1 引言

808 nm大功率半导体激光器是激光器的主要代表之一,广泛应用于抽运Nd∶YAG固体激光器、工业加工和激光医疗等领域,发展808 nm高效率高功率半导体激光器具有重要的现实意义^[1-3]。随着应用需求的不断扩展,对半导体激光器抽运源的要求也越来越高,主要体现在以下方面:1)提高输出功率;2)提高电光转换效率;3)提高光束质量;4)提高可靠性。

要想实现高的输出功率,提高光学灾变损伤(COD)阈值是根本。国内外许多研究者对COD问题开展了许多研究,目前主要方法有真空解理、腔面钝化、腔面镀制保护膜等。这些方法能够在一定程度上提高损伤阈值,但工艺复杂,所需设备昂贵,增加生产成本^[4]。

本文主要从以下方面进行腔面镀膜的研究工作,并提升激光器的输出功率和可靠性:1)对大功率激光器腔面镀膜的损伤机理进行分析,优选镀膜材料和反射率;2)建立非标准膜系,优化膜层材料的粗糙度,并采用离子源助镀,有效提高了激光器的腔面损伤阈值和最大输出功率。

2 基本原理

808 nm大功率半导体激光器的输出光功率密度非常高,工作时其光功率密度可达10⁶ W·cm^-2以上。出光腔面的好坏直接影响激光器的输出特性和可靠性。因此,腔面镀膜工艺是直接决定器件可靠性的关键工艺。研究表明,腔面薄膜的损坏机制主要有薄膜材料杂质吸收诱导的破坏、激光电场导致的破坏、光子吸收引起的电离、薄膜材料本身缺陷造成的损坏等^[5-7]。

激光器腔面镀膜使激光器腔面材料和空气及各种污染物隔离,阻止了大气对于腔面的污染和损伤,但激光器腔面与薄膜材料本身会在交界面处发生反应,影响腔面薄膜的界面态和粗糙度,在高功率工作状态下会造成损伤,而这也与薄膜内的温度、材料的吸收系数及界面处的电场强度相关^[8]。因此,优化电场分布和提高膜层的粗糙度非常必要。

2.1 镀膜材料的选取

为了获得性质稳定、高致密性、高粘附性且高损伤阈值的光学薄膜,需要考虑镀膜材料的性质,包括纯度、机械性能、化学特性等。Al₂O₃是一种非常稳定的材料,它的结构和成分在频繁的工艺集成过程中也不会产生明显的变化,因此,选择Al₂O₃代替SiO₂作为低折射率材料。一般高折射率材料的吸收系数比低折射率材料高1~2个数量级,因此,选用TiO₂替代Si作为高折射率材料,达到降低吸收的目的。

2.2 电场强度的优化

激光在波导中的传输满足驻波条件,可用光学矩阵法计算膜系的电场强度分布。文献[ 7,9]已经对激光器常规腔面高反膜进行了电场强度的优化分析和计算。采用TiO₂和Al₂O₃作为高反膜并进行了非标准膜系的优化。通过优化设计膜层厚度,特别是与腔面接触的前几层光学膜,使电场强度相对均衡地分布在每层膜上并降低最高电场强度,从而避免局部电场强度过高引起的永久性光学损伤。

2.3 膜层粗糙度的优化

改进镀膜工艺参数,降低粗糙度,提高膜层材料的质量也是提高激光器腔面膜损伤阈值的有效方法。分别针对Al₂O₃、TiO₂膜系的电子束蒸发条件进行了优化,主要从蒸发速率、转速、离子源助镀条件等方面进行了优化,最后得到了粗糙度相对较小的膜系。同时通过离子源助镀,也有效提高了膜层的粘附性。

2.4 腔面膜反射率的优化

激光器出光面的外微分量子效率可表示为

ηd=ηi×ln(1/R1)ln(1/R1R2)+2Lαi,(1)

式中η_d为外微分量子效率,η_i为内微分量子效率,R₁为出光面的反射率,R₂为激光器另一个腔面的光反射率,L为激光器腔长,α_i为内吸收系数。根据函数关系,激光器腔面膜的设计原理为:1) 高反膜的反射率应尽可能提高,提高反射率有利于提高激光器的性能;2) 增透膜在不同腔长下对激光器的影响不同,而且当固定高反膜反射率时,随着增透膜反射率的降低,激光器的斜率效率会提高,但其阈值电流也会提高。因此,在设计激光器增透膜时,应该根据需要,在满足较高斜率效率的情况下,使阈值电流尽可能地低。

图1和图2分别是激光器高反膜反射率为98%,增透膜反射率分别取10%、20%、30%时测试的激光器阈值电流和斜率效率。根据实际测试结果对比,在制作高功率808 nm激光器时,采用了高反膜反射率为98%和增透膜反射率为10%。

图 1. 不同增透膜反射率的阈值电流

Fig. 1. Threshold current of different reflectivity of antireflection film

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图 2. 不同增透膜反射率的斜率效率

Fig. 2. Slope efficiency of different reflectivity of antireflection film

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3 实验结果

利用低压金属有机气相外延(LP-MOCVD)进行材料生长。采用高纯TMGa、TMIn、TMAl作为Ⅲ族源,纯PH₃和AsH₃为Ⅴ族源,用H₂作为载气;N、P型掺杂分别用Si和Mg,生长温度为650~750 ℃,生长了InGaAsP/GaInP/AlGaInP应变量子阱大光腔结构激光器外延片,进而制作条宽为150 μm、腔长为3 mm的半导体激光器bar条,通过优化的离子源辅助镀膜方法,蒸镀5对非标准的TiO₂/Al₂O₃高反膜,单层Al₂O₃增透膜。作为对比,制作了Si/Al₂O₃标准高反膜的普通芯片。最终测试TiO₂、Al₂O₃的粗糙度,其中TiO₂和Al₂O₃的粗糙度分别为0.23 nm和0.394 nm,结果如图3和4所示。

膜层反射率曲线测试结果如图5(a)、(b)所示。可以看到,增透膜在808 nm处的反射率为10%,高反膜在808 nm附近的反射率可达98%以上,满足激光器的设计需求。

图 3. TiO2薄膜的AFM测试结果

Fig. 3. AFM test results of TiO2 thin film

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图 4. Al2O3薄膜的AFM测试结果

Fig. 4. AFM test results of Al2O3 thin film

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图 5. (a)增透膜反射率曲线;(b)高反膜反射率曲线

Fig. 5. (a) Reflectivity curves of antireflection film; (b) reflectivity curves of high-reflective film

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最后将半导体激光器和对比的普通激光器用AuSn焊料封装到热沉上。室温连续电流情况下,测得器件的功率输出曲线如图6所示。从图中可以看到,采用优化的镀膜方法,其最大输出功率提升到13.6 W以上,可能因为封装因素,其中两个器件受热影响功率稍低。而普通器件输出功率只有10.8 W。

图 6. 808 nm激光器连续功率测试结果

Fig. 6. Continuous power test results of the 808 nm laser

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对测试器件腔面进行了分布测试对比,在测试前和小电流测试条件(电流为4 A)下,激光器腔面无明显变化;在大电流测试(电流为15 A)下,普通芯片出现COD,腔面有明显的烧毁痕迹。优化后的

芯片出现COD的器件前腔面有COD烧毁痕迹,部分器件出现热饱和现象,腔面无明显变化。腔面情况如图7所示。其中图7(a)为优化前芯片腔面,图7(b)为优化后芯片腔面情况。可以看到,优化后虽然也出现了COD,但是烧毁情况有所改变。

4 结论

根据大功率激光器腔面镀膜损伤机理,通过对镀膜工艺的改进,采用TiO₂替换Si作为高折射率材料、Al₂O₃作为低折射率材料,建立非标准膜系降低电场强度,优化膜层材料蒸发工艺,降低膜层的粗糙度,并采用离子源清洗和助镀,有效提高了激光器的腔面损伤阈值。制作的150 μm条宽3 mm腔长的808 nm器件,最大连续输出功率达到13.6 W,而未经优化的器件输出功率只有10.8 W左右。

图 7. 激光器COD腔面测试图。(a)优化前;(b)优化后

Fig. 7. COD test results of the facet. (a) Before optimization; (b) after optimization

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