980 nm大功率半導體激光器增透膜的優化設計與制備

王曉玲，崔碧峰，蘇道軍，張 松，李佳莼，凌小涵，王 勛

(北京工業大學光電子技術省部共建教育部重點實驗室，北京100022)

1 引言

目前國際上高亮度、大功率的980 nm半導體激光器主要作為泵浦源被廣泛應用于摻鉺光纖放大器等通信領域以及醫療、加工和軍事等領域中。為了實現激光器的高功率輸出，一般在半導體激光器腔面一端鍍以增透膜來消除和減小表面的反射光［1］;此外，在腔面進行鍍膜也起到了保護腔面的作用，通過提高半導體激光器的COD閾值，延長了器件的壽命。位于激光器前腔面的增透膜反射率越低，輸出光功率越高，但反射率低會導致閾值電流增高，導致電光轉換效率降低，所以一般鍍以特定反射率防止閾值電流過高［2］。

我們選擇設計和制備980 nm處達到特定反射率的增透膜系，為了確定前后腔面的最佳反射率系數，利用最佳工作點隨著和端面反射率相關的閾值電流等參數的變化規律來進行推導，然后設計膜系并在前后腔面進行鍍制，使鍍制的半導體激光器適合更大的電流下工作。

2 最佳工作點

半導體激光器的最佳工作點是功率轉換效率最大的點，其中功率轉換效率ηp具有以下關系式:

其中，Pem為激光器輻射的光功率，即輸出功率;P0為激光器所消耗的電功率，即輸入功率，它們的表達式分別為:

式中，VA為器件的開啟電壓，對于980 nm半導體激光器，VA為1.27 V;Rs為器件的串聯電阻;Ith為器件的閾值電流。

根據上述公式，模擬出不同閾值電流下(0.6～1.0 A)的功率轉換效率隨輸入電流的變化曲線，如圖1所示。

圖1 不同閾值電流下的轉換效率－電流模擬曲線Fig.1 Simulated transfer efficiency－current curve of different threshold current

從圖1可以看出，半導體激光器的閾值電流越大，其工作到最佳工作點時具有更大的輸入電流，即半導體激光器的最佳工作點隨閾值電流的增大而右移，根據閾值電流的表征公式:

其中，閾值電流與前后腔面反射率R1·R2成反比，為了使最終鍍膜后的半導體激光器更適合在大功率下工作，選擇增透膜反射率RAR分別為8%、5% 和2%，高反膜反射率RHR均為90%的腔面膜系進行制備。在能夠獲得穩定的后腔面高反膜反射率的前提下，主要對鍍制在前腔面的三種增透膜進行詳細膜系設計和鍍制后的反射率測試。

3 薄膜的設計與優化

設計中選擇GaAs和Si兩種材料分別作為襯底進行模擬，這兩種材料都有很高的折射率，其中GaAs是常用的半導體激光器出光面材料。對于鍍制在后腔面的高反膜，因為其層數較多，反射率曲線中心波長所處的波峰較寬，經過多次模擬和實驗，目前基本可以使鍍制的高反膜反射率穩定在設計標準，所以這里只考慮增透膜的反射率數值設計。

3.1 鍍膜材料的選取

為了獲得性質穩定、高致密性且高激光損傷閾值的光學薄膜，需要考慮膜料的一些性質，包括膜料的純度、光學機械特性、化學特性等，從而選擇出合適的膜料以及匹配的蒸發技術［3］。實驗中選用SiO2和Al2O3作為增透膜材料［4］，其中制備增透膜選用的Al2O3是一種非常穩定的膜料，它的結構和成分就算在頻繁的設備集成過程中也不會產生明顯的變化［5－6］，此外它也具有好的重復性及簡單的制備工藝。

3.2 特定反射率膜系的設計

目前己有很多不同類型的增透膜，滿足了技術光學、激光光學等領域的需要。根據膜的層數不同可分為單層、雙層以及多層增透膜［7］。

首先選擇設計980 nm波長處反射率達2%的單層增透膜。模擬出中心波長下的反射率曲線，反射率曲線在中心波長處有最小值，此時對應的Al2O3厚度既為中心波長的1/4 λ光學厚度。在此基礎上，通過對Al2O3的厚度進行調整，使中心波長發生改變，從而在特定波長處達到所需的反射率系數［8］。設計出來的980 nm波長處反射率達2%的單層增透膜其相關參數如表1所示，表中反射率根據襯底不同而變化。

表1 RAR=2%的單層增透膜設計參數Tab.1 Design parameters of RAR=2%monolayer AR－coating

與單層膜相比，多層膜的反射率曲線具有更大的帶寬，當中心波長產生偏移時不會造成太大的反射率誤差。分別設計980 nm處反射率達5%及8%的雙層增透膜，材料為Al2O3和SiO2。同樣通過調整材料膜厚，使反射率曲線在特定波長處接近于設計要求，設計出來的980 nm波長處反射率達5%與8%的雙層增透膜膜系分別為:

膜系中，H為高折射率材料Al2O3;L為低折射率材料SiO2，這兩種材料在中心波長980 nm處設定的厚度及對應的反射率如表2所示，表中反射率根據襯底不同而變化。

表2 雙層增透膜設計參數Tab.2 Design parameters of double－layer AR －coating

4 實驗及結果分析

4.1 實 驗

我們用的鍍膜設備為Denton Vacuum的Infinity26真空鍍膜機，鍍膜機中包括冷陰極離子源及石英晶振監控系統，薄膜鍍制采用離子輔助電子束蒸發技術，全程由與鍍膜機連接的計算機自動監控與操作。為了方便對薄膜的參數和厚度進行修正，選擇了各方面性能與激光器解理面比較接近的單晶硅襯底做陪片。

按照上述設計的膜系結構進行實驗，薄膜鍍制前開電子槍對鍍膜材料進行充分的預熔，鍍制過程中SiO2用O2及Ar作為離子源的工作氣體，Al2O3則用O2作為離子源的工作氣體，O2離子注入可提高薄膜化學計量比，減少失氧，獲得具有更低吸收的薄膜［9－11］，Ar離子注入輔助鍍膜，增加了膜層的牢固度。用離子源產生的離子束對基片進行轟擊，高能轟擊增加了薄膜致密度從而增加光譜穩定性［12］。實驗結束后取下實驗片，用分光光度計或橢偏儀進行測試。

4.2 結果及分析

實驗了980 nm波長的2%特定反射率單層增透膜及5%、8%反射率的雙層增透膜，這三種增透膜對應在Si襯底上的反射率設計值分別為3.34%、5.99%及10.04%，應用分光光度計分別測試了薄膜的反射率曲線，之后與模擬的增透膜反射率曲線進行對比，結果如圖2、3所示。

圖2 RAR=2%的單層增透膜的波長－反射率對比曲線Fig.2 reflectivity － wavelength contrastive curve ofRAR=2%monolayer AR Coating

圖3 不同反射率雙層增透膜的波長－反射率對比曲線Fig.3 reflectivity － wavelength contrastive curve of RAR=5%double layer AR Coating and RAR=8%double layer AR Coating

表3列出了軟件模擬出的980 nm波長處三種特定反射率的增透膜的設定膜厚、對應的反射率曲線的中心波長，以及實際鍍制的增透膜的中心波長λ'中心波長和 980 nm 處的實際反射率系數 R'特定。從表中可以看出，實驗測得的三種增透膜的反射率曲線中心波長均略向右偏移，導致980 nm處實際測得的反射率與設計的反射率值存在偏差，但誤差不大，由此可以得出實際鍍制的激光器出光面增透膜基本可以達到設計要求。

表3 特定反射率增透膜實驗結果Tab.3 Experimental results of AR － coating with specific reflectivity

5 測試結果

將未鍍膜和進行薄膜鍍制后的激光器管芯分別進行封裝、測試，它們的P－I特性曲線如圖4所示，轉換效率與輸入電流之間的關系曲線如圖5所示。

圖4 不同腔面膜系半導體激光器P－I曲線Fig.4 Power－ current curve of LDs with different AR coatings

圖5 不同腔面膜系半導體激光器及轉換效率－電流曲線示意圖Fig.5 Conversion efficiency －current curve of LDs with different AR coatings

由圖4可以看出，進行腔面鍍膜的半導體激光器與未鍍膜的激光器相比，其功率隨著輸入電流的增加有著明顯提高:在輸入電流為15 A處，前腔面分別進行R=8%、R=5%及R=2%鍍膜處理以及后腔面均進行R=90%鍍膜處理的激光器其輸出功率分別提高了37.35%、39.65%及41.18%。

由圖5可以看出，進行腔面鍍膜的半導體激光器其轉換效率也有明顯的提高:沒有腔面鍍膜的半導體激光器在最佳工作點處的轉換效率僅為37.62%，對于后腔面均鍍制R=90%高反膜，前出光腔面分別鍍制R=8%、R=5%及R=2%增透膜的三種半導體激光器，它們在最佳工作點處的轉換效率分別可達到 62.95%、63.75% 及 65.06%;這三種膜系的半導體激光器達最佳工作點時的輸入電流分別約為4.8 A、6 A及7 A，因此可以看出增透膜反射率系數最低的激光器工作到最佳工作點時具有更大的輸入電流。

6 結論

對于980 nm大功率半導體激光器，提出了最佳工作點隨著和端面反射率相關的閾值電流等參數的變化規律。為了驗證這一關系，方便以后腔面反射率膜系的選擇，在能夠獲得穩定的高反膜反射率的前提下，設計并制備了高反膜反射率為90%且增透膜反射率系數分別為2%、5%及8%的三種腔面膜膜系，之后對鍍膜機蒸鍍的增透膜進行了反射率測試，實驗結果基本可以達到設計要求。

對激光器管芯進行封裝和發光性能測試，結果顯示鍍膜后激光器的輸出功率及光轉換效率均有大幅的提高:在輸入電流為15 A處，它們的輸出功率提高了約37.35% ～35.18%;在它們的最佳工作點處，轉換效率提高了25.33% ～27.44%;此外通過測試結果可以看出，高反膜反射率一定時半導體激光器的最佳工作點隨其出光面增透膜反射率的減小而右移，即最佳工作點隨閾值電流的增大而右移;上述三種不同腔面膜膜系的半導體激光器中，選擇2%增透膜反射率系數進行鍍制的半導體激光器不僅具有更高的輸出功率與更大的最佳工作點處的轉換效率，在其最佳工作點處也具有更大的電流值。結果表明優化選擇腔面膜膜系進行鍍制，可以使半導體激光器更適合在較大的功率下工作。

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