金属有机化学气相外延生长1310nm偏振无关混合应变量子阱半导体光放大器研究

采用低压金属有机化学气相外延设备进行了1.3μm压应变量子阱材料、张应变量子阱材料和混合应变量子阱材料的生长研究.通过x射线双晶衍射和光致发光谱对生长材料进行测试和分析.基于四个压应变量子阱和三个张应变量子阱交替生长的混合应变量子阱（4CW3TW）结构有源区，并采用7°斜腔脊型波导结构以有效抑制腔面反射，经蒸镀减反膜后，半导体光放大器光纤光纤小信号增益达21.5dB，在1280—1340nm波长范围内偏振灵敏度小于0.6dB. 关键词： 偏振无关 应变量子阱 半导体光放大器 减反膜     

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%.     

(001)和(111)取向的张应变量子阱光学特性的比较

以(001)和(111)价带Lutinger-Kohn哈密顿量为基础,讨论了这两种取向的量子阱的能带结构、态密度(DOS)、跃迁矩阵元和增益特性。由于材料结构的各向异性,(111)取向的量子阱在平行生长面内有较小的重空穴有效质量,无应变和压应变激光器可以很好地利用这一点。而(001)取向的量子阱虽有较小的平面内轻空穴有效质量,但并不比(111)量子阱的小多少;加上(001)量子阱的价带耦合效应强,使其DOS比(111)量子阱的大,在相同载流子注入下,张应变(111)量子阱的增益系数比相应(001)量子阱的要高。所以张应变(111)量子阱激光器仍然比相应的(001)量子阱激光器性能要好。可以认为匹配和压应变的(111)激光器优异的性能不仅来自小的面内有效质量,也来自于弱的价带耦合效应。     

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     

长波长大应变InGaAs/InGaAsP分布反馈激光器的材料生长与器件制备

采用低压金属有机化合物气相沉积法(LP-MOCVD)生长并制作了1.6—1.7μm大应变InGaAs/InGaAsP分布反馈激光器.采用应变缓冲层技术，得到质量良好的大应变InGaAs/InP体材料.器件采用了4个大应变的量子阱，加入了载流子阻挡层改善器件的温度特性.1.66μm和1.74μm未镀膜的3μm脊型波导器件阈值电流低(小于15mA)，输出功率高(100mA时大于14mW).从10—40℃，1.74μm激光器的特征温度T₀=57K，和1.55μm InGaAsP分布反馈激光器的特征温度相当. 关键词： MOCVD InGaAs/InGaAsP 应变量子阱 分布反馈激光器     

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     

量子阱半导体激光器阈值的理论分析

分析了单量子阱(SQW)、多量子阱(MQW)和分别限制异质结构量子阱(SCH-SQW)半导体激光器的阈值.求出了表示光增益随注入载流子密度变化的方程.利用这个结果,得到了上述三种量子阱半导体激光器的阈值电流密度的表达式.     

808 nm高占空比大功率半导体激光器阵列

 采用渐变折射率分别限制单量子阱宽波导结构,通过降低非辐射复合、有源层载流子泄露、散射和吸收损耗来提高出射效率和降低激光阈值电流,从而提高半导体激光器阵列的输出功率;同时使P面具有更高的粒子掺杂数密度,优化N面合金条件,降低半导体激光器的串联电阻,降低焦耳热,提高了半导体激光器阵列的转换效率。利用金属有机化学气相淀积技术生长GaInAsP/InGaP/AlGaAs渐变折射率分别限制单量子阱宽波导结构激光器材料,利用该材料制成半导体激光线阵列在20%高占空比的输入电流下,半导体激光器的输出峰值功率达到189.64 W(180 A),斜率效率为1.1 W/A,中心波长为805.0 nm,阈值电流为7.6 A,电光转换效率最高可达55.4%;在1%占空比的输入电流下,阵列的输出峰值功率可达324.9 W(300 A),斜率效率为1.11 W/A,阈值电流为7.8 A,电光转化效率最高达55.6%,中心波长为804.5 nm。     

1.3μm无致冷AlGaInAs/InP应变补偿量子阱激光器设计与制作

基于半导体量子阱激光器的基本理论,设计了合理的1.3μm无致冷AlGaInAs/InP应变补偿量子阱激光器结构,通过低压金属有机化学气相外延(LP-MOVPE)工艺在国内首次生长出了高质量的AlGaInAs/InP应变补偿量子阱结构材料,用此材料制作的器件指标为激射波长:1280nm≤λ≤1320nm,阈值电流:I_th(25℃)≤15mA,I_th(85℃)≤30mA,量子效率变化:Δη_ex(25℃～85℃)≤1.0dB,线性功率:P₀≥10mW     

光抽运半导体激光器增益特性研究

以InGaAs/GaAs应变量子阱材料为例,介绍了考虑能带及波函数的混合效应的6×6Luttinger-Kohn哈密顿量,提出用有限差分法求解含Luttinger-Kohn哈密顿量的有效质量方程,数值模拟得到导带和价带的能带结构,计算应变量子阱的跃迁矩阵元,进而用Lorentzian线形函数计算材料增益。讨论了量子阱阱宽、注入载流子浓度、温度等因素对量子阱材料增益的影响。计算结果表明,压应变使得量子阱有效带隙增大,降低了材料增益的透明电流密度,继而降低器件的阈值,改善器件的输出特性;增益峰值波长和发射波长之间合适的偏差,会使光抽运半导体激光器的阈值电流和工作电流随温度有较小的变化。     

基于两端自发荧光辐射的808nm半导体激光器增益偏振特性实验表征和能带分析

通过半导体激光器两端的放大自发荧光辐射可以获取器件的光学增益信息. 本文利用这一新的增益实验测量方法, 开展了对连续运行的808nm GaAs/AlGaAs量子阱激光器横向电场 (TE)与磁场(TM)偏振增益特性的实验研究. 通过将实验结果与理论增益曲线对比, 分析了非应变GaAs量子阱TE和TM极化偏振对应的空穴子能带随注入电流的变化规律, 以及激光器在连续运行状态下的实际增益状态和影响因素. 关键词： 半导体激光器 增益测量 偏振 量子阱和能带     

应变量子阱激光器阱宽与组分的确定和增益特性的理论研究

本文根据一维势阱和应变效应的简单理论,给出一种既简单又较准确的确定量子阱的组分和阱宽的方法。并且,针对较为常用的波长为1.3μm的InGaAs/InGaAsP材料以及最新兴起的InAsP/In材料应变量子阱激光器,利用该方法得到了组分和量子阱阱宽。再根据这些参数,利用变分法计算了量子阱的能带结构和二维电子气状态密度。然后,在选取不同的线形函数的情况下分别计算了对应于不同的注入载流予浓度时的这两种激光器的线性增益和微分增益。     

InGaAs/GaAs应变量子阱结构在1054nm激光器中的应用

采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)方法生长了InGaAs/GaAs应变量子阱,通过优化生长条件和采用应变缓冲层结构获得量子阱,将该量子阱结构应用于1 054 nm激光器的制备。经测试该器件具有9 mA低阈值电流和0.4 W/A较高的单面斜率效率,在驱动电流为50 mA时测得该应变量子阱光谱半宽为1.6nm,发射波长为1 054 nm。实验表明:通过优化工艺条件和采用应变缓冲层等手段,改善了应变量子阱质量,该结果应用于1 054 nm激光器的制备,取得了较好的结果。     

低维半导体材料应变分布

在各向同性弹性理论的假设下，探讨了理想简单化的二维、一维与零维半导体材料量子阱、量子线与量子点的应力和应变分布规律，并讨论了它们应力、应变与应变能密度分布之间的差异.结果有助于定性理解更复杂形状结构的低维半导体材料的应力、应变及应变能分布. 关键词： 低维材料 应变分布 量子阱 量子线 量子点     

高功率1060 nm垂直腔面发射激光器

为了提高1060 nm垂直腔面发射激光器（VCSEL）的性能,本文对大功率1060 nm VCSEL进行了理论模拟和实验研究。计算得到红移速度为0.40 nm/K,据此确定增益和腔模失配量为-20 nm。对比分析了6种不同InGaAs组分和厚度的量子阱,以及3种不同势垒材料的增益特性和输出特性,模拟结果表明,应变补偿的InGaAs/GaAsP量子阱有源区在温度稳定性、阈值电流以及功率方面更有优势。对P型分布式布拉格反射镜（DBR）进行优化设计,优化DBR渐变层厚度和对数,有助于获得更好的输出特性。采用金属有机化学气相沉积生长了InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱结构的VCSEL外延片,并制备了单管和阵列VCSEL,实验数据和理论分析基本吻合。实验测得,288单元VCSEL阵列在4.5 A电流下,连续输出功率为2.62 W,最高电光转换效率为36.8%,5 mm×5 mm VCSEL阵列准连续条件下（脉宽为100μs,占空比为1%）,且在100 A电流下,获得峰值功率为53.4 W。     

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.     

808 nm垂直腔面发射激光器列阵的温度特性分析

为了研究温度对808 nm InGaAlAs垂直腔面发射激光器（VCSEL）列阵输出特性的影响,通过变温塞耳迈耶尔方程计算了InGaAlAs量子阱VCSEL的温度漂移系数。采用非闭合环结构,制备了2×2 的808 nm垂直腔面发射激光器列阵,每个单元的出光口径为60 μm。通过热沉温度调节,对不同温度下的列阵激射波长、光功率以及阈值电流进行了测量。在温度为20 ℃、脉宽为50 μs、重复频率为100 Hz的脉冲条件下,列阵的最大输出功率达到56 mW,中心光谱值为808.38 nm,光谱半宽为2.5 nm,连续输出功率达到22 mW。通过变温测试,发现输出功率在50 ℃以上衰减剧烈,列阵的温漂系数为0.055 nm/℃。实验测得的温漂系数与理论值保持一致。     

太赫兹量子级联激光器中有源区上激发态电子向高能级泄漏的研究

利用热力学统计理论和激光器输出特性理论,建立了太赫兹量子级联激光器(THz QCL)有源区中上激发态电子往更高能级电子态泄漏的计算模型,以输出功率度量电子泄漏程度研究分析了晶格温度和量子阱势垒高度对电子泄漏的影响.数值仿真结果表明,晶格温度上升会加剧电子泄漏,并且电子从上激发态泄漏到束缚态的数量大于泄漏到阱外连续态,同时温度的上升也会降低激光输出功率.增加量子阱势垒高度能抑制电子泄漏,并且有源区量子阱结构中存在一个最优量子阱势垒高度. THz QCL经过最优量子阱势垒高度优化后,工作温度得到提升,其输出功率相比于以往的结果也有所提高.研究结果对优化THz QCL有源区结构、抑制电子泄漏和改善激光器输出特性有指导作用.     

InGaAsP分别限制量子阱激光器

长波长InGaAsP量子阱激光器,以其低阈值、窄光谱线宽和高的调制频带宽等优良特性而成为大容量通信的基础。为此,我们利用低压MOVCD技术生长了1.62μm和1.3μm的InGaAsP材料,测得其77K光荧光(PL)谱线半峰高宽分别为18.7meV和28meV.利用X射线双晶衍射测得两种材料的晶格失配度不大于1×10^-3.并生长了四个不同阱宽的InGaAsP/InP量子阱结构,测得77K温度下的PL谱,分析了阱宽对发光波长及半峰宽的影响,并提出在量子阱激光器中减小界面层影响的方法。在此基础上,生长了分别限制量子阱激光器结构,并利用质子轰击制备出条形结构激光器,测得其最低阈值电流为100mA.直流工作光谱峰值波长为1.52μm左右,单面输出外微分量子效率约为36%.     

多线阵半导体激光器的单光纤耦合输出

设计并研制了一种多线阵半导体激光器的高亮度光纤耦合输出模块.激光器芯片采用了分子束外延方法生长的宽波导、双量子阱结构AlGaAs/GaAs激光器外延材料,激光器模块采用6只准直的线阵半导体激光器,器件腔长为1.2mm,单个发光单元宽度为100μm,发光单元周期为500μm,单线阵器件包括19个发光单元,单线阵器件的连续输出功率为50W,每只单线阵器件的准直输出光束经过空间合束后再通过光束对称化变换实现了多线阵器件输出的高光束质量功率合成,采用平凸柱透镜实现了合束光束与400μm芯径、数值孔径0.22石英光纤的高效率耦合,整体耦合效率达到65%,最大耦合输出功率达到195W,光纤端面功率密度达到1.55×105W/cm2.