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《中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)》 2010年
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大功率半导体激光器结构研究

梁雪梅  
【摘要】: 大功率半导体激光器在军事、工业和医疗等应用领域中是至关重要的,所以大量的工作已经投入到的大功率半导体激光器的结构设计和性能优化研究当中,以便使器件可以尽量满足高光束质量、高效率、低损耗、高可靠性和小体积等各项条件。本论文所研究的大功率半导体激光器结构主要包括光抽运垂直外腔面发射激光器、边发射二极管激光器、垂直腔面发射激光器和垂直腔光放大器。具体研究内容如下: 1)介绍了的LASTIP和PICS3D软件的理论基础,计算模型和模拟技巧。讨论了导致计算终止不收敛现象产生的原因,并提出了相应的解决办法,提高了计算模拟的效率和成功率。 2)应用PICS3D软件,分析了920nm光抽运垂直外腔面发射激光器结构参数,在国内首次设计出920nm光抽运半导体垂直外腔面发射激光器3QWs结构,使主模式振荡由1QW时的18.57dB显著提高了62.24dB;并在结构中引入非吸收层,抑制了载流子的热溢出,进一步降低内部损耗,提高转换效率。这对于器件结构的优化和性能的提高有重要的指导意义。 3)针对808 nm边发射二极管激光器的温度敏感性,利用LASTIP软件计算了不同结构器件的特征温度,并进行了实验测试。当单量子阱的厚度不变时,波导层越厚,光传播的路程越长,光增益和内部损耗都会不同程度的增加,阈值电流和特征温度都会随之呈现非线性的变化。波导层厚度与特征温度这种非线性的关系,对于器件的优化,特别是高特征温度器件的结构设计意义重大。 4)使用PICS3D软件计算了980nm垂直腔面发射激光器的特征温度。通过实验分析了当温度发生变化时,器件特性所发生的改变。当980nm VCSEL在某一温度附近工作时,阈值电流最小,功率较高,转换效率最高,波长温漂最小,光谱半宽最小,这就是器件实际的特征温度,实验结果很好的验证了理论计算结果。这为控制实验温度条件从而获得大功率输出,提供了理论依据。 5)对于反射式的970 nm宽面积垂直腔半导体光放大器的增益和带宽特性进行了实验研究和分析。当注入电流为57%阈值电流、信号输入功率为0.7 W,取得了24.8 dB的放大,测得的放大器的带宽为0.14 nm即25 GHz。这种宽面积垂直腔光放大器不仅可以提高增益,而且还能提高信号光的饱和输入功率。相关的实验研究,国内未见报道。 增益和带宽之间是相互制约的,为了获得大的带宽,需要适当降低增益。将目前的99.3%的反射率降低到93%时,增益为16.3 dB,带宽为80 GHz。对顶部DBR的反射率进行优化,可以获得高的增益带宽积。
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