如何使用雙條結(jié)構(gòu)改進(jìn)窄脊高功率激光二極管遠(yuǎn)場(chǎng)角呢？

激光器芯片的遠(yuǎn)場(chǎng)角度

在激光器芯片的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，遠(yuǎn)場(chǎng)角度是一個(gè)重要的參數(shù)。它描述了激光器發(fā)出的光束在遠(yuǎn)離芯片后，其發(fā)散程度。遠(yuǎn)場(chǎng)角度的大小直接影響到激光光束的質(zhì)量，進(jìn)而影響到激光的應(yīng)用效果。下面我們將根據(jù)給定的搜索結(jié)果，詳細(xì)介紹激光器芯片的遠(yuǎn)場(chǎng)角度的相關(guān)知識(shí)。

1. 遠(yuǎn)場(chǎng)角度的定義和重要性

遠(yuǎn)場(chǎng)角度定義為激光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，它是衡量激光光束質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。光束質(zhì)量因子（M2因子）是激光束腰半徑和光束遠(yuǎn)場(chǎng)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(lái)表征激光光束質(zhì)量。實(shí)際激光光束質(zhì)量因子越接近1，說(shuō)明光束質(zhì)量越接近理想光束，其遠(yuǎn)場(chǎng)角度也就越小5。

2. 遠(yuǎn)場(chǎng)角度的測(cè)量方法

測(cè)量激光光束直徑的方法有套孔法、激光光束分析儀（CCD）測(cè)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(cè)量出激光光束的直徑，從而推算出遠(yuǎn)場(chǎng)角度。然而，需要注意的是，由于激光能量強(qiáng)且集中，激光作用到物體上會(huì)有一定的發(fā)散。

發(fā)散角如果太大，會(huì)影響后續(xù)激光的封裝和應(yīng)用，因此發(fā)散角相對(duì)越小越好，如果快軸和慢軸相等，是個(gè)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(dǎo)致多模橫向模式。

通過(guò)成功減輕橫向載流子積累，可以通過(guò)深層質(zhì)子注入來(lái)實(shí)現(xiàn)光束質(zhì)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(duì)高階模式誘導(dǎo)額外損耗。這些模式濾波器的例子包括漸變激光器、相位結(jié)構(gòu)、外部腔配置、傾斜波導(dǎo)、微結(jié)構(gòu)和非均勻波導(dǎo)。然而，這些方法受到限制，因?yàn)樗鼈兺殡S著輸出功率的降低或需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)，這限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。

根據(jù)最近的一項(xiàng)研究，他們報(bào)告了通過(guò)使用微尺度三角形孔洞進(jìn)行損耗定制，實(shí)現(xiàn)了FF角的顯著減小，同時(shí)沒(méi)有造成重大的功率損失。前一項(xiàng)研究中解釋的損耗定制結(jié)構(gòu)激光二極管（LD）的結(jié)構(gòu)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(xué)峰值位置。但是，這種方法不適合設(shè)計(jì)用于短波長(zhǎng)的窄脊LD，主要是因?yàn)榭讖降拇笮∠拗坪投ㄎ坏膹?fù)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(bào)道的短波長(zhǎng)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(huì)大大減小接觸面積，并且可能還會(huì)抑制低階模式。結(jié)果，LD的整體性能將會(huì)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(gè)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(zhǔn)確和精確的過(guò)程。因此，由于復(fù)雜性和精度要求的提高，短波長(zhǎng)模型的制造過(guò)程預(yù)計(jì)將額外花費(fèi)時(shí)間和成本。在這篇論文中，我們提出了一種基于損耗裁剪結(jié)構(gòu)的新結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使用簡(jiǎn)單的條紋（SSLT），其基于與上述研究相似的機(jī)制。與先前的研究不同，我們實(shí)施了條紋而不是三角形孔洞，以便合理地適應(yīng)短山脊激光二極管并簡(jiǎn)化制造，如圖1(e)所示。

為了對(duì)高功率激光二極管進(jìn)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?qū)崿F(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(xué)增益以及橫向平面的熱量散發(fā)等關(guān)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(lái)自光學(xué)模式吸收和非輻射復(fù)合過(guò)程產(chǎn)生的熱量。通過(guò)納入這些全面的熱學(xué)和光學(xué)考慮因素，我們可以準(zhǔn)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(guò)驗(yàn)證的模擬方法來(lái)提高高功率激光二極管的束質(zhì)量或降低FF。這個(gè)405納米的激光二極管有一個(gè)12微米寬的肋條和一個(gè)1200微米長(zhǎng)的腔體，側(cè)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(dǎo)層。在p型波導(dǎo)和包層之間，有一個(gè)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(shè)在肋波導(dǎo)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?？紤]單獨(dú)限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)（SCH）層的熱指數(shù)變化是很重要的，因?yàn)樗荈F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(lài)性。

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

該方案模擬起來(lái)效果確實(shí)不錯(cuò)，但是工藝估計(jì)比較難實(shí)現(xiàn)，挖出來(lái)的溝道最好要填充實(shí)了。就面臨兩個(gè)關(guān)緊問(wèn)題1）這么陡直的溝道怎么開(kāi)的好，有深度和粗糙度要求。

2）如何填充，用什么介質(zhì)填充。

見(jiàn)過(guò)國(guó)外有人挖ridge，深度有一個(gè)多um，最后靠SiO2和金屬層填充，但是很耗金，金要10個(gè)多um。

其他的一些手段，比如是外延+芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也能改善，手段倒是挺多，性?xún)r(jià)比都不高，工藝成不高。