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利用量子级联激光器实现气体传感技术

2007-11-14 16:04
PokerJoker
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作者:Erwan Normand,Iain Howieson

人们对量子级联激光器展开的广泛研究以及在加工制造方面所取得的进步,使量子级联激光器的输出功率水平和光谱特征已经能够满足商用气体传感应用的要求。

自从1994年Faist等人第一次演示了量子级联(QC)激光器以来,人们对该领域的广泛研究推动了量子级联激光器性能的不断提高。目前,量子级联激光器已经能够满足很多实际应用的需求。对于气体传感应用而言,目前的研究主要集中在改善激光器的工作温度参数、光谱特征以及提高输出光功率等方面。

量子级联激光器要实现批量生产,技术上面临的主要挑战包括可重复性、时间、质量以及成本。目前,传感器以及量子级联激光器制造商们正在将开发重心放在严格的规格标准、烧机测试、测量平均无故障时间(MTTF)、拟定供货协议中必要的“保修”以及“产品责任”条款等。
 

 
图1. 左图是基于量子级联激光器的商品化气体传感器平台。该平台可以在四种激光波长之间切换,并且同时可以测量八个数据点。在典型的排放监视应用中(右图),光纤耦合以及现场探测等设计特点大大提升了测量的完整性。

尽管量子级联激光器从发明到现在已经有13年的时间,但是真正将其付诸到实际应用的历程,同过去的许多新兴半导体技术几乎没什么两样:通常从研究概念的提出到付诸实际应用大约需要10~15年的时间。尽管量子级联激光器在许多应用中都具备广泛的前景,但是人们必须要克服量子级联激光器实现可靠量产所面临的难题,因为要将量子级联激光器集成到商用气体传感仪器中,量产是不可或缺的条件。

当前市场状况
或许评价量子级联激光器批量生产现有水平的最佳方式是从供应链的顶端出发,并且从最终用户的观点出发去理解市场需求。例如:在连续排放监测(CEM)市场(包括发动机排放以及发电厂烟气监测),竞争非常激烈,该领域已有许多不同的气体传感技术,例如化学荧光、非扩散红外以及傅立叶变换光谱等(各种技术处在不同的技术成熟期),并且每种技术都在努力扩大市场份额。在这些技术中,基于量子级联激光器的气体传感器如同一个新生儿,尽管它在理论上能够实现大幅的性能改善,但是要在这一保守的市场中争得一席之地,量子级联激光器还需要相当数量的令人信服的演示来证明自己。
 

 


图2. 在室温下,量子级联分布反馈激光器发射的峰值功率达到130mW,边模抑制比优于30dB(上图),并且具有较好的光流压(L-I-V)曲线(下图)。

当市场上存在其他成熟系统的情况下,客户通常不愿意购买未被证明的新型传感器。如果供应商清楚这一点,那么演示量子级联激光器的一些独特优势就显得非常必要了。这些优势包括严格的规范、烧机性能、MTTF、可追溯性以及保修期等,这些优势的演示将会对客户产生比较直观、显著的影响。
立足竞争激烈的CEM市场的另一个重要因素是成本优势。在该市场中,尽管新兴技术能够提供更好的性能,但是如果基于新技术的产品售价高于市场水平的话,依然很难推广,因为这种未被证明的新技术存在风险。因此,基于量子级联激光器的气体传感系统的售价可能会低于市场水平,这将会对元件供应商造成不良影响。

批量生产
在经历了几年的研究之后,量子级联激光器目前正准备进入量产阶段,并且基础生产设施也得以更新,以满足III-V族半导体器件的严格要求。在量子级联激光器制造商中,来自法国Alcatel-Thales公司的3-5实验室和来自瑞士Alpes Lasers公司所制作的设备目前已经达到了超过2000小时的烧机时间,并且正准备进行批量生产。

Alcatel-Thales公司的3-5实验室最近购买了一台Riber 49多晶片分子束外延(MBE)制造机。该设备专门用于开发和制造量子阱红外光电探测器(QWIP)以及量子级联激光器。该实验室研究人员Xavier Marcadet表示:“它使我们掌握了用于制造大型红外焦平面阵列探测器以及红外半导体激光源的整条生产线。”实际上,新的MBE设备与其他先进的III-V族加工设备一起,使该实验室能以更小的技术风险和更低的开发成本实现大批量生产能力。

Marcadet补充道:“量子级联激光器对半导体层的厚度以及成分容许度要求很高。新的MBE设备使我们能够将它们的误差控制在1%以下,并且抛光台达到绝佳的均匀性要求,加工的可重复性也极为出色。此外,由于缺陷密度极低,因此能够满足大批量生产分布反馈(DFB)量子级联激光器的制造要求。通过3-5实验室最近开展的工作以及开发经验的总结,使我们能够制造室温分布反馈量子级联激光器,其边模抑制比超过30dB,并能在客户要求的温度下工作。”这些量子级联激光器均具有优良的光流压((L-I-V)特性曲线(见图2)。

在将量子级联激光器引入市场的过程中,Alpes Lasers公司在其小规模生产的初期就引入了严格的质量控制。该公司的Antoine Muller表示:“同许多尖端的高技术公司一样,在量子级联激光器走出实验室、转变为成熟的广为接受的工业产品的过程中,Alpes Lasers公司正在经历着高速发展。实践证明,正在使用的可追溯系统足以灵活地适应大规模生产。”

NASA计划2009年在飞往火星的探测器上装备Alpes公司的产品,这对该公司的质量流程产生了积极的影响。Muller说:“我们的激光器被选作空载光谱设备的关键部件后,NASA的质量担保专家们对我们的厂房进行了审查。经过审查后,NASA将Alpes公司加入到了其许可供应商名单。”

气体传感应用
除了量子级联激光器制造商正在积极应对快速增长的市场需求外,另一方面,使用量子级联激光器的一些系统集成商们也正在着手准备新产品,以便更好地满足实际应用的需求。

Cascade Technologies公司正在与一些量子级联激光器制造商密切协作,制定精确的装置规范。此外,该公司还对每种分布反馈装置都进行一系列特定的工厂验收试验,以确保它们能满足指定的安装公差,还有诸如边模抑制比、输出光功率、标称温度下的发射波长、输出光束质量、振动与加速要求,以及烧机测试等性能指标的测试。利用现有的工业基础设施,Cascade公司的系统中所采用的量子级联激光器已经制成光纤尾接蝶形模块,从而能够与电信业所用的大多数装配工具以及可靠性测试台相兼容。

诸多厂商的努力结果最终体现在了商品化的气体传感器平台开发上,该平台可用于包括排放监视以及过程控制在内的多种应用(见图1)。该传感器利用了量子级联激光器的高光谱质量以及选择性等优点,来记录待测气体的红外吸收谱。人们对这些性质已经进行了充分开发,使得基于量子级联激光器的传感器能够克服许多与传统技术相关的难题,例如交叉干涉、测量漂移、灵敏度以及响应时间等。该传感器能够在3.5~20祄的范围内实现四种激光波长的切换,并且具有八个独立的测量点,这使其在价格方面颇具竞争力。

在排放监视应用中,光纤耦合实地气体样品探测器消除了人们对气体样品处理的所有疑虑,从而确保了测量的完整性。典型的气体测量能力包括对一氧化二氮、硫氧化物、二氧化碳、一氧化碳、氨以及碳氢化合物的测量。此外,诸如工作温度的拓展(-20~+55oC)、小巧的尺寸以及较少的元件数量等优势,使得该传感器能满足更多工业应用的需求。

Cascade公司将对这一基于量子级联激光器的传感器进行超过2000小时的可靠性评估,评估后将向用户提供具体的MTTF参数。此外,根据具体应用的不同,Cascade公司对气体传感系统的保修期一般在12~36个月。

批量生产显现出了很多优势。除了气体传感性能参数的显著改善以外,批量生产还大大降低了生产成本,这使得整个传感系统的价格也进一步降低,以满足市场需求。通过不断地克服量子级联激光器批量生产所面临的挑战、执行更为严格的测试步骤、采用严格的质量控制系统以及降低装置成本,量子级联激光器开发商和制造商正开始在市场中提升竞争实力。

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