2019 年,Avrutin 和 Ryvkin[39] 研究了縱向空間燒孔效應對前后腔面反射率高度不對稱(chēng)的諧振腔半導體激光器性能的影響,并分析了其對載流子非輻射復合的影響。結果表明,在低注入電流下,縱向空間燒孔效應增加了非輻射復合電流,對輸出功率影響不大; 但在高注入電流下,縱向空間燒孔效應顯著(zhù)影響激光器的輸出功率。該研究利用縱向空間燒孔影響因子修正了輸出功率函數表達式,發(fā)現縱向空間燒孔效應可以用輸出損耗與總損耗之比來(lái)估計。在內部損耗遠小于耦合損耗的前提下,得到了高度不對稱(chēng)諧振腔中出光面反射率和縱向空間燒孔影響因子的函數表達式,分析估算結果與數值模擬結果一致,如圖 5 所示。
由于縱向空間燒孔效應限制了前腔面反射率的大小和腔長(cháng),通過(guò)實(shí)驗或理論計算研究縱向空間燒孔效應對激光器輸出功率和光電轉換效率的影響,這為大功率半導體激光器的設計提供新的思路。
3 提高輸出功率的方法半導體激光器的最大輸出功率受 COD 的限制,因此對腔面處理技術(shù)的研究意義重大。2013 年,劍橋大學(xué)Guo 等利用密度泛函理論對氮鈍化 GaAs/Al2O3界面進(jìn)行模擬[40],發(fā)現氮有很好的 GaAs 表面鈍化潛力。2015 年, Arab 等[41]使用金屬有機化學(xué)氣相沉積( MOCVD) 設備選擇性生長(cháng)了 GaAs 納米結構,隨后采用異質(zhì)外延生長(cháng)了AlGaAs 層進(jìn)行表面保護。2017 年,長(cháng)春理工大學(xué)許留洋等[42]利用射頻等離子法對 GaAs 半導體表面進(jìn)行了 S-N混合等離子體鈍化實(shí)驗。光致發(fā)光( PL) 測試結果表明,經(jīng)過(guò) S-N 混合等離子體鈍化的 GaAs 樣品的 PL 強度提高了 135%。2019 年,中國科學(xué)院半導體研究所王鑫等[43]開(kāi)發(fā)了一種單管芯半導體激光器腔面真空解理鈍化工藝,這是一種在真空中解理并直接對半導體激光器腔面蒸鍍鈍化膜的方法。該研究采用 ZnSe 材料作為鈍化膜材料,使制備的器件的輸出功率提高了 23%。
載流子在波導層中的積累及雙光子吸收均造成了半導體激光器輸出功率的飽和,嚴重影響了激光器的性能。2014 年,德國 Ferdinand-Braun 研究所 Hasler 等[44]研究了一種極端雙不對稱(chēng)結構( EDAS) 激光器,該結構減輕了 P型波導層中載流子積累的影響,輸出功率較傳統結構的激光器得到了提高。2015 年,Yamagata 等[45]研究發(fā)現半導體激光器的功率飽和與有源區溫度、熱透鏡均有關(guān)系,通過(guò)減小激光器電壓、增大脊條寬度可實(shí)現激光器的大功率、高效率輸出。2018 年,俄羅斯圣彼得堡學(xué)術(shù)大學(xué)Zhukov 等[46]研發(fā)了一種耦合大光腔結構的邊發(fā)射量子阱激光器。這種結構的激光器可以抑制橫向模式的產(chǎn)生且具有較低的內部損耗,與傳統結構相比,其內部損耗低至 0. 4 cm-1,達到了最優(yōu)結果。2018 年,Wilkens 等[47]研究了 EDAS 激光器,發(fā)現該類(lèi)型激光器具有較好的光束質(zhì)量,且內損耗低、單模特性好,在波分復用系統中具有很好的應用。
縱向空間燒孔效應和腔長(cháng)有關(guān),腔長(cháng)越長(cháng),縱向空間燒孔效應越明顯。2012 年,Chen 等[48] 設計了一種縱向圖案化的電接觸結構,有效緩解了激光器的縱向空間燒孔效應。2015 年,Yamagata 等[45]研究了 915 nm 的大功率非對稱(chēng)非耦合限制異質(zhì)結構( ADCH) 激光器。通過(guò)優(yōu)化有源區的限制因子以及 N 型波導層和 P 型波導層的比例,減小了4和 6 mm 長(cháng)腔結構的內部損耗,提高了激光器的輸出功率和光電轉換效率。2015 年,Demir 等[49]在長(cháng)腔器件中,采用開(kāi)腔結構來(lái)提高載流子密度和光子密度的均勻性,緩解了縱向空間燒孔效應,獲得了更高輸出功率和光電轉換效率的激光器。該研究還對比了標準腔結構和開(kāi)腔結構的半導體激光器[50],與標準腔結構相比,開(kāi)腔結構激光器具有更均勻的縱向增益和腔內光強。因此,開(kāi)腔結構激光器具有較低的由線(xiàn)性和非線(xiàn)性效應引起的功率損失。
4 結 語(yǔ)大功率半導體激光器的發(fā)展程度代表著(zhù)光電子產(chǎn)業(yè)的最高水平,其應用范圍逐漸擴展到日常生活的方方面面,受到世界各國的高度重視。因此,關(guān)于大功率半導體激光器輸出功率的研究也越來(lái)越多,本文總結了限制輸出功率的幾個(gè)主要因素,主要包括: COD 效應、載流子泄漏效應、雙光子吸收效應以及縱向空間燒孔效應,研究和理解這幾種物理機制對提高大功率半導體激光器輸出功率具有重要的指導意義。
通過(guò)分析上述 4 種限制輸出功率的因素,未來(lái)可以從以下幾個(gè)方面來(lái)減弱甚至消除它們對激光器輸出功率的影響: ① 改進(jìn)半導體激光器的芯片外延技術(shù),改善材料的生長(cháng)質(zhì)量,減少材料內部缺陷及損耗; ② 優(yōu)化半導體激光器的結構設計,緩解載流子泄漏、縱向空間燒孔效應等 問(wèn) 題; ③ 優(yōu) 化 器 件 工 藝。采用腔面處理技術(shù)[51-52]、腔面鈍化工藝等方法提高 COD 損傷閾值。此 外,通過(guò)大通道熱沉、微通道熱沉等工藝增加激光器芯片的散熱,解決由激光器有源區熱積累引起的器件結溫升高[53-54]而導致性能和可靠性下降的問(wèn)題,進(jìn)一步提高大功率半導體激光器的輸出功率。