1 中国原子能科学研究院国家原子能机构抗辐照应用技术创新中心，北京 102413
2 中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程中心，北京 100083
3 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049
针对典型卫星轨道辐射环境下激光二极管（LD）的可靠性评估问题，对自研的975 nm GaAs基量子阱（QW）LD开展了10 MeV质子、3×108~3×1011 cm-2注量的地面模拟辐照实验。结合蒙特卡罗软件仿真模拟和数学分析方法，全面研究了器件位移损伤退化规律，以及不同注量、不同辐照缺陷对器件功率特性、电压特性和波长特性等关键参数的影响。结果显示，质子辐照会引入非辐射复合中心等缺陷并破坏界面结构，导致载流子浓度降低、光电限制能力下降，宏观上体现为器件阈值电流增加、输出功率下降、波长红移和单色性受损。同时，3×1010 cm-2以上注量的10 MeV质子等效位移损伤剂量辐照会对975 nm QW LD性能产生较大影响。
量子光学 量子阱激光二极管 质子 位移损伤效应 性能评估 光学学报
2023, 43(11): 1127001
1 中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程研究中心, 北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100049
为提高1060 nm锥形激光器的输出性能,对1060 nm锥形激光器的脊形波导区和锥形增益区长度进行了优化。当保持总腔长3 mm不变时,设置脊形波导区长度为500,750,1000 μm。在输出功率为2 W时,对三种情况所需的输入电流、功率-电流曲线斜率效率、电光转换效率、输出光谱及远场特性进行了对比。研究结果表明,当脊形波导区长度为750 μm,锥形增益区长度为2250 μm时,1060 nm锥形激光器的输出性能最优。当输出功率为2 W时,所需输入电流为3.95 A,斜率效率为0.61 W/A,转换效率为33.9%,光谱宽度(半峰全宽)为0.3 nm,远场近似高斯分布且95%能量处的水平发散角约为14°。
激光器 锥形激光器 脊形波导 1060 nm 输出性能
1 中国原子能科学研究院 核物理所, 北京 102413
2 国防科技工业抗辐照应用技术创新中心, 北京 102413
3 中国科学院半导体研究所 光电子器件国家工程中心, 北京 100083
4 中国科学院大学, 北京 100049
为了解决限制近红外单发射区InGaAs/AlGaAs量子阱半导体激光二极管失效阈值功率提升的腔面光学灾变损伤问题, 研制了一种带有Si杂质诱导量子阱混杂非吸收窗口的新型激光二极管, 并对其性能进行了测试分析。首先, 对于带有非吸收窗口的二极管, 在其谐振腔上方前后腔面附近的窗口区域覆盖50 nm Si/100 nm SiO2组合介质层, 在远离腔面的增益区域覆盖50 nm Si/100 nm TiO2组合介质层, 并采用875 ℃/90 s快速热处理工艺促进Si杂质扩散诱导量子阱混杂并去除非辐射复合中心。然后, 基于相同外延结构、相同流片工艺制备了无非吸收窗口的激光二极管作对照组。测试结果显示, 带有非吸收窗口的新型激光二极管平均峰值输出功率提升约33.6%, 平均峰值输出电流提升约50.4%, 腔面光学灾变损伤的发生概率和破坏程度均明显降低, 且其阈值电流、斜率效率及半高全宽等特性也无任何退化。该研究证明, 采用Si杂质诱导量子阱混杂技术制备的非吸收窗口, 对近红外单发射区InGaAs/AlGaAs量子阱半导体激光二极管腔面光学灾变损伤有明显的抑制效果。
半导体激光二极管 腔面光学灾变损伤 量子阱混杂 非吸收窗口 semiconductor lasers catastrophic optical mirror damage quantum well intermixing non-absorption window
1 中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程中心, 北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100049
高输出功率和长期可靠性是高功率半导体激光器得以广泛应用的前提,但高功率密度下腔面退化导致的光学灾变损伤(COD)制约了激光器的最大输出功率和可靠性。为了提高915 nm InGaAsP/GaAsP半导体激光器的COD阈值,利用金属有机物化学气相沉积设备来外延生长初次样片。探讨了量子阱混杂对初次外延片发光的影响。此外,使用光致发光谱测量了波峰蓝移量和发光强度。实验结果表明,在退火温度为890 ℃、退火时间为10 min条件下,波峰蓝移量达到了62.5 nm。对初次外延片进行量子阱混杂可得到较大的波峰蓝移量,且在退火温度为800~890 ℃、退火时间为10 min的条件下峰值强度均保持在原样片峰值强度的75%以上。
1 中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程研究中心, 北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100049
为了获得更好的量子阱混杂效果,深入探讨了不同Al组分的扩散阻挡层对无杂质空位诱导量子阱混杂的影响。首先在两种不同Al组分外延片表面上分别生长了一层200 nm厚的SiO2介质薄膜,然后在865~905 ℃温度范围内,进行了90 s的高温快速热退火处理。实验结果表明,低铝结构的波长蓝移量更大,且光致发光 (Photoluminescence,PL)谱的强度下降更小,这说明在无杂质空位诱导量子阱混杂中,外延结构中的Al和Ga对点缺陷扩散的影响是不同的,Ga更有利于点缺陷的扩散。研究结果为无杂质空位诱导量子阱混杂的理论研究及器件的外延结构设计提供了参考。
材料 高铝结构 低铝结构 无杂质空位诱导 量子阱混杂 波长蓝移 中国激光
2021, 48(24): 2403001
1 长春理工大学高功率半导体激光国防科技重点实验室, 吉林 长春 130022
2 中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程研究中心, 北京 100083
3 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100049
近年来,锥形半导体激光器的发展受到越来越多的关注,这主要是因为它能够提供高功率高光束质量的激光输出,但过高的输出功率会导致光束质量的迅速恶化。利用专业光波导仿真软件Rsoft,对比分析了增益波导结构和折射率波导结构对锥形半导体激光器输出特性的影响,主要研究了不同导波模式下的近/远场分布以及功率-电流-电压特性。结果表明,在相同电压条件下,相较于折射率波导结构,具有增益波导结构的锥形激光器的输出功率虽相对较低,但其出光面上的光场分布更均匀,可以有效降低空间烧孔效应的影响,且其远场分布也较均匀。研究结论为锥形半导体激光器的结构设计提供了参考。
1 中国科学院 半导体研究所，光电子器件国家工程研究中心，北京 100083；中国科学院大学 材料科学与光电技术学院，北京 100049
2 中国科学院 半导体研究所，光电子器件国家工程研究中心，北京 100083
高功率半导体激光器是固体激光器和光纤激光器的主要泵浦源。激光泵浦源性能的大幅提升直接促进了固体激光器、光纤激光器等激光器的发展。主要介绍了8xx nm和9xx nm系列半导体激光泵浦源的最新研究进展，8xx nm单管输出功率已达18.8 W@95 μm，巴条输出功率已达1.8 kW（QCW），9xx nm单管输出功率已达35 W@100 μm，巴条输出功率已达1.98 kW（QCW）。谱宽<1 nm的窄谱宽半导体激光器输出功率可达14 W。展望了未来半导体激光器泵浦源的发展趋势。
高功率 半导体激光器 光纤激光器 巴条 激光泵浦源 high power semiconductor laser fiber laser bar laser pump source 强激光与粒子束
2020, 32(12): 121010
1 中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程中心, 北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100049
为了提高半导体激光二极管的输出功率和可靠性,通过在有源区两侧势垒层和波导层之间引入高禁带宽度的GaAsP,抑制有源区载流子的泄漏,极大地改善了器件的性能。研究结果表明:在10~40 ℃温度范围内器件特征温度从原来的150 K提高至197.37 K(-75.76 ℃),峰值波长随温度的漂移系数为0.207 nm/℃;条宽200 μm、腔长2000 μm的9XX nm激光二极管可靠性工作的最大输出功率高达14.4 W;器件在注入电流为7 A时取得71.8%的最大电光转换效率,斜率效率为1.21 W/A。器件在恒定电流下的加速老化测试显示激光二极管可靠性工作寿命达2000 h以上。
激光光学 激光二极管 载流子泄漏 特征温度 波长漂移 寿命
1 中国科学院半导体研究所 光电子器件国家工程中心, 北京 100083
2 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院, 北京 100049
为了改善9xx nm高功率半导体激光器的性能, 对n包层和p包层的掺杂分布进行了调整, 以减小激光器的内部损耗。同时为了减小有源区载流子的泄漏, 在有源区和波导层之间引入了高能量带隙GaAsP。设计并制作了内部损耗为1.25 cm-1的高功率激光器。器件可靠性工作的最大输出功率为26.5 W。当输出功率为10.5 W时, 最大电光功率转换效率为72.4%, 斜率效率为1.16 W/A。
激光二极管 内部损耗 自由载流子吸收 laser diode internal loss free carrier absorption
1 中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程研究中心, 北京 100083
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院, 北京 100049
为了削弱激光器工作时芯片横向温度不均而导致的热透镜效应对慢轴发散角的影响,提高慢轴的光束质量,引入了边缘绝热封装方式,即在激光器芯片两侧与过渡热沉之间加入空气隙,以降低两侧的传导散热。利用有限元分析软件ANSYS 18.0对该封装结构中激光器芯片的温度进行仿真。结果表明:当工作电流为1.6 A,芯片与热沉的接触宽为200 μm时,慢轴发散角由普通封装时的11.5°减小至8.2°,降幅为28%,光束参数积和光束质量因子也分别降低了28%和24%,热阻增大了6%。边缘绝热封装对器件激射波长、阈值电流、电光转换效率的影响很小。
激光器 边缘绝热封装 慢轴光束质量 热分析 半导体激光器
