980 nm大功率半導(dǎo)體激光器增透膜的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制備

王曉玲，崔碧峰，蘇道軍，張 松，李佳莼，凌小涵，王 勛

(北京工業(yè)大學(xué)光電子技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100022)

1 引言

目前國(guó)際上高亮度、大功率的980 nm半導(dǎo)體激光器主要作為泵浦源被廣泛應(yīng)用于摻鉺光纖放大器等通信領(lǐng)域以及醫(yī)療、加工和軍事等領(lǐng)域中。為了實(shí)現(xiàn)激光器的高功率輸出，一般在半導(dǎo)體激光器腔面一端鍍以增透膜來(lái)消除和減小表面的反射光［1］;此外，在腔面進(jìn)行鍍膜也起到了保護(hù)腔面的作用，通過(guò)提高半導(dǎo)體激光器的COD閾值，延長(zhǎng)了器件的壽命。位于激光器前腔面的增透膜反射率越低，輸出光功率越高，但反射率低會(huì)導(dǎo)致閾值電流增高，導(dǎo)致電光轉(zhuǎn)換效率降低，所以一般鍍以特定反射率防止閾值電流過(guò)高［2］。

我們選擇設(shè)計(jì)和制備980 nm處達(dá)到特定反射率的增透膜系，為了確定前后腔面的最佳反射率系數(shù)，利用最佳工作點(diǎn)隨著和端面反射率相關(guān)的閾值電流等參數(shù)的變化規(guī)律來(lái)進(jìn)行推導(dǎo)，然后設(shè)計(jì)膜系并在前后腔面進(jìn)行鍍制，使鍍制的半導(dǎo)體激光器適合更大的電流下工作。

2 最佳工作點(diǎn)

半導(dǎo)體激光器的最佳工作點(diǎn)是功率轉(zhuǎn)換效率最大的點(diǎn)，其中功率轉(zhuǎn)換效率ηp具有以下關(guān)系式:

其中，Pem為激光器輻射的光功率，即輸出功率;P0為激光器所消耗的電功率，即輸入功率，它們的表達(dá)式分別為:

式中，VA為器件的開(kāi)啟電壓，對(duì)于980 nm半導(dǎo)體激光器，VA為1.27 V;Rs為器件的串聯(lián)電阻;Ith為器件的閾值電流。

根據(jù)上述公式，模擬出不同閾值電流下(0.6～1.0 A)的功率轉(zhuǎn)換效率隨輸入電流的變化曲線，如圖1所示。

圖1 不同閾值電流下的轉(zhuǎn)換效率－電流模擬曲線Fig.1 Simulated transfer efficiency－current curve of different threshold current

從圖1可以看出，半導(dǎo)體激光器的閾值電流越大，其工作到最佳工作點(diǎn)時(shí)具有更大的輸入電流，即半導(dǎo)體激光器的最佳工作點(diǎn)隨閾值電流的增大而右移，根據(jù)閾值電流的表征公式:

其中，閾值電流與前后腔面反射率R1·R2成反比，為了使最終鍍膜后的半導(dǎo)體激光器更適合在大功率下工作，選擇增透膜反射率RAR分別為8%、5% 和2%，高反膜反射率RHR均為90%的腔面膜系進(jìn)行制備。在能夠獲得穩(wěn)定的后腔面高反膜反射率的前提下，主要對(duì)鍍制在前腔面的三種增透膜進(jìn)行詳細(xì)膜系設(shè)計(jì)和鍍制后的反射率測(cè)試。

3 薄膜的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

設(shè)計(jì)中選擇GaAs和Si兩種材料分別作為襯底進(jìn)行模擬，這兩種材料都有很高的折射率，其中GaAs是常用的半導(dǎo)體激光器出光面材料。對(duì)于鍍制在后腔面的高反膜，因?yàn)槠鋵訑?shù)較多，反射率曲線中心波長(zhǎng)所處的波峰較寬，經(jīng)過(guò)多次模擬和實(shí)驗(yàn)，目前基本可以使鍍制的高反膜反射率穩(wěn)定在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，所以這里只考慮增透膜的反射率數(shù)值設(shè)計(jì)。

3.1 鍍膜材料的選取

為了獲得性質(zhì)穩(wěn)定、高致密性且高激光損傷閾值的光學(xué)薄膜，需要考慮膜料的一些性質(zhì)，包括膜料的純度、光學(xué)機(jī)械特性、化學(xué)特性等，從而選擇出合適的膜料以及匹配的蒸發(fā)技術(shù)［3］。實(shí)驗(yàn)中選用SiO2和Al2O3作為增透膜材料［4］，其中制備增透膜選用的Al2O3是一種非常穩(wěn)定的膜料，它的結(jié)構(gòu)和成分就算在頻繁的設(shè)備集成過(guò)程中也不會(huì)產(chǎn)生明顯的變化［5－6］，此外它也具有好的重復(fù)性及簡(jiǎn)單的制備工藝。

3.2 特定反射率膜系的設(shè)計(jì)

目前己有很多不同類型的增透膜，滿足了技術(shù)光學(xué)、激光光學(xué)等領(lǐng)域的需要。根據(jù)膜的層數(shù)不同可分為單層、雙層以及多層增透膜［7］。

首先選擇設(shè)計(jì)980 nm波長(zhǎng)處反射率達(dá)2%的單層增透膜。模擬出中心波長(zhǎng)下的反射率曲線，反射率曲線在中心波長(zhǎng)處有最小值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的Al2O3厚度既為中心波長(zhǎng)的1/4 λ光學(xué)厚度。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)Al2O3的厚度進(jìn)行調(diào)整，使中心波長(zhǎng)發(fā)生改變，從而在特定波長(zhǎng)處達(dá)到所需的反射率系數(shù)［8］。設(shè)計(jì)出來(lái)的980 nm波長(zhǎng)處反射率達(dá)2%的單層增透膜其相關(guān)參數(shù)如表1所示，表中反射率根據(jù)襯底不同而變化。

表1 RAR=2%的單層增透膜設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of RAR=2%monolayer AR－coating

與單層膜相比，多層膜的反射率曲線具有更大的帶寬，當(dāng)中心波長(zhǎng)產(chǎn)生偏移時(shí)不會(huì)造成太大的反射率誤差。分別設(shè)計(jì)980 nm處反射率達(dá)5%及8%的雙層增透膜，材料為Al2O3和SiO2。同樣通過(guò)調(diào)整材料膜厚，使反射率曲線在特定波長(zhǎng)處接近于設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出來(lái)的980 nm波長(zhǎng)處反射率達(dá)5%與8%的雙層增透膜膜系分別為:

膜系中，H為高折射率材料Al2O3;L為低折射率材料SiO2，這兩種材料在中心波長(zhǎng)980 nm處設(shè)定的厚度及對(duì)應(yīng)的反射率如表2所示，表中反射率根據(jù)襯底不同而變化。

表2 雙層增透膜設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design parameters of double－layer AR －coating

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 實(shí) 驗(yàn)

我們用的鍍膜設(shè)備為Denton Vacuum的Infinity26真空鍍膜機(jī)，鍍膜機(jī)中包括冷陰極離子源及石英晶振監(jiān)控系統(tǒng)，薄膜鍍制采用離子輔助電子束蒸發(fā)技術(shù)，全程由與鍍膜機(jī)連接的計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控與操作。為了方便對(duì)薄膜的參數(shù)和厚度進(jìn)行修正，選擇了各方面性能與激光器解理面比較接近的單晶硅襯底做陪片。

按照上述設(shè)計(jì)的膜系結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，薄膜鍍制前開(kāi)電子槍對(duì)鍍膜材料進(jìn)行充分的預(yù)熔，鍍制過(guò)程中SiO2用O2及Ar作為離子源的工作氣體，Al2O3則用O2作為離子源的工作氣體，O2離子注入可提高薄膜化學(xué)計(jì)量比，減少失氧，獲得具有更低吸收的薄膜［9－11］，Ar離子注入輔助鍍膜，增加了膜層的牢固度。用離子源產(chǎn)生的離子束對(duì)基片進(jìn)行轟擊，高能轟擊增加了薄膜致密度從而增加光譜穩(wěn)定性［12］。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取下實(shí)驗(yàn)片，用分光光度計(jì)或橢偏儀進(jìn)行測(cè)試。

4.2 結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)了980 nm波長(zhǎng)的2%特定反射率單層增透膜及5%、8%反射率的雙層增透膜，這三種增透膜對(duì)應(yīng)在Si襯底上的反射率設(shè)計(jì)值分別為3.34%、5.99%及10.04%，應(yīng)用分光光度計(jì)分別測(cè)試了薄膜的反射率曲線，之后與模擬的增透膜反射率曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 RAR=2%的單層增透膜的波長(zhǎng)－反射率對(duì)比曲線Fig.2 reflectivity － wavelength contrastive curve ofRAR=2%monolayer AR Coating

圖3 不同反射率雙層增透膜的波長(zhǎng)－反射率對(duì)比曲線Fig.3 reflectivity － wavelength contrastive curve of RAR=5%double layer AR Coating and RAR=8%double layer AR Coating

表3列出了軟件模擬出的980 nm波長(zhǎng)處三種特定反射率的增透膜的設(shè)定膜厚、對(duì)應(yīng)的反射率曲線的中心波長(zhǎng)，以及實(shí)際鍍制的增透膜的中心波長(zhǎng)λ'中心波長(zhǎng)和 980 nm 處的實(shí)際反射率系數(shù) R'特定。從表中可以看出，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的三種增透膜的反射率曲線中心波長(zhǎng)均略向右偏移，導(dǎo)致980 nm處實(shí)際測(cè)得的反射率與設(shè)計(jì)的反射率值存在偏差，但誤差不大，由此可以得出實(shí)際鍍制的激光器出光面增透膜基本可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表3 特定反射率增透膜實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results of AR － coating with specific reflectivity

5 測(cè)試結(jié)果

將未鍍膜和進(jìn)行薄膜鍍制后的激光器管芯分別進(jìn)行封裝、測(cè)試，它們的P－I特性曲線如圖4所示，轉(zhuǎn)換效率與輸入電流之間的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖4 不同腔面膜系半導(dǎo)體激光器P－I曲線Fig.4 Power－ current curve of LDs with different AR coatings

圖5 不同腔面膜系半導(dǎo)體激光器及轉(zhuǎn)換效率－電流曲線示意圖Fig.5 Conversion efficiency －current curve of LDs with different AR coatings

由圖4可以看出，進(jìn)行腔面鍍膜的半導(dǎo)體激光器與未鍍膜的激光器相比，其功率隨著輸入電流的增加有著明顯提高:在輸入電流為15 A處，前腔面分別進(jìn)行R=8%、R=5%及R=2%鍍膜處理以及后腔面均進(jìn)行R=90%鍍膜處理的激光器其輸出功率分別提高了37.35%、39.65%及41.18%。

由圖5可以看出，進(jìn)行腔面鍍膜的半導(dǎo)體激光器其轉(zhuǎn)換效率也有明顯的提高:沒(méi)有腔面鍍膜的半導(dǎo)體激光器在最佳工作點(diǎn)處的轉(zhuǎn)換效率僅為37.62%，對(duì)于后腔面均鍍制R=90%高反膜，前出光腔面分別鍍制R=8%、R=5%及R=2%增透膜的三種半導(dǎo)體激光器，它們?cè)谧罴压ぷ鼽c(diǎn)處的轉(zhuǎn)換效率分別可達(dá)到 62.95%、63.75% 及 65.06%;這三種膜系的半導(dǎo)體激光器達(dá)最佳工作點(diǎn)時(shí)的輸入電流分別約為4.8 A、6 A及7 A，因此可以看出增透膜反射率系數(shù)最低的激光器工作到最佳工作點(diǎn)時(shí)具有更大的輸入電流。

6 結(jié)論

對(duì)于980 nm大功率半導(dǎo)體激光器，提出了最佳工作點(diǎn)隨著和端面反射率相關(guān)的閾值電流等參數(shù)的變化規(guī)律。為了驗(yàn)證這一關(guān)系，方便以后腔面反射率膜系的選擇，在能夠獲得穩(wěn)定的高反膜反射率的前提下，設(shè)計(jì)并制備了高反膜反射率為90%且增透膜反射率系數(shù)分別為2%、5%及8%的三種腔面膜膜系，之后對(duì)鍍膜機(jī)蒸鍍的增透膜進(jìn)行了反射率測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

對(duì)激光器管芯進(jìn)行封裝和發(fā)光性能測(cè)試，結(jié)果顯示鍍膜后激光器的輸出功率及光轉(zhuǎn)換效率均有大幅的提高:在輸入電流為15 A處，它們的輸出功率提高了約37.35% ～35.18%;在它們的最佳工作點(diǎn)處，轉(zhuǎn)換效率提高了25.33% ～27.44%;此外通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出，高反膜反射率一定時(shí)半導(dǎo)體激光器的最佳工作點(diǎn)隨其出光面增透膜反射率的減小而右移，即最佳工作點(diǎn)隨閾值電流的增大而右移;上述三種不同腔面膜膜系的半導(dǎo)體激光器中，選擇2%增透膜反射率系數(shù)進(jìn)行鍍制的半導(dǎo)體激光器不僅具有更高的輸出功率與更大的最佳工作點(diǎn)處的轉(zhuǎn)換效率，在其最佳工作點(diǎn)處也具有更大的電流值。結(jié)果表明優(yōu)化選擇腔面膜膜系進(jìn)行鍍制，可以使半導(dǎo)體激光器更適合在較大的功率下工作。

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