基于MATLAB 對激光器在不同腔面結(jié)構(gòu)下的性能分析

蔣 培* 詹小紅

（1、蘇州大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州215000 2、蘇州矩陣光電有限公司，江蘇 張家港215600）

1 概述

大功率半導(dǎo)體激光器具有波長范圍寬，制作簡單，成本低，易于大量生產(chǎn)等特點，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)，引信，激光加工，打印，光存儲，光通訊及激光醫(yī)療等方面，其效率，功率和可靠性也是衡量半導(dǎo)體激光器性能的三個關(guān)鍵性指標(biāo)[1-3]，腔面結(jié)構(gòu)往往決定了這三項指標(biāo)的變化，如鍍鈍化薄膜的器件通過減小表面復(fù)合能有效地防止災(zāi)變性光學(xué)損傷[4]，而轉(zhuǎn)換效率隨著反射率變化也存在最優(yōu)解。但是，轉(zhuǎn)換效率的提升，意味著單位面積出光會更大，小尺寸器件熱效應(yīng)會很明顯，能隙縮小而光的吸收變強(qiáng)，從而又產(chǎn)生更多熱量，熱循環(huán)達(dá)到一定程度鏡面有源區(qū)就會有鼓包缺陷，器件瞬間失效，這就是鏡面常出現(xiàn)的COMD 現(xiàn)象。這種發(fā)生COMD 對應(yīng)的功率隨著工作時間變長會呈現(xiàn)下降的趨勢，當(dāng)這個功率低于工作電流下的功率器件就會發(fā)生失效現(xiàn)象。因此，可靠性從一方面來說取決于這種機(jī)制。

因此分析在脊?fàn)畈▽?dǎo)結(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)上，如何提升功率即增大光功率密度的同時不容易對腔面造成損壞，即減少非輻射復(fù)合引起熱的生成，提升其COMD 功率從而達(dá)到優(yōu)化可靠性的目的，都需要通過改變腔面結(jié)構(gòu)去深入地研究，包括腔面鈍化材料的選取及其作用[5]，高反與低反膜的理論及設(shè)計[6]。

本文通過光學(xué)傳輸矩陣的引入，在理論上指導(dǎo)怎樣設(shè)計腔面結(jié)構(gòu)可以達(dá)到最佳反射率。并在達(dá)到理論上最大輸出功率的同時進(jìn)行相應(yīng)結(jié)構(gòu)下的可靠性探究與分析。

2 基本原理

2.1 反射率優(yōu)化

最后指定高反面反射率為96%，腔長L=500um, 脊寬w=30um,并將參數(shù)代入如上公式，得到對應(yīng)的閾值電流和電光轉(zhuǎn)換效率變化如下：

圖1 閾值電流和電光轉(zhuǎn)換效率隨反射率變化趨勢圖

2.2 腔面結(jié)構(gòu)設(shè)計

高反面具有隨反射率增大工作轉(zhuǎn)換效率也隨之變大的特點，且DBR 結(jié)構(gòu)使得高反射帶寬較大極易優(yōu)化，出光密度低，故不做分析，但由于后腔面厚度較大，還是需要考慮應(yīng)力和附著力方面的問題。而對于低反射面采用如下的基本結(jié)構(gòu)，氧化鋁具有穩(wěn)定性好，相對工藝簡單，重復(fù)性好的特定，與高反射材料組成雙層反射膜具有進(jìn)一步降低反射率，激光波長漂移不會造成太大的反射率誤差，實現(xiàn)更廣范圍可調(diào)性的特點[6]。而鈍化材料選取需要有助于減少表面復(fù)合，提高COMD 功率進(jìn)而提升可靠性，以此為原則設(shè)計膜層厚度不宜太薄，且不含氧元素。因此，設(shè)計了如下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，對應(yīng)基底為有源發(fā)光層：

圖2 低反射腔面結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 隨氧化鋁厚度變化的功率曲線圖

3 分析與討論

在其它層材料及厚度確定的情況下，先通過橢偏儀測得折射率，結(jié)合光學(xué)傳輸矩陣與反射率推導(dǎo)效率的公式，計算發(fā)現(xiàn)隨低反射層（氧化鋁）厚度變化對應(yīng)的出光功率如下呈現(xiàn)周期性變化，可以看到只要避免在極小值點附近取相應(yīng)的厚度外（對應(yīng)AR 反射率接近于0），其它地方改變的幅度并不算大，這是由于功率與閾值電流有對應(yīng)的關(guān)系，反射率接近于0 時閾值電流值也取到了極值，這也反向證明了并非AR 面反射率越低對應(yīng)的出光功率越大，激光需要在腔體內(nèi)來回震蕩才能輻射出更多光子。此外，對比加鈍化層對于器件功率的影響，發(fā)現(xiàn)是否加鈍化層對于器件的最優(yōu)功率基本無影響，這是在工作電流下功率只考慮與腔面反射率有關(guān)時才成立的。（圖3）而針對隨氧化鋁厚度變化功率表現(xiàn)出周期性變化的特點，取反射率相同的兩組結(jié)構(gòu)（對應(yīng)氧化鋁厚度不同），實際上發(fā)現(xiàn)在氧化鋁厚度偏大的結(jié)構(gòu)下，出光功率會比同反射率下對應(yīng)厚度偏小的那種器件要小。而這種吸收大的氧化鋁材料對應(yīng)電場局部強(qiáng)度過大會導(dǎo)致對腔面結(jié)構(gòu)的破壞更加嚴(yán)重，更容易引起永久性光學(xué)損傷，從而對器件可靠性也造成影響。

圖4 相同反射率不同氧化鋁厚度下的光強(qiáng)分布圖

通過高溫快速老化的方式，依據(jù)器件在工作電流下隨時間變化的功率下降趨勢，對比兩種反射率相同，但因氧化鋁厚度不同導(dǎo)致腔面結(jié)構(gòu)不同的器件的可靠性差異，發(fā)現(xiàn)隨厚度增大其COMD 損傷閾值和可靠性都反而在下降。出光功率高，原本應(yīng)對腔面損壞更嚴(yán)重，但可以看到其功率下降更平緩，對應(yīng)的COMD 損傷閾值也更高，這是由于氧化鋁厚度增加以后對應(yīng)的腔面含氧量會增多，在鈍化層相對較薄的情況下氧原子更容易與GaAs 發(fā)生反應(yīng)，非輻射復(fù)合也增多，從而影響激光的輸出特性。因此分析只要取使得輸出功率達(dá)到最佳的最小氧化鋁厚度即可，厚度周期性增大后對腔面損傷更大。

4 結(jié)論

本文基于MATLAB，依據(jù)相應(yīng)的公式做計算推導(dǎo)，首先解釋了為何腔面反射率存在最優(yōu)解以及如何來確定對應(yīng)的最優(yōu)反射率。再通過光學(xué)傳輸矩陣的引入，得到了腔面結(jié)構(gòu)與輸出功率的直接聯(lián)系，而且在保證理論最優(yōu)反射率下通過腔面鍍膜實驗來對比分析不同氧化鋁厚度對器件功率及可靠性的影響，推出性能最優(yōu)化也需要有相應(yīng)的材料厚度并且分析是由于厚度顯著增大引起電場分布不均，表面氧化而使非輻射復(fù)合增多引起性能變化。應(yīng)用這種方法得到了器件性能與腔面結(jié)構(gòu)的基本關(guān)系。