44瓦超高功率808nm半导体激光器设计和制作

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1、word资料下载可编辑44瓦超高功率808nm半导体激光器设计与制作仇伯仓，胡海，何晋国深圳清华大学研究院深圳瑞波光电子有限公司1.引言半导体激光器采用III-V化合物为其有源介质，通常通过电注入，在有源区通过电子与空穴复合将注入的电能量转换为光子能量。与固态或气体激光相比，半导体激光具有十分显著的特点：1）能量转换效率高，比如典型的808nm高功率激光的最高电光转换效率可以高达65%以上[1]，与之成为鲜明对照的是，CO2气体激光的能量转换效率仅有10%，而采用传统灯光泵浦的固态激光的能量转换效率更低,只有1%左右

2、；2）体积小。一个出射功率超过10W的半导体激光芯片尺寸大约为0.3mm3,而一台固态激光更有可能占据实验室的整整一张工作台；3）可靠性高，平均寿命估计可以长达数十万小时[2]；4）价格低廉。半导体激光也同样遵从集成电路工业中的摩尔定律，即性能指标随时间以指数上升的趋势改善，而价格则随时间以指数形式下降。正是因为半导体激光的上述优点，使其愈来愈广泛地应用到国计民生的各个方面，诸如工业应用、信息技术、激光显示、激光医疗以及科学研究与国防应用。随着激光芯片性能的不断提高与其价格的持续下降，以808nm以及9xxnm为代表

3、的高功率激光器件已经成为激光加工系统的最核心的关键部件。高功率激光芯片有若干重要技术指标，包括能量转换效率以及器件运行可靠性等。器件的能量转换效率主要取决于芯片的外延结构与器件结构设计，而运行可靠性主要与芯片的腔面处理工艺有关。本文首先简要综述高功率激光的设计思想以及腔面处理方法，随后展示深圳清华大学研究院和深圳瑞波光电子有限公司在研发808nm高功率单管激光芯片方面所取得的主要进展。2.高功率激光结构设计图1.半导体激光外延结构示意图专业技术资料word资料下载可编辑图2.外延结构以及与之对应的光场分布图3.量子阱

4、限制因子与SCH层厚度之间的关系图4.光束发散角与SCH层厚度之间的关系图1给出了一个典型的基于AlGaAs材料的808nm半导体激光外延结构示意图，由其可见，外延结构由有源区量子阱、AlGaAs波导以及AlGaAs包层材料组成，在材料选取上包层材料的Al组分要高于波导层材料的Al组分，以保证在材料生长方向形成波导结构，即材料对其中的光场有限制作用（见图2）。另外，为了实现电子与空穴在量子阱内产生受激辐射复合，材料必须被掺杂成p-i-n结构，其中有源波导区通常为非掺杂的本征区域。因为半导体激光的主要性能参数对温度非常

5、敏感，所以在设计外延与器件结构时，必须仔细优化芯片结构参数，尽可能减小器件的内损耗以及串联电阻，尽可能地提高器件的内量子效率,以便获得尽可能高的电光转换效率。在器件设计方面，通常采用腔长较长的结构，这是因为整个芯片的封装模块的热阻与腔长近似成反比，芯片越长，模块热阻越小，芯片的结温越低；此外另一考虑因素是器件的可靠性。因为可靠性也与芯片工作时的电流密度有关，电流密度越大，寿命越短。不同于低功率器件，在高功率激光设计中，阈值电流的大小不是最优先考虑的因素。专业技术资料word资料下载可编辑研究表明，高功率激光芯片的寿命

6、主要与芯片内的光场密度、电流密度以及芯片结温有关，而在上述三个因素之中，光场密度对寿命以及可靠性影响最为显著。事实上，激光芯片失效在很大程度上是由与光场密度有关的两种失效模式有关：其一为因光场密度造成腔内光学灾变（简称COBD）；其二为光场密度过高而在腔面引起的光学灾变（简称COMD）。在高功率激光外延结构设计中，为了降低因光功率密度过高而引起器件失效的几率，通常采用低光场密度或者低限制因子设计。在低限制因子设计中，虽然阈值电流会有所上升，但考虑到高功率激光的工作电流是阈值电流的10-20倍以上，阈值电流的些许增加并

7、不会显著影响器件的整体效率。而且采用低限制因子设计还有一些额外的优点：1）可以降低激光腔内的整体光损耗。这是因为激光的损耗主要是由自由载流子吸收（FCA）[3]以及价带间载流子跃迁造成的吸收（IVBA）引起的[4]，当采用低限制因子设计时，量子阱内的载流子吸收损耗也会相应降低；2）可以降低外延生长方向上的光束发散角，从而改善光束特性。芯片的光束特性影响到半导体激光的光束整形、耦合设计，当光束发散角小时，不仅会提高光的耦合效率，而且会容许后续的光学系统有更大设计与制造容差。低限制因子设计可以通过调整分别限制异质结（SC

8、H）层厚度来获得。图3给出了量子阱光场限制因子gamma与SCH厚度之间的关系，由其可见，低限制因子可用两种不同方法来获得：其一为采用SCH厚度很薄的设计；其二为采用SCH厚度很厚的设计。SCH厚度达到一微米左右波导设计一般被称之为大光场（LOC）设计[5]。在大光场设计中，因为比较容易兼顾芯片的腔内损耗以及串联电阻的优化，所以当今许多行业内顶