光谱稳定的低功耗980 nm单模泵浦源半导体激光器

李 辉， 都继瑶， 曲 轶， 张 晶， 李再金， 刘国军

(长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室， 吉林 长春 130022)



光谱稳定的低功耗980 nm单模泵浦源半导体激光器

李 辉*， 都继瑶， 曲 轶， 张 晶， 李再金， 刘国军

(长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室， 吉林 长春 130022)

由于在很多特殊应用领域要求980 nm泵浦源半导体激光器具有光谱稳定、低功耗等，本文通过对980 nm单模半导体激光器的腔长、腔面反射率及光纤光栅反射率等优化设计，研制出低阈值、高功率980 nm光纤光栅外腔波长稳定半导体激光器。该低功耗、波长稳定的单模半导体激光器，在100 mA工作电流下尾纤输出功率达到51 mW，3 dB带宽为0.16 nm，边模抑制比大于40 dB，器件在250 mA工作电流下，尾纤输出功率达到120 mW。

半导体激光器； 光纤布拉格光栅； 外腔结构； 波长稳定； 低功耗

1 引 言

近年来，掺铒光纤放大器(EDFA)在光纤通信中获得了广泛的应用。一个光纤放大器(EDFA)要用一个或两个泵浦激光器组件，因此，980 nm单模光纤光栅泵浦源半导体激光器有很大的市场需求。随着半导体量子阱材料生长技术、激光器芯片技术及装配技术的逐步完善，高功率半导体激光器在国外得到了迅速发展[1-4]。目前国际上研制、生产高功率980 nm光纤光栅外腔半导体激光器的公司主要有Oclaro、JDSU、Furukawa、3S Photonics等。目前，国外公司已经有输出功率达到1.05 W的980 nm单模大功率光纤光栅泵浦源半导体激光器产品出售。

由于对980 nm单模光纤光栅泵浦源半导体激光器的需求增加，国内从90年代就开始了该器件的研制工作。但是到目前为止，还没有性能可靠的产品出售。国内在高功率980 nm半导体激光器方面的研制主要有中科院半导体研究所[5-8]、北京工业大学[9]、河北工业大学[10-11]、上海理工大学[12]、中科院长春光机与物理所[13]、长春理工大学[14]等单位。由于国内工业条件和加工技术与国外有明显的差距，所研制的器件在寿命和可靠性方面还有很大的不足。

另外，980 nm单模半导体激光器作为掺铒光纤光源的泵浦源在很多特殊领域都有重要应用，其中一些应用领域要求泵浦源半导体激光器具有光谱稳定、低功耗等特性。现在商用器件的主要问题是功耗比较大，温度特性差，不利于应用于太空等苛刻的工作环境中，而这种光谱稳定、低功耗的980 nm光纤光栅泵浦源半导体激光器在国内外开展研究的单位较少。本文研制的980 nm单模光纤光栅泵浦源半导体激光器具有输出功率高、能耗低及光谱稳定等优点，可以应用于某些复杂环境中。

2 980 nm光纤光栅外腔结构单模泵浦源半导体激光器的研制

2.1 980 nm光纤光栅外腔结构泵浦源半导体激光器的设计和特性模拟

一般F-P腔半导体激光器输出激光的相干性较差，相干长度约为几毫米。采用光纤光栅外腔光反馈使特定波长的光反馈进入F-P腔，使该波长的光得到进一步放大增强，其他波长的光受到抑制，以实现稳频工作的目的。光纤光栅作为外腔结构的光学反馈部件，具有制作工艺简单、反射谱窄、中心波长稳定的优点，本文采用布拉格光纤光栅(FBG)作为外腔激光器的反馈元件，实现其波长锁定。

本文将单模光纤前端制作成楔形柱透镜并在单模光纤中置入光纤光栅(FBG)形成外腔半导体激光器(External cavity laser)。图1为光纤光栅外腔激光器原理图。光纤光栅通过楔状耦合端与半导体激光器芯片实现光学直接耦合，具有结构简单、耦合效率高的优点，易于实现器件耦合结构的长期稳定。

图1 光纤光栅外腔结构半导体激光器原理图

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

为了使光纤光栅外腔结构半导体激光器实现低功耗工作，我们对半导体激光器芯片的腔长、腔面反射率和光纤光栅的反射率进行了优化设计。通过理论计算，获得了980 nm光栅外腔结构半导体激光器输出功率与注入电流的关系模拟曲线，如图2所示。当芯片腔长为0.75 mm、腔面有效反射率为5%时，光栅外腔结构半导体激光器在100 mA注入电流下的输出功率可达到65 mW以上。所以，在制作980 nm单模半导体激光器芯片时，我们将其腔长设计为0.75 mm。

图2 980 nm光栅外腔结构半导体激光器输出功率与注入电流的模拟关系曲线

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

2.2 980 nm半导体激光器外延结构设计及材料生长

本文研制的980 nm单模光纤光栅半导体激光器的特点是输出功率高、能耗低及光谱稳定，这就要求980 nm单模半导体激光器芯片具有低阈值、高效率的特点。经过优化设计的980 nm半导体激光器材料的外延结构如表1所示。采用金属有机化学汽相沉积系统(MOCVD)进行半导体激光器的材料外延生长。

表1 In0.22Ga0.78As/GaAs 980 nm半导体激光器材料外延结构

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单模半导体激光器芯片制作和特性

目前单模半导体激光器的条形结构主要有脊形波导结构(RW)、掩埋异质结(BH)结构、沟道衬底内条形(VSIS)结构等。其中脊形波导半导体激光器具有工艺简单、基模输出功率大的优点，是目前大功率单模半导体激光器的优选条形波导结构。在本文中采用干法和湿法相结合的刻蚀工艺制作脊形波导结构器件[15]。

我们利用安装在积分球上的经校准的InGaAs探测器对输出功率与注入电流的特性进行测量。图3是不同温度(25，40，50，70 ℃)下的3 μm×750 μm980 nm半导体激光器的功率-电流特性曲线，图4是工作电流为100 mA时的器件的远场曲线。从图3可以看出，在工作电流为250 mA时(25 ℃)，激光器的输出功率达到170 mW以上。激光器的阈值电流为20 mA。器件在70 ℃时仍然可以正常工作，说明器件具有很好的温度特性。

图3 980 nm 单模半导体激光器在不同温度下的功率-电流曲线

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

图4是980 nm单模半导体激光器芯片在工作电流为100 mA时的远场曲线。器件的水平发散角和垂直发散角分别为9°和28°。

图4 980 nm 单模半导体激光器的水平(a)与垂直(b)发散角曲线

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

2.4 耦合端面的设计、制备与耦合工艺

本文采用楔形柱面透镜光纤进行器件的直接耦合输出。为设计出理论上最佳楔型透镜耦合光学系统，我们对该模型作如下假定：(1)980 nm单模高效率半导体激光器与微透镜单模光纤的模场的高斯近似；(2)忽略微透镜光纤端的菲涅尔反射损耗；(3)考虑到光纤中纤芯和包层的折射率相差很小，用同一折射率表示它们。激光器与光纤的耦合实质上是模态的匹配问题，当模态不匹配时，耦合效率很低。光纤头的楔形透镜相当于在光纤端面上加了一个微透镜，起到一个传输因子的作用，就是利用这个传输因子使激光器与光纤的模态达到匹配。耦合模型如图5所示。

图5 980 nm 单模半导体激光器光纤耦合结构示意图

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

2.5 980 nm单模泵浦源半导体激光器特性

图6是采用光纤光谱仪测试的器件的输出光谱，其中心波长为976.42 nm，3 dB带宽为0.16 nm，边模抑制比为43 dB。

图6 980 nm光纤光栅泵浦源半导体激光器的输出光谱

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

图7为980 nm光纤光栅泵浦源半导体激光器的输出功率与工作电流的关系曲线。在250 mA工作电流下，激光器的输出功率达到了120 mW。

图7 980 nm光纤光栅泵浦源半导体激光器的功率-电流特性曲线

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

3 结 论

采用980 nm单模半导体激光器与楔形光纤光栅耦合，制作出高效率、低功耗、波长稳定的980 nm单模泵浦源半导体激光器，耦合效率达到70%以上。在100 mA工作电流下，尾纤输出功率达到51 mW。器件的中心波长为976.42 nm，3 dB带宽为0.16 nm，其边模抑制比大于40 dB。器件在250 mA工作电流下，尾纤输出功率达到120 mW。

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李辉(1971-)，女，吉林长春人，博士，副研究员，2014年于长春理工大学获得博士学位，主要从事半导体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

国家自然科学基金(U1330136)； 高功率半导体激光国家重点实验室基金(9140C310205130C31004)； 长春市科技计划(13KG30)资助项目

TN248.4

A

10.3788/fgxb20163701.0033