么 娜， 薄報學， 劉榮戰(zhàn)， 徐雨萌， 高 欣

(長春理工大學 高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室， 吉林 長春 130022)

1 引 言

近年來，由于具有較好的輸出光束質(zhì)量以及轉(zhuǎn)換效率高、工作穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)小巧且耐用等優(yōu)點，采用半導(dǎo)體激光器作為泵浦源的光纖激光器得到了較為廣泛的應(yīng)用?；诒闷衷丛谡麄€激光器中的核心位置，對于整個激光器器件而言，無論是工作效率還是使用壽命等，均受制于其所產(chǎn)生的影響，這最終會波及到激光器輸出光束的質(zhì)量[1]。0.9 μm附近波段的半導(dǎo)體激光器，經(jīng)常被作為光纖激光器的泵浦源來使用，而915 nm這一波長在泵浦效率等方面具有一定的優(yōu)勢[2-4]，所以對其進行研究是具有現(xiàn)實意義的。當半導(dǎo)體激光器的輸出光功率不斷提升時，溫度升高對激光芯片的性能所產(chǎn)生的不良影響也將愈加嚴重[5]，造成電光轉(zhuǎn)換效率降低、閾值電流密度升高、輸出光的譜線紅移、出現(xiàn)多模式振蕩等，甚至會使芯片的內(nèi)部產(chǎn)生缺陷從而縮短激光器的使用壽命，影響了其在實際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)[6-11]。不僅如此，輸出功率增大的同時會使得器件的溫度分布更加不均勻，致使其慢軸方向出現(xiàn)明顯的熱透鏡效應(yīng)，進而導(dǎo)致其發(fā)散角增大，光束質(zhì)量降低[12]。因此，國內(nèi)外對這一問題開展了廣泛的研究。2018年，張曉磊[13]分析了溫升對半導(dǎo)體激光器閾值電流、輸出功率、轉(zhuǎn)換效率等特性的影響，并對其進行了模擬、優(yōu)化；同一年，宋健等[14]采用仿真模擬的方式，對975 nm輸出波長的半導(dǎo)體激光器進行了研究，評估了其等效的熱透鏡效應(yīng)，并得出相同條件下熱透鏡焦距與熱功率近似為反比關(guān)系，與慢軸光束發(fā)散角近似為線性關(guān)系，通過實驗獲得了慢軸發(fā)散角與注入電流之間的關(guān)系。2019年，趙碧瑤等[15]為了削弱808 nm波長半導(dǎo)體激光器因溫度分布不均引起的熱透鏡效應(yīng)，提出了一種特殊的封裝構(gòu)造，這種構(gòu)造對芯片的邊緣進行了絕熱處理，通過使用計算機軟件對該構(gòu)造的半導(dǎo)體激光芯片進行模擬，結(jié)果顯示與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的器件相比，新型激光器在慢軸發(fā)散角方面縮小了28%。國外方面，2006年，Kemp等[16]利用有限元軟件分析了垂直腔半導(dǎo)體激光器的熱透鏡效應(yīng)對芯片性能的影響，并進行實驗驗證，研究了其對斜率效率、閾值電流和輸出功率的影響。綜上所述，國內(nèi)外在半導(dǎo)體激光器的熱透鏡效應(yīng)方面有一定研究，而對于具有重要應(yīng)用價值的915 nm高功率半導(dǎo)體激光器的熱透鏡效應(yīng)的研究較為少見。

2 半導(dǎo)體激光器的產(chǎn)熱機制以及溫升對其輸出特性影響的相關(guān)理論闡述

2.1 半導(dǎo)體激光器的一般產(chǎn)熱機制

半導(dǎo)體激光器工作時所產(chǎn)生的熱量一般源自兩方面：一是非輻射復(fù)合和波導(dǎo)光吸收等能量損耗所產(chǎn)生的熱量；二是材料本身以及歐姆接觸層電阻所產(chǎn)生的焦耳熱，其表達式為[17-18]：

Q=j2ρ,

(1)

其中，Q為產(chǎn)生焦耳熱的功率密度，j為電流密度，ρ為材料平均體電阻率。

2.2 溫升對激光器輸出特性的影響

2.2.1 溫升對閾值電流的影響

一般地，半導(dǎo)體激光器的閾值電流密度與溫度之間的關(guān)系可用公式(2)表示：

(2)

其中，Tr為一定溫度，ΔT為相對溫升，Jth(Tr)為對應(yīng)溫度的閾值電流密度，T0為特征溫度。溫升使芯片內(nèi)部對載流子的限制能力變?nèi)?，所產(chǎn)生的漏電流使其內(nèi)量子效率變低進而造成器件的閾值電流密度增大[19]。

2.2.2 溫升對輸出功率的影響

半導(dǎo)體激光器的輸出光功率和驅(qū)動電流之間存在如下關(guān)系：

(3)

其中，P為輸出光功率，I為驅(qū)動電流，Pth為器件在閾值電流注入狀態(tài)下自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光功率，Ith為閾值電流，ηex為外微分量子效率，Ep為光子能量，e為電子電荷。由于Ep、e為常數(shù)，Pth可忽略不計，因此輸出光功率主要由I、Ith以及ηex所決定，并主要隨有源區(qū)的溫度升高而降低。輸出功率的減小會使注入的電能更多地轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，從而產(chǎn)生進一步的溫升，這構(gòu)成了惡性循環(huán)，使激光器的輸出功率飽和、更為快速地下降[20]。

2.2.3 溫升對光譜特性的影響

半導(dǎo)體激光器的輸出光波長會隨有源區(qū)溫度升高而發(fā)生紅移，公式(4)描述了輸出光波長與溫度之間的關(guān)系[21-22]：

(4)

其中，h為普朗克常數(shù)，c為真空中的光速，Eg為有源層材料禁帶寬度。在一定溫度范圍內(nèi)，dEg/dT可認為是常量。

2.2.4 半導(dǎo)體激光器遠場發(fā)散角受溫度的影響

半導(dǎo)體激光器芯片的局部溫升使材料介電常數(shù)發(fā)生改變，從而改變折射率分布，光經(jīng)過時會發(fā)生不同程度的折射，類似于通過光學透鏡所產(chǎn)生的匯聚或發(fā)散效應(yīng)，即熱透鏡效應(yīng)。當材料折射率呈現(xiàn)鐘形分布時，可等效為自聚焦透鏡[23-25]，孔徑近似為激光器慢軸發(fā)散角增加量，如圖1所示。

圖1 自聚焦透鏡

寬條形半導(dǎo)體激光器慢軸方向的側(cè)向折射率分布受溫度與載流子濃度分布等因素影響，通過公式(5)表示[14]：

(5)

其中，Δn為折射率變化量，?n/?T為溫度-折射率關(guān)系系數(shù)，ΔT為溫度變化，afc為折射率-載流子濃度關(guān)系系數(shù)，ΔNfc為載流子濃度變化。GaAs材料中?n/?T可取(3.7±0.5)×10-4K-1[26]，高功率半導(dǎo)體激光器的結(jié)溫升一般大于25 K，其溫升導(dǎo)致的折射率變化一般為10-2量級；afc為(1.2±0.2)×10-20cm3，而載流子濃度一般為1018量級，由此可知載流子注入所引起的折射率變化應(yīng)為10-2數(shù)量級，故熱透鏡效應(yīng)對側(cè)向波導(dǎo)影響很大。折射率分布與空間坐標之間的關(guān)系如公式(6)所示：

(6)

其中，n(x)表示折射率隨坐標分布函數(shù)；n0為材料原始折射率，對于GaAs一般取3.59[26]；α2為常數(shù)，大于零時表示正透鏡。其焦距為：

(7)

其中l(wèi)為自聚焦透鏡厚度。慢軸發(fā)散角增量為：

(8)

其中，θ表示光束慢軸發(fā)散角的變化量，ω表示器件有源區(qū)的側(cè)向?qū)挾取?/p>

3 計算機模擬分析熱透鏡效應(yīng)對激光器慢軸發(fā)散角的影響

為了深入研究熱透鏡效應(yīng)對激光器輸出光束慢軸發(fā)散角的影響，采用ANSYS軟件對不同熱功率條件下典型寬條形應(yīng)變量子阱半導(dǎo)體激光器的工作狀況進行了仿真模擬。仿真的主要依據(jù)是熱傳導(dǎo)方程，即當激光器處于穩(wěn)態(tài)工作時，可用公式(9)來描述其熱量與溫度分布：

(9)

其中，K是器件某一構(gòu)成材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，T表示器件某一部分的溫度，Q表示器件的熱功率密度。在激光器工作時，其所產(chǎn)生的熱量一般源自于有源區(qū)載流子的非輻射復(fù)合、吸收和自發(fā)發(fā)射。因此本文在模擬熱分析部分，將激光器中的熱源全部視作來源于有源區(qū)，從而使計算一定程度上得以簡化。

首先通過實驗獲得激光器的P-I-V特性，并測量其輸出光的功率，則其熱功率為總功率減去輸出功率；將所得熱功率加上器件引線焦耳熱功率后進行模擬熱分析。圖2顯示的是當器件的熱功率達到10.3 W時，芯片前腔面溫度的分布云圖。

圖2表明，激光器工作時的最高溫度位于有源區(qū)，在慢軸方向溫度沿有源區(qū)中心向兩側(cè)逐漸降低。

提取平行于結(jié)面方向溫度分布數(shù)據(jù)擬合曲線(如圖3所示)，可知有源區(qū)內(nèi)慢軸方向的溫度分布呈二次函數(shù)曲線，聯(lián)立公式(5)～(8)能夠獲得等效熱透鏡的焦距、熱致光束發(fā)散角與器件熱功率的關(guān)系，如圖4(b)所示。

表1 激光器各層材料參數(shù)

圖2 激光器熱功率為10.3 W時芯片內(nèi)部溫度分布

Fig.2 Internal temperature distribution of the chip when the laser thermal power is 10.3 W

圖3 模擬所得激光器條行區(qū)沿慢軸方向的結(jié)溫分布

Fig.3 Junction temperature distribution of the simulated laser strip row along the slow axis

圖4(a)為仿真得到的不同熱功率下器件中心最高溫度，其隨熱功率的增加而升高，可看出兩者之間呈現(xiàn)出線性關(guān)系。通過對數(shù)據(jù)擬合可知，當芯片的熱功率每升高1 W時，其中心結(jié)溫便會隨之上升1.5 ℃，器件熱阻為1.5 K/W。分析圖4(b)可知，隨著熱功率的不斷提升，芯片熱透鏡效應(yīng)的焦距會隨之減小，其輸出光的慢軸發(fā)散角則會隨之逐漸變大。當器件的熱功率為10.3 W時，中心結(jié)溫達到40.9 ℃，比注入條邊緣溫度高8.2 ℃，此時，熱透鏡焦距約為109.5 μm，慢軸發(fā)散角約為4.7°。半導(dǎo)體激光器在高功率工作時，結(jié)溫隨工作電流的增加愈加明顯，有源區(qū)熱功率密度比較高，熱透鏡效應(yīng)對側(cè)向波導(dǎo)有較大影響，導(dǎo)致慢軸發(fā)散角明顯增大。

圖4 模擬得到的最大結(jié)溫(a)、激光器的熱透鏡焦距及慢軸發(fā)散角(b)隨熱功率增加的變化關(guān)系。

Fig.4 Relationship between maximum junction temperature(a), thermal lens focal length and slow axis divergence angle of the laser(b) as a function of thermal power increase.

4 實驗結(jié)果及比較

為了系統(tǒng)地研究器件輸出特性受溫升影響的情況，選取了與計算機模擬建模相同結(jié)構(gòu)的915 nm寬條型應(yīng)變量子阱半導(dǎo)體激光器進行實驗測試。實驗用激光器芯片的電流注入寬度為0.18 mm，諧振腔的長度為4 mm。

實驗搭建了如圖5所示的溫控平臺：將LD芯片焊接在熱沉上，然后安裝在無氧銅制成的散熱板上，通過TEC對散熱板進行控溫，該TEC由雙向精密溫控電源驅(qū)動，通過NTC熱敏電阻傳感器實時反饋散熱板的溫度，并采用PID程序來對TEC施加正反向電流；溫度設(shè)置、PID參數(shù)、電流電壓保護值等參數(shù)可在主機中進行顯示和調(diào)整。通過對PID控溫參數(shù)的優(yōu)化，實驗中將溫度的控制精度穩(wěn)定在了±0.01 ℃之內(nèi)。激光器采用專用電源進行驅(qū)動，電流控制精度為0.1 A；利用Gentec-EO MAESTRO型光功率計測量激光的輸出功率，使用一臺HR4000CG-UV-NIR型光譜儀對激光的光譜分布進行測量。測量激光器輸出光束的慢軸發(fā)散角時，采用了一臺CCD相機，通過對激光遠場光斑進行采集、計算機對數(shù)據(jù)進行處理，最終獲得了光束的光強分布情況。

圖5 實驗系統(tǒng)。(a)雙向溫控主機；(b)溫控平臺。

Fig.5 Experimental system. (a)Bi-directional temperature control host. (b)Temperature control platform.

首先，通過溫控平臺將激光器的工作溫度控制在測試溫度下，獲取了輸出光譜線隨溫度變化的情況以及器件的波長溫漂系數(shù)，如圖6所示。

從圖中可以看出，隨著激光器的溫升加劇，其輸出光的光譜出現(xiàn)了明顯紅移，這與2.2.3中的理論描述一致。

根據(jù)25，50，70 ℃溫度條件下器件在熱功率7 W工作的波長漂移(從915 nm漂移到931 nm)，可得器件的波長溫度系數(shù)約為0.4 nm/℃；室溫下，通過對器件在不同熱功率下的激光光譜進行測量，能夠計算出激光器的輸出光波長隨熱功率的變化系數(shù)約為0.6 nm/W。

圖6 激光光譜隨溫度升高的變化特性

然后，我們測量了不同溫度下激光器的P-I與V-I特性，并降低平臺的溫度使輸出波長穩(wěn)定在915 nm，得到了恒定結(jié)溫條件下的P-I-V參數(shù)，如圖7、圖8所示。

圖7 激光器P-I隨溫度升高的變化特性

Fig.7 Variation characteristics of laserP-Iwith increasing temperature

圖8 V-I隨溫度升高的變化特性

圖7給出了在不同溫度下，器件輸出功率隨注入電流變化的情況。圖中標注為Temperature control的曲線，表示的是波長恒定在915 nm時所測量的輸出激光功率隨注入電流變化的情況。通過分析可知：當器件的工作結(jié)溫恒定時，由于對注入載流子的良好限制特性，得到隨工作電流增大輸出光功率隨之呈近似線性增大的實驗結(jié)果；而對于一定的注入電流，激光器輸出光功率則與工作溫度呈負相關(guān)關(guān)系。

測量表明，激光器的斜率效率從25 ℃的1.1 W/A降低到了80 ℃的0.9 W/A，且當激光芯片的結(jié)溫(峰值波長)恒定時，其斜率效率可穩(wěn)定在較高的水平。當激光器工作溫度較低時，輸出光功率與電流呈較好的線性關(guān)系；而當溫度高于50 ℃時，兩者之間的線性度出現(xiàn)了下降，這是由于激光器結(jié)溫升高導(dǎo)致漏電流增加、發(fā)光效率降低，從而引起器件的光電轉(zhuǎn)換效率下降、P-I曲線的線性度變差。

圖8為不同測試溫度下工作電壓隨電流的變化關(guān)系，圖中標注為Temperature control的曲線，表示的是波長恒定在915 nm時所測量的器件電壓隨注入電流變化的情況。由此計算出不同溫度下的串聯(lián)微分電阻，當溫度從25 ℃升高至80 ℃時，串聯(lián)電阻從16.3 mΩ下降到15.5 mΩ。溫度對串聯(lián)電阻的影響不大。

通過對P-I曲線數(shù)據(jù)進行擬合，得到激光器不同溫度下的閾值電流，如圖9所示。

圖9 閾值電流隨溫度升高的變化特性

從圖中可以看出，閾值電流隨溫度的升高而增大，這與2.2.1所述理論相符。當溫度從25 ℃升高到80 ℃時，閾值電流從1.0 A升高到1.3 A，用公式(2)可計算出其特征溫度，為89.4 K。由此可以進一步計算出器件的熱阻，為1.5 K/W，這一數(shù)值與計算機模擬運行所得到的數(shù)值是一致的。

我們使用CCD相機測量了溫度在25 ℃下，工作電流分別為5，10，15 A時，激光器輸出光束的遠場光斑，并采用計算機對數(shù)據(jù)進行了處理，所得圖像如圖10所示。

圖10 工作電流分別為5，10，15 A時實測的遠場光斑。

Fig.10 Measured far-field spot when working current is 5, 10, 15 A.

從圖10中可見，遠場光斑由多個光絲組成，各光絲的位置和強度隨電流變化，數(shù)量隨電流增加而增多，光束發(fā)散角逐漸變大，這在一定程度上印證了熱透鏡效應(yīng)以及載流子分布等對激光器側(cè)向波導(dǎo)的影響。

通過對10 A時激光遠場數(shù)據(jù)進行處理，得到了三維的光斑分布情況，如圖11所示。

從圖11可見，遠場光斑近似為橢圓狀，其在快軸方向的強度分布為形成單模高斯分布，而在慢軸方向的強度分布則表現(xiàn)為多模多峰的形態(tài)。

我們將計算機仿真模擬所得到的結(jié)溫隨熱功率變化的數(shù)據(jù)繪制成曲線，并與實驗測量結(jié)果放在一起比較，如圖12所示。

由圖12可以看出，模擬仿真與實際測量的曲線趨于一致，說明模擬數(shù)據(jù)具有較高的可信性。

圖13展示了實驗測得的以及仿真模擬出的激光器輸出光束慢軸發(fā)散角隨電流變化的情況。

可以看出，對于實驗測得的曲線，當注入電流達到6 A時曲線出現(xiàn)了局部的下降，在較小電流下，由于較少的橫模達到激射狀態(tài)，其模式競爭隨電流增加的隨機性可能導(dǎo)致更少的低階橫模得到增強，從而引起光束發(fā)散角偶然性減小。當工作電流小于8 A時，實驗測量的發(fā)散角大于仿真模擬的數(shù)值；而當工作電流大于8 A時，實驗測量值則小于模擬計算的數(shù)值。圖像中的兩個曲線雖然都呈現(xiàn)出慢軸發(fā)散角隨電流的增加而增大的趨勢，但在具體變化關(guān)系中又表現(xiàn)出了一定差異，說明模擬計算的數(shù)值還是更趨向于理想化。

圖11 工作電流為10 A時遠場光斑三維強度分布

Fig.11 3D intensity distribution of far-field spot when the operating current is 10 A

圖12 模擬仿真和實驗測得的結(jié)溫隨熱功率變化曲線

Fig.12 Curves of simulation and experimentally measured changes in junction temperature with thermal power

圖13 實測以及模擬的激光器慢軸發(fā)散角隨電流變化情況

Fig.13 Measured and simulated laser slow axis divergence angle changes with current

5 結(jié) 論

本文實驗測量了一種915 nm寬條形應(yīng)變量子阱半導(dǎo)體激光器在不同環(huán)境溫度、不同工作電流下的輸出功率，分析得到了對應(yīng)溫度下的閾值電流。結(jié)果表明，當芯片溫度升高時，其閾值電流明顯增大，輸出光功率顯著降低，光譜線出現(xiàn)紅移，溫度每升高1 ℃，波長增加0.4 nm。計算得到器件的熱阻為1.5 K/W。

研究了激光器在不同熱功率下的熱透鏡焦距及其對慢軸發(fā)散角的影響，仿真計算和實驗測量得出的結(jié)果基本一致：當熱功率增大時，熱透鏡等效焦距趨于減小，輸出光慢軸發(fā)散角明顯增大。因此，在設(shè)計高功率半導(dǎo)體激光器時，可以適當增加條寬，并采用散熱良好的封裝結(jié)構(gòu)，以最大程度減小熱透鏡效應(yīng)對慢軸發(fā)散角的影響。

實驗測量了恒定結(jié)溫(峰值波長)條件下激光器的輸出光功率特性，發(fā)現(xiàn)其斜率效率得到了顯著提升，反映出結(jié)溫升所引起的注入載流子泄漏得到了有效抑制，可有效改善激光器的功率輸出特性。