1.55μm AlGaInAs/InP小发散角量子阱激光器的仿真和制备

理论仿真和实验制备了AlGaInAs/InP材料1.55 μm小发散角量子阱激光器。为了扩展近场光场并减小内损耗,将一个非对称模式扩展层插入到外延结构的下盖层当中。仿真结果表明,该模式扩展层除了少量增加激光器阈值电流以外,在不影响激光器其它性能的情况下能显著减小激光器的垂直远场发散角。实验结果与理论仿真高度吻合。成功制备出脊宽4 μm,腔长1000 μm的脊波导小发散角激光器。在端面未镀膜的情况下,该激光器阈值电流为56 mA,输出功率为17.38 mw@120 mA,斜率效率可以达到0.272 W/A。实验测得垂直远场发散角为29.6°,相比较传统激光器减小了约35.3%。     

带有模式扩展层的小发散角激光器模拟研究

模拟了带有模式扩展层的半导体激光器,研究了中心波导层、扩展波导层和内限制层对激光器性能的影响。经过优化获得了一个条宽为50μm,远场发散角为23°,阈值电流为117.8mA,限制因子为2.37%的激光器。远场发散角最小可达到18°,此时阈值电流为200.9mA。与普通结构比较,优化后的结构远场垂直发散角减小了20°左右,阈值电流并没有明显增加,模拟计算表明模式扩展层没有降低激光器的电学和温度稳定特性。     

小发散角量子阱激光器研究

使用三层平板波导理论分析了半导体量子阱激光器远场分布。针对大功率激光器讨论了极窄和模式扩展波导结构方法减小垂直方向远场发散角,得到了极窄波导结构量子阱激光器远场分布的简化模型,获得了垂直发散角的理论值,垂直方向远场发散角减小为28.6°;使用传输矩阵方法模拟了模式扩展波导结构量子阱激光器的近场光斑及远场分布,垂直方向远场发散角减小为16°。实验测试了极窄和模式扩展波导结构量子阱激光器的垂直发散角,理论结果与实验测试获得的发散角基本一致,实现了降低发散角的要求,获得了小发散角量子阱激光器。     

使用传统工艺实现1.55μm激光器与模斑转换器的单片集成

采用传统的光刻和湿法腐蚀工艺制作了1.55μm波长的新型半导体激光器和模斑转换器的单片集成器件.其中激光器采用脊型双波导,模斑转换器采用掩埋双波导结构,水平楔型的有源波导和宽而薄的无源波导同时控制光斑模式大小.实验测得器件的阈值电流为40mA,斜率效率为0.35W/A,水平和垂直方向的远场发散角分别为14.89°和18.18°,与单模光纤的耦合损耗为3dB.     

使用传统工艺实现1.55μm激光器与模斑转换器的单片集成

采用传统的光刻和湿法腐蚀工艺制作了1.55μm波长的新型半导体激光器和模斑转换器的单片集成器件.其中激光器采用脊型双波导,模斑转换器采用掩埋双波导结构,水平楔型的有源波导和宽而薄的无源波导同时控制光斑模式大小.实验测得器件的阈值电流为40mA,斜率效率为0.35W/A,水平和垂直方向的远场发散角分别为14.89°和18.18°,与单模光纤的耦合损耗为3dB.     

大功率小垂直发散角980nm量子阱激光器

提出了一种新型非对称宽耦合波导结构,通过理论计算优化了结构中n型波导层和限制层厚度,并采用低压金属有机化学气相沉积方法生长了设计的器件结构.测试了器件的光电特性,1200μm腔长器件的阈值电流为590 mA,斜率效率为0.96 w/A,最大输出功率达2000mW;当注入电流为0.6 A时,其远场发散角为16.1°(θ⊥)×10.2°(θ//).实验结果表明:新型非对称宽耦合波导结构能实现器件大功率输出,有效减小器件远场垂直发散角,改善器件光束质量.     

900nm窄发散角量子阱激光器

使用传输矩阵方法模拟光场特性,设计了带有模式扩展层的900 nm窄发散角量子阱激光器(LD),利用金属有机化合物气相淀积(MOCVD)技术生长了器件.垂直方向远场发散角由常规结构LD的35°减小为20°,且阈值电流和光限制因子都没有明显变化.     

AlInAs氧化物限制1.3μm低阈值边发射激光器

研究制作了一种利用AlInAs氧化物作为限制的1.3μm边发射AlGaInAs多量子阱激光器.有源层上方和下方的AlInAs波导层被氧化作为电流限制层.这种结构提供了良好的侧向电流限制和光场限制.当电流通道为5μm宽时,获得了12.9mA的阈值电流和0.47W/A的斜率效率.与具有相同宽度的脊条的脊波导结构的激光器相比,这种AlInAs氧化物限制的激光器的阈值电流降低了31.7%,斜率效率稍微有所提高.低阈值和高效率的特性表明,氧化AlInAs波导层能够提供良好的侧向电流限制.这种AlInAs氧化物限制的激光器垂直方向的远场半高全宽角为36.1°,而水平方向的是21.6°,表明AlInAs氧化物对侧向光场也有很强的限制能力.     

适合低成本封装的1310 nm FP半导体激光器芯片

以太无源光网络(EPON)技术应用广泛,但是要求器件的出纤光功率较高.采用球透镜结合窄发散角芯片的封装方式逐渐成为主流.在有源区为基于AlGaInAs材料体系脊波导结构的1 310 nm法布里-珀罗(FP)半导体激光器中加入模式扩展结构,成功研制出温度特性良好、高效率、窄远场发散角的芯片.室温下芯片的阈值电流与无扩展波导结构的芯片相当,均为10 mA量级;效率达到0.6 mW/mA;远场发散角快轴为23°,慢轴为13°;85℃的阈值电流为20 mA,效率为0.55 mW/mA.该芯片可以使用低成本的晶体管外形(TO)封装技术制成,满足EPON标准的器件.     

AlInAs氧化物限制1.3μm低阈值边发射激光器

研究制作了一种利用AlInAs氧化物作为限制的 1.3μm边发射AlGaInAs多量子阱激光器 .有源层上方和下方的AlInAs波导层被氧化作为电流限制层 .这种结构提供了良好的侧向电流限制和光场限制 .当电流通道为 5 μm宽时 ,获得了 12 9mA的阈值电流和 0 4 7W /A的斜率效率 .与具有相同宽度的脊条的脊波导结构的激光器相比 ,这种AlInAs氧化物限制的激光器的阈值电流降低了 31 7% ,斜率效率稍微有所提高 .低阈值和高效率的特性表明 ,氧化AlInAs波导层能够提供良好的侧向电流限制 .这种AlInAs氧化物限制的激光器垂直方向的远场半高全宽角为36 1° ,而水平方向的     

单模小发散角免键合激光器芯片的研制

传统激光器由于封装键合工艺的要求,需要较大的芯片电极面积,限制了器件尺寸进一步小型化。量子尺寸的衍射效应使量子阱半导体激光器的垂直结平面发散角较大,不利于光束整形,限制了半导体激光器的直接应用。为解决这些问题,采用加入模式扩展层的光波导结构,将垂直发散角由40°减小到22°左右;采用p与n电极同面的脊波导结构,可将激光器同载体直接烧结,无需键合工艺,减小了电极面积,进而缩小了芯片尺寸。25℃,60mA注入电流下进行测试,阈值电流Ith≤10mA,输出功率P约为55mW。     

大功率低阈值半导体激光器研究

针对大光腔结构往往导致阈值电流密度增大的矛盾,设计了一种具有较高势垒高度的三量子阱有源区。采用非对称宽波导结构的半导体激光器,该激光器在实现大光腔结构的同时保持阈值电流密度不增加。通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD)生长InGaAs/AlGaAs三量子阱有源区以及3.6μm超大光腔半导体激光器的外延结构。结合后期工艺,制备了980nm脊形边发射半导体激光器。在未镀膜情况下,4mm腔长半导体激光器阈值电流为1105.5mA,垂直发散角为15.6°,注入电流为25A时的最大输出功率可达到15.9 W。测试结果表明:所设计的半导体激光器在有效地拓展光场,实现大光腔结构的同时,保证了激光器具有较低的阈值电流。     

隧道级联半导体激光器的光束质量因子

运用波导模式理论和光束传输的非傍轴矢量矩理论,对隧道级联InGaAs/GaAs/AlGaAs半导体激光器的光束质量进行了理论研究.分析了隧道级联半导体激光器内限制层厚度和垂直方向光束质量因子的关系.结果表明,在隧道结耦合距离内,隧道结不仅起到了再生载流子的作用,也作为无源波导拓展了光场,减小了垂直发散角,降低了光束质量因子.根据模拟结果设计并制备了高光束质量,小垂直发散角的隧道级联耦合大光腔半导体激光器,其阈值电流密度为271A/cm2,斜率效率为1.49W/A,垂直发散角为17.4°,光束质量因子为1.11的半导体激光器.     

隧道级联半导体激光器的光束质量因子

运用波导模式理论和光束传输的非傍轴矢量矩理论,对隧道级联InGaAs/GaAs/AlGaAs半导体激光器的光束质量进行了理论研究.分析了隧道级联半导体激光器内限制层厚度和垂直方向光束质量因子的关系.结果表明,在隧道结耦合距离内,隧道结不仅起到了再生载流子的作用,也作为无源波导拓展了光场,减小了垂直发散角,降低了光束质量因子.根据模拟结果设计并制备了高光束质量,小垂直发散角的隧道级联耦合大光腔半导体激光器,其阈值电流密度为271A/cm2,斜率效率为1.49W/A,垂直发散角为17.4°,光束质量因子为1.11的半导体激光器     

用于共封装光学的高功率连续波DFB激光器

为了应对共封装光学(CPO)系统对硅光外置光源提出的高功率、低噪声、低功耗等要求,设计了一种波长在1310 nm附近的AlGaInAs多量子阱(MQW)高功率连续波(CW)分布反馈(DFB)激光器芯片。通过在有源层MQW的下方插入一层InGaAsP远场减小层,实现光模场向n型包层下移,减小远场发散角的同时降低了量子阱区的光限制因子和整体的光吸收损耗,制作的激光器可以实现高斜率效率、非致冷高温高功率工作。测试结果显示,该激光器在25℃下,阈值电流为20 mA,斜率效率为0.46 W/A,输出功率为173 mW@400 mA;当注入电流为300 mA时,激光器的水平和竖直发散角分别是15.2°和19.1°,边模抑制比大于55 dB,洛伦兹线宽小于600 kHz,相对强度噪声(RIN)小于-155 dB/Hz;在85℃高温下,激光器阈值电流为32 mA,输出功率达到112 mW@400 mA。     

980nm大功率基横模分布反馈激光器

980 nm波段的大功率半导体激光器作为抽运源有很重要的应用,但目前该类器件存在光束质量差和谱宽较宽的问题,影响其抽运效率和稳定性。为提高大功率半导体激光器的抽运效率,就要减小其光谱宽度,提升光束质量。而大功率基横模分布反馈激光器(DFB)通过在器件内部引入分布反馈光栅可以实现窄线宽激光的波长稳定输出,并通过优化脊型波导条件来实现基横模模式输出,提升光束质量。测试该器件的光电特性,1000μm腔长器件的阈值电流约为6 m A,斜率效率为0.71 W/A,最大稳定输出功率为130 m W。该激光器的波长随温度漂移系数为0.064 nm/K;对其远场发散角进行测量,得到快轴发散角为34°,慢轴发散角为6.3°。     

大功率宽面808nm GaAsP/AlGaAs量子阱激光器分别限制结构设计

本文对有源区条宽100μm的GaAsP/AlGaAs 808nm量子阱激光器分别限制结构进行了理论分析和设计.选取了三种情况的波导层和限制层的铝组分,分别计算和分析了波导层厚度与激光器光限制因子、最大出光功率、垂直发散角和阈值电流密度的函数关系.根据计算结果可知:当波导层和限制层铝组分为0.4和0.5时,采用窄波导结构可以获得器件的最大输出功率为11.2W,发散角为19°,阈值电流密度为266A/cm2;采用宽波导结构可以得到器件的最大输出功率为9.4W,发散角为32°,阈值电流密度为239A/cm2.     

大功率宽面808nm GaAsP/AlGaAs量子阱激光器分别限制结构设计

本文对有源区条宽100μm的GaAsP/AlGaAs 808nm量子阱激光器分别限制结构进行了理论分析和设计.选取了三种情况的波导层和限制层的铝组分,分别计算和分析了波导层厚度与激光器光限制因子、最大出光功率、垂直发散角和阈值电流密度的函数关系.根据计算结果可知:当波导层和限制层铝组分为0.4和0.5时,采用窄波导结构可以获得器件的最大输出功率为11.2W,发散角为19°,阈值电流密度为266A/cm2;采用宽波导结构可以得到器件的最大输出功率为9.4W,发散角为32°,阈值电流密度为239A/cm2.     

大功率GaInP/AlGaInP半导体激光器

制备了大功率实折射率GaInP/AlGaInP压应变分别限制量子阱激光器.所用外延材料在15°偏角的GaAs衬底上由有机金属气相外延一次外延生长得到.制备的激光器具有双沟脊波导结构,条宽和腔长分别为3和900μm,前后端面分别蒸镀5%的增透膜和95%的高反膜.分析了室温连续激射时激光器的光电输出性能.阈值电流的典型值为32mA,光学灾变阈值为88mW,功率为80mW时的工作电流为110mA,斜率效率为1W/A,串联电阻为3Ω.基横模光输出功率可达60mW,60mW时的平行结和垂直结的远场发散角分别为10°和32°,激射波长为658.4nm.器件的内损耗为4.1cm-1,内量子效率达80%,透明电流密度为648A/cm2.     

大功率GaInP/AlGaInP半导体激光器

制备了大功率实折射率GaInP/AlGaInP压应变分别限制量子阱激光器.所用外延材料在15°偏角的GaAs衬底上由有机金属气相外延一次外延生长得到.制备的激光器具有双沟脊波导结构,条宽和腔长分别为3和900μm,前后端面分别蒸镀5%的增透膜和95%的高反膜.分析了室温连续激射时激光器的光电输出性能.阈值电流的典型值为32mA,光学灾变阈值为88mW,功率为80mW时的工作电流为110mA,斜率效率为1W/A,串联电阻为3Ω.基横模光输出功率可达60mW,60mW时的平行结和垂直结的远场发散角分别为10°和32°,激射波长为658.4nm.器件的内损耗为4.1cm-1,内量子效率达80%,透明电流密度为648A/cm2.