一種與光纖高效耦合的新型大光腔大功率半導體激光器_百度

1、 一種與光纖高效耦合的新型大光腔大功率半導體激光器3于海鷹1 崔碧峰 2 陳依新 2 鄒德恕 2 劉 瑩 2 沈光地21 (山東建筑大學 , 濟南 2501012 (北京工業(yè)大學北京光電子技術實驗室 , 北京 100022 (2006年 7月 6日收到 ;2006年 12月 18日收到修改稿 , 20°的垂直發(fā)散角 , 從而提高了光纖輸出的耦合效率 . , 耦合效率可以提 高 30%以上 .:, 透鏡光纖PACC :, , 4281H3國家 973計劃 (批準號 :G 20000683202 , 北京市教委項目 (批準號 :2002kj018 , 北工大博士啟動基金 (批準號 :K

2、Z 0204200387 , 北京市科委 重點項目 (批準號 :D0404003040221 資助的課題 . E 2mail :. cn11引 言半導體激光器二極管 (LD 在光纖通信 、 光纖傳 感 、 激光加工 、 信息存儲 讀取 、 生物醫(yī)學等眾多領域 已獲得愈來愈廣泛地應用 . 在許多應用場合 ,LD 需 要與光纖耦合 , 把光能量輸送出去 , 因此在 LD 和光 纖之間實現高效光耦合輸出是十分必要的 . 為了降低閾值電流密度和改善模式特性 ,LD 的有源層必須很簿 , 一般僅有 011m 左右 , 而有源層 的寬度與 LD 的輸出功率大小成正比 , 大

3、功率 LD 的 條寬一般在數十到百微米數量級 . 因此激射光束通 過狹窄的縫隙時要發(fā)生衍射 , 使光束發(fā)散 , 而且在垂 直和水平方向上發(fā)散的程度不同 , 光束遠場的橫截 面呈橢圓形 , 典型的水平發(fā)散角 為 5° 20°, 垂直 發(fā)散角 為 30° 40°. 因此 , 減小 LD 的垂直發(fā)散角 一直是半導體激光器的研究重點之一 .根據 Casey 等對垂直發(fā)散角的測量結果 1和Dumke 提出的理論2, 在一定范圍內減小 LD 有源層厚度可以降低半導體激光器的垂直發(fā)散角 , 而在超 過臨界值時 , 增大半導體激光器的有源層厚度也可 以降低半導體激光器的

4、垂直發(fā)散角 .在減小 LD 有源區(qū)的研究方面 , 通過對 LD 的波導層結構進行特殊設計 , 可以使垂直發(fā)散角降到 20°以下 3 5. 但代價是使閾值電流密度增加了數倍至 十倍 . 同時光強過于集中 , 加重了端面光學災變性毀 壞 . 因此通過減小有源層的厚度降低垂直發(fā)散角的 做法對大功率 LD 不太適用 .在增加 LD 有源區(qū)厚度的研究方面 , 采用分開 限制異質結 (separated con finement heterostructure 技術和大光腔結構可以得到 23°的垂直發(fā)散角 6,7. 但 是對于普通結構的 LD , 這已經接近于極限 , 繼續(xù)拓 展光腔會

5、進一步減小光限制因子 , 并且會引起高階模式激射 8.我們根據半導體激光器隧道級聯的理論 9, 提出一種多有源區(qū)的大光腔結構 10,11, 用隧道結連接 兩個相鄰的有源區(qū) , 極大地拓展了光腔 , 使發(fā)光面積 提高 1 2個數量級 , 降低了器件光功率密度 , 從而 避免了半導體激光器由于發(fā)光面積窄而引起的 C OD 和光束垂直發(fā)散角大的問題 , 提高了半導體激 光器的光束質量 , 并提高了半導體激光器的可靠性 .21LD 結構與光場特性 本文設計的多有源區(qū)隧道級聯大光腔 LD 的光第 56卷 第 7期 2007年 7月 100023290200756(07 3945205物 理 學 報ACT

6、 A PHY SIC A SI NIC AV ol. 56,N o. 7,July ,20072007Chin. Phys. S oc. 腔結構如圖 2所示 . 由反向隧道結連接兩個子有源 區(qū) , 其中子有源區(qū)具有普通 LD 的結構 , 在電壓的作用下 , 第一個有源區(qū)內復合發(fā)光后在價帶的載流子 再生到第二個有源區(qū)的導帶 , 在第二個有源區(qū)繼續(xù) 復合發(fā)光 , 使得注入一對電子空穴對 , 得到多個光 子 , 能帶圖如圖 2所示 ; 同時隧道結作為無源波導參 與到整個光場中 , 有源波導與無源波導相互耦合 , 使 光場拓展 , 近場分布如圖 3所示 , 分別示出了多有源 區(qū)大光腔結構的材料層折射率

7、以及模擬出的近場波 導圖 , 由此圖可以看出隧道結與有源區(qū)共同作用形 成近場 . 與普通的僅有一個有源區(qū)的 LD 相比較 , 該 LD 有三個子有源區(qū) , 使得光腔尺寸大大增加 . 由本光腔結構模擬得出垂直發(fā)散角為 19°. 連接三個有源區(qū) , Al 不對稱 , 8, 寬為 10nm. nm , 隧道結兩邊的耦 合層 間 距 為 nm. 對 設 計 的 結 構 進 行 了 模 擬 , Al x G a 1-x As 的折射率采用以下關系式 :n (x =31590-01719x +01091x 2.(1 圖 4 多有源區(qū)隧道級聯大光腔半導體激光器遠場特性 (a 垂直發(fā)散角 ; (b

8、水平發(fā)散角 圖 1 多有源區(qū)隧道級聯大光腔半導體激光器結構 模擬結果為基模激射 , 光限制因子為 2124% ,圖 2 圖 3 多有源區(qū)隧道級聯大光腔半導體激光器折射率和模擬光 場強度分布垂直發(fā)散角為 19°, 近場光斑下降到 1e 處的寬度為 1244nm , 見圖 3所示 .按照上述結構 , 采用 MOC VD 工藝在 n 型 G aAs襯底 上 進 行 了 材 料 的 外 延 生 長 . 脊 形 波 導 條 寬50m , 解理腔長 750m , 兩個解理面分別鍍增透膜6493物 理 學 報 56卷 和高反膜 . 制成的 980nm InG aAs G aAs AlG aAs L

9、D 器件的遠場特性實測結果為水平發(fā)散角 為 516°, 垂直發(fā)散角 為 1618°, 見圖 4所示 . 器件的 I 2V 特 性如圖 5所示 , 有源區(qū)的斜率效率與閾值電流與普 通半導體激光器相差不多 . 圖 6為該器件激射時的 近場顯微照片 .圖 5 多有源區(qū)隧道級聯大光腔半導體激光器 P 2I 特性31耦合效果 為檢驗新型多有源區(qū)大功率 LD 的與光纖的耦 合特性 , 采用了 10種不同形式和規(guī)格的透鏡光纖對 該器件進行了測試 , 并與普通單有源區(qū) LD 的測試 結果作對比 . 兩種被測 LD 的各項參數見表 1. 透鏡 光纖編號及規(guī)格參數見表 2.表 1 被測 LD

10、特性LD M A 980297318262511244686m 750750電極條寬 m 50445044增透 高反膜 鍍鍍輸出光束波長 nm980980 測試的兩支 LD 均為我們實驗室制備 , 分別是編號為 MA LD 218的三有源區(qū)隧道級聯大功率 980nm LD 和 980297單有源區(qū) 980 nm LD. 脊形波導條寬均 為 50m , 套刻電極寬度 44m , 解理腔長均為 750m ,圖 6 多有源區(qū)大功率 LD 放大 1000倍后的近場圖形 (水平方向平行于 pn 結 表 2 測試用透鏡光纖標號與參數編號透鏡光纖類型 說明1平端面 G RIN +S MF自聚焦光纖級聯單模光

11、纖 260°錐形 S MF 圓錐狀單模透鏡光纖3120°錐形 G RIN +S MF錐狀大芯徑自聚焦光纖級聯單模光纖460°楔形 S MF 楔狀單模透鏡光纖560°楔形 G RIN +S MF 楔狀大芯徑自聚焦光纖級聯單模光纖690°楔形 G RIN +S MF 同上 7110°楔形 G RIN +S MF 同上8120°楔形 G RIN +M MF 楔狀大芯徑自聚焦光纖級聯多模光纖9110°楔形 G RIN100140楔狀大芯徑自聚焦透鏡光纖10120°楔形 G RIN110125同上74937期 于海

12、鷹等 :一種與光纖高效耦合的新型大光腔大功率半導體激光器圖 7 驅動電流為 500m A 時 , 兩種 LD 與各種透鏡光纖的耦合效率反射面和出光面均分別鍍 Al2O 3Si HR 膜和 Al 2O 3 AR 膜 . 測試時將驅動電流統一設定為 500mA 直流 工作 . 10種不同規(guī)格的透鏡光纖測試結果表明 , 有源區(qū)隧道級聯大光腔大功率得到明顯提高 . m 140m , 然后 熔接長度為 1(S MF 組成的平端 面透鏡光纖時 , 新型器件比普通器件的耦合效率提 高一倍 . 對于錐角為 60°, 端面球形透鏡半徑為 7m 的單 模 透 鏡 光 纖 , 兩 種 LD 的 耦 合 效

13、 率 分 別 為 2817%和 16%, 新型 LD 比普通 LD 高 79138%.楔形 透鏡光纖目前是大功率 LD 光纖耦合輸出應用最為 廣泛的一種透鏡光纖 , 為此我們測試了 5種類型的 7種規(guī)格的楔形透鏡光纖 , 耦合效率比平均提高了 3313%.對比結果詳見圖 7所示 .41結, . 與透鏡光纖耦合時 , 新型 LD 顯示出明顯優(yōu)于普通單有源區(qū) LD 的耦合效率 . 對 9種不同規(guī)格透鏡光纖測試的結果表明 , 平均耦 合效率可以提高 30%以上 .1Casey H C ,Panish M B ,M erz J L 1973J . Appl . Phys . 445470 2Dumke

14、 W P 1975IEEE J . Quantum Electron . QE 211400 3T emmy o J ,Sug o M 1995Electron . Lett . 316424Lin G,Y en S T 1996IEEE Photonics Technol . Lett . 81588 5Buda M ,Hay J ,T an H ,W ong 2Leung J ,Jagadish C 2002Laser s and Electro 2Optics Society ,LE OS2002. The 15th Annual Meeting o f the IEEE 26476Fa

15、ng G Z ,X iao J W ,M a X Y,Xu Z T ,Zhang J M ,T an M Q ,Liu Z S ,Liu S P ,Feng X M 2002Chinese J . o f Laser B 1197Zhu X P , Xu Z T , Zhang J M , M a X Y, Chen L H 2002J . Semiconductor 233988Chen Y C ,W aters R G,Dalby R J 1990Electron . Lett . 261348 9Shen G D ,Lian P ,G uo X ,Y in T ,Chen C H ,W

16、ang G H ,Du J Y,Cui B F ,Li J J ,Liu Y,G ao G,Z ou D S ,Chen J X ,M a X Y,Chen L H 2000Proceeding o f S PIE 422532710Lian P ,Y in T ,G ao G,Z ou D S ,Chen C H ,Li J J ,Shen G D ,M a X Y, Chen L H 2000Acta Phys . Sin . 492374(in Chinese 廉 鵬、 殷 濤、 高 國、 鄒德恕、 陳昌華、 李建軍、 沈光地、 馬驍宇、 陳良惠 2000物理學報 49237411Cui

17、 B F ,Li J J ,Zhou D S ,Liang P ,Han J R ,W ang D F ,Du J Y,Liu Y, Zhao H M , Shen G D 2004Acta Phys . Sin . 532150(in Chnese 崔碧峰、 李建軍、 鄒德恕、 廉 鵬、 韓金茹、 王東風、 杜金玉、 劉 瑩、 趙慧敏、 沈光地 2004物理學報 5321508493物 理 學 報 56卷 A novel high 2power semiconductor laser diode with large cavityfor high efficiency coupling wi

18、th the optical fibers 3Y u Hai 2Y ing 1 Cui Bi 2Feng 2 Chen Y i 2X in 2 Z ou De 2Shu 2 Liu Y ing 2 Shen G unag 2Di 21 (Shandong Jianzhu Univer sity , Jinan 250101, China 2 (Beijing Optoelectronic Technology Laboratory , Beijing Univer sity o f Technology , Beijing 100022, China (Received 6July 2006; revised manuscript received 18December 2006AbstractA novel high 2power sem iconductor laser diode (LD w ith multi by tunnel 2junction was developed. The w indow size of the LD was of the lasing beam divergency was obtained ,whi