基横模表面光栅半导体激光器关键技术研究

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分布反馈(DFB)半导体激光器因其良好的纵模选择特性在多个领域得到了广泛应用。由于无需二次外延工艺,相比于内置光栅激光器件,脊表面光栅DFB半导体激光器的制作工艺得到了显著简化。相较于目前研究较多的低阶脊表面光栅,高阶脊表面光栅则可以进一步降低DFB半导体激光器件的制作工艺。DFB半导体激光器通常通过缩窄脊波导宽度保证输出激光的横模特性,但随之而来的是器件输出功率的降低。近年来的研究表明损耗剪裁技术可以有效地改善高功率半导体激光的横模特性,然而目前却少见有关脊表面光栅DFB半导体激光器损耗剪裁技术的研究报道。本论文围绕高阶脊表面光栅DFB半导体激光器的损耗剪裁技术开展研究,探究了波导侧向微结构高阶横模抑制机理,提出了一种具有波导侧向微结构的高阶脊表面光栅DFB半导体激光器件,并开展了器件制备工艺研究。具体研究内容包括:(1)基于光栅反馈理论,分析了高阶脊表面光栅的纵模滤波特性,讨论了光栅周期等结构参数对光栅反馈特性的影响;仿真研究了基于波导侧向微结构的损耗剪裁技术,探究了波导侧向微结构的高阶横模抑制机理,分析了波导侧向微结构对激光器件横模特性的影响。(2)围绕具有侧向微结构的高阶脊表面光栅DFB半导体激光器开展研究。基于高阶脊表面光栅的纵模滤波特性和波导侧向微结构的高阶横模抑制机理,提出一种侧向微结构表面光栅DFB半导体激光器件(LMS-DFB),优化设计激光器件的外延结构及各项器件结构参数。(3)开展LMS-DFB器件的制备研究。基于紫外光刻工艺完成了器件微结构波导和脊表面光栅结构的制作,获得光栅周期为10μm的LMS-DFB激光器件样品;测试结果表明,相比于宽脊波导激光器件,LMS-DFB器件在保持约为350 m W输出功率不变的情况下,有效地消除了远场光斑的分瓣现象,改善了器件的横模特性;此外,LMS-DFB器件的光谱半高全宽由1 nm降低至0.2 nm。(4)围绕基于掩埋金属掩膜的侧向微结构高阶脊表面光栅DFB激光器件制作工艺开展研究。进一步优化LMS-DFB器件结构,针对器件制作工艺中遇到的问题,优化了器件制作工艺;预先制作光栅的Ni-Au硬掩膜,在形成脊波导表面的电极窗口后完成光栅刻蚀,制作获得激光器件样品;与常规工艺制备的激光器件相比,该激光器件光谱半高线宽由46 pm降低至35 pm,波长温漂移系数由0.4 nm/℃下降至0.18 nm/℃,在输入电流为1 A时两个器件的输出功率均约为240 m W,并获得了良好的光束质量。
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