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表面高阶曲线光栅半导体激光器横模特性分析

中国激光 2024年第8期51卷 38-45页

作者：梁宏进邹永刚范杰付曦瑶史可田锟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

半导体激光器在光通信、生物医疗、激光雷达等领域中得到广泛应用,其单模稳定输出特性一直是国内外的研究热点。制备了一种基于表面高阶曲线光栅的宽脊波导半导体激光器,刻蚀曲线型高阶光栅后高阶横模损耗远大于基横模损耗,同时设置宽... 详细信息

半导体激光器在光通信、生物医疗、激光雷达等领域中得到广泛应用,其单模稳定输出特性一直是国内外的研究热点。制备了一种基于表面高阶曲线光栅的宽脊波导半导体激光器,刻蚀曲线型高阶光栅后高阶横模损耗远大于基横模损耗,同时设置宽脊电流限制注入结构,使得高阶横模激射阈值高于基横模阈值,从而改善器件的横模特性并压窄光谱线宽。利用温控模块将器件的工作温度控制为18℃,对腔长为2 mm、条宽为500μm的器件进行测试,在0.5 A电流下测得慢轴发散角为5.3°,快轴发散角为29.2°,在1 A驱动电流下测得3 dB光谱线宽为0.173 nm,边模抑制比为22.6 dB。实验结果表明,表面高阶曲线光栅对宽脊波导半导体激光器中的高阶横模起到了抑制作用且能够压窄光谱线宽,有助于实现半导体激光器的单模稳定输出,同时器件采用紫外光刻工艺,大幅降低了器件的制备难度。

关键词：激光器半导体激光器高阶布拉格光栅曲线光栅高阶横模远场发散角

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高光束质量大功率垂直腔面发射激光器

中国激光 2024年第8期51卷 1-6页

作者：闫观鑫郝永芹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

采用新型多环形腔结构优化垂直腔面发射激光器(VCSEL)的光场分布,解决了大孔径器件严重的载流子聚集效应导致的输出功率低、光束质量差的问题。研究结果表明:新型结构VCSEL较孔径相同的传统结构器件呈现更低的阈值电流,特别是输出功率... 详细信息

采用新型多环形腔结构优化垂直腔面发射激光器(VCSEL)的光场分布,解决了大孔径器件严重的载流子聚集效应导致的输出功率低、光束质量差的问题。研究结果表明:新型结构VCSEL较孔径相同的传统结构器件呈现更低的阈值电流,特别是输出功率较传统结构提高了近56%,且远场呈高斯分布。研究工作为实现高光束质量大功率垂直腔面发射激光器提供了新的技术途径。

关键词：激光器垂直腔面发射激光器高功率光场分布光束质量

双梯形多模干涉耦合器用于提高半导体激光器电光效率

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中国激光 2024年第14期51卷 100-108页

作者：宫梓傲虞顺超邹永刚徐英添范杰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 长春理工大学重庆研究院重庆401122

设计并制作了一种含有双梯形多模干涉(DT-MMI)耦合器结构的有源MMI半导体激光器(DTM-LD)。基于双梯形MMI多模波导的自映像分布重构效应,该激光器在保持与传统矩形有源MMI激光器(MMI-LD)相同有源区面积的同时,具有更短的器件腔长,有利于... 详细信息

设计并制作了一种含有双梯形多模干涉(DT-MMI)耦合器结构的有源MMI半导体激光器(DTM-LD)。基于双梯形MMI多模波导的自映像分布重构效应,该激光器在保持与传统矩形有源MMI激光器(MMI-LD)相同有源区面积的同时,具有更短的器件腔长,有利于器件电光转换效率的提升。实验制得了双梯形底宽为15μm、腰宽为30μm的DTM-LD器件。在保持有源面积约为3.33×10^(4)μm^(2)的情况下,该激光器件的腔长相比于MMI-LD减小了4.2%。在注入电流为1 A的情况下,DTM-LD的电光转换效率由14.5%提升至16.3%,相对提升了12.4百分点,同时其最高输出功率由355 mW小幅提升至360 mW。当MMI多模波导的宽度减小0.5μm时,相比于MMI-LD,DTM-LD的输出功率损耗由51 mW减小至40 mW,降低了21.6%,这表明DTM-LD具有较低的制造误差敏感性。

关键词：半导体激光器 MMI耦合器双梯形电光转换效率

原子层沉积Al_(2)O_(3)钝化对InAs/InGaAsSbⅡ类超晶格发光特性的影响

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光子学报 2024年第7期53卷 85-93页

作者：项超王登魁方铉房丹闫昊李金华王晓华杜鹏长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室长春130022 南华大学电气工程学院衡阳421000

提出一种基于干法刻蚀与原子层沉积相结合的钝化方法,采用干法刻蚀去除InAs/InGaAsSb超晶格表面及端面固有的氧化层,利用原子层沉积Al_(2)O_(3)薄膜钝化刻蚀表面,对钝化前后光致发光光谱的表征研究其发光性能与长期稳定性。处理后超晶格... 详细信息

提出一种基于干法刻蚀与原子层沉积相结合的钝化方法,采用干法刻蚀去除InAs/InGaAsSb超晶格表面及端面固有的氧化层,利用原子层沉积Al_(2)O_(3)薄膜钝化刻蚀表面,对钝化前后光致发光光谱的表征研究其发光性能与长期稳定性。处理后超晶格的As 3d谱中As-O键相关的峰消失表明其表面的氧化物被有效去除。样品的发光强度与激发光功率之间的拟合系数α从1.17减小为1.02,表明激子主导的发光占比增加。连续五天的红外光谱测试发现,处理后样品发光强度降低为原来的89%,而未处理样品的发光强度降低为原来的76%,表明处理后超晶格表现出更好发光稳定性。本研究为提升InAs/InGaAsSb超晶格性能、促进其光电探测领域的应用提供参考。

关键词： InAs/InGaAsSb超晶格钝化 Al_(2)O_(3) 原子层沉积发光特性

湿法刻蚀钝化对GaAs表面性能影响的工艺研究

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中国激光 2024年第16期 132-140页

作者：张亚磊兰云萍韩佳媛张洪榕邹永刚长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室

砷化镓（GaAs）是一种典型的Ⅲ-V族半导体材料，但材料本身缺少高质量的稳定钝化层，表面存在较高的表面态密度，最终影响GaAs基半导体器件的性能。采用多步湿法刻蚀钝化工艺降低了GaAs衬底的表面态密度，详细分析了不同酸溶液、酸溶液... 详细信息

砷化镓（GaAs）是一种典型的Ⅲ-V族半导体材料，但材料本身缺少高质量的稳定钝化层，表面存在较高的表面态密度，最终影响GaAs基半导体器件的性能。采用多步湿法刻蚀钝化工艺降低了GaAs衬底的表面态密度，详细分析了不同酸溶液、酸溶液刻蚀时间、酸溶液浓度、酸溶液中有无双氧水（H2O2）、有无正十八硫醇（ODT）溶液对湿法刻蚀钝化工艺的影响，最终获得了一种光致发光（PL）强度提升为GaAs衬底初始PL强度3.02倍的多步湿法刻蚀钝化工艺。此外，通过快速荧光光谱仪、拉曼系统和能谱仪（EDS）对刻蚀钝化前后样品的中心波长、峰值强度、半峰全宽、特征峰和表面元素含量进行了表征。采用高分辨率扫描电镜（SEM）和亚纳米等级原子力显微镜（AFM）可以看出刻蚀钝化后GaAs衬底表面的微米级缺陷减少，表面杂质得到有效清除。

关键词：薄膜表面化学多步湿法刻蚀钝化酸溶液光致发光强度砷化镓表面均匀性

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基于分段腐蚀的高功率包层光剥离器实验研究

激光与光电子学进展 2024年第13期61卷 319-323页

作者：于珊唐吉龙万志强魏志鹏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 长春理工大学中山研究院广东中山528437

为提高高功率光纤激光器的光束质量,降低制作成本,避免剥除包层光时出现异常高温,基于20/400μm的国产传能光纤,以低成本的玻璃蒙砂膏(TBS-307)为腐蚀剂,通过分段腐蚀法制备了长度为5 cm的5段分段式中心对称结构的包层光剥离器。在将包... 详细信息

为提高高功率光纤激光器的光束质量,降低制作成本,避免剥除包层光时出现异常高温,基于20/400μm的国产传能光纤,以低成本的玻璃蒙砂膏(TBS-307)为腐蚀剂,通过分段腐蚀法制备了长度为5 cm的5段分段式中心对称结构的包层光剥离器。在将包层光剥离器分别正向和反向接入测试系统的情况下,输入488 W泵浦光功率时,输出功率均只有15.3 W左右,功率衰减系数达15 dB。在没有水冷散热的条件下,剥离器的激光输入端的三段最高工作温度稳定在120℃左右,且整体温度分布比较均匀,没有发现明显的异常热点。上述内容表明所制作的包层光剥离器可以满足高功率光纤激光器的应用要求,达到降低成本,提高光束质量和稳定性的目的。

关键词：包层光剥离器光纤激光器分段腐蚀传能光纤

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高功率大芯径环形光斑可调信号合束器的研究

中国激光 2024年第8期51卷 23-31页

作者：万志强杨瑷碧杨光华于珊胡紫晔唐吉龙魏志鹏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 长春理工大学中山研究院广东中山528437 深圳市杰普特光电股份有限公司广东深圳518110

针对传统高功率光纤激光器焊接不稳定、飞溅量大、难以实现精密焊接的问题,设计了一种光斑可调的信号合束器,首次以50μm/70μm/600μm/620μm/660μm大芯径环形双芯光纤作为输出光纤,基于光束非相干合成技术,通过RSoft软件对合束器进... 详细信息

针对传统高功率光纤激光器焊接不稳定、飞溅量大、难以实现精密焊接的问题,设计了一种光斑可调的信号合束器,首次以50μm/70μm/600μm/620μm/660μm大芯径环形双芯光纤作为输出光纤,基于光束非相干合成技术,通过RSoft软件对合束器进行了模拟仿真,分析了其模场变化情况,设计的合束器满足绝热拉锥以及亮度守恒两个原则,调控拉锥比(TR)使其可以实现中心和外环独立工作。采用套管法将7根25μm/250μm光纤耦合到一起形成熔锥光纤束,再将其与输出光纤进行熔接,制成了高功率大芯径环形光斑可调信号合束器。此光纤合束器的传输效率≥98%,中心光束质量因子(M2)仅为1.76,此时中心端口输出功率为3.036 kW。而后对合束器进行了耐环境测试,合束器在低温与高温下表现出的传输特性良好。将该光斑可调的环形光斑信号合束器应用到激光器中,通过调节中心和外环激光功率,可以在任何温度环境下实现超高速焊接,为激光复合焊接提供了一种新途径。

关键词：激光器光纤合束器熔锥光纤束(TFB) 传输效率光束质量环境可靠性

双拓扑光子晶体激光器的设计以及其鲁棒性的研究

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激光与光电子学进展 2024年

作者：叶碧霖郝然宋英民郭誉钧邹永刚长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室中国计量大学光学与电子科技学院

本研究提出在水平和垂直两个方向上同时构建拓扑光子晶体谐振腔，从而获得在两个方向上都具有拓扑保护的低阈值、高鲁棒性的新型激光器。在垂直方向上，我们基于一维拓扑光子晶体设计了谐振腔：支持的纵向拓扑保护模式在拓扑边界上实现... 详细信息

本研究提出在水平和垂直两个方向上同时构建拓扑光子晶体谐振腔，从而获得在两个方向上都具有拓扑保护的低阈值、高鲁棒性的新型激光器。在垂直方向上，我们基于一维拓扑光子晶体设计了谐振腔：支持的纵向拓扑保护模式在拓扑边界上实现Zak相翻转，从而在拓扑边缘形成有效的腔反馈，确保了激光器的单模出光特性。在水平方向上，我们设计了基于二维拓扑光子晶体的谐振腔：利用Γ点的拓扑态能带和平凡态能带之间的翻转实现了光场限制效应，不但能够将激光器横截面支持的横模限制在拓扑光子晶体内部，还使得横模也具有良好的抗缺陷能力。本文提出的拓扑光子晶体激光器具有单模态、鲁棒性等优点，有望进一步拓宽未来激光器的应用。

关键词：激光器垂直腔面发射激光器光子晶体鲁棒性

用于TDLAS的半导体激光器温度控制系统设计

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激光杂志 2024年第09期 8-13页

作者：王泽元魏志鹏孙礼朋长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室长春理工大学中山研究院和光精电重庆科技有限公司

由于TDLAS (可调谐激光吸收光谱)技术中半导体激光器工作温度直接影响气体浓度检测准确度。为实现气体浓度高精密检测，采用多级积分分离PID控制算法设计了一种用于TDLAS的半导体激光器温度控制系统。实验结果表明，多级积分分离PID控... 详细信息

由于TDLAS (可调谐激光吸收光谱)技术中半导体激光器工作温度直接影响气体浓度检测准确度。为实现气体浓度高精密检测，采用多级积分分离PID控制算法设计了一种用于TDLAS的半导体激光器温度控制系统。实验结果表明，多级积分分离PID控制算法在提高温度控制系统响应速度、提高系统精度和稳定性、减小超调等方面具有优势。温度控制系统在10℃～40℃温控范围内，温控精度优于±0.03℃,并在148 s内达到设定温度，温控超调量小于2.5%,设计满足TDLAS气体浓度检测要求，为实现气体浓度高精密检测奠定了基础。

关键词： TDLAS 半导体激光器温度控制多级积分分离PID