穩定耦合效率的溝槽結構半導體激光器

崔碧峰， 李 莎， 孔真真， 黃欣竹, 凌小涵

(北京工業大學 光電子技術教育部重點實驗室， 北京 100124)

穩定耦合效率的溝槽結構半導體激光器

崔碧峰*， 李 莎， 孔真真， 黃欣竹, 凌小涵

(北京工業大學 光電子技術教育部重點實驗室， 北京 100124)

為了穩定半導體激光器激射光束在光纖傳輸過程的耦合效率，提出一種溝槽結構的半導體激光器，并對該結構激光器的光束、耦合效率及P-I特性進行研究。在普通條形半導體激光器的脊形區刻蝕了周期性的溝槽結構，來改善半導體激光器有源區的增益分布。通過對比普通結構與溝槽結構半導體激光器的光束分析，測試其耦合效率以及P-I特性。結果表明:溝槽結構的半導體激光器能夠使光腔內模式更加穩定，輸出光束更加集中，并避免了“Kink”效應的發生；與此同時，耦合效率提高至97.7%，并且較普通結構激光器更為穩定。溝槽結構半導體激光器有效地解決了光斑跳動問題，穩定了激光器的耦和效率。

半導體激光器； 溝槽結構； 光斑跳動； 耦合效率；

1 引 言

由于大功率半導體激光器具有體積小、功耗低、效率高等優點，使其在芯片后端產業得到了廣泛的應用。提高半導體激光器的輸出效率并改善半導體激光器的光束傳輸質量成為現階段的研究重點，具體表現在應用過程中，激光耦合到光纖的耦合效率不隨注入電流的變化而降低。研究過程中發現，對激光器光束進行測量時，輸出光束近場會產生光斑跳動現象，并且隨著注入電流的增大，光斑跳動會更加明顯。光斑跳動現象說明半導體激光器內部模式不穩定，嚴重影響半導體激光器輸出光束的光束傳輸質量，導致半導體激光器輸出功率下降，從而使光纖耦合效率下降。

為了穩定半導體激光器激射光束在光纖傳輸過程的耦合效率，本文提出一種溝槽結構的半導體激光器，在普通條形半導體激光器的脊形區刻蝕了周期性的溝槽結構，來改善半導體激光器有源區的增益分布。結果表明:溝槽結構的半導體激光器能夠使光腔內模式更加穩定，輸出光束更加集中，并避免了“Kink”效應的發生；與此同時，耦合效率提高至97.7%，并且較普通結構激光器更為穩定。

2 光斑跳動原因分析

在注入式的GaAs半導體激光器中，相當普遍地存在著絲狀發光現象[1-2]。通過對半導體激光器的一系列研究，人們發現其在垂直于結方向上對有源區的載流子和光子具有限制作用，而它的側向近場實際上是一排亮點，也稱為光絲[3]，如圖1所示。

圖1 激光器的近場光絲示意圖

Fig.1 Schematic diagram of the near field optical filament of the laser

光絲形成的原因是光增益周期性空間燒孔,如圖2所示，閾值處載流子呈鐘型分布，電流加大，受激復合加劇，載流子濃度逐漸平坦，最后下凹。振蕩的基模輻射強度對準條中心，激射復合的載流子橫向分布產生了空間燒孔，折射率產生凸起，導致了折射率周期性變化，傾向于聚焦或捕獲激射輻射。輻射光逐漸被捕獲到由輻射光自己造成的載流子濃度的空孔中，產生了周期性自聚焦效應，建立了非線性側向模式——光絲陣列。并且隨著電流的注入，光絲分布發生變化，進而引起光腰移動(圖3)，激射點移動造成折射率減小，從而增加激射點的移動，光場的非對稱性隨之增加。當激射點移出條形區，激射效率迅速減小，輸出功率飽和，Kink[4]產生，從而對半導體激光器的光束穩定性以及光纖耦合效率產生重大影響。

對于上述問題，很多學者也做過相關研究[5-9]。其中鎖相陣列激光器可以獲得非常穩定的光場分布，但是由于它的有源區是由非泵浦區域隔開的10～20個窄的有源脊組成，這些非泵浦區域(即損耗區)使得激光器的電光參數變差，故很難實現高效率。因此，非泵浦區域應該盡量地窄。我們提出了一種溝槽結構的半導體激光器，即在普通結構半導體激光器的脊形條引線孔內刻蝕周期性分布的溝槽。溝槽區域為非歐姆接觸區，在載流子注入時形成肖特基接觸。勢壘的存在使得電子注入受限，從而阻擋電流的傳導。在這些周期性溝槽區域下面的電流傳導引起有源區的周期性泵浦，形成周期性的增益分布和較強的光學耦合，從而激射出更為穩定的光束。并且腔內損耗只與材料的生長質量有關，故刻蝕溝槽結構不會對腔內損耗造成影響。

圖2 隨注入電流增加的3種剖面的變化情況

Fig.2 Variation of three profiles with the increasing of the injection current

圖3 光斑移動示意圖

3 器件的結構

我們采用在GaAs襯底上進行MOCVD外延技術生長脊形條形結構半導體激光器。為了將載流子限制在溝槽里，需要計算載流子擴散引起的光絲的位置及其寬度，并以該寬度作為溝槽的寬度來刻蝕。由于我們無法在芯片未制備完成之前確認光絲的位置和寬度，因此采用GaAs材料中載流子的擴散長度5m作為溝槽結構的寬度[10]。

我們在同一外延片上制備了兩種不同結構的大功率半導體激光器：一種是有溝槽結構的，一種是沒有溝槽結構的。首先進行MOCVD外延生長，采用厚度為7 nm的In0.2Ga0.8As作為有源層，InGaAs/GaAs/AlGaAs系材料制備芯片外延結構[11-12]。在該外延片結構上，進行寬條脊形半導體激光器的制備。先腐蝕形成100 μm寬、300 nm高的脊形臺，然后光刻形成P型引線孔，如圖4 所示。對于溝槽結構的半導體激光器，即在電極孔位置刻蝕周期性溝槽結構，其中溝槽寬度為5 μm，每間隔5 μm刻蝕一個溝槽。對于無溝槽結構的激光器則不需要套刻溝槽即可。然后，將長好電極的外延片解理成激光器管芯，如圖5所示，并燒結在C-mount熱沉上之后進行TO3封裝并測試[13-14]。

圖4 脊形條形結構半導體激光器

圖5 溝槽結構的大功率半導體激光器

4 器件測試與結果分析

4.1 近場光斑測試

為證實溝槽結構能夠改善半導體激光器的光斑移動現象，我們采用了對比方案，用CCD照相機實時記錄近場光斑，通過Spiricon-OPHIR Photonics激光光束分析儀分別對兩種結構的激光器進行近場光斑測試與分析。在脈沖條件下，電流分別為600 mA和800 mA下得到激光器的2D光束顯示圖。其中質心X軸坐標表示光束在平行于結方向上的位置分布，Y軸表示激射光束的能量強度。如圖6和7所示。

由圖6和7可以看出，對于普通結構的半導體激光器，在電流變化時，光束分布比較分散且光束的峰值能量有明顯波動，有光絲移動現象產生。而有溝槽結構的半導體激光器在電流變化時，光束分布比較集中且光束的峰值能量穩定在中心位置,基本不存在光斑漂移現象。

由此可見，溝槽結構的半導體激光器有效地抑制了光絲移動現象，并且得到較好的光束穩定性。對于相同位置的光束而言，普通結構激光器相比有溝槽結構的激光器，光強變化明顯，而有溝槽結構的激光器光束強度變化很小，光束穩定性提高。圖7中，在800 mA注入電流下對有溝槽結構的半導體激光器光束進行測試時，由于光束能量太高，超出設備能夠顯示的最高量程，故多加了能量衰減片，實際的光束能量峰值遠高于圖中所示。

圖6 脈沖條件下，普通結構半導體激光器的2D光束顯示圖。

Fig.6 Beam intensity 2D display of semiconductor laser without groove structure under different pulses

圖7 脈沖條件下，溝槽結構半導體激光器的2D光束顯示圖。

Fig.7 Beam intensity 2D display of semiconductor laser with groove structure under different pulses

4.2 光纖耦合效率測試

利用北京工業大學光電子技術實驗室的激光器光束耦合測試臺，我們將溝槽結構和普通結構的半導體激光器輸出光束分別耦合到光纖中，測試耦合前和耦合后兩種結構半導體激光器的輸出功率。通過光纖耦合前后的輸出功率計算出各自的耦合效率，并作對比。圖8所示是普通結構激光器光纖耦合前后的輸出功率和耦和效率，圖9所示為溝槽結構激光器光纖耦合前后的輸出功率和耦合效率。

圖8 普通結構半導體激光器光纖耦合前后的輸出功率及耦和效率

Fig.8 Beam power before and after coupling and the coupling efficiency of the laser with common structure

圖9 溝槽結構半導體激光器光纖耦合前后的輸出功率及耦和效率

Fig.9 Beam power before and after coupling and the coupling efficiency of the laser with groove structure

通過測試結果可以看出：兩種結構的電壓和功率轉換效率基本保持一致，但隨著注入電流的增大，溝槽結構半導體激光器光纖耦合前后的輸出功率隨著注入電流的增加而逐漸上升，耦合效率最高可達97.7%，且保持在95%以上，趨于穩定狀態；而普通結構激光器最高耦合效率僅可達到95%，光纖耦合前后的輸出功率在5.5 A時開始衰減，說明光絲移動，造成耦合效率隨著電流增大持續衰減。由此可以證明，溝槽結構的半導體激光器有效地將注入載流子限制在溝槽內，阻止了光絲移動，同時穩定了諧振腔內模式和光纖耦合效率。另外，圖9中電流在9 A注入時產生的耦合效率突變應屬于測量誤差。

4.3P-I特性測試

為進一步證實溝槽結構的激光器能夠改善“Kink”效應，我們在脈沖條件下測試了溝槽結構和普通結構半導體激光器的光電特性。其中，測試的脈沖重復頻率為50 Hz，脈沖寬度為100 μs。圖10為兩種結構的P-I曲線對比圖。在8 A的注入電流下，無溝槽結構的半導體激光器在電流為3 A時的P-I曲線發生“扭折”現象，說明光束不穩定。隨著注入電流的增加，在條形中心附近的載流子出于強烈的受激輻射復合而耗盡，發生局部增益飽和，產生增益分布的形變，輻射模向高階模跳躍,模式的不穩定造成P-I特性曲線的扭折。將載流子和光子限制在激光器的側向有源區有助于減小閾值電流、工作電流和損耗，從而提高輸出功率[15]。溝槽結構的半導體激光器在測量時則不存在這種“扭折”現象，說明具有溝槽結構的半導體激光器能夠將注入的載流子抑制在溝槽內，使諧振腔內模式趨于穩定，抑制了模式跳躍。穩定的模式對于改善光斑移動現象有著重要的意義。

圖10 溝槽結構與普通結構激光器的P-I曲線對比圖

Fig.10P-Icurve contrast of grooves and non-groove structure devices

另外，對于溝槽結構的半導體激光器，由于溝槽結構的P型表面有效面積增加,使其散熱效果更好，所以有著更高的飽和輸出功率3.7 W，并且有增長趨勢；而無溝槽結構的飽和輸出功率僅達3.5 W，并有下降趨勢。圖10也顯示了無溝槽結構的激光器具有更大的增益區。在發生“Kink”點之前的小電流下，無溝槽結構的半導體激光器具有相對較高的輸出功率。這是由于在激光器脊形條刻蝕溝槽結構之后，總的電流注入面積減小，使得總的發光(激射)面積減小。理論上對溝槽寬度進行優化之后可以提高輸出功率至理想水平，因此我們還需要進一步的研究來獲得更大的輸出功率。

5 結 論

本文根據半導體激光器的光絲移動問題，提出了一種具有周期性溝槽結構的脊形結構大功率半導體激光器。以980 nm脊形條形半導體激光器為例，通過對溝槽結構和普通結構激光器的激射光束進行分析，以及對光纖耦合前后輸出功率的測試表明：隨著注入電流的增加，相對于普通結構的半導體激光器，溝槽結構的半導體激光器表現出更穩定的光電特性，耦和效率最高可提高至97.7%；飽和輸出功率也可提高至3.7 W，相對普通結構激光器提高了5.7%。在半導體激光器的脊形條上刻蝕溝槽結構能夠將注入載流子抑制在溝槽內，呈現出低的光束強度波動，即抑制了近場光斑跳動現象，輸出光束更加穩定，側向模式得到明顯的穩定。相信進一步對溝槽結構的寬度進行理論優化之后一定能夠得到更高的輸出功率和理想的光束耦合效率。

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崔碧峰(1972-)，女，內蒙古滿州里人，博士，副教授，2004年于北京工業大學獲得博士學位，主要從事半導體激光器的研究。

E-mail: cbf@bjut.edu.cn

Stable Coupling Efficiency of Semiconductor Lasers with Groove Structure

CUI Bi-feng*, LI Sha, KONG Zhen-zhen, HUANG Xin-zhu, LING Xiao-han

(KeyLaboratoryofOpto-electronicsTechnology，MinistryofEducation,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

In order to stabilize the coupling efficiency of the laser beam from the semiconductor laser through optical fiber, a laser with groove structure was proposed, and the laser beam, coupling efficiency andP-Icharacteristics were researched. The periodic grooves in the ridge region of the laser were etched to improve the gain distribution in the active region of the laser. The laser beams of the common laser and the groove structure laser were analyzed, the coupling efficiency andP-Icharacteristics were tested. The results show that the strip laser with groove structure can stabilize the cavity mode, avoid the “Kink” effect and improve the coupling efficiency to 97.7%. The laser with groove structure can solve the phenomenon of optical filaments fluctuation effectively and improve the stability coupling efficiency of the beam.

semiconductor laser; groove structure; optical filaments fluctuation; coupling efficiency

1000-7032(2017)05-0636-06

2016-11-07；

2017-02-03

國家自然科學基金(11204009)； 北京市教委創新能力提升計劃(TJSHG201310005001)； 北京市自然科學基金(4142005)； 教師隊伍建設青年拔尖項目(市級)(PXM2016_014204_000017_00205938_FCG)資助。 Supported by National Natural Science Foundation of China(11204009); Innovation Capability Enhancement Program of The Education Commission of Beijing (TJSHG201310005001); Natural Science Foundation of Beijing(4142005)；Youth Top-notch Program for Teachers Team Construction (Municipal)(PXM2016_014204_000017_00205938_FCG)

TN248.4

A

10.3788/fgxb20173805.0636

*CorrespondingAuthor,E-mail:cbf@bjut.edu.cn