光学灾变损伤(COD)常发生于量子阱半导体激光器的前腔面处, 极大地影响了激光器的出光功率及寿命。通过杂质诱导量子阱混杂技术使腔面区波长蓝移来制备非吸收窗口是抑制腔面COD的有效手段, 也是一种高效率、低成本方法。本文选择了Si杂质作为量子阱混杂的诱导源, 使用金属有机化学气相沉积设备生长了InGaAs/AlGaAs量子阱半导体激光器外延结构、Si杂质扩散层及Si3N4保护层。热退火处理后, Si杂质扩散诱导量子阱区和垒区材料互扩散, 量子阱禁带变宽, 输出波长发生蓝移。退火会影响外延片的表面形貌, 而表面形貌则可能会影响后续封装工艺中电极的制备。结合光学显微镜及光致发光谱的测试结果, 得到825 ℃/2 h退火条件下约93 nm的最大波长蓝移量, 也证明退火对表面形貌的改变, 不会影响波长蓝移效果及后续电极工艺。

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。

为降低半导体激光器在慢轴方向的远场发散角, 改善慢轴光束质量, 本文提出了一种新型的绝热封装结构, 可削弱激光器工作时因芯片横向温度不均而导致的热透镜效应, 并基于傅里叶热传导方程, 采用有限元分析软件ANSYS 18.0进行热特性仿真, 利用Fineplacet贴片机对808 nm In0.1Ga0.73Al0.17As/Al0.37GaAs宽条形半导体激光器进行绝热封装, 采用电荷耦合器件(CCD)图像采集分析法对其光束质量进行测量。实验结果表明采用绝热封装方式可减小慢轴发散角约40%, 且慢轴发散角随工作电流变化更稳定, 相对应的光参数积BPP和光束质量因子M2也随之降低约33%和30%, 芯片横向(慢轴方向)与热沉接触宽度越小, 绝热封装对慢轴光束质量改善效果越好。绝热封装中空气隙的引入使得激光器光电特性产生恶化, 输出功率降低约14%, 光电转换效率降低约8.7%。绝热封装方式对改善半导体激光器的慢轴光束质量具有重要的指导意义。