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遂道结吸收损耗及其对新型大功率激光器特性影响的研究

李爽  
【摘要】: 由于半导体激光器具有体积小、阈值电流低、转换效率高、功耗小、电流直 接调制,传输信号速率高、可靠性好、寿命长、辐射波长覆盖范围宽等优点,在 许多领域得到了广泛的应用。特别是大功率半导体激光器由于具有广泛的应用前 景,是目前研究和产业化的热点和焦点。 本论文首先分析了普通结构大功率半导体激光器目前存在的主要问题和限 制,然后详细介绍了沈光地教授提出的新型高效多有源区隧道再生量子阱激光器 的工作机理。并且将新型激光器与普通结构激光器进行对比,对内量子效率、外 微分量子效率、光功率转换效率以及阈值电流密度等特性进行了分析。总结出新 型激光器具有提高量子效率,解决大电流密度下的电热烧毁,通过增大近场光斑 面积来解决灾变性端面损坏并且改善光束质量等优越性。在此基础上归纳了设计 新型激光器时应该注意的两个主要问题。 通过对已经制备的新型激光器的特性进行测量和分析,验证了沈光地教授提 出的多有源区隧道再生激光器的机理,获得了量子效率大于1的多有源区隧道再 生激光器。 根据实验结果,我们提出了GaAs隧道结对980nm光吸收损耗大是新型激光 器难以实现基模激射的主要原因的观点。在此基础上,通过对隧道结中可能存在 的吸收损耗机制进行全面的分析,定性地确定了造成隧道结严重的吸收损耗两种 机制:在隧道结的未耗尽区中由于很高的自由载流子浓度造成的带内跃迁吸收损 耗;在隧道结的耗尽区中(主要是在隧道结的界面附近)由于很强的自建电场和 重掺杂形成的带尾导致带隙收缩引起的严重的带间跃迁吸收损耗。接着使用双光 束红外分光光度计测量了重掺杂GaAs材料在带边以下及附近波段的吸收系数,根 据实验数据拟和出在GaAs材料中980nm光吸收系数与自由载流子浓度的关系, 并且利用经验公式估算了隧道结耗尽区中吸收系数的大小。为进一步优化设计吸 收损耗小的的隧道结奠定了基础。 根据对隧道结中吸收损耗的分析、估算和实验测量的结果,我们对隧道结进 行了优化设计,得到了对于980nm光吸收损耗小的Al_xGa_(1-x)As隧道结,并且利用 这种隧道结设计制备了三有源区隧道再生量子阱激光器,实现了基模激射。


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