大功率780nm单管连续输出16W和巴条连续输出180W半导体激光器.pdf

强激光物理与技术大功率 780 nm 单管连续输出 16 W 和巴条连续输出 180 W 半导体激光器*李弋1,2，王浩淼1,2，张亮1,2，贺钰雯1,2，周坤1,2，杜维川1,2，何林安1,2，胡耀1,2，武德勇1,2，高松信1,2，唐淳1,2（1.中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川绵阳621900；2.中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室，四川绵阳621900）摘 要：设计并制备了 780nm 大功率半导体激光器的单管和巴条。采用金属有机化学气相沉积技术制备的外延结构，分别使用 GaAsP 和 GaInP 作为量子阱和波导层，限制层是具有高带隙的 AlGaInP 材料。量子阱与波导层带隙 0.15eV，波导层与限制层带隙 0.28eV，抑制了载流子泄露。1.55m 厚非对称大光学腔波导结构抑制快轴高阶模，同时缓解腔面损伤问题。为进一步提高腔面损伤阈值，利用超高真空解理和钝化技术，在腔面上沉积了非晶 ZnSe 钝化层。条宽 150m、腔长 4mm 的单管器件，在电流为 15A 时，输出连续功率 16.3W 未出现COD 现象，斜率效率达到 1.27W/A，电光转换效率为 58%，慢轴发散角 9.9，光谱半高宽为 1.81nm。填充因子为40%的厘米巴条，在 192A 下实现连续输出功率 180W，电光转换效率为 50.7%，光谱宽度仅为 2.2nm。关 键 词：半导体激光器；泵浦源；高效率；腔面光学灾变损伤；硒化锌 中图分类号：TN248.4文献标志码：Adoi:10.11884/HPLPB202335.230073High power semiconductor lasers with output power over 16 W for singleemitter and 180 W for bar operation at 780 nm under CW operationLiYi1,2，WangHaomiao1,2，ZhangLiang1,2，HeYuwen1,2，ZhouKun1,2，DuWeichuan1,2，HeLinan1,2，HuYao1,2，WuDeyong1,2，GaoSongxin1,2，TangChun1,2（1.Institute of Applied Electronics,CAEP,Mianyang 621900,China;2.The Key Labtorary of Science and Technology on High Energy Laser,CAEP,Mianyang 621900,China）Abstract：Thesingleemitterandbarsof780nmsemiconductorlaserhavebeendesignedandfabricated.Theepitaxiallayerswerepreparedbythemetalorganicchemicalvapordepositiontechnology.GaAsPandGaInPwereusedasthequantumwellandwaveguidelayer,respectively.TheconfinementlayerswereAlGaInPmaterialwithlowrefractiveindex.Thebandgapbetweenthequantumwellandthewaveguidelayerwas0.15eV,whilethebandgapbetweenthewaveguidelayerandtheconfinementlayerwas0.28eV.Thehighbandgapwaseffectiveinsuppressingcarrierleakage.The1.55mthicklargeopticalcavityepitaxystructureincreasesthebeamssizeandalleviatesthecavityopticalsurfacedamageproblem.Theasymmetricstructuresuppresseshigh-orderfastaxismodes.Usingtheultra-highvacuumcleavageandpassivationtechnology,anamorphousZnSepassivationlayerwasdepositedonthelasercavityfacets.TheZnSepassivatedsingleemitterdevicewith150mwidthand4mmcavitylength,didnotshowCODphenomenonwith16.3Wcontinuous-waveoutput,whenthecurrentwas15A.Inthiscase,theslopeefficiencyreached1.27W/Awhiletheelectro-opticconversionefficiencywas58%,andthedivergenceangleofslow-axiswas9.9andthespectralwidthwas1.81nm.The1-cmlaserbarwithlateralemitterfillfactorof40%,reachedcontinuous-wave180Woutputpowerat192A,andtheelectro-opticconversionefficiencywas50.7%,thespectralwidthwas2.2nm.Key words：semiconductorlaser,pumpsource,highefficiency,catastrophicopticalmirrordamage,ZnSe*收稿日期：2023-04-02；修订日期：2023-10-15联系方式：李弋，。通信作者：贺钰雯，。第35卷第11期强激光与粒子束Vol.35，No.112023年11月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSNov.，2023111002-1基于宽条结构的大功率半导体激光器具有高功率效率、体积小、易于集成等优点，其中波长 7xxnm 的激光光源在泵浦千瓦级掺铥光纤激光器、碱金属气体激光器和空间铷原子钟等领域有广泛应用1-3。例如，掺铥钇铝石榴石（Tm:YAG）固体激光器可以被高功率 780nm 半导体激光器高效泵浦4，波长 766nm 半导体用于泵浦碱金属蒸气激光器（K-DPAL）5。然而，在 7xxnm 波段实现高效率和可靠功率比在成熟的 9xxnm 波段更具挑战性，原因之一由于该波段半导体材料特性其电子限制较弱造成器件内量子效率较低，另一原因是短波长的光子能量更高，吸收系数高且穿透深度短6，这导致腔面被急剧加热，引起腔面光学灾变损伤（COMD），进而造成器件失效。因此，多种增强 7xxnm 波段腔面可靠性的技术被研究，例如采用大光腔外延结构和增加条宽来降低腔面功率密度7，或增大COMD 阈值的无吸收腔面技术和腔面钝化技术8-9。随着光纤和固体激光器发展及其对泵浦源需求的增加，提高 7xxnm 半导体激光器的功率效率是近来国内外热点研究方向。国际上，2011 年，美国 nLight 公司报道基于 AlGaInAs 材料体系的 786nm 波长 200m 条宽单管，出光功率 10W（对应线功率 5W/100m）时电光效率 64%，快轴发散角 50，慢轴发散角 10（1/e2能量），光谱半高全宽 1.7nm，寿命达数千小时10。2020 年，美国 Coherent 公司报道基于无 Al 材料有源区的 793nm 波长条宽 100m单管，在 5A 时连续输出 5.6W，电光效率为 60.3%，慢轴发散角 8.8（95%能量）11。2020 年，德国 FBH 研究所报道其基于 GaAsP 材料有源区的 780nm 波长条宽 90m 单管，在 10%占空比、脉宽 10ms 的脉冲条件下，脉冲功率 14W（对应线功率 15.6W/100m），效率 45%；而 1200m 条宽单管脉冲功率 60W（对应线功率 5W/100m），效率 50%，慢轴发散角13（95%能量）5。国内方面，2019 年，深圳瑞波光电子公司报道基于InGaAsP 量子阱/AlGaInP 波导层的755nm波长条宽 350m 单管，连续功率 12.7W（对应线功率 3.6W/100m），效率 54%，快轴发散角 37，慢轴发散角8（FWHM），并经过 3800h 的寿命考核12。2021 年，中物院应用电子学研究所报道基于 GaAsP 量子阱/GaInP 波导层的 780nm 波长条宽 100m 单管，连续输出功率在 10.1W 时器件功率效率达到 54%，快轴发散角 46，慢轴发散角 7（95%能量），光谱半峰全宽 2.6nm，经 VBG外腔锁定光谱半峰全宽低至 0.06nm，波长线性调制范围达 0.23nm13。2023 年，苏州长光华芯公司报道基于 GaAsP 量子阱/AlGaAs 波导层的 780nm 波长条宽 150m 单管，连续功率约16.3W（对应线功率 10.9W/100m），效率约 60%，5.4A 时最高电光效率 71%，快轴发散角 39.9（FWHM），并在 6A经过 600h 的寿命考核14。而在 7xxnm 大功率巴条（线阵列）激光器方面报道不多，2012 年，美国 DILAS 公司报道基于 GaAsP 量子阱 780nm 波长的 19 点巴条，每个发光点条宽 150m，连续功率 110W，电光效率约 57%，79W时慢轴发散角 10.4（95%能量），光谱半峰全宽 2.2nm3。2021 年，德国 FBH 研究所报道基于 GaAsP 量子阱/AlGaAs波导层的 780nm 波长 5 发光点巴条，在 0.5ms 脉冲和 10Hz 重复频率下，脉冲功率 172W15。国内单位对于 7xxnm大功率巴条尚未见研究报道。从材料体系上看，7xxnm 芯片通常基于 AlGaInAs 或 GaInAsP 材料，含铝 AlGaInAs材料体系的优点是高铝组分带来的高带隙可以抑制载流子泄露提高效率，缺点是高表面复合速率的铝容易被氧化，腔面光学损伤阈值低，因此有源区含铝通常被认为会降低可靠性5。无铝 GaInAsP 材料体系优点是有可能通过标准钝化就获得良好的腔面可靠性，缺点是透明电流（因而阈值电流）相对较高。本文采用 GaAsP/GaInP 作为量子阱/波导避免发光区含铝，同时采用高带隙 AlGaInP 作为限制层，这种混合材料体系兼具二者优点。本文设计高效 GaAsP/GaInP 外延结构制备大功率 780nm 半导体激光器，采用高带隙限制层材料抑制载流子泄露从而提高内量子效率，并采用超高真空解理原位腔面钝化技术提高了腔面损伤阈值。制造的单管激光器件最大输出功率大于 16W，巴条最大输出功率 180W，为所能调研到的现有报道 780nm 巴条最高连续功率指标。1 器件设计制备采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法在 n 型 GaAs（100）单晶衬底上生长了 GaAsP/GaInP 体系的 780nm半导体激光的外延层。具体结构为：有源层由张应变 GaAsP 单量子阱（9nm 厚）组成，其嵌入 450nm 厚的 Zn 掺杂p 型和 1100nm 厚的 Si 掺杂 n 型 GaInP 波导层中。它们共同被 1800nm 厚的(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P 限制层包围。最上层为厚度 200nm 的重掺杂 p 型 GaAs 接触层。图 1是该外延结构的能带图，图中量子阱与波导层的带隙是 0.15eV，波导层与限制层的带隙是 0.28eV，带隙较高起到抑制载流子泄露的作用。计算外延层的折射率与光场模式分布如图 2 所示，采用 1.55m 厚的大光学腔波导结构增加了光束近场模式的尺寸，从而减小输出光功率密度，缓解腔面损伤问题。但大光腔可能容纳基模（TM0）、一阶模（TM1）、二阶模（TM2）。为保持基模稳定激射，设计量子阱处于靠近 p 型波导层的位置，基模、一阶模和二阶模的限制因子分别为 1.32%，0.66%和 0.01%，这种非对称的大光学腔结构可以抑制快轴高阶模，维持基模激射，快轴发散角即基模发强激光与粒子束111002-2散角，一般由外延结构决定。由于光子在 p 型掺杂材料中的损耗比 n 型材料中大，这样的结构使得整个光场偏向n 型限制层，光场进入 p 型波导层的比例更低，减小了损耗。同时窄 p 型波导结构减小了热阻，有利于获得高功率输出特性。外延片生长完成之后，半导体器件条宽 150m 台面结构通过光刻定义，并通过电感耦合等离子体（ICP）蚀刻转移到外延结构中。刻蚀深度为 900nm，提供横向有效折射率台阶neff=1.5103，使激光器大功率工作时保持正波导，从而维持稳定的侧向模式，有利于改善慢轴发散角。之后沉积 SiO2绝缘膜，刻蚀打开电注入窗口。芯片p 面电子束蒸发 Ti/Pt/Au 电极。减薄晶片后电子束蒸发 Ni/AuGe/Pt/Au 芯片 n 面电极。采用真空度 11010MPa 的超高真空解理镀膜设备解理巴条，并在腔体内原位蒸镀非晶硒化锌（ZnSe）前、后腔面钝化层。然后前腔面电子束蒸镀高透膜（Al2O3）反射率 R=2%。后腔面镀高反膜（Ta2O5/SiO2）R99%。最后将芯片 p 面向下安装在 COS 热沉上。而厘米巴条具有 4mm 的腔长和 40%的填充因子，单发光单元为 200m 条宽，为避免发光单元间光热串扰，工艺上用深隔离沟槽。隔离沟槽位于两发光点中间，设计宽度 9m、深度 3.7m 贯穿整个外延层，如图 3 所示。巴条被芯片 p 面向下安装在铜微通道冷却器上。2 实验结果分析制备的 780nm 条宽 150m 激光器件的连续功率效率测试结果如图 4 所示。测试条件为冷却水温 20。可以看出器件阈值电流为 1A，对应的阈值电流密度为 0.17kA/cm2，斜效率为 1.27W/A。器件在电流 6.513.5A 之间维持大于 60%的电光效率，峰值电光效率出现在电流 10A 附近达 62%，在 15A 输出功率 16.3W，此时电光效率为 58%。由于 7xxnm 半导体激光器的量子阱带隙宽度大于 9xxnm 激光器，其电子更易从量子阱层泄露至 p 型波导层/限制层，造成 7xxnm 器件内量子效率降低普遍低于 9xxnm 器件。我们采用的(Al0.5Ga0.5)0.5InP 高带隙限制层有利00.51.01.52.02.53.000.51.01.52.02.00 2.05 2.10 2.15 2.2000.51.01.5band energy/eVvertical position/mband energy/eVvertical position/mEcEvn-sidep-side=0.15 eV=0.28 eVFig.1Energybandsdiagramof780nmdiodelaser图1780nm 半导体激光外延的能带结构00.51.01.52.02.53.02.83.03.23.43.6indexTM0TM1TM2position/mindex/a.u.n-sidep-side00.20.40.60.81.0intensity/a.u.Fig.2Refractiveindexandmodedistributiondiagramof780nmdiodelaser图2780nm 半导体激光外延的折射率及光场分布100.89.189 m3.777 mFig.3SEMphotoofdeepisolationgroovebetweenemittersonbar图3巴条上发光点间深隔离槽 SEM 照片24681012140246810121416powerefficiencyvoltagecurrent/A01020304050601.21.31.41.51.61.71.81.9voltage/Vpower/Wefficiency/%Fig.4Opticaloutputpower,voltage,andconversionefficiencyasfunctionofcurrentof780nmsingleemitter图4780nm 单管的功率电压效率曲线李弋，等：大功率 780nm 单管连续输出 16W 和巴条连续输出 180W 半导体激光器111002-3于抑制载流子泄露，提高内量子效率，获得了较高功率和效率表现。而其功率稳定一方面得益于超高真空解理原位镀钝化膜阻止了腔面在空气中与氧气和水气反应16，因此在腔面承受的连续激光功率密度达到 7106W/cm2时仍未发生 COMD 退化，另一方面也受益于波导层为无铝 GaInP 材料本身的抗损伤阈值高于含铝波导。综合来说，芯片腔面抗 COMD 性能提高的主要原因是量子阱和波导层不含易氧化的 Al 组分，以及腔面在真空解理并原位镀ZnSe 钝化膜提高了 COMD。图 5 为激光器在 15A 电流下测试的远场与近场曲线。在 16.3W连续工作功率下，95%功率含量下测得的快轴远场角 95%=45，慢轴远场角|95%=9.9。慢轴发散角受外延结构、条宽、腔长、刻蚀深度、侧向波导结构、散热等因素综合影响。如前文所述的 1.55m 厚度大光学腔波导外延结构、150m 条宽、4mm 腔长、900nm 刻蚀深度的折射率引导侧向波导结构，COS 封装散热条件下，较窄的慢轴发散角说明脊型波导形成了良好的载流子和光场限制作用。图 6 是 15A 时的光谱图，半高全宽（FWHM）为 1.81nm，中心波长 779.8nm。对于19 点巴条，如图7 所示，器件阈值电流和斜效率分别为30A 和1.17W/A，功率在连续电流192A 下达到180W（平均每个发光单元 9.5W），此时电光效率为 50.7%，最大功率下的电压为 1.84V。180W 时光谱半高全宽（FWHM）为 2.2nm，中心波长 780nm（图 8）。对于巴条电光效率进一步提高的方法，除了优化外延结构来提高内量子效率、减少材料损耗外，还可以从优化腔长入手。较短腔长有利于减少波导损耗，本文中巴条 4mm 腔长较长。与单管需要增大腔长改善慢轴发散角不同，巴条的泵浦应用一般对于慢轴发散角无要求，因此后续将尝试制造 3mm或更短腔长来提高巴条电光效率。与单管器件的结果相比，由于巴条整体产热更高，自热造成了整体效率下降，巴条器件的电光效率比单管器件低约 7%。巴条的自发热 Pheat=(1/eff1)Plight，因此在一定的出光功率下减少产热主要依靠提高电光效率，除了外延结构优化外，降低节温也可以提高电光效率，主要方法包括设计更大的条宽来减小发光区节温，或使用金刚石次热沉等高热导率封装材料提高散热能力。如果改进封装散热能力，巴条效率有可能40 30 20 1001020304000.20.40.60.81.0intensity/a.u.degree/()95%=45|95%=9.9Fig.5Farfieldof780nmsingleemitter图5780nm 单管的远场曲线76577077578078579079500.20.40.60.81.0intensity/a.u.wavelength/nmFWHM:1.81 nmFig.6Spectrumcurveof780nmsingleemitter图6780nm 激光单管的光谱曲线255075100 125 150 175 200020406080100120140160180200current/Apower/Wvoltage/Vefficiency/%power efficiency voltage1.651.701.751.801.850102030405060Fig.7Opticaloutputpower,voltage,andconversionefficiencyasfunctionofcurrentof780nmdiodelaserbar图7780nm 激光巴条的功率电压效率曲线76577077578078579079500.20.40.60.81.0intensity/a.u.wavelength/nmFWHM:2.2 nmFig.8Spectrumcurveof780nmdiodelaserbar图8780nm 激光巴条的光谱曲线强激光与粒子束111002-4进一步改善。本文研制的器件和文献报道的 7xxnm 激光单管性能指标对比见表 1，巴条的性能指标对比见表 2。表 1 7xx nm 激光单管性能对比Table 1 Performance comparison of 7xx nm diode laser single emittersdiodelasersingleemitterwavelength/nmemitterwidth/mpower/Wconversionefficiency/%fastaxisdivergence/()slowaxisdivergence/()spectralwidth/nmnLight10786200106450(FW1/e2)10(FW1/e2)1.7Coherent117931005.660.3/8.8(FW95%)/Ferdinand-Braun-Institut57809014(pulse)45/Ferdinand-Braun-Institut5780120060(pulse)50/13(FW95%)/RaybowOptoelectronics1275535012.75437(FWHM)8(FWHM)/InstituteofAppliedElectronics,CAEP1378010010.15446(FW95%)7(FW95%)2.6EverbrightPhotonics1478015077139.9(FWHM)/16.360thiswork78015016.35845(FW95%)9.9(FW95%)1.81表 2 7xx nm 激光巴条性能对比Table 2 Performance comparison of 7xx nm diode laser barsdiodelaserbarwavelength/nmemitternumberemitterwidth/mpower/Wconversionefficiency/%spectralwidth/nmDILAS378019150110572.2Ferdinand-Braun-Institut157805/172(pulse)57/thiswork7801920018050.72.23 结论本文基于无铝源区 GaAsP/GaInP 高增益量子阱材料，结合非对称大光腔设计，获得了低内损耗和低热阻的高效率外延结构，采用超高真空解理镀钝化膜技术提高了腔面 COMD 阈值和器件可靠性。研制的大功率 780nm 波长、条宽 150m 单管芯片连续输出 16.3W，电光效率 58%，慢轴发散角 9.9，谱宽 1.81nm；厘米巴条连续输出 180W，电光效率 50.7%，谱宽仅 2.2nm，为现有报道的 780nm 巴条最高连续功率。参考文献：KeaveneyJ,HamlynWJ,AdamsCS,etal.Asingle-modeexternalcavitydiodelaserusinganintra-cavityatomicFaradayfilterwithshort-termlinewidth400kHzandlong-termstabilityof1MHzJ.ReviewofScientificInstruments,2016,87:095111.1MoultonPF,RinesGA,SlobodtchikovEV,etal.Tm-dopedfiberlasers:fundamentalsandpowerscalingJ.IEEEJournalofSelectedTopicsinQuantumElectronics,2009,15（1）:85-92.2KisselH,KhlerB,BiesenbachJ.High-powerdiodelaserpumpsforalkalilasers(DPALs)C/ProceedingsoftheSPIE8241,High-PowerDiodeLaserTechnologyandApplicationsX.2012:82410Q.3HbnerM,WilkensM,EppichB,etal.A1.4kW780nmpulseddiodelaser,highdutycycle,passivelyside-cooledpumpmoduleJ.OpticsExpress,2021,29（7）:9749-9757.4CrumpP,WilkensM,HbnerM,etal.Efficient,highpower780nmpumpsforhighenergyclassmid-infraredsolidstatelasersC/ProceedingsoftheSPIE11262,High-PowerDiodeLaserTechnologyXVIII.2020:1126204.5KisselH,TommJW,KhlerB,etal.Impactofexternalopticalfeedbackonhigh-powerdiodelaserlifetimeandfailuremodesC/ProceedingsoftheSPIE10900,High-PowerDiodeLaserTechnologyXVII.2019:109000S.6ChristopherH,KovalchukEV,WenzelH,etal.Comparisonofsymmetricandasymmetricdoublequantumwellextended-cavitydiodelasersforbroadbandpassivemode-lockingat780nmJ.AppliedOptics,2017,56（19）:5566-5572.7Al-Jabr 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半导体激光器的设计与制备J.强激光与粒子束,2021,33：091001.（HeLinan,ZhouKun,ZhangLiang,etal.Fabricationofhigh-powersemiconductorlaserwithwavelength-lockedat780nmJ.HighPowerLaserandParticleBeams,2021,33:091001）13WangBangguo,ZhouLi,TanShaoyang,etal.71%wall-plugefficiencyfrom780nm-emittinglaserdiodewithGaAsPquantumwellJ.Optics&LaserTechnology,2024,168:109867.14Arslan S,MaadorfA,Martin D,et al.Progress in high power diode laser pumps for high-energy class mid infra-red lasersC/2021 IEEE PhotonicsConference(IPC).2021:1-2.15BoschkerJE,SpenglerU,ResselP,etal.StabilityofZnSe-passivatedlaserfacetscleavedinairandinultra-highvacuumJ.IEEEPhotonicsJournal,2022,14:1531606.16强激光与粒子束111002-6