一種與光纖高效耦合的新型大光腔大功率半導(dǎo)體激光器_百度

1、 一種與光纖高效耦合的新型大光腔大功率半導(dǎo)體激光器3于海鷹1 崔碧峰 2 陳依新 2 鄒德恕 2 劉 瑩 2 沈光地21 (山東建筑大學(xué) , 濟(jì)南 2501012 (北京工業(yè)大學(xué)北京光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 , 北京 100022 (2006年 7月 6日收到 ;2006年 12月 18日收到修改稿 , 20°的垂直發(fā)散角 , 從而提高了光纖輸出的耦合效率 . , 耦合效率可以提 高 30%以上 .:, 透鏡光纖PACC :, , 4281H3國(guó)家 973計(jì)劃 (批準(zhǔn)號(hào) :G 20000683202 , 北京市教委項(xiàng)目 (批準(zhǔn)號(hào) :2002kj018 , 北工大博士啟動(dòng)基金 (批準(zhǔn)號(hào) :K

2、Z 0204200387 , 北京市科委 重點(diǎn)項(xiàng)目 (批準(zhǔn)號(hào) :D0404003040221 資助的課題 . E 2mail :. cn11引 言半導(dǎo)體激光器二極管 (LD 在光纖通信 、 光纖傳 感 、 激光加工 、 信息存儲(chǔ) 讀取 、 生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域 已獲得愈來(lái)愈廣泛地應(yīng)用 . 在許多應(yīng)用場(chǎng)合 ,LD 需 要與光纖耦合 , 把光能量輸送出去 , 因此在 LD 和光 纖之間實(shí)現(xiàn)高效光耦合輸出是十分必要的 . 為了降低閾值電流密度和改善模式特性 ,LD 的有源層必須很簿 , 一般僅有 011m 左右 , 而有源層 的寬度與 LD 的輸出功率大小成正比 , 大

3、功率 LD 的 條寬一般在數(shù)十到百微米數(shù)量級(jí) . 因此激射光束通 過(guò)狹窄的縫隙時(shí)要發(fā)生衍射 , 使光束發(fā)散 , 而且在垂 直和水平方向上發(fā)散的程度不同 , 光束遠(yuǎn)場(chǎng)的橫截 面呈橢圓形 , 典型的水平發(fā)散角 為 5° 20°, 垂直 發(fā)散角 為 30° 40°. 因此 , 減小 LD 的垂直發(fā)散角 一直是半導(dǎo)體激光器的研究重點(diǎn)之一 .根據(jù) Casey 等對(duì)垂直發(fā)散角的測(cè)量結(jié)果 1和Dumke 提出的理論2, 在一定范圍內(nèi)減小 LD 有源層厚度可以降低半導(dǎo)體激光器的垂直發(fā)散角 , 而在超 過(guò)臨界值時(shí) , 增大半導(dǎo)體激光器的有源層厚度也可 以降低半導(dǎo)體激光器的

4、垂直發(fā)散角 .在減小 LD 有源區(qū)的研究方面 , 通過(guò)對(duì) LD 的波導(dǎo)層結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì) , 可以使垂直發(fā)散角降到 20°以下 3 5. 但代價(jià)是使閾值電流密度增加了數(shù)倍至 十倍 . 同時(shí)光強(qiáng)過(guò)于集中 , 加重了端面光學(xué)災(zāi)變性毀 壞 . 因此通過(guò)減小有源層的厚度降低垂直發(fā)散角的 做法對(duì)大功率 LD 不太適用 .在增加 LD 有源區(qū)厚度的研究方面 , 采用分開(kāi) 限制異質(zhì)結(jié) (separated con finement heterostructure 技術(shù)和大光腔結(jié)構(gòu)可以得到 23°的垂直發(fā)散角 6,7. 但 是對(duì)于普通結(jié)構(gòu)的 LD , 這已經(jīng)接近于極限 , 繼續(xù)拓 展光腔會(huì)

5、進(jìn)一步減小光限制因子 , 并且會(huì)引起高階模式激射 8.我們根據(jù)半導(dǎo)體激光器隧道級(jí)聯(lián)的理論 9, 提出一種多有源區(qū)的大光腔結(jié)構(gòu) 10,11, 用隧道結(jié)連接 兩個(gè)相鄰的有源區(qū) , 極大地拓展了光腔 , 使發(fā)光面積 提高 1 2個(gè)數(shù)量級(jí) , 降低了器件光功率密度 , 從而 避免了半導(dǎo)體激光器由于發(fā)光面積窄而引起的 C OD 和光束垂直發(fā)散角大的問(wèn)題 , 提高了半導(dǎo)體激 光器的光束質(zhì)量 , 并提高了半導(dǎo)體激光器的可靠性 .21LD 結(jié)構(gòu)與光場(chǎng)特性 本文設(shè)計(jì)的多有源區(qū)隧道級(jí)聯(lián)大光腔 LD 的光第 56卷 第 7期 2007年 7月 100023290200756(07 3945205物 理 學(xué) 報(bào)ACT

6、 A PHY SIC A SI NIC AV ol. 56,N o. 7,July ,20072007Chin. Phys. S oc. 腔結(jié)構(gòu)如圖 2所示 . 由反向隧道結(jié)連接兩個(gè)子有源 區(qū) , 其中子有源區(qū)具有普通 LD 的結(jié)構(gòu) , 在電壓的作用下 , 第一個(gè)有源區(qū)內(nèi)復(fù)合發(fā)光后在價(jià)帶的載流子 再生到第二個(gè)有源區(qū)的導(dǎo)帶 , 在第二個(gè)有源區(qū)繼續(xù) 復(fù)合發(fā)光 , 使得注入一對(duì)電子空穴對(duì) , 得到多個(gè)光 子 , 能帶圖如圖 2所示 ; 同時(shí)隧道結(jié)作為無(wú)源波導(dǎo)參 與到整個(gè)光場(chǎng)中 , 有源波導(dǎo)與無(wú)源波導(dǎo)相互耦合 , 使 光場(chǎng)拓展 , 近場(chǎng)分布如圖 3所示 , 分別示出了多有源 區(qū)大光腔結(jié)構(gòu)的材料層折射率

7、以及模擬出的近場(chǎng)波 導(dǎo)圖 , 由此圖可以看出隧道結(jié)與有源區(qū)共同作用形 成近場(chǎng) . 與普通的僅有一個(gè)有源區(qū)的 LD 相比較 , 該 LD 有三個(gè)子有源區(qū) , 使得光腔尺寸大大增加 . 由本光腔結(jié)構(gòu)模擬得出垂直發(fā)散角為 19°. 連接三個(gè)有源區(qū) , Al 不對(duì)稱 , 8, 寬為 10nm. nm , 隧道結(jié)兩邊的耦 合層 間 距 為 nm. 對(duì) 設(shè) 計(jì) 的 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 行 了 模 擬 , Al x G a 1-x As 的折射率采用以下關(guān)系式 :n (x =31590-01719x +01091x 2.(1 圖 4 多有源區(qū)隧道級(jí)聯(lián)大光腔半導(dǎo)體激光器遠(yuǎn)場(chǎng)特性 (a 垂直發(fā)散角 ; (b

8、水平發(fā)散角 圖 1 多有源區(qū)隧道級(jí)聯(lián)大光腔半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu) 模擬結(jié)果為基模激射 , 光限制因子為 2124% ,圖 2 圖 3 多有源區(qū)隧道級(jí)聯(lián)大光腔半導(dǎo)體激光器折射率和模擬光 場(chǎng)強(qiáng)度分布垂直發(fā)散角為 19°, 近場(chǎng)光斑下降到 1e 處的寬度為 1244nm , 見(jiàn)圖 3所示 .按照上述結(jié)構(gòu) , 采用 MOC VD 工藝在 n 型 G aAs襯底 上 進(jìn) 行 了 材 料 的 外 延 生 長(zhǎng) . 脊 形 波 導(dǎo) 條 寬50m , 解理腔長(zhǎng) 750m , 兩個(gè)解理面分別鍍?cè)鐾改?493物 理 學(xué) 報(bào) 56卷 和高反膜 . 制成的 980nm InG aAs G aAs AlG aAs L

9、D 器件的遠(yuǎn)場(chǎng)特性實(shí)測(cè)結(jié)果為水平發(fā)散角 為 516°, 垂直發(fā)散角 為 1618°, 見(jiàn)圖 4所示 . 器件的 I 2V 特 性如圖 5所示 , 有源區(qū)的斜率效率與閾值電流與普 通半導(dǎo)體激光器相差不多 . 圖 6為該器件激射時(shí)的 近場(chǎng)顯微照片 .圖 5 多有源區(qū)隧道級(jí)聯(lián)大光腔半導(dǎo)體激光器 P 2I 特性31耦合效果 為檢驗(yàn)新型多有源區(qū)大功率 LD 的與光纖的耦 合特性 , 采用了 10種不同形式和規(guī)格的透鏡光纖對(duì) 該器件進(jìn)行了測(cè)試 , 并與普通單有源區(qū) LD 的測(cè)試 結(jié)果作對(duì)比 . 兩種被測(cè) LD 的各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表 1. 透鏡 光纖編號(hào)及規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表 2.表 1 被測(cè) LD

10、特性LD M A 980297318262511244686m 750750電極條寬 m 50445044增透 高反膜 鍍鍍輸出光束波長(zhǎng) nm980980 測(cè)試的兩支 LD 均為我們實(shí)驗(yàn)室制備 , 分別是編號(hào)為 MA LD 218的三有源區(qū)隧道級(jí)聯(lián)大功率 980nm LD 和 980297單有源區(qū) 980 nm LD. 脊形波導(dǎo)條寬均 為 50m , 套刻電極寬度 44m , 解理腔長(zhǎng)均為 750m ,圖 6 多有源區(qū)大功率 LD 放大 1000倍后的近場(chǎng)圖形 (水平方向平行于 pn 結(jié) 表 2 測(cè)試用透鏡光纖標(biāo)號(hào)與參數(shù)編號(hào)透鏡光纖類型 說(shuō)明1平端面 G RIN +S MF自聚焦光纖級(jí)聯(lián)單模光

11、纖 260°錐形 S MF 圓錐狀單模透鏡光纖3120°錐形 G RIN +S MF錐狀大芯徑自聚焦光纖級(jí)聯(lián)單模光纖460°楔形 S MF 楔狀單模透鏡光纖560°楔形 G RIN +S MF 楔狀大芯徑自聚焦光纖級(jí)聯(lián)單模光纖690°楔形 G RIN +S MF 同上 7110°楔形 G RIN +S MF 同上8120°楔形 G RIN +M MF 楔狀大芯徑自聚焦光纖級(jí)聯(lián)多模光纖9110°楔形 G RIN100140楔狀大芯徑自聚焦透鏡光纖10120°楔形 G RIN110125同上74937期 于海

12、鷹等 :一種與光纖高效耦合的新型大光腔大功率半導(dǎo)體激光器圖 7 驅(qū)動(dòng)電流為 500m A 時(shí) , 兩種 LD 與各種透鏡光纖的耦合效率反射面和出光面均分別鍍 Al2O 3Si HR 膜和 Al 2O 3 AR 膜 . 測(cè)試時(shí)將驅(qū)動(dòng)電流統(tǒng)一設(shè)定為 500mA 直流 工作 . 10種不同規(guī)格的透鏡光纖測(cè)試結(jié)果表明 , 有源區(qū)隧道級(jí)聯(lián)大光腔大功率得到明顯提高 . m 140m , 然后 熔接長(zhǎng)度為 1(S MF 組成的平端 面透鏡光纖時(shí) , 新型器件比普通器件的耦合效率提 高一倍 . 對(duì)于錐角為 60°, 端面球形透鏡半徑為 7m 的單 模 透 鏡 光 纖 , 兩 種 LD 的 耦 合 效

13、 率 分 別 為 2817%和 16%, 新型 LD 比普通 LD 高 79138%.楔形 透鏡光纖目前是大功率 LD 光纖耦合輸出應(yīng)用最為 廣泛的一種透鏡光纖 , 為此我們測(cè)試了 5種類型的 7種規(guī)格的楔形透鏡光纖 , 耦合效率比平均提高了 3313%.對(duì)比結(jié)果詳見(jiàn)圖 7所示 .41結(jié), . 與透鏡光纖耦合時(shí) , 新型 LD 顯示出明顯優(yōu)于普通單有源區(qū) LD 的耦合效率 . 對(duì) 9種不同規(guī)格透鏡光纖測(cè)試的結(jié)果表明 , 平均耦 合效率可以提高 30%以上 .1Casey H C ,Panish M B ,M erz J L 1973J . Appl . Phys . 445470 2Dumke

14、 W P 1975IEEE J . Quantum Electron . QE 211400 3T emmy o J ,Sug o M 1995Electron . Lett . 316424Lin G,Y en S T 1996IEEE Photonics Technol . Lett . 81588 5Buda M ,Hay J ,T an H ,W ong 2Leung J ,Jagadish C 2002Laser s and Electro 2Optics Society ,LE OS2002. The 15th Annual Meeting o f the IEEE 26476Fa

15、ng G Z ,X iao J W ,M a X Y,Xu Z T ,Zhang J M ,T an M Q ,Liu Z S ,Liu S P ,Feng X M 2002Chinese J . o f Laser B 1197Zhu X P , Xu Z T , Zhang J M , M a X Y, Chen L H 2002J . Semiconductor 233988Chen Y C ,W aters R G,Dalby R J 1990Electron . Lett . 261348 9Shen G D ,Lian P ,G uo X ,Y in T ,Chen C H ,W

16、ang G H ,Du J Y,Cui B F ,Li J J ,Liu Y,G ao G,Z ou D S ,Chen J X ,M a X Y,Chen L H 2000Proceeding o f S PIE 422532710Lian P ,Y in T ,G ao G,Z ou D S ,Chen C H ,Li J J ,Shen G D ,M a X Y, Chen L H 2000Acta Phys . Sin . 492374(in Chinese 廉 鵬、 殷 濤、 高 國(guó)、 鄒德恕、 陳昌華、 李建軍、 沈光地、 馬驍宇、 陳良惠 2000物理學(xué)報(bào) 49237411Cui

17、 B F ,Li J J ,Zhou D S ,Liang P ,Han J R ,W ang D F ,Du J Y,Liu Y, Zhao H M , Shen G D 2004Acta Phys . Sin . 532150(in Chnese 崔碧峰、 李建軍、 鄒德恕、 廉 鵬、 韓金茹、 王東風(fēng)、 杜金玉、 劉 瑩、 趙慧敏、 沈光地 2004物理學(xué)報(bào) 5321508493物 理 學(xué) 報(bào) 56卷 A novel high 2power semiconductor laser diode with large cavityfor high efficiency coupling wi

18、th the optical fibers 3Y u Hai 2Y ing 1 Cui Bi 2Feng 2 Chen Y i 2X in 2 Z ou De 2Shu 2 Liu Y ing 2 Shen G unag 2Di 21 (Shandong Jianzhu Univer sity , Jinan 250101, China 2 (Beijing Optoelectronic Technology Laboratory , Beijing Univer sity o f Technology , Beijing 100022, China (Received 6July 2006; revised manuscript received 18December 2006AbstractA novel high 2power sem iconductor laser diode (LD w ith multi by tunnel 2junction was developed. The w indow size of the LD was of the lasing beam divergency was obtained ,whi