大功率半导体激光器量子阱混杂窗口的研究

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泵浦光纤激光器和放大器都需要大功率、高质量和高可靠性的980nm半导体激光器。而980nm泵浦激光器的大功率输出被腔面光学灾变损伤(catastrophicoptical damage:COD)所限制,COD的根源是由于腔面处的光吸收引起的端面发热损坏所致。而无吸收窗口层技术(Non-absorption window:NAW)是抑制COD最有效的方法,它是指通过某种方法使得腔面处的禁带宽度比有源区的禁带宽度更大,从而达到抑制腔面处的光吸收的目的。据此本文开展了以下研究工作:  (1)设计并制备了980nm大功率半导体激光器外延片。芯片的有源区采用双量子阱结构,通过非对称大光腔结构增加器件的出光面积,降低腔面的激光功率密度,进而提高器件的COD阈值。  (2)研究和优化了980nm大功率边发射半导体激光器各芯片工艺参数。采用非对称大光腔结构的外延片,设计并制备了条宽为100μm,引线孔宽度为95μm,腔长为4000μm结构的大功率单管半导体激光器。对制备完成的器件进行了测试和结果分析,在测试后发现,经过腔面镀膜后,器件的输出功率较镀膜之前大幅提高,斜率效率能够达到1.08W/A。但是,在注入大电流情况下,激光器容易发生COD并烧毁器件,阻碍了激光器的大功率输出。  (3)采用无杂质空位扩散量子阱混杂方法研究不同电介质材料对InGaAs/AlGaAs量子阱的混杂影响。针对快速退火设备的实验条件限制,采用普通管式退火炉进行退火实验。同时还提出了采用高温短时循环退火方法来实现量子阱的混杂。对于覆盖240nm SiO2电介质层的样品,在850℃、6分钟下循环退火5次后,实现46nm的蓝移量,且PL峰值保持在原样品的80%以上。当采用240nm Si3N4作为量子阱混杂的保护材料时,在850℃下退火8min的条件下,样品的蓝移量只有24nm,相反,覆盖240nmSiO2电介质层的样品蓝移量却达到了56nm,表明Si3N4材料能够对样品起到很好的保护作用。  (4)对腔面非吸收窗口的激光器工艺流程进行了设计。为了提高980nm大功率边发射半导体激光器的COD阈值,采用无杂质空位扩散量子阱混杂方法,通过生长Si3N4和SiO2不同电介质层材料,结合快速退火、光刻、刻蚀等工艺,在器件腔面处引入25μm的非吸收窗口层。针对实验中出现的芯片结构变化问题,增加窗口腐蚀等工艺,优化工艺流程。
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