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980nm大功率半导体激光器由于其优异的吸收特性及高的泵浦效率而被广泛应用于掺Yb和掺Er光纤激光器。然而通常较窄的泵浦吸收带宽会对普通的宽面Fabry-Perot(FP)腔半导体激光器的泵浦应用带来很大挑战,因为通常的大功率半导体激光器的典型光谱宽度大约是3～6nm,并且其中心波长随温度和工作电流的升高会发生很明显的漂移。为了进一步满足对高功率窄线宽波长稳定半导体激光器泵浦源的需求,我们设计并制备了一种新型的折射率微扰FP腔半导体激光器,该结构与DFB等常规获得良好光谱特性的制备方法相比,制备工艺更为简单、更易于批量规模生产。本论文的主要研究内容及研究成果具体如下:
1.首先对折射率微扰FP腔半导体激光器的结构设计进行了理论分析和初步计算,分析了折射率微扰的位置分布与理想的调制光谱之间的对应关系。
2.国内首次对808nm折射率微扰FP腔半导体激光器的结构进行设计,确定出了改善的光谱纯度及波长稳定性对应的折射率微扰分布。
3.国内首次设计了980nm脊形波导及宽面折射率微扰FP腔半导体激光器的结构,并且确定出了具体的外延结构及折射率微扰分布。
4.利用L-edit软件设计了808nm及980nm波长折射率微扰FP腔半导体激光器的光刻板,其中主要针对腔长的精确控制及精准套刻的实现,引入了有效的标记。
5.改进现有的光刻工艺条件,具体包括:优化胶厚、软烘焙温度及时间、增加曝光后显影前的后烘(PEB),尽可能提高光刻胶的黏附性以实现更接近于～1μm的最小图形尺寸。
6.摸索和固化ICP干法刻蚀工艺中,获得AlGaAs/InGaP的200:1高选择比的刻蚀工艺条件,最终确定在低离子能的条件下,即ICP功率为200W、RIE偏置功率为40W、腔室气压为5mTorr以及气流比率为16BCl3/4SF6时,可获得对刻蚀深度的精确控制以及更均匀的刻蚀深度。
7.国内首次制备了980nm宽面折射率微扰FP腔半导体激光器,通过对器件的光谱特性进行测试,发现该结构可以明显改善器件的光谱纯度及波长的温度稳定特性,具体结果如下:器件的半高峰宽(FWHM)与普通的FP腔半导体激光器相比有明显的减小,从4.6nm明显降低到0.4nm以下；在10℃-60℃的测试温度范围内,其波长稳定性也有明显改善,其输出光谱的温度漂移系数由0.26nm/℃降低到0.07nm/℃；通过对比不同槽数器件N=0,3,6,9的激射波长随工作电流的漂移特性,发现波长电流系数也从未刻槽的0.05nm/mA降低到0.009nm/mA。实验结果进一步表明光谱特性的显著改善主要归因于FP腔半导体激光器中引入的折射率微扰结构。