基于高阶光栅的高功率单纵模半导体激光器研究
开题报告
目 录
一、选题背景
二、研究目的和意义
三、本文研究涉及的主要理论
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
（二）本文研究框架
五、写作提纲
六、本文研究进展
七、目前已经阅读的文献
一、选题背景
半导体激光器相比于其他种类激光器具有很多优点，例如：体积小、寿命长、转换效率高、可以直接调制等。这些优点使其广泛应用于通信和信息技术、打印和显示、材料加工、医疗及国防等领域。自 1962 年第一只低温脉冲 GaAs 激光器[1]发明至今，半导体激光器经历了数次技术革新，在高输出功率、高转换效率、高可靠性等方面取得了长足的进步[2]。特别是在当前全球能源紧张的前提下，其作为一种高效节能的激光设备，在工业加工、光通信等领域的作用越来越重要。
随着半导体材料体系不断拓展，半导体激光器的波长由最初的近红外波段不断扩展，目前涵盖了从 400 nm 到 3 mm 的紫外到太赫兹波段。同时，随着材料生长技术、光刻技术以及刻蚀技术等关键工艺不断更新，半导体激光器的输出功率、转换效率和可靠性等性能指标不断提高。这些进步大大增强了半导体激光器的实用性，使其拥有了更广阔的应用前景。
二、研究目的和意义
高功率单纵模半导体激光器在相干光通信、泵浦固体激光器及国防等领域有着其他激光器不可替代的优势。由于传统半导体激光器的谐振腔长尺寸远大于波长量级，无法对光模式形成有效的选频机制，在高功率工作时其光谱会迅速展宽，导致器件的相干性变差，严重地影响其在相干光通信和高分辨光学测试系统中的应用。为从根本上解决这个问题，本论文采用在半导体激光器光波导引入高阶布拉格光栅的方法，利用高阶光栅的散射特性和反射特性进行光模式选择，实现了激光器件的高功率稳定单横模工作。本文主要对高阶布拉格光栅耦合半导体激光器（包括高阶光栅 DBR 激光器和高阶光栅 DFB 激光器）以及单纵模激光器的相干特性进行了研究。
三、本文研究涉及的主要理论
目前商业化的高功率半导体激光器主要位于近红外波段，其波长范围为780-1100 nm。近红外高功率半导体激光器是固体激光器和光纤激光器的重要泵浦光源。而且其在空间光通讯、激光医疗、激光加工及国防等应用领域都有着不可替代的作用。随着这些领域对半导体激光器输出功率的要求不断提高，发展半导体激光器高输出功率技术的重要性不言而喻。近几年来，高功率半导体激光器的性能大幅提升，其中单管激光器的连续输出功率已突破 10 W。2012 年，德国 FBH 研究所基于增加大面积激光器发射功率密度的机理，成功实现在短脉冲条件下，100 μm条宽激光器输出功率达到100 W；在准连续条件下，100 μm 条宽激光器输出功率大于 30 W；在连续注入条件下，30 μm 条宽激光器输出功率大于 10 W[3]。同年，该研究所制作 975 nm 波段条宽为 90 μm-100 μm 的宽区 DBR 及宽区 DFB 二极管激光器，输出连续波功率超过12 W，光谱线宽小于 1nm，当其输出功率 10 W 时，功率转换效率高达 63%[4]。
单模半导体激光器由于其良好的光谱特性和相干特性，在光通信领域被广泛关注。近几年随着半导体材料和工艺技术的进步，其输出功率也得到了大幅的提升。2007 年，美国 Photodigm 公司制造 1064 nm 波段 DBR 半导体激光器，实现单模输出功率达到 700 mW、阈值电流 30 mA、边模抑制比 30 dB[5]。2009 年，该公司采用单步 MBE，全息光刻光栅法，获得性能良好的 974 nm 波长器件，斜率效率0.72 W/A，输出功率达到425 mW；1084 nm波长器件，斜率效率0.85 W/A、输出功率达到 550 mW[6]。2010 年美国 Photodigm 公司又研制出高功率单模 DBR半导体激光器，在 976 nm 波段和 1064 nm 波段保持良好的稳定性的同时，单模输出功率超过 500 mW[7]。2014 年，德国 FBH 研究所制作的 1066 nm 波段 DBR半导体激光器，输出功率 3.5 W 时、功率转换效率达到 65%[8]。同年，该研究所制作的基于 MOPA 结构的 975 nm 波段和 1064 nm 波段的可调谐二极管激光器，最大输出功率 16.3 W、线宽小于 10 pm、边模抑制比大于 40 dB[9,10]。
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
具体研究内容如下：
1、对高阶光栅结构的选频机理进行了理论分析，并研究了半导体激光器的设计理论及制备工艺。
2、对高阶光栅 DBR 激光器的光谱特性和可靠性进行了研究。
3、通过激光器的光谱特性进行研究，发现通过调整高阶光栅结构参数可实现特定波长光模式振荡。设计并制备了两种高阶光栅 DBR 激光器，实现了高功率单模与双模激光输出，光谱线宽小于 40 pm，边模抑制比大于 38 dB。
4、研制出一种低损耗高阶表面光栅 DFB 激光器，对其选频机制进行了分析，对其功率特性和光谱特性进行了测试与分析，得到了连续输出功率 180 mW，边模抑制比大于 40 dB 的单模激光输出。
5、根据部分相干光理论，采用杨氏双缝实验，研究了单频半导体激光器的空间相干特性，为进一步设计相干列阵器件工作打下了坚实基础。
（二）本文研究框架
本文研究框架可简单表示为：
五、写作提纲
摘要 5-7
Abstract 7-8
目录 9-12
第1章 绪论 12-26
1.1 半导体激光器的研究进展 12-21
1.1.1 高功率半导体激光器 12-15
1.1.2 高效率半导体激光器 15
1.1.3 高可靠性半导体激光器 15-16
1.1.4 高光束质量半导体激光器 16-18
1.1.5 窄线宽半导体激光器 18-21
1.2 单纵模半导体激光器的研究进展 21-23
1.2.1 国外单纵模半导体激光器的研究进展 22-23
1.2.2 国内单纵模半导体激光器的研究进展 23
1.3 本文的研究目的与内容 23-26
第2章 高阶光栅单纵模半导体激光器理论设计与分析 26-46
2.1 半导体激光器的基本特性 26-29
2.1.1 半导体的辐射跃迁 26-27
2.1.2 半导体激光器的增益与阈值条件 27-29
2.2 半导体激光器的输出功率与转换效率 29-31
2.2.1 半导体激光器的输出功率 29-30
2.2.2 半导体激光器的转化效率 30-31
2.3 半导体激光器的纵模与光谱特性 31-32
2.4 高阶布拉格光栅波导的理论模型 32-38
2.4.1 分布反馈(DFB)激光器和分布布拉格反射(DBR)激光器 32-33
2.4.2 散射理论 33-36
2.4.3 传输矩阵理论模型 36-38
2.5 高阶布拉格光栅波导的光学特性分析 38-42
2.5.1 传输矩阵分析 38-40
2.5.2 高阶布拉格光栅的损耗光谱 40-42
2.6 单纵模激光器的空间相干性分析 42-45
2.6.1 部分相干光定理 42-43
2.6.2 相干度理论计算方法 43-45
2.7 本章小结 45-46
第3章 高阶光栅单纵模半导体激光器制备 46-68
3.1 外延生长技术 46-47
3.2 光刻技术 47-52
3.3 刻蚀技术 52-61
3.3.1 干法刻蚀 52-55
3.3.2 SiO2和GaAs刻蚀工艺探索 55-59
3.3.3 湿法腐蚀 59-61
3.4 薄膜生长技术 61-65
3.4.1 电绝缘膜生长技术 62
3.4.2 金属电极生长技术 62-64
3.4.3 光学薄膜生长技术 64-65
3.5 高阶光栅半导体激光器的制备 65-66
3.6 本章小结 66-68
第4章 高阶光栅分布布拉格反射半导体激光器 68-94
4.1 高阶光栅单纵模分布布拉格反射半导体激光器 68-81
4.1.1 器件结构设计 68-76
4.1.2 器件制备 76-77
4.1.3 器件测量结果 77-81
4.2 双波长高阶光栅分布布拉格发射激光器 81-86
4.2.1 器件设计 81-83
4.2.2 器件制备 83-84
4.2.3 器件测量结果 84-86
4.3 高阶光栅耦合半导体激光器可靠性分析 86-92
4.3.1 拉曼光谱分析技术原理 87-88
4.3.2 测试结果与分析 88-92
4.4 本章小结 92-94
第5章 高阶光栅单纵模分布反馈半导体激光器 94-100
5.1 器件制备 94-96
5.2 器件测量结果 96-99
5.3 本章小结 99-100
第6章 单纵模半导体激光器件空间相干特性的研究 100-116
6.1 VCSEL单管器件空间相干性研究 100-107
6.1.1 部分相干光理论 101-103
6.1.2 测试结果 103-107
6.2 VCSEL列阵器件的空间相干特性研究 107-114
6.2.1 器件设计 107-110
6.2.2 器件制备 110
6.2.3 测试结果 110-114
6.3 本章小结 114-116
第7章 总结与展望 116-118
参考文献 118-132
六、本文研究进展(略)
七、目前已经阅读的主要文献
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