高效率半导体激光器波导层掺杂的优化设计

为获得高效率半导体激光器,理论分析并计算了p型波导层四种不同掺杂浓度分布对器件内损耗、串联电阻、阈值电流以及电光转换效率的影响,由此优化了p型波导层的掺杂浓度分布和厚度。根据计算及优化结果,p型波导层采取线性s杂分布,厚度为0.45μm,制备了腔长1200μm的980nm半导体激光器,其阈值电流为324mA,内损耗为1.62cm-1,串联电阻为136mΩ。当输入电流为1.98A时,激光器的斜率效率和输出光功率分别为1.05W/A和1.74W,对应的电光转换效率从未优化时的54.6%提高到58.4%。     

高效率808 nm激光器的数值模拟研究

分析了提高激光器电光转换效率的几种途径,认为降低激光器工作电压、串联电阻和阈值电流可以提高激光器转换效率.分别对Ga0.5InP和AlxGaAs对称波导激光器进行了模拟,结果表明,AlxGaAs材料体系(AlxGaAs/AlxGaAs/InGaAsP)激光器的各种参数均优于Ga0.5InP材料体系((AlxGa)0.5InP/Ga0.5InP/InGaAsP)激光器,并在模拟的基础上制备出了相应的激光器.依据模拟结果和器件结果分析得出,增大波导层掺杂浓度可以降低激光器的工作电压和串联电阻;改变波导层组分为渐变值时可降低激光器阈值电流,从而增大激光器转换效率.     

140W高功率非对称宽波导980nm半导体激光器

为了提高半导体激光器(LD)的出光功率,优化了P型波导层以及限制层的厚度。将光场的对称分布变成非对称分布,降低了有源区的光限制因子,从而降低了器件腔面的功率密度,避免器件出现腔面灾变损伤(COD);提高LD的电光转换效率,减小器件的散热路径,降低器件的热阻,从而有效抑制了器件的热饱和。设计并制作了非对称宽波导980 nm高功率LD。器件的综合测试性能为:当器件的注入电流为161 A时,器件的输出功率达到139.6 W,对应的斜率效率、电压和电光转换效率分别为0.91 W/A、1.79 V和48.4%。     

0.98µm非对称宽波导高效率半导体激光二极管

本文设计了一种新型的非对称宽波导半导体激光二极管结构,通过优化P型波导层以及限制层厚度,器件的内损耗、串联电阻以及热阻得到大大的降低,同时采用GaAs0.9P0.1/InGaAs应变补偿量子阱结构代替GaAs/InGaAs结构,提高了半导体激光器的内量子效率。采用上述措施,半导体激光二极管的电光转换效率得到了很大的提高,当电流为30A时,20％占空比1cm巴条的激光二极管的点关转换效率达到峰值,为60％。实验结果表明：这种波导层厚度不一致的非对称波导结构是提高半导体激光器效率的有效措施     

非对称异质波导半导体激光器结构

提出了一种非对称异质波导半导体激光器外延结构,即通过优化选择材料体系和结构厚度,对器件外延层的P侧限制结构和N侧限制结构分别设计,从而降低器件的电压损耗,使其满足高输出功率以及高的电光转换效率的要求.从载流子的输运和限制等微观机制出发,对器件的主要输出特性进行了理论分析和数值模拟,并以此为根据设计和制作了一种1060 nm In Ga As/Ga As单量子阱非对称异质波导结构半导体激光器,并对器件的主要输出特性进行了测试.实验结果表明,非对称异质结构是降低器件的电压降、增大限制结构对注入载流子的限制,提高半导体激光器电光转换效率的有效措施.     

808 nm大功率无铝有源区非对称波导结构激光器

采用分别限制非对称波导结构,将光场从对称分布变为非对称分布,降低了载流子光吸收损耗,并允许p型区具有更高的掺杂水平,从而使器件电阻降低.对GaAsP/GaInP张应变单量子阱(SQW)非对称波导结构激光器的光场特性进行了理论分析,设计了波导层厚度,并制作了波长为808 nm的无铝有源区大功率半导体激光器.器件综合特性测试结果为:腔长900μm器件的阈值电流密度典型值为400 A/cm2,内损耗低至1.0 cm-1;连续工作条件下,150μm条宽器件输出功率达到6 W,最大斜率效率为1.25 W/A.器件激射波长为807.5 nm,平行和垂直结的发散角分别为3.0°和34.8°.20~70℃范围内特征温度达到133 K.结果表明,分别限制非对称波导结构是降低内损耗,提高大功率半导体激光器特性的有效措施.     

一种高效率的1060 nm半导体激光器设计

设计了一种高效的1060 nm大功率半导体激光器,该激光器包含有源层、波导层和光限制层。其中有源层采用InGaAs/GaAs量子阱（QW）结构,将该层控制在临界厚度范围内,提高腔内量子效率;波导层采用非故意掺杂GaAs材料非对称大光学腔结构,减小空腔损耗;光限制层采用掺杂的Al0.25Ga0.75As材料形成线性的过渡,以减小串联电阻。应用MOCVD对器件结构进行优化,外延,制作和封装测试,获得功率效率为47.4％的1060 nm半导体激光器。实验结果表明,腔内量子效率达到98.57％,腔损仅为0.273 cm-1。在室温下,QCW脉冲条件下制备的器件具有4 mm腔长和100μm条宽的器件,效率达到47.4％,峰值波长为1059.4 nm。     

高效率976nm激光器材料

使用自洽二维数字模拟软件优化半导体激光器的外延结构,对GaInAs/AlGaAs分别限制压应变单量子阱结构进行了模拟,研究了包层和波导层的Al组分对工作电压的影响。根据模拟结果,采用金属有机化学淀积(MOCVD)技术,外延生长了单量子阱976nm激光器材料。利用该材料制作成2mm腔长的连续(CW)单管器件,采用C-mount载体标准封装,并进行了测试。测试结果表明,模拟与实验的结论一致,降低优化包层和波导层的Al组分可以减小工作电压,从而提高了976nm半导体激光器的转换效率。室温下,当工作电流为500A/cm2时,包层和波导层Al组分分别为0.35和0.15时,激光器的工作电压降低为1.63V,使得电光转换效率达到67%。     

波导结构对905 nm隧道结级联半导体激光器的光束质量和功率的影响

近年来,激光雷达应用对探测距离和灵敏度提出了更高的要求。905 nm半导体激光器作为其理想光源也亟待提升峰值功率与光束质量。在这个背景下,基于非对称大光腔结构研究了不同增益区类型和波导结构对905 nm隧道结脉冲半导体激光器的光束质量和功率效率的影响。通过优化增益区类型和波导结构降低了体电阻和内损耗;增强了限制载流子泄露的能力,提高了器件在高电流下工作的峰值功率和电光效率;通过提高高阶模对基模的阈值增益比值,抑制高阶模式激射,降低了远场发散角。在此基础上,研制的800 μm腔长、200 μm条宽的四有源区半导体激光器在100 ns脉冲宽度、1 kHz重复频率的脉冲功率测试中,41.6 A的脉冲电流强度下实现了峰值功率输出177 W;垂直于PN结方向单模激射,远场发散角半高全宽为24.3°。     

1.3μm波段单横模大功率输出量子点激光器

为了制备大功率、单横模输出的量子点激光器,对有源多模干涉波导结构进行了研究。通过优化器件结构设计,采用1×1型有源多模干涉波导结构,以均匀多层InAs/InGaAs/GaAs量子点材料作为有源区,制备了1.3μm波段的有源多模干涉结构量子点激光器。连续电流注入条件下的测试结果表明,与传统的均匀波导结构器件相比,有源多模干涉结构器件具有更低的串联电阻和更好的散热性能;在连续电流为0.5A的小注入情况下,器件的输出功率可达114mW、中心波长为1332nm。结果表明,有源多模干涉结构器件是制备大功率、单横模输出光发射器件的一种有效的器件结构。     

An asymmetric broad waveguide structure for a 0.98-μm high-conversion-efficiency diode laser

A novel asymmetric broad waveguide diode laser structure was designed for high power conversion efficiency (PCE). The internal quantum efficiency, the series resistance, and the thermal resistance were theoretically optimized. The series resistance and the thermal resistance were greatly decreased by optimizing the thickness of the P-waveguide and the P-cladding layers. The internal quantum efficiency was increased by introducing a novel strain-compensated GaAs0.9P0.1/InGaAs quantum well. Experimentally, a single 1-cm bar with 20% fill factor and 900 μm cavity length was mounted P-side down on a microchannel-cooled heatsink, and a peak PCE of 60% is obtained at 26.3-W continuous wave output power. The results prove that this novel asymmetric waveguide structure design is an efficient approach to improve the PCE.     

976 nm高效率半导体激光器

976 nm高效率半导体激光器是这几年研究的热点,在固体激光器泵浦领域有广阔的应用。通过优化半导体激光器材料外延结构中包覆层和波导层的铝组分,降低了工作电压;通过采用微通道水冷系统,并进行优化降低了热阻,从而提高了室温下的电光转换效率。25℃室温连续测试条件下,1 cm的线阵列(巴条),2 mm腔长,50%填充因子,在110 A下,出光功率为114.2 W,电压为1.46 V,电光转换效率为71%。15条微通道封装成的垂直叠阵,进行光束整形后,获得了室温976 nm连续输出功率1 500 W,电光转换效率大于70%。     

高效率大功率连续半导体激光器

从大功率半导体激光器的工作机理出发,对影响激光器电光转换效率的主要因素,如激光器的斜率效率ηd、阈值电流Ith、开启电压V0、串联电阻Rs以及工作电流I等进行了分析,进而讨论了提高电光转换效率的主要技术途径。通过对应变量子阱大光腔激光器外延材料开启特性的优化、大功率激光器芯片横向限制工艺的改进以及对大功率微通道热沉制作等技术的研究,制作了808nm连续半导体激光器阵列。在工作电流140A时,阵列工作电压为1.83V,输出功率145W,电光转换效率达到56.6%。     

976 nm锥形半导体激光器结构设计与优化

锥形半导体激光器具有高亮度、高光束质量等特点。通过借助数值模拟仿真软件Lastip,优化设计了976 nm锥形半导体激光器结构。在低光限制因子Г条件下,确定了InGaAs/AlGaAs量子阱厚度及非对称波导厚度比值关键参数,并分析了主振荡器的注入光功率和耦合进锥形区的基侧模衍射分布特性。研究结果表明:与传统的单量子阱器件结构相比,当光限制因子Г相同均为2%时,在工作电流为3 A条件下,优化设计的非对称双量子阱结构主振荡器的基侧模分布更为集中。其注入光功率由2.76 W提升至3.67 W,同时耦合进锥形区的基侧模衍射分布更为均匀,并具有稳定的电光转换效率。     

半导体激光密集谱合束中VBG的热效应

研究并分析了半导体激光密集谱合束技术中体布拉格光栅(VBG)的热效应问题。为了提高半导体激光器的输出功率及其电光转换效率,利用COMSOL软件模拟了半导体激光器中VBG在自由传导散热和水循环冷却两种条件下的温度分布,通过对比这两种条件下VBG温度对其中心波长漂移量及输出功率的影响,分析了VBG热效应变化。模拟与实验结果表明,水循环冷却可以有效将VBG的温度从390.44 K降低到299.09 K,减小了VBG的波长漂移量,有效抑制了VBG的热效应问题。因此合理控制VBG的温度,可提高半导体激光器的输出功率和电光转换效率。     

An asymmetric broad waveguide structure for a 0.98-μm high-conversion-efficiency diode laser

A novel asymmetric broad waveguide diode laser structure was designed for high power conversion efficiency（PCE）.The internal quantum efficiency,the series resistance,and the thermal resistance were theoretically optimized.The series resistance and the thermal resistance were greatly decreased by optimizing the thickness of the P-waveguide and the P-cladding layers.The internal quantum efficiency was increased by introducing a novel strain-compensated GaAs0.9P0.1/InGaAs quantum well.Experimentally,a single 1-cm bar with 20% fill factor and 900 μm cavity length was mounted P-side down on a microchannel-cooled heatsink,and a peak PCE of 60% is obtained at 26.3-W continuous wave output power.The results prove that this novel asymmetric waveguide structure design is an efficient approach to improve the PCE.     

射频激励金属板条波导CO2激光器的功率输出特性

为了获得较高的激光输出功率,介绍了射频激励扩散冷却全金属板条波导CO2激光器,放电区域由左右两个铝合金壁和上下两个铝合金电极构成,放电区域高2 mm,宽20 mm,长386 mm,工作气体混合比CO2:N2:He:Xe=1:1:3:0.26,该技术代替了过去的金属陶瓷结构,结合纵向电压均匀分布技术和面增比技术,获得了127 W的激光输出功率,光电转换效率高达14%。实验中,照相机放在激光器的纵向轴心上,清楚地记录了CO2激光器的放电现象。实验结果表明,该激光器小信号增益1%/cm,饱和光强1 200 W/cm2,促进了CO2激光器的发展。     

980 nm渐变双波导激光二极管及其光电性能研究

为了提高980 nm激光二极管的光电性能,设计了Al组分内波导正向和外波导反向线性渐变的新型非对称双波导激光二极管。采用一维漂移扩散模型为理论基础,对新结构和传统结构进行了仿真模拟,并对比分析了两者的光电性能。光场分布表明,新结构通过改变波导折射率分布,减少了高阶模式数量,改善了基模的单模特性。能带排列表明,新型非对称双波导结构显著提高了电子和空穴泄漏的势垒,阻挡了载流子泄漏,增强了有源区的载流子限制能力,从而降低了有源区载流子浓度,提高了器件的内量子效率。与传统波导结构对比分析表明,新型非对称双波导结构激光二极管的阈值电流下降了27.65%,工作电压降低了15.24%。在注入电流为5 A时,输出功率达到5.36 W,电光转换效率达到78.06%。设计的新型波导结构提高了980 nm激光二极管的光电性能,对研发高性能激光二极管具有重要的理论指导意义。