Author Affiliations
Abstract
1 National Engineering Research Center for Optoelectronic Devices, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
2 College of Materials Sciences and Opto-Electronic Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
The 975 nm multimode diode lasers with high-order surface Bragg diffraction gratings have been simulated and calculated using the 2D finite difference time domain (FDTD) algorithm and the scattering matrix method (SMM). The periods and etch depth of the grating parameters have been optimized. A board area laser diode (BA-LD) with high-order diffraction gratings has been designed and fabricated. At output powers up to 10.5 W, the measured spectral width of full width at half maximum (FWHM) is less than 0.5 nm. The results demonstrate that the designed high-order surface gratings can effectively narrow the spectral width of multimode semiconductor lasers at high output power.
laser diodes distributed Bragg reflector high order gratings high power laser diodes narrow spectrum width Journal of Semiconductors
2024, 45(3): 032401
张傲翔 1任炳阳 2王芳 1,3,4,5,*刘俊杰 1,3,5刘玉怀 1,3,4,5,**
1 郑州大学电气与信息工程学院电子材料与系统国际联合研究中心，河南省电子材料与系统国际联合实验室，河南 郑州 450001
2 郑州大学计算机与人工智能学院，河南 郑州 450001
3 郑州大学智能传感器研究院，河南 郑州 450001
4 郑州唯独电子科技有限公司，河南 郑州 450001
5 郑州大学产业技术研究院有限公司，河南 郑州 450001
为了提升深紫外激光二极管（DUV LDs）的载流子注入效率，优化其工作性能，提出了阶梯型超晶格（SSL）电子阻挡层（EBL）和楔形（WS）空穴阻挡层（HBL）结构。使用Crosslight软件分别仿真了具有矩形EBL和HBL、矩形超晶格（RSL）EBL和塔形（TS）HBL以及SSL EBL和WS HBL的DUV LDs。仿真结果表明，SSL EBL和WS HBL更有效地增加了量子阱（QWs）中的载流子注入，减少了非有源区的载流子泄漏，提高了辐射复合率，降低了阈值电压和阈值电流，提高了DUV LDs的输出功率和电光转换效率。
激光器 深紫外激光二极管 AlGaN 阶梯型超晶格 阻挡层 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1525001
1 郑州大学信息工程学院电子材料与系统国际联合研究中心，河南 郑州 450001
2 郑州大学传感器研究院，河南 郑州 450001
3 郑州唯独电子科技有限公司，河南 郑州 450001
4 郑州大学产业技术研究院有限公司，河南 郑州 450001
本文提出利用双凹波导层来改善深紫外（DUV）激光二极管（LDs）的辐射复合特性。利用Crosslight软件对四种不同的波导层结构进行了仿真研究。结果表明，双凹下波导层的引入提高了空穴的有效势垒高度，有效地抑制了空穴从多量子阱（MQW）区的泄漏，增加了MQW区载流子的浓度。优化后的结构辐射复合率显著提升，具有更好的P-I特性和光学约束因子，为提高DUV LDs的性能提供了一个有效的解决方案。
激光器与激光光学 深紫外激光二极管 AlGaN 上波导层 下波导层 辐射复合速率 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1514007
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 太原理工大学 材料科学与工程学院, 山西 太原 030024
2 航天科工防御技术研究试验中心, 北京 100854
3 太原理工大学 新材料界面科学与工程教育部重点实验室, 山西 太原 030024
4 太原理工大学 轻纺工程学院, 山西 太原 030024
5 陕西科技大学 材料原子·分子科学研究所, 陕西 西安 710021
采用SiLENSe(Simulator of light emitters based on nitride semiconductors)软件仿真研究了AlxInyGa1-x-yN电子阻挡层(EBL)Al组分渐变方式对GaN基激光二极管(LD)光电性能的影响, 实现了提高输出功率和电光转换效率的目的。文中提出的四种Al组分渐变方式分别是传统均匀组分、右阶梯渐变组分(0~0.07~0.16)、三角形渐变组分(0~0.16~0)、左阶梯渐变组分(0.16~0.07~0)。结果表明, 与传统均匀组分EBL结构相比, Al组分阶梯渐变AlxInyGa1-x-yN EBL LD导带底的电子势垒显著提高, 价带顶的空穴势垒降低。这主要是由于该结构能有效抑制电子泄漏和提高空穴注入效率, 从而提高有源区载流子浓度, 进而提高有源区辐射复合效率。当注入电流为0.48 A时, 采用Al组分阶梯渐变AlxInyGa1-x-yN EBL结构能将器件开启电压从5.1 V降至4.9 V, 光学损耗从3.4 cm-1降至3.29 cm-1, 从而使光输出功率从335 mW提高至352 mW, 电光转换效率从12.5%提高至13.4%。此外, 讨论了Al组分阶梯渐变EBL结构对GaN基蓝光LD光电性能的影响机制。该结构设计将为外延生长高功率GaN基LD提供实验数据和理论支撑。
GaN基蓝光激光二极管 电子阻挡层 Al组分 光电性能 GaN-based blue laser diodes electron blocking layer Al composition photoelectric performance
1 中国科学院半导体研究所 光电子器件国家工程中心, 北京 100083
2 中国科学院大学 电子电气与通信工程学院, 北京 100049
3 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院, 北京 100049
腔面光学灾变损伤是制约半导体激光器输出功率以及可靠性的主要因素之一，量子阱混杂技术是最常用的解决腔面灾变性光学损伤的方法。为了制备高功率、高可靠性半导体激光器单管器件，对Si杂质诱导量子阱混杂工艺进行了探索。本文使用Si介质层作为扩散源，采用管式炉高温退火的方法进行Si杂质扩散诱导量子阱混杂研究。实验并分析了介质膜厚度、退火条件、量子垒材料、牺牲层材料等因素对InGaAs/GaAs(P)量子阱蓝移量的影响。实验发现，量子阱和量子垒的混杂效果随着扩散时间以及退火温度增加而增大，且对温度尤其敏感。当退火条件为780 ℃、10 h时，InGaAs/GaAsP结构的波长蓝移量达到70.5 nm，量子垒为GaAsP时比GaAs有更好的促进蓝移效果。相同外延结构下，InGaP牺牲层结构相比AlGaAs牺牲层有更大的波长蓝移。
量子阱混杂 半导体激光器 腔面光学灾变损伤 quantum well intermixing semiconductor laser diodes COMD
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Industrial and Information Engineering, University of Pavia, 27100 Pavia, Italy
2 Department of Electronics, Informatics and Bioengineering, 20133 Milano, Italy
At the mirrors of a laser diode self-mixing interferometer, the output beams carry anti-correlated (i.e., in phase opposition) interferometric signals, whereas the superposed noise fluctuations are (partially) correlated. Therefore, by using an instrumental output of the interferometer as the difference of the two, we double the amplitude of the self-mixing useful signal, while the superposed noise is reduced. To validate the idea, we first calculate the noise reduction by means of a second-quantization model, finding that in a laser diode the signal-to-noise ratio (SNR) can be improved by 8.2 dB, typically. Then, we also carry out an experimental measurement of SNR and find very good agreement with the theoretical result.
interferometry self-mixing noise laser diodes Chinese Optics Letters
2021, 19(9): 092502
1 中国科学院半导体研究所全固态光源实验室, 北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100049
3 北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院, 北京 100124
针对矩形阵列光束与光纤耦合的角度填充系数低,以及未能充分利用光纤数值孔径的缺点,提出密堆积阵列光束的光纤耦合方式以最大化角度填充系数,从而提升光纤耦合的输出亮度。基于该排布方式设计无像差平行平板缩束装置,相比于望远镜缩束系统,该装置可保持光束发散角不变,消除阵列光束之间的暗区,改善组合光束的光束质量。仿真结果表明,该装置可将14支功率为1.5 W绿光单管耦合进数值孔径为0.15和芯径为105 μm的光纤中,获得93.75%的光纤耦合效率,输出功率为19.13 W,对应亮度为3.125 MW·cm -2·Sr -1,系统的总光-光传输效率达91.10%。
激光光学 半导体激光器 绿光 光束整形 高亮度
北京工业大学 光电子技术省部共建教育部重点实验室, 北京 100124
采用离子辅助电子束蒸发方法, 通过改变制备Al2O3增透膜时基底的温度, 在边发射半导体激光器前腔面上分别制备了张应力和压应力增透膜。比较了张应力、压应力两种不同增透膜对半导体激光器性能的影响。结果表明: 在10A注入电流下, 当半导体激光器的增透膜为张应力状态时, 输出功率为8.11W; 当半导体激光器的增透膜为压应力状态时, 输出功率为7.74W。可见, 在半导体激光器前腔面制备张应力增透膜有效地提高了半导体激光器的斜率效率。
半导体激光器 薄膜应力 斜率效率 laser diodes film stress slope efficiency
1 中国科学院半导体研究所 光电子器件国家工程中心, 北京 100083
2 中国科学院大学, 北京 100049
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。
量子阱半导体激光器 光学灾变损伤 量子阱混杂 蓝移 quantum well semiconductor laser diodes catastrophe optical damage quantum well intermixing blue shift
