常奕棟， 王貞福， 張曉穎， 楊國(guó)文， 李 特， 杜宇琦， 趙宇亮， 劉育銜， 蘭 宇

(1. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049；2. 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710119；3. 陜西省計(jì)量科學(xué)研究院, 陜西 西安 710100)

1 引 言

808 nm半導(dǎo)體激光器由于其功率高、電光轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高、壽命長(zhǎng)、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工、激光通信、醫(yī)療美容和航空航天等領(lǐng)域[1-3]。高功率、高電光轉(zhuǎn)換效率的808 nm半導(dǎo)體激光器一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。2007年，Axcel Photonics公司通過優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的400 μm條寬單管器件，在25 ℃下實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸出功率29 W[4]。同年，長(zhǎng)春理工大學(xué)李林等研究的AlGaAs/GaAs雙量子阱808 nm單管器件，斜率效率為1.25 W/A，在2.2 A時(shí)實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸出功率2.6 W，最高轉(zhuǎn)換效率為66%[5]。2012年，Bao等報(bào)道了3.8 mm腔長(zhǎng)、條寬分別為95 μm和200 μm的808 nm單管[6]。對(duì)于95 μm器件，在25 ℃條件下連續(xù)輸出功率達(dá)到8 W，斜率效率為1.29 W/A，最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到65%；對(duì)于200 μm器件，同樣條件下輸出功率為8 W，斜率效率為1.29 W/A，最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到63%。Jenoptik公司在2016年報(bào)道的2 mm腔長(zhǎng)、95 μm條寬808 nm單管器件[7]，通過增加波導(dǎo)層厚度使內(nèi)損耗降低至0.87 cm-1，在25 ℃最高輸出功率達(dá)到7.5 W，最高電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到61%。同年，Coherent公司報(bào)道的2 mm腔長(zhǎng)、140 μm條寬的808 nm單管器件[8]，采用無鋁有源區(qū)InGaAsP結(jié)構(gòu)，其最高電光轉(zhuǎn)換效率為63%。2018年，山東華光光電子通過優(yōu)化腔面鍍膜，制備了連續(xù)輸出功率為13.6 W的808 nm單管器件[9]。

相較于半導(dǎo)體激光器陣列，Chip-on-submount (COS)單管器件具有體積小、重量輕、易于集成等優(yōu)勢(shì)，可以通過高效空間合束得到光纖耦合半導(dǎo)體激光器模塊。該模塊具有輸出功率高、電光轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕和工作穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是固體和光纖激光器的理想抽運(yùn)源[10-11]。2011年，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所朱洪波等將8只連續(xù)輸出功率為5 W的808 nm單管器件通過光束整形耦合進(jìn)芯徑為200 μm、數(shù)值孔徑0.22的光纖，在工作電流為5.8 A時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出功率33.2 W，耦合效率達(dá)到83%[12]。2012年，該課題組將4只5 W的單管器件發(fā)出的光束耦合進(jìn)芯徑為105 μm、數(shù)值孔徑0.2的光纖，同樣電流下通過光纖輸出的功率為15.22 W，耦合效率達(dá)到74%[10]。目前，關(guān)于808 nm多管耦合半導(dǎo)體激光器模塊的研究大多聚焦于高耦合效率和高亮度，而高電光轉(zhuǎn)換效率的研究鮮有報(bào)道。

此外，與光纖芯徑較大的器件相比，光纖芯徑為62.5 μm、數(shù)值孔徑0.22的808 nm光纖耦合半導(dǎo)體激光器模塊可以有效減小輸出端光斑面積，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，滿足空間激光通信要求。為了分析該模塊的電光轉(zhuǎn)換效率特性，本文首先對(duì)808 nm半導(dǎo)體激光器芯片的波導(dǎo)厚度進(jìn)行優(yōu)化，提高了芯片的電光轉(zhuǎn)換效率；據(jù)此制備COS單管器件，并將3只COS單管器件進(jìn)行空間合束得到光纖芯徑為62.5 μm、數(shù)值孔徑0.22的光纖耦合模塊，同時(shí)還研究了-10～90 ℃范圍內(nèi)兩種器件的效率損耗機(jī)制；最后分析了高溫老煉、熱真空、空間輻照對(duì)光纖耦合模塊效率的影響機(jī)理，為進(jìn)一步改進(jìn)芯片設(shè)計(jì)以及提高光纖耦合模塊的功率、電光轉(zhuǎn)換效率提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

2 高電光轉(zhuǎn)換效率芯片設(shè)計(jì)

電光轉(zhuǎn)換效率是指輸出光功率與輸入電功率之間的比值，高效率的器件意味著可以在同樣工作條件下獲得更高的輸出光功率，同時(shí)產(chǎn)生更少的廢熱，可以大幅度降低冷卻系統(tǒng)的體積、重量和功耗，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義。

電光轉(zhuǎn)換效率ηc由下式表示[13]：

(1)

(2)

其中，Pout和Pin分別為輸出光功率和輸入電功率，ηd為外微分量子效率，h為普朗克常數(shù)，ν為出射光頻率，I為電流，q為電子電荷，Ith為閾值電流，V0和Rs分別為開啟電壓和串聯(lián)電阻，ηi為內(nèi)量子效率，αm和αi分別為腔面損耗和內(nèi)損耗。限制Pout和ηc的因素包括量子阱中載流子濃度增加導(dǎo)致的熱效應(yīng)、高偏壓導(dǎo)致的載流子泄漏以及腔內(nèi)光功率升高導(dǎo)致的空間燒孔效應(yīng)等[14-15]。由于空穴對(duì)光的吸收截面遠(yuǎn)大于電子對(duì)光的吸收截面，可以通過設(shè)計(jì)非對(duì)稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，減小光場(chǎng)和P型區(qū)域的重疊，降低內(nèi)損耗αi并改善上述效應(yīng)[15-18]，從而提高電光轉(zhuǎn)換效率。本文采用InAlGaAs/AlGaAs量子阱作為有源區(qū)、AlGaAs作為波導(dǎo)層，實(shí)現(xiàn)了808 nm的激射波長(zhǎng)。

為了獲得高效率的外延結(jié)構(gòu)，本文主要對(duì)非對(duì)稱波導(dǎo)的厚度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。改變N波導(dǎo)厚度dn，而保持P波導(dǎo)厚度dp為0.35 μm不變，同時(shí)保持材料組分和摻雜不變，設(shè)計(jì)不同的N、P波導(dǎo)厚度比值，Rnp=dn/dp。利用軟件仿真，得到最佳電光轉(zhuǎn)換效率的外延結(jié)構(gòu)，并通過分析Rnp和芯片性能參數(shù)之間的關(guān)系，明確波導(dǎo)厚度變化對(duì)電光轉(zhuǎn)換效率的影響機(jī)制，為芯片外延結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。本文采用4種波導(dǎo)厚度比：Rnp=1.6(dn=0.55 μm)、Rnp=1.7(dn=0.59 μm)、Rnp=1.8(dn=0.62 μm)以及Rnp=1.9(dn=0.66 μm)。

4種波導(dǎo)厚度比下芯片的光場(chǎng)和折射率分布如圖1所示。由圖可知隨著Rnp由1.6增加到1.9，P型區(qū)域光場(chǎng)范圍減少，N型區(qū)域光場(chǎng)范圍增大。同時(shí)，N波導(dǎo)折射率形狀逐漸展寬，非對(duì)稱波導(dǎo)的不對(duì)稱性增加。

圖1 波導(dǎo)厚度比值Rnp=1.6，1.7，1.8，1.9的光場(chǎng)和折射率分布。

為了明確Rnp變化對(duì)芯片內(nèi)損耗的影響，可以通過第j層的載流子濃度和光限制因子Γj計(jì)算該層的內(nèi)損耗αj[19]，對(duì)應(yīng)公式為：

αj=Γj(σnnj+σppj)，

(3)

(4)

其中，nj和pj分別為第j層對(duì)應(yīng)的電子和空穴濃度，E為光場(chǎng)強(qiáng)度，σn和σp分別表示電子和空穴的吸收系數(shù)。表1為4種波導(dǎo)厚度比時(shí)有源區(qū)電子濃度(nAC)和空穴濃度(pAC)、P波導(dǎo)電子濃度(nPWG)和空穴濃度(pPWG)及N波導(dǎo)電子濃度(nNWG)和空穴濃度(pNWG)的仿真結(jié)果?？梢钥闯觯S著Rnp增加，有源區(qū)及波導(dǎo)層的載流子濃度均下降；Rnp由1.6增加到1.7時(shí)載流子濃度降幅較大，Rnp由1.7增加到1.9時(shí)載流子濃度降幅較小。

表1 波導(dǎo)厚度比值Rnp=1.6，1.7，1.8，1.9的有源區(qū)和波導(dǎo)層載流子濃度

由公式(3)、(4)計(jì)算得到4種波導(dǎo)厚度比時(shí)有源區(qū)光限制因子(ΓAC)和內(nèi)損耗(αAC)、P波導(dǎo)的光限制因子(ΓPWG)和內(nèi)損耗(αPWG)以及N波導(dǎo)的光限制因子(ΓNWG)和內(nèi)損耗(αNWG)，如表2所示。電子和空穴的吸收系數(shù)為[17]：σn=4×10-18cm2，σp=1.2×10-17cm2。

由表2可知，隨著Rnp由1.6增加到1.9，ΓAC由1.24%降低至1.12%，αAC由0.556 cm-1降低至0.336 cm-1，ΓPWG由32.91%降低至28.92%，αPWG由0.210 cm-1降低至0.146 cm-1。有源區(qū)和P波導(dǎo)層內(nèi)損耗降低是光限制因子和載流子濃度均降低的結(jié)果。當(dāng)Rnp由1.6增加到1.9，ΓNWG由47.70%增加至55.21%，αNWG由0.196 cm-1降低至0.135 cm-1。N波導(dǎo)內(nèi)損耗在Rnp由1.6增加到1.7時(shí)降幅較大，在Rnp由1.7增加到1.9時(shí)變化不明顯，這是N波導(dǎo)光限制因子增大和載流子濃度下降共同作用的結(jié)果。此外，通過公式(3)計(jì)算得到芯片整體內(nèi)損耗αi由Rnp=1.6時(shí)的1.088 cm-1降低至Rnp=1.9時(shí)的0.69 cm-1。綜上所述，有源區(qū)及波導(dǎo)層的光吸收是內(nèi)損耗的主要來源；Rnp增加引起有源區(qū)及波導(dǎo)層載流子濃度降低，導(dǎo)致內(nèi)損耗降低。

表2 波導(dǎo)厚度比值Rnp=1.6，1.7，1.8，1.9的有源區(qū)和波導(dǎo)層的光限制因子及內(nèi)損耗

利用軟件進(jìn)行仿真，芯片在3 A下的電光轉(zhuǎn)換效率隨著Rnp增加分別為50.52%、59.06%、60.81%及48.94%，芯片在Rnp=1.8時(shí)電光轉(zhuǎn)換效率最高。為了明確Rnp對(duì)芯片性能的影響機(jī)制，分析了室溫下Rnp與閾值電流密度Jth、串聯(lián)電阻Rs、外微分量子效率ηd及內(nèi)損耗αi的關(guān)系。Rs可以通過電壓-電流曲線擬合得到，Jth、ηd、αi分別由下列公式給出：

(5)

(6)

(7)

其中，ω為芯片條寬，ηsl為斜率效率，R1、R2為腔面反射率。對(duì)不同腔長(zhǎng)的芯片進(jìn)行仿真，作1/ηd-L曲線，通過擬合可以得到αi。上述參數(shù)與Rnp的關(guān)系如圖2所示。

圖2(a)中隨著Rnp由1.6變化到1.9，Jth由476.67 A/cm2降低至296.67 A/cm2。這表明隨著Rnp增加，在更小的電流注入和更低的載流子濃度下，電子和空穴實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生增益。圖2(b)中的Rs由Rnp=1.6時(shí)的26.00 mΩ增加至Rnp=1.9時(shí)的28.79 mΩ，這是由于N波導(dǎo)厚度增加引起芯片串聯(lián)電阻增大，但由于波導(dǎo)厚度增加量較小，Rs變化幅度不大。圖2(c)中ηd先由Rnp=1.6時(shí)的76.2%，增加至Rnp=1.8時(shí)的81.8%，后降低至Rnp=1.9時(shí)的75.6%，表明芯片轉(zhuǎn)換效率在Rnp=1.8時(shí)達(dá)到最佳。ηd在Rnp=1.6時(shí)較低，這是內(nèi)損耗αi較高的結(jié)果，在圖2(d)中也可以體現(xiàn)。

圖2 內(nèi)部參數(shù)隨Rnp變化曲線。(a)閾值電流密度Jth；(b)串聯(lián)電阻Rs；(c)外微分量子效率ηd；(d)內(nèi)損耗αi。

ηd在Rnp=1.9時(shí)有明顯下降，這可能是由于隨著波導(dǎo)厚度變化，對(duì)光場(chǎng)模式的限制發(fā)生變化，導(dǎo)致ηd降低。圖2(d)中當(dāng)Rnp由1.6變化到1.9，通過公式(7)計(jì)算的內(nèi)損耗αi由0.97 cm-1降低至0.67 cm-1，與公式(3)計(jì)算得到的結(jié)果接近。

通過以上分析可以得出結(jié)論：芯片N、P波導(dǎo)厚度比Rnp=1.8時(shí)，由于較低的內(nèi)損耗和較好的光場(chǎng)模式控制，芯片電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最高。根據(jù)波導(dǎo)厚度優(yōu)化結(jié)果，高效率808 nm半導(dǎo)體激光芯片外延結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3 808 nm半導(dǎo)體激光芯片外延結(jié)構(gòu)

3 溫度對(duì)效率的影響機(jī)理分析

3.1 COS單管電光轉(zhuǎn)換效率特性分析

根據(jù)芯片波導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，通過Metal-organic chemical vapor deposition(MOCVD)進(jìn)行材料生長(zhǎng)，量子阱InAlGaAs/AlGaAs厚度7 nm，波導(dǎo)Al0.33Ga0.67As厚度分別為0.35 μm和0.62 μm。P面濺射Ti-Pt-Au，N面蒸鍍Au-Ge-Ni，解離為腔長(zhǎng)1.5 mm、發(fā)光區(qū)寬度為90 μm的單管芯片，芯片的P面電極通過銦焊料倒裝焊接到熱沉上，封裝成COS單管器件。

器件的功率-電流-電壓(P-I-V)特性如圖3(a)所示，在3 A電流下器件連續(xù)輸出功率為2.82 W，電光轉(zhuǎn)換效率為51.97%，斜率效率為1.15 W/A，閾值電流為0.54 A。圖3(b)為該器件在3 A下的光譜，此時(shí)中心波長(zhǎng)為808.99 nm，光譜半高寬為2.16 nm。

溫度是影響器件輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率的重要因素。溫度升高，半導(dǎo)體激光器的輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率會(huì)下降，有源區(qū)的非輻射復(fù)合增加，結(jié)溫升高，嚴(yán)重影響器件的工作壽命。對(duì)COS單管器件在-10～90 ℃范圍內(nèi)的能量損耗路徑進(jìn)行了分析。器件的輸入功率可以分為以下6個(gè)部分[20]：

Pin=I2Rs+IVhj+IVF(1-ηi)+ηiIthVF+

(8)

Vhj=V0-VF，

(9)

圖3 808 nm單管半導(dǎo)體激光器測(cè)試曲線。(a)25 ℃下的P-I-V曲線；(b)3 A下的光譜。

其中，I2Rs為焦耳熱，IVhj為界面損失，IVF(1-ηi)為載流子泄漏損失，ηiIthVF為自發(fā)輻射損失，ηi(I-Ith)VFαi/(αm+αi)為光子吸收和散射損耗。利用Thermo-electric controller(TEC)裝置對(duì)器件進(jìn)行控溫，在-10～90 ℃范圍每隔10 ℃對(duì)器件進(jìn)行測(cè)試，得到P-I-V曲線及光譜。公式(8)中VF為準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)差，可以由波長(zhǎng)λ計(jì)算：VF=1.24/qλ(μm)。對(duì)I-V曲線進(jìn)行擬合可以得到Rs、V0，進(jìn)而由公式(9)得到界面電壓Vhj。室溫下器件內(nèi)量子效率取95%，通過公式(2)、(6)可以得到ηi。對(duì)3 A下COS單管器件在-10～90 ℃范圍內(nèi)的能量損耗進(jìn)行量化，得到如圖4所示的分布。由圖可知，焦耳熱占比由-10 ℃時(shí)的11.78%變化為90 ℃時(shí)的12.41%，變化幅度較小，這是由于溫升導(dǎo)致Rs降低。界面損失占比由-10 ℃時(shí)的7.46%降低為90 ℃時(shí)的5.27%，表明Vhj隨溫度升高而降低。載流子泄漏占比由-10 ℃時(shí)的1.18%增加到90 ℃時(shí)的16.67%，增加幅度顯著，這是由于在高溫下載流子熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，越過勢(shì)壘幾率增加，導(dǎo)致ηi顯著降低。自發(fā)輻射損失占比由-10 ℃時(shí)的12.65%增加到90 ℃時(shí)的16.02%，表明高溫下Ith升高顯著。光子吸收和散射損失占比由-10 ℃時(shí)的12.18%降低為90 ℃時(shí)的9.21%，這可能是因?yàn)殡S著溫度升高，輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù)減少，造成光子吸收和散射損失占比降低。

圖4 COS單管器件在-10～90 ℃范圍內(nèi)的能量損耗分布趨勢(shì)

此外，在五種損耗路徑中焦耳熱和自發(fā)輻射損耗占比較大，降低Rs和Ith可以進(jìn)一步提升單管器件的電光轉(zhuǎn)換效率；載流子泄漏占比在90 ℃時(shí)最高，通過增加鋁組分的含量、提高勢(shì)壘高度、增強(qiáng)對(duì)載流子的限制作用是高溫下提高單管器件電光轉(zhuǎn)換效率的有效途徑。

3.2 光纖耦合模塊電光轉(zhuǎn)換效率特性分析

將3只COS單管器件按照空間臺(tái)階排布，首先經(jīng)過快慢軸準(zhǔn)直，其次經(jīng)過45°反射鏡，最后經(jīng)過聚焦耦合透鏡將輸出激光耦合到芯徑為62.5 μm的光纖中，其功率-電流-電壓(P-I-V)特性如圖5(a)所示。由圖可知，器件在3 A電流下連續(xù)輸出功率為7.33 W，電光轉(zhuǎn)換效率為44.41%，耦合效率為86.7%。圖5(b)為該器件在3 A下的光譜，此時(shí)中心波長(zhǎng)為809.29 nm，光譜半高寬為3.66 nm。

對(duì)3 A電流下該模塊在-10～90 ℃范圍內(nèi)的能量損耗路徑作同樣分析，結(jié)果如圖6所示。由圖可知，焦耳熱占比由-10 ℃時(shí)的12.11%增加為90 ℃時(shí)的14.36%；界面損失占比由-10 ℃時(shí)的6.39%降低為90 ℃時(shí)的4.69%；載流子泄漏占比由-10 ℃時(shí)的1.99%增加到90 ℃時(shí)的17.73%。模塊上述三部分損耗占比的變化趨勢(shì)和幅度與COS單管一致。自發(fā)輻射損失占比由-10 ℃時(shí)的6.28%增加到90 ℃時(shí)的13.82%，與COS單管相比增幅更大，表明閾值電流對(duì)溫度變化的敏感性更高。光子吸收和散射損失占比由-10 ℃時(shí)的26.03%降低為90 ℃時(shí)的15.75%，與COS單管相比降幅更大，這可能與光束耦合過程中的損耗有關(guān)。

圖5 808 nm光纖耦合模塊測(cè)試曲線。(a)25 ℃下的P-I-V曲線；(b)3 A下的光譜。

圖6 808 nm光纖耦合模塊在-10～90 ℃范圍內(nèi)的能量損耗分布趨勢(shì)

因此，為了獲得高電光轉(zhuǎn)換效率，一方面可以改變組分來增強(qiáng)有源區(qū)對(duì)載流子的限制，提高單管器件的效率；另一方面可以改善光纖耦合模塊中的光學(xué)系統(tǒng)以及合束技術(shù)，提高耦合效率。

4 環(huán)境應(yīng)力對(duì)效率的影響機(jī)理分析

為了獲得高效率高可靠性的808 nm光纖耦合半導(dǎo)體激光器模塊，本文還研究了不同環(huán)境應(yīng)力對(duì)光纖耦合模塊電光轉(zhuǎn)換效率的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同環(huán)境應(yīng)力下的功率和電光轉(zhuǎn)換效率變化

高溫老煉試驗(yàn)：光纖耦合模塊置于高溫試驗(yàn)箱中，溫度保持45 ℃，連續(xù)工作24 h。每隔1 h進(jìn)行測(cè)試，驅(qū)動(dòng)電流為2.3 A，記錄輸出光功率、電壓等數(shù)據(jù)。由圖7(a)可知，光纖耦合模塊的功率和電光轉(zhuǎn)換效率基本保持恒定，顯示了器件的高可靠性，同時(shí)表明45 ℃的溫度應(yīng)力對(duì)器件性能影響很小。

熱真空試驗(yàn)：光纖耦合模塊固定在載物臺(tái)上，通過金屬平板(30 cm×20 cm)進(jìn)行熱傳導(dǎo)散熱。利用抽真空系統(tǒng)保證真空室內(nèi)壓力≤6.65×10-3Pa，進(jìn)行-5～50 ℃溫度循環(huán)，循環(huán)次數(shù)為6次，每次循環(huán)高溫和低溫各保持4 h，升溫和降溫各1 h，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)各0.5 h，一共11 h。在每次高溫或低溫保持時(shí)，進(jìn)行器件性能測(cè)試，驅(qū)動(dòng)電流2.5 A，記錄輸出光功率、電壓等數(shù)據(jù)。圖7(b)中，器件功率降低4.04%，電光轉(zhuǎn)換效率降低3.8%。這是由于在熱真空條件下，熱量只能通過熱輻射進(jìn)行耗散，而器件散熱只能通過固定平板進(jìn)行降溫。模塊工作時(shí)芯片結(jié)溫升高，芯片內(nèi)部的點(diǎn)缺陷和線缺陷等非輻射復(fù)合中心進(jìn)一步擴(kuò)散和生長(zhǎng)，導(dǎo)致內(nèi)損耗增加和內(nèi)量子效率降低；同時(shí)腔面溫度積累極易發(fā)生腔面的光學(xué)災(zāi)變損傷，造成輸出光功率和電光轉(zhuǎn)換效率降低。因此，在熱真空條件下改進(jìn)器件的封裝方式，降低器件的熱阻，可以有效提高器件的電光轉(zhuǎn)換效率和可靠性。

空間輻照實(shí)驗(yàn)：第一次輻照劑量1.0 kGy(Si)，時(shí)間0.5 h；第二次輻照劑量1.0 kGy(Si)，時(shí)間0.5 h；第三次輻照劑量1.0 kGy(Si)，時(shí)間0.5 h；第四次輻照劑量1.0 kGy(Si)，時(shí)間1 h，最后輻照總劑量為5.0 kGy(Si)。在完成每次輻照后進(jìn)行器件離線測(cè)試，室溫下，驅(qū)動(dòng)電流2.2 A，記錄輸出光功率、電壓等數(shù)據(jù)。圖7(c)中，隨著輻射劑量由0 kGy增加到5.0 kGy，器件功率降低3.25%，電光轉(zhuǎn)換效率降低1.49%。60Co-γ射線是一種電磁輻射，當(dāng)其穿過材料時(shí)產(chǎn)生自由電子和空穴，這些自由電子和空穴被材料中的雜質(zhì)俘獲，形成非輻射復(fù)合中心[21]。這些非輻射復(fù)合中心的增加導(dǎo)致材料中載流子壽命降低，從而使內(nèi)量子效率降低和閾值電流升高，進(jìn)而導(dǎo)致輸出光功率和電光轉(zhuǎn)換效率降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，常溫下5.0 kGy的輻射劑量對(duì)光纖耦合模塊輸出光功率和電光轉(zhuǎn)換效率影響較小。為了降低空間輻照對(duì)器件的影響，對(duì)于芯片而言，降低芯片閾值電流、優(yōu)化材料生長(zhǎng)工藝降低表面缺陷密度，是輻照條件下提高器件電光轉(zhuǎn)換效率的有效途徑。

5 結(jié) 論

本文對(duì)808 nm InAlGaAs/AlGaAs半導(dǎo)體激光器芯片的波導(dǎo)厚度進(jìn)行了優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)N波導(dǎo)與P波導(dǎo)厚度比值為1.8時(shí)芯片電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最佳。根據(jù)該結(jié)論制備了COS單管器件和光纖耦合模塊，研究了-10～90 ℃范圍內(nèi)兩種器件的能量損耗分布。結(jié)果顯示，溫度由-10 ℃升高到90 ℃，COS單管的載流子泄漏損失占比由1.18%增加到16.67%，光纖耦合模塊載流子泄漏損失占比由1.99%增加到17.73%，表明溫升引起的載流子泄漏加劇是導(dǎo)致電光轉(zhuǎn)換效率降低的主要因素。此外，本文研究了不同環(huán)境應(yīng)力對(duì)光纖耦合模塊電光轉(zhuǎn)換效率的影響，結(jié)果表明熱真空條件引入應(yīng)力，空間輻照引入非輻射復(fù)合中心，導(dǎo)致器件電光轉(zhuǎn)換效率降低。以上研究對(duì)優(yōu)化半導(dǎo)體激光器芯片設(shè)計(jì)、提高COS單管和光纖耦合模塊的電光轉(zhuǎn)換效率具有重要意義。

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