phillips, et al. "Observation of reduced nonradiative current in 1.3-μm AlGaInAs-InP strained MQW lasers". [J] IEEE Photon. Tech. Lett., 1999, 11(4): [8] T. Ishikawa, T. Higashi, T. Uchida, et al. "Well-thickness dependence of high-temperature characteristics in 1.3-μm AlGaInAs-InP strained-multiple-quantμm-well lasers", [J] IEEE Photon. Tech. Lett., 1998, 10(12): [9] C.-C. Lin, M.-C. Wu, H.-H. Liao, et al. "Highly uniform operation of high-performance 1.3-μm AlGaInAs-InP monolithic laser arrays".[j] IEEE J. Quantμm Electron., 2000, 36(5): [10] S. R. Selmic, T.-M. Chou, J. Sih, et al. "Design and characteristics of 1.3-μm AlGaInAs-InP multiple-quantμm-well lasers". [J] IEEE J. Select. Topics Quantμm Electron., 2001, 7(2): [11] T. R. Chen, P. C. Chen, J. Ungar, et al. "Low-threshold and high-temperature operation of InGaAlAs-InP lasers". [J] IEEE Photon. Tech. Lett., 1997, 9(1): [12] J. C. Yong, J. M. Rorison, I. H. White. "1.3-μm quantμm-well InGaAsP, AlGaInAs, and InGaAsN laser Material gain: a theoretical study". [J] IEEE J.Quantμm Electron., 2002, 38(12): [13] J. Piprek, "What limits the maximμm output power of long-wavelength AlGaInAs/InP laser diodes", [J] IEEE J. Quantμm Electron., 2002, 9

5 38: [14] E. Yablonovitch and E. O. Kane. "Band structure engineering of semiconductor lasers for optical communications". [J] J. Lightwave Technol., 1988, 6(8): [15] C.E. Zah, R. Bhat, B. N. Pathak, et al. "High-performance uncooled 1.3-μm AlxGayIn1-xyAs/InP strained-layer Quantμm-Well Lasers for Subscriber Loop Applications". [J] IEEE J. Quantμm Electron., 1994,30(2): [16] G. T. Liu, A. Stintz, E. A. Pease, et al. "1.58 μm lattice-matched and strained digital alloy AlGaInAs/InP multiple-quantμm-well lasers", [J] IEEE Photonics Technology Letters, 2000,12(1): 4-6. [17] T. C. Newell, P. M. Varangis, E. A. Pease, et al. "High-power AlGaInAs strained multiquantμm well lasers operating at 1.52 μm", [J] Electronics Letters, 2000, 36(11): [18] 钟景昌, 朱宝仁, 黎荣晖, 赵英杰, "1.55μm 大光腔激光器 ", [J] 光学学报, 1992, 第 12 卷, 第 3 期 : [19] 赵英杰, 黎荣晖, 晏长岭, 钟景昌, "1. 3 μm 和 μm GaInAsP/ InP 阵列激光器 ", [J] 半导体光电, 2000, 第 21 卷, 第 2 期 : [20] 黎荣晖, 赵英杰, 晏长岭, 钟景昌, " 高功率 1.55μm 半导体激光器 ", [J] 兵工学报, 2000, 第 21 卷, 第 1 期 : [21] 江兴, " 西安炬光科技推出波长 1550nm 的单管半导体激光器 ", [J] 光机电信息, 2010, 第 1 期 : 36. [22] 耿顺山, " 美国激光制导武器的发展现状与趋势 ", [J] 物理, 2008, 第四期 : [23] 张文平, " 激光成像雷达中 DPL 输出稳定性研究 ", [D] 西安电子科技大学硕士学位论文 [24] 李树山, 王江安, " 军用激光模拟器对人眼辐射的安全评价 ", [J] 海军工程学院学报, 1991, 第三期 : [25] 马骁宇, 王俊, 刘素平, " 国内大功率半导体激光器研究及应用现状 ", [J] 红外与激光工程, 2008, 第 37 卷, 第 2 期 : 作者简介 陈融 (1987-), 女, 汉族, 长春理工大学在读硕士研究生, 主要从事大功率半导体激光器方面的研究 李特 (1981-), 男, 汉族, 长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室教师, 主要从事大功率半导体激光器方面的研究 10