V型耦合腔带间级联激光器的研究及气体传感应用

发布时间：2023-04-23 02:59

　　中红外激光器在气体传感、环境监测、医疗诊断和工业过程控制等应用中有独特的优势,由于气体的吸收峰非常窄,因此激光器的单模特性至关重要,波长可调谐激光器还可以兼顾多种气体探测的需求。目前中红外能够实现单模输出的只有DFB激光器和外腔激光器,但是DFB激光器含有光栅,制作复杂、成本高且调谐范围只有几纳米,而外腔激光器体积大,不方便集成。V型腔激光器在近红外通信波段已经实现单模大范围调谐,并且无需光栅,成本低,波长切换简单。本文首次将V型耦合腔的概念引入带间级联激光器,以实现单片集成的单模波长大范围调谐的中红外激光器。带间级联激光器经过多年来的发展,已经在3-6μm波段实现了室温高效输出。但是与InP基材料相比,锑化物材料的工艺水平还不成熟,同时带间级联激光器具有非常多层的结构,垂直和横向电导严重不平衡,因此带间级联激光器采用深刻蚀波导(即刻蚀到有源层以下)以确保电流均匀注入每个级联台阶,这增大了带间级联激光器的制作难度。本文主要研究基于Ⅱ型量子阱锑化物带间级联材料的V型腔激光器的设计、制作与测试。首先我们介绍了实验中使用的带间级联材料及FP激光器的基本结构。通过对V型腔激光器结构和工作原理的...

【文章页数】：132 页

【学位级别】：博士

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致谢
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 引言
    1.2 中红外半导体激光器的研究现状
        1.2.1 传统Ⅰ型量子阱激光器
        1.2.2 量子级联激光器
        1.2.3 带间级联激光器
    1.3 单模波长可调谐激光器的发展现状
        1.3.1 外腔激光器
        1.3.2 基于光栅结构的单片激光器
        1.3.3 耦合腔激光器
    1.4 光学气体传感
    1.5 本文的主要研究内容及创新点
        1.5.1本文的主要研究内容
        1.5.2 本文的创新点
2 Ⅴ型耦合腔带间级联激光器的原理与设计
    2.1 中红外锑化物带间级联材料
    2.2 Ⅴ型耦合腔激光器的工作原理
        2.2.1 Ⅴ型腔激光器的游标效应
        2.2.2 半波耦合器的选模特性
    2.3 带间级联Ⅴ型耦合腔激光器的设计与参数优化
        2.3.1 深刻蚀波导的设计
        2.3.2 深刻蚀半波耦合器的设计
3 锑化物带间级联激光器的工艺及器件制作
    3.1 带间级联Ⅴ型耦合腔激光器的工艺流程
    3.2 电隔离工艺
    3.3 锑化物材料的刻蚀工艺
        3.3.1 湿法刻蚀工艺
        3.3.2 干法刻蚀工艺
        3.3.3 湿法刻蚀和干法刻蚀工艺的对比
        3.3.4 带间级联Ⅴ型耦合腔激光器的深刻蚀波导
    3.4 钝化及开窗工艺
    3.5 电极制作及反射面镀金
        3.5.1 二次电极制作
        3.5.2 反射面镀金
    3.6 本章小结
4 中红外带间级联激光器的性能表征
    4.1 测试系统
        4.1.1 液氮杜瓦
        4.1.2 激光器芯片的封装
        4.1.3 激光器的功率测试系统
        4.1.4 激光器的光谱测试系统
    4.2 带间级联材料特性及FP激光器基本结构的测试结果
        4.2.1 波导损耗的测试
        4.2.2 反射面对FP激光器LIV特性的影响
        4.2.3 温度对FP激光器LIV特性的影响
        4.2.4 阈值光谱与材料的群折射率
        4.2.5 波长的温度调谐特性
        4.2.6 波长的电流调谐特性
    4.3 V型耦合腔激光器的光电特性
        4.3.1 V型耦合腔激光器的LIV特性
        4.3.2 V型耦合腔激光器的光谱特性
        4.3.3 傅里叶变换光谱仪参数对光谱测试的影响
    4.4 本章小结
5 基于V型耦合腔激光器的气体传感
    5.1 TDLAS的研究背景及技术方案
    5.2 气体吸收峰的选择及激光器输出波长标定
    5.3 直接吸收法测量气体浓度
    5.4 波长调制法测量气体浓度
    5.5 本章小结
6 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 对未来工作的展望
参考文献
作者简介



本文编号：3798944