使用雙條結構改進窄脊高功率激光二極管遠場角

激光器芯片的遠場角度

在激光器芯片的設計和應用中，遠場角度是一個重要的參數(shù)。它描述了激光器發(fā)出的光束在遠離芯片后，其發(fā)散程度。遠場角度的大小直接影響到激光光束的質量，進而影響到激光的應用效果。下面我們將根據(jù)給定的搜索結果，詳細介紹激光器芯片的遠場角度的相關知識。

1. 遠場角度的定義和重要性

遠場角度定義為激光束的遠場發(fā)散角，它是衡量激光光束質量的一個重要參數(shù)。光束質量因子（M2因子）是激光束腰半徑和光束遠場發(fā)散角的乘積與理想基模光束束腰半徑和基模發(fā)散角乘積的比值，用來表征激光光束質量。實際激光光束質量因子越接近1，說明光束質量越接近理想光束，其遠場角度也就越小5。

2. 遠場角度的測量方法

測量激光光束直徑的方法有套孔法、激光光束分析儀（CCD）測量、刀口法等。其中，CCD光束分析儀是一種常用的工具，它可以測量出激光光束的直徑，從而推算出遠場角度。然而，需要注意的是，由于激光能量強且集中，激光作用到物體上會有一定的發(fā)散。

發(fā)散角如果太大，會影響后續(xù)激光的封裝和應用，因此發(fā)散角相對越小越好，如果快軸和慢軸相等，是個圓形就更好了，和光纖、棱鏡的耦合效率高。

具有較大的發(fā)射區(qū)大小，容易導致多模橫向模式。

通過成功減輕橫向載流子積累，可以通過深層質子注入來實現(xiàn)光束質量的顯著提高[13]。引入模式濾波器是另一種有效的方法，用于針對高階模式誘導額外損耗。這些模式濾波器的例子包括漸變激光器、相位結構、外部腔配置、傾斜波導、微結構和非均勻波導。然而，這些方法受到限制，因為它們往往伴隨著輸出功率的降低或需要復雜的設計，這限制了它們的實際應用。根據(jù)最近的一項研究，他們報告了通過使用微尺度三角形孔洞進行損耗定制，實現(xiàn)了FF角的顯著減小，同時沒有造成重大的功率損失。前一項研究中解釋的損耗定制結構激光二極管（LD）的結構如圖1(f)所示。為了減輕高階橫向模式的存在，三角形微孔被策略性地放置在這些高階模式的光學峰值位置。但是，這種方法不適合設計用于短波長的窄脊LD，主要是因為孔徑的大小限制和定位的復雜性。先前的研究采用了具有100μm脊寬和5μm寬三角形孔的LD模型。

相比之下，迄今為止報道的短波長HPLD傾向于具有較窄的山脊，小于30微米。在這些LD中采用5微米寬的孔洞會大大減小接觸面積，并且可能還會抑制低階模式。結果，LD的整體性能將會降低。此外，在窄山脊激光二極管的情況下，這些模型中的孔洞排列將更加密集和緊密，與前一個模型相比。這種孔洞密度的增加在制造方面提出了挑戰(zhàn)，需要更準確和精確的過程。因此，由于復雜性和精度要求的提高，短波長模型的制造過程預計將額外花費時間和成本。在這篇論文中，我們提出了一種基于損耗裁剪結構的新結構，該結構使用簡單的條紋（SSLT），其基于與上述研究相似的機制。與先前的研究不同，我們實施了條紋而不是三角形孔洞，以便合理地適應短山脊激光二極管并簡化制造，如圖1(e)所示。

為了對高功率激光二極管進行數(shù)值分析，我們使用了商業(yè)上可獲得的模擬器LASTIP。它能夠實現(xiàn)激光二極管的電熱光特性自洽模擬，包括電子和空穴傳輸、量子阱光學增益以及橫向平面的熱量散發(fā)等關鍵方面。在我們的模擬中，我們考慮了各種熱源，包括焦耳加熱、來自光學模式吸收和非輻射復合過程產(chǎn)生的熱量。通過納入這些全面的熱學和光學考慮因素，我們可以準確地建模和分析高功率激光二極管的性能特征。我們已經(jīng)研究了如何使用相同的經(jīng)過驗證的模擬方法來提高高功率激光二極管的束質量或降低FF。這個405納米的激光二極管有一個12微米寬的肋條和一個1200微米長的腔體，側面反射率為5.6%和95.0%。它由In0.066GaN多量子阱組成在0.008GaN量子阱中，上下有厚GaN波導層。

在p型波導和包層之間，有一個高摻雜的Al0.36GaN 5納米厚的電子阻擋層，以提高效率。該支架由上部的AlN和下部的SiC組成，兩者相連，只有下部直接與封裝和熱電冷卻器（TEC）連接。假設在肋波導頂部的最上層金屬和GaN襯底下方80微米處的最底層金屬的溫度保持在散熱器的溫度298K。考慮單獨限制異質結構（SCH）層的熱指數(shù)變化是很重要的，因為它是FF膨脹的主要原因。為此，我們使用1.3×10^4/K作為GaN的熱指數(shù)變化的溫度依賴性。

這種新穎的設計，用于窄脊高功率寬區(qū)域激光二極管，該設計包括條紋，有效地抑制了高階模式并拓寬了側向NF圖案。通過新模型，可以實現(xiàn)了FF角度的36%減少，同時幾乎沒有降低斜率效率。

該方案模擬起來效果確實不錯，但是工藝估計比較難實現(xiàn)，挖出來的溝道最好要填充實了。就面臨兩個關緊問題1）這么陡直的溝道怎么開的好，有深度和粗糙度要求。

2）如何填充，用什么介質填充。

見過國外有人挖ridge，深度有一個多um，最后靠SiO2和金屬層填充，但是很耗金，金要10個多um。

其他的一些手段，比如是外延+芯片結構設計也能改善，手段倒是挺多，性價比都不高，工藝成不高。