大功率半导体激光器的发展现状
李拴庆
(河北半导体研究所,石家庄 050051)
摘要 介绍了无铝激光器、宽波导激光器、展宽条形激光器及其它类型激光器(如低限制激光器)、Ga N基激光器和分布反馈激光器的发展现状。
关键词 半导体激光器 功率 阈值电流 有源区 限制因子
Current Status of High Power Semiconductor Lasers
Li Shuanqing
(Hebei Semiconductor Research Institu te,Shijiaz huang050051)
Abstract This paper presents the current sta tus of Al-free lasers,broad w av eg uide lasers a nd lasers with fla red stripe as w ell as o ther lasers such as lo w co nfinement laser, GaN based laser and DFB laser.
Keywords Semico nducto r laser Pow er Threshold current Activ e region Co nfine-m ent factor
1 引 言
自1962年第一只半导体激光器诞生以来,大功率、低阈值电流、高可靠性、宽工作温度范围和长工作寿命一直是半导体激光器追求的目标。经过30多年的发展,半导体激光器的输出功率有了很大的提高。大功率半导体激光器已在工业和科技领域得到了广泛的应用。这些应用包括二极管泵浦固体激光器、掺铒光纤放大器泵浦、光学记录、高密度数据存储、大容量W DM传输、光学开关、高速打印、材料加工、焊接热源、频谱分析、原子时钟、气体传感、测距和倍频等。正是这些应用需求不断推动了二极管激光器的发展。
为了提高输出功率,科研人员尝试了多种不同的激光器结构,最近激光器设计常采用无铝结构[1～9]、宽波导结构[4～11]、展宽条形结构[12,13]和低限制结构[14,15]。采用这几种结构的激光器的输出功率有了明显的提高。本文从这几个方面介绍了半导体激光器的目前水平。
2 无铝激光器
在近红外光谱区(760～1000nm)工作的大功率二极管激光器可作为掺铒光纤放大器的泵源应用。近红外波长区内工作的二极管激光器有源区内常用AlGa As(760～840nm工作的激光器)或限制层/包层中常用AlGa As(840～1000nm工作的激光器)。尽管有源区中的铝可使器件输出达到所需的波长,但它同时也带来了缺陷,相对于Ga As和InGa As有源区激光
15
第35卷 第6期 1998年12月 半导体情报DOI:10.13250/https://www.doczj.com/doc/c617346373.html, k i.w n dz.1998.06.003
收稿日期:1998-09-29
器而言,它缩短了器件寿命,限制了器件的输出功率。包层中含AlGa As的器件在制作上有一定难度,器件的串连电阻较高。为了解决这些问题,研究人员研制出了无铝二极管激光器,在790～840nm波长范围用InGa AsP作有源区材料,在960～980nm波长范围用InGa As 作有源区材料,包层材料使用InGa P。
980nm波长无铝激光二极管是较新的器件,主要用作掺铒光纤的泵源。在980nm泵浦激光器中,Ga AlAs常被Ga In AsP取代,用作波导或包层。Ga InAs P比Ga AlAs具有明显的优点。在激光器制作过程中,它不像Ga AlAs那样易氧化,它更适合于选择腐蚀和外延再生长制作,并且具有比Ga Al As更高的欧姆接触和热导率。它还具有较低的表面复合速度(< 1.5cm/s)。这是一个重要的特性,因为它增强了激光器光镜端面的灾变光损伤阈值,降低了漏电流。
许多文章讨论了利用层结构和器件几何尺寸的优化,实现低阈值电流密度(J th)、高特征温度、大输出功率或良好的耦合效率的方法,认为制作基本设计参数接近优值的980nm激光器是可能的。表1示出了最新980nm无铝激光器的两种略有不同的结构。结构A由带突变界面的分别限制异质结构量子阱Ga As-Ga In P-Ga InAs P-Ga InAs系构成。结构B与结构A相似,但含有渐变界面。
表1 大功率980nm无铝激光器的层结构
结构A结构B
200nm p+GaAs接触800nm p+Ga As接触
<2500nm p GaInP包层150nm p Ga In As P渐变层50～150nm i GaIn As P波导2000nm p GaIn P包层(1～3)×6nm i GaIn AsQW60nm i GaIn As P渐变层(0～2)×10nm i Ga x In1-x As y P1-y9nm i Ga In As P量子阱50～150i Ga In As P波导60nm i GaIn As P渐变层2000nm n GaInP包层2000nm n Ga In P包层
500nm n Ga As缓冲层150nm n Ga In As P渐变层n Ga As(100)衬底500nm n Ga As缓冲层
n Ga As(100)衬底
结构A由美国TU T大学设计,利用气源分子束外延技术生长;结构B由Furukuw a Electric Corp设计,利用M OCVD生长 TU T研制的分别限制异质结构单量子阱980nm激光器的特性见表2。激光器在500m A 下发射的峰值光功率密度P max=350mW,在达到饱合前P max=500mW。阈值电流密度约为150A/cm2,内部量子效率为90%,斜率效率为0.7～0.95W/A。
表2 TUT研制的单量子阱RW无铝980nm 激光二极管的光学和电学特性
(腔长= 1.6mm,T=300K)
特 性符 号典型值条 件
最大光功率P max/mW350I=500m A 最大电压V max/V 2.0I=500m A 阈值电流I th/mA50
工作电流I op/m A300P op=300mW 工作电压V op/V 1.8I o p
中心波长/nm980P o p
特征温度T o/K20020～60℃
波长温度系数dλ/d T(nm/℃)0.320～60℃
光功率与波长漂移dλ/d I(nm/mW)0.02-P o p
808nm半导体激光二极管是Nd∶Y AG 固体激光器的有效泵源,为达到这一波长范围,器件要么利用Al x Ga1-x As(x=0.07)有源区,要么使用约6nm的薄Ga As量子阱。高质量AlGa As难以生长,存在可靠性方面的问题,而Ga As有源区则没有这种长期可靠性问题,其大功率工作仅受灾变光损伤(COD)时的较低内功率密度限制。InGa As P有源区激光器提供了一种令人振奋的方法,因其可靠性和高功率密度值,使大功率应用成为可能。然而In Ga AsP/Ga As材料系完全无铝激光器结构具有较小禁带不连续性,引起严重载流子漏泄,导致阈值电流增大及微分量子效率和特征温度变低。
为增大特征温度值(即减少载流子漏泄)和提高功率特性,许多研究人员开发出了无铝有源区激光器[3,4,5,7,8]。J.K.Wade等人用In0.5 (Ga0.5Al0.5)0.5P包层和InGa P波导层取代了完全无铝激光器。10%,95%镀膜,1mm长, 100μm宽器件实现了6.1W的光功率。采用宽波导结构和低前端面反射率方法,无铝有源区激光器实现了8.8W的最高连续波输出功率。
16半导体情报 第35卷 第6期 1998年12月
表3给出了无铝有源区激光器的层结构。
表3 无铝有源区激光器的层结构
结构A
结构B
p +
Ga As 接触
p +Ga As 接触
1200nm In 0.5(Ga 0.5Al 0.5)0.5P 包层750nm In 0.5(Ga 0.5Al 0.5)0.5P 包层
400nm In 0.5(Ga 0.9Al 0.1)0.5P 限制层350nm In 0.5Ga 0.5P 波导层20nm In 0.5Ga 0.5P 过渡层15nm InGa AsP 量子阱层15nm InGaAsP 量子阱层350nm In 0.5Ga 0.5P 波导层20nm In 0.5Ga 0.5P 过渡层
750nm In 0.5(Ga 0.5Al 0.5)0.5P 包层
400nm In 0.5(Ga 0.9Al 0.1)0.5P 限制层nGaAs 衬底1200nm In 0.5(Ga 0.5Al 0.5)0.5P 包层nGa As 衬底
结构A 和B 都是由J .K.W ad e 等人设计
D.Bo tez 及其合作人员开发出了一种由
800nm 宽InGa P 波导和400nm InGa P 限制层包围的有源区和InGa AlP 包层构成的激光器,见图1。无铝波导提供了低内损、较小横向光束发散和较大的横向光点直径。有源区允许连续波大功率工作并提高了可靠性,包层区为提高效率和功率改善了载流子限制。与无铝包层激光器相比,这些器件明显具有无铝有源区激光器的功率和寿命优点,同时还具备较好的载流子限制
。
图1 包层含铝的激光器。这种结构
提高了输出功率和器件寿命
在20℃连续波应用时,100μm 条宽、1m m 长未镀膜830nm 波长器件的输出功率为4.7W,阈值电流密度值为220A /cm 2
。性能分析表明,器件寿命至少比AlGa As 激光器高两倍。
3 宽波导激光器
790～980nm 波长范围应用的大功率激光
二极管可用作掺铒光纤及固体激光器的泵源,这引起了人们的极大关注。基于与Ga As 晶格匹配的InGa As P 合金的无铝激光器已被证明比AlGa As 、Ga As 激光器有更大的优势,特别是在大功率应用方面。自从1991年首次介绍无铝InGa As P -Ga As 基激光器以来,790～980nm 光谱范围内这种结构的激光器已显示了下列优点:高可靠性、低端面损伤、低电阻和低热阻。基于常规分别限制异质结构(SCH)多量子阱(M QW )设计的980nm 无铝激光器也已研制成功,其分别限制异质结构层的厚度是为优化光模与量子阱增益的叠加而精心设计的,得到了较低的阈值电流密度。然而这种激光器适合于在阈值附近工作。在工作电流大于10×J th 时,其它激光器参数如外部微分效率、功率转换效率、灾变光失效将决定可实现的最大输出功率。宽波导激光器代表了一种设计高效率大功率激光器的新方法。增大分别限制异质结构或波导层的厚度,就会降低光模和重掺杂包层间的叠加,使自由载流子造成的光损耗减小并明显提高外部量子微分效率。伴生的量子阱限制因子的降低很小,因而长腔激光器中阈值电流密度的增加不明显。大功率长腔激光器可明显受益于宽波导结构所带来的低损耗和高效率。同样,较大的光模尺寸也使光密度降低,相应地降低了端面过热,这对减少灾变光损伤和空间烧孔效应非常重要。基于宽波导结构MOCV D 沉积的980nm 无铝激光器实现了大于8W 的连续波输出功率。
Milind R Co khale 等人设计了M OCV D 生长的无铝InGa As -InGa As (P )-InGaP 激光器,其有源区导带示意图见图2。宽波导降低了激光器包层和量子阱中的光模,因而降低了内部损耗,增大了微分效率。
为了比较常规与宽波导激光器的性能,还制作了不同波导厚度、不同掺杂分布和不同波导材料组分的器件。对于许多不同波导材料和
17
第35卷 第6期 1998年12月
半导体情报
图2 InGa As-In Ga As (P)-In GaP 激光器
有源区导带示意图
结构而言,宽波导激光器都显示了较常规激光器更好的性能。实际上内损耗约 1.6cm -1是目前无铝980nm 宽波导激光器的最低值。先前报道的内损耗值在6.4～9.1cm -1
之间。宽波导激
光器的另一个优点就是较宽的近场强度,这会在灾变光损伤发生之前产生更大的输出功率。低内损耗、阈值电流、热阻和串连电阻值是制作大功率长腔激光二极管的重要因素。图3示出了3mm 长、750nm 宽激光器的连续波输出功率与电流的关系。 6.8W 的输出功率是目前报道的分子束外延生长的980nm 无铝激光器的最高值,仅次于M OCV D 生长的980nm In Ga As-InGa As P-Ga As 宽波导激光器8.1W 的输出功率。在准连续波条件下,气源分子束外延生长的980nm 单孔径激光二极管的准连续输出功率为13.3W ,这也是目前报道的最高值
。
图3 3m m 长Ga As 宽波导5%和95%镀膜激光器的
CW 和QCW 输出功率与电流的关系
以前已有了关于810nm ,970nm 和1500nm 宽波导量子阱激光器的报道。1500nm MOCV D 生长的宽波导分别限制异质结构多
量子阱InGa AsP /InP 结构实现了较低电流密
度和内损耗,分别为73A /cm 2
/量子阱和1.3cm -1
。与宽波导结构有关的内损耗的降低允许利用长腔器件(1～4mm ),而效率仅略有下降。D .Z .Ga rbuzov 等人制作了2mm 和4mm 长的宽波导分别限制异质结构多量子阱In
Ga AsP /InP 激光器,其外部微分量子效率分别
为60%和50%。连续波和准连续波功率输出特性见图4和图5。
图4 InGaAs P /In P BW-SC H-M QW 激光器CW 输出
功率特性(200μm 孔径,2mm 腔长,λ=1430n m)
图5 In GaAs P/InP BW-SC H-M QW 激光器
QCW 输出功率特性
在14A 的驱动电流下实现了 3.5W 的输出功率,在更高输出功率时,观察到了热翻转(即随驱动电流增加,输出功率变小)。在31.5A 的驱动电流下实现了10W 的准连续波功率。对两种腔长的器件进行了测试,未发现不可恢复的变化。对于4mm 腔长器件而言,最大功率受电流限制而非受热考虑限制;对于2mm 腔长
18半导体情报
第35卷 第6期 1998年12月
的器件而言,输出功率值受热考虑限制而非受灾变光损伤限制。灾变光损伤通常在1100nm 以下的器件中发现。无灾变光损伤的发生是一个重要的优点,因为为了保证可靠性工作,许多大功率激光器仅在约50%的灾变光损伤极限内工作。既然InGa AsP /In P 激光二极管热翻转是限制因素,而不是灾变光损伤,所以实现更大的可靠的激光器是很有可能的。
4 展宽条形激光器
为实现高光纤耦合效率,稳定的大功率横模工作是必需的。光束偏斜与高阶模式的产生
会引起不稳定横模工作,这是由宽条结构中宽条区内注入载流子的空间烧孔效应造成的。缩小条宽就能抑制载流子的空间烧孔效应,对于大功率激光二极管(激射波长小于1000nm )来说,高可靠工作常受端面光吸收引起的端面退化限制,为了抑制端面退化,要求降低端面温升。通过扩大端面处光点直径来减小模场的峰值强度也是一种行之有效的方法。为降低腔中光密度最大的前端面光密度,要求宽条结构。常规直条形激光器不能满足这种自相矛盾的要求,即为了抑制载流子烧孔效应,直条要足够窄;为了降低光密度,直条又要足够宽。针对这一问题,许多AlGa As 激光二极管的沿腔条宽结构都进行了改进。一种改进的例子就是展宽条形结构。在这种结构中,光密度较小的后端面条宽较窄,光密度较大的前端面条宽较宽,沿腔的过渡区的条宽是线性变化的。另外一种展宽结构就是沿腔是非常窄的条形区,条宽仅在接近前端面时被展宽。然而因为沿腔的模式转换并非是顺利进行的,所以常常见到远场图形失真。
最近,Misuzu Sagaw a 等人介绍了一种指数形展宽的宽条结构。选择这种条形结构是为了根据直条形激光器沿腔的峰值光密度分布来改变条宽,从而达到降低沿腔峰值光强变化的目的。为了降低光密度,前端面条宽较宽。为实现可靠而又稳定的横模工作,后端面较窄。这
两个区由指数形展宽条连接,由于沿腔电场呈
指数形分布,这种指数形展宽结构可提供平稳的模式转换。为了防止条宽不定性,实际器件在两个端面处都有50μm 的直条。图6示出了这种展宽条形激光器的波导结构的截面示意图。包层由与Ga As 衬底晶格匹配的InGa P 构成。波导层的折射率比InGa P 包层高,提供了低损耗实际折射率波导。条形区内外有效折射率差由波导层厚度及波导和有源层间的距离决定。当波导层较厚或接近有源层时,可得到较大的有效折射率台阶。电流由n -InGa P 阻挡层限制(该层是用自对准工艺制作的)。有源层由晶格失配为 1.4%的7nm 压应变InGa As 量子阱和带隙能量为 1.6eV 、晶格失配为 3.9%的10nm 张应变InGa AsP 势垒层构成。有源区的应变并未完全为势垒所补偿。
图6 980nm InGaAs -InGa As P 展宽条形激光器波导
结构截面示意图(包括带压应变量子阱和张应变势垒的应变补偿有源层)
室温下,指数形展宽条形激光器的典型输出光功率与电流特性示于图7。前后端面的条宽分别为7.5和2.5μm,阈值电流为20m A,L -I 曲线的弯折功率P k ink 为330mW 。这几乎与相同晶片制作的2.5μm 宽条激光器的值相同。这意味着展宽条形激光器弯折功率由条形的最窄
部分(即激光器的后端面)决定。这种展宽条形激光器实现了430m W 的最大输出功率且没有发现灾变光损伤,而直条形激光器最大输出功率为340mW,且受灾变光损伤限制。
19
第35卷 第6期 1998年12月
半导体情报
图7 展宽条形激光器的输出功率与电流的关系
(前端面条宽7.5μm,后端面条宽2.5μm)
图8示出了由同一晶片材料制作的两种不同类型激光器的弯折功率P kink 与最大输出功率
P max 间的关系。对于条宽在2.0～ 5.5μm 间变化的直条形激光器而言,最大输出功率随弯折
功率的增大而减小。而在相同的弯折功率时,展宽条形激光器的最大输出功率则有40%～60%的增加。这是因为指数形展宽条形激光器的前端面和后端面可单独设计。这清楚地表明了展宽条形激光器的优势。条形结构和层结构的进一步优化会增大弯折功率并改善最大输出功率
。
图8 同一晶片下制作的展宽条形激光器和直条形
激光器弯折功率与最大输出功率的关系
总之,这种结构在不改变稳定横模工作前提下有效扩大了光点直径。弯折功率仅由后端面条宽决定,前端面光点直径仅与前端面条宽有关。最大输出功率比普通的相同弯折功率的直条形激光器高40%～60%。在150mW 下进行的测试表明,在25℃下预计激光器的稳定工作寿命大于2×105
小时,因此适用于作掺铒光
纤放大器的泵源。
大功率衍射限制可见光波长的激光器是许多新兴商业和科技应用所必不可少的。在635～640nm 间最高可靠衍射限制功率值为30m W,这一值是利用AlGaInP 应变补偿单量子阱有源层结构实现的。对于新的应用来说,这一功率值常显得不够大,较高工作功率下可靠性限制主要是由激光端面的高光密度决定。大面积器件可减少端面光密度,因而可将激光器的功率提高到几百mW 。B .Lu 等人利用漏斗形展宽的激光器首次演示了635nm 波长下大于400mW 的衍射限制连续波功率,其阈值电流约为800m A,斜率效率为0.4W /A,详见图9的L -I 曲线图。
图9 L -I 曲线图
(a)结构示意图 (b)CW 功率-电流特性
5 其它类型激光器
5.1 低限制概念
大功率工作的优化与激光二极管设计通常
考虑的阈值电流密度的优化不尽相同。在许多情况下,器件的限制因素是光镜的灾变光损伤引起的退化,因而大功率器件的优化常与在保持阈值电流密度为一合理值(200～400A /cm 2,
20半导体情报
第35卷 第6期 1998年12月
工作电流密度2000～4000A /cm 2
)的前提下降低有源区限制因子有关。
假定特定材料的灾变光损伤功率密度值为P ,那么可实现的输出功率为:
P O UT =
PW d Γ
(1)
式中W 是条形宽度;d 是有源区厚度;Γ是限制因子。从式(1)可以看出,如限制因子的值很低,则输出功率的值就会相应增加。同样,模式增益也会很低,
G =Γg
=T +
1L
ln 1R (2)式中g 为材料增益。若要保持相同的材料增益值,则要求吸收系数要低,器件长度要长。
最近Manuela Buda 等人利用这种低限制
概念[14,15],制作了限制因子值为常见结构1/3的单量子阱(6nm )AlGa As 对称与非对称两种结构的激光器。
这两种结构的折射率和光场分
图10 两种结构的折射率和光场分布结构
(a )对称结构 (b )不对称结构
布结构见图10(a)和(b)。两种器件都具有一个6nm 厚的量子阱有源区。第一种结构的限制因子值为0.0115,第二种的限制因子值为0.0092。两种结构的波导值分别为0.3和1.0μm 。3mm 长10μm 条宽对称结构的AR/
HR 镀膜器件的结果见图11
。由图可见,灾变光损伤前的最大输出功率为 6.4W ,这个测量结果是在极短脉冲条件下(100ns 脉冲宽度)得出
的。如果按比例把这个值外推到连续波条件,可以得到800～1100mW 的功率值,这相当于80～110mW /μm 的功率条宽比。这一值是为阈值电流密度而进行优化设计的激光器最佳值的2～ 2.7倍。
图11 对称结构3mm 长、10μm 条宽AR /HR
镀膜激光器P -I 特性
5.2 GaN 基半导体激光器
随着AlGaN,InGaN 高质量晶体及Al Ga N p 型电导的实现,GaN 基蓝/绿光半导体激光器的研制已成为新的热点。SDL 于1998年2月份报道了400～410nm 波长、以脉冲形式工作的蓝光激光器,实现了大于150mW /面的输出功率,这是目前GaN 基激光器实现的最大功率值。GaN 基激光器通常采用多量子阱结构,有源层是2～5个周期的In x Ga 1-x N 多量子阱叠层。AlGaN 包层用于提高电限制和光限
制
[16]
。AlGaN 作包层材料的优点就是它具有比Ga N 和InGaN 更高的禁带和更低的折射率,
21
第35卷 第6期 1998年12月
半导体情报
可提高有源区中载流子和光限制。然而AlGaN 也是一种难以驾驭的材料,从理论上来讲,Al-GaN 包层要么很厚,要么铝含量很高,或二者兼而有之。但在实际上,由于包层和邻近层的晶格失配及热膨胀系数的差异,上述的两种条件都会引起层断裂。日亚化学有限公司的Shuji Nakamura 发现了一种较好的包层设计,那就是采用调制掺杂的AlGaN /GaN 应变层超晶格。采用这种包层设计,蓝光激光器实现了大于10000小时的工作寿命[17]。
另外,无铝法可以将这些问题一扫而光,并且从理论上来讲,可以使器件的制作更容易。因其折射率不如AlGaN 低,无铝包层在将光限制在波导芯方面效果不如AlGaN 好。为了保持波导芯的折射率比包层大,多量子阱叠层要比使用AlGaN 包层结构的叠层至少多一倍。为了比较起见,图12给出了常见的利用AlGaN 包层的InGaN 多量子阱激光器结构和No rthw es-tern 大学提出的无铝激光器结构
。
图12 两种激光器结构
(a)多量子阱激光器结构 (b)无铝激光器结构
在No rthw estern 大学提出的无铝激光器中,有源区是In 0.1Ga 0.9N /GaN 多量子阱结构。最外边的GaN 层起包层作用,波导是InGaN /GaN 多量子阱叠层,它同时也是有源层。理论
分析表明,只要采用足够数量的量子阱,无铝结构就能达到足够的光和电限制。这种激光器结构虽很新颖,但它距实际光学应用还有相当长的一段距离。
5.3 分布反馈激光器
1550nm 大功率单频光源是长距离超级干路传输链路的重要元件。超级干路系统光源的要求是大的连续波输出功率,窄线宽和低噪声。在系统设计时,大功率带来了高系统性能及方便灵活等特点。25～35mW 的进纤源功率可免去使用前置放大器并提高系统的噪声性能。50～65mW 的更大源功率可以不用EDFA 本身就能将多信道视频信号传输到约40km 远的距离。为了得到高斜率效率、大的输出功率和窄线宽,可对设计分布反馈半导体激光器时应对耦合系数κL 值进行优化。κL 值太小会因法布里-珀罗振荡而造成分布反馈单模损耗;κL 值太大会产生较强的空间烧孔效应,产生线宽展宽、双法布里-珀罗模式振荡、模跳和非线性等
方面的严重问题,而且高κL 值还会造成外部微分量子效率和输出功率降低,这是因为在κL 远大于1时,光功率常通过分布反馈机理陷在光腔内。
为了更好地散热,大功率半导体激光器通常要求采用长光腔,因而大功率分布反馈激光器的设计原则之一就是降低κ值,增大腔长以保持κL 值不变。大功率半导体激光器设计的另一种考虑就是降低内损耗。这对为实现更大的最大输出功率而采用长光腔的设计来说更为重要。在内部损耗高的情况下,如果腔长增大,那么阈值电流会明显增大,外部量子效率会急剧降低,最大输出功率可能不会增大太多,甚至不增加。只有在内部损耗较小时,采用较长腔长才会得到更大的输出功率。
最近,T .R .Chen [18]等人为了实现大输出
功率,充分利用了量子阱结构的高增益、高微分增益和低内部损耗等优点,制作了应变条形量子阱分别限制异质结构(S -M QW SC H )In Ga AsP /In P 激光器。500nm 腔长的S-M QW SC H 激光器阈值电流为8m A,在200～250m A
22半导体情报
第35卷 第6期 1998年12月
的工作电流下减反射镀膜端面的典型输出功率为55～75mW ,在360m A 的偏置电流下,测量得出的最大连续波输出功率为108mW 。这一输出功率值是目前分布反馈半导体激光器的最大值,这种结构激光器前端面的外部微分量子效率为0.4mW /m A 。1000nm 长这种结构激光器的阈值电流约为15m A,前端面外部微分量子效率为0.3mW /m A,其斜率效率随腔长的增加而减小,输出功率随腔长的增加而增大。
从得出的结果可以看出,这种1550nm In Ga AsP /InP 应变多量子阱分别限制异质结构激光器具备了大输出功率、高耦合效率、低阈值电流、低噪声和窄线宽等优点,完全可以用作超级干路传输系统的光源。
为了更清楚地了解国内外大功率激光器的目前水平,表4给出了从蓝光到1550nm 波长范围半导体激光器的输出功率、阈值电流(或阈值电流密度)和效率。表中也给出了我国几家单位研制的具有代表性的半导体大功率激光
器的主要参数值。
表4 大功率半导体激光器的目前水平
材 料
波 长结 构
功 率I th /J th 效率Z
研制单位
时间GaN 基410nm 150mW /面 1.4k A /cm 2SDL 1998AlGaInN 420nm M QW 20mW 25k A /cm 2Xerox
1998Ga In P /AlGaIn P 635nm S -QW 150mW 0.055A 0.75W /A SDL
1998Ga In P/AlGaIn P 635nm S-QW 400mW 0.8A
0.4W /A SDL 1997Ga In P
680nm S CH 100mW Mitsubishi
1997InGa As P /In GaAlP 730nm S-SQW BW 1.4W 514A /cm 2
75%University of W is consin 1998InGa As P /GaAs 800nm M QW SC H 7W (QCW ) 1.2W /A North w es tern University 1995InGa As P /In GaP 805nm QW BW 6.1W 310A /cm 266%University of W is consin 1998InGa As P 805nm QW BW 8.8W 310A /cm 272%University of W is consin 1998InGa As P /In GaP 808nm QW BW 4.7W 220A /cm 245%University of W is consin 1997InGa As P 808nm S CH S QW 2.6W 98%(ηi )75%(ηd )中科院物理所1996InGa As P
810nm S CH S QW 2.1W 300A /cm 280%长春光机所
1996InGa As P /In GaAlP 810nm QW 5W 290A /cm 21W /A University of W is consin 1997AlGaAs 810nm S CH S QW 2.3W 220A /cm 2 1.3W /A 中科院半导体所1996AlGaAs 810nm S CH S QW 1.1W 800A /cm 240%IPTM
1997Ga As /AlGa As 870nm S CH QW 16.5W 0.4A 1.05W /A SDL
1998InGa As (P)/In GaP 970nm BW QW SCH 14.3W (QCW )86%
University of W is consin
1997AlGaAs
970nm BW
9.3W
0.2A
100A /cm 20.92W /A SDL 1997InGa As /In GaAs P 980nm BW S CH M QW 6.8W 83%
1997Ga In As P /GaIn As 980nm S CH QW 350mW 50m A 0.95W /A T UT
1995InGa As /In GaAs P 980nm S CH QW 430mW 20m A Hitachi 1997InGa As
980nm S CH QW 340mW Hitachi 1997InGa As /AlGa As
980nm
S CH S QW 150mW 40m A 电子部13所1996InGa As /Ga As /In GaP 990nm BW S CH QW
6.8W
13.3W (QCW )230A /cm 272%Sarnoff
1997
InGa As 1000nm DBR QW 250mW 200m A 0.4W /A
University of Connecticu t 1997InGa As P /In P 1430nm BW QW SCH 5.2W 73A /cm 2Sarnoff 1997InGa As P /In P 1550nm S -M QW SC H 108mW 8m A 0.4W /A Ortel
1998InGa As P 1550nm DBR QW 100mW 15m A France Telecom 1997InGa As P /In P
1550nm DFB M QW
40mW
2.5m A
France Telecom
1997
23
第35卷 第6期 1998年12月
半导体情报
6 结束语
本文介绍的无铝激光器、宽波导激光器、展宽条形激光器和低限制激光器代表了目前大功率半导体激光器的设计水平。这几种结构的激光器输出功率最高已达十几W。只有优化设计参数,不断开发新的结构,才有可能进一步提高输出功率。若要满足更大输出功率的要求,把输出功率提高到数十W,甚至是上百W,则应采用激光器阵列。
参 考 文 献
1 Lew otsk y K.Efficiency Increas ed in Aluminium-Free https://www.doczj.com/doc/c617346373.html,s er Focus W orld,1997;33(1):15
2 Pes sa M et a l.Aluminium-Free980nm Laser Diod es fo r Er-Doped Optical Fib re Am plifiers.Proc SPIE,1995;
2397:333
3 W ade J K et al.5W Continuous W ave Pow er,0.81-μm-Emitting,Al-Free Active-Region D iode Las ers.Appl Phys Lett,1997;71(2):172
4 W ade J K et al.8.8W CW Pow er From Broad-Waveg uide Al-Free Activ e-Region(805nm)D iode Las ers.Electron Lett,1998;34(11):1100
5 Al-M uhanna A et a l.730nm-Emitting Al-Free Active-Re-gion Diod e Las ers w ith Compres sively Strained InGa As P Quan tu m W ells.Ap pl Ph ys Lett,1998;72(6):641
6 Al-M uh an na A et al.14.3W Quasicontinuous Wave Fron t-Facet Pow er from Broad-W aveguide Al-Free970nm D iode Las ers.Appl Phys Lett,1997;71(9):1142
7 W ade J K et a l. 6.1W Continuous W av e Fron t-Facet Pow er from Al-Free Activ e-Region(805nm)D iode Las ers.Appl Phys Lett,1998;72(1):4
8 W ade J K.High Con tinu ous Wave Pow er,0.8μm-Band, Al-Free Active-Region Diode Lasers.Appl Phys Lett, 1997;70(2):149
9 Garb uzov D Z et al.High Pow er Con tin uous and Quasi-Continuous W ave In Ga As P/InP Broad-W av eguid e Sepa-
rate Con fin ement-Heteros tructu re M ultiquantum W ell Diode Lasers.Electron Lett,1997;33(19):1635
10 Garb uzov D Z.13.3W Quasi-Con tinuou s Operation of
0.99μm Waveleng th SC H-QW In GaAs/GaAs/InGa P
Broad ened W aveguide Las ers.Electron Lett,1997;33
(17):1462
11 Ilind M,Okh ale R G.High-Power High-Efficiency
0.98μm W av elength InGa As-(In)Ga As(P)-InGa P
Broad ened W av eguide Las ers Grow n by Gas-Source M olecular Beam Epitaxy.IEE E J ou rnal of Quantum
Electronics,1997;33(12):2266
12 Is uzu Sagaw a M et al.High ly Reliable and Stable-Lateral-M od e Op eration of High-Pow er0.98μm In GaAs-In GaAs P Las ers with an Exponential-Shaped Flared Strip e.
IEEE J ou rnal of Selected Topics in Quantun Electronics,
1997;3(2):666
13 Lu B et al.400mW Con tinuous-Wave Diffraction Limited Flared Uns table Res onator Laser D iode at635nm.Elec-tron Lett,1997;33(19):1633
14 Anueia Buda M et al.Analysis of6nm AlGa As SQW Low-Confinement Laser Structures for V ery High-Pow er Op eration.IEEE J ou rnal of Selected Topics in Quantum Electronics,1997;3(2):173
15 Petres cu-Prahova I B et al.Design of a1W Single Fila-men t Laser D iode.IEICE Trans Electron,1994;E77-C
(9):1472
16 Shu j i Nakamura.GaN-Bas ed Blue/Green Semicond uctor Las er.IEEE J ournal of Selected Topics in Quantum Elec-tronics,1997;3(2):435
17 New s https://www.doczj.com/doc/c617346373.html,pound Semicond uctor Spring,1998;I:10～12
18 Ch en T R.V ery High Pow er InGa As P/In P D is tribu ted Feedback Las ers at1550nm W avelength.Appl Ph ys Lett,1998;72(11):1269
李拴庆 男,高级工程师,1985年毕业于天津大学基础科学系。现从事情报研究工作。发表文章多篇。
(上接第8页)
20 Kevin W,Kobayas hi,Koki A et a l.A M onolithic In teg ra-ted HEM T-HB T S-Band Receiver.Ga As IC Sym posium Digest,1996;197
李和委 女,工程师。1993年河北工业大学工程系半导体材料专业硕士毕业。从事Ga As微波器件及电路的研究工作。现在从事情报研究工作。在国内发表论文数篇。
24半导体情报 第35卷 第6期 1998年12月