双应力交叉步进加速退化试验下大功率半导体激光器寿命预测方法

高可靠性已成为大功率半导体激光器实用化的重要指标之一,而寿命预测是大功率半导体激光器可靠性评估的首要环节。文中提出了一种双应力交叉步进加速退化的试验方法,对830 nm F-mount封装的大功率半导体激光器进行了四种不同的双应力条件A[22℃,1.4 A],B[42℃,1.4 A],C[42℃,1.8 A],D[62℃,1.8 A]下的电流-温度交叉步进加速退化试验研究,对光输出功率退化轨迹进行拟合,按照80%功率退化作为失效判据,结合修正后的艾琳模型和威布尔分布外推得到器件在正常工作条件下的平均失效时间(MTTF)为5811 h。文中给出了完整的加速退化模型建立过程与详细的外推寿命计算方法,并对模型进行了准确性检验,误差不超过10%。该方法相比单应力恒定加速试验方法,可以大幅度节约试验时间和试验成本,这对于大功率半导体激光器的自主研制具有重要的指导意义。

半导体激光器低热阻液冷热沉研究现状与展望

近年来,半导体激光器输出功率持续增加,引发热负载受限问题。热负载使芯片有源区产生温升,进一步影响芯片温度分布,导致半导体激光器(Laser diode,LD)芯片性能逐渐劣化。而对于确定的封装形式,热沉热阻成为控制温升的决定性因素。因此,降低热沉热阻对提升半导体激光器输出能力与光束性质具有重要意义。液冷热沉可以有效降低热阻,本文从液冷热沉材料、液冷热沉结构和液冷冷媒性质三个方面,回顾了近30年LD液冷热沉热阻演变进程,总结了液冷热沉发展过程中热阻的影响因素,进一步探讨了降低热阻的发展方向与应用前景。

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.

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.

980nm大功率垂直腔面发射激光器温度和远场分布特性

采用发射波长为980nm的InGaAs／GaAs应变量子阱，在垂直腔面发射结构中共设计生长3组、每组3个量子阱，形成9个量子阱的周期性增益结构，并使每组均位于腔场极大处，以获得最好的增益匹配。为提高激光器的输出功率及获得较好的光束质量，采用大台面直径和由衬底面出射激光的结构。每个单元器件的P面台面直径为400-600μm，经湿氮气氛下40min的侧氧化后在有源区形成直径300-500μm的电流限制孔。而N面出光孔的直径仍为相应的400-600μm。在室温连续工作下器件的最大输出功率达到1．4W。随着注入电流的增大，观察到激光远场分布从空心圆环向中心单亮斑转化的过程。对不同温度下的激光输出特性进行了变温测试，结果表明通过DBR和有源区结构设计上较好的匹配，实现了室温下最低的激射闽值电流。

高光束质量大功率垂直腔面发射激光

大功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)在激光泵浦、激光测距、激光雷达等领域有广泛的应用前景,但目前的常规激光器材料结构尚未针对大功率激光输出进行优化设计。特别是为获得大功率激光输出所采用的大出光窗口导致的激光光束质量劣化成为限制其应用发展的核心问题之一。针对上述问题对激光器材料结构与器件结构进行了两方面的新结构设计和研制:(1)以实现大功率激光输出为目标,材料结构设计上对出光窗口一侧的N-DBR反射率进行了调整,以具有99.3%反射率的n-DBR替代常规结构中所采用的99.7%以上反射率。与常规材料结构相比,采用优化后的材料结构制备的直径500μm出光孔径的单管器件在注入电流110 A时激光输出功率达到102 W,而单元出光窗口直径100μm的5×5阵列在100 A电流下的激光输出功率为103 W,单元直径为140μm的8×8阵列在130 A注入电流下的激光输出功率达到115 W;(2)针对大出光窗口导致的光束质量劣化,通过湿法化学刻蚀研制了直接集成在出光窗口表面的微透镜结构,单元出光窗口直径为90μm的6×6阵列器件在4 A注入电流下的激光光束发散角压缩到6.6°,与未集成微透镜时的14.8°相比有了大幅改善。实验结果表明:降低n-DBR反射率及集成微透镜结构有效地改善提高了大功率垂直腔面发射激光的输出功率和激光光束质量。

高功率半导体激光阵列的高温特性机理

高峰值功率半导体激光阵列在高温工作条件中的应用需求日益凸显,本文以微通道封装的高峰值功率960 nm半导体激光阵列为研究对象,通过精密控温系统测试了其在10~80℃范围内峰值功率、电光转换效率、工作电压和光谱等一系列光电特性,结合理论分析,给出不同温度下电光转化效率的能量损耗分布。结果表明,工作温度从10℃升高到80℃后,电光转化效率从63.95%下降到47.68%,其中载流子泄漏损耗占比从1.93%上升到14.85%,是导致电光转换效率下降的主要因素。该研究对高峰值功率半导体激光器阵列在高温应用和激光芯片设计方面具有重要的指导意义。

高功率准连续半导体激光阵列中应变对独立发光点性能的影响

为了解决阵列中每个发光点性能分布不均的问题,研究了微通道水冷封装的960nm半导体激光器阵列,阵列包含38个发光点,腔长为2mm,在驱动电流为600A、占空比为10%的条件下,输出的峰值功率达到665.6 W,电光转换效率为63.8%,中心波长为959.5nm.通过对应力的理论分析,给出了各个发光点应变的表达式;通过搭建单点测试系统获得阵列中每个发光点的阈值电流、斜率效率、光谱和功率等光电特性;结合应变理论分析可知,器件中发光点的性能与应变大小和类型密切相关,压应变会导致器件波长蓝移、阈值电流降低、功率和斜率效率升高,张应变会导致波长红移、阈值电流升高、功率和斜率效率降低.研究表明,影响器件内部发光点的性能不仅与热效应有关,而且与封装后残余的应变密切相关,通过应力的分布可以预测阵列性能的变化规律,可为高峰值功率、高可靠性的半导体激光阵列的研制提供参考.

高功率高光束质量980nm垂直腔底面发射激光器

报道了优化p面电极的高功率高光束质量980nm垂直腔底面发射激光器(VCSEL).采用数学模型对VCSEL的电流密度进行了模拟计算,发现电流密度分布由氧化孔直径和p面电极直径决定.确定氧化孔直径后,优化p面电极直径可以实现电流密度的均匀分布,抑制远场光斑中高阶边模的产生.将p面电极直径优化为580μm,制作的600μm的VCSEL远场发散角从30°减小到15°,优化器件的阈值电流和最高输出功率都略有增加.通过改进器件封装方式后,器件输出功率达到2.01W,激射波长为982.6nm.

980nm高功率垂直腔面发射激光器的理论分析

理论分析了980nm高功率垂直腔面发射激光器(VCSEL)的器件特性与其分布布拉格反射镜(DBR)反射率的依赖关系,并计算了具有不同有源区直径的VCSEL的输出特性.分析了具有不同有源区直径的VCSEL在不同DBR反射率条件下的连续输出特性曲线,发现DBR反射率的改变会对有源区直径不同的VCSEL产生不同程度的影响.为了验证理论分析的结果,进行了器件测试实验.实验结果表明,有源区直径为500μm的VCSEL,当其N-DBR反射率分别为99.7%及99.2%时,在连续注入电流为6A时,其输出功率分别为2.01W和2.09W;而有源区直径为200μm的VCSEL,当N-DBR反射率为99.7%及99.2%时,连续注入电流为3A时,其输出功率分别为0.64W及1.12W.器件测试结果有效验证了理论分析的结论.

大功率垂直腔面发射激光器中减小p-DBR串联电阻的途径

为了使垂直腔面发射激光器(VCSEL)实现大功率、高效率的激光输出,对p型分布布喇格反射镜(DBR)形成的同型异质结在界面处存在大势垒导致的高串联电阻和严重发热现象进行了研究。为降低串联电阻,实现VCSEL在室温下的大功率连续发射,分析了p型DBR异质结的势垒结构,对突变异质结的串联电阻进行了计算分析,提出降低势垒高度以及增加扩散浓度是减小串联电阻的主要途径,而漏斗状的掺杂能有效降低体电阻;通过对梯度渐变异质结的分析得出缓变结能有效降低势垒高度;而用Matlab对能带图的数值分析表明,Al0.1Ga0.9As/AlAs接触层中Al组分采取双曲线形式的渐变也能有效降低势垒高度,即降低串联电阻;此外,对于渐变区缓变结的比较表明,采用20～25nm的渐变区宽度即可以得到比较低的势垒高度,同时也不会对DBR的反射率有太大的影响,是较合适的选择。

一种基于热补偿电流的大功率VCSEL模型

基于激光速率方程并加入了热补偿电流,建立了一种用于分析大功率垂直腔面发射激光器(VCSELs)输出特性(P-I)的模型。先测得已知温度下的P-I特性,根据实验数据,利用阈值电流和温度的关系和Gao等人的方法得到a参数和其它参数。把所得参数代入模型,可以获得所需温度下的P-I特性。从模拟结果可以看出,不同温度下,模拟结果与实验结果吻合的非常好,而不考虑热补偿电流时差别很大,从而证明了该激光器模型的有效性;同时,从有源区温度和电流关系曲线可以看出,有源区随着电流增加温升很快,进一步证实了我们研究温度影响的重要性。

大功率半导体激光器阵列热串扰行为

以硬焊料传导制冷,30%填充因子半导体激光器阵列为例,建立了三维有限元模型,对阵列内部各发光单元之间的热串扰行为进行了分析研究。结果表明,当其连续波工作时间大于1.2 ms后,阵列内发光单元之间出现热串扰现象;当次热沉由CuW合金改为铜金刚石复合材料时,阵列内发光单元自热阻和相邻发光单元的串扰热阻降低,有效地降低了各发光单元之间的热串扰行为。保持阵列宽度、发光单元数目及发光单元周期不变,发现随阵列填充因子的增加,器件热阻以指数衰减趋势逐渐降低,而发光单元间的热串扰特性对此变化并不敏感;保持阵列单个发光单元输出功率,发光单元尺寸及阵列宽度不变,增加发光单元个数后,阵列内各发光单元之间热串扰加剧,填充因子越高阵列升温速率越快;但在最初约70μs内,包含不同数目发光单元的阵列最高温度差异仅约0.5℃,有利于多发光单元高填充因子器件高功率输出。

传导冷却单巴高功率半导体激光器热应力和smile研究

利用有限元模型分别研究了回流过程和工作过程中传导冷却高功率半导体激光器的正应力、切应力和形变,并借助理论公式分析了热应力和smile的产生原因和分布规律.分析表明,在回流过程中热膨胀系数不匹配造成的切应力是正应力和变形的根源,而在工作过程中,热膨胀系数不匹配和温度梯度共同影响着热应力和变形.在此基础上,将回流导致的剩余应力和变形作为初始条件施加在有限元模型上,对工作状态器件的热应力和smile进行模拟,以获得更精确的模拟结果.最后,通过有限元模型和实验手段研究了不同热沉温度对smile的影响.结果表明,工作过程会导致器件的smile增大,热沉温度的升高也会造成smile进一步增大.

808 nm半导体激光芯片波导优化与效率特性分析

对808 nm的InAlGaAs/AlGaAs半导体激光器芯片的波导厚度进行了优化,研究发现N波导与P波导厚度比值为1.8时芯片电光转换效率最高。基于上述高效率芯片研制出Chip-on-submount(COS)单管和光纤芯径62.5μm、数值孔径0.22的光纤耦合模块,并研究了两种器件在-10~90℃范围内的效率特性。结果显示,温度由-10℃升高到90℃,COS单管的载流子泄漏占比由1.18%增加到16.67%,光纤耦合模块的载流子泄漏占比由1.99%增加到17.73%,表明温升引起的载流子泄漏加剧是导致电光转换效率降低的主要因素。此外,还研究了高温老炼、热真空、空间辐照对光纤耦合模块电光转换效率的影响,并揭示了导致器件电光转换效率降低的内在因素。

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。

低温808 nm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/℃。

高功率980nm垂直腔面发射激光器的亮度特性

在循环水冷却(工作环境温度控制在15℃)和连续注入电流条件下,从垂直腔面发射激光器(VCSEL)亮度基本定义出发,实验测量了不同注入电流时口径为400μm的高功率980nm InGaAs/GaAs应变量子阱垂直腔面发射激光器(VCSEL)的亮度特性。结果表明:在注入电流<4 A时,随着注入电流的增加,亮度也跟着增加;当注入电流>4A时,尽管输出功率在增加,但是器件的光束质量变差,M2因子升高,表明此时影响器件亮度的主导因素是M2因子,所以亮度减小;在注入电流为4A,输出功率为1.2W时,亮度达到最大值2.43kW/cm2.sr,此时的光束质量最好,M2因子为207。最后,分析了影响高功率VCSEL器件亮度特性的主要因素,提出了提高器件亮度特性的解决方法。

从印度新德里看城市遥感技术在快速发展的大都市中的应用

城市遥感技术现已成为城市规划、建设和管理不可分割的重要组成部分和技术支持，是大型城市进行城市决策的重要辅助工具。卫星遥感多样化的数据采集功能与社会经济信息相结合，为规划和监测新兴城市的变化提供了强有力的工具。

高功率中红外半导体碟形激光器的进展

短波长高性能激光器用途广泛,包括中红外光谱范围在1.9～2.5μm的远距离通信、大气遥感、大气污染检测。然而,满足该性能特点的简洁高效的激光光源尚未利用。在过去几年,主要的进展集中在发展光泵浦(AlGaIn)(AsSb)量子阱半导体碟形激光器上,发射波长为2.xμm的中红外谱区,连续输出功率超过6W,脉冲功率超过16W。此外,单频工作线宽<4MHz,调谐宽度高达170nm,光束质量接近衍射极限。这些优异的性能只有通过高质量的外延生长、合理的器件设计、高效的热处理才能得以实现。