提高激光器芯片COD閾值的方法

COD全稱災(zāi)變性光學(xué)鏡面損傷，是激光器腔面區(qū)域吸收諧振腔內(nèi)部較高的光輸出后，導(dǎo)致腔面區(qū)域溫度超過(guò)其材料的熔點(diǎn)，從而發(fā)生腔面熔化的一種災(zāi)變性破壞。

提高激光器芯片COD閾值的方法有很多，其中非吸收窗口技術(shù)是適合大功率激光器芯片量產(chǎn)的常用方法。非吸收窗口技術(shù)是把摻雜離子輸送到激光芯片腔面附近區(qū)域，提高出光面局部外延材料的禁帶寬度，對(duì)芯片內(nèi)部發(fā)射出來(lái)的激光形成非吸收窗口，降低了出光腔面因光吸收產(chǎn)生的熱能，進(jìn)而提高芯片COD閾值。

COD通常發(fā)生在激光器的出光腔面，也就是鍍有AR膜的透射面，因?yàn)樾酒ぐl(fā)出的激光90%以上的激光都會(huì)從AR面射出，且AR面在芯片封裝時(shí)將會(huì)凸出熱沉邊緣約10um，傳導(dǎo)散熱較差。而在激光芯片的反射腔面鍍有高反射HR膜，激光到達(dá)此面后反射回去，且此端與熱沉完全接觸，散熱性好，也就不容易發(fā)生腔面COD。

通過(guò)RTA的熱處理的方法，將Zn作為雜質(zhì)擴(kuò)散到有源區(qū),Zn擴(kuò)散加強(qiáng)了 AlGaInP 自然超晶格的無(wú)序性,也增加了擴(kuò)散區(qū)量子阱的能帶寬度.而有源區(qū)以外帶隙寬度較小的區(qū)域無(wú)法吸收振蕩的激光,稱為窗口區(qū).非吸收窗口的出現(xiàn)大大降低了整個(gè)發(fā)光區(qū)的溫度,有效抑制了 COD現(xiàn)象.

1999年,日 本 松 下 公 司 和 大 阪 大 學(xué) 的 研 究 團(tuán)隊(duì)聯(lián)合報(bào)道了帶有窗口結(jié)構(gòu)的大功率紅光半導(dǎo)體激光器.該團(tuán)隊(duì)首次將 Zn擴(kuò)散形成窗口結(jié)構(gòu)的方法應(yīng)用在折射率引導(dǎo)的 AlGaInP 激光器上.在室溫下脈沖功率可達(dá)150mW,COMD 閾值功率為152mW,斜率效率提升到0.83W/A.

2013年,日本三菱公司研制出638nm 紅光半導(dǎo)體激 光 器,最 大 輸 出 功 率 為785mW.2015年,三菱公司又報(bào)道了三發(fā)射極的激光器.該器件在25 ℃脈沖電流下,激射波長(zhǎng)為638.6nm,峰值功率為6W,老化時(shí)間達(dá)22000h,是當(dāng)前所報(bào)道的 638nm 波段激光器中功率最高的半導(dǎo)體激光器.據(jù)相關(guān)報(bào)道,三菱公司生產(chǎn)的638nm 大功率紅光半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品均采用非吸收窗口結(jié)構(gòu).美國(guó)nLight公司報(bào)道了其最新的639nm 激光器.在２５℃連續(xù)電流下,功率可達(dá)７５０mW,斜率效率為1.05W/A,預(yù)計(jì)壽命超過(guò)8000h.

除了在激光器腔面制作非吸收窗口外,蒸鍍鈍化膜、大光腔結(jié)構(gòu)、制作電流非注入窗口等方式都可以有效抑制COD現(xiàn)象,提高器件的單管輸出功率.

半導(dǎo)體激光器陣列也是提高器件輸出功率的有效方法.在半導(dǎo)體芯片上集成多個(gè)激光單元,形成激光陣列.激光陣列分為一維陣列(bar條)和二維陣列(疊陣),一個(gè)激光 bar條的功率可達(dá)數(shù)十瓦.1995年,美國(guó)Skidmore等報(bào)道了640nm 激光器陣列,有源區(qū)為張應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu),bar條長(zhǎng)１cm,連續(xù)電流下輸出功率超過(guò)１２W.2013年,德國(guó)Dilas公司報(bào)道了56W 的紅光激光器,該激光器采用二維陣列,由７個(gè)激光bar條堆疊而成,激射波長(zhǎng)為638nm,輸出功率高達(dá)５６ W.2017年,日本索尼報(bào)道了６４４nm的陣列,最大輸出功率達(dá)20.1W.激光器陣列雖然輸出功率大,但是其光束質(zhì)量較差,需要調(diào)制系統(tǒng)對(duì)其光束進(jìn)行整形加工,限制其應(yīng)用范圍,目前在激光顯示的紅光光源系統(tǒng)中并不常見(jiàn).

上圖對(duì)國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品用于激光顯示的紅光半導(dǎo)體激光器的功率水平進(jìn)行了總結(jié),其中λ 為激光器的輸出波長(zhǎng),P 為激光器的輸出功率.從表中可以看出大功率紅光半導(dǎo)體激光器普遍采用非吸收窗口結(jié)構(gòu);此外,我國(guó)紅光半導(dǎo)體激光器的輸出功率與國(guó)際水平相當(dāng),但是在短波長(zhǎng)器件上仍有一定的差距。

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