高功率垂直腔面发射半导体激光器优化设计研究

与传统的端发射半导体激光器相比，垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）具有可单模输出，光束对称性好，可被高度聚焦，进入光纤的耦合效率极高和有利于大规模二维列阵等优 点.为了得到高功率的激光输出，除了要增大VCSEL的发射面积之外，关键的是要选择适 当的量子阱层数、有源区电流密度的均匀分布和良好的热管理等.本文详细研究和分析了高功率VCSEL有源区量子阱层数，有源区直径，材料的热导和电阻，电极间距等对VCSEL 器件性能的影响.通过优化参数，进行最佳设计，研制出了980 nm In0.2Ga0.8As/Ga 关键词： 垂直腔面发射激光器（VCSEL） 量子阱 高功率     

高功率垂直外腔面发射半导体激光器增益设计及制备

垂直外腔面发射半导体激光器(vertical external cavity surface emitting laser, VECSEL)兼具高功率与良好的光束质量,是半导体激光器领域的持续研究热点之一.本文开展了光抽运VECSEL最核心的多量子阱增益区设计,对量子阱增益光谱及其峰值增益与载流子浓度及温度等关系进行系统的理论优化,并对5种不同势垒构型的量子阱增益特性进行对比,证实采用双侧GaAsP应变补偿的发光区具有更理想的增益特性.对MOCVD生长的VECSEL进行器件制备,实现了VECSEL在抽运功率为35 W时输出功率达到9.82 W,并且功率曲线仍然没有饱和;通过变化外腔镜的反射率, VECSEL的激光波长随抽运功率的漂移系数由0.216 nm/W降低至0.16 nm/W,证实外腔镜反射率会影响VECSEL增益芯片内部热效应,从而影响VECSEL激光输出功率.所制备VECSEL在两正交方向上的发散角分别为9.2°和9.0°,激光光斑呈现良好的圆形对称性.     

941nm2%占空比大功率半导体激光器线阵列

计算了半导体激光器的激射波长与量子阱宽度以及有源层中In组分的关系,确定了941nm波长的量子阱宽度和In组分.并利用金属有机化合物气相淀积(MOCVD)技术生长了InGaAs/GaAs/AlGaAs分别限制应变单量子阱激光器材料.利用该材料制成半导体激光器线阵列的峰值波长为940.5 nm,光谱的FWHM为2.6 nm,在400 μs,50 Hz的输入电流下,输出峰值功率达到114.7 W(165 A),斜率效率高达0.81 W/A,阈值电流密度为103.7 A/cm2;串联电阻5 mΩ,最高转换效率可达36.9%.     

亚毫安阈值的1.3μm垂直腔面发射激光器

设计并研制了室温连续工作的单模13 μm垂直腔面发射激光器（VCSEL）,阈值电流为051 mA,最高连续工作温度达到82℃,斜率效率为029 W/A.采用InAsP/InGaAsP应变补偿多量子阱作为有源增益区,由晶片直接键合技术融合InP基谐振腔和GaAs基GaAs/Al（Ga）As分布布拉格下反射腔镜,并由电子束蒸发法沉积SiO₂/TiO₂介质薄膜上反射腔镜形成13 μm VCSEL结构.讨论并分析了谐振腔模式与量子阱增益峰相对位置对器件性能的影响. 关键词： 垂直腔面发射激光器 晶片直接键合 应变补偿多量子阱     

新型光泵浦垂直外腔面发射半导体激光器

用量子阱技术生长的半导体材料作激光增益介质,AlGaAs/GaAs对做布喇格反射镜,并以简单的平凹腔做谐振腔,半导体激光器作泵浦源,制作出了光泵垂直外腔面发射半导体激光器.在抽运功率1.5 W时,得到了中心波长1005 nm、最大输出功率40 mW的激光,光－光转换效率2.7%.     

温度对InP激光器波长蓝移影响的分析

对AlGaInAs多量子阱FP TO-56半导体激光器在不同环境温度、相同发热量下测量出光波长的变化来分析器件波长温度变化系数;并对器件在室温、不同发热功率下的出光波长变化进行测量,分析计算得到器件热阻为183K/W.接着对器件进行不同高温应力试验,结果显示:环境温度从120℃增加至220℃时,器件峰值波长发生缓慢蓝移;当环境温度达到225℃时,器件波长发生明显蓝移,从试验前1 297nm蓝移至1 265nm;温度继续增加至235℃,波长蓝移至1 258nm,同时光谱模式间隔从试验前0.92nm降低至0.84nm,即模式有效折射率从3.66增加至3.77;温度继续增加至240℃,器件失效无光.其主要原因可能为:高温应力下,激光器外延材料中波导层、量子阱量子垒中的Al、Ga、In金属元素往有源区方向迁移使得量子阱有效禁带宽度以及有源区波导折射率增大.该试验结果为进一步分析器件高温下器件的失效机理以及改善器件高温性能提供试验基础.     

增益腔模大失配型垂直外腔面发射激光器侧向激射抑制

垂直外腔面发射激光器(Vertical external cavity surface emitting laser,VECSEL)的侧向激射是制约其高性能工作的关键。我们设计了室温下量子阱增益峰与表面腔模大失配(30 nm)的增益芯片结构,并证实该结构可以有效抑制泵浦功率增加时VECSEL的侧向激射增强问题。增益芯片基底温度为20℃时,VECSEL正向激射波长位于980 nm,侧向激射波长位于950 nm,当泵浦功率逐步增加时,侧向激射强度随着正向激射的出现而迅速降低。这是因为激光正向激射时量子阱的受激辐射能级与正向激射激光模式匹配,正向激射的激光模式可以获取更高的模式增益,在与侧向模式的竞争中处于优势地位。当基底温度控制在0℃与10℃时,量子阱本征增益峰值与表面腔模失配度增大,此时VECSEL仍然表现出稳定的侧向激射抑制效果。     

980nm OPS-VECSEL关键参数的理论分析

光抽运半导体垂直外腔面发射激光器(Optically Pumped Semiconductor Vertical External Cavity SurfaceEmission Laser)的输出特性受到诸多参数的影响,理论分析和模拟显得尤为重要.设计了一种以808 nm二极管激光耦合模块为光抽运光源,In_0.159Ga_0.841As/GaAs_0.94P_0.06为增益介质的980 nm光抽运垂直外腔面发射激光器,并借助于PICS3D软件计算了器件各种特性参数.分析了芯片半径、量子阱的周期数以及外腔镜反射率对器件性能的影响,特别是对阈值和光-光转换效率的影响.模拟结果表明,器件的半径影响光-光转换效率.量子阱个数和外腔镜反射率对器件的输出功率和光-光转换效率都有影响,所以要根据实际需要,设计、生长结构和进行实验.     

基于双增益芯片合束的超宽带可调谐中红外激光器

设计了一种基于双增益芯片合束的超宽带可调谐中红外激光器,该激光器以Littrow结构为基础,采用中心波长分别为4.0μm和4.6μm的两个量子级联增益芯片提供光增益,通过4.2μm低通高反分束片合束后,将增益光入射到300 lines/mm的闪耀光栅形成光反馈,两个量子级联增益芯片通过交替互补的工作方式实现了3～5μm的超宽谱调谐。在25℃温控和303 mA注入电流下,该激光器在34.54°～46.50°的闪耀光栅旋转角度下工作,波长调谐范围为3779～4836 nm（包括179 nm波长调谐空白区间）,最大输出光功率为14.12 mW,边模抑制比为20 dB。该激光器具有结构紧凑、调谐范围超宽的优点,可为研制便携式模块化的中红外激光器提供参考。     

1 060 nm高功率垂直腔面发射激光器的有源区设计

对1 060 nm高功率垂直腔面发射激光器的有源区进行了理论计算和设计。对比了GaAsP、GaAs和AlGaAs三种不同材料的垒层所组成的高应变InGaAs量子阱的性能。为了确定有源区阱层和垒层的参数,考虑了自热效应对功率的影响,使得模型更加精确可靠。发现所设计的In_0.28Ga_0.72As量子阱的阱宽和阱数的最佳值分别为9 nm和3个,输出功率可以达到瓦级。另外,对比了三种不同垒层的温度特性,结果显示,使用GaAsP垒层的器件在高温下具有更高的功率和更好的温度稳定性。最后,利用MOCVD生长了InGaAs/GaAsP量子阱并测试了其PL谱,实验数据与理论结果符合得很好。     

920nm光抽运垂直外腔面发射半导体激光器结构设计(英文)

设计并优化了一种用808nm的大功率激光二极管为抽运光源,In0.09Ga0.91As量子阱结构为增益介质的920nm光抽运半导体垂直外腔面发射激光器。运用有限元方法,对激光器的电特性方程和光特性方程求自洽解,计算了器件各种特性参量。分析了单个周期内不同阱的个数(1,2和3)、不同阱深、不同垒宽、不同非吸收层组分、不同非吸收层尺寸条件下,器件性能的改变,特别是模式、阈值和光-光转换效率的改变,从而选择一个最佳的结构。     

单片双波长输出垂直外腔面发射激光器EI北大核心CSCD

报道了利用垂直外腔面发射激光器(Vertical external cavity surface emitting laser,VECSEL)的增益谱与腔模的大失配设计实现VECSEL双波长同时激射的方法,设计了稳定的振荡腔结构,理论预测了这种VECSEL的三种工作状态并进行了实验验证。随着VECSEL泵浦功率增加,增益芯片内部工作温度逐步升高,VECSEL依次出现带边波长激射、双波长激射及腔模波长激射三种工作状态。最初VECSEL的激射波长位于带边模式决定的激光波长(952.7 nm),随着泵浦功率增加,增益芯片热效应增强,腔模波长与带边波长出现模式竞争,此后出现双波长激射现象。双波长峰值强度接近时VECSEL激光输出功率达到359 mW,激光波长分别位于954.2 nm和1001.2 nm,在该位置附近VECSEL的输出功率曲线呈现明显的二次阈值现象。当泵浦功率持续增加,激光输出波长变为腔模波长激射,激光波长位于1002.4 nm。在单波长及双波长工作状态下VECSEL的光斑形貌均为高斯形貌的圆形对称激光光束,激光光束发散角半角由5.7°增加到7.9°。这种单芯片双波长输出VECSEL方案未来在抗干扰激光雷达以及频率转换太赫兹激光等方面有着很好的应用潜力。     

1550 nm毫瓦级单横模垂直腔面发射半导体激光器

报道了国内首次实现出光功率达到毫瓦量级的单横模1550 nm波段垂直腔面发射半导体激光器(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL).设计了基于InAlGaAs四元量子阱的应变发光区结构;设计并制备了具有隧穿特性的台面结构,实现了对载流子空穴的高效注入及横向模式调控;采用半导体分布式布拉格反射镜与介质反射镜结合的方式制备了1550 nm VCSEL的反射镜结构. VCSEL中心波长位于1547.6 nm,工作温度为15℃时最高出光功率可达到2.6 mW,最高单模出光功率达到0.97 mW,最大边模抑制比达到35 dB.随着工作温度增加,激光器最高出光功率由于发光区增益衰减而降低,然而35℃下最大出光功率仍然可以达到1.3 mW.激光器中心波长随工作电流漂移系数为0.13 nm/mA,并且激光波长在单模工作区呈现出非常一致的漂移速度,在气体探测领域具有很好的应用潜力.本研究为下一步通过高密度集成获得高功率1550 nm VCSEL列阵奠定了基础.     

基于数字微镜器件的多通道C波段可调谐光纤激光器

可调谐光纤激光器可广泛应用于光纤通信、光纤传感、激光光谱、精密测量和激光加工等诸多领域。针对目前可调谐激光器在调谐性、灵活性、稳定性和多波长功率均衡性等方面的不足,提出一类新型的基于数字微镜器件(DMD)的多波长宽带可调谐光纤激光器。该激光器利用关键器件DMD作为波长调谐器,掺铒光纤作为激光增益介质,通过巧妙的光学设计,实现仅利用一块DMD芯片独立、灵活、稳定调谐多波长激光输出的目的。该激光器具有3个输出通道,各通道之间独立开关控制,每个通道均可实现波长在1530~1560nm之间的连续可调谐输出,波长调谐精度0.055nm/pixel,边模抑制比大于55dB,激光输出功率最大值为10mW,2h内的中心波长漂移小于0.02nm。     

高峰值功率Nd:YLF/BaWO4正交偏振双波长拉曼激光器

正交偏振双波长激光在精密测量、太赫兹产生、差分雷达、光谱分析等领域有着重要的应用前景.Nd:YLF晶体具有两个发射截面相近的正交偏振发射峰,加上优异的储能性能和热性能,是适合产生正交偏振双波长激光的优良增益介质.本文采用低掺杂浓度的Nd:YLF晶体作为激光增益介质产生1047 nm和1053 nm的正交偏振双波长基频光,通过适当增大抽运光斑降低Nd:YLF晶体热裂的风险,利用BaWO₄晶体的腔内拉曼频移,实现了高峰值功率的1159.9 nm和1167.1 nm正交偏振双波长脉冲拉曼激光输出.在40 W的总入射抽运功率和5 kHz的脉冲重复频率下,获得平均输出功率为2.67 W的双波长拉曼激光输出,相应的光光转换效率为6.7%.1159.9 nm和1167.1 nm拉曼激光输出功率分别为1.31 W和1.36 W,最窄脉冲宽度分别为1.50 ns和1.53 ns,对应的峰值功率分别高达174.7 kW和177.8 kW.结果表明,降低掺杂浓度和增大抽运光斑可有效解决Nd:YLF晶体在高抽运功率下发生热裂的问题,Nd:YLF/BaWO4是实现正交偏振双波长拉曼激光输出...     

新型多有源区隧道再生光耦合大功率半导体激光器

针对大功率半导体激光器面临的主要困难,提出并实现了一种隧道再生多有源区耦合大光腔 高效大功率半导体激光器机理.该机理能有效地解决光功率密度过高引起的端面灾变性毁坏 、热烧毁和光束质量差等大功率激光器存在的主要问题.采用低压金属有机化合物气相淀积 方法生长了以碳和硅作为掺杂剂的GaAs隧道结、GaAs/InGaAs 应变量子阱有源区和新型多有 源区半导体激光器外延结构,并制备了高性能大功率980nm激光器件.三有源区激光器外微分 量子效率达2.2,2A驱动电流下单面未镀膜激光输出功率高达2.5W. 关键词： 半导体激光器 大功率 金属有机化合物气相沉积     

2μm波段双波长间隔可调谐光纤激光器

提出并实验研究了一种2μm波段全光纤间隔可调双波长光纤激光器.该激光器采用传统的环形腔设计,以最大输出功率33dBm的1 565nm光纤激光器为泵浦源,4m单模掺铥光纤为增益介质,腔内为嵌入多模干涉滤波器的Sagnac环的复合滤波结构.该复合滤波器可实现间隔可调谐,高边模抑制比的双波长激光信号输出.通过泵浦功率的控制和对复合滤波器中偏振控制器的调节,实现双波长3nm到80nm间隔可调的激光输出,边模抑制比为60dB,线宽为0.2nm,功率稳定度为±1.5dB/h,双峰能量差小于4dB.     

载流子输运和寄生参数对隧道再生双有源区垂直腔面发射激光器调制特性的影响

建立了一种适用于多量子阱和多有源区的多层速率方程模型. 通过小信号分析,得到了光子密度、载流子俘获、逃逸和隧穿时间等关键参数对单有源区和隧道再生双有源区垂直腔面发射激光器频率响应特性的影响,并分析了在相同驱动电流下隧道再生双有源区器件调制带宽大于单有源区器件的原因. 进一步研究了隧道再生双有源区内腔接触氧化限制型垂直腔面发射激光器的寄生电参数及其寄生电路,对其频率响应进行了模拟分析. 关键词： 垂直腔面发射激光器 速率方程 调制特性 隧道再生     

高功率1550 nm氧化限制型VCSEL设计与仿真

1 550 nm垂直腔面发射激光器具有良好的人眼安全性和透射性,但实现其高效率和高功率输出一直是难以解决的问题。以1 550 nm氧化限制型垂直腔面发射激光器为研究目标,对不同结构、不同氧化孔径与输出特性关系进行仿真分析。随着氧化孔径增加,垂直腔面发射激光器芯片的激射波长发生红移现象,但氧化孔径从14μm继续增大时,激射波长几乎不红移。对两种不同氧化限制结构的芯片进行仿真,输出功率和转换效率对比结果表明单氧化层结构性能更好。在设计多结垂直腔面发射激光器时考虑有源区之间是否增加氧化层,最终发现两种氧化限制结构均在9μm孔径时具有较高的输出功率,单层结构100 mA时的输出功率约为177.55 mW,同时斜率效率也高达1.79 W/A,最大功率转换效率为10μm孔径时的37.7%,多层结构斜率效率更高达2.36 W/A。氧化限制型结构在多结垂直腔面发射激光器基础上进一步提升功率、效率等参数,可为高功率1 550 nm垂直腔面发射激光器的输出特性优化提供参考。     

兼顾量子阱材料增益与折射率变化的研究

对比分析了量子阱材料增益谱及其折射率变化谱随阱宽、应变和载流子浓度的变化特性,在此基础上以两谱线3dB谱宽交叠区面积为度量,分析了各因素对兼顾材料增益与折射率变化的影响,并剖析了其中的物理机理。研究表明,两谱线3dB谱宽交叠区面积随阱宽的变化过程中存在一个极大值;引入压应变有利于增大交叠区面积;交叠区面积随载流子浓度单调增加的过程中存在一个转折点,在转折点之前增加迅速,在转折点之后增加放缓。基于以上影响规律,选取适当的阱宽与压应变量,在载流子浓度为3.0×10^(24) m^(-3)时,设计出的In0.583Ga0.417As/In0.817Ga0.183As0.4P0.6量子阱在C波段内可恰当地兼顾增益与折射率变化,两谱线3dB谱宽交叠区面积为3.7×10~4 nm/cm。