III-V 族半导体激光器
III-V 族材料的异质集成和直接生长是迈向下一代光电子学的一大步。目前,已开发出多种 III-V 材料制备技术,包括金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)以及异质键合,用于实现高质量的 III-V 功能结构,如量子阱、量子点和纳米结构。这些技术推动了 III-V 族光源和探测器的发展,催生了多个重要的光电子器件,如近红外 InAs 量子点激光器、中红外 GaSb 量子级联激光器等。这些 III-V 材料激光器已广泛应用于光通信、量子信息、微波光子学、光学测距、太阳能电池等领域。我们可供GaAs基激光器、反射型光放大器(RSOA)、SOI基III-V族FP腔激光器和硅基III-V族量子点FP腔激光器,大致参数如下:
1. GaAs基激光器:III-V族经典代表
1.1 InAs/GaAs量子点基锁模激光器
光频梳激光器本质上是一种高度稳定的锁模激光器,用于精密测量、光通信和光子计算等领域。所有光频梳都是锁模激光器,但并非所有锁模激光器都能形成稳定的光频梳。要获得高质量的光频梳,需要精确控制重复频率和载波-包络偏移频率,使其可测且可控。InAs/GaAs量子点梳状激光器有100GHz和200GHz两种规格,其工作参数如下:
规格 | 100GHz光频梳激光器 | 200GHz光频梳激光器 |
波长 | 1310nm | 1300 – 1340nm |
模式间距 | 100 GHz | 200 GHz |
工作温度 | 20°C-100°C | 10°C-50°C |
单梳线功率 | – | 17mW |
1.2 GaAs FP激光器
GaAs 基法布里-珀罗谐振腔(FP)激光器结合了FP 谐振腔与 InAs 量子点增益区,可发射多纵模相干光。这类激光器具有较高的工作温度。
规格 | InAs/GaAs量子点激光器 |
激光峰值 | 1300nm(±20nm) |
输出功率 | >30mW |
工作温度 | ~120℃ |
目前,GaAs基激光器仍然是光通信和高功率激光器应用的主流,InAs量子点锁模激光器推动了光频梳技术的进一步发展。
2. 反射型光放大器:III-V族的灵活扩展
该反射式光放大器(RSOA)采用量子点作为增益介质,一端镀高反射膜,另一端镀高透射膜,从而形成反射放大结构。这种设计可以放大波长为1300nm的激光,增加光信号的强度,为高速光通信提供更有效的解决方案。
3. III-V族与硅基融合:突破材料限制
硅基III-V族激光器将硅光子学的集成能力与III-V族材料的高效发光特性相结合,解决了硅材料本身的间接带隙的限制,使其广泛应用于光通信、数据中心和高性能计算领域。
3.1 SOI基FP腔激光器
该激光器使用SOI(Silicon-On-Insulator)作为衬底,并在该衬底上外延生长III-V材料,以实现高效的光源集成。使用InAs量子点作为该激光器的激光源,并利用FP腔进行光学反馈。SOI基FP腔激光器能够在60℃下稳定工作。
3.2 硅基量子点FP腔激光器
硅基量子点FP腔激光器是在硅(001)衬底上外延III-V量子点,结合FP腔设计。该激光器设计的发射波长为1300nm的激光,可在90℃下工作。该技术不仅突破了传统硅材料的发光限制,而且大大提高了硅基光子芯片的集成度,使下一代光电器件更加紧凑、高效、低功耗。
由于高效发光、宽波长可调性和高温稳定性等优点,III-V族半导体激光器在光通信、激光雷达和量子信息等领域取得了重大突破。未来,随着III-V材料生长技术的进步,硅光子学与III-V材料的融合将成为光电子学的重要发展方向,进一步推动光通信、光计算和量子技术等领域的进步。
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