本文選題：半導體激光器　切入點：GaSb　出處：《中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)》2016年博士論文

【摘要】：本論文主要研究了低發(fā)散角2μm波段GaSb基寬區(qū)波導半導體激光器的設(shè)計與實現(xiàn)。研究從寬區(qū)激光器側(cè)向和橫向發(fā)散角的改善著手,在側(cè)向即激光器的慢軸方向,我們通過引入魚骨形微結(jié)構(gòu)增加高階膜的損耗,抑制高階模式激射,改善激光器的側(cè)向光束質(zhì)量;在橫向即激光器的快軸方向,我們采用布拉格反射波導結(jié)構(gòu),利用光子帶隙原理取代傳統(tǒng)的全反射波導進行光場限制,用來實現(xiàn)大的光學模式尺寸、高功率、低發(fā)散角激光輸出。該方法可以有效解決傳統(tǒng)半導體激光器發(fā)散角大、易于腔面災(zāi)變損傷、光束質(zhì)量差、亮度低等問題,因此本研究選題具有一定的創(chuàng)新性和重要的研究意義。本論文主要針對高光束質(zhì)量2μm波段GaSb基半導體激光器,重點研究其結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料生長、器件制備及測試分析,具體的研究內(nèi)容和成果如下:(1)采用傳輸矩陣理論和布洛赫波近似的方法設(shè)計了新型高折射率中心層低快軸發(fā)散角GaSb基布拉格反射波導激光器。(2)理論研究了布拉格反射鏡(DBR)的厚度、對數(shù)、高低折射率比以及中心腔厚度對激光器的遠場發(fā)散角和光限制因子的影響,最終獲得優(yōu)化的器件結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)可將2μm GaSb基激光器快軸發(fā)散角(半高全寬)從50度以上壓縮到10度以下。(3)采用有限元插分法(FDTD)模擬魚骨形微結(jié)構(gòu)對各高階側(cè)向模式的調(diào)制作用,理論上證明該結(jié)構(gòu)可有效抑制高階模式激射,改善激光器側(cè)向光束質(zhì)量。(4)將魚骨形微結(jié)構(gòu)應(yīng)用于GaAs基寬區(qū)布拉格反射波導激光器上,制備了100μm條寬、1.4mm腔長的單元器件,測試結(jié)果表明遠場發(fā)散角降低22.2%,從而在實驗上驗證魚骨形微結(jié)構(gòu)的對側(cè)向發(fā)散角的改善作用。(5)將魚骨形微結(jié)構(gòu)應(yīng)用于2μm波段GaSb基寬區(qū)半導體激光器,側(cè)向遠場發(fā)散角改善了56.4%,連續(xù)輸出功率提高19%,而且該結(jié)構(gòu)基本不改變寬區(qū)GaSb基激光器的制備流程,具有工藝簡單、成本低、可規(guī)�；苽涞葍�(yōu)點,為低側(cè)向發(fā)散角GaSb基激光器的實現(xiàn)提供了一種有效的解決方法。
[Abstract]:This paper mainly studies the low divergence angle design of 2 m wavelength GaSb based wide area waveguide semiconductor lasers and implementation. The lateral and transverse divergence angle of laser zone from the research to the side in the slow axis direction of laser, we introduce a fishbone shaped micro structure increase the loss of high order film, suppression of high order mode lasing, the lateral beam quality of laser in fast axis direction; the lateral laser, we use the Prague reflection waveguide structure with photonic bandgap principle of light field to replace the traditional limit of total reflection waveguide, used to achieve the size, large optical mode of high power, low divergence angle of the laser output. The method can effectively solve the traditional the semiconductor laser divergence angle, easy cavity surface catastrophic damage, poor beam quality, low brightness, so this study has some innovative and important research significance of this theory. Aiming at the high beam quality 2 M band GaSb based semiconductor laser, research on the structure design, focusing on the growth of materials, preparation and analysis of test device system, the specific research contents and results are as follows: (1) a new type of high refractive index and low center layer fast axis divergence angle of GaSb based Prague reflection waveguide laser design using transmission the matrix theory and Bloch wave approximation method. (2) studied Prague reflector (DBR) thickness, logarithmic, high and low refractive index ratio and cavity thickness of far field divergence angle of laser and optical limiting factors, finally get the optimized device structure, the structure can be 2 m based on GaSb laser fast axis divergence angle (FWHM) from 50 degrees to 10 degrees below the compression. (3) using finite element difference method (FDTD) modulation effect on the microstructure of the simulated fishbone high order lateral mode, the theoretical results indicate that the structure can effectively suppress the high Order mode lasing, improved lateral beam quality of lasers. (4) the fishbone micro structure is applied to the GaAs based wide area Prague reflection waveguide laser, prepared 100 m wide, 1.4mm long cavity unit device. The test results show that the far-field divergence angle is reduced by 22.2%, in order to verify the effect of fishbone shaped micro structure the lateral divergence angle in the experiment. (5) the fishbone micro structure is applied to the 2 M band GaSb based wide area semiconductor laser, lateral far-field divergence angle of 56.4% improvement, continuous output power is increased by 19%, but the basic structure does not change the width of GaSb based laser preparation process with process simple, low cost, large-scale preparation etc., provides an effective solution to achieve the low lateral divergence angle of GaSb based laser.

【學位授予單位】：中國科學院研究生院(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】：2016
【分類號】：TN248.4

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本文編號：1706509