高功率半導體激光器腔面高反膜的研究

邱忠陽 馮爽 徐栩 李玉春

摘 要：針對半導體激光器在空氣中解理時，其腔面鍍膜對激光器的輸出特性的影響，討論了半導體激光器的腔面膜的設計方法及其腔面薄膜的選擇依據(jù)。對半導體激光器后腔面不鍍膜，后腔面鍍上高反射膜進行了對比，測試了半導體激光器的輸出功率。結果表明，鍍上高反射薄膜的激光器比沒有鍍高反射膜的激光器閾值電流降低了10%、斜率效應提高了17.9%。在半導體激光器的腔面鍍膜，可以有效提高器件的輸出特性，還有保護激光器腔面不受大氣環(huán)境中的水汽和灰塵等其他物質(zhì)污染，增加器件的工作可靠性。

關鍵詞：高功率半導體激光器 高反射膜 閾值

中圖分類號：TN24 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（a）-0092-03

Abstract： The design method of cavity mask for semiconductor laser and the selection basis of the cavity surface film are discussed according to the influence of the cavity coating on the output characteristics of the laser as the semiconductor laser is cleaved in the air.The output power of the semiconductor laser is tested by comparing the back surface of the semiconductor laser without coating with the high reflectivity film on the back surface. The results show that the threshold current of the laser with a high reflection film is reduced by 10% and the slope effect is increased by 17.9% compared to the laser without the high reflection film. The cavity surface film of semiconductor laser can effectively improve the output characteristics of the device， protect the laser cavity surface from the pollution of the water vapor， the dust and other substances in the atmospheric environment and increase the reliability of devices.

Key Words： High power semiconductor laser； High reflective film； Threshold value

大功率半導體激光器具有高輸出功率、高功率轉化效率、體積小和較高的可靠性等優(yōu)點[1l。目前，大功率半導體激光器己被廣泛應用于光通信、光信儲存、泵浦固體激光器、材料加工、激光醫(yī)療等領域[2-4]。隨著其應用的不斷擴大，對于器件的性能、可靠性要求進一步提高[5]。在半導體激光器的腔面鍍膜除可以提高器件的前腔面輸出效率外，還有保護激光器腔面不受大氣環(huán)境中的水汽和灰塵等其他物質(zhì)污染，有利于提高器件的COD閾值，增加器件的工作可靠性[6]。

1 高功率激光器腔面反射率優(yōu)化

半導體激光器的自然解理面的端面反射率R為：

（1）

其中，為腔外介質(zhì)折射率，通常為空氣（=1），n為激光器波導的模式折射率。半導體激光器自然解理腔面的反射率一般在30%左右。對于高功率半導體激光器，一般要求諧振腔的后腔面反射率盡可能高（>95%），即HR膜，以減少不必要的光損耗，降低器件的激射閾值，而激光器的光輸出腔面要求具有比較低的反射率（5%～10%），即AR膜，以增加腔內(nèi)光的出射[7]。

以出射介質(zhì)為空氣的單層膜為例，其反射率為：

（2）

其中，R為光強反射率，為入射介質(zhì)的折射率即波導的模式折射率，為膜層介質(zhì)折射率，d為膜層厚度。當選用膜層的折射率介于入射介質(zhì)與空氣介質(zhì)之間時，單層膜具有增透性，且在光學厚度d為時增透率最大，此條件下的反射率為：

（3）

當?shù)扔诘钠椒礁禃r，反射率為零，即完全透射。同時，當選用膜層的折射率高于入射介質(zhì)的折射率時，單層膜具有增反性，且在光學厚度（d）為時增反率最大，此條件下的反射率為：

（4）

膜層的折射率越大其反射率越高。但由于膜層折射率的限制，其單層膜的反射率不可能很高，一般需要靠多層膜才能獲得較高的腔面反射率。

激光器高反射膜通常由高、低折射率兩種材料的交替介質(zhì)膜組成，可用GLHLHLHLHA=表示，其中G和A代表入射介質(zhì)和出射介質(zhì)（空氣），H和L代表光學厚度為的高、低折射率膜層，N為膜層對數(shù)。其反射率為：

（5）

我們以Si/SiO2兩種材料組成多層膜系為例，Si/SiO2的折射率分別為nSi=3.5，nSiO2=1.45，設中心波長nm，襯底折射率，僅兩對材料即可獲得96.7%的高反射率，3對材料可獲得99.4%的高反射率。經(jīng)計算表明，兩種材料的折射率差別越大，層數(shù)越多，則膜系的反射率越高，而且反射譜寬度隨兩種材料折射率的差別增大而加寬。

2 腔面薄膜材料的選擇

對于高功率半導體激光器，光學災變是激光器工作時面臨的主要問題，也是限制激光器使用壽命的一個國際性難題，強激光會對膜層有損傷，對整個激光器的可靠性有不良影響[8]。在膜層材料的選擇上以下幾方面的性質(zhì)是重要的，即透明度、折射率、機械牢固度和化學穩(wěn)定性、抗激光損傷及光學損耗等[9-11]。

通常作為激光器高反射膜的膜系需要多層膜構成才能滿足激光器高反射膜的要求，但是膜層數(shù)越多界面態(tài)密度增加的概率就越大，所以我們在選取膜層材料時要盡量減少膜層數(shù)并獲得高的發(fā)射率。

非晶硅作為一種常用的紅外波段光學薄膜材料，具有紅外吸收系數(shù)小、折射率高（折射率在3.0～4.0）、熱特性好等優(yōu)點，是制作激光器光學膜的理想選擇，但非晶硅在近紅外波段的吸收系數(shù)偏大（波長低于900nm時的吸收系數(shù)可達104cm-1以上），限制了非晶硅材料在近紅外波段激光器腔面膜上的應用[12-15]。在非晶硅中摻入氫可以降低材料的光學吸收，并取得了較好的實驗效果，因此氫化非晶硅（a-Si：H）成為降低非晶硅薄膜吸收的有效手段，有利于減少界面復合，提高半導體激光器的腔面COD閾值[12-15]。所以，本文采用a-Si：H/SiO2膜系鍍制激光器高反射膜。

3 實驗結果與分析

制備a-Si：H膜時，氫的組分會直接影響a-Si：H膜折射率和消光系數(shù)，實驗采用磁控濺射法制備a-Si：H膜，實驗設備是美國DENTON Discovery?-18磁控濺射鍍膜機。濺射靶材是厚度5mm、純度99.999%的Si靶，基底是n+-c-Si（摻雜濃度5E18/cm3）襯底，靶基距為8cm，實驗初始壓強9×10-5Pa，襯底溫度150℃。隨著氫氣流量增加，a-Si：H膜折射率、消光系數(shù)就降低。氫含量為8%的a-Si：H膜層在808nm波長處的折射率為3.2和消光系數(shù)8×10-3，滿足折射率較高，消光系數(shù)較低的要求，所以選取氫含量為8%的a-Si：H膜做a-Si：H/SiO2膜系的高折射膜層。我們選取兩組激光器對比實驗情況（見表1）。

以a-Si：H/SiO2膜系做高反膜，我們對比鍍膜前后輸出特性的改善情況，鍍膜前激光器的閾值電流和斜率效應分別為0.5A、0.56W/A，而鍍膜后閾值電流為0.45A，斜率效應為0.66W/A，我們發(fā)現(xiàn)，在激光器后腔鍍高反射膜后，能夠有效地降低激光器的閾值電流并提高斜率效應。

4 結語

本文研究了高功率半導體激光器腔面高反膜對激光器性能的影響。首先對半導體激光器腔面膜的設計和選取進行優(yōu)化，提高半導體激光器的穩(wěn)定性。利用半導體激光器腔面鍍膜前后反射率對半導體激光器腔面鍍膜前后的閾值電流和斜率效應進行計算，我們對半導體激光器后腔鍍3對a-Si：H/SiO2膜系做高反膜，激光器的閾值電流降低了10%，斜率效應提高了17.9%。發(fā)現(xiàn)半導體激光器腔面鍍膜能夠得到較理想的激光輸出特性。本文為半導體激光器腔面鍍膜工作的順利進行提供了理論依據(jù)。

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