芯片级原子传感专用高温工作垂直腔面发射半导体激光光源研究
批准号:
61434005
项目类别:
重点项目
资助金额:
362.0 万元
负责人:
宁永强
依托单位:
学科分类:
F0403.半导体光电子器件与集成
结题年份:
2019
批准年份:
2014
项目状态:
已结题
项目参与者:
张艳、张奕、刘光裕、叶超、王琪、刘旸、张金胜、屈苏平、钟础宇
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中文摘要
垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)具有高光束质量、窄线宽及高可靠性等优点而成为芯片级原子传感系统首选光源。但目前VCSEL在高温工作时存在的功耗控制、波长控制及偏振控制等科学问题尚未解决,制约了芯片原子传感系统的发展。本项目对铷、铯芯片原子传感用795nm、894nm波段VCSEL器件开展研究,提出针对高温工作VCSEL的量子阱增益峰—腔模大失配结构,采用增益稳定InAlGaAs四元量子阱,提高器件高温下的有效模式增益,降低器件功耗;建立基于温度分布的低模式体积横模波导模型及纵向腔模分析模型,实现波长精准控制;建立基于温度分布的载流子—光子相互作用模型,明确偏振转换机制,并采用低损耗介质光栅结构实现偏振控制;实现VCSEL器件工作温度>90℃,功耗低于2mW,阈值电流<0.4mA,出光功率>0.2mW,偏振抑制比大于25dB,并应用于芯片原子钟系统,考察研究激光器特性和原子钟特性。
英文摘要
Vertical-cavity Surface-emitting Lasers (VCSELs) are optimal for atomic sensor, due to their excellent optical beam quality, narrow linewidth and high reliability. However, the request of VCSELs operating at high temperature for application of Chip-Scale Atomic Sensor causes generally the increase of power consumption and the difficulty to control wavelength and polarization, which restricts the development of chip-scale atomic sensor. In this project, we propose a novel design method to overcome these difficulties. Firstly, large mismatch between gain peak wavelength of the quantum well and cavity mode of the VCSEL structure, combined with low temperature-sensitive and high gain material of quaternary InAlGaAs quantum well , was presented to increase the effective modal gain and therefore to obtain the lowest threshold current density at high temperature. Secondly, a complex model with combined transverse waveguide mode for extreme small modal volume to realize lowest threshold current and traditional longitudinal cavity mode of VCSEL is proposed to accurately predict the lasing wavelength of VCSEL at high temperatures. Thirdly, a carrier-photon interaction model based on the temperature distribution across the device is established to understand the mechanism of polarization instability. Dielectric grating structure is used to realize the fully control of polarization direction. Finally, a systemized design based on the understanding of the mechanisms of power consumption, wavelength and polarization control will be established to accomplish the development of novel VCSELs for Rb and Cs atomic sensors. The operation temperature of the VCSELs is expected to be beyond 90˚C, and threshold current lower than 0.4mA, output power over 0.2mW, polarization ratio higher than 25dB will be realized. Chip-scale atomic clocks will be demonstrated to evaluate the performances of the VCSELs.
垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)具有高光束质量、窄线宽及高可靠性等优点而成为芯片级原子传感系统首选光源。但目前VCSEL在高温工作时存在的功耗控制、波长控制及偏振控制等科学问题尚未解决,制约了芯片原子传感系统的发展。本项目对铷、铯芯片原子传感用795nm、894nm波段VCSEL器件开展研究,提出针对高温工作VCSEL的量子阱增益峰—腔模大失配结构,采用增益稳定InAlGaAs四元量子阱,提高器件高温下的有效模式增益,降低器件功耗;建立基于温度分布的低模式体积横模波导模型及纵向腔模分析模型,实现波长精准控制;建立基于温度分布的载流子—光子相互作用模型,明确偏振转换机制,并采用低损耗介质光栅结构实现偏振控制;实现VCSEL器件工作温度>90℃,功耗低于2mW,阈值电流<0.4mA,出光功率>0.2mW,偏振抑制比大于25dB,并应用于芯片原子钟系统,考察研究激光器特性和原子钟特性。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Coherent population trapping magnetometer by differential detecting magneto–optic rotation effect
通过差分检测磁光旋转效应的相干群体捕获磁力计
DOI:10.1088/1674-1056/25/9/094206
发表时间:2016
期刊:Chin. Phys. B
影响因子:--
作者:Fan Zhang;Yuan Tian
通讯作者:Yuan Tian
Stable VCSEL mode discrimination realized by a ring-shaped dielectric relief
通过环形介质浮雕实现稳定的 VCSEL 模式辨别
DOI:10.1016/j.ijleo.2019.02.098
发表时间:2019-04
期刊:Optik
影响因子:3.1
作者:Liu Yingying;Huang Youwen;Zhang Xing;Zhang Jianwei;Ning Yongqiang;Wang Lijun
通讯作者:Wang Lijun
InGaAs/GaAsP strain quantum well spatial light modulator with low voltage and high contrast ratio
低电压高对比度InGaAs/GaAsP应变量子阱空间光调制器
DOI:10.1016/j.ijleo.2018.12.123
发表时间:2019-04
期刊:Optik
影响因子:3.1
作者:Li Yaobiao;Huang Youwen;Ning Yongqiang;Wang Lijun
通讯作者:Wang Lijun
DOI:--
发表时间:2015
期刊:发光学报
影响因子:--
作者:李秀山;陈泳屹;宁永强;王立军
通讯作者:王立军
DOI:--
发表时间:2017
期刊:激光与光电子学进展
影响因子:--
作者:王直圆;陈超;单肖楠;秦莉;张星;陈泳屹;梁磊;贾鹏;宁永强
通讯作者:宁永强
人眼安全波段垂直腔激光收发一体化列阵芯片
- 批准号:62334009
- 项目类别:重点项目
- 资助金额:241.00万元
- 批准年份:2023
- 负责人:宁永强
- 依托单位:
3-5微米中红外波段大功率全光纤化激光器基础研究
- 批准号:--
- 项目类别:--
- 资助金额:1800万元
- 批准年份:2020
- 负责人:宁永强
- 依托单位:
高性能半导体激光泵源研究
- 批准号:--
- 项目类别:--
- 资助金额:600万元
- 批准年份:2020
- 负责人:宁永强
- 依托单位:
基于隧道结级联多发光区机制的近可见光波段超宽带超辐射发光二极管器件研究
- 批准号:61376070
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:88.0万元
- 批准年份:2013
- 负责人:宁永强
- 依托单位:
980nm高效率垂直腔面发射激光材料结构设计生长与器件研制
- 批准号:51172225
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:60.0万元
- 批准年份:2011
- 负责人:宁永强
- 依托单位:
大功率垂直腔面发射激光器的偏振控制
- 批准号:60876036
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:35.0万元
- 批准年份:2008
- 负责人:宁永强
- 依托单位:
微透镜集成基横模大功率垂直腔面发射激光器
- 批准号:60676034
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:23.0万元
- 批准年份:2006
- 负责人:宁永强
- 依托单位:
InGaAsP量子阱电泵浦光子晶体WGM微腔激光器与输出光波导的集成
- 批准号:60476029
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:29.0万元
- 批准年份:2004
- 负责人:宁永强
- 依托单位:
国内基金
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