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高功率1470 nm半导体激光器设计与制作
材料来源:激光世界           录入时间:2016/6/2 9:52:53

仇伯仓,胡海,何晋国,汪卫敏,刘文斌,苗春雨,邝郎醒,何黎明,赵楚中

深圳清华大学研究院,深圳瑞波光电子有限公司

 

1. 引言

半导体激光器采用III-V化合物为其有源介质,通常通过电注入,在有源区通过电子与空穴复合将注入的电能量转换为光子能量。与固态或气体激光相比,半导体激光具有十分显著的特点:1)能量转换效率高,比如典型的808 nm高功率激光的最高电光转换效率可以高达65%以上 [1],与之成为鲜明对照的是,CO2气体激光的能量转换效率仅有10%,而采用传统灯光泵浦的固态激光的能量转换效率更低, 只有1%左右;2)体积小。

一个出射功率超过10 W 的半导体激光芯片尺寸大约为0.3 mm3, 而一台固态激光更有可能占据实验室的整整一张工作台;3)可靠性高,平均寿命估计可以长达数十万小时[2]4)价格低廉。半导体激光也同样遵从集成电路工业中的摩尔定律,即性能指标随时间以指数上升的趋势改善,而价格则随时间以指数形式下降。正是因为半导体激光的上述优点,使其愈来愈广泛地应用到国计民生的各个方面,诸如工业应用、信息技术、激光显示、激光医疗以及科学研究与国防应用。高功率激光芯片有若干重要技术指标,包括能量转换效率以及器件运行可靠性等。器件的能量转换效率主要取决于芯片的外延结构与器件结构设计,而运行可靠性主要与芯片的腔面处理工艺有关。本文首先简要介绍深圳瑞波光电子有限公司高功率激光的设计思想以及腔面处理方法,随后展示深圳清华大学研究院和深圳瑞波光电子有限公司在研发1470nm高功率单管激光芯片方面所取得的主要进展。

 

 

     2. 1470nm高功率激光外延结构与器件结构设计

InP n 型包层

InP p 型包层

InGaAlAs  波导核

InGaAlAs  波导核

InGaAlAs  多量子阱结构


 

1. 半导体激光外延结构示意图

 

 

 

 

                                  图2. 外延结构以及与之对应的光场分布

 

 

半导体激光器外延结构从电子学上讲是一p-n结构,而从光学角度讲则是波导结构。对于不同波长器件,外延结构材料也会随波长的不同而选用不同材料体系。比如,蓝绿光以GaN材料为衬底,以InGaN为量子阱材料;从600 nm1250 nm的器件,均是基于GaAs材料体系,而量子阱材料根据波长需要选取不同材料。对于激射波长为1300-1700 nm范围内的量子阱结构, 则基于InP材料体系,通常采用In(1-x-y)Ga(x)Al(y)As 量子阱材料, 通过调节材料的组分以及选取适当的量子阱厚度,人们可以在很大范围内自由设计激射波长。图1给出了一个典型的基于InGaAlAs量子阱材料的1470 nm半导体激光外延结构示意图,由其可见,外延结构由有源区多量子阱、InGaAlAs波导以及InP包层材料组成。为了形成波导结构,波导材料的折射率要小于量子阱材料的折射率,如此一来,在生长方向上,材料对其中的光场便形成很强的限制作用, 光场最强的区域恰好与有源区重叠,从而使得量子阱材料有很高的光增益(见图2)。另外,为了实现电子与空穴在量子阱内产生受激辐射复合,材料必须被掺杂成p-i-n结构,其中有源波导区通常为非掺杂的本征区域。有源区的设计主要参数为量子阱组分、厚度、量子阱数目以及势垒组分等,而设计的主要考虑是阈值电流、量子效率等。有源区确定后,接下来的设计便是波导设计以及掺杂优化。波导设计时通过选取合适的波导材料、厚度来获得所需要的量子阱光场限制因子、远场分布等。在器件设计方面,通常采用腔长较长的结构,这是因为整个芯片的封装模块的热阻与腔长近似成反比,芯片越长,模块热阻越小,芯片的结温越低。图3-5为我们计算的芯片工作电流、阈值电流以及