如何使用双条结构改进窄脊高功率激光二极管远场角呢？

激光器芯片的远场角度

在激光器芯片的设计和应用中，远场角度是一个重要的参数。它描述了激光器发出的光束在远离芯片后，其发散程度。远场角度的大小直接影响到激光光束的质量，进而影响到激光的应用效果。下面我们将根据给定的搜索结果，详细介绍激光器芯片的远场角度的相关知识。

1. 远场角度的定义和重要性

远场角度定义为激光束的远场发散角，它是衡量激光光束质量的一个重要参数。光束质量因子（M²因子）是激光束腰半径和光束远场发散角的乘积与理想基模光束束腰半径和基模发散角乘积的比值，用来表征激光光束质量。实际激光光束质量因子越接近1，说明光束质量越接近理想光束，其远场角度也就越小5。

2. 远场角度的测量方法

测量激光光束直径的方法有套孔法、激光光束分析仪（CCD）测量、刀口法等。其中，CCD光束分析仪是一种常用的工具，它可以测量出激光光束的直径，从而推算出远场角度。然而，需要注意的是，由于激光能量强且集中，激光作用到物体上会有一定的发散。

发散角如果太大，会影响后续激光的封装和应用，因此发散角相对越小越好，如果快轴和慢轴相等，是个圆形就更好了，和光纤、棱镜的耦合效率高。

具有较大的发射区大小，容易导致多模横向模式。

通过成功减轻横向载流子积累，可以通过深层质子注入来实现光束质量的显著提高[13]。引入模式滤波器是另一种有效的方法，用于针对高阶模式诱导额外损耗。这些模式滤波器的例子包括渐变激光器、相位结构、外部腔配置、倾斜波导、微结构和非均匀波导。然而，这些方法受到限制，因为它们往往伴随着输出功率的降低或需要复杂的设计，这限制了它们的实际应用。

根据最近的一项研究，他们报告了通过使用微尺度三角形孔洞进行损耗定制，实现了FF角的显著减小，同时没有造成重大的功率损失。前一项研究中解释的损耗定制结构激光二极管（LD）的结构如图1(f)所示。为了减轻高阶横向模式的存在，三角形微孔被策略性地放置在这些高阶模式的光学峰值位置。但是，这种方法不适合设计用于短波长的窄脊LD，主要是因为孔径的大小限制和定位的复杂性。先前的研究采用了具有100μm脊宽和5μm宽三角形孔的LD模型。

相比之下，迄今为止报道的短波长HPLD倾向于具有较窄的山脊，小于30微米。在这些LD中采用5微米宽的孔洞会大大减小接触面积，并且可能还会抑制低阶模式。结果，LD的整体性能将会降低。此外，在窄山脊激光二极管的情况下，这些模型中的孔洞排列将更加密集和紧密，与前一个模型相比。这种孔洞密度的增加在制造方面提出了挑战，需要更准确和精确的过程。因此，由于复杂性和精度要求的提高，短波长模型的制造过程预计将额外花费时间和成本。在这篇论文中，我们提出了一种基于损耗裁剪结构的新结构，该结构使用简单的条纹（SSLT），其基于与上述研究相似的机制。与先前的研究不同，我们实施了条纹而不是三角形孔洞，以便合理地适应短山脊激光二极管并简化制造，如图1(e)所示。

为了对高功率激光二极管进行数值分析，我们使用了商业上可获得的模拟器LASTIP。它能够实现激光二极管的电热光特性自洽模拟，包括电子和空穴传输、量子阱光学增益以及横向平面的热量散发等关键方面。在我们的模拟中，我们考虑了各种热源，包括焦耳加热、来自光学模式吸收和非辐射复合过程产生的热量。通过纳入这些全面的热学和光学考虑因素，我们可以准确地建模和分析高功率激光二极管的性能特征。我们已经研究了如何使用相同的经过验证的模拟方法来提高高功率激光二极管的束质量或降低FF。这个405纳米的激光二极管有一个12微米宽的肋条和一个1200微米长的腔体，侧面反射率为5.6%和95.0%。它由In0.066GaN多量子阱组成在0.008GaN量子阱中，上下有厚GaN波导层。在p型波导和包层之间，有一个高掺杂的Al0.36GaN 5纳米厚的电子阻挡层，以提高效率。该支架由上部的AlN和下部的SiC组成，两者相连，只有下部直接与封装和热电冷却器（TEC）连接。假设在肋波导顶部的最上层金属和GaN衬底下方80微米处的最底层金属的温度保持在散热器的温度298K。考虑单独限制异质结构（SCH）层的热指数变化是很重要的，因为它是FF膨胀的主要原因。为此，我们使用1.3×10^4/K作为GaN的热指数变化的温度依赖性。

这种新颖的设计，用于窄脊高功率宽区域激光二极管，该设计包括条纹，有效地抑制了高阶模式并拓宽了侧向NF图案。通过新模型，可以实现了FF角度的36%减少，同时几乎没有降低斜率效率。

该方案模拟起来效果确实不错，但是工艺估计比较难实现，挖出来的沟道最好要填充实了。就面临两个关紧问题1）这么陡直的沟道怎么开的好，有深度和粗糙度要求。

2）如何填充，用什么介质填充。

见过国外有人挖ridge，深度有一个多um，最后靠SiO2和金属层填充，但是很耗金，金要10个多um。

其他的一些手段，比如是外延+芯片结构设计也能改善，手段倒是挺多，性价比都不高，工艺成不高。

 

审核编辑：刘清