GaAs基高功率半導(dǎo)體激光器單管耦合研究

王 鑫,王翠鸞,吳 霞,朱凌妮,馬驍宇,劉素平

(中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,北京 100083)

GaAs基高功率半導(dǎo)體激光器單管耦合研究

王 鑫*,王翠鸞,吳 霞,朱凌妮,馬驍宇,劉素平

(中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,北京 100083)

設(shè)計(jì)了一種高亮度、高功率半導(dǎo)體激光器單管耦合輸出模塊,采用波長(zhǎng)為975 nm的10W的GaAs基半導(dǎo)體激光器,將半導(dǎo)體激光器輸出光束耦合進(jìn)數(shù)值孔徑0.18、纖芯直徑105μm的光纖中,獲得10 A電流下的輸出功率為9.37W,耦合效率為94.3%,亮度為1.64 MW/(cm2·str)。

半導(dǎo)體激光器;光纖耦合;亮度

1 引 言

半導(dǎo)體激光器歷經(jīng)五十余年發(fā)展,受益于各類關(guān)聯(lián)技術(shù)、材料與工藝等的突破性進(jìn)步,已發(fā)展到一個(gè)比較成熟的階段,廣泛應(yīng)用于光纖通信、光纖傳感,光盤存儲(chǔ)、激光顯示、固體激光器泵浦等方面,已經(jīng)成為光電子技術(shù)的核心器件之一[1-2]。半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、效率高等眾多優(yōu)點(diǎn),但是由于其光束質(zhì)量不好,光束發(fā)散角較大,且在水平和垂直方向上存在較明顯的差異,所以需要對(duì)其進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)[3]。半導(dǎo)體激光器的關(guān)鍵改進(jìn)技術(shù)包括芯片外延生長(zhǎng)技術(shù)、芯片封裝、激光光束整形及激光器集成技術(shù)等。在實(shí)際應(yīng)用中常采取光纖耦合的方式來(lái)改善光束質(zhì)量,提高亮度[4-5]。

半導(dǎo)體激光器的缺點(diǎn)是腔面束腰小,快慢軸發(fā)散角差別很大,出射光束在空間分布不對(duì)稱,激光光束高度發(fā)散,這些固有結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)對(duì)耦合效率影響很大。為了得到高耦合效率,壓縮快軸發(fā)散角并經(jīng)過(guò)自聚焦將光耦合進(jìn)光纖是一種有效方法。在目前所報(bào)道的文獻(xiàn)中,關(guān)于975 nm半導(dǎo)體激光器單管光纖耦合模塊的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。半導(dǎo)體激光器光纖耦合技術(shù)對(duì)器件有嚴(yán)格的要求,一般選取快慢軸發(fā)散角分別為20°～40°和8°～12°的芯片。

本文在研制大功率半導(dǎo)體激光器單管的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種單管耦合模塊,在半導(dǎo)體激光器遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角較大的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了高功率、高效率輸出。所用裝置大部分來(lái)源于國(guó)產(chǎn)且并無(wú)特殊加工,大大降低了成本和工藝難度,易于實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器單管耦合技術(shù)的市場(chǎng)化。

2 實(shí) 驗(yàn)

以自主設(shè)計(jì)研發(fā)的GaAs基975 nm半導(dǎo)體激光器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,所測(cè)快軸慢軸發(fā)散角分別為60°和16.8°,10 A時(shí)的輸出功率為9.93 W。所用光纖為數(shù)值孔徑(NA)為0.18、纖芯直徑為105 μm的勻化光纖。首先利用ZEMAX軟件對(duì)單管耦合模塊進(jìn)行仿真模擬,然后按模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得出單管耦合效率為94.3%。

由于半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量較差,快慢軸發(fā)散角過(guò)大,所以在進(jìn)行光纖耦合工藝前需要分別對(duì)快慢軸發(fā)散角進(jìn)行整形。本實(shí)驗(yàn)所用的快軸準(zhǔn)直透鏡焦距f=200μm,折射率為1.84,透鏡厚度為0.27 mm,材料型號(hào)為S-TIH53透鏡;慢軸透鏡焦距f=4.8,折射率為1.51,透鏡厚度為2 mm,材料類型為BK7。利用如下公式可以得到光斑尺寸和發(fā)散角等參數(shù)[6]：

其中,f為透鏡焦距,ω′為經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡之后光斑發(fā)光半尺寸,θ為快慢軸發(fā)散半角,r為準(zhǔn)直透鏡曲率半徑,t為準(zhǔn)直透鏡第一個(gè)面距發(fā)光面距離, d為透鏡厚度,n為透鏡折射率。計(jì)算可知ω′fast= 0.115 mm,rfast=0.168,tfast=53μm,ω′slow= 0.589 mm,rslow=2.488,tslow=3.47 mm。

為了準(zhǔn)確地描述和評(píng)價(jià)半導(dǎo)體激光器光束的輸出特性,引入了光參數(shù)積(Beam parameter product,BPP)[7-8]的概念。光參數(shù)積的定義是半導(dǎo)體激光器出射光束的發(fā)光半尺寸(ω)與出射光束發(fā)散半角(θ)的乘積：

表1為975 nm半導(dǎo)體激光器在準(zhǔn)直前后的光束參數(shù)。由表1可知,BPPslow＜BPPfast＜BPPfiber滿足光纖耦合條件,可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。利用ZEM AX軟件對(duì)半導(dǎo)體激光器快慢軸分別進(jìn)行模擬壓縮。所用的快軸透鏡材料為S-TIH53。慢軸透鏡為前曲率為2、中心厚度為3 mm的BK7透鏡。自聚焦透鏡的長(zhǎng)為2.1 mm,直徑為1.8 mm,中心折射率為1.6。通過(guò)模擬優(yōu)化,得出慢軸透鏡與自聚焦透鏡的距離為2.27 nm,單管耦合效率為96.9%。圖1為模擬的975 nm半導(dǎo)體激光器單管耦合光路圖,圖2為模擬的光纖端面光斑。

表1 975 nm半導(dǎo)體激光器在準(zhǔn)直前后光束參數(shù)Table 1 Beam parameters of 975 nm single semiconductor laser diode before and after collimation

圖1 975 nm半導(dǎo)體激光器單管耦合光路圖Fig.1 Diagram of 975 nm semiconductor laser single coupling

圖2 光纖端面光斑Fig.2 Light spot of fiber

3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)所用的975 nm半導(dǎo)體激光器,其外延結(jié)構(gòu)是以AlGaInAs為有源層、550 nm的Al0.24Ga0.76As結(jié)構(gòu)為波導(dǎo)層、1.3μm的Al0.18Ga0.82As結(jié)構(gòu)為限制層、240 nm的GaAs為緩沖層、150 nm的GaAs為接觸層,襯底為GaAs材料,如圖3所示。

經(jīng)過(guò)解理、鍍膜、封裝等工藝過(guò)程,得到本次實(shí)驗(yàn)所需的腔長(zhǎng)3 500 nm、條寬90μm的975 nm半導(dǎo)體激光器。其輸出功率與電壓的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖3 975 nm半導(dǎo)體激光器外延結(jié)構(gòu)Fig.3 Epitaxial structure of semiconductor laser

圖4 975 nm半導(dǎo)體激光器的輸出功率與電壓曲線Fig.4 Out power-voltage characteristics of975 nm semiconductor laser

實(shí)驗(yàn)中,在連續(xù)電流下利用六維調(diào)整架對(duì)半導(dǎo)體激光器的快軸方向進(jìn)行壓縮,然后將壓縮完成后的半導(dǎo)體激光器放置到管殼中壓縮慢軸。測(cè)量輸出功率為9.93 W。圖5為快慢軸壓縮完成后的半導(dǎo)體激光器照片。

圖5 快慢軸壓縮后的半導(dǎo)體激光器照片F(xiàn)ig.5 Photo of the semiconductor laser after beam shaping

將自聚焦透鏡裝到套管中,利用六維調(diào)整架將其與半導(dǎo)體激光器對(duì)接,調(diào)整到功率最大,測(cè)試其輸出功率為9.37 W,計(jì)算出耦合效率為94.3%。

對(duì)于大功率半導(dǎo)體激光器來(lái)說(shuō),亮度是一個(gè)非常重要的參數(shù)：

式中,B是亮度,P是光纖端面處的輸出功率,KBPP是光纖光參數(shù)積。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知,單管耦合后的亮度為1.64 MW/(cm2·str)。

4 結(jié) 論

基于對(duì)半導(dǎo)體激光器單管光纖耦合的理論計(jì)算和ZEMAX仿真模擬,將975 nm波長(zhǎng)的GaAs基半導(dǎo)體激光器單管耦合進(jìn)纖芯直徑105μm、數(shù)值孔徑0.22的光纖中,耦合效率為94.3%,亮度達(dá)到1.64 MW/(cm2·str)。所用裝置大部分來(lái)源于國(guó)產(chǎn)且并無(wú)特殊加工,大大降低了成本和工藝難度,易于實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器單管耦合技術(shù)的市場(chǎng)化。

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王鑫(1988-),男,吉林樺甸人,博士研究生,2014年于長(zhǎng)春理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位,主要從事大功率半導(dǎo)體激光器方面的研究。

E-mail：472098207@qq.com

Coupling Research of High Power Single GaAs Based Sem iconductor Laser

WANG Xin*,WANG Cui-luan,WU Xia,ZHU Ling-ni,MA Xiao-yu,LIU Su-ping

(Institute ofSemiconductors,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China) *Corresponding Author,E-mail：472098207@qq.com

A high brightness and high power fiber coupling laser module with single diode laser (LD)was designed and fabricated.The wavelength of GaAs semiconductor laser is 975 nm and power is 10W.The numerical aperture of the fiber is0.18 and the core diameter is105μm.When the drive current is10 A,9.37W output power is obtained from the fiber,the coupling efficiency is 94.3%,and the brightness is 1.64 MW/(cm2·str).

semiconductor laser;fiber coupling;brightness

TN248.4

A

10.3788/fgxb20153609.1018

1000-7032(2015)09-1018-04

2015-05-19;

2015-07-29