光譜穩定的低功耗980 nm單模泵浦源半導體激光器

李 輝， 都繼瑤， 曲 軼， 張 晶， 李再金， 劉國軍

(長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室， 吉林 長春 130022)

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光譜穩定的低功耗980 nm單模泵浦源半導體激光器

李 輝*， 都繼瑤， 曲 軼， 張 晶， 李再金， 劉國軍

(長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室， 吉林 長春 130022)

由于在很多特殊應用領域要求980 nm泵浦源半導體激光器具有光譜穩定、低功耗等，本文通過對980 nm單模半導體激光器的腔長、腔面反射率及光纖光柵反射率等優化設計，研制出低閾值、高功率980 nm光纖光柵外腔波長穩定半導體激光器。該低功耗、波長穩定的單模半導體激光器，在100 mA工作電流下尾纖輸出功率達到51 mW，3 dB帶寬為0.16 nm，邊模抑制比大于40 dB，器件在250 mA工作電流下，尾纖輸出功率達到120 mW。

半導體激光器； 光纖布拉格光柵； 外腔結構； 波長穩定； 低功耗

1 引 言

近年來，摻鉺光纖放大器(EDFA)在光纖通信中獲得了廣泛的應用。一個光纖放大器(EDFA)要用一個或兩個泵浦激光器組件，因此，980 nm單模光纖光柵泵浦源半導體激光器有很大的市場需求。隨著半導體量子阱材料生長技術、激光器芯片技術及裝配技術的逐步完善，高功率半導體激光器在國外得到了迅速發展[1-4]。目前國際上研制、生產高功率980 nm光纖光柵外腔半導體激光器的公司主要有Oclaro、JDSU、Furukawa、3S Photonics等。目前，國外公司已經有輸出功率達到1.05 W的980 nm單模大功率光纖光柵泵浦源半導體激光器產品出售。

由于對980 nm單模光纖光柵泵浦源半導體激光器的需求增加，國內從90年代就開始了該器件的研制工作。但是到目前為止，還沒有性能可靠的產品出售。國內在高功率980 nm半導體激光器方面的研制主要有中科院半導體研究所[5-8]、北京工業大學[9]、河北工業大學[10-11]、上海理工大學[12]、中科院長春光機與物理所[13]、長春理工大學[14]等單位。由于國內工業條件和加工技術與國外有明顯的差距，所研制的器件在壽命和可靠性方面還有很大的不足。

另外，980 nm單模半導體激光器作為摻鉺光纖光源的泵浦源在很多特殊領域都有重要應用，其中一些應用領域要求泵浦源半導體激光器具有光譜穩定、低功耗等特性。現在商用器件的主要問題是功耗比較大，溫度特性差，不利于應用于太空等苛刻的工作環境中，而這種光譜穩定、低功耗的980 nm光纖光柵泵浦源半導體激光器在國內外開展研究的單位較少。本文研制的980 nm單模光纖光柵泵浦源半導體激光器具有輸出功率高、能耗低及光譜穩定等優點，可以應用于某些復雜環境中。

2 980 nm光纖光柵外腔結構單模泵浦源半導體激光器的研制

2.1 980 nm光纖光柵外腔結構泵浦源半導體激光器的設計和特性模擬

一般F-P腔半導體激光器輸出激光的相干性較差，相干長度約為幾毫米。采用光纖光柵外腔光反饋使特定波長的光反饋進入F-P腔，使該波長的光得到進一步放大增強，其他波長的光受到抑制，以實現穩頻工作的目的。光纖光柵作為外腔結構的光學反饋部件，具有制作工藝簡單、反射譜窄、中心波長穩定的優點，本文采用布拉格光纖光柵(FBG)作為外腔激光器的反饋元件，實現其波長鎖定。

本文將單模光纖前端制作成楔形柱透鏡并在單模光纖中置入光纖光柵(FBG)形成外腔半導體激光器(External cavity laser)。圖1為光纖光柵外腔激光器原理圖。光纖光柵通過楔狀耦合端與半導體激光器芯片實現光學直接耦合，具有結構簡單、耦合效率高的優點，易于實現器件耦合結構的長期穩定。

圖1 光纖光柵外腔結構半導體激光器原理圖

Fig.1 Principle diagram of the fiber grating external cavity structure semiconductor laser

為了使光纖光柵外腔結構半導體激光器實現低功耗工作，我們對半導體激光器芯片的腔長、腔面反射率和光纖光柵的反射率進行了優化設計。通過理論計算，獲得了980 nm光柵外腔結構半導體激光器輸出功率與注入電流的關系模擬曲線，如圖2所示。當芯片腔長為0.75 mm、腔面有效反射率為5%時，光柵外腔結構半導體激光器在100 mA注入電流下的輸出功率可達到65 mW以上。所以，在制作980 nm單模半導體激光器芯片時，我們將其腔長設計為0.75 mm。

圖2 980 nm光柵外腔結構半導體激光器輸出功率與注入電流的模擬關系曲線

Fig.2 Simulation curve between output power and injection current of 980 nm grating external cavity structure semiconductor laser

2.2 980 nm半導體激光器外延結構設計及材料生長

本文研制的980 nm單模光纖光柵半導體激光器的特點是輸出功率高、能耗低及光譜穩定，這就要求980 nm單模半導體激光器芯片具有低閾值、高效率的特點。經過優化設計的980 nm半導體激光器材料的外延結構如表1所示。采用金屬有機化學汽相沉積系統(MOCVD)進行半導體激光器的材料外延生長。

表1 In0.22Ga0.78As/GaAs 980 nm半導體激光器材料外延結構

Tab.1 In0.22Ga0.78As/GaAs epitaxial structure of 980 nm semiconductor laser

LayerAlcomp.Thickness/nmDoping/cm-3GaAs0200～1E20(p)ZnAlGaAs→GaAs0.6-0150～1E18(p)ZnAlGaAs0.61000～1E18(p)ZnAlGaAs0.6100iGaAs→AlGaAs0-0.6150iGaAs012iInGaAs(singleQW)In(0.2)7.3iGaAs012iAlGaAs→GaAs0.6-0150iAlGaAs0.61000～1E18(n)SiGaAs→AlGaAs0-0.6150～1E18(n)SiGaAsbuffer0250～1E18(n)Sin+(100)GaAssubstrate0a.u.～1E18(n)Si

2.3 980 nm單模半導體激光器芯片制作和特性

目前單模半導體激光器的條形結構主要有脊形波導結構(RW)、掩埋異質結(BH)結構、溝道襯底內條形(VSIS)結構等。其中脊形波導半導體激光器具有工藝簡單、基模輸出功率大的優點，是目前大功率單模半導體激光器的優選條形波導結構。在本文中采用干法和濕法相結合的刻蝕工藝制作脊形波導結構器件[15]。

我們利用安裝在積分球上的經校準的InGaAs探測器對輸出功率與注入電流的特性進行測量。圖3是不同溫度(25，40，50，70 ℃)下的3 μm×750 μm980 nm半導體激光器的功率-電流特性曲線，圖4是工作電流為100 mA時的器件的遠場曲線。從圖3可以看出，在工作電流為250 mA時(25 ℃)，激光器的輸出功率達到170 mW以上。激光器的閾值電流為20 mA。器件在70 ℃時仍然可以正常工作，說明器件具有很好的溫度特性。

圖3 980 nm 單模半導體激光器在不同溫度下的功率-電流曲線

Fig.3 Power-current curve of 980 nm single mode semiconductor laser at different temperatures

圖4是980 nm單模半導體激光器芯片在工作電流為100 mA時的遠場曲線。器件的水平發散角和垂直發散角分別為9°和28°。

圖4 980 nm 單模半導體激光器的水平(a)與垂直(b)發散角曲線

Fig.4 Horizontal (a) and vertical (b) divergence of 980 nm single mode semiconductor laser

2.4 耦合端面的設計、制備與耦合工藝

本文采用楔形柱面透鏡光纖進行器件的直接耦合輸出。為設計出理論上最佳楔型透鏡耦合光學系統，我們對該模型作如下假定：(1)980 nm單模高效率半導體激光器與微透鏡單模光纖的模場的高斯近似；(2)忽略微透鏡光纖端的菲涅爾反射損耗；(3)考慮到光纖中纖芯和包層的折射率相差很小，用同一折射率表示它們。激光器與光纖的耦合實質上是模態的匹配問題，當模態不匹配時，耦合效率很低。光纖頭的楔形透鏡相當于在光纖端面上加了一個微透鏡，起到一個傳輸因子的作用，就是利用這個傳輸因子使激光器與光纖的模態達到匹配。耦合模型如圖5所示。

圖5 980 nm 單模半導體激光器光纖耦合結構示意圖

Fig.5 Schematic diagram of fiber coupling 980 nm single mode semiconductor laser

2.5 980 nm單模泵浦源半導體激光器特性

圖6是采用光纖光譜儀測試的器件的輸出光譜，其中心波長為976.42 nm，3 dB帶寬為0.16 nm，邊模抑制比為43 dB。

圖6 980 nm光纖光柵泵浦源半導體激光器的輸出光譜

Fig.6 Emitting spectrum of 980 nm fiber grating pumped semiconductor laser

圖7為980 nm光纖光柵泵浦源半導體激光器的輸出功率與工作電流的關系曲線。在250 mA工作電流下，激光器的輸出功率達到了120 mW。

圖7 980 nm光纖光柵泵浦源半導體激光器的功率-電流特性曲線

Fig.7P-Icharacteristic curve of 980 nm fiber grating pumped semiconductor laser

3 結 論

采用980 nm單模半導體激光器與楔形光纖光柵耦合，制作出高效率、低功耗、波長穩定的980 nm單模泵浦源半導體激光器，耦合效率達到70%以上。在100 mA工作電流下，尾纖輸出功率達到51 mW。器件的中心波長為976.42 nm，3 dB帶寬為0.16 nm，其邊模抑制比大于40 dB。器件在250 mA工作電流下，尾纖輸出功率達到120 mW。

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李輝(1971-)，女，吉林長春人，博士，副研究員，2014年于長春理工大學獲得博士學位，主要從事半導體激光器等方面的研究。

E-mail: lihui@cust.edu.cn

Low Power Dissipation 980 nm Single Mode Pumping Source Laser with Wavelength Stabilization

LI Hui*， DU Ji-yao， QU Yi， ZHANG Jing， LI Zai-jin， LIU Guo-jun

(NationalKeyLaboratoryonHighPowerSemiconductorLasers,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:lihui@cust.edu.cn

Due to many special applications, the 980 nm pumping source semiconductor lasers should have the characteristics of spectrum stability, low power consumption. Based on the optimization design of a 980 nm single mode semiconductor laser cavity length, cavity reflectivity and fiber Bragg grating reflectivity, the low threshold, high power 980 nm fiber Bragg grating external cavity semiconductor lasers with wavelength stability are developed. The pigtail output power of the low power consumption single mode semiconductor lasers with wavelength stability can reach 51 mW under 100 mA, 3 dB bandwidth of 0.16 nm. The side mode suppression ratio (SMRS) is greater than 40 dB. The pigtail output power of the device can reach 120 mW under 250 mA.

semiconductor lase； fiber bragg grating(FBG)； external cavity structure； wavelength stabilization； low power dissipation

1000-7032(2016)01-0033-05

2015-09-12；

2015-11-13

國家自然科學基金(U1330136)； 高功率半導體激光國家重點實驗室基金(9140C310205130C31004)； 長春市科技計劃(13KG30)資助項目

TN248.4

A

10.3788/fgxb20163701.0033