980 nm大功率半导体激光器增透膜的优化设计与制备

王晓玲，崔碧峰，苏道军，张 松，李佳莼，凌小涵，王 勋

(北京工业大学光电子技术省部共建教育部重点实验室，北京100022)

1 引言

目前国际上高亮度、大功率的980 nm半导体激光器主要作为泵浦源被广泛应用于掺铒光纤放大器等通信领域以及医疗、加工和军事等领域中。为了实现激光器的高功率输出，一般在半导体激光器腔面一端镀以增透膜来消除和减小表面的反射光［1］;此外，在腔面进行镀膜也起到了保护腔面的作用，通过提高半导体激光器的COD阈值，延长了器件的寿命。位于激光器前腔面的增透膜反射率越低，输出光功率越高，但反射率低会导致阈值电流增高，导致电光转换效率降低，所以一般镀以特定反射率防止阈值电流过高［2］。

我们选择设计和制备980 nm处达到特定反射率的增透膜系，为了确定前后腔面的最佳反射率系数，利用最佳工作点随着和端面反射率相关的阈值电流等参数的变化规律来进行推导，然后设计膜系并在前后腔面进行镀制，使镀制的半导体激光器适合更大的电流下工作。

2 最佳工作点

半导体激光器的最佳工作点是功率转换效率最大的点，其中功率转换效率ηp具有以下关系式:

其中，Pem为激光器辐射的光功率，即输出功率;P0为激光器所消耗的电功率，即输入功率，它们的表达式分别为:

式中，VA为器件的开启电压，对于980 nm半导体激光器，VA为1.27 V;Rs为器件的串联电阻;Ith为器件的阈值电流。

根据上述公式，模拟出不同阈值电流下(0.6～1.0 A)的功率转换效率随输入电流的变化曲线，如图1所示。

图1 不同阈值电流下的转换效率－电流模拟曲线Fig.1 Simulated transfer efficiency－current curve of different threshold current

从图1可以看出，半导体激光器的阈值电流越大，其工作到最佳工作点时具有更大的输入电流，即半导体激光器的最佳工作点随阈值电流的增大而右移，根据阈值电流的表征公式:

其中，阈值电流与前后腔面反射率R1·R2成反比，为了使最终镀膜后的半导体激光器更适合在大功率下工作，选择增透膜反射率RAR分别为8%、5% 和2%，高反膜反射率RHR均为90%的腔面膜系进行制备。在能够获得稳定的后腔面高反膜反射率的前提下，主要对镀制在前腔面的三种增透膜进行详细膜系设计和镀制后的反射率测试。

3 薄膜的设计与优化

设计中选择GaAs和Si两种材料分别作为衬底进行模拟，这两种材料都有很高的折射率，其中GaAs是常用的半导体激光器出光面材料。对于镀制在后腔面的高反膜，因为其层数较多，反射率曲线中心波长所处的波峰较宽，经过多次模拟和实验，目前基本可以使镀制的高反膜反射率稳定在设计标准，所以这里只考虑增透膜的反射率数值设计。

3.1 镀膜材料的选取

为了获得性质稳定、高致密性且高激光损伤阈值的光学薄膜，需要考虑膜料的一些性质，包括膜料的纯度、光学机械特性、化学特性等，从而选择出合适的膜料以及匹配的蒸发技术［3］。实验中选用SiO2和Al2O3作为增透膜材料［4］，其中制备增透膜选用的Al2O3是一种非常稳定的膜料，它的结构和成分就算在频繁的设备集成过程中也不会产生明显的变化［5－6］，此外它也具有好的重复性及简单的制备工艺。

3.2 特定反射率膜系的设计

目前己有很多不同类型的增透膜，满足了技术光学、激光光学等领域的需要。根据膜的层数不同可分为单层、双层以及多层增透膜［7］。

首先选择设计980 nm波长处反射率达2%的单层增透膜。模拟出中心波长下的反射率曲线，反射率曲线在中心波长处有最小值，此时对应的Al2O3厚度既为中心波长的1/4 λ光学厚度。在此基础上，通过对Al2O3的厚度进行调整，使中心波长发生改变，从而在特定波长处达到所需的反射率系数［8］。设计出来的980 nm波长处反射率达2%的单层增透膜其相关参数如表1所示，表中反射率根据衬底不同而变化。

表1 RAR=2%的单层增透膜设计参数Tab.1 Design parameters of RAR=2%monolayer AR－coating

与单层膜相比，多层膜的反射率曲线具有更大的带宽，当中心波长产生偏移时不会造成太大的反射率误差。分别设计980 nm处反射率达5%及8%的双层增透膜，材料为Al2O3和SiO2。同样通过调整材料膜厚，使反射率曲线在特定波长处接近于设计要求，设计出来的980 nm波长处反射率达5%与8%的双层增透膜膜系分别为:

膜系中，H为高折射率材料Al2O3;L为低折射率材料SiO2，这两种材料在中心波长980 nm处设定的厚度及对应的反射率如表2所示，表中反射率根据衬底不同而变化。

表2 双层增透膜设计参数Tab.2 Design parameters of double－layer AR －coating

4 实验及结果分析

4.1 实 验

我们用的镀膜设备为Denton Vacuum的Infinity26真空镀膜机，镀膜机中包括冷阴极离子源及石英晶振监控系统，薄膜镀制采用离子辅助电子束蒸发技术，全程由与镀膜机连接的计算机自动监控与操作。为了方便对薄膜的参数和厚度进行修正，选择了各方面性能与激光器解理面比较接近的单晶硅衬底做陪片。

按照上述设计的膜系结构进行实验，薄膜镀制前开电子枪对镀膜材料进行充分的预熔，镀制过程中SiO2用O2及Ar作为离子源的工作气体，Al2O3则用O2作为离子源的工作气体，O2离子注入可提高薄膜化学计量比，减少失氧，获得具有更低吸收的薄膜［9－11］，Ar离子注入辅助镀膜，增加了膜层的牢固度。用离子源产生的离子束对基片进行轰击，高能轰击增加了薄膜致密度从而增加光谱稳定性［12］。实验结束后取下实验片，用分光光度计或椭偏仪进行测试。

4.2 结果及分析

实验了980 nm波长的2%特定反射率单层增透膜及5%、8%反射率的双层增透膜，这三种增透膜对应在Si衬底上的反射率设计值分别为3.34%、5.99%及10.04%，应用分光光度计分别测试了薄膜的反射率曲线，之后与模拟的增透膜反射率曲线进行对比，结果如图2、3所示。

图2 RAR=2%的单层增透膜的波长－反射率对比曲线Fig.2 reflectivity － wavelength contrastive curve ofRAR=2%monolayer AR Coating

图3 不同反射率双层增透膜的波长－反射率对比曲线Fig.3 reflectivity － wavelength contrastive curve of RAR=5%double layer AR Coating and RAR=8%double layer AR Coating

表3列出了软件模拟出的980 nm波长处三种特定反射率的增透膜的设定膜厚、对应的反射率曲线的中心波长，以及实际镀制的增透膜的中心波长λ'中心波长和 980 nm 处的实际反射率系数 R'特定。从表中可以看出，实验测得的三种增透膜的反射率曲线中心波长均略向右偏移，导致980 nm处实际测得的反射率与设计的反射率值存在偏差，但误差不大，由此可以得出实际镀制的激光器出光面增透膜基本可以达到设计要求。

表3 特定反射率增透膜实验结果Tab.3 Experimental results of AR － coating with specific reflectivity

5 测试结果

将未镀膜和进行薄膜镀制后的激光器管芯分别进行封装、测试，它们的P－I特性曲线如图4所示，转换效率与输入电流之间的关系曲线如图5所示。

图4 不同腔面膜系半导体激光器P－I曲线Fig.4 Power－ current curve of LDs with different AR coatings

图5 不同腔面膜系半导体激光器及转换效率－电流曲线示意图Fig.5 Conversion efficiency －current curve of LDs with different AR coatings

由图4可以看出，进行腔面镀膜的半导体激光器与未镀膜的激光器相比，其功率随着输入电流的增加有着明显提高:在输入电流为15 A处，前腔面分别进行R=8%、R=5%及R=2%镀膜处理以及后腔面均进行R=90%镀膜处理的激光器其输出功率分别提高了37.35%、39.65%及41.18%。

由图5可以看出，进行腔面镀膜的半导体激光器其转换效率也有明显的提高:没有腔面镀膜的半导体激光器在最佳工作点处的转换效率仅为37.62%，对于后腔面均镀制R=90%高反膜，前出光腔面分别镀制R=8%、R=5%及R=2%增透膜的三种半导体激光器，它们在最佳工作点处的转换效率分别可达到 62.95%、63.75% 及 65.06%;这三种膜系的半导体激光器达最佳工作点时的输入电流分别约为4.8 A、6 A及7 A，因此可以看出增透膜反射率系数最低的激光器工作到最佳工作点时具有更大的输入电流。

6 结论

对于980 nm大功率半导体激光器，提出了最佳工作点随着和端面反射率相关的阈值电流等参数的变化规律。为了验证这一关系，方便以后腔面反射率膜系的选择，在能够获得稳定的高反膜反射率的前提下，设计并制备了高反膜反射率为90%且增透膜反射率系数分别为2%、5%及8%的三种腔面膜膜系，之后对镀膜机蒸镀的增透膜进行了反射率测试，实验结果基本可以达到设计要求。

对激光器管芯进行封装和发光性能测试，结果显示镀膜后激光器的输出功率及光转换效率均有大幅的提高:在输入电流为15 A处，它们的输出功率提高了约37.35% ～35.18%;在它们的最佳工作点处，转换效率提高了25.33% ～27.44%;此外通过测试结果可以看出，高反膜反射率一定时半导体激光器的最佳工作点随其出光面增透膜反射率的减小而右移，即最佳工作点随阈值电流的增大而右移;上述三种不同腔面膜膜系的半导体激光器中，选择2%增透膜反射率系数进行镀制的半导体激光器不仅具有更高的输出功率与更大的最佳工作点处的转换效率，在其最佳工作点处也具有更大的电流值。结果表明优化选择腔面膜膜系进行镀制，可以使半导体激光器更适合在较大的功率下工作。

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