基于MATLAB 對激光器在不同腔面結(jié)構(gòu)下的性能分析

蔣 培* 詹小紅

（1、蘇州大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州215000 2、蘇州矩陣光電有限公司，江蘇 張家港215600）

1 概述

大功率半導(dǎo)體激光器具有波長范圍寬，制作簡單，成本低，易于大量生產(chǎn)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)，引信，激光加工，打印，光存儲，光通訊及激光醫(yī)療等方面，其效率，功率和可靠性也是衡量半導(dǎo)體激光器性能的三個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)[1-3]，腔面結(jié)構(gòu)往往決定了這三項(xiàng)指標(biāo)的變化，如鍍鈍化薄膜的器件通過減小表面復(fù)合能有效地防止災(zāi)變性光學(xué)損傷[4]，而轉(zhuǎn)換效率隨著反射率變化也存在最優(yōu)解。但是，轉(zhuǎn)換效率的提升，意味著單位面積出光會更大，小尺寸器件熱效應(yīng)會很明顯，能隙縮小而光的吸收變強(qiáng)，從而又產(chǎn)生更多熱量，熱循環(huán)達(dá)到一定程度鏡面有源區(qū)就會有鼓包缺陷，器件瞬間失效，這就是鏡面常出現(xiàn)的COMD 現(xiàn)象。這種發(fā)生COMD 對應(yīng)的功率隨著工作時(shí)間變長會呈現(xiàn)下降的趨勢，當(dāng)這個(gè)功率低于工作電流下的功率器件就會發(fā)生失效現(xiàn)象。因此，可靠性從一方面來說取決于這種機(jī)制。

因此分析在脊?fàn)畈▽?dǎo)結(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)上，如何提升功率即增大光功率密度的同時(shí)不容易對腔面造成損壞，即減少非輻射復(fù)合引起熱的生成，提升其COMD 功率從而達(dá)到優(yōu)化可靠性的目的，都需要通過改變腔面結(jié)構(gòu)去深入地研究，包括腔面鈍化材料的選取及其作用[5]，高反與低反膜的理論及設(shè)計(jì)[6]。

本文通過光學(xué)傳輸矩陣的引入，在理論上指導(dǎo)怎樣設(shè)計(jì)腔面結(jié)構(gòu)可以達(dá)到最佳反射率。并在達(dá)到理論上最大輸出功率的同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)結(jié)構(gòu)下的可靠性探究與分析。

2 基本原理

2.1 反射率優(yōu)化

最后指定高反面反射率為96%，腔長L=500um, 脊寬w=30um,并將參數(shù)代入如上公式，得到對應(yīng)的閾值電流和電光轉(zhuǎn)換效率變化如下：

圖1 閾值電流和電光轉(zhuǎn)換效率隨反射率變化趨勢圖

2.2 腔面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高反面具有隨反射率增大工作轉(zhuǎn)換效率也隨之變大的特點(diǎn)，且DBR 結(jié)構(gòu)使得高反射帶寬較大極易優(yōu)化，出光密度低，故不做分析，但由于后腔面厚度較大，還是需要考慮應(yīng)力和附著力方面的問題。而對于低反射面采用如下的基本結(jié)構(gòu)，氧化鋁具有穩(wěn)定性好，相對工藝簡單，重復(fù)性好的特定，與高反射材料組成雙層反射膜具有進(jìn)一步降低反射率，激光波長漂移不會造成太大的反射率誤差，實(shí)現(xiàn)更廣范圍可調(diào)性的特點(diǎn)[6]。而鈍化材料選取需要有助于減少表面復(fù)合，提高COMD 功率進(jìn)而提升可靠性，以此為原則設(shè)計(jì)膜層厚度不宜太薄，且不含氧元素。因此，設(shè)計(jì)了如下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，對應(yīng)基底為有源發(fā)光層：

圖2 低反射腔面結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 隨氧化鋁厚度變化的功率曲線圖

3 分析與討論

在其它層材料及厚度確定的情況下，先通過橢偏儀測得折射率，結(jié)合光學(xué)傳輸矩陣與反射率推導(dǎo)效率的公式，計(jì)算發(fā)現(xiàn)隨低反射層（氧化鋁）厚度變化對應(yīng)的出光功率如下呈現(xiàn)周期性變化，可以看到只要避免在極小值點(diǎn)附近取相應(yīng)的厚度外（對應(yīng)AR 反射率接近于0），其它地方改變的幅度并不算大，這是由于功率與閾值電流有對應(yīng)的關(guān)系，反射率接近于0 時(shí)閾值電流值也取到了極值，這也反向證明了并非AR 面反射率越低對應(yīng)的出光功率越大，激光需要在腔體內(nèi)來回震蕩才能輻射出更多光子。此外，對比加鈍化層對于器件功率的影響，發(fā)現(xiàn)是否加鈍化層對于器件的最優(yōu)功率基本無影響，這是在工作電流下功率只考慮與腔面反射率有關(guān)時(shí)才成立的。（圖3）而針對隨氧化鋁厚度變化功率表現(xiàn)出周期性變化的特點(diǎn)，取反射率相同的兩組結(jié)構(gòu)（對應(yīng)氧化鋁厚度不同），實(shí)際上發(fā)現(xiàn)在氧化鋁厚度偏大的結(jié)構(gòu)下，出光功率會比同反射率下對應(yīng)厚度偏小的那種器件要小。而這種吸收大的氧化鋁材料對應(yīng)電場局部強(qiáng)度過大會導(dǎo)致對腔面結(jié)構(gòu)的破壞更加嚴(yán)重，更容易引起永久性光學(xué)損傷，從而對器件可靠性也造成影響。

圖4 相同反射率不同氧化鋁厚度下的光強(qiáng)分布圖

通過高溫快速老化的方式，依據(jù)器件在工作電流下隨時(shí)間變化的功率下降趨勢，對比兩種反射率相同，但因氧化鋁厚度不同導(dǎo)致腔面結(jié)構(gòu)不同的器件的可靠性差異，發(fā)現(xiàn)隨厚度增大其COMD 損傷閾值和可靠性都反而在下降。出光功率高，原本應(yīng)對腔面損壞更嚴(yán)重，但可以看到其功率下降更平緩，對應(yīng)的COMD 損傷閾值也更高，這是由于氧化鋁厚度增加以后對應(yīng)的腔面含氧量會增多，在鈍化層相對較薄的情況下氧原子更容易與GaAs 發(fā)生反應(yīng)，非輻射復(fù)合也增多，從而影響激光的輸出特性。因此分析只要取使得輸出功率達(dá)到最佳的最小氧化鋁厚度即可，厚度周期性增大后對腔面損傷更大。

4 結(jié)論

本文基于MATLAB，依據(jù)相應(yīng)的公式做計(jì)算推導(dǎo)，首先解釋了為何腔面反射率存在最優(yōu)解以及如何來確定對應(yīng)的最優(yōu)反射率。再通過光學(xué)傳輸矩陣的引入，得到了腔面結(jié)構(gòu)與輸出功率的直接聯(lián)系，而且在保證理論最優(yōu)反射率下通過腔面鍍膜實(shí)驗(yàn)來對比分析不同氧化鋁厚度對器件功率及可靠性的影響，推出性能最優(yōu)化也需要有相應(yīng)的材料厚度并且分析是由于厚度顯著增大引起電場分布不均，表面氧化而使非輻射復(fù)合增多引起性能變化。應(yīng)用這種方法得到了器件性能與腔面結(jié)構(gòu)的基本關(guān)系。