1 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
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5 811 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。
大功率半导体激光器 加速退化试验 双应力 寿命 high-power laser diodes accelerated degradation test double-stress lifetime 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220592
1 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130022
3 海南师范大学物理与电子工程学院 海南省激光技术与光电功能材料重点实验室, 海南 海口 571158
4 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
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/℃。
半导体激光器 载流子泄漏 低温 高效率 温度效应 semiconductor laser carrier leakage low temperature high efficiency temperature effects
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 陕西省计量科学研究院, 陕西 西安 710100
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。
高功率 半导体激光列阵芯片 高温特性 能量损耗分布 high power laser diode array chips high temperature characteristic energy loss distribution
1 中国科学院大学, 北京 100049
2 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
3 陕西省计量科学研究院, 陕西 西安 710100
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62.5 μm、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。
半导体激光器 光纤耦合模块 光功率 电光转换效率 diode lasers fiber-coupled module optical power power conversion efficiency
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 西安 710119；中国科学院大学, 北京 100049
2 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 西安 710119
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960 nm半导体激光器阵列，阵列包含38个发光点，腔长为2 mm，在驱动电流为600 A、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959.5 nm.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.
高功率半导体激光阵列 独立发光点 应变 微通道 光电特性 High-power semiconductor laser array Independent emitter Strain Microchannel Photoelectric characteristics
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室， 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学， 北京 100049
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。
高功率半导体激光阵列 高温 微通道 电光转化效率 能量损耗分布 high-power semiconductor laser array high temperature microchannel power conversion efficiency energy loss distribution
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics, Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710119, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 School of Physics and information Technology, Shaanxi Normal University, Xi’an 710119, China
A novel black phosphorus (BP) solution saturable absorber (SA) is fabricated by the liquid-phase-exfoliated method and successfully used for passively Q-switched (QS) Nd:YVO4 laser. Compared with a traditional solid SA, a BP solution SA possesses more excellent optical transparency and higher damage resistance. The shortest pulse duration and highest average output power are measured to be 119 ns and 1.23 W, respectively. To the best of our knowledge, both of them are the best results among QS solid-state lasers with BP-based absorbers so far. The repetition rate is in the range of 533.2 to 722 kHz. The results indicate the potential application of the BP solution SA into high-power solid-state pulse lasers.
140.3540 Lasers, Q-switched 140.3580 Lasers, solid-state 160.4330 Nonlinear optical materials Chinese Optics Letters
2017, 15(1): 011402
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术重点实验室，西安 710119
2 中国科学院大学，北京100049
3 西安炬光科技股份有限公司，西安710077
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.
激光器 高功率半导体激光器 有限元方法 热应力 温度 Laser High powersemiconductor laser Finite Element Method Thermal stress Temperature
1 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
2 西安立芯光电科技有限公司, 陕西 西安 710077
通过设计极低损耗808 nm半导体激光芯片外延结构, 实现腔内损耗小于0.5 cm-1。采用该高效率外延结构研制出高峰值功率808 nm巴条芯片, 巴条的填充因子为85%, 包含60个发光点, 发光区宽度为140 μm, 腔长为2 mm。在驱动电流为500 A, 脉冲宽度为200 μs, 重复频率为400 Hz, 占空比为8%的工作条件下, 该芯片的准连续(QCW)峰值输出功率为613 W, 斜率效率达1.34 W/A,峰值波长为807.46 nm, 光谱半峰全宽为2.88 nm。任意选取5只芯片, 在准连续300 W(占空比8%)条件下进行了寿命验证, 芯片寿命达到3.63×109 shot, 定功率300 W下电流变化小于10%, 达到商业化水平。
激光光学 半导体激光芯片 峰值功率 光损耗 寿命
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
2 西安立芯光电科技有限公司, 陕西 西安 710119
高效率、高功率半导体激光器及其抽运的全固态激光器和光纤激光器是激光系统中的核心元器件，具有体积小、重量轻、输出功率高、性能稳定和寿命长等优点，广泛应用于医疗美容、先进制造、娱乐显示、激光抽运、安全防护等领域。高功率半导体激光芯片是整个激光产业链的基石与源头，是战略新兴产业的技术核心与瓶颈。目前国内中高端半导体激光芯片主要依赖进口，市场需求旺盛，因此开展高端半导体激光芯片自主研究具有十分重要的意义。
