808nm大功率半导体激光器腔面膜优化设计

推导出半导体激光器前腔面和后腔面上的入射激光功率之比,阐述了后腔面膜电场强度优化设计的重要性。从实际问题出发在以往腔面膜的研制基础上,选择适合制备808 nm 大功率半导体激光器腔面的镀膜材料。给出了镀制腔面膜过程中会出现的种种关键问题的解决方法,针对各种具体应用提出几种前腔面设计方案。得到后腔面电场强度优化设计的膜系。

SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICS　Vol.28No.6Dec.2007

光电器件

808nm大功率半导体激光器腔面膜优化设计

套格套,路国光,尧　舜,宁永强,刘　云,王立军

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激发态物理重点实验室,吉林长春摘　要:　强度优化设计的重要性。,808nm大功,。

;;腔面膜:TN365　文献标识码:A　文章编号:1001-5868(2007)06-0778-03

OptimizedDesignofCavityFacetCoatingsof808nmHighPowerSemiconductorLaser

TAOGe2tao,LUGuo2guang,YAOShun,NINGYong2qiang,LIUYun,WANGLi2jun

(KeyLaboratoryofExcitedStateProcesses,ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,CHN)

Abstract:　Theincidentpowerratiooffrontandbackcavityfacetcoatingswasdeduced,andtheimportanceinoptimizeddesigningofelectricfieldintensity(EFI)distributionofbackcavityfacetcoatingsfor808nmhighpowersemiconductorlaserwasexplained.Basedontheexperimentalfabricationofcavityfacetcoatings,optimizedcoatingsofbackcavityfacetaregiventhroughchoosingproperstartingmaterials.Severalmethodsofsolvingkeyproblemsinthefabricationofcavityfacetcoatingarediscussed,andseveraldesigningmethodsoffrontcavitysurfacecoatingareprovided,thusbackcavityfacetcoatingsofwhichelectricfieldintensitybeingoptimizedlydesignedareobtained.

Keywords:　highpowersemiconductorlaser;optimizedelectricfieldintensitydesigning;cavityfacetcoatings

1　引言

808nm大功率半导体激光器是以GaAs晶体

功率密度要求高的腔面膜损伤阈值。人们就不同波长激光对光学薄膜的损伤机制进行了广泛的研究,研究表明光学薄膜的激光破坏机制有[2,3]:激光光电场导致的绝缘破坏、多光子吸收引起的电离、薄膜材料杂质吸收破坏等。还有人认为薄膜微观结构缺陷引起的散射也会导致激光损伤。通常认为介质薄膜在其透明区域是不吸收的,因为它们的吸收小到微乎其微的程度。然而在激光反射镜中,即使是如此少量的吸收也是不能忽略的[1]。研究还表明,红外波段连续波激光对膜系的损伤主要为热损伤[7],而热源来自于薄膜系统的热吸收。要制作损伤阈值高的腔面膜离不开以下几个方面:一是掌握各种光

的自然解理面〈110〉作为谐振腔。这种谐振腔一般以前腔面镀增透膜后腔面镀高反膜而形成的一种非对称结构。其中后腔面通过镀高反膜减小激光损耗实现了激光器单面出光,有一定反射率的前腔面增透膜保证激光增益的同时也起到激光输出窗口作用。808nm大功率半导体激光器一般采用出光窗口光功率密度很高的边发射条形器件结构。高的光

收稿日期:2007-03-26.　

基金项目:吉林省科技厅重点资助项目;中科院创新重大项目.

推导出半导体激光器前腔面和后腔面上的入射激光功率之比,阐述了后腔面膜电场强度优化设计的重要性。从实际问题出发在以往腔面膜的研制基础上,选择适合制备808 nm 大功率半导体激光器腔面的镀膜材料。给出了镀制腔面膜过程中会出现的种种关键问题的解决方法,针对各种具体应用提出几种前腔面设计方案。得到后腔面电场强度优化设计的膜系。

《半导体光电》2007年12月第28卷第6期套格套等:　808nm大功率半导体激光器腔面膜优化设计

学材料的蒸发特性、沉积特性,以及其成膜后的特性等;二是运用适当的辅助工具通过镀膜工艺来实现;三是通过光学膜的厚度优化设计来提高膜系损伤阈值的方法。因为各种材料的抗损伤阈值都不同,一般高折射率材料的吸收系数比低折射率材料高1～2个数量级,所以我们通过膜系厚度优化设计来减小吸收系数大(高折射率材料)的膜层的电场分布[1]。这样可以达到提高膜系损伤阈值的目的,也是避免大功率半导体激光器的灾变性光学损伤[6]的有效方法。

3　电场强度计算理论基础[8,9]

反射镜中各膜层内的吸收、散射损耗与光强在各膜层内的分布密切相关。当两列振幅相同的相干波以相反方向传播时便产生驻波。反射镜膜层中的入射波和反射波正好能满足驻波条件,于是形成驻波场。我们要计算的标准化平方电场强度为

N=+2

|E02

(3)

2　理论分析

:

=P21-R2

2

(1)

,E(z),E0+为入。icosβjqisinii

Mi=

jqisinβcosβii

-1

βπλ式中,cos

θi是相位厚度:βi=2inihi,其中λi、ni、hi和θ折射率、矩阵厚度和折i分别为真空波长、

射角。垂直入射时的参数qi为:qi=ni。这时L层膜的矩阵乘积为

l

m11jm12

式中,P1、P2分别为前腔面和后腔面的出射激光功率;R1、R2分别为前腔面和后腔面的反射率。对半导体激光器而言研究前后腔面上的入射光功率相对于出射功率显得更加重要。入射光功率直接反映前后腔面膜的损伤阈值的大小。如果推导出前后腔面上的入射光功率之比,通过测量半导体激光器的出光功率可以确定前后腔面的入射光功率的大小。假设P11、P22为前腔面和后腔面上的入射光功率。容易得到:P1=P11(1-R1);P2=P22(1-R2)。把这两式带入式(1)得到

=P22

1

(2)

M=

i=1

7

Mi=

jm21m22

式(3)的分母可以从下边线性方程组算出

+-+E0+E0=[m11+jm12qs]Es+-+E0-E0=[jm21/q0+m22qs/q0]Es

-式中,E0+、E0分别代表入射界面的入射光和反射光的电场强度;Es+代表基底内入射光的电场强度;q0、qs分别是基底和入射介质的修正导纳。

|E0|

+2

=

0.25

[(m11+m22qs/q0)2+(m21/q0+m12

qs)2]|Es|2

假设R2=90%,R1=10%,得到P11/P22=3。图1为大功率半导体激光器谐振腔示意图。在多数情况

下后腔面和前腔面的反射率比值都比较大,所以出光功率比值比我们假设的还要大,永久性光学损伤一般发生在前腔面上。虽然这样,后腔面膜的层数多而远比前腔面厚,而且应力以及附着力方面的问题比较突出。为了在更广的范围之内选取合适的镀膜材料,同时提高前后腔面的抗激光损伤阈值,后腔面的电场强度优化设计是很有必要的。

它适合于垂直入射和TE偏振模式。第一层膜中距离薄膜入射介面下Δh处的逆矩阵为

m′jm1112

jm′21m22

=

βcosΔβ-jq1sinΔ

-1

jq1sinΔ

βcosΔ

β是增加部分的相位厚度:Δβ=式中,Δ

Δ

hcosθπn1/λ。该点电场强度的平方12

|E|

2

=[(m″

11)

2

22

+(qsm″12)]|Es|

其中,

m″jm1112

jm″21m22

=

m′jm1112

jm′21m22

m11jm12

m22

jm21

4　腔面膜优化设计方案

优化设计有两种方案:其一是从材料的晶格常

数或机械性能匹配角度考虑,选择一个跟衬底结合比较好的材料。本文选择Al2O3代替SiO2作为跟衬底接触的第一层材料,从而达到提高附着力、提高损

图1　谐振腔示意图

推导出半导体激光器前腔面和后腔面上的入射激光功率之比,阐述了后腔面膜电场强度优化设计的重要性。从实际问题出发在以往腔面膜的研制基础上,选择适合制备808 nm 大功率半导体激光器腔面的镀膜材料。给出了镀制腔面膜过程中会出现的种种关键问题的解决方法,针对各种具体应用提出几种前腔面设计方案。得到后腔面电场强度优化设计的膜系。

伤阈值的目的。前腔面采用Al2O3单层膜或Al2O3+SiO2两层膜系,透过率值设定以后Al2O3单层膜厚度有两种选择。Al2O3+SiO2两层膜中的Al2O3薄层(厚度仅仅20nm)起到提高附着力,解决衬底和SiO2之间结合不牢固的问题;其二是从电场强度优化设计的角度考虑,优化设计每一层膜厚,使电场强度相对均衡地分布在每层膜上,从而避免因吸收大的材料局部电场强度过高引起的永久性光学损伤。这种优化设计只用在后腔面膜上。后腔面电场强度优化设计之前应该考虑的问题是选择适当的高低折射率材料。达到预设反射率,层之内,,不利于提高损伤阈值。,采用HfO2和SiO2作为高低折射率材料。一般高折射率材料的吸收比低折射率材料的吸收大很多。所以把高折射率材料上的电场强度尽量调低是主要设计目的。膜系中采用的材料以及代号为:H:HfO2,L:SiO2,m:Al2O3,S:Substrate,M:Air。前腔面三种膜系分别为:S/m(78.5nm)/M(图2中的曲线A);S/m(164.9nm)/M(图2中的曲线B);S/m(20nm)+L(161.2nm)/M(图2中的曲线C)。前腔面设计反射率为12%。后腔面初始膜系以及电场强度优化后的膜系

以后808nm处的反射率略低了点,但96%的反射率已经足够了。后腔面膜的总厚度比前腔面厚很多,同样挨着衬底的第一层膜的附着显得很关键。这样电场强度优化设计显得极其重要

。

分别为:S/m+(HL)×7+H/M;S/0.57m+0.75H+1.43L+0.78H+1.47L+(HL)×5+H/M(如图3和图4);其中没有标注厚度的材料代号的厚度均为四分之一波长。后腔面膜优化设计前后的反射率设计值为97.9%和96%(如图5)。其中采用几种材料的折射率分别为:H:1.89;m:1166;L:1.45。相对于电子枪镀制的Al2O3膜的折

射率,本研究中的Al2O3材料的折射率值偏高一些,这与作者在文献[4,5]上得出的结论一致:磁控溅射方法采用适当工艺制备的Al2O3膜,无论是附着力还是损伤阈值等方面都优于普通电子枪蒸镀的Al2O3膜。而磁控溅射方法镀制的Al2O3薄膜折射率相

对高于普通电子枪蒸镀的Al2O3膜。前腔面三种设计曲线表明在第一层膜的材料已经确定的情况下可以通过厚度优化设计或加镀一层SiO2膜来达到设定的反射率值。其中腔面预处理和镀第一层膜的工艺最关键。比较图3和图4可以看到,优化设计后电场强度分布明显得到改善。从图5看到优化设计

(下转第784页)

推导出半导体激光器前腔面和后腔面上的入射激光功率之比,阐述了后腔面膜电场强度优化设计的重要性。从实际问题出发在以往腔面膜的研制基础上,选择适合制备808 nm 大功率半导体激光器腔面的镀膜材料。给出了镀制腔面膜过程中会出现的种种关键问题的解决方法,针对各种具体应用提出几种前腔面设计方案。得到后腔面电场强度优化设计的膜系。

[7]　VenusG,SevianA,

SmirnovV,etal.

High2

小,易于系统集成。参考文献:

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[9]　WesslingC,TraubM,D,etal.Dense

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],V,MelnikE.Performance

ofhigh2powerlaserdiodesandarraysbyuseofvolumeBragggratingtechnology[J].Proc.SPIE,2005,5711:1852188.

作者简介:

康治军(1980-),男,硕士研究生,主要从事大功率半导体激光技术及其应用的研究。E2mail:kzjun1221@

宽特性研究[J].半导体学报,1995,16(12):8852889.

(上接第780页)

[J]. - 研究,1996,24(1):61273.

[4]　套格套,尧　舜.808nm大功率半导体激光器腔面膜

5　结论

推导出半导体激光器前腔面和后腔面上的入射

激光功率之比,阐述了后腔面膜电场强度优化设计的重要性。从实际问题出发在以往腔面膜的研制基础上,选择适合制备808nm大功率半导体激光器腔面的镀膜材料。论述镀制腔面膜过程中会出现的种种关键问题的解决方法、针对具体应用提出几种前腔面设计方案,得到后腔面电场强度优化设计的膜系。参考文献:

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作者简介:

套格套(1974-),男,内蒙古赤峰市人,博士研

究生,研究方向为大功率半导体激光器。E2mail:taogt1122@

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ttu4.html