高功率半导体激光列阵芯片测试表征与仿真优化

针对高功率半导体激光芯片工作温度升高易引起芯片性能退化和失效问题,首先理论分析了工作温度对内量子效率的影响机理。其次,为量化温度影响芯片稳定性的主要因素,自主搭建高功率半导体激光列阵芯片测试系统,研究15～60℃半导体激光列阵芯片的温度特性,分析了5种能量损耗分布及其随温度的变化趋势。实验结果表明,当温度由15℃升高至60℃,载流子泄漏损耗占比由2.30%急剧上升至11.36%,是造成半导体激光芯片在高温下电光转换效率降低的主要因素。最后进行了外延结构的仿真优化,仿真结果表明,提高波导层Al组分至20%,能有效限制载流子泄漏,平衡Al组分增加带来的串联电阻增大问题,可以获得高效率输出。该研究对高温下半导体激光芯片的设计具有重要的指导意义。     

高功率半导体激光列阵芯片测试表征与仿真优化EI北大核心CSCD

针对高功率半导体激光芯片工作温度升高易引起芯片性能退化和失效问题,首先理论分析了工作温度对内量子效率的影响机理。其次,为量化温度影响芯片稳定性的主要因素,自主搭建高功率半导体激光列阵芯片测试系统,研究15~60℃半导体激光列阵芯片的温度特性,分析了5种能量损耗分布及其随温度的变化趋势。实验结果表明,当温度由15℃升高至60℃,载流子泄漏损耗占比由2.30%急剧上升至11.36%,是造成半导体激光芯片在高温下电光转换效率降低的主要因素。最后进行了外延结构的仿真优化,仿真结果表明,提高波导层Al组分至20%,能有效限制载流子泄漏,平衡Al组分增加带来的串联电阻增大问题,可以获得高效率输出。该研究对高温下半导体激光芯片的设计具有重要的指导意义。     

12 W高功率高可靠性915 nm半导体激光器设计与制作

本文设计并制作了一种高效率、高可靠性的915 nm半导体激光器。半导体激光器是光纤激光器的关键部件,为了最大限度地提高器件的电光转换效率,在设计上采用双非对称大光腔波导结构,同时对量子阱结构、波导结构、掺杂以及器件结构进行了系统优化。器件模拟表明,在25℃环境温度下,器件的最高电光转换效率达到67%。采用金属有机气相沉积(MOCVD)法进行材料生长,随后制备了发光区域宽度为95μm、腔长为4.8 mm的激光芯片。测试表明,封装后器件的效率以及其它参数指标达到国际先进水平,在室温下阈值电流为1 A,斜率效率为1.18 W/A,最高电光转换效率达66.5%,输出功率12 W时,电光转换效率达到64.3%,测试结果与器件理论模拟高度吻合。经过约6 000 h的寿命加速测试,器件功率没有出现衰减,表明制作的高功率915 nm激光芯片具有很高的可靠性。     

低温808nm高效率半导体激光器

为了提高低温工作环境下808 nm半导体激光器的输出特性,深入研究了电光转换效率的温度特性。结合载流子泄漏抑制和器件串联电阻的优化考虑,从理论上深入分析了有源区量子阱内的载流子限制现象,提出针对低温工作环境下的势垒高度及相应的量子阱结构设计方法,包括势垒层的材料组分、厚度等重要参数的优化,极大地改善了器件在低温工作环境下的性能。采用优化后的外延结构,制备了腔长2 mm的半导体激光巴条。在工作温度-50℃、注入电流为600 A时,巴条输出功率达到799 W,电光转换效率为71%,斜率效率为1.34 W/A;注入电流为400 A时,器件达到最高电光转换效率73.5%,此时的载流子限制效率约为99%,串联电阻为0.43 mΩ;在-60～60℃温度范围内,中心波长随温度的漂移系数为0.248 nm/℃。     

电光聚合物波导中的锥形结构

提出并设计了一种基于电光聚合物的锥形波导,可用于单模光纤与电光聚合物波导器件之间的连接.锥形波导中采用了宽度锥形和折射率锥形结构.宽度锥形采用劈形形状,通过宽度和折射率的缓慢变化实现模场转换.劈形形状的宽度锥形具有较小的损耗且易于制作,折射率锥形可采用灰度掩膜光刻技术制作.研究了锥形波导的传输损耗与锥形波导的长度、波导宽度和厚度、材料吸收损耗等参数的关系及其优化,分析了锥形波导中的功率传输、模场分布与模式转换效率.结果显示锥形波导的传输损耗小于0.37 dB,光纤-波导-光纤的连接损耗优于1.62 dB,对插入损耗的改善达到8.78 dB,模场转换效率达到了83.7%.     

808nm半导体激光芯片电光转换效率的温度特性机理研究

提高808 nm大功率半导体激光器电光转换效率具有重要的学术意义和商业价值,是实现器件小型化、轻量化、高可靠性的必要前提.本文以腔长1.5 mm的传导冷却封装808 nm半导体激光阵列为研究对象,在热沉温度-40—25?C范围内对其进行光电特性测试,对不同温度下电光转换效率的影响因子进行了实验研究和理论分析.结果表明:在-40?C环境温度下,最高电光转换效率从室温25?C时的56.7%提高至66.8%,内量子效率高达96.3%,载流子泄漏损耗的占比贡献由16.6%下降至3.1%.该研究对实现808 nm高效率半导体激光芯片的自主研发具有重要意义.     

260 W波长锁定光纤耦合输出泵浦模块实验研究

半导体光纤耦合输出泵浦源是光纤激光器的核心器件,其性能直接制约光纤激光器的输出水平。采用COS封装的高功率LD芯片,通过VBG外腔光谱锁定和精密光束整形变换技术,结合偏振合束与精密聚焦耦合技术将18个LD单元耦合进105 μm/NA0.22光纤,获得不低于260 W功率输出。实验表明,该模块在注入电流18 A时,可获得稳定输出连续功率264 W,对应电光效率52%,输出光谱中心波长975.92 nm,谱宽0.51 nm。该设计为获得高功率、高亮度波长稳定泵浦源提供了一条可行途径,光纤耦合输出模块工程化后可广泛应用在光纤激光器泵浦等领域。     

高功率、高效率808nm半导体激光器阵列

通过设计高效率808 nm非对称宽波导外延结构,减少P型波导层和包层的自由载流子光吸收,实现腔内光吸收损耗为0.63 cm~(-1).制备的808 nm半导体激光器阵列在室温25?C下,实现驱动电流135 A,工作电压1.76 V,连续输出功率大于150 W,斜率效率高达1.25 W/A,中心波长809.3 nm,器件最高电光转换效率为65.5%,这是目前国内报道的808 nm半导体激光器阵列的最高电光转换效率,达到国际同类器件最好水平.     

高性能9xx nm大功率半导体激光器（英文）

为了改善9xx nm高功率半导体激光器的性能,对n包层和p包层的掺杂分布进行了调整,以减小激光器的内部损耗。同时为了减小有源区载流子的泄漏,在有源区和波导层之间引入了高能量带隙GaAsP。设计并制作了内部损耗为1.25 cm-1的高功率激光器。器件可靠性工作的最大输出功率为26.5 W。当输出功率为10.5 W时,最大电光功率转换效率为72.4%,斜率效率为1.16 W/A。     

渐变耦合脊波导晶体管探测器光响应分析

为提高InP基光探测器的吸收效率和工作速度,设计了一种渐变耦合脊波导单载流子传输异质结光敏晶体管探测器。采用有效折射率法和光束传播法,分析渐变耦合脊波导的光传输模式,优化后波导宽度和波导长度分别为2.6μm和250μm,可实现单模传输和高的光吸收效率。由于渐变耦合脊波导单载流子传输异质结光敏晶体管光传输方向与载流子运动方向垂直,分别优化光敏晶体管的吸收效率和速度,器件输出光电流和特征频率均得到改善。渐变耦合脊波导单载流子传输异质结光敏晶体管的响应度为33.83A/W,饱和输出光电流为90mA,最高特征频率达到87GHz,其饱和输出电流和特征频率相比于台面单载流子传输异质结光敏晶体管分别提高了20%和24%。但渐变耦合脊波导单载流子传输异质结光敏晶体管吸收体积大,获得饱和电流时的光功率也比较大,因此渐变耦合脊波导单载流子传输异质结光敏晶体管的响应度略小于台面的单载流子传输异质结光敏晶体管的响应度。     

基于铌酸锂薄膜波导的电光调谐光栅辅助定向耦合器研究

提出并实验研究了一种基于铌酸锂薄膜光波导的电光调谐的光栅辅助定向耦合器。该耦合器由单模与双模脊形波导及制作于双模波导侧壁的长周期光栅构成。长周期光栅的引入补偿了单模与双模波导中基模的相位失配,可在共振波长实现两波导中基模的高效耦合。进一步地,在双模脊形波导两侧制作调谐电极实现了高速、低驱动电压的电光调谐功能。优化了器件的制作工艺,并采用单次干法刻蚀将耦合器的光栅与波导同步制作于X切铌酸锂薄膜上。测试结果表明所制作的器件在1 595.3 nm波长处实现了14.8 dB的隔离度,其电光调谐效率为0.38 nm/V(1 595.3 nm～1 599.0 nm),热光调谐效率为0.14 nm/℃（25℃～50℃）。该器件可用于实现可调谐滤波、滤模、电光调制及高灵敏度温度传感等功能。     

1.06 μm InGaAs/InGaAsP量子阱半导体激光器的温度特性

研究了1.06 μm InGaAs/InGaAsP量子阱半导体激光器厘米bar模块的温度特性,测试分析了该模块的输出光功率、阈值电流、转换效率和光谱随注入电流及管芯温度变化的特性。结果表明,器件在15~55 ℃范围内所测的输出光功率由40.7 W降低到29.4 W,阈值电流由9.29 A升高到17.24 A,转换效率由54.22%降低到37.55%,光谱漂移为0.37 nm/℃,特征温度为68.6 K。实验结果表明,为保持器件性能的稳定,在实际应用过程中应该使器件的温度控制在15~25 ℃范围内。     

聚合物定向耦合电光开关的模拟和优化

阐述了定向耦合电光开关的基本结构及工作原理,利用耦合模理论和电光调制理论,在1 550 nm波长下,对器件的结构参量进行了优化,并对其传输光谱、开关电压、插入损耗、串扰等特性进行了分析.模拟过程中,考虑了因金属电极和聚合物材料引起的模式损耗.器件的结构参量优化值为：波导芯截面尺寸为1.7×1.7 μm2,波导芯与电极间的限制层厚度为1.5 μm、电极厚度为0.15 μm,波导间的耦合间距为2.0 μm,相应的耦合长度为2 926 μm.模拟结果表明,本文所设计的器件在开关转换电压0和17.4 V下,在1 534到1 565 nm的波长范围内,器件的插入损耗小于0.16 dB,串扰小于－20 dB,耦合区在2 734~3 120 μm范围内,器件的插入损耗小于0.22 dB,串扰小于－20 dB.     

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.     

包层调制的聚合物电光调制器及其理论分析

器件损耗偏高是当前聚合物电光调制器的研究中需要解决的问题之一。在调制器的插损之中,波导传播损耗(包括吸收和散射损耗)的贡献举足轻重。特别是在追求高电光系数的材料同时,传播损耗也将会不可避免地增加。如何改善器件的损耗是聚合物调制器实用化的一个重要课题。为此提出了一种在波导包层中调制光波的设想。理论分析表明,这种方法能够大幅度降低波导传播性能,因而有助于改善器件损耗。由于包层中光波强度比芯层中要弱,因此在包层中调制光波会引起场—模交叠因子的弱化,但是优化计算发现,通过调节波导的尺寸尤其是芯层厚度可以控制交叠因子使其弱化程度降低到最小,在最优的情况下,场一模交叠因子可达0．89。随着波导传播损耗的降低,器件调制区的长度可以做得更长,有助于进一步降低器件的半波电压。     

基于mini-bar的光纤耦合实验研究

基于mini-bar的光纤耦合是一种进一步提高二极管激光器光纤耦合系统出光亮度的有效方法。本文对Osram公司的一款连续60 W mini-bar的发光特性进行了实验研究,选用的mini-bar在工作电流60 A时输出功率60 W,电光转换效率最大为60%,中心波长973.7 nm,慢轴发散角为9.3（1/e2）。分析了其慢轴准直的特性,了解慢轴准直透镜的选择原则。器件准直后的慢轴发散角为47.6 mrad。通过对光束参量积的计算了解到mini-bar的光束可以直接耦合进入600 m的光纤,并进行了单片mini-bar的耦合实验,得到准直系统与耦合透镜组的传输效率为83%~85%,光纤的耦合效率为86%~93%,整个系统的光光效率大于72%。     

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1.2 mm,单个发光单元宽度为100 μm,发光单元周期为500 μm,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50 W,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400 μm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195 W,光纤端面功率密度达到1.55×105 W/cm2.     

外应力对Y波导器件尾纤消光比的影响

本文研究了外应力对Y波导器件尾纤消光比及其温度稳定性的影响机理.在对保偏光纤固定部分进行应力分析的基础上,研究了外应力的大小、方向对于光纤应力双折射及尾纤消光比的影响,并分析了消光比的全温稳定性.结果表明,外应力是影响消光比常温性能及全温稳定性的主要因素.当外应力的方向与光纤固有应力双折射的主轴不重合时,尾纤最大消光比会低于保偏光纤的固有消光比,并且耦合后波导芯片与光纤慢轴之间对轴失准.当温度变化时,外应力的变化将导致消光比随温度的波动.当外应力沿着保偏光纤固有双折射主轴方向时,能够确保尾纤在耦合过程中实现最大的消光比,并保证波导芯片偏振方向与光纤慢轴的严格对准,此时尾纤消光比具有最佳的温度稳定性.对V型槽和U型槽光纤固定块进行了尾纤消光比性能及其温度稳定性的比较分析,试验验证表明,V型槽方案相对于难以保证外应力方向与光纤慢轴重合的U型槽固定块设计方案而言,可以有效改善消光比性能及其全温温度稳定性.     

外应力对Y波导器件尾纤消光比的影响

本文研究了外应力对Y波导器件尾纤消光比及其温度稳定性的影响机理.在对保偏光纤固定部分进行应力分析的基础上,研究了外应力的大小、方向对于光纤应力双折射及尾纤消光比的影响,并分析了消光比的全温稳定性.结果表明,外应力是影响消光比常温性能及全温稳定性的主要因素.当外应力的方向与光纤固有应力双折射的主轴不重合时,尾纤最大消光比会低于保偏光纤的固有消光比,并且耦合后波导芯片与光纤慢轴之间对轴失准.当温度变化时,外应力的变化将导致消光比随温度的波动.当外应力沿着保偏光纤固有双折射主轴方向时,能够确保尾纤在耦合过程中实现最大的消光比,并保证波导芯片偏振方向与光纤慢轴的严格对准,此时尾纤消光比具有最佳的温度稳定性.对V型槽和U型槽光纤固定块进行了尾纤消光比性能及其温度稳定性的比较分析,试验验证表明,V型槽方案相对于难以保证外应力方向与光纤慢轴重合的U型槽固定块设计方案而言,可以有效改善消光比性能及其全温温度稳定性.     

非对称波导结构提高980nm激光二极管电光效率的机理研究

采用高电流注入条件下的载流子扩散方程和复折射率波导模型情况下的亥姆霍兹方程,对980nm高功率激光二极管外延材料的非对称和对称波导结构的光吸收损耗进行了理论计算。采用低压金属有机化学气相外延技术制备了两种波导结构的外延材料,并制作了激光器件,进行了光电特性测试和对比分析。理论计算和实验结果表明:与对称波导结构相比,非对称波导结构外延材料并未减小光吸收损耗,而是减小了串联电阻,因而降低了器件的焦耳热损耗,从而提高器件的电光效率。