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国内大功率半导体激光器研究及应用分析

2013-01-09 00:31
林契于宸
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  采用非对称波导结构减小器件的光损耗是国内高电光转换效率半导体激光器研究的最新进展之一。半导体激光器是将电能转换为光能的光电子器件,其电光转换效率是指在一定工作条件下,输出光功率与消耗电功率的比值。目前,产品化的大功率半导体激光器列阵的电光效率一般为45%~55%,比其他类型的激光器转换效率更高。但是,作为高能固体激光系统的泵浦光源,这个转换效率不够理想。例如,50%的电光效率意味着一半的能量转换成为热量。对于高功率器件,如此大比例的热量不但极大地影响了器件本身的可靠性,而且增加了高能激光电源和高效散热系统的负担。因此,这些因素极大地限制了许多新的重要应用,尤其在军事方面。

  从2005年以来,中国科学院半导体研究所开展了高电光效率808 nm无铝非对称波导结构激光器的系统研究。为了降低大功率半导体量子阱激光器的光损耗,提高转换效率,对激射波长为808 nm的GaAs1-xPx/GaInP/AlGaInP无铝非对称波导结构激光器进行了深入的理论计算和分析设计。图l为非对称波导结构导带示意图。

非对称波导结构导带示意图

  图2为折射率和基模的光场分布。图中,N型波导层的厚度d1为0.4μm,P型波导层的厚度d2为0.2μm。采用LP-MOCVD方法制备外延片,并制作了单管器件。器件测试结果为:900μm腔长器件阈值电流密度典型值为400 A/cm2,内损耗降低到1.0 cm-1 ;连续工作条件下,最大斜率效率为1.25 W/A ,器件激射波长为807.5nm,垂直和平行结的发散角分别为34.8°和3.0°。20-70℃范围内特征温度达到133 K。图3和图4分别为外微分量子效率和阈值电流密度与腔长的关系,图5为150μm条宽,900μm腔长器件在室温连续条件下的输出光功率、电压和电光转换效率曲线。

折射率和基模的光场分布

  通常,对称宽波导结构的内损耗都在2-5 cm-1的范围,国际最好的水平也较难接近l cm-1。从测试结果可以看到,国内该器件的内损耗已经降低到1.0cm-1 ,这表明采用非对称波导减小器件的光损耗是实际可行的。

外微分量子效率倒数与腔长的关系

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