高亮度锥形半导体激光器

介绍了由双量子阱非对称波导结构外延片刻蚀成的带有脊形波导结构的锥形半导体激光器。该激光器有效抑制了p型区域对激光的影响,减小了半导体激光快轴方向的发散角,同时采用脊形结构和锥形结构的组合获得了高亮度激光。实验中,在电流7 A时获得了中心波长963 nm、连续功率4.026 W的激光输出。测得慢轴方向和快轴方向激光光束参数乘积分别为1.593 mm·mrad和0.668 mm·mrad。     

基于横向热流抑制的半导体激光芯片封装实验研究

为降低半导体激光芯片的慢轴远场发散角,提高其慢轴方向的光束质量,设计了横向热流抑制的封装结构。利用热沉间的物理隔离,削弱了半导体激光芯片慢轴方向上的温度梯度,有效降低了半导体激光芯片慢轴方向的发散角。采用热分析模拟了不同封装结构下芯片发光区的温度分布,并对波长915 nm的窄条宽半导体激光芯片进行封装。实验结果表明,在工作电流15 A,封装在隔离槽长4 mm,脊宽120 μm刻槽热沉上的芯片,其慢轴远场发散角由12.25°降低至10.49°,相应的光参量积（BPP）由5.344 mm·mrad 降低至4.5763 mm·mrad,慢轴方向亮度提升了约5.5%。实验结果表明,横向热流抑制的封装结构可以有效地削弱半导体激光芯片慢轴方向上由热透镜效应引起的高阶模激射,从而降低其慢轴远场发散角。     

基于Mini-bar叠阵的百瓦级光栅-外腔光谱合束半导体激光光源

半导体激光器光栅-外腔光谱合束是一种实现高亮度半导体激光(DL)输出的有效方法。本文采用mini-bar叠阵作为合束光源,有效减小了"smile"效应对合束效率的影响,匀化了合束后的快慢轴光束质量,便于进一步的光纤耦合输出。采用柱面镜作为外腔镜,有效抑制了合束中的互锁定现象,从而取代了传统的空间滤波,减小了系统规模。在工作电流为75A时得到了159W的高亮度DL输出,合束光谱宽度为11.97 nm,电光效率为47.35%。当工作电流为60A时,合束光的快慢轴光束质量分别为3.145 mm·mrad与3.554 mm·mrad。     

体布拉格光栅外腔半导体激光器的光栅旋转角度容差

采用步进电机控制光栅角度,对200 m和600 m圆柱透镜准直的体布拉格光栅（VBG）外腔单管C封装半导体激光器进行了系统研究。实验结果表明:激光二极管（LD）驱动电流越大,准直效果越好,VBG的角度调整容差越小;快轴方向的准直效果越好,慢轴方向的光栅调节角度容差越大;对于衍射效率28%、厚1.4 mm的光栅,LD快轴发散角为7.3 mrad时,快轴方向的角度容差不大于3.2 mrad,慢轴方向的角度容差较快轴大约一个数量级。     

基于平行玻璃板的半导体激光器阵列光束整形

 为得到质量均衡的大功率激光束,分别以条形和面阵半导体激光器为模型,基于平行玻璃板对光束的偏移作用,对准直后激光束进行分割和重排,并在Zemax软件中进行了仿真。条形半导体激光器初始发散角为40°和10°,整形前已准直光束快慢轴方向的光参数积分别为0.455 2 mm·mrad和20.484 mm·mrad,光束质量相差较大,整形后快慢轴方向光参数积分别为2.731 2 mm·mrad和3.414 0 mm·mrad,实现了快慢轴方向光束质量均衡。利用平行玻璃板消除面阵半导体激光器中存在的“发光死区”,整形后快慢轴方向光参数积分别为7.002 mm·mrad和10.242 mm·mrad ,整形系统耦合效率为90.13%。     

异轴双半圆柱透镜准直半导体激光光束

运用光线追迹的方法,讨论了异轴双半圆柱透镜准直半导体激光光束的效率.数值模拟结果表明,异轴双半圆柱透镜可用于准直半导体激光光束,在最佳准直时,透镜材料的折射率允许高于2;当折射率在一定的范围内变化时,其准直效率随折射率的增大而提高.理论上可以将半导体激光器输出光束快轴方向的发散角压缩到0.1 mrad量级以下.     

数值模拟980 nm锥形半导体激光器输出特性

具有高功率及高亮度激光特性的锥形半导体激光器在激光加工、自由空间通信、医疗等领域具有广泛的应用前景。本文基于广角差分光束传播法(WA-FD-BPM),对980 nm锥形半导体激光器进行了仿真模拟,详细分析了不同结构参数(脊形区刻蚀深度、锥形角度、不同脊形区/锥形区长度比、锥形区刻蚀深度、前腔面反射率)对器件光束质量和P-I-V特性的影响。分析认为,锥形区波导的几何损耗是导致器件斜率效率降低的主要因素,光泵浦效应是影响锥形激光器光束质量变差的重要因素,可通过降低器件的前腔面反射率来改善光束质量。研究结果可为锥形激光器的性能优化提供参考。     

一种结合增益耦合分布反馈光栅的多模干涉波导半导体激光器的研制

半导体激光器是现代通讯领域的核心器件.研究和开发具有高稳定性、高功率、高光束质量、窄线宽的单模半导体激光器是目前半导体激光器研究领域的一个重要的研究方向.本文在窄脊型边发射半导体激光器的结构基础上,提出并研制了一种在980 nm波段附近的利用有源多模干涉波导结构作为激光器的主要增益区,利用增益耦合式分布反馈光栅对激光器的纵向模式进行调制的新型边发射半导体激光器芯片结构.通过对比实验可以看出,这种激光器相较于一般的分布反馈式半导体激光器,其具有更高的斜率效率和输出功率;而相较于一般的多模干涉波导激光器,这种激光器具有更高的光束质量和更好的稳定性.同时,由于在芯片设计和制造过程中采用了表面刻蚀形成的高阶分布反馈光栅,这种激光芯片的制造无需二次外延,只需要微米量级精度的i线光刻即可实现,是一种制备工艺较为简单、制造成本较低、利于商用量产的芯片结构.     

全固态激光中的光谱合成技术

对多种全固态激光中的光谱合成技术进行了探讨和研究，包括光纤激光、Yb:YAG板条激光和半导体激光。对于光纤激光，探讨了基于单个多层介质膜（MLD）光栅、一对MLD光栅、多个体布拉格光栅三种衍射光学元件的光谱合成技术中色散造成的光束质量退化问题，指出子束光谱线型的二阶矩全宽决定了光束质量的退化量，但所允许的光谱宽度又依赖于具体的技术选择途径。进而比较了三种光谱合成方案的优缺点。对于固体激光，实验演示了基于Yb:YAG晶体的板条激光实现光谱合成的原理可行性。通过设计一个基于MLD光栅的振荡器内的光谱合成装置，实现了7束子激光最高241 W的光谱合成输出，合成后光束质量β因子约4.1，表明大功率Yb:YAG板条激光具有通过光谱合束技术实现功率进一步提升的潜力。对于半导体激光，提出并设计了大模场外腔半导体激光+快轴光谱合成的技术。实验演示了9个1 mm宽LD芯片沿快轴方向的光谱合成，用β因子评价合成后的光束质量，在慢轴方向β≈6.3，在快轴方向β≈1.6，表明快轴光谱合成造成的光束质量退化是完全可控的。     

闪耀光栅阵列用于半导体激光器列阵光束整形

介绍了半导体激光器列阵的光束整形理论,设计并制作了由两个闪耀光栅阵列构成的整形光学系统,理论计算表明该系统能将激光器快、慢轴方向的光参数积变为5.7 mm·mrad和8.9 mm·mrad.在整形实验中测得变换后快、慢轴方向的光参数积分别为12 mm·mrad和9.5 mm·mrad,经透镜聚焦后能够实现与芯径200 μm,数值孔径0.22的光纤耦合.     

The single-longitudinal-mode operation of a ridge waveguide laser based on two-dimensional photonic crystals

An electrically driven, single-longitudinal-mode GaAs based photonic crystal (PC) ridge waveguide (RWG) laser emitting at around 850 nm is demonstrated. The single-longitudinal-mode lasing characteristic is achieved by introducing the PC to the RWG laser. The triangle PC is etched on both sides of the ridge by photolithography and inductive coupled plasma (ICP) etching. The lasing spectra of the RWG lasers with and without the PC are studied, and the result shows that the PC purifies the longitudinal mode. The power per facet versus current and current-voltage characteristics have also been studied and compared.     

An integrated Mach–Zehnder interferometric biosensor with a silicon oxynitride waveguide by plasma-enhanced chemical vapor deposition

We report the design and fabrication of an integrated Mach–Zehnder interferometric (MZI) biochip based on silicon oxynitride layers deposited with a plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) process. A rib waveguide for an integrated MZI sensor has been designed to have a high surface sensitivity and a single-mode behavior by using an effective index method. The integrated MZI chip operating at 637 nm is fabricated via conventional photolithography and reactive ion etching. As a biosensor application, the real-time and label-free detection of the covalent immobilization and hybridization of DNA strands is performed and verified with this device.     

带有增益介质层的混合脊状等离子体波导的传输特性

在传统脊状等离子体波导的基础上设计了一种带有增益介质层的新型混合脊状等离子体波导,其结构中的介质层部分包含两个区域:前区为单一介质,后区的脊是由2种介质构成的双层脊区。采用二维时域有限差分方法分析了波导结构的传输特性,得到了TM模下的电场分布图,并对输出功率以及传输损耗与结构参数和介质折射率的变化规律进行了讨论。结果表明,在波导中引入的增益介质材料磷化铟后其损耗达到-6 dB/μm。此种波导结构对于光集成芯片的研究与制作具有重要意义。     

Facet-embedded thin-film III-V edge-emitting lasers integrated with SU-8 waveguides on silicon

A thin-film InGaAs/GaAs edge-emitting single-quantum-well laser has been integrated with a tapered multimode SU-8 waveguide onto an Si substrate. The SU-8 waveguide is passively aligned to the laser using mask-based photolithography, mimicking electrical interconnection in Si complementary metal-oxide semiconductor, and overlaps one facet of the thin-film laser for coupling power from the laser to the waveguide. Injected threshold current densities of 260A/cm(2) are measured with the reduced reflectivity of the embedded laser facet while improving single mode coupling efficiency, which is theoretically simulated to be 77%.     

Low-loss plasmonic hybrid optical ridge waveguide on silicon-on-insulator substrate

To achieve low loss and complete confinement of light, we propose and study a plasmonic hybrid optical waveguide fabricated on an silicon-on-insulator substrate. Using controlled oxidation and etching processes, a deep submicrometer Si core is fabricated based on UV photolithography patterning. The as-fabricated waveguide demonstrates a very low propagation loss of 1.6 dB/mm at 1550 nm. The numerical study discloses the hybrid characteristics of the mode. It is shown that the optical power of the waveguiding mode distributes more in the high-index Si-core region, and the metal cover further confines the light beyond the diffraction limit. The hybrid waveguide may be applied in compact, high-density Si photonic integrated circuits.     

制备工艺对掺杂NaYF4:Er3+,Yb3+发光纳米晶的聚合物光波导放大器性能的影响

制备了NaYF₄：Er³⁺，Yb³⁺纳米晶，表征了纳米晶的形貌，通过物理掺杂的方式将纳米粒子掺杂到SU-8中作为光波导放大器的芯层材料，优化了波导放大器的尺寸，利用旋涂、刻蚀等工艺，在二氧化硅衬底上制备了光波导放大器。实验中用光漂白法和湿法刻蚀两种方法制备光波导放大器，分别给出了两种方法制备的器件的结构、工艺流程、光场模拟结果，并对两种方法制备的器件的放大特性进行了测试。测试结果表明，当980 nm波长的泵浦光功率为241 mW且1 550 nm波长的信号光功率为0.1 mW时，使用湿法刻蚀法制备的放大器得到2.7 dB的相对增益。当980 nm波长的泵浦光功率为235 mW且1 550 nm波长的信号光功率为0.1 mW时，使用光漂白法制备的放大器得到4.5 dB的相对增益。根据以上测试结果，分析了两种工艺对器件性能的影响。     

Design of novel three port optical gates scheme for the integration of large optical cavity electroabsorption modulators and evanescently-coupled photodiodes

This paper presents a novel scheme to monolithically integrate an evanescently-coupled uni-travelling carrier photodiode with a planar short multimode waveguide structure and a large optical cavity electroabsorption modulator based on a multimode waveguide structure. By simulation, both electroabsorption modulator and photodiode show excellent optical performances. The device can be fabricated with conventional photolithography, reactive ion etching, and chemical wet etching.