基于扩展透明窗口的1.06um波长高功率、高阶DFB单模半导体激光器研究

Semiconductor lasers designed with internal or external grating cavity structure can operate with narrow spectral linewidth laser output, which has becoming an important research aspect for development of single-frequency or narrow spectral linewidth laser devices, development for high power single-mode semiconductor lasers with narrow spectral linewidth will be important for semiconductor laser application in many fields. This project has proposed a novel distributed feedback (DFB) semiconductor lasers with an expanding absorption-free window, super-long cavity is used for high gain, high power single mode operation, and 30-70 order DFB is designed for optical feedback of optical modes to achieve a narrow spectrum linewidth. Innovation points: (1) absorption-free expanding window design for the output facet of ridge stripe diode lasers is proposed to lower the optical power density on facet, high COD characteristics will de prefered; (2) high order design on DFB is utilized for simplifying DFB diode laser process,the spectrum quality can be improved with a narrow lateral wavguide width; (3) super-long cavity is designed with low optical confinement factor and asymmetric waveguide for lowering inner temperature rise in laser chips at high power operation, deterioration of lateral waveguide due to thermal lensing effect at high power output will be suppressed.

半导体激光器采用内部光栅结构或光栅外腔结构可实现窄线宽、激光输出，成为窄线宽半导体激光器发展的重要方向，但仍存在基模功率低、光谱特性差的缺点，限制了其获得更广泛的应用。本项目提出了一种带有扩展透明窗口的1.06um波长InGaAs高阶分布反馈半导体激光器结构，通过扩展窗口结构有效增加腔面光斑尺寸，通过超长腔脊形激光器芯片实现激光器的高增益、高功率基模工作，通过30-70阶DFB脊形条设计实现基模激光器的窄光谱线宽工作。项目的创新点在于：（1）脊形条激光器芯片输出端采用平面扩展透明窗口结构，有效减小芯片输出端面的功率密度，用于改善器件的COD特性；（2）采用窄注入条区的高阶DFB脊形条结构设计，简化了DFB激光器的制作工艺，在对激光器侧向波导限制的基础上改善器件的光谱特性；（3）采用低限制因子非对称波导的超长腔条形设计减少器件大功率工作时的内部温升，抑制由于热透镜效应引起的波导劣化。

针对半导体激光器基模功率低、光谱特性差的缺点，本项目提出了一种带有扩展透明窗口的1.06um波长InGaAs高阶Bragg光栅半导体激光器结构，并开展了以下方面的研究：1.06um波长非对称、宽波导InGaAs 应变补偿量子阱激光器外延结构的设计；InGaAs 量子阱激光器的MOCVD 材料生长与工艺优化；扩展透明窗口脊形条DFB 激光器芯片设计与工艺制备；1.06μm 波长扩展透明窗口脊形条DFB 激光器特性评价。通过对激光器外延结构的渐变波导设计，明显减少了p型区波导层内的电子堆积，有利于抑制高注入条件下的波导区载流子复合，抑制高电流注入条件下的激光器输出效率下降；通过对1.06um波长 InGaAs应变补偿量子阱激光器外延结构的MOCVD生长工艺研究与优化，实现了激光器材料的低阈值、低发散角、高效率工作，外延材料的阈值电流密度低于160 A/cm2，单面斜率效率可达0.45 W/A以上，内损耗系数小于1.2 cm-1，内量子效率约0.9，垂直方向光束发散角小于35º；设计了带有扩展透明窗口的脊形条1.06um波长 InGaAs应变补偿量子阱激光器，结合腔面钝化工艺研究，实现了激光器的低阈值、基模、高功率工作，5mm腔长器件的最大功率输出达到2100mW以上；设计并分析了高阶光栅长度、深度、占空比等光栅参数对光栅模式衍射效率、反射谱宽的影响规律，结合扩展窗口设计、腔面钝化与光学镀膜，制备了具有良好基模工作特性的1.06um波长高阶Bragg光栅(61th)脊形条激光器，5mm腔长器件的最大功率输出达到2050mW，光谱宽度约0.08nm。本项目研制的长腔1.06um波长InGaAs高阶分布反馈半导体激光器具有工艺简单、输出功率高、光谱特性好的优点，在大功率光纤激光器种子源、自由空间激光通信等领域有良好的应用前景。