宽条型二阶金属光栅分布反馈半导体激光器的研制

论文摘要

近年来，高功率宽条型半导体激光器越来越广泛地应用于工业、医疗、军事、泵浦、信息处理、光频转换、相控阵雷达以及自由空间光通信等领域，尤其被用作固体激光器、光纤激光器和光纤放大器的泵浦源。这些应用要求半导体激光器具有功率高、光束发散角小、光谱线宽窄以及波长稳定性高等性能，并且对这些性能的要求越来越高。然而宽条型半导体激光器存在多模激射、光谱线宽宽（23nm）、波长稳定性差（温漂系数0.20.3nm/℃）、光束发散角大且具有空间取向性等问题，这严重限制了宽条型半导体激光器的许多直接应用。因此，如何压窄光谱线宽、稳定输出波长、减小光束发散角、提高光束质量和光谱特性就成为高功率宽条型半导体激光器的一个亟需解决的重点问题。本论文将二阶金属光栅引入到宽条型半导体激光器的盖层或P包层，结合宽条型半导体激光器和分布反馈半导体激光器各自的优势，利用二阶光栅特殊的衍射效应，研制宽条型二阶金属光栅分布反馈边发射半导体激光器（DFB-LD）和面发射半导体激光器（SEDFB-LD），以获得稳定单模激射的高功率、小远场发散角、窄光谱线宽、高光束质量、高波长稳定性的激光输出，以满足众多领域对高功率、高光束质量激光的需求。本文的主要研究内容和创新性成果如下：1.系统介绍了分布反馈半导体激光器（DFB-LD）的基本原理，宽条型半导体激光器的原理以及宽条型二阶金属光栅分布反馈半导体激光器（DFB-LD）和面发射半导体激光器（SEDFB-LD）的基本原理和基本组成，分析了二阶金属光栅的分布反馈理论和衍射效应，以及金属表面等离子体增强效应和P面电极的反射作用。2.系统介绍了目前制作金属-半导体光栅常用的方法，包括电子束光刻（EBL）、全息光刻、纳米压印、离子束光刻（IBL）等光栅光刻技术以及包括湿法和干法刻蚀光栅的刻蚀技术。3.采用激射波长为940nm IQE边发射芯片进行试验，对芯片结构和器件结构进行了优化设计，结合全息光栅制作工艺，对半导体激光器制作工艺进行了设计和调整，首次成功制作了940nm表面二阶金属光栅分布反馈半导体激光器。在室温连续不加任何温控装置下，未镀腔面膜器件成功实现了400mW（1.5ACW）高功率，光谱线宽仅0.5nm，水平远场发散角仅2.7o的激光输出，稳定单纵模激射，波长随电流的变化仅4.2nm/A（CW）,光束质量和光谱特性大大提高。在室温脉冲条件下，注入电流2.28A时，单面输出功率大于600mW，光电转换效率大于11%。4.对激射波长为980nm的宽条型二阶金属光栅SEDFB-LD进行了芯片结构及器件结构的优化设计和芯片材料生长。5.优化设计出一套完整的宽条型二阶金属光栅DFB-LD和SEDFB-LD的制作工艺，并首次制作激射波长为980nm的宽条型二阶金属光栅DFB-LD和SEDFB-LD。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 分布反馈半导体激光器（DFB-LD）简介
• 1.2 二阶金属光栅 DFB-LD 和 SEDFB-LD 发展概述
• 1.3 宽条型二阶金属光栅 DFB-LD 和 SEDFB-LD 研究意义
• 1.4 本论文研究工作
• 第2章 宽条型二阶金属光栅 DFB-LD 和 SEDFB-LD 基本原理
• 2.1 宽条型半导体激光器基本原理
• 2.2 宽条型二阶金属光栅 DFB-LD 和 SEDFB-LD 基本原理
• 2.3 二阶金属光栅工作原理
• 2.4 金属光栅表面等离子体增强效应及电极反射作用
• 2.5 本章小结
• 第3章 二阶金属光栅制备方法
• 3.1 光栅光刻技术
• 3.2 光栅刻蚀技术
• 3.3 本章小结
• 第4章 940nm 宽条型二阶金属光栅 DFB-LD 试验
• 4.1 940nm 宽条型二阶金属光栅 DFB-LD 结构分析
• 4.2 940nm 宽条型二阶金属光栅 DFB-LD 器件制作
• 4.3 940nm 宽条型二阶金属光栅 DFB-LD 性能测试与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 980nm 宽条型二阶金属光栅 SEDFB-LD 研究
• 5.1 SEDFB-LD 芯片结构设计与生长
• 5.2 980nm 宽条型二阶金属光栅 SEDFB-LD 器件制作
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 本文创新点
• 6.3 研究方向展望及意见
• 参考文献
• 在学期间学术成果情况
• 指导教师及作者简介
• 致谢