1 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
高可靠性已成为大功率半导体激光器实用化的重要指标之一，而寿命预测是大功率半导体激光器可靠性评估的首要环节。文中提出了一种双应力交叉步进加速退化的试验方法，对830 nm F-mount封装的大功率半导体激光器进行了四种不同的双应力条件A[22 ℃， 1.4 A]，B[42 ℃，1.4 A]，C[42 ℃，1.8 A]，D[62 ℃，1.8 A]下的电流-温度交叉步进加速退化试验研究，对光输出功率退化轨迹进行拟合，按照80%功率退化作为失效判据，结合修正后的艾琳模型和威布尔分布外推得到器件在正常工作条件下的平均失效时间（MTTF）为5 811 h。文中给出了完整的加速退化模型建立过程与详细的外推寿命计算方法，并对模型进行了准确性检验，误差不超过10%。该方法相比单应力恒定加速试验方法，可以大幅度节约试验时间和试验成本，这对于大功率半导体激光器的自主研制具有重要的指导意义。
大功率半导体激光器 加速退化试验 双应力 寿命 high-power laser diodes accelerated degradation test double-stress lifetime 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220592
1 天津津航技术物理研究所 天津市薄膜光学重点实验室，天津 300308
2 王之江激光创新中心，天津 300308
ZnSe以其优异的光学性能与机械性能，一直是光学零件的首选材料之一。光学窗口、光学透镜等光学零件的制作成本很大程度上取决于光学材料的可加工性，加工成本占制作总成本的50%以上。从微观结构上来看，光学晶体材料的可加工性又与晶粒尺寸相关。文中采用物理气相沉积（PVD）法制备了PVDZnSe红外光学材料，并从沉积温度与原料性能两个方面研究了PVDZnSe制备工艺对其晶粒尺寸和可加工性的影响。研究表明：在920、960、1 000 ℃三个温度条件下，随着沉积温度升高，PVDZnSe材料晶粒呈现增加的趋势，其尺寸范围分别为20~180 μm、300~2000 μm和1 200~2 800 μm。在相同工艺参数条件下，选用粒径分别为2~10 μm、10~20 μm和300~2 000 μm的三种ZnSe原料制备PVDZnSe。随着原料ZnSe晶粒尺寸的增加，所得PVDZnSe的晶粒尺寸显著增大。结果表明，随着晶粒尺寸增加，脆性指数也相应增加，即PVDZnSe可加工性能在逐渐变差。研究还发现，在一定的晶粒尺寸范围内，材料的透过率差别不大，在2~14 μm波长范围内，PVDZnSe材料的平均透过率均能达到70%以上。该研究为PVDZnSe材料在光学零件领域的应用提供了实践经验和有力的技术支撑。
PVDZnSe 晶粒尺寸 沉积温度 原料 PVDZnSe grain size deposition temperature raw material 红外与激光工程
2022, 51(7): 20210565
1 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130022
3 海南师范大学物理与电子工程学院 海南省激光技术与光电功能材料重点实验室, 海南 海口 571158
4 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
为了提高低温工作环境下808 nm半导体激光器的输出特性, 深入研究了电光转换效率的温度特性。结合载流子泄漏抑制和器件串联电阻的优化考虑, 从理论上深入分析了有源区量子阱内的载流子限制现象, 提出针对低温工作环境下的势垒高度及相应的量子阱结构设计方法, 包括势垒层的材料组分、厚度等重要参数的优化, 极大地改善了器件在低温工作环境下的性能。采用优化后的外延结构, 制备了腔长2 mm的半导体激光巴条。在工作温度-50 ℃、注入电流为600 A时, 巴条输出功率达到799 W, 电光转换效率为71%, 斜率效率为1.34 W/A; 注入电流为400 A时, 器件达到最高电光转换效率73.5%, 此时的载流子限制效率约为99%, 串联电阻为0.43 mΩ; 在-60~60 ℃温度范围内, 中心波长随温度的漂移系数为0.248 nm/℃。
半导体激光器 载流子泄漏 低温 高效率 温度效应 semiconductor laser carrier leakage low temperature high efficiency temperature effects
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 陕西省计量科学研究院, 陕西 西安 710100
针对高功率半导体激光芯片工作温度升高易引起芯片性能退化和失效问题, 首先理论分析了工作温度对内量子效率的影响机理。其次, 为量化温度影响芯片稳定性的主要因素, 自主搭建高功率半导体激光列阵芯片测试系统, 研究15~60 ℃半导体激光列阵芯片的温度特性, 分析了5种能量损耗分布及其随温度的变化趋势。实验结果表明, 当温度由15 ℃升高至60 ℃, 载流子泄漏损耗占比由2.30%急剧上升至11.36%, 是造成半导体激光芯片在高温下电光转换效率降低的主要因素。最后进行了外延结构的仿真优化, 仿真结果表明, 提高波导层Al组分至20%, 能有效限制载流子泄漏, 平衡Al组分增加带来的串联电阻增大问题, 可以获得高效率输出。该研究对高温下半导体激光芯片的设计具有重要的指导意义。
高功率 半导体激光列阵芯片 高温特性 能量损耗分布 high power laser diode array chips high temperature characteristic energy loss distribution
1 中国科学院大学, 北京 100049
2 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
3 陕西省计量科学研究院, 陕西 西安 710100
对808 nm的InAlGaAs/AlGaAs半导体激光器芯片的波导厚度进行了优化，研究发现N波导与P波导厚度比值为1.8时芯片电光转换效率最高。基于上述高效率芯片研制出Chip-on-submount(COS)单管和光纤芯径62.5 μm、数值孔径0.22的光纤耦合模块，并研究了两种器件在-10~90 ℃范围内的效率特性。结果显示，温度由-10 ℃升高到90 ℃，COS单管的载流子泄漏占比由1.18%增加到16.67%，光纤耦合模块的载流子泄漏占比由1.99%增加到17.73%，表明温升引起的载流子泄漏加剧是导致电光转换效率降低的主要因素。此外，还研究了高温老炼、热真空、空间辐照对光纤耦合模块电光转换效率的影响，并揭示了导致器件电光转换效率降低的内在因素。
半导体激光器 光纤耦合模块 光功率 电光转换效率 diode lasers fiber-coupled module optical power power conversion efficiency
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 西安 710119；中国科学院大学, 北京 100049
2 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 西安 710119
为了解决阵列中每个发光点性能分布不均的问题，研究了微通道水冷封装的960 nm半导体激光器阵列，阵列包含38个发光点，腔长为2 mm，在驱动电流为600 A、占空比为10%的条件下，输出的峰值功率达到665.6 W，电光转换效率为63.8%，中心波长为959.5 nm.通过对应力的理论分析，给出了各个发光点应变的表达式；通过搭建单点测试系统获得阵列中每个发光点的阈值电流、斜率效率、光谱和功率等光电特性；结合应变理论分析可知，器件中发光点的性能与应变大小和类型密切相关，压应变会导致器件波长蓝移、阈值电流降低、功率和斜率效率升高，张应变会导致波长红移、阈值电流升高、功率和斜率效率降低.研究表明，影响器件内部发光点的性能不仅与热效应有关，而且与封装后残余的应变密切相关，通过应力的分布可以预测阵列性能的变化规律，可为高峰值功率、高可靠性的半导体激光阵列的研制提供参考.
高功率半导体激光阵列 独立发光点 应变 微通道 光电特性 High-power semiconductor laser array Independent emitter Strain Microchannel Photoelectric characteristics
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室， 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学， 北京 100049
高峰值功率半导体激光阵列在高温工作条件中的应用需求日益凸显，本文以微通道封装的高峰值功率960 nm半导体激光阵列为研究对象，通过精密控温系统测试了其在10~80 ℃范围内峰值功率、电光转换效率、工作电压和光谱等一系列光电特性，结合理论分析，给出不同温度下电光转化效率的能量损耗分布。结果表明，工作温度从10 ℃升高到80 ℃后，电光转化效率从63.95%下降到47.68%，其中载流子泄漏损耗占比从1.93%上升到14.85%，是导致电光转换效率下降的主要因素。该研究对高峰值功率半导体激光器阵列在高温应用和激光芯片设计方面具有重要的指导意义。
高功率半导体激光阵列 高温 微通道 电光转化效率 能量损耗分布 high-power semiconductor laser array high temperature microchannel power conversion efficiency energy loss distribution
1 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
2 西安立芯光电科技有限公司, 陕西 西安 710077
通过设计极低损耗808 nm半导体激光芯片外延结构, 实现腔内损耗小于0.5 cm-1。采用该高效率外延结构研制出高峰值功率808 nm巴条芯片, 巴条的填充因子为85%, 包含60个发光点, 发光区宽度为140 μm, 腔长为2 mm。在驱动电流为500 A, 脉冲宽度为200 μs, 重复频率为400 Hz, 占空比为8%的工作条件下, 该芯片的准连续(QCW)峰值输出功率为613 W, 斜率效率达1.34 W/A,峰值波长为807.46 nm, 光谱半峰全宽为2.88 nm。任意选取5只芯片, 在准连续300 W(占空比8%)条件下进行了寿命验证, 芯片寿命达到3.63×109 shot, 定功率300 W下电流变化小于10%, 达到商业化水平。
激光光学 半导体激光芯片 峰值功率 光损耗 寿命
1 长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室, 吉林 长春 130022
2 吉林农业大学信息技术学院, 吉林 长春 130033
在理想情况下,单光子是由量子点单光子源发光产生的。量子点单光子发射器件的制作主要利用自组织生长方法在图形衬底上结合光学微腔结构实现。采用金字塔形衬底制备量子点可实现量子点的高定位生长, 该方法易于制备和隔离单光子源量子点。利用金字塔形衬底不但可以解决多个量子点占据同一个位置的问题, 而且在金字塔形衬底上制备的量子点有利于光子的发射和收集。
光学设计 量子点 定位生长 金字塔形衬底
Author Affiliations
Abstract
National Key Lab of High Power Semiconductor Lasers, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China
To investigate the relationship between indium content and optical properties during epitaxial growth of an InGaAs/GaAs single quantum well (SQW), simulation and experiments are demonstrated. The epitaxial growth is demonstrated with low-pressure metal–organic chemical vapor deposition. Photoluminescence (PL) spectroscopy is applied to research the PL properties at room temperature. The In/(In+Ga) varies from 0.24 to 0.36, resulting in an increasing of the full-width half-maximum (FWHM) with the wavelength exhibiting a red-shift. A SQW with an In/(In+Ga) of 0.36 is manufactured, where a FWHM of 23.9 meV is obtained. An InGaAs SQW sandwiched by GaAsP is prepared, which is observed to exhibit a diminished FWHM of 17.0 meV with the wavelength revealing a blue-shift.
Chinese Optics Letters
2015, 13(Suppl): S21602
