高功率宽区半导体激光器侧向光束质量控制研究

发布时间：2017-12-05 17:37

  本文关键词：高功率宽区半导体激光器侧向光束质量控制研究

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【摘要】：高功率宽区半导体激光器由于输出功率高、可靠性好、寿命长、体积小、波长范围广等诸多优点,是一种被广泛使用的激光光源。但是这类激光器在侧向即平行于外延层方向面临多模工作的问题,恶化了光束质量。另外,随着电流增加,侧向远场变宽,这对于某些应用是非常不利的。因此,我们将不同的微结构引入到高功率宽区半导体激光器中,极大地改善了侧向光束质量,同时减小了侧向远场发散角对电流的依赖。这类基于微结构的高功率宽区半导体激光器成本低、工艺简单、非常适合批量生产,为高功率高光束质量半导体激光器的研制奠定了良好的基础。本论文主要围绕高功率宽区半导体激光器的结构设计、工艺制备及工作性能等方面进行了研究。本论文的主要研究内容和成果如下:(1)针对宽区半导体激光器,采用有效折射率近似的方法,自洽的求解了波导方程和载流子扩散方程,获得侧向模式的表达式。通过对不同侧向模式的远场和近场分布对比分析,得到了高阶模式的形成机理并获得侧向光束质量优化设计的方法。(2)采用非对称大光腔外延结构,在激光器的侧向引入周期性的脊型波导结构。在相同腔长的条件下研究了不同长度的脊型波导结构对器件的输出功率、近场和远场的影响。研究发现,当侧向脊型波导长度占整个腔长长度的20%时,可提高器件的内量子效率,因此激光器的输出功率提高了3%。同时由于对增益的微扰,获得了相对均匀的近场分布。最大电流4 A时,该类型器件的发散角由10.54°减小到8.51°。同时侧向发散角随注入电流的增加速率由1.27°/A降低至0.13°/A。(3)将一种空间电流调制结构引入到高功率宽区半导体激光器中。这种结构可实现二维电流分布,在侧向和纵向形成周期性的增益-损耗,抑制了电流的侧向扩散作用及减少器件边缘处的载流子累积。利用LASTIP和PICS3D软件进行了优化设计并利用优化参数制备了64μm条宽、1240μm腔长器件。通过测试发现光参量乘积值降低36.5%,并且侧向发散角不随电流增加而增加。同时激光器的光谱线宽减少45%,实验结果与理论设计相一致。(4)根据光子晶体激光器外延层的掺杂和波导结构特性,提出了一种阶梯状的沟槽结构。通过去除电流注入窗口边缘的欧姆接触层,减少了侧向电流扩散,提高了器件的电流注入效率。同时,沟槽的形成在侧向产生一定的折射率差,高阶侧向模式阈值增加,抑制了高阶模式激射。采用优化后的参数制备了84μm条宽、1700μm腔长的器件。通过测试并与无结构器件对比发现,输出功率提高了15.4%,光参量乘积值提高了25.2%。
【学位授予单位】：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN248.4

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本文编号：1255654