布拉格反射波导半导体激光器的研究

高功率半导体激光器在固体或光纤激光器泵浦、材料加工、医疗、传感、空间通讯和国防上有着极其重要的应用,但传统半导体激光器面临垂直发散角大、椭圆光斑的难题,限制了其直接应用。为了降低激光器的垂直发散角,本项目采用布拉格反射波导结构,利用光子带隙导引替代传统的全反射进行光场限制,优化设计了多种布拉格反射波导激光器结构,并制备了高性能的激光器器件。首先,采用传输矩阵理论和布洛赫波近似的方法计算了布拉格反射波导的模式色散关系,发现通过控制腔模光场分布,可实现不同远场的激光输出。接着,针对布拉格波导光子带隙导引机制,深入研究了四分之一波长布拉格反射波导激光器、单边布拉格反射波导激光器的光场特性,弄清了影响此类激光器远场的本质因素,最终设计并验证了一种布拉格反射波导双光束激光器,激光器在垂直方向可输出两个对称的、近圆形光束,单光束垂直和侧向发散角半高全宽分别低至7.2°和5.4°。另外,通过调控光缺陷层,使激光器工作在受抑隧穿光子带隙导引机制下,实现了超窄的单光束激光输出,激光器单管连续输出功率超过4.6 W,垂直发散角最低降至4.9°(半高全宽)和9.8°(95%功率)。这种高功率、窄的圆形光束输出可以大幅降低半导体激光器的应用成本,提高泵浦或光纤耦合效率,具有广阔的应用前景。     

布拉格反射波导激光器的光谱特性（英文）

设计并制备了基于双边非1/4波长布拉格反射波导的边发射半导体激光器,中心腔采用低折射率材料,在垂直方向利用布拉格反射进行光限制,实现了超大光斑尺寸且稳定单横模工作。10μm条宽、未镀膜的脊型激光器在准连续和连续工作方式下的总的输出功率分别超过了170 mW和80 mW,且最高功率受热扰动限制。激光器远场图案在垂直方向为双瓣状,单瓣垂直方向和水平方向发散角分别低至7.85°和6.7°。激射谱半高全宽仅为0.052 nm,光谱包络存在周期性调制现象,模式间隔约为3.3 nm。电流增加到300 mA以上时,激光器出现模式跳变。     

2μm InGaAsSb/AlGaAsSb双波导半导体激光器的结构设计

为了提高2μm InGaAsSb/AlGaAsSb半导体激光器的最大输出功率,减小远场垂直发散角并实现单模稳定输出,在非对称波导结构的基础上设计了具有双波导结构的2μm InGaAsSb/AlGaAsSb半导体激光器.同时,利用相关的物理模型及SimLastip程序语言构建了InGaAsSb/AlGaAsSb Macro文件,利用SimLastip软件对具有不同结构的2μm InGaAsSb/AlGaAsSb半导体激光器进行了数值模拟分析.研究结果表明,双波导结构可以将半导体激光器的有源区限制因子由0.019 2减小至0.011 3,器件的最大输出功率提高了1.7倍,远场垂直发散角由57°减小到48°,器件性能得到了改善.     

980nm半导体激光器n型波导结构优化

为了提高980nm半导体激光器的输出功率并获得较小的远场发散角,在非对称波导结构的基础上设计了n型波导结构,即在n型波导中引入高折射率的内波导层。采用理论计算和SimLastip软件模拟对常规非对称波导结构和内波导结构进行了研究。利用分子束外延系统生长980nm内波导结构的外延材料,并制作了激光器。对于条宽为100μm、腔长为1000μm的器件,阈值电流为97mA,斜率效率为1.01W/A;当注入电流为500mA时,远场发散角为29°(垂直向)×8°(水平向),与模拟结果相符。理论计算和实验结果表明:较之于常规非对称波导结构,内波导结构可有效降低光场限制因子,提高输出功率,减小远场发散角。     

条形半导体激光器光束质量因子M2的理论计算

通过一个二维半矢量模型求得纯折射率导引脊形波导和掩埋波导这两种常见平面条形半导体激光器波导结构的模式光场分布，现通过描述光束传播的非傍轴矢量二阶矩，通过平面波谱的方法获得激光器出射光束在横向和侧向上的束腰、远场发散角和M^2因子。讨论了波导结构参量变化对M^2因子的影响，并对两种波导结构光束的性质与波导参量的关系进行了比较。     

高峰值功率808nm垂直腔面发射激光器列阵

为了实现808 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)的高功率输出,对808 nm VCSEL的分布式布拉格反射镜(DBR)结构材料进行了优化设计,分析了AlxGa1-xAs材料中Al组分对于折射率与吸收的影响,并最终确定了材料。采用非闭合环结构制备了2×2 VCSEL列阵。通过波形分析法对VCSEL列阵的功率进行了测量:在脉冲宽度为20 ns、重复频率为100 Hz、注入电流为110 A的条件下,最大峰值功率为30 W;在脉冲宽度为60 ns、重复频率为100 Hz、注入电流为30 A的条件下,最大功率为9 W。对列阵的近场和远场进行了测量,激光器垂直发散角和水平发散角半高全宽分别为16.9°和17.6°。     

高亮度布拉格反射波导激光器

设计并制备了808 nm波长布拉格反射波导激光器,在垂直方向采用光子带隙效应进行光场限制,实现了超大光模式体积和单横模激射。所制备的10μm条宽、未镀腔面膜的器件在室温、准连续条件下的总输出功率可超过650 mW,最高功率受热扰动限制。激光器垂直方向和水平方向的远场发散角半高全宽分别为8.3°和8.1°,这种近圆形的光束输出可以有效地提高激光器的耦合效率。     

976 nm宽条形高功率半导体激光器的光束质量M2评价

为了提高976 nm宽条形高功率半导体激光器的光束质量,基于严格的二阶矩理论搭建了一套适用于高功率半导体激光器的光束质量检测装置。利用该装置测量了实验室研制的976 nm宽条形高功率半导体激光器在1～10 A工作电流下的束腰位置、束腰尺寸和远场发散角。实验结果表明,随着电流从1 A增加到10A,快轴方向束宽及远场发散角由于反导引效应有微小增加,但由于垂直方向较强的折射率导引机制使得光束参数变化很小,光束质量因子M~2仅从1. 32增加到1. 48,光束质量基本不变。慢轴方向由于反导引效应及热透镜效应而导致高阶模式激射,使得束宽及远场发散角随工作电流增加逐渐增大,光束质量因子M~2从5. 44增加到11. 76,光束质量逐渐变差。傍轴光束定义及非傍轴光束定义下的光束质量因子测试结果表明,在快轴方向,两者差别较大,不能使用傍轴光束定义近似计算;在慢轴方向,两者近似相等,可以使用傍轴光束定义近似计算。     

体布拉格光栅形变对高斯光束质量平方因子的影响

考虑热效应导致的体光栅表面形变引起体光栅背景折射率和周期的变化,进而引起体光栅介质介电常数的改变,对体光栅中传输的激光束特性的影响进行了研究。采用有限差分和稀疏矩阵的方法,对激光在有变形的体布拉格光栅中传输的波动方程进行数值迭代求解,并对激光束通过有形变的反射式体布拉格光栅后的功率反射比、光束束腰宽度、远场发散角和质量平方因子的变化进行了定量分析。结果表明,随着体光栅表面形变的增大,体光栅的功率反射比明显减小,输出光束的束宽、远场发散角和质量平方因子明显增大。     

n型DBR中电势对垂直腔面发射激光器阈值的影响

编制了增益波导垂直腔面发射激光器直接耦合准三维仿真软件，给出了电势、 载流子浓度、光场和热场分布.计算结果表明，只有同时考虑p型和n型分布布拉格反射镜中的电势，才能准确地反映垂直腔面发射激光器的阈值特性. 关键词： 垂直腔面发射激光器 p型DBR层 n型DBR层 有限差分法     

一种具有低折射率的高对比度光栅反射镜的设计

设计并研究了一种工作于2 μm波段的GaSb基亚波长高对比度光栅反射镜,其具有低折射率光栅层结构。通过严格耦合波理论优化结构,以最大限度地满足VCSEL腔面反射镜对反射率带宽的要求。反射镜对2 μm波段的TM模式具有优良的反射效率,带宽与设计波长之比达15%（反射率R>99%）,在反射率R>99.9%的部分Δλ/λ₀>9.5%,带宽中心波长为2.003 μm,与此同时TE模的反射率不超过70.20%。该反射镜结构中几个参数的制作容差较大,且厚度低于1.1 μm,有利于在垂直腔面发射半导体激光器上的单片集成。     

Analysis of sensitivity and low-frequency intensity noise characteristics of Bragg reflector lasers induced by reflected light

An analysis of the sensitivity and low-frequency intensity noise characteristics of Bragg reflector lasers is given. It is found that Bragg reflector lasers have increased sensitivity to reflected light for low grating coupling strength (l) and is similar to that of Fabry-Perot lasers except for highl values. Also, the intensity noise can be reduced by operating the device at high injection level.     

基于分布式布拉格反射器结构的空间三结砷化镓太阳能电池抗辐照研究

根据电子辐照条件下的常规三结砷化镓太阳能电池光谱响应以及电池电流的损伤特征, 确定电池衰减的物理机理: 中电池在电子辐照后形成的辐照损伤缺陷, 使得基区少子扩散长度被大幅缩短, 影响了光生载流子的收集. 针对中电池衰减的物理机理, 设计不同的基区厚度, 验证辐照后扩散长度缩短至1.5 μm左右. 为提升中电池抗辐照性能, 消除辐照后扩散长度缩减带来的影响, 对中电池外延结构进行设计, 将中电池基区减薄至1.5 μm, 并在其下方嵌入分布式布拉格反射器, 对特定波段光反射进行二次吸收, 弥补中电池减薄的影响. 通过TFCalc光学模系设计软件模拟出的中心波长为850 nm, 15对Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.1Ga_0.9As的分布式布拉格反射器, 实际测试最高反射率大于97%, 高反带宽94 nm, 能够满足设计要求. 此基础上进行了新结构电池的外延生长与辐照测试对比. 实验结果表明: 新结构太阳能电池辐照后短路电流衰减比原结构降低了50%, 效率的剩余因子提升2.3%.     

High power single-sided Bragg reflection waveguide lasers with dual-lobed far field

We report on 980-nm InGaAs/GaAs lasers with dual-lobed far field based on a single-sided Bragg reflection waveguide (BRW). The high slope efficiency ～0.92 W/A and a continuous wave (CW) output power >1.5 W (3.2 W pulsed) have been obtained. The threshold current density is as low as 253 A/cm² for a 1.5-mm-long device and the transparency current density is only 140 A/cm². The further analysis shows the intrinsic reason for the single-lobed or the dual-lobed far-field distribution is determined by the mode shape in the cavity, not the single-sided or dual-sided BRW structure. The condition to achieve a narrow single-lobed far-field distribution is discussed.     

高温稳定25 Gbit/s 850 nm垂直腔面发射激光器

通过在N型分布布拉格反射镜(DBR)中采用高热导率AlAs材料,且增加AlAs层所占的厚度比例,在保持DBR反射率基本不变的情况下,大幅度增加了N型DBR的热导率,提高了器件高温工作性能。制作了氧化限制型顶发射VCSEL器件,不同温度条件下的直流测试结果表明:25℃时热反转功率超过8 mW;85℃时热反转电流为11 mA,功率达5 mW,表现出较好的高温工作特性。远场发散角小于17°。0～70℃的温度条件下眼图都较清晰,表明器件满足高温25 Gbit/s工作要求。     

High power (130 mW) 40 GHz 1.55 μm mode-locked distributed Bragg reflector lasers with integrated optical amplifiers

High output power 40 GHz 1.55 μm passively mode-locked surface-etched distributed Bragg reflector (DBR) lasers with monolithically integrated semiconductor optical amplifiers are reported. These are based on an optimized AlGaInAs/InP epitaxial structure with a three quantum well active layer and an optical trap layer. The device produces near transform limited Gaussian pulses with a pulse duration of 3.3 ps. An average output power during mode-locked operation of 130 mW was achieved with a corresponding peak power of >1 W.     

反射式倒装对1 300 nm激光器性能改善的分析

对AlGaInAs多量子阱1 300 nm FP激光器进行反射式倒装封装,在热沉上靠近激光器出光端面约10~20 μm的区域采用Au反射层,对器件垂直方向出光进行反射。测试结果显示,与常规封装相比,采用这种结构封装芯片垂直发散角从34.5°降低至17°,器件单模光纤的平均耦合功率从1 850 μW提高至2 326 μW,耦合效率从21.1%提高到26.5%。对两种激光器进行光电参数的测量,结果表明：与常规封装器件相比,采用反射式倒装结构器件的饱和电流从135 mA提高至155 mA,饱和输出功率从37 mW提高至42 mW,热阻从194 K/W降低至131 K/W。最后对两种器件在95℃环境温度、100 mA电流下进行加速老化实验,老化结果显示：在老化条件下,器件衰退系数从常规封装的4.22×10^-5降低至1.06×10^-5,寿命从5 283 h提高至21 027 h。     

高功率垂直腔面发射激光器的光束准直特性

基于高斯光束的准直原理,针对不同结构参数的大功率垂直腔面发射激光器光束特征,通过选用合适参数的透镜,研究了不同连续和脉冲电流条件激励下光束的准直特性.对于出光口径为200 μm的器件,通过f=3.1 mm,NA =0.68的透镜,连续工作条件下,准直后的最小发散角达到1°;在电流为40A、脉宽60 ns、重复频率1 k...     

Antimonide-based lasers and DFB laser diodes in the 2–2.7 μm wavelength range for absorption spectroscopy

We report on Fabry–Pérot semiconductor lasers and single frequency distributed feedback lasers based on GaInAsSb/AlGaAsSb quantum wells. The laser structures were grown by molecular beam epitaxy on GaSb substrates. The devices were etched either by wet process or by inductively coupled plasma (ICP) process. Electron-beam lithography was used to deposit a metal Bragg grating on each side of the laser ridge to fabricate the DFB lasers. The devices all operate in the continuous wave regime at room temperature with a single frequency emission above 2.6 μm and good tuning properties, making them well adapted to tunable diode laser absorption spectroscopy. PACS 42.55.Px; 42.62.Fi