1 中国工程物理研究院 高能激光科学与技术重点实验室，四川 绵阳 621900
2 中国工程物理研究院 应用电子学研究所，四川 绵阳 621900
结温升高是影响主控振荡放大(MOPA)半导体激光芯片输出功率的重要因素，为解决MOPA芯片的多电极封装和高效散热问题，提出了一种正装和热扩散辅助次热沉相结合的封装结构。建立了该封装结构的3D热模型，对比研究了倒装封装结构、正装无辅助次热沉结构与正装有辅助次热沉结构对MOPA半导体激光器结温的影响。计算结果表明，采用正装有辅助次热沉结构与倒装封装结构散热性能接近，且显著优于正装无辅助次热沉结构，结温降低幅度最高可达40%。另外，采用正装有辅助次热沉封装结构的MOPA半导体激光芯片在连续工作条件下输出功率为10.5 W，谱宽可实现半高全宽小于0.1 nm，中心波长随电流的变化约14 pm/A，实现了10 W级MOPA芯片的封装，验证了该封装结构的有效性。
锥形半导体激光器 热设计 封装结构 热沉 master oscillator power amplifier diode laser thermal design package structure heat sink 强激光与粒子束
2023, 35(5): 051001
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
具有高功率及高亮度激光特性的锥形半导体激光器在激光加工、自由空间通信、医疗等领域具有广泛的应用前景。本文基于广角差分光束传播法(WA-FD-BPM), 对980 nm锥形半导体激光器进行了仿真模拟, 详细分析了不同结构参数(脊形区刻蚀深度、锥形角度、不同脊形区/锥形区长度比、锥形区刻蚀深度、前腔面反射率)对器件光束质量和P-I-V特性的影响。分析认为, 锥形区波导的几何损耗是导致器件斜率效率降低的主要因素, 光泵浦效应是影响锥形激光器光束质量变差的重要因素, 可通过降低器件的前腔面反射率来改善光束质量。研究结果可为锥形激光器的性能优化提供参考。
锥形半导体激光器 广角差分光束传播法 光束质量 光场分布 tapered semiconductor laser wide-angle differential beam propagation beam quality optical field distribution
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
锥形半导体激光器具有高功率、高光束质量等特点, 因此受到广泛关注并成为研究热点。从3种结构(传统结构、分布式布拉格反射(DBR)结构、侧向光栅条纹结构)的锥形半导体激光器出发, 对国内外近十年具有代表性研究成果进行综述, 介绍其理论研究和实验进展, 并对锥形半导体激光器的未来发展进行展望。
锥形半导体激光器 传统结构 DBR结构 侧向光栅条纹结构 tapered diode laser traditional structure DBR structure lateral grating structure
1 长春理工大学 理学院 高功率半导体激光国家重点实验室, 长春 130022
2 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所, 江苏 苏州 215123
为了解决半导体激光器传统刻蚀工艺中侧壁陡直度差和器件难以重复制作的问题, 利用湿法腐蚀与干法刻蚀相结合的刻蚀手段, 对980 nm锥形半导体激光器刻蚀工艺进行优化.通过对台面粗糙度与刻蚀速度的研究, 确定湿法腐蚀液和浓度配比的差异.并分析电感耦合等离子刻蚀对脊波导与腔破坏凹槽表面形貌的影响.研究结果表明, 选择配比为NH3·H2O∶H2O2∶H2O=1∶1∶50的腐蚀液进行湿法腐蚀, 刻蚀速率约为7 nm/s, 速率容易控制.且样品表面具有较好的粗糙度和均匀性, 利用电感耦合等离子刻蚀得到的脊波导与腔破坏凹槽侧壁陡直度良好, 没有出现横向钻蚀的情况.
锥形半导体激光器 陡直度 刻蚀工艺 脊波导 腔破坏凹槽 Tapered semiconductor laser Steepness Etching process Ridge waveguide Cavity failure groove
针对锥形半导体激光器中的脊形波导区宽度较小的问题, 对半导体激光芯片制造中的刻蚀标记及刻蚀方法进行了研究。提出对于锥形半导体刻蚀中的脊型区域和锥形区域, 采用不同精度的双标记刻蚀方法, 细化对脊形波导和锥形波导的刻蚀中的对准问题, 并使光刻标在不同的光刻版上相错位排列, 在相应光刻版中相互遮挡, 反复刻蚀中保证相应的光刻标清晰、完整。刻蚀后的芯片在电流为7 A时获得了中心波长963 nm、连续功率4.026 W、慢轴方向和快轴方向激光光束参数乘积分别为1.593 mm·mrad和0.668 mm·mrad的激光输出。
锥形半导体激光器 脊形波导 光刻标 芯片刻蚀 tapered diode laser ridge waveguide photolithography alignment marks wafer photoetching
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室，吉林 长春 130033
2 中国科学院 研究生院，北京 100049
采用激射波长为850 nm的AlGaInAs/AlGaAs梯度折射率波导分别限制增益量子阱结构的外延片，分别制备了具有锥形结构和条形结构的半导体激光器，并对比分析了两者的温度特性。结果显示，测试温度为20~70 ℃时，锥形结构器件的特征温度为164 K，远高于条形结构器件的96 K；占空比为05%（t=50 μs, f=100 Hz），1 000 mA脉冲电流注入条件下，锥形激光器和条形激光器的波长漂移系数分别为025和028 nm/K；测试温度＜50 ℃时，锥形激光器和条形激光器的光谱半高宽分别约为112和124 nm。实验结果表明：相同外延层结构条件下，锥形激光器比条形激光器拥有更高的特征温度。
锥形半导体激光器 温度特性 特征温度 tapered semiconductor laser temperature characteristic characteristic temperature
1 中国科学院 激发态物理重点实验室 长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 130033
2 中国科学院 研究生院， 北京 100039
采用激射波长为850 nm的AlGaInAs/AlGaAs梯度折射率波导分别限制增益量子阱结构的外延片，设计并制备了具有条形结构和锥形结构的半导体激光器。在输出功率同为1 W时，锥形激光器的发散角、光束传播因子和亮度分别为4°、2.8和9.9 MW·cm-2·sr-1，远好于条形激光器的6°、9.2和3.0 MW·cm-2·sr-1。当外加3 A的脉冲电流时，锥形激光器峰值功率达到1.40 W，斜率效率为0.58 W/A，电光转换效率为30%。实验结果表明，锥形激光器可以在保证大功率输出的前提下，具有更高的光束质量。
锥形半导体激光器 高亮度 光束传播因子 850 nm 850 nm tapered laser diode high-brightness the beam propagation factor
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
自由空间激光通信由于其具有数据传输容量大、传输路径的高度方向性、高保密性的固有优点,使其成为下一代光通信技术的发展方向之一。锥形半导体激光器是自由空间激光通信系统中最重要的光源。主要介绍808 nm锥形半导体激光器的外延结构设计、输出特性、光束质量等。制作的器件总腔长为3.5 mm(脊形长度为800 μm,锥形区长度为2.7 mm),阈值电流为750 mA,斜率效率为0.615 W/A,锥形角度为6°。利用电子束镀膜机在后腔面蒸镀Si和SiO2高反膜(反射率为95%),在前腔面蒸镀单层SiON(反射率< 1%)。在输出功率为2 W条件下,水平发散角为3.9°,垂直发散角为40°,M2=1.8,说明器件具有较好的光束质量。
激光器 脊形波导 锥形半导体激光器 M2因子
