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基于侧向微结构的1064nm半导体激光器模式特性研究

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基于侧向微结构的1064nm半导体激光器模式特性研究

作者：齐军长春理工大学

学位级别：硕士

宽脊波导半导体激光器因其具有高功率特性而被广泛应用,但其较宽的脊波导会引起近场光斑“多瓣”现象,导致其光束质量差,工作效率低。在宽脊波导上制作微结构,通过调控注入载流子分布,可以有效改善其输出模式及光束质量,且工艺相对简单... 详细信息

宽脊波导半导体激光器因其具有高功率特性而被广泛应用,但其较宽的脊波导会引起近场光斑“多瓣”现象,导致其光束质量差,工作效率低。在宽脊波导上制作微结构,通过调控注入载流子分布,可以有效改善其输出模式及光束质量,且工艺相对简单。近年来,少量实验报道证实了具有微结构的宽脊波导结构也可以通过调控光场模式损耗实现激光器输出模式特性的改善,然而有关其工作机理的系统性研究报道却少之又少。本文主要围绕1064 nm侧向微结构宽脊波导半导体激光器开展研究,主要探究侧向微结构对激光器腔内光场模式的调制机理,设计了器件结构并开展了器件制备研究,具体研究内容包括:（1）从理论分析入手,分析了宽脊波导半导体激光器的工作原理及特性。基于半导体激光器波导理论、等效折射率方法,分析器件的模式截止条件。仿真探究了器件波导结构对出光特性的影响,设计并优化了1064 nm侧向微结构宽脊波导半导体激光器外延结构。（2）围绕侧向微结构的光场模式调控机理开展研究。基于模式阈值增益理论及模拟仿真,分析了宽脊波导半导体激光器谐振腔内各阶模式的光场分布特点,探索了侧向微结构作用下各阶光场模式损耗产生差异的机制,阐明了侧向微结构的光场模式调控机理。（3）开展1064 nm侧向微结构宽脊波导半导体激光器件制备研究。依据侧向微结构对光场模式的调控机理,设计并优化器件结构,依据器件结构特点开展器件制备工艺方案研究。基于设计的外延结构,生长获得1064 nm半导体激光器外延材料。围绕器件制作工艺开展研究,优化各项工艺的关键参数,制备获得了半导体激光器件管芯。（4）针对1064 nm侧向微结构宽脊波导半导体激光器件管芯开展测试分析研究。测试结果表明,相比于宽脊波导半导体激光器件的“多瓣”光斑,引入侧向微结构后激光器的光斑呈现“单瓣”现象,激光器件的输出模式特性得到了改善。得益于输出模式特性的改善,侧向微结构的引入令激光器件的输出功率、斜率效率和电光转换效率分别提升了58.5%、80%和55.9%。

关键词：半导体激光器侧向微结构模式阈值条件光束质量侧向模式近场光斑

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低阈值单横模852nm半导体激光器

物理学报 2017年第8期66卷 113-118页

作者：刘储关宝璐米国鑫廖翌如刘振扬李建军徐晨北京工业大学信息学部电子科学与技术学院光电子技术省部共建教育部重点实验室北京100124

基于波导理论、等效折射率方法,设计并制备了非对称波导隔离双沟结构脊型边发射激光器,最终获得了低闽值单基侧模852 nm激光器.详细研究了不同脊型台深宽比参数设计对激光器侧向模式特性的影响规律,实现了腔面未镀膜情况下脊型波导边发... 详细信息

基于波导理论、等效折射率方法,设计并制备了非对称波导隔离双沟结构脊型边发射激光器,最终获得了低闽值单基侧模852 nm激光器.详细研究了不同脊型台深宽比参数设计对激光器侧向模式特性的影响规律,实现了腔面未镀膜情况下脊型波导边发射激光器的单基侧模稳定输出,同时激射波长可以精确调谐到852 nm;工作电流达到150 mA,工作温度30℃;斜率效率最高可达0.89 nW/mA,光谱半宽小于1 nm.研究结果为进一步实现超窄线宽激光器提供了参考和借鉴,并且为实现激光器稳定输出提供了实验基础.

关键词：脊型波导边发射激光器侧向模式模式稳定性

高阶侧向耦合光栅DFB半导体激光器关键技术研究

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高阶侧向耦合光栅DFB半导体激光器关键技术研究

作者：郭郅冬长春理工大学

学位级别：硕士

窄线宽、基横模半导体激光器件是激光通信应用的理想光源元件。为获得窄线宽、基横模的半导体激光,激光器件通常采用分布式反馈光栅(DFB)和窄脊波导设计。高阶侧向耦合DFB光栅因具有较大的周期且位于脊波导两侧,降低了激光器件的制作工... 详细信息

窄线宽、基横模半导体激光器件是激光通信应用的理想光源元件。为获得窄线宽、基横模的半导体激光,激光器件通常采用分布式反馈光栅(DFB)和窄脊波导设计。高阶侧向耦合DFB光栅因具有较大的周期且位于脊波导两侧,降低了激光器件的制作工艺难度。窄脊波导虽然可以有效地改善激光器件侧向上的横模(侧模)特性,但较小的端面出光面积限制了器件输出功率的提升。在宽脊波导两侧刻蚀损耗结构,可以在保证较好侧模特性的同时,有效地提升器件输出功率。但是由于侧向耦合光栅同样位于脊波导两侧,这种侧向损耗结构通常难以应用到侧向耦合光栅DFB半导体激光器中。本文主要围绕具有侧向损耗结构的高阶侧向耦合光栅DFB半导体激光器开展研究,分析高阶侧向耦合光栅结构的性能特点,探索侧向损耗结构的高阶侧模抑制机理,提出了一种DFB半导体激光器件结构,并开展器件制备研究。主要研究内容如下:1)基于耦合模式理论和麦克斯韦方程分析了高阶侧向耦合光栅结构参数与耦合系数的关系,软件模拟探究了光栅阶数、刻蚀深度等对侧向耦合光栅光反馈特性的影响;通过模拟研究了侧向损耗结构参数对于侧模损耗的影响,分析了其实现高阶侧模抑制的工作机理。2)提出一种具有侧向损耗结构和高阶侧向耦合光栅结构的混合DFB半导体激光器(LM-LC-DFB)。基于高阶侧向耦合光栅和侧向损耗结构的研究,提出LM-LC-DFB器件结构,在脊波导的中部和前端分别设计有高阶侧向耦合光栅和侧向损耗结构,并优化设计各器件结构参数。3)围绕LM-LC-DFB器件开展制作工艺研究。综合考虑LM-LC-DFB器件结构和各微纳工艺特点,设计器件制作工艺流程,探索LM-LC-DFB器件的制作工艺,优化器件制作工艺流程中的关键工艺参数,制备获得LM-LC-DFB器件管芯,完成器件管芯的封装。4)开展LM-LC-DFB器件管芯的测试分析研究。测试获得LM-LC-DFB的中心波长为1059 nm,3 d B光谱线宽为46 pm;在注入电流为0.6 A时,与宽脊波导半导体激光器相比,LM-LC-DFB高阶侧模得到有效抑制,远场光斑的暗线得到消除,侧向发散角由7.09°降低至5.92°;在保持单瓣远场光斑的情况下,LM-LC-DFB获得了259.19 m W的输出功率、0.52 W/A的斜率效率和23.4%的电光转换效率。

关键词：半导体激光器侧向损耗结构高阶侧向耦合光栅侧向模式窄线宽远场光斑

侧向微结构宽脊波导分布反馈1.06μm半导体激光器

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发光学报 2022年第4期43卷 583-590页

作者：郭郅冬范杰王海珠邹永刚马晓辉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

为了改善宽脊波导半导体激光器侧模特性和光谱特性,提出了一种具有侧向微结构脊波导和高阶脊表面光栅的分布反馈半导体激光器。该激光器在宽脊波导的两侧刻蚀微结构区,基于各阶侧模光场分布不同的特性,增大了谐振腔内基侧模与高阶侧模... 详细信息

为了改善宽脊波导半导体激光器侧模特性和光谱特性,提出了一种具有侧向微结构脊波导和高阶脊表面光栅的分布反馈半导体激光器。该激光器在宽脊波导的两侧刻蚀微结构区,基于各阶侧模光场分布不同的特性,增大了谐振腔内基侧模与高阶侧模的损耗差,消除了远场光斑“多瓣”现象并且输出功率有所提升;同时,借助高阶脊表面光栅,器件的线宽得到了进一步压窄。在脊波导宽度50μm、腔长1 mm的情况下,与宽脊波导半导体激光器相比,制备的激光器件在0.6 A驱动电流下实现了对高阶侧模的抑制,输出功率、斜率效率、电光转换效率分别提升了16.4%、17.9%、15%,并且光谱特性得到了有效的改善,光谱线宽约为39 pm。

关键词：半导体激光器侧向微结构高阶Bragg光栅侧向模式窄线宽远场光斑

1064 nm侧向微结构宽脊波导半导体激光器

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中国激光 2021年第13期48卷 39-46页

作者：齐军邹永刚范杰杨晶晶刘莹马晓辉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

1064 nm半导体激光器在光纤通信系统方面有重大应用,但随着脊波导宽度增加,出现输出模式增加,近场光斑"多瓣"现象,导致其光束质量降低,影响其光纤耦合效率。为此提出一种侧向微结构宽脊波导半导体激光器,根据其腔内各阶侧模光场分布特点... 详细信息

1064 nm半导体激光器在光纤通信系统方面有重大应用,但随着脊波导宽度增加,出现输出模式增加,近场光斑"多瓣"现象,导致其光束质量降低,影响其光纤耦合效率。为此提出一种侧向微结构宽脊波导半导体激光器,根据其腔内各阶侧模光场分布特点,在宽脊两侧引入微结构,以此增大高阶侧模衍射损耗,提高高阶侧模阈值增益,增大基侧模与高阶侧模的阈值增益差,消除近场光斑"多瓣"现象,改善侧向光束质量。在条宽120μm、腔长1 mm的结构参数下,制作了宽脊波导半导体激光器和具有侧向微结构的激光器件。测试结果表明,在输入电流为0.5 A时,与宽脊波导半导体激光器相比,引入侧向微结构后器件输出功率提升了58.5%,斜率效率提升了80%,电光转换效率提升了55.9%。

关键词：激光器半导体激光器侧向微结构侧向模式阈值增益近场光斑

脊型波导852nm半导体激光器模式特性研究

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脊型波导852nm半导体激光器模式特性研究

作者：刘储北京工业大学

学位级别：硕士

半导体激光器是以半导体材料为光增益介质的一类激光器,由于其核心是一个本身具有光反馈结构的p-n结,因而通常称为激光二极管。当向p-n结注入电流时,激发产生受激辐射复合,并在谐振腔中建立光振荡。半导体激光器在实际应用中有着重要的... 详细信息

半导体激光器是以半导体材料为光增益介质的一类激光器,由于其核心是一个本身具有光反馈结构的p-n结,因而通常称为激光二极管。当向p-n结注入电流时,激发产生受激辐射复合,并在谐振腔中建立光振荡。半导体激光器在实际应用中有着重要的意义,它具有体积小、功耗低、寿命长、电光转换效率高、波段覆盖范围广等突出的优势,电泵浦或光泵浦都可以驱动其工作,可以灵活应用于众多场合。主要包括光纤通信、光盘存取、光谱分析和光信息处理等主要领域。而且,特别适用于激光夜视、激光引信、激光测距、激光雷达等军事应用。在原子钟和光泵磁力仪等原子传感、探测的高新技术领域中,以具有模式稳定、高光束质量和窄线宽的高性能852nm半导体激光器为泵浦光源,所获得铯原子频谱可以作为时间频率的精密测量、航天卫星光子惯性导航、车船空间定位与导引等。因此,高功率、低阈值、模式特性稳定的高光束质量852nm半导体激光器光源逐渐成为人们研究的热点和重点。然而,在852nm激光器的应用中还存在着一系列的问题,例如,工作条件的变化(如:温度,电流等)容易导致激光器较为严重的不稳定性,致使输出功率、激射波长改变,造成整个系统无法运转。研究发现,对于脊型边发射激光器而言,侧向模式的变化是非常重要的影响因素。同时,激光器侧模在横向结构中受到多方面因素影响,物理成因较为复杂,使得单基模输出条件苛刻。其侧向方向上对于载流子和光子的限制都较弱,容易导致不稳定。对于脊型波导结构,由于光波导导引机制的竞争和模式竞争同时存在,使得侧向模式控制更为困难。因此,本文针对上述主要问题,开展脊型波导激光器侧向模式研究,主要研究工作内容概括如下:1.首先,基于激光器波导理论、等效折射率方法,模拟研究了影响脊型波导边发射激光器侧向模式特性的关键因素及其物理机制。在此基础上,分析各阶侧模产生的条件、模式竞争的控制方法和侧模在谐振腔中传播过程的稳定性。最终得到单基侧模激光器整体结构设计参数;2.脊型波导结构激光器在侧向方向上要受到增益导引和弱折射率导引两种导引机制的共同作用。采用COMSOL多物理场分析软件建模仿真,模拟分析了在激光器激射之后两种导引机制相互转换的物理过程。使用FDTD模拟分析了脊型波导结构对光场的限制条件与侧向模式稳定性的关系,进而研究了激光器远场特性;3.开展激光器制备工艺物理研究。在传统半导体激光器制备工艺基础上,采用自对准工艺方法制作窄脊852nm半导体激光器。该方法不仅保证了半导体工艺可靠性和准确率,而且有效地提高了激光器的成品率。与此同时,设计了一套适合于超窄脊型激光器的工艺流程和工艺方法,大大提升了激光器性能;4.在理论分析与工艺制备的基础上,开展了单基侧模半导体激光器测试分析工作。激光器结构设计参数为:腔长1mm、脊型台宽度5μm、脊型台深度500nm。最终实现了852nm激光器的单侧模稳定输出工作模式,激光器阈值电流为50m A,斜率效率达到0.7m W/m A。

关键词：脊型波导激光器侧向模式模式稳定性