大功率低阈值半导体激光器研究

常津源

（中国石油大学（华东），青岛 266000）

众所周知，半导体激光器的应用基础是高输出功率，想要进一步提升半导体激光器的输出功率，必须解决端面灾变性烧毁的问题。

而大光腔结构的应用对端面灾变性烧毁起到了很好的抑制作用，其主要通过作用于光场来提升出光面积，降低出光面的光能量密度，来达到提升输出功率的目的。与此同时，大光腔结构在半导体激光器领域当中的应用，还可以在增加横向尺寸的基础之上，达到了降低垂直发散角的目的，但依然存在一些不足之处。

1 大功率低阈值半导体激光器研究的意义

大功率低阈值半导体激光器的研究是我国光电技术研究的重要内容，是国家重点提出并且一直在努力寻求新的突破的领域。就当前大功率低阈值半导体激光器研究的意义来看，对国家的发展具有重要的现实意义。

与此同时，大功率低阈值半导体激光器在各行各业的应用都十分广泛，并且呈现出以每年20%以上的增长速度，比如军师领域的激光雷达、制导以及医疗、通讯、光盘等都开始应用大功率低阈值半导体激光器。其涉及领域之广，扩展速度之快，应用价值之强，是被广泛认可的。近年来，随着信息科技的不断发展，人们对大功率低阈值半导体激光器的性能要求越来越高，传统的大功率低阈值半导体激光器在具体的实践应用当中已经表现出明显的不足之处。因此，进行大功率低阈值半导体激光器的研究，不短提升大功率低阈值半导体激光器的现代化水平，具有重要的现实意义。

2 实验研究

大光腔结构在半导体激光器领域当中的应用，极大的改善了光束的热性、提升了输出功率。但是由于大光腔结构在光场的拓展，直接造成了光限制因子数量的减少，产生了阈值电流密度增加的现象。对于大功率低阈值半导体激光器，在通过提升工作电流来达到输出功率提升的同时，会大幅度的提升工作器件的发热量，增加了散热负担。

纵观国内外大功率低阈值半导体激光器研究领域，众多学者为了更好的解决大光腔与阈值电流密度之间的问题，作出了大量的努力，其中较为有名的就是Sebastian等人的研究成果。而本文将在参考众多相关研究成果的基础之上，将大光腔同低阈值电流放在同一个高度，采用非对称宽波导结构，实现了扩大光腔的同时实现电流密度不断增加的目的，并且设计出了一种新型的多量子阱有源区。下文笔者将对该项设计的器件结构、以及实验结果进行详细的探讨分析，如有不足之处，望批评指正。

3 实验器件结构分析

通过观察分析我们可以得出，常用的半导体激光器的光场分布类似于高斯分布，而有源区所占的面积同光场总面积的比值决定了有源区光限制因子，近场光斑的横向尺寸接近于光场半峰的全宽。这些基础条件为实现大光腔同低阈值电流并重的设计目标，提供了条件，更有利于实验的进行。假设将近场半峰全宽看做不变量，通过适当的缩减半峰以上的宽度，既可以实现大光腔结构，又可以有效的提升光限制因子的数量。具体的设计图如下，其中横轴是指假设的新结构光场，纵轴是高斯分布。

图1 目标光场分布示意图

其中，多量子阱半导体激光器阈值条件和原理性可以表示为：

式中gm为增益系数；α为损耗系数；Γ为光限制因子；nth为阈值载流子浓度；LZ为单个量子阱宽度；dg则为有源区的厚度。

通过对图1以及多量子阱半导体激光器阈值条件和原理性表达公式进行分析研究我们可以得出，高斯分布在一定的光场单位内，会呈现出倒v型增长，采用高势垒三量子阱有源区和非对称宽波导结构，能够通过调整有源区、材料组分、以及波导层等，来实现近场半峰全宽保持不变其上峰以上部分宽度减小的新结构体系。

通过研究我们还可以了解到过厚以及高掺杂的波导层都会导致自由载流子产生较大的内损，为了尽可能的避免该类现象的发生，进一步提升阈值电流密度，那么在进行大功率低阈值半导体激光器的设计过程当中，就需要注意以下几个方面的内容。

首先，要注重器件各项参数的整体性提升，可以采用镀膜的方法；其次，应该将p.型波导层厚度进一步缩减，才能更好的减少光吸收完成的内损消耗，就当前研究的结果来看未来有望将其缩减到零；最后，还需要不断提升波导层的精细度，进一步减少掺杂部分所占的比例，才能实现对光的更好吸收。而且，进一步降低杂质的含量，还可以避免杂质向有源区扩散对工作器件产生的影响。

4 结束语

随着社会科技的不断发展，生产、生活的需要给大功率低阈值半导体激光器的进一步发展提供了方向；随着教育水平的不断提升，专业的技术人才将会更多的投入到大功率低阈值半导体激光器研究领域，更好的为大功率低阈值半导体激光器的发展服务；随着各方面重视程度的不断提升，针对大功率低阈值半导体激光器的研究力度将会进一步加大，给大功率低阈值半导体激光器的发展提供了有力的支持和保障。相信在各方面的共同努力之下，在不远的未来大功率低阈值半导体激光器将在人们的生产、生活领域发挥更大的价值。

[1] 王立军，宁永强，秦莉，佟存柱，陈泳屹.大功率半导体激光器研究进展[J].发光学报，2015，（01）：1-19.