本文關鍵詞：高功率寬區(qū)半導體激光器側(cè)向光束質(zhì)量控制研究

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【摘要】：高功率寬區(qū)半導體激光器由于輸出功率高、可靠性好、壽命長、體積小、波長范圍廣等諸多優(yōu)點,是一種被廣泛使用的激光光源。但是這類激光器在側(cè)向即平行于外延層方向面臨多模工作的問題,惡化了光束質(zhì)量。另外,隨著電流增加,側(cè)向遠場變寬,這對于某些應用是非常不利的。因此,我們將不同的微結構引入到高功率寬區(qū)半導體激光器中,極大地改善了側(cè)向光束質(zhì)量,同時減小了側(cè)向遠場發(fā)散角對電流的依賴。這類基于微結構的高功率寬區(qū)半導體激光器成本低、工藝簡單、非常適合批量生產(chǎn),為高功率高光束質(zhì)量半導體激光器的研制奠定了良好的基礎。本論文主要圍繞高功率寬區(qū)半導體激光器的結構設計、工藝制備及工作性能等方面進行了研究。本論文的主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)針對寬區(qū)半導體激光器,采用有效折射率近似的方法,自洽的求解了波導方程和載流子擴散方程,獲得側(cè)向模式的表達式。通過對不同側(cè)向模式的遠場和近場分布對比分析,得到了高階模式的形成機理并獲得側(cè)向光束質(zhì)量優(yōu)化設計的方法。(2)采用非對稱大光腔外延結構,在激光器的側(cè)向引入周期性的脊型波導結構。在相同腔長的條件下研究了不同長度的脊型波導結構對器件的輸出功率、近場和遠場的影響。研究發(fā)現(xiàn),當側(cè)向脊型波導長度占整個腔長長度的20%時,可提高器件的內(nèi)量子效率,因此激光器的輸出功率提高了3%。同時由于對增益的微擾,獲得了相對均勻的近場分布。最大電流4 A時,該類型器件的發(fā)散角由10.54°減小到8.51°。同時側(cè)向發(fā)散角隨注入電流的增加速率由1.27°/A降低至0.13°/A。(3)將一種空間電流調(diào)制結構引入到高功率寬區(qū)半導體激光器中。這種結構可實現(xiàn)二維電流分布,在側(cè)向和縱向形成周期性的增益-損耗,抑制了電流的側(cè)向擴散作用及減少器件邊緣處的載流子累積。利用LASTIP和PICS3D軟件進行了優(yōu)化設計并利用優(yōu)化參數(shù)制備了64μm條寬、1240μm腔長器件。通過測試發(fā)現(xiàn)光參量乘積值降低36.5%,并且側(cè)向發(fā)散角不隨電流增加而增加。同時激光器的光譜線寬減少45%,實驗結果與理論設計相一致。(4)根據(jù)光子晶體激光器外延層的摻雜和波導結構特性,提出了一種階梯狀的溝槽結構。通過去除電流注入窗口邊緣的歐姆接觸層,減少了側(cè)向電流擴散,提高了器件的電流注入效率。同時,溝槽的形成在側(cè)向產(chǎn)生一定的折射率差,高階側(cè)向模式閾值增加,抑制了高階模式激射。采用優(yōu)化后的參數(shù)制備了84μm條寬、1700μm腔長的器件。通過測試并與無結構器件對比發(fā)現(xiàn),輸出功率提高了15.4%,光參量乘積值提高了25.2%。
【學位授予單位】：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN248.4

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