我国无铝量子阱大功率激光器列阵研究达国际先进水平

由中科院长春光机所微机械与集成光学研究室承担的“无铝量子阱大功率激光器列阵研究”项目最近通过了有关方面的鉴定。该高功率半导体激光器列阵的各项性能指标已达国际先进水平。半导体激光器的应用覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。长春光机所在半导体激光器的研制工作方面积累了良好的工作基础。１９９８年，在吉林省科技厅的资助下，深入开展了无铝量子阱大功率激光器列阵的研制工作，先后承担了“８０８nm半导体量子阱大功率激光器列阵器件”和“高功率半导体激光器（LD）列阵”研究课题。经过科技人员的艰…     

GaAs/AlGaAs环形激光器的量子阱结构优化

为了研究量子阱结构对半导体环形激光器阈值电流的影响,从F-P腔激光器的振荡条件出发,分析了半导体环形激光器的阈值电流密度与量子阱结构参量的函数关系,并推导出最佳量子阱数的表达式。利用器件仿真软件ATLAS建立环形激光器的等效模型,仿真、分析了不同工作温度下,量子阱数、阱厚及势垒厚度对阈值电流的影响。结果表明,阈值电流随量子阱数和阱厚的增加先减小后增大,存在一组最佳值;在确定合适的量子阱数和阱厚后,相对较窄的势垒厚度有助于进一步降低阈值电流;采用GaAs/AlGaAs材料体系和器件结构,其最佳量子阱结构参量为M=3,dw=20nm及db=10nm。     

2 μm半导体激光器有源区量子阱数的优化设计

利用LASTIP软件理论分析了有源区量子阱数目对不同组分的InGaAsSb/AlGaAsSb 2 m半导体激光器能带、电子与空穴浓度分布以及辐射复合率等性能参数的影响。研究表明: 量子阱的个数是影响激光器件性能的关键参数, 需要综合分析和优化。量子阱数太少时, 量子阱对电子束缚能力弱, 电子在p层中泄漏明显, 辐射复合率低。量子阱数过多时, 载流子在阱内分配不均匀, p型层中电子浓度升高, 器件内损耗加大, 辐射复合率下降。结合对外延材料质量的分析, InGaAsSb/AlGaAsSb 半导体激光器有源区最优量子阱数目为2~3。该研究结果可合理地解释已有实验报道, 并为2 m半导体激光器结构设计提供理论依据。     

低阈值电流、高量子效率脊形波导激光器

研制了低阈值电流、高量子效率670nm压缩应变单量子阱GaInP/AIGalnP脊形波导激光器。测量解理成的激光器条,腔长为300μm时,阈值电流为12．8mA,双面外部量子效率之和达到94．6％。     

应变InGaAs/GaAs量子阱MOCVD生长优化及其在980 nm半导体激光器中的应用

使用低压MOCVD生长应变InGaAs/GaAs 980 nm量子阱.研究了生长温度、生长速度对量子阱光致发光谱(PL)的影响.并将优化后的量子阱生长条件应用于980 nm半导体激光器的研制中,获得了直流工作下,阈值电流为19 mA,未镀膜斜率效率为0.6 W/A,输出功率在100 mW的器件.     

半导体激光器电噪声与非辐射复合电流的相关性

测量了50余只980 nm InGaAsP/InGaAs/AlGaAs双量子阱高功率半导体激光器的低频电噪声及其V-I特性。结果表明,小注入情况下,980 nm半导体激光器的低频电噪声主要表现为1/f特性,并与器件的表面非辐射复合电流有着良好的对应关系。     

半导体激光器电源与非辐射复合电流的相关性

测量了50余只980nmInGaAsP/InGaAs/AlGa As 双量子阱高功率半导体激光器的低频电噪声及其V－I特性。结果表明,小注入情况下,980nm半导体激光器的低频电噪声主要表现为1/f特性,并与器件的表面非辐射复合电流有着良好的对应关系。     

双波长多量子阱激光器设计与计算机辅助分析

采用模拟计算，结合实验数据，初步设计了通过GaAs隧道结联接的650nm/780nm双波长多量子阱（MQW）激光器。分别对650nm、780nmMQW有源区部分进行模拟，计算得出激光器的横向模式特性、近场分布和远场发散角。对激光器折射率导引结构侧向模式进行了定性分析，得出实现理想侧模的条件。     

用简化的单晶生长工艺制造半导体激光器

日本索尼公司发展用单晶生长工艺制造840nm AlGaAs/GaAs半导体激光器,在室温下,阈值电流为0.88mA,是多层量子阱结构。在有源区中,多量子阱有6nm厚度的GaAs层。     

键合方法研制InAsP/InGaAsP量子阱1.3μm垂直腔面发射激光器

设计并研制了由InAsP/InGaAsP应变补偿多量子阱有源层、SiO2/TiO2介质薄膜和GaAs/Al(Ga)As半导体分布布拉格反射镜(DBR)构成的垂直腔面发射激光器(VCSEL).采用直接键合技术实现InP基有源层与GaAs基DBR的晶片融合,并经过侧向湿法腐蚀定义电流限制孔径和沉积介质薄膜DBR等关键器件工艺,研制出InAsP/InGaAsP量子阱垂直腔面发射激光器,其阈值电流为13.5mA,单模激射波长为1288.6nm.     

大功率670nm半导体激光器的研制

采用低压金属有机化学气相沉积生长了670nm激光器外延片，有源区采用单量子阱结构，阱区、垒区分别为InGaAsP和AlGaInP. 利用该外延片制作了带无电流注入区的氧化物条形激光器. 激光器腔长为900μm，电流注入区条宽为100μm，两端的无注入区宽度均为25μm. 镀膜后器件的阈值电流为0.4A，输出波长670±2nm，最大输出功率为1100mW, 水平、垂直发散角分别为8°, 40°. 表明该种结构可以提高器件的腔面光灾变功率.     

低阈值高效率InAIGaAs量子阱808nm激光器

以Al0.3Ga0.7 As／InAlGaAs／Al0.3Ga0.7As压应变量子阱代替传统的无应变量子阱作为有源区，实现降低808nm半导体激光器的阈值电流，并提高器件的效率。首先优化设计了器件结构，并利用金属有机物化学气相淀积（MOCVD）进行了器件的外延生长。通过优化外延生长条件，保证了5．08cm片内的量子阱（OW）光致发光（PL）光谱峰值波长均匀性达0．1％。对于条宽为50／zm，腔长为750／zm的器件，经镀膜后的阈值电流为81mA，斜率效率为1．22W／A，功率转换效率达53．7％。变腔长实验得到器件的腔损耗仅为2cm^-1，内量子效率达90％。结果表明，压应变量子阱半导体激光器具有更优异的特性。     

高功率980nm非对称宽波导半导体激光器设计

设计了980nm非对称宽波导InGaAs/InGaAsP量子阱激光器,并在结构中插入电流阻挡层,有效地阻止载流子的泄露。用LASTIP软件对980nm非对称宽波导量子阱激光器进行理论模拟,与传统的980nm对称宽波导量子阱激光器相比,非对称宽波导量子阱激光器波导和量子阱之间有更小的能带差,非对称宽波导结构具有更低的阈值电流,更高的斜效率以及更低的阻抗,所以带有电流阻挡层的980nm非对称宽波导InGaAs/InGaAsP量子阱激光器有更高的光电转换效率和输出功率。     

基于无杂质空位混杂法制备带有无吸收窗口的940nm GaInP/GaAsP/GaInAs半导体激光器研究

为提高940nm半导体激光器抗灾变性光学损伤(COD)能力,采用无杂质空位量子阱混杂技术制备了带有无吸收窗口的940nm GaInP/GaAsP/GaInAs半导体激光器。借助光致发光光谱分析了退火温度和介质膜厚度对GaInP/GaAsP/GaInAs单量子阱混杂的影响;通过电化学电容-电压(EC-V)方法检测了经高温退火后激光器外延片的掺杂浓度分布的变化情况。实验发现,在875℃快速热退火条件下,带有磁控溅射法制备的200nm厚的SiO2盖层样品发生蓝移达29.8nm,而电子束蒸发法制备的200nm厚TiO2样品在相同退火条件下蓝移量仅为4.3nm。两种方法分别对蓝移起到很好的促进和抑制作用。将优化后的条件用于带有窗口结构的激光器器件制备,其抗COD能力提高了1.6倍。     

基于ANSYS的半导体激光器热特性模拟

介绍了ANSYS有限元软件在半导体激光器热特性模拟中的应用,计算了一个单量子阱980nm半导体激光器在脉冲下的瞬态热分布图,结果表明使用AN'Y'软件进行热分析可以做到模型建立便捷,施加载荷直观,求解速度快,图形显示功能强大,可以推广到各类半导体激光器件的热学特性分析中去.     

带有非吸收窗口的大功率915 nm半导体激光器

为了实现大功率输出,应用无杂质空位诱导量子阱混合(IFVD)方法制备带有非吸收窗口结构的915 nm半导体激光器单管.通过实验确定促进和抑制量子阱混合的Si02和SiaN4薄膜的厚度分别为300和500 nm,退火条件为800℃,90 s.最终制备出的带有非吸收窗口的激光器,与普通激光器的阈值电流和斜率效率几乎一样.但普通激光器在电流为10 A时发生灾变性光学损伤(COD)并失效,而带有非吸收窗口的激光器在电流达到13A时仍然可以正常工作,相比普通激光器其最大输出功率增加了15％.每种器件各20个在20℃,电流为9A时进行直流老化试验,普通激光器在老化时间达到100 h时全部失效,而带非吸收窗口器件在老化200 h时仅有两个失效,这表明非吸收窗口结构显著提高了器件的抗COD能力.     

键合方法研制InAsP/InGaAsP量子阱1.3μm垂直腔面发射激光器

设计并研制了由InAsP/InGaAsP应变补偿多量子阱有源层、SiO2/TiO2介质薄膜和GaAs/Al(Ga)As半导体分布布拉格反射镜（DBR）构成的垂直腔面发射激光器（VCSEL) . 采用直接键合技术实现InP基有源层与GaAs基DBR的晶片融合,并经过侧向湿法腐蚀定义电流限制孔径和沉积介质薄膜DBR等关键器件工艺,研制出InAsP/InGaAsP量子阱垂直腔面发射激光器,其阈值电流为13.5mA,单模激射波长为1288.6nm.     

高稳定度光泵浦腔内倍频488 nm半导体薄片激光器

设计了一种性能稳定、结构紧凑的光泵浦腔内倍频488 nm半导体薄片激光器。为获得光束质量好、输出性能稳定的488 nm激光器,利用808 nm LD从顶面垂直泵浦半导体增益介质芯片获得976 nm基频光,通过在腔内置入I类相位匹配的LBO晶体进行倍频获得488 nm激光输出。半导体增益介质芯片具有13量子阱和808 nm/976 nm双反射带反射镜,其双面键合金刚石散热片。在泵浦功率为9.2 W时,获得111 mW 488 nm激光输出,光谱线宽为1.3 nm,光-光效率为1.2%,光束质量Mx2、My2分别为1.03和1.02,连续工作3 h激光输出功率不稳定度为0.6%。     

76%光电转换效率梯度渐变折射率结构940nm半导体激光器(英文)

为改善宽面940nm半导体激光二极管(LD)的输出功率及光电转换效率(WPE),设计并制作了一种包含梯度渐变折射率(GRIN)结构的新型量子阱激光器。通过二维自洽软件模拟计算了新结构激光器与传统分别限制结构(SCH)激光器的能带结构,结果表明新的激光器结构能够显著消除各异质结间的过渡势垒。通过低压金属有机物化学气相沉积(LP-MOCVD)的方法生长了高质量激光器外延材料。制成后的100μm条宽、2000μm腔长的激光器器件在室温25℃下经过连续(CW)电流测试发现,梯度渐变折射率结构激光器较分别限制结构激光器在10A电流下电压约低0.07V。通过结构与生长优化,激光器内吸收系数从0.52cm-1降至0.43cm-1,最大光电转换效率由69%提升至76%。最终制成的940nm半导体激光器器件室温25℃下输出功率10.0W(10A电流时),斜率效率高达1.24W/A。     

400mW 980nm泵浦激光器设计

由于当前国内980 nm半导体泵浦激光器设计经验及生产工艺的缺乏，高功率980 nm半导体泵浦激光器核心技术一直无法突破，文章采用国产化解决方案，包括芯片、光栅和耦合光纤等设计与实现，通过应用楔形光纤直接耦合的全金属化封装，选择双光栅结构进行波长锁定，实现了-50～75℃工作温度范围内，输出光功率达400 mW的980 nm半导体泵浦激光器的研制，其波长稳定性可达0.01 nm/℃。并且通过了5 000 h以上、工作电流800 mA和环境温度75℃的带电老炼测试，为满足高可靠性的国产化泵浦激光器奠定了基础。