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新型多有源区隧道级联耦合大光腔半导体激光器的优化设计

崔碧峰  
【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,针对这些限制,介绍了沈光地教授提出的新型高效多有源区隧道再生耦合 量子阱激光器的工作机理。分析了新型器件的内量子效率,斜率效率,功率转 化效率以及阈值电流密度等特性。总结出新型激光器具有提高量子效率,通过 增大近场光斑面积来解决灾变性端面毁坏并且改善光束质量等优越性。 通过对已经制备的新型激光器的特性进行了测量和分析,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 隧道级联再生激光器。在此基础上,归纳了新型激光器面临的两个问题:隧道 结吸收损耗抑制了基模激射和严重的电流扩展提高了阈值电流降低了斜率效 率。 根据实验结果,对隧道结中的吸收损耗机制进行了分析,定性地确定了造 成严重的吸收损耗的两种机制: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的带隙收缩引起的强场吸收。 并参与设计了Al_(01)Ga_(09)As薄层隧道结,优化设计了波导结构,得到了基模激射 的大光腔激光器,等效光斑宽度为0.71μm,垂直发散角达到了17°。 同时我们在后工艺中也有创新,采用双面条形电极结构,使电流扩展得到 了很好的抑制,使在2A工作电流下,器件输出功率比单面条形电极结构提高 25%。对于四有源区隧道级联再生半导体激光器,采用双面条形电极结构,在2A 电流下得到了近5W的功率输出。使双面条形电极结构的多有源区隧道级联再 生激光器件的阈值电流降低,斜率效率和功率转换效率均有提高,充分体现了 新型器件的优越性。


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