大功率半导体激光器抗腔面灾变性光学损伤技术综述

激光器腔面灾变性光学损伤对大功率半导体激光器的最大输出功率和可靠性有很大的负面影响,是激光器突然失效的主要机制。如何克服腔面灾变性光学损伤,从而获得高性能的大功率半导体激光器成为重要的研究课题。文章首先对腔面灾变性光学损伤的研究历程进行了简要介绍,随后论述了腔面灾变损伤的物理机制及热动力学过程,最后从技术原理、方法、优缺点、改进方法、研究进展及应用现状的角度,逐一对各种抑制腔面灾变损伤的方法进行了归纳和总结。

550 K高温下激光器腔面温度的影响研究

针对激光器长期高温工作时腔面温度急剧升高产生灾变性光学损伤(COD)的问题,文章提出在半导体激光器腔面处加入Al2O3膜和陶瓷隔热共同作用,其可以降低激光器腔面温度,防止COD的产生。文章首先建立了半导体激光器简化模型分析固体传热。然后对550 K高温下无镀膜无隔热结构、有镀膜无隔热结构、无镀膜有隔热结构及镀膜与隔热结构共同作用时激光器模型的腔面温度进行仿真。其中镀膜选用Al2O3,隔热结构选用陶瓷隔热,腔面材料选用GaAs,热沉选用Cu热沉,接触层选用AlGaAa。4组对比实验结果表明,镀膜与隔热结构共同作用时,能将激光器的腔面温度控制在393.15 K以下。550 K高温在激光器腔面处镀膜和隔热结构双重作用下,能够有效防止COD产生,提高激光器的使用寿命。

大功率半导体激光器腔面氮钝化的研究

针对980 nm大功率半导体激光器腔面离子铣氮钝化处理工艺进行了研究,发现腔面离子铣氮钝化可以提高激光器的输出特性及COD功率,器件输出功率提高了32.14%;老化实验后,经过氮钝化的半导体激光器没有明显退化,而未经氮钝化处理的激光器退化严重;使用俄歇谱测试仪(AES)对钝化处理后的半导体激光器试验片进行测试,发现有部分的氮离子遗留在腔面处;氮元素含量由原有的0%上升到20%,与此同时,氧元素的含量由原来的61%降至30%。结果表明,该技术能够改善半导体激光器的腔面特性,器件的可靠性和使用寿命可望得到提高。

808nm大功率半导体激光器腔面膜的制备

采用等离子体辅助电子束蒸发方法在 80 8nm大功率量子阱半导体激光器腔面设计镀制了HfO2 /SiO2 系前后腔面膜 用直接测量法测量并比较了各种常用膜系的相对损伤阈值 增透膜的反射率为 12 .2 % ,高反膜的反射率为 97.9% 对于 10 0 μm条宽、10 0 0 μm腔长的条形结构通过器件测量结果是出光功率提高 79%、外微分量子效率提高 80 %、功率效率由没镀膜之前的 2 2 .2 %提高到镀膜之后的 39.8%

980nm脊型波导激光器腔面非注入区的研究

报导了质子注入技术在提高980nm半导体激光器可靠性上的应用。p-GaAs材料经过质子注入后获得高的电阻率。在距离腔面25μm的区域内进行质子注入,由此形成腔面附近的电流非注入区。腔面附近非注入区减少了腔面载流子的注入,因此减少了非辐射复合的发生,提高了激光器的灾变性光学损伤(COD)阈值。应用质子注入形成腔面非注入区的管芯的平均COD阈值功率达到268mW,而应用常规工艺的管芯的平均COD阈值功率为178mW。同常规工艺相比,应用质子注入形成腔面非注入区技术使管芯的COD阈值功率提高了50％。

半导体激光器腔面增透膜AlN薄膜的制备

提出了一种新的半导体激光器增透膜———AlN膜,并用matlab软件模拟分析了不同腔面反射率对激光器输出功率的影响,得到激光器最大输出功率时前后腔面的反射率的最佳值。采用反应磁控溅射技术,利用高纯铝靶(99.999%)和N2+Ar的混合气体在K9玻璃基片上沉积了AlN薄膜。利用Filmetrics系统对薄膜进行光学性能测试,分析了不同工艺参数对薄膜沉积速率和折射率的影响。将最优条件下制得的AlN单层增透膜用于半导体激光器上,光学灾变损伤阈值和器件输出功率都得到了很大的提高。

大功率半导体激光器的腔面钝化

大功率半导体激光器的腔面退化是影响其寿命和可靠性的重要因素,长期以来一直是人们关注和研究的重点。本文利用离子铣结合腔面钝化还原层的方法对大功率半导体激光器的腔面进行处理。结果显示,离子铣腔面钝化能够在一定程度上减少半导体激光器的功率退化,168h加速老化后退化幅度降低4.5%;同时该技术对老化过程中COD阈值降低有明显的抑制作用,可有效减少使用中的突然失效。结果表明,该技术能够改善半导体激光器的腔面特性,器件的可靠性和使用寿命可望得到提高。

新型大功率LD非注入区窗口结构研究

提出了一种基于腔面非注入区的新型窗口结构,通过腐蚀高掺杂欧姆接触层,在腔面附近引入电流非注入区,限制载流子注入腔面,减少载流子在腔面处的非辐射复合,提高了激光器腔面的光学灾变性损伤(COD)阈值。同时,引入脊型波导结构,降低了光束的水平发散角。采用该结构制作的器件在功率达到22W时仍未出现COD现象,而无腔面非注入区结构的器件输出功率达到18W时腔面发生COD。同时,采用该结构制作的器件在工作电流为12A时其光束的水平发散角约为10°,而常规电流非注入区结构的器件在相同的工作电流下其光束水平发散角约为15°。

基于腔面非注入技术的大功率半导体激光器

采用腔面电流非注入技术,提高了808nm半导体激光器灾变性光学损伤(COD)阈值。通过腐蚀GaAs高掺杂层的方法,在半导体激光器腔面附近形成电流非注入区,以此来减少腔面处的载流子注入。载流子注入水平的降低,减少了腔面处非辐射复合的发生,因而提高了激光器的灾变性光学损伤阈值。应用电流非注入技术制作的器件的最大输出功率达到3.7W;而应用常规工艺制作的器件的最大输出功率为3.1W。同常规工艺相比,采用该技术使器件的最大输出功率提高了近20%。

大功率半导体激光器腔面抗烧毁技术

首先介绍了连续激光器单管老化试验,试验通过测试不同老化时间激光器腔面的烧毁功率,对腔面烧毁发生的过程进行了分析。分析认为,大功率半导体激光器腔面烧毁失效的根本原因是腔面烧毁功率在老化过程中持续减小,最终低于激光器输出功率,造成激光器灾变性光学镜面破坏(COMD)。随后对腔面烧毁的微观物理机理进行了介绍,重点讨论了腔面缺陷相关的非辐射复合、量子阱带边吸收、自由载流子吸收造成的腔面温度升高以及腔面高温导致腔面缺陷密度增加并且向腔内攀移的微观过程。最后,介绍了电流非注入腔面、大光腔材料、长腔长设计、腔面离子铣钝化工艺等腔面抗烧毁技术研究情况,并对这些技术提高腔面抗烧毁功率以及改善腔面长期稳定性的效果进行了讨论。

带有非吸收窗口的大功率915nm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Si O2和Si3N4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13 A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9 A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。

锗基InAs量子点激光器的腔面失效及再生的研究

围绕锗基InAs量子点激光器,开展了激光器腔面失效及再生的研究。研究并分析了灾变性光学镜面损伤产生的机理及其对激光器腔面的影响,开展了腔面再生研究,发展了一套创新性的腔面再生工艺并实现了失效的锗基InAs量子点激光器的再生。根据锗基InAs量子点激光器材料结构设计腐蚀工艺,通过选择性腐蚀在激光器腔面制备出悬臂结构,采用细针解理使悬臂结构自然解理,获得新的激光器谐振腔面,失效激光器重新工作。对比了激光器失效前和再生后的工作性能,结果表明因灾变性光学镜面损伤而失效的锗基InAs量子点激光器获得全新的谐振腔面,锗基激光器器件性能和失效前相当。

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。

980nm高功率脊型波导半导体激光器（英文）

介绍了高功率980 nm脊型波导半导体激光器的设计及制造。为了减少腔面处的光功率密度,设计了宽波导结构。利用常规工艺获得了最大500 m W输出的器件,同时灾变光学损伤阈值达到了560 m W。