图1 锥形半导体激光器结构示意图(红色部分代表器件InGaAs有源区,黄色部分代表器件AlGaAs波导层、限制层及GaAs盖层,蓝色部分代表器件电流注入区)
纸质出版日期:2022-02,
收稿日期:2021-11-26,
修回日期:2021-12-19
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具有高功率及高亮度激光特性的锥形半导体激光器在激光加工、自由空间通信、医疗等领域具有广泛的应用前景。本文基于广角差分光束传播法(WA-FD-BPM),对980 nm锥形半导体激光器进行了仿真模拟,详细分析了不同结构参数(脊形区刻蚀深度、锥形角度、不同脊形区/锥形区长度比、锥形区刻蚀深度、前腔面反射率)对器件光束质量和P-I-V特性的影响。分析认为,锥形区波导的几何损耗是导致器件斜率效率降低的主要因素,光泵浦效应是影响锥形激光器光束质量变差的重要因素,可通过降低器件的前腔面反射率来改善光束质量。研究结果可为锥形激光器的性能优化提供参考。
Tapered semiconductor lasers with high power and high brightness characteristics have been extensively used in many fields such as laser processing, free space communications, and medical etc. A simulation on 980 nm tapered semiconductor lasers has been done based on the wide-angle differential beam propagation method(WA-FD-BPM) in this work. The effects of structural parameters(such as ridge etching depth, taper angle, different ridge/taper length ratio, taper etching depth, front cavity reflectance) on the beam quality and P-I-V characteristics of the device are analyzed in detail. The analysis shows that the geometric loss of the tapered waveguide is the main factor leading to the decrease of the slope efficiency of the device, and the optical pumping effect is an important factor affecting the deterioration of the beam quality. The beam quality can be improved by reducing the reflectivity of the front cavity surface of the device. The results in this paper can provide a certain theoretical reference for the design and analysis of tapered lasers.
半导体激光器由于其结构简单、体积小、重量轻、电光转换效率高、可靠性好、寿命长、激射波长范围广等优势,被广泛应用于军事、空间光通信、信息、工业、生物医学及科学研究等领域[
自美国麻省理工学院(MIT)Walpole等[
本文从器件结构方面对锥形激光器的结构参数进行仿真及数值模拟,包括锥形角度θα、脊形区长度LRW、锥形增益区长度LTaper、脊形区刻蚀深度HRW_etch和锥形增益区刻蚀深度HTap_etch以及前腔面反射率(AR),获得其对器件光束特性及输出特性的影响。
锥形半导体激光器主要由提供单模光源的脊形波导结构(Ridge waveguide,RW)和对单模光源进行功率放大的锥形增益区(Taper amplification area,Tap)构成,其结构示意图如
图1 锥形半导体激光器结构示意图(红色部分代表器件InGaAs有源区,黄色部分代表器件AlGaAs波导层、限制层及GaAs盖层,蓝色部分代表器件电流注入区)
Fig.1 Schematic diagram of tapered semiconductor lasers(the red part represents InGaAs active area, the yellow part represents AlGaAs waveguide layer, confinement layer and GaAs cap layer, and the blue part represents the current injection region)
注入量子阱的电流决定了束缚态量子阱内的载流子密度,通过体半导体区域的载流子传输,应用载流子连续性方程、Poisson方程,以自洽的方式对锥形激光器准三维模型进行求解。在有效折射率近似的条件下,利用广角差分光束传播法(WA-FD-BPM)[
2.2.1 载流子传输
激光器内的载流子浓度分布主要基于不同2D截面内的电子和空穴的Poisson方程和连续性方程的自洽求解[ (1) (2) (3)
2.2.2 光学模式
对于锥形放大器来说,由于锥形区的有源层面积较宽,模场传播时,其横向分布会随增益饱和程度、温度分布而发生变化。光束传播法(Beam-propagation method,BPM)是分析光波导器件光波传输特性最为广泛的方法之一,其特点是能够应用于复杂的几何模型波导计算,并且考虑了传输模、辐射模以及模式耦合和转换的影响。采用WA-FD-BPM求解传播光场,可有效改善高折射率差和大锥角的折射率导引结构条件下差分光束传播法(FD-BPM)存在的精度差的问题。
基于Padé近似的广角差分光束传播法是由矢量亥姆霍兹波动方程在弱波导(波导在y方向上的折射率变化量极小)近似下,利用缓变包络近似将方程降维处理得到缓变场方程[ (4)
激光模式在锥形激光器中的传播不同于锥形放大器。在锥形放大器中光束仅沿传播方向单向传播,而在锥形激光器中,需要同时考虑前向和后向传播,即存在两个过程:波导中的模式传输和界面处的模式转换。由此引入传递矩阵M,其由传播矩阵和界面矩阵组成。 (5)
2.2.3 耦合求解
通过载流子、模场方程联立求解进行锥形半导体激光器的特性分析。首先,沿着光传播方向z轴,将其划分为有限个纵向2D切片(垂直z轴),利用初始光场依次计算后续的光场,并产生新的光子密度分布,获得腔中新的载流子、电势,由此得到横向增益分布和折射率分布。采用Padé近似的WA-FD-BPM方法将前一个切片zj的光场传播给下一个切片zj+1,以得到下一个切片位置的光子密度分布。经过多次往返、迭代,直至收敛并找到稳定的光场、载流子和电流分布。
本文基于如
Layer | Material | Thickness/μm | Doping/cm-3 |
---|---|---|---|
9 | GaAs | 0.2 | Zn, 2.0e19 |
8 | Al0.4Ga0.6As | 1.0 | Zn, 1.0e18 |
7 | A Ga0.8As | 0.5 | Zn, 1.0e18 |
6 | GaAs | 0.01 | |
5 | In0.18G As | 0.007 | Undoped |
4 | GaAs | 0.01 | |
3 | A Ga0.8As | 0.5 | Si, 1.0e18 |
2 | Al0.4Ga0.6As | 1.0 | Si, 1.0e19 |
1 | GaAs | — | Sub |
脊形波导是典型的弱折射率导引波导,通过调节侧向的折射率差以达到对光场分布的限制。若要获得近衍射极限的输出光束,须保证脊形波导满足基模工作条件。脊形区宽度为4 μm,得到脊形区刻蚀深度为0.1~0.9 μm变化时的模场分布(均未出现高阶模)如
图2 不同脊形波导刻蚀深度的基模模场
Fig.2 Fundamental mode fields at different ridge waveguide etching depths
图3 脊形波导激光器阈值电流随脊形波导刻蚀深度的变化特性
Fig.3 Threshold current of ridge waveguide lasers with different ridge etching depth
另外,由于脊形区与其两侧的等效折射率差随刻蚀深度的增加而增大,脊形波导的基模截止宽度也会变小,在此情况下,器件会随着注入电流的增加,容易因为热透镜效应而产生高阶模,从而严重影响器件的光束质量[
图4 脊形波导侧向折射率差、热透镜效应引起折射率差随脊形波导刻蚀深度的变化。
Fig.4 The lateral refractive index variation by the ridge waveguide and the thermal lens effect with the etching depth of ridge waveguide
图5 不同脊形波导宽度对应的模态分布图
Fig.5 The modal distribution at different ridge waveguide widths
为分析锥形增益区锥角对锥形激光器输出功率及输出光束特性的影响,对不同锥角的增益波导结构锥形半导体激光器进行了模拟。脊形波导、锥形增益区长度分别为750 μm和1 250 μm,脊形区刻蚀深度为0.8 μm,有关模拟参数如
Taper angle θα/(°) | w1/μm | w2/μm |
---|---|---|
3 | 4 | 69 |
4 | 4 | 91 |
5 | 4 | 113 |
6 | 4 | 135 |
图6 不同锥形角度条件下的激光器远场图:(a)3°,(b)4°,(c)5°,(d)6°; (e)不同锥形角度下的慢轴方向远场发散角。
Fig.6 Far-field patterns of the laser at different tapered angles: (a)3°, (b)4°,(c)5°, (d)6°. (e)Far field divergence angles in the slow axis direction at different tapered angles.
图7 不同锥形角度的激光器P-I-V特性
Fig.7 P-I-V characteristics of lasers with different taper angles
分析可知,随着锥形角度的增加,有源层的有效注入面积相对变大,增加了器件的波导损耗和阈值增益。因此锥形角度较小的器件,其阈值电流较小,斜率效率也较高。而对于锥形角度较大的器件,由于其较大的有效注入面积和输出端面宽度,具有较高的光学灾变损伤(Catastrophic optical damage,COD)阈值,会在一定程度上避免器件COD现象的发生。
为分析一定腔长下,脊形区/锥形区长度比LRW/LTaper对锥形激光器输出光束特性及电光特性的影响,对器件总腔长L为2 000 μm、锥角为4°、脊形区刻蚀深度为0.8 μm的锥形激光器进行了模拟,有关模拟参数如
LRW/μm | LTap/μm | LRW/LTaper | w1/μm | w2/μm | |
---|---|---|---|---|---|
500 | 1 500 | 1∶3 | 4 | 108 | |
750 | 1 250 | 3∶5 | 4 | 91 | |
1 000 | 1 000 | 1∶1 | 4 | 74 | |
1 250 | 750 | 5∶3 | 4 | 56 |
图8 不同LRW/LTaper比锥形激光器的前腔面近场分布
Fig.8 Near-field distribution of front cavity surface of tapered lasers with different LRW/LTaper ratios
图9 LRW/LTaper=5∶3不同注入电流的远场光斑。(a)400 mA;(b)1 540 mA;(c)3 050 mA。
Fig.9 Far-field spot with different injection current at LRW/LTaper =5∶3. (a)400 mA. (b)1 540 mA. (c)3 050 mA.
锥形激光器阈值增益条件为[ (10)
图10 不同LRW/LTaper比锥形激光器的P-I特性
Fig.10 P-I characteristics of tapered lasers with different LRW/LTaper ratios
LRW/LTaper | Threshold currentIth/mA | Slope efficiencyη/(W·A-1) |
---|---|---|
1∶3 | 318 | 0.885 |
3∶5 | 291 | 0.903 |
1∶1 | 268 | 0.915 |
5∶3 | 207 | 0.930 |
锥形半导体激光器通常分为增益导引锥形激光器和折射率导引锥形激光器。原理上,折射率导引锥形激光器具有一定的内建折射率波导,可更有效限制光场,因此对锥形区不同刻蚀深度的激光器进行了特性模拟。器件总腔长L为2 000 μm,脊形区的刻蚀深度为0.8 μm,有关参数如
LRW/μm | LTap/μm | Tapered angle θα/(°) | w1/μm | w2/μm | Etch depth of tapered region/μm |
---|---|---|---|---|---|
750 | 1 250 | 4 | 4 | 91 | 0.0~0.8 |
图11 不同锥形区刻蚀深度激光器的近场分布
Fig.11 Near-field distribution of front cavity surface of tapered lasers with different etching depth of tapered region
图12 不同锥形区刻蚀深度的激光器远场光斑。(a)0 μm;(b)0.2 μm;(c)0.4 μm;(d)0.6 μm;(e)0.8 μm。
Fig.12 Far-field spot of tapered lasers with different etching depth of tapered region. (a)0 μm. (b)0.2 μm. (c)0.4 μm. (d)0.6 μm. (e)0.8 μm.
出现上述现象的原因可以解释为:光场从锥形区的前腔面向后散射[
图13 不同锥形区刻蚀深度激光器的P-I特性
Fig.13 P-I characteristics of tapered lasers with different etching depth of tapered region
为分析注入电流对锥形激光器光束特性的影响,
图14 不同位置后向光场分布:(a)Z=1 350 μm,(b)Z=750 μm;不同位置前向光场分布:(c)Z=750 μm,(d)Z=1 350 μm。
Fig.14 The backward field distribution: (a)Z=1 350 μm, (b)Z=750 μm. The forward field distribution: (c)Z=750 μm, (d)Z=1 350 μm.
通过上述分析,在高注入电流条件下光束经过在腔内往返传播,可激励产生更多的光丝,形成多模激射,影响器件的输出光束质量。由此可知,这种光泵浦效应是影响锥形激光器光束质量的主要因素。
另外,前腔面反射率对于光束在腔内往返传播形成的光丝效应也有着明显影响。
图15 不同前腔面反射率条件下Z=750 μm(a)、Z=2 000 μm(b)处的前向光场分布。
Fig.15 The forward light field distribution at Z=750 μm(a) and Z=2 000 μm(b) under different reflectance of front cavity surface
图16 不同前腔面反射率的激光器远场光斑。(a)Rf=5%;(b)Rf=3%;(c)Rf=1%。
Fig.16 Far-field spot with different front cavity reflectivity. (a)Rf=5%. (b)Rf=3%. (c)Rf=1%.
本文主要对锥形半导体激光器的输出特性进行了模拟分析。通过对多种不同锥角结构的器件模拟得出,随着锥角的增大,斜率效率降低、阈值电流变大,光束质量逐渐变差。分析认为,锥形区波导的几何损耗是导致器件斜率效率降低的主要因素。同时,器件的脊形区/锥形区长度比也对激光器的光束质量具有明显的影响,随着LRW/LTaper比的增加,波导对高阶模式的空间滤波更加充分,但器件的最大输出功率会受到限制。本文给出了不同LRW/LTaper比器件前腔面的光场分布,可更加直观地观察器件特性的变化。同时,折射率导引机制锥形激光器由于在侧向上对光场的限制较强,光场在腔内传播时会更容易形成旁瓣,引发高阶模的产生。模拟表明,光泵浦效应是影响锥形激光器光束质量变差的重要因素,可通过降低器件的前腔面反射率获得明显改善。
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