高功率半导体激光器腔面高反膜的研究

邱忠阳 冯爽 徐栩 李玉春

摘 要：针对半导体激光器在空气中解理时，其腔面镀膜对激光器的输出特性的影响，讨论了半导体激光器的腔面膜的设计方法及其腔面薄膜的选择依据。对半导体激光器后腔面不镀膜，后腔面镀上高反射膜进行了对比，测试了半导体激光器的输出功率。结果表明，镀上高反射薄膜的激光器比没有镀高反射膜的激光器阈值电流降低了10%、斜率效应提高了17.9%。在半导体激光器的腔面镀膜，可以有效提高器件的输出特性，还有保护激光器腔面不受大气环境中的水汽和灰尘等其他物质污染，增加器件的工作可靠性。

关键词：高功率半导体激光器 高反射膜 阈值

中图分类号：TN24 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（a）-0092-03

Abstract： The design method of cavity mask for semiconductor laser and the selection basis of the cavity surface film are discussed according to the influence of the cavity coating on the output characteristics of the laser as the semiconductor laser is cleaved in the air.The output power of the semiconductor laser is tested by comparing the back surface of the semiconductor laser without coating with the high reflectivity film on the back surface. The results show that the threshold current of the laser with a high reflection film is reduced by 10% and the slope effect is increased by 17.9% compared to the laser without the high reflection film. The cavity surface film of semiconductor laser can effectively improve the output characteristics of the device， protect the laser cavity surface from the pollution of the water vapor， the dust and other substances in the atmospheric environment and increase the reliability of devices.

Key Words： High power semiconductor laser； High reflective film； Threshold value

大功率半导体激光器具有高输出功率、高功率转化效率、体积小和较高的可靠性等优点[1l。目前，大功率半导体激光器己被广泛应用于光通信、光信储存、泵浦固体激光器、材料加工、激光医疗等领域[2-4]。随着其应用的不断扩大，对于器件的性能、可靠性要求进一步提高[5]。在半导体激光器的腔面镀膜除可以提高器件的前腔面输出效率外，还有保护激光器腔面不受大气环境中的水汽和灰尘等其他物质污染，有利于提高器件的COD阈值，增加器件的工作可靠性[6]。

1 高功率激光器腔面反射率优化

半导体激光器的自然解理面的端面反射率R为：

（1）

其中，为腔外介质折射率，通常为空气（=1），n为激光器波导的模式折射率。半导体激光器自然解理腔面的反射率一般在30%左右。对于高功率半导体激光器，一般要求谐振腔的后腔面反射率尽可能高（>95%），即HR膜，以减少不必要的光损耗，降低器件的激射阈值，而激光器的光输出腔面要求具有比较低的反射率（5%～10%），即AR膜，以增加腔内光的出射[7]。

以出射介质为空气的单层膜为例，其反射率为：

（2）

其中，R为光强反射率，为入射介质的折射率即波导的模式折射率，为膜层介质折射率，d为膜层厚度。当选用膜层的折射率介于入射介质与空气介质之间时，单层膜具有增透性，且在光学厚度d为时增透率最大，此条件下的反射率为：

（3）

当等于的平方根值时，反射率为零，即完全透射。同时，当选用膜层的折射率高于入射介質的折射率时，单层膜具有增反性，且在光学厚度（d）为时增反率最大，此条件下的反射率为：

（4）

膜层的折射率越大其反射率越高。但由于膜层折射率的限制，其单层膜的反射率不可能很高，一般需要靠多层膜才能获得较高的腔面反射率。

激光器高反射膜通常由高、低折射率两种材料的交替介质膜组成，可用GLHLHLHLHA=表示，其中G和A代表入射介质和出射介质（空气），H和L代表光学厚度为的高、低折射率膜层，N为膜层对数。其反射率为：

（5）

我们以Si/SiO2两种材料组成多层膜系为例，Si/SiO2的折射率分别为nSi=3.5，nSiO2=1.45，设中心波长nm，衬底折射率，仅两对材料即可获得96.7%的高反射率，3对材料可获得99.4%的高反射率。经计算表明，两种材料的折射率差别越大，层数越多，则膜系的反射率越高，而且反射谱宽度随两种材料折射率的差别增大而加宽。

2 腔面薄膜材料的选择

对于高功率半导体激光器，光学灾变是激光器工作时面临的主要问题，也是限制激光器使用寿命的一个国际性难题，强激光会对膜层有损伤，对整个激光器的可靠性有不良影响[8]。在膜层材料的选择上以下几方面的性质是重要的，即透明度、折射率、机械牢固度和化学稳定性、抗激光损伤及光学损耗等[9-11]。

通常作为激光器高反射膜的膜系需要多层膜构成才能满足激光器高反射膜的要求，但是膜层数越多界面态密度增加的概率就越大，所以我们在选取膜层材料时要尽量减少膜层数并获得高的发射率。

非晶硅作为一种常用的红外波段光学薄膜材料，具有红外吸收系数小、折射率高（折射率在3.0～4.0）、热特性好等优点，是制作激光器光学膜的理想选择，但非晶硅在近红外波段的吸收系数偏大（波长低于900nm时的吸收系数可达104cm-1以上），限制了非晶硅材料在近红外波段激光器腔面膜上的应用[12-15]。在非晶硅中掺入氢可以降低材料的光学吸收，并取得了较好的实验效果，因此氢化非晶硅（a-Si：H）成为降低非晶硅薄膜吸收的有效手段，有利于减少界面复合，提高半导体激光器的腔面COD阈值[12-15]。所以，本文采用a-Si：H/SiO2膜系镀制激光器高反射膜。

3 实验结果与分析

制备a-Si：H膜时，氢的组分会直接影响a-Si：H膜折射率和消光系数，实验采用磁控溅射法制备a-Si：H膜，实验设备是美国DENTON Discovery?-18磁控溅射镀膜机。溅射靶材是厚度5mm、纯度99.999%的Si靶，基底是n+-c-Si（掺杂浓度5E18/cm3）衬底，靶基距为8cm，实验初始压强9×10-5Pa，衬底温度150℃。随着氢气流量增加，a-Si：H膜折射率、消光系数就降低。氢含量为8%的a-Si：H膜层在808nm波长处的折射率为3.2和消光系数8×10-3，满足折射率较高，消光系数较低的要求，所以选取氢含量为8%的a-Si：H膜做a-Si：H/SiO2膜系的高折射膜层。我们选取两组激光器对比实验情况（见表1）。

以a-Si：H/SiO2膜系做高反膜，我们对比镀膜前后输出特性的改善情况，镀膜前激光器的阈值电流和斜率效应分别为0.5A、0.56W/A，而镀膜后阈值电流为0.45A，斜率效应为0.66W/A，我们发现，在激光器后腔镀高反射膜后，能够有效地降低激光器的阈值电流并提高斜率效应。

4 结语

本文研究了高功率半导体激光器腔面高反膜对激光器性能的影响。首先对半导体激光器腔面膜的设计和选取进行优化，提高半导体激光器的稳定性。利用半导体激光器腔面镀膜前后反射率对半导体激光器腔面镀膜前后的阈值电流和斜率效应进行计算，我们对半导体激光器后腔镀3对a-Si：H/SiO2膜系做高反膜，激光器的阈值电流降低了10%，斜率效应提高了17.9%。发现半导体激光器腔面镀膜能够得到较理想的激光输出特性。本文为半导体激光器腔面镀膜工作的顺利进行提供了理论依据。

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