针对典型卫星轨道辐射环境下激光二极管（LD）的可靠性评估问题，对自研的975 nm GaAs基量子阱（QW）LD开展了10 MeV质子、3×10⁸~3×10¹¹ cm^-2注量的地面模拟辐照实验。结合蒙特卡罗软件仿真模拟和数学分析方法，全面研究了器件位移损伤退化规律，以及不同注量、不同辐照缺陷对器件功率特性、电压特性和波长特性等关键参数的影响。结果显示，质子辐照会引入非辐射复合中心等缺陷并破坏界面结构，导致载流子浓度降低、光电限制能力下降，宏观上体现为器件阈值电流增加、输出功率下降、波长红移和单色性受损。同时，3×10¹⁰ cm^-2以上注量的10 MeV质子等效位移损伤剂量辐照会对975 nm QW LD性能产生较大影响。

为了解决限制近红外单发射区InGaAs/AlGaAs量子阱半导体激光二极管失效阈值功率提升的腔面光学灾变损伤问题, 研制了一种带有Si杂质诱导量子阱混杂非吸收窗口的新型激光二极管, 并对其性能进行了测试分析。首先, 对于带有非吸收窗口的二极管, 在其谐振腔上方前后腔面附近的窗口区域覆盖50 nm Si/100 nm SiO2组合介质层, 在远离腔面的增益区域覆盖50 nm Si/100 nm TiO2组合介质层, 并采用875 ℃/90 s快速热处理工艺促进Si杂质扩散诱导量子阱混杂并去除非辐射复合中心。然后, 基于相同外延结构、相同流片工艺制备了无非吸收窗口的激光二极管作对照组。测试结果显示, 带有非吸收窗口的新型激光二极管平均峰值输出功率提升约33.6%, 平均峰值输出电流提升约50.4%, 腔面光学灾变损伤的发生概率和破坏程度均明显降低, 且其阈值电流、斜率效率及半高全宽等特性也无任何退化。该研究证明, 采用Si杂质诱导量子阱混杂技术制备的非吸收窗口, 对近红外单发射区InGaAs/AlGaAs量子阱半导体激光二极管腔面光学灾变损伤有明显的抑制效果。

光学灾变损伤(COD)常发生于量子阱半导体激光器的前腔面处, 极大地影响了激光器的出光功率及寿命。通过杂质诱导量子阱混杂技术使腔面区波长蓝移来制备非吸收窗口是抑制腔面COD的有效手段, 也是一种高效率、低成本方法。本文选择了Si杂质作为量子阱混杂的诱导源, 使用金属有机化学气相沉积设备生长了InGaAs/AlGaAs量子阱半导体激光器外延结构、Si杂质扩散层及Si3N4保护层。热退火处理后, Si杂质扩散诱导量子阱区和垒区材料互扩散, 量子阱禁带变宽, 输出波长发生蓝移。退火会影响外延片的表面形貌, 而表面形貌则可能会影响后续封装工艺中电极的制备。结合光学显微镜及光致发光谱的测试结果, 得到825 ℃/2 h退火条件下约93 nm的最大波长蓝移量, 也证明退火对表面形貌的改变, 不会影响波长蓝移效果及后续电极工艺。

为降低半导体激光器在慢轴方向的远场发散角, 改善慢轴光束质量, 本文提出了一种新型的绝热封装结构, 可削弱激光器工作时因芯片横向温度不均而导致的热透镜效应, 并基于傅里叶热传导方程, 采用有限元分析软件ANSYS 18.0进行热特性仿真, 利用Fineplacet贴片机对808 nm In0.1Ga0.73Al0.17As/Al0.37GaAs宽条形半导体激光器进行绝热封装, 采用电荷耦合器件(CCD)图像采集分析法对其光束质量进行测量。实验结果表明采用绝热封装方式可减小慢轴发散角约40%, 且慢轴发散角随工作电流变化更稳定, 相对应的光参数积BPP和光束质量因子M2也随之降低约33%和30%, 芯片横向(慢轴方向)与热沉接触宽度越小, 绝热封装对慢轴光束质量改善效果越好。绝热封装中空气隙的引入使得激光器光电特性产生恶化, 输出功率降低约14%, 光电转换效率降低约8.7%。绝热封装方式对改善半导体激光器的慢轴光束质量具有重要的指导意义。

为了突破多单发射区半导体激光器光纤耦合模块设计过程中空间合束法遇到的合束功率及光功率密度无法上升的瓶颈, 得到多单发射区半导体激光器光纤耦合模块更优参数的光束输出, 同时完成单一激光器光纤耦合模块泵浦多种激光器的目标, 结合ZEMAX光学设计软件及Solidworks工程设计软件设计并制作了一种由6支、可输出2种波长分别为915 nm及974 nm的单发射区半导体激光器组成的光纤耦合模块。该模块的实现过程包括微透镜光束快慢轴整形、空间合束、波长合束、光路转向及聚焦, 最终耦合进数值孔径为0.22、光纤芯径为105 μm的普通光纤, 测试结果表明该模块光纤输出光功率达到了46 W, 2种波长均在光纤输出光束中检测到, 且光纤耦合效率高于83%。使用ANSYS软件对模块进行散热分析, 结果显示, 模块正常使用后最高温升至37 ℃, 在正常使用温度范围内, 表明模块的散热性能良好, 具备实际应用的可行性。

为了研究以单管半导体激光器为基本单元的高功率、高亮度波长合束光纤耦合模块，设计出新型光纤激光器泵浦模块，基于ZEMAX光学设计软件等设计了一种由30支单管半导体激光器组成、可输出3种波长光束的光纤耦合模块。将经快慢轴整形、空间合束、波长合束、光路转向及聚焦的光束耦合进入芯径105 μm、数值孔径0.22的普通光纤，最终得到尾纤输出端高于357.91 W的输出功率，光纤耦合效率为99.42%，光功率密度为27.24 MW/cm2-stras。为了验证模块的实际操作的可行性，分析了光纤端面法线与入射光束之间的夹角对耦合效率的影响，结果显示该夹角对模块的耦合效率影响较小。同时，应用ANSYS软件对模块散热情况的分析结果可知，模块散热性能良好。故该模块各项性能良好，可靠性较高，实现了高功率、高亮度、多波长的多单管半导体激光器光纤耦合模块的设计目的。

为了发挥单管半导体激光器的优势, 获得光纤耦合模块多波长、高功率、高亮度的光束输出, 利用ZEMAX软件仿真模拟, 设计了一种单管光纤耦合模块。此模块将32支输出波长分别为915 nm、975 nm, 输出功率为15 W的单管半导体激光器, 经过微透镜组快慢轴光束整形、空间合束、偏振合束、波长合束以及光束聚焦等一系列工艺后, 耦合进芯径200 μm、数值孔径0.22的光纤。模拟结果显示, 光纤输出功率467.46 W, 光纤前后耦合效率大于98.47%, 总耦合效率高于97.39%, 光功率密度高于12.86 MW/(cm2·sr), 达到了泵浦激光器和功率型器件的性能要求。使用Solidworks软件设计了相应的底板结构, 并结合ANSYS软件进行散热模拟分析, 结果显示该模块散热性能良好, 可行性较高。

利用空间合束技术和光纤耦合技术将9只波长为915 nm单管芯半导体激光器高效率耦合进光纤中, 制备出具有高功率、高亮度输出光纤耦合模块。应用ZEMAX光学软件进行模拟仿真后通过实验验证, 光纤耦合模块可以通过芯径105 μm、数值孔径0.22的光纤输出大于110 W的功率, 并且亮度达到8.64 MW/(cm2·sr)。