稳定耦合效率的沟槽结构半导体激光器

崔碧峰， 李 莎， 孔真真， 黄欣竹, 凌小涵

(北京工业大学 光电子技术教育部重点实验室， 北京 100124)

稳定耦合效率的沟槽结构半导体激光器

崔碧峰*， 李 莎， 孔真真， 黄欣竹, 凌小涵

(北京工业大学 光电子技术教育部重点实验室， 北京 100124)

为了稳定半导体激光器激射光束在光纤传输过程的耦合效率，提出一种沟槽结构的半导体激光器，并对该结构激光器的光束、耦合效率及P-I特性进行研究。在普通条形半导体激光器的脊形区刻蚀了周期性的沟槽结构，来改善半导体激光器有源区的增益分布。通过对比普通结构与沟槽结构半导体激光器的光束分析，测试其耦合效率以及P-I特性。结果表明:沟槽结构的半导体激光器能够使光腔内模式更加稳定，输出光束更加集中，并避免了“Kink”效应的发生；与此同时，耦合效率提高至97.7%，并且较普通结构激光器更为稳定。沟槽结构半导体激光器有效地解决了光斑跳动问题，稳定了激光器的耦和效率。

半导体激光器； 沟槽结构； 光斑跳动； 耦合效率；

1 引 言

由于大功率半导体激光器具有体积小、功耗低、效率高等优点，使其在芯片后端产业得到了广泛的应用。提高半导体激光器的输出效率并改善半导体激光器的光束传输质量成为现阶段的研究重点，具体表现在应用过程中，激光耦合到光纤的耦合效率不随注入电流的变化而降低。研究过程中发现，对激光器光束进行测量时，输出光束近场会产生光斑跳动现象，并且随着注入电流的增大，光斑跳动会更加明显。光斑跳动现象说明半导体激光器内部模式不稳定，严重影响半导体激光器输出光束的光束传输质量，导致半导体激光器输出功率下降，从而使光纤耦合效率下降。

为了稳定半导体激光器激射光束在光纤传输过程的耦合效率，本文提出一种沟槽结构的半导体激光器，在普通条形半导体激光器的脊形区刻蚀了周期性的沟槽结构，来改善半导体激光器有源区的增益分布。结果表明:沟槽结构的半导体激光器能够使光腔内模式更加稳定，输出光束更加集中，并避免了“Kink”效应的发生；与此同时，耦合效率提高至97.7%，并且较普通结构激光器更为稳定。

2 光斑跳动原因分析

在注入式的GaAs半导体激光器中，相当普遍地存在着丝状发光现象[1-2]。通过对半导体激光器的一系列研究，人们发现其在垂直于结方向上对有源区的载流子和光子具有限制作用，而它的侧向近场实际上是一排亮点，也称为光丝[3]，如图1所示。

图1 激光器的近场光丝示意图

Fig.1 Schematic diagram of the near field optical filament of the laser

光丝形成的原因是光增益周期性空间烧孔,如图2所示，阈值处载流子呈钟型分布，电流加大，受激复合加剧，载流子浓度逐渐平坦，最后下凹。振荡的基模辐射强度对准条中心，激射复合的载流子横向分布产生了空间烧孔，折射率产生凸起，导致了折射率周期性变化，倾向于聚焦或捕获激射辐射。辐射光逐渐被捕获到由辐射光自己造成的载流子浓度的空孔中，产生了周期性自聚焦效应，建立了非线性侧向模式——光丝阵列。并且随着电流的注入，光丝分布发生变化，进而引起光腰移动(图3)，激射点移动造成折射率减小，从而增加激射点的移动，光场的非对称性随之增加。当激射点移出条形区，激射效率迅速减小，输出功率饱和，Kink[4]产生，从而对半导体激光器的光束稳定性以及光纤耦合效率产生重大影响。

对于上述问题，很多学者也做过相关研究[5-9]。其中锁相阵列激光器可以获得非常稳定的光场分布，但是由于它的有源区是由非泵浦区域隔开的10～20个窄的有源脊组成，这些非泵浦区域(即损耗区)使得激光器的电光参数变差，故很难实现高效率。因此，非泵浦区域应该尽量地窄。我们提出了一种沟槽结构的半导体激光器，即在普通结构半导体激光器的脊形条引线孔内刻蚀周期性分布的沟槽。沟槽区域为非欧姆接触区，在载流子注入时形成肖特基接触。势垒的存在使得电子注入受限，从而阻挡电流的传导。在这些周期性沟槽区域下面的电流传导引起有源区的周期性泵浦，形成周期性的增益分布和较强的光学耦合，从而激射出更为稳定的光束。并且腔内损耗只与材料的生长质量有关，故刻蚀沟槽结构不会对腔内损耗造成影响。

图2 随注入电流增加的3种剖面的变化情况

Fig.2 Variation of three profiles with the increasing of the injection current

图3 光斑移动示意图

3 器件的结构

我们采用在GaAs衬底上进行MOCVD外延技术生长脊形条形结构半导体激光器。为了将载流子限制在沟槽里，需要计算载流子扩散引起的光丝的位置及其宽度，并以该宽度作为沟槽的宽度来刻蚀。由于我们无法在芯片未制备完成之前确认光丝的位置和宽度，因此采用GaAs材料中载流子的扩散长度5m作为沟槽结构的宽度[10]。

我们在同一外延片上制备了两种不同结构的大功率半导体激光器：一种是有沟槽结构的，一种是没有沟槽结构的。首先进行MOCVD外延生长，采用厚度为7 nm的In0.2Ga0.8As作为有源层，InGaAs/GaAs/AlGaAs系材料制备芯片外延结构[11-12]。在该外延片结构上，进行宽条脊形半导体激光器的制备。先腐蚀形成100 μm宽、300 nm高的脊形台，然后光刻形成P型引线孔，如图4 所示。对于沟槽结构的半导体激光器，即在电极孔位置刻蚀周期性沟槽结构，其中沟槽宽度为5 μm，每间隔5 μm刻蚀一个沟槽。对于无沟槽结构的激光器则不需要套刻沟槽即可。然后，将长好电极的外延片解理成激光器管芯，如图5所示，并烧结在C-mount热沉上之后进行TO3封装并测试[13-14]。

图4 脊形条形结构半导体激光器

图5 沟槽结构的大功率半导体激光器

4 器件测试与结果分析

4.1 近场光斑测试

为证实沟槽结构能够改善半导体激光器的光斑移动现象，我们采用了对比方案，用CCD照相机实时记录近场光斑，通过Spiricon-OPHIR Photonics激光光束分析仪分别对两种结构的激光器进行近场光斑测试与分析。在脉冲条件下，电流分别为600 mA和800 mA下得到激光器的2D光束显示图。其中质心X轴坐标表示光束在平行于结方向上的位置分布，Y轴表示激射光束的能量强度。如图6和7所示。

由图6和7可以看出，对于普通结构的半导体激光器，在电流变化时，光束分布比较分散且光束的峰值能量有明显波动，有光丝移动现象产生。而有沟槽结构的半导体激光器在电流变化时，光束分布比较集中且光束的峰值能量稳定在中心位置,基本不存在光斑漂移现象。

由此可见，沟槽结构的半导体激光器有效地抑制了光丝移动现象，并且得到较好的光束稳定性。对于相同位置的光束而言，普通结构激光器相比有沟槽结构的激光器，光强变化明显，而有沟槽结构的激光器光束强度变化很小，光束稳定性提高。图7中，在800 mA注入电流下对有沟槽结构的半导体激光器光束进行测试时，由于光束能量太高，超出设备能够显示的最高量程，故多加了能量衰减片，实际的光束能量峰值远高于图中所示。

图6 脉冲条件下，普通结构半导体激光器的2D光束显示图。

Fig.6 Beam intensity 2D display of semiconductor laser without groove structure under different pulses

图7 脉冲条件下，沟槽结构半导体激光器的2D光束显示图。

Fig.7 Beam intensity 2D display of semiconductor laser with groove structure under different pulses

4.2 光纤耦合效率测试

利用北京工业大学光电子技术实验室的激光器光束耦合测试台，我们将沟槽结构和普通结构的半导体激光器输出光束分别耦合到光纤中，测试耦合前和耦合后两种结构半导体激光器的输出功率。通过光纤耦合前后的输出功率计算出各自的耦合效率，并作对比。图8所示是普通结构激光器光纤耦合前后的输出功率和耦和效率，图9所示为沟槽结构激光器光纤耦合前后的输出功率和耦合效率。

图8 普通结构半导体激光器光纤耦合前后的输出功率及耦和效率

Fig.8 Beam power before and after coupling and the coupling efficiency of the laser with common structure

图9 沟槽结构半导体激光器光纤耦合前后的输出功率及耦和效率

Fig.9 Beam power before and after coupling and the coupling efficiency of the laser with groove structure

通过测试结果可以看出：两种结构的电压和功率转换效率基本保持一致，但随着注入电流的增大，沟槽结构半导体激光器光纤耦合前后的输出功率随着注入电流的增加而逐渐上升，耦合效率最高可达97.7%，且保持在95%以上，趋于稳定状态；而普通结构激光器最高耦合效率仅可达到95%，光纤耦合前后的输出功率在5.5 A时开始衰减，说明光丝移动，造成耦合效率随着电流增大持续衰减。由此可以证明，沟槽结构的半导体激光器有效地将注入载流子限制在沟槽内，阻止了光丝移动，同时稳定了谐振腔内模式和光纤耦合效率。另外，图9中电流在9 A注入时产生的耦合效率突变应属于测量误差。

4.3P-I特性测试

为进一步证实沟槽结构的激光器能够改善“Kink”效应，我们在脉冲条件下测试了沟槽结构和普通结构半导体激光器的光电特性。其中，测试的脉冲重复频率为50 Hz，脉冲宽度为100 μs。图10为两种结构的P-I曲线对比图。在8 A的注入电流下，无沟槽结构的半导体激光器在电流为3 A时的P-I曲线发生“扭折”现象，说明光束不稳定。随着注入电流的增加，在条形中心附近的载流子出于强烈的受激辐射复合而耗尽，发生局部增益饱和，产生增益分布的形变，辐射模向高阶模跳跃,模式的不稳定造成P-I特性曲线的扭折。将载流子和光子限制在激光器的侧向有源区有助于减小阈值电流、工作电流和损耗，从而提高输出功率[15]。沟槽结构的半导体激光器在测量时则不存在这种“扭折”现象，说明具有沟槽结构的半导体激光器能够将注入的载流子抑制在沟槽内，使谐振腔内模式趋于稳定，抑制了模式跳跃。稳定的模式对于改善光斑移动现象有着重要的意义。

图10 沟槽结构与普通结构激光器的P-I曲线对比图

Fig.10P-Icurve contrast of grooves and non-groove structure devices

另外，对于沟槽结构的半导体激光器，由于沟槽结构的P型表面有效面积增加,使其散热效果更好，所以有着更高的饱和输出功率3.7 W，并且有增长趋势；而无沟槽结构的饱和输出功率仅达3.5 W，并有下降趋势。图10也显示了无沟槽结构的激光器具有更大的增益区。在发生“Kink”点之前的小电流下，无沟槽结构的半导体激光器具有相对较高的输出功率。这是由于在激光器脊形条刻蚀沟槽结构之后，总的电流注入面积减小，使得总的发光(激射)面积减小。理论上对沟槽宽度进行优化之后可以提高输出功率至理想水平，因此我们还需要进一步的研究来获得更大的输出功率。

5 结 论

本文根据半导体激光器的光丝移动问题，提出了一种具有周期性沟槽结构的脊形结构大功率半导体激光器。以980 nm脊形条形半导体激光器为例，通过对沟槽结构和普通结构激光器的激射光束进行分析，以及对光纤耦合前后输出功率的测试表明：随着注入电流的增加，相对于普通结构的半导体激光器，沟槽结构的半导体激光器表现出更稳定的光电特性，耦和效率最高可提高至97.7%；饱和输出功率也可提高至3.7 W，相对普通结构激光器提高了5.7%。在半导体激光器的脊形条上刻蚀沟槽结构能够将注入载流子抑制在沟槽内，呈现出低的光束强度波动，即抑制了近场光斑跳动现象，输出光束更加稳定，侧向模式得到明显的稳定。相信进一步对沟槽结构的宽度进行理论优化之后一定能够得到更高的输出功率和理想的光束耦合效率。

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崔碧峰(1972-)，女，内蒙古满州里人，博士，副教授，2004年于北京工业大学获得博士学位，主要从事半导体激光器的研究。

E-mail: cbf@bjut.edu.cn

Stable Coupling Efficiency of Semiconductor Lasers with Groove Structure

CUI Bi-feng*, LI Sha, KONG Zhen-zhen, HUANG Xin-zhu, LING Xiao-han

(KeyLaboratoryofOpto-electronicsTechnology，MinistryofEducation,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

In order to stabilize the coupling efficiency of the laser beam from the semiconductor laser through optical fiber, a laser with groove structure was proposed, and the laser beam, coupling efficiency andP-Icharacteristics were researched. The periodic grooves in the ridge region of the laser were etched to improve the gain distribution in the active region of the laser. The laser beams of the common laser and the groove structure laser were analyzed, the coupling efficiency andP-Icharacteristics were tested. The results show that the strip laser with groove structure can stabilize the cavity mode, avoid the “Kink” effect and improve the coupling efficiency to 97.7%. The laser with groove structure can solve the phenomenon of optical filaments fluctuation effectively and improve the stability coupling efficiency of the beam.

semiconductor laser; groove structure; optical filaments fluctuation; coupling efficiency

1000-7032(2017)05-0636-06

2016-11-07；

2017-02-03

国家自然科学基金(11204009)； 北京市教委创新能力提升计划(TJSHG201310005001)； 北京市自然科学基金(4142005)； 教师队伍建设青年拔尖项目(市级)(PXM2016_014204_000017_00205938_FCG)资助。 Supported by National Natural Science Foundation of China(11204009); Innovation Capability Enhancement Program of The Education Commission of Beijing (TJSHG201310005001); Natural Science Foundation of Beijing(4142005)；Youth Top-notch Program for Teachers Team Construction (Municipal)(PXM2016_014204_000017_00205938_FCG)

TN248.4

A

10.3788/fgxb20173805.0636

*CorrespondingAuthor,E-mail:cbf@bjut.edu.cn