【摘 要】
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表面发射分布反馈（Surface-Emitting Distributed Feedback,SE-DFB）半导体激光器因其高功率、窄线宽、高光束质量、波长稳定性好等显著优势,已经成为当代研究人员的重点研究方向。同时,曲线光栅能够形成非稳定谐振腔结构,增大基模的模式体积,获得接近衍射极限的单模输出光束,进一步改善光束质量。本文主要对Ga As基二阶曲线光栅SE-DFB半导体激光器结构设计以及制备工
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表面发射分布反馈（Surface-Emitting Distributed Feedback,SE-DFB）半导体激光器因其高功率、窄线宽、高光束质量、波长稳定性好等显著优势,已经成为当代研究人员的重点研究方向。同时,曲线光栅能够形成非稳定谐振腔结构,增大基模的模式体积,获得接近衍射极限的单模输出光束,进一步改善光束质量。本文主要对Ga As基二阶曲线光栅SE-DFB半导体激光器结构设计以及制备工艺过程中的关键技术问题展开研究。主要研究内容如下:（1）SE-DFB半导体激光器外延结构设计与生长。通过调节量子阱的材料、组分、厚度等参数获得激光器的理想激射波长980 nm,利用仿真软件模拟不同模式的损耗,实现激光器外延结构的基模稳定,同时采用MOCVD技术生长外延结构,室温下测得外延片PL为962.5 nm。（2）光栅结构设计及耦合特性分析。基于光栅衍射原理和耦合波理论,确定了周期为300 nm、占空比为0.4、刻蚀深度为340 nm的二阶曲线光栅参数,同时基于点源概念模型,设计了二阶曲线光栅的形状,并绘制出光刻版图形。基于高对比度光栅增强SE-DFB半导体激光器N面出光特性,设计了一种在P面上方加入高对比度光栅的新结构,通过软件模拟证明了该结构能够增强SE-DFB半导体激光器N面出光强度,减少P面出光损耗,并讨论了工艺技术上的可行性。基于侧向耦合半导体激光器设计了六种特殊侧向微结构光栅,通过软件模拟分析脊宽、角度、占空比等参数,发现合理的结构参数能够有效地缓解耦合系数的波动,减少工艺误差对耦合系数的影响。（3）光栅的制备与优化。采用电子束曝光技术制备出周期为302.3 nm、占空比为0.4、刻蚀深度为337.8 nm的二阶曲线光栅。采用紫外光刻技术制备出周期为6.09μm、占空比为0.66、刻蚀深度为2.08μm形貌良好的高阶曲线光栅。基于全息曝光技术优化光栅制备工艺,利用Si O2硬掩膜实现了光栅形貌由正弦型向矩形的转变,避免了ICP刻蚀后光刻胶碳化的问题,制备出周期为1.5μm、占空比为0.5、刻蚀深度为600 nm的矩形光栅。（4）器件的制备与分析。结合外延结构生长、光刻曲线光栅、磁控溅射电极以及解理与封装等工艺,制备出激射波长为980.4 nm的曲线光栅边发射DFB半导体激光器,并测得阈值电流为220 m A、线宽为0.13 nm、连续工作条件下输出功率为1.48 W。相比没有曲线光栅结构的宽条型边发射半导体激光器的线宽（2-3 nm）,曲线光栅结构实现了压窄线宽的目的,该结果为进一步研究SE-DFB半导体激光器结构及输出特性提供了参考。
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