李 輝， 都繼瑤， 曲 軼， 張 晶， 李再金， 劉國軍

(長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130022)

?

光譜穩(wěn)定的低功耗980 nm單模泵浦源半導(dǎo)體激光器

李 輝*， 都繼瑤， 曲 軼， 張 晶， 李再金， 劉國軍

(長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130022)

由于在很多特殊應(yīng)用領(lǐng)域要求980 nm泵浦源半導(dǎo)體激光器具有光譜穩(wěn)定、低功耗等，本文通過對980 nm單模半導(dǎo)體激光器的腔長、腔面反射率及光纖光柵反射率等優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制出低閾值、高功率980 nm光纖光柵外腔波長穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器。該低功耗、波長穩(wěn)定的單模半導(dǎo)體激光器，在100 mA工作電流下尾纖輸出功率達(dá)到51 mW，3 dB帶寬為0.16 nm，邊模抑制比大于40 dB，器件在250 mA工作電流下，尾纖輸出功率達(dá)到120 mW。

半導(dǎo)體激光器； 光纖布拉格光柵； 外腔結(jié)構(gòu)； 波長穩(wěn)定； 低功耗

1 引 言

近年來，摻鉺光纖放大器(EDFA)在光纖通信中獲得了廣泛的應(yīng)用。一個光纖放大器(EDFA)要用一個或兩個泵浦激光器組件，因此，980 nm單模光纖光柵泵浦源半導(dǎo)體激光器有很大的市場需求。隨著半導(dǎo)體量子阱材料生長技術(shù)、激光器芯片技術(shù)及裝配技術(shù)的逐步完善，高功率半導(dǎo)體激光器在國外得到了迅速發(fā)展[1-4]。目前國際上研制、生產(chǎn)高功率980 nm光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器的公司主要有Oclaro、JDSU、Furukawa、3S Photonics等。目前，國外公司已經(jīng)有輸出功率達(dá)到1.05 W的980 nm單模大功率光纖光柵泵浦源半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品出售。

由于對980 nm單模光纖光柵泵浦源半導(dǎo)體激光器的需求增加，國內(nèi)從90年代就開始了該器件的研制工作。但是到目前為止，還沒有性能可靠的產(chǎn)品出售。國內(nèi)在高功率980 nm半導(dǎo)體激光器方面的研制主要有中科院半導(dǎo)體研究所[5-8]、北京工業(yè)大學(xué)[9]、河北工業(yè)大學(xué)[10-11]、上海理工大學(xué)[12]、中科院長春光機(jī)與物理所[13]、長春理工大學(xué)[14]等單位。由于國內(nèi)工業(yè)條件和加工技術(shù)與國外有明顯的差距，所研制的器件在壽命和可靠性方面還有很大的不足。

另外，980 nm單模半導(dǎo)體激光器作為摻鉺光纖光源的泵浦源在很多特殊領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，其中一些應(yīng)用領(lǐng)域要求泵浦源半導(dǎo)體激光器具有光譜穩(wěn)定、低功耗等特性?，F(xiàn)在商用器件的主要問題是功耗比較大，溫度特性差，不利于應(yīng)用于太空等苛刻的工作環(huán)境中，而這種光譜穩(wěn)定、低功耗的980 nm光纖光柵泵浦源半導(dǎo)體激光器在國內(nèi)外開展研究的單位較少。本文研制的980 nm單模光纖光柵泵浦源半導(dǎo)體激光器具有輸出功率高、能耗低及光譜穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于某些復(fù)雜環(huán)境中。

2 980 nm光纖光柵外腔結(jié)構(gòu)單模泵浦源半導(dǎo)體激光器的研制

2.1 980 nm光纖光柵外腔結(jié)構(gòu)泵浦源半導(dǎo)體激光器的設(shè)計(jì)和特性模擬

一般F-P腔半導(dǎo)體激光器輸出激光的相干性較差，相干長度約為幾毫米。采用光纖光柵外腔光反饋使特定波長的光反饋進(jìn)入F-P腔，使該波長的光得到進(jìn)一步放大增強(qiáng)，其他波長的光受到抑制，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻工作的目的。光纖光柵作為外腔結(jié)構(gòu)的光學(xué)反饋部件，具有制作工藝簡單、反射譜窄、中心波長穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，本文采用布拉格光纖光柵(FBG)作為外腔激光器的反饋元件，實(shí)現(xiàn)其波長鎖定。

本文將單模光纖前端制作成楔形柱透鏡并在單模光纖中置入光纖光柵(FBG)形成外腔半導(dǎo)體激光器(External cavity laser)。圖1為光纖光柵外腔激光器原理圖。光纖光柵通過楔狀耦合端與半導(dǎo)體激光器芯片實(shí)現(xiàn)光學(xué)直接耦合，具有結(jié)構(gòu)簡單、耦合效率高的優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)器件耦合結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定。

圖1 光纖光柵外腔結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器原理圖

Fig.1 Principle diagram of the fiber grating external cavity structure semiconductor laser

為了使光纖光柵外腔結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)低功耗工作，我們對半導(dǎo)體激光器芯片的腔長、腔面反射率和光纖光柵的反射率進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過理論計(jì)算，獲得了980 nm光柵外腔結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器輸出功率與注入電流的關(guān)系模擬曲線，如圖2所示。當(dāng)芯片腔長為0.75 mm、腔面有效反射率為5%時(shí)，光柵外腔結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器在100 mA注入電流下的輸出功率可達(dá)到65 mW以上。所以，在制作980 nm單模半導(dǎo)體激光器芯片時(shí)，我們將其腔長設(shè)計(jì)為0.75 mm。

圖2 980 nm光柵外腔結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器輸出功率與注入電流的模擬關(guān)系曲線

Fig.2 Simulation curve between output power and injection current of 980 nm grating external cavity structure semiconductor laser

2.2 980 nm半導(dǎo)體激光器外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料生長

本文研制的980 nm單模光纖光柵半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)是輸出功率高、能耗低及光譜穩(wěn)定，這就要求980 nm單模半導(dǎo)體激光器芯片具有低閾值、高效率的特點(diǎn)。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的980 nm半導(dǎo)體激光器材料的外延結(jié)構(gòu)如表1所示。采用金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積系統(tǒng)(MOCVD)進(jìn)行半導(dǎo)體激光器的材料外延生長。

表1 In0.22Ga0.78As/GaAs 980 nm半導(dǎo)體激光器材料外延結(jié)構(gòu)

Tab.1 In0.22Ga0.78As/GaAs epitaxial structure of 980 nm semiconductor laser

LayerAlcomp.Thickness/nmDoping/cm-3GaAs0200～1E20(p)ZnAlGaAs→GaAs0.6-0150～1E18(p)ZnAlGaAs0.61000～1E18(p)ZnAlGaAs0.6100iGaAs→AlGaAs0-0.6150iGaAs012iInGaAs(singleQW)In(0.2)7.3iGaAs012iAlGaAs→GaAs0.6-0150iAlGaAs0.61000～1E18(n)SiGaAs→AlGaAs0-0.6150～1E18(n)SiGaAsbuffer0250～1E18(n)Sin+(100)GaAssubstrate0a.u.～1E18(n)Si

2.3 980 nm單模半導(dǎo)體激光器芯片制作和特性

目前單模半導(dǎo)體激光器的條形結(jié)構(gòu)主要有脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(RW)、掩埋異質(zhì)結(jié)(BH)結(jié)構(gòu)、溝道襯底內(nèi)條形(VSIS)結(jié)構(gòu)等。其中脊形波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器具有工藝簡單、基模輸出功率大的優(yōu)點(diǎn)，是目前大功率單模半導(dǎo)體激光器的優(yōu)選條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在本文中采用干法和濕法相結(jié)合的刻蝕工藝制作脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)器件[15]。

我們利用安裝在積分球上的經(jīng)校準(zhǔn)的InGaAs探測器對輸出功率與注入電流的特性進(jìn)行測量。圖3是不同溫度(25，40，50，70 ℃)下的3 μm×750 μm980 nm半導(dǎo)體激光器的功率-電流特性曲線，圖4是工作電流為100 mA時(shí)的器件的遠(yuǎn)場曲線。從圖3可以看出，在工作電流為250 mA時(shí)(25 ℃)，激光器的輸出功率達(dá)到170 mW以上。激光器的閾值電流為20 mA。器件在70 ℃時(shí)仍然可以正常工作，說明器件具有很好的溫度特性。

圖3 980 nm 單模半導(dǎo)體激光器在不同溫度下的功率-電流曲線

Fig.3 Power-current curve of 980 nm single mode semiconductor laser at different temperatures

圖4是980 nm單模半導(dǎo)體激光器芯片在工作電流為100 mA時(shí)的遠(yuǎn)場曲線。器件的水平發(fā)散角和垂直發(fā)散角分別為9°和28°。

圖4 980 nm 單模半導(dǎo)體激光器的水平(a)與垂直(b)發(fā)散角曲線

Fig.4 Horizontal (a) and vertical (b) divergence of 980 nm single mode semiconductor laser

2.4 耦合端面的設(shè)計(jì)、制備與耦合工藝

本文采用楔形柱面透鏡光纖進(jìn)行器件的直接耦合輸出。為設(shè)計(jì)出理論上最佳楔型透鏡耦合光學(xué)系統(tǒng)，我們對該模型作如下假定：(1)980 nm單模高效率半導(dǎo)體激光器與微透鏡單模光纖的模場的高斯近似；(2)忽略微透鏡光纖端的菲涅爾反射損耗；(3)考慮到光纖中纖芯和包層的折射率相差很小，用同一折射率表示它們。激光器與光纖的耦合實(shí)質(zhì)上是模態(tài)的匹配問題，當(dāng)模態(tài)不匹配時(shí)，耦合效率很低。光纖頭的楔形透鏡相當(dāng)于在光纖端面上加了一個微透鏡，起到一個傳輸因子的作用，就是利用這個傳輸因子使激光器與光纖的模態(tài)達(dá)到匹配。耦合模型如圖5所示。

圖5 980 nm 單模半導(dǎo)體激光器光纖耦合結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.5 Schematic diagram of fiber coupling 980 nm single mode semiconductor laser

2.5 980 nm單模泵浦源半導(dǎo)體激光器特性

圖6是采用光纖光譜儀測試的器件的輸出光譜，其中心波長為976.42 nm，3 dB帶寬為0.16 nm，邊模抑制比為43 dB。

圖6 980 nm光纖光柵泵浦源半導(dǎo)體激光器的輸出光譜

Fig.6 Emitting spectrum of 980 nm fiber grating pumped semiconductor laser

圖7為980 nm光纖光柵泵浦源半導(dǎo)體激光器的輸出功率與工作電流的關(guān)系曲線。在250 mA工作電流下，激光器的輸出功率達(dá)到了120 mW。

圖7 980 nm光纖光柵泵浦源半導(dǎo)體激光器的功率-電流特性曲線

Fig.7P-Icharacteristic curve of 980 nm fiber grating pumped semiconductor laser

3 結(jié) 論

采用980 nm單模半導(dǎo)體激光器與楔形光纖光柵耦合，制作出高效率、低功耗、波長穩(wěn)定的980 nm單模泵浦源半導(dǎo)體激光器，耦合效率達(dá)到70%以上。在100 mA工作電流下，尾纖輸出功率達(dá)到51 mW。器件的中心波長為976.42 nm，3 dB帶寬為0.16 nm，其邊模抑制比大于40 dB。器件在250 mA工作電流下，尾纖輸出功率達(dá)到120 mW。

[1] DUTTA N K, LOPATA J, CHO A Y. Performance characteristics of GaInAs/GaAs large optical cavity quantum well lasers [J].Electron.Lett., 1991, 27:680-682.

[2] VERDIELL J M, ZIARI M, WELCH D F. Low-loss coupling of 980 nm GaAs laser to cleaved single mode fiber [J].Electron.Lett., 1996, 32(19):1817-1818.

[3] LIN G, YEN S T, LEE C P,etal.. Extremely small vertical far-field angle of InGaAs-AlGaAs quantum-well lasers with specially designed cladding structure [J].IEEEPhoton.Technol.Lett., 1996, 8(12):1588-1590.

[4] APOLLONOV V V. 用于高功率激光器的光學(xué)元件 [J]. 中國光學(xué), 2013, 6(1):1-8. APOLLONOV V V. Optics for high power lasers [J].Chin.Opt., 2013, 6(1):1-8.(in English)

[5] 徐遵圖，楊國文，徐俊英,等. MBE 生長高光功率轉(zhuǎn)換效率InGaAs/GaAs/AlGaAs 應(yīng)變量子阱激光器 [J]. 半導(dǎo)體學(xué)報(bào)， 1999, 20(3):194-199. XU Z T, YANG G W, XU J Y,etal.. High power conversion efficiency InGaAs/GaAs/AlGaAs strained layer quantum well lasers grown by MBE [J].Chin.J.Semicond., 1999, 20(3):194-199.(in Chinese)

[6] YANG G W, XU J Y, XU Z T,etal.. Theoretical investigation on quantum well lasers with extremely low vertical divergence and low threshold current [J].J.Appl.Phys., 1998, 83(1):8-14.

[7] ZHU X P, XU Z T, ZHANG J M,etal.. A single mode 980 nm InGaAs/GaAs/AlGaAs large optical cavity quantum well laser with low vertical divergence angle [J].J.Semicond., 2002, 23(4):342-346.

[8] 徐遵圖，徐俊英，楊國文,等. InGaAs/GaAs/AlGaAs應(yīng)變量子阱激光器 [J]. 中國激光， 1999, 26(5):7-11. XU Z T, XU J Y, YANG G W,etal.. InGaAs/ AlGaAs strained layer quantum well lasers [J].Chin.J.Lasers, 1999, 26(5):7-11. (in Chinese)

[9] 俞波，蓋紅星，韓軍,等. 應(yīng)變InGaAs/GaAs量子阱MOCVD生長優(yōu)化及其在980 nm半導(dǎo)體激光器中的應(yīng)用 [J]. 量子電子學(xué)報(bào), 2005, 22(1):81-84. YU B, GAI H X, HAN J,etal.. Optimization of MOCVD-growth strain InGaAs/GaAs quantum wells and its application for 980 nm LD [J].Chin.J.Quant.Electron., 2005， 22(1):81-84.(in Chinese)

[10] 杜向碩，康志龍，安振峰,等. 光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器鎖模特性 [J]. 半導(dǎo)體技術(shù), 2013, 38(9):672-675. DU X S, KANG Z L, AN Z F,etal.. Mode-locked characteristics for fiber grating external cavity semiconductor lasers [J].Semicond.Technol., 2013, 38(9):672-676. (in Chinese)

[11] 劉洋洋，楊瑞霞，袁春生,等. 974 nm半導(dǎo)體激光器的光纖耦合研究 [J]. 中國激光, 2014, 41(11):1102003-1-6. LIU YY，YANG R X, YUAN C S,etal.. Study on fiber coupling for 974 nm semiconductor laser diode [J].Chin.J.Lasers, 2014, 41(11):1102003-1-6. (in Chinese)

[12] 李毅，黃毅澤，王海方,等. 980 nm 半導(dǎo)體激光器雙布拉格光纖光柵波長鎖定器 [J]. 光學(xué) 精密工程, 2010, 18(7):1468-1475. LI Y, HUANG Y Z, WANG H F,etal.. Wavelength stabilizer with dual fiber Bragg grating for 980 semiconductor laser[J].Opt.PrecisionEng., 2010, 18(7):1468-1475. (in Chinese)

[13] 王立軍,彭航宇,張俊. 大功率半導(dǎo)體激光合束進(jìn)展 [J]. 中國光學(xué), 2015, 8(4):517-534. WANG L J, PENG H Y, ZHANG J. Advance on high power diode laser coupling [J].Chin.Opt., 2015, 8(4):517-534. (in Chinese)

[14] 李再金，李特，蘆鵬,等. 980 nm半導(dǎo)體激光器腔面膜鈍化新技術(shù) [J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2012, 33(5):525-528. LI Z J, LI T, LU P,etal.. The novel passivation method for 980 nm semiconductor laser diode face coating [J].Chin.J.Lumin., 2012, 33(5):525-528.(in Chinese)

[15] 李輝，曲軼，高欣，等. 高性能980 nm 單模半導(dǎo)體激光器 [J]. 兵工學(xué)報(bào)， 2010, 31(8):1110-1113. LI H, QU Y, GAO X,etal.. High performance 980 nm single mode semiconductor lasers [J].ActaArmamentarii, 2010, 31(8):1110-1113. (in Chinese)

李輝(1971-)，女，吉林長春人，博士，副研究員，2014年于長春理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體激光器等方面的研究。

E-mail: lihui@cust.edu.cn

Low Power Dissipation 980 nm Single Mode Pumping Source Laser with Wavelength Stabilization

LI Hui*， DU Ji-yao， QU Yi， ZHANG Jing， LI Zai-jin， LIU Guo-jun

(NationalKeyLaboratoryonHighPowerSemiconductorLasers,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:lihui@cust.edu.cn

Due to many special applications, the 980 nm pumping source semiconductor lasers should have the characteristics of spectrum stability, low power consumption. Based on the optimization design of a 980 nm single mode semiconductor laser cavity length, cavity reflectivity and fiber Bragg grating reflectivity, the low threshold, high power 980 nm fiber Bragg grating external cavity semiconductor lasers with wavelength stability are developed. The pigtail output power of the low power consumption single mode semiconductor lasers with wavelength stability can reach 51 mW under 100 mA, 3 dB bandwidth of 0.16 nm. The side mode suppression ratio (SMRS) is greater than 40 dB. The pigtail output power of the device can reach 120 mW under 250 mA.

semiconductor lase； fiber bragg grating(FBG)； external cavity structure； wavelength stabilization； low power dissipation

1000-7032(2016)01-0033-05

2015-09-12；

2015-11-13

國家自然科學(xué)基金(U1330136)； 高功率半導(dǎo)體激光國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(9140C310205130C31004)； 長春市科技計(jì)劃(13KG30)資助項(xiàng)目

TN248.4

A

10.3788/fgxb20163701.0033