激光器芯片的WPE思考

WPE在LD芯片中指电光转换效率。

WPE=出光功率/工作电流/工作电压。

因此WPE越大越好，说明电转成光的效率越高。额外的部分电能，大部分以热能的形式释放。WPE高的话，转换的热也会变少。

An AlGaInP/GaAs red LD suffers from low wall plug efficiency (WPE) due to electron overflow from an active layer to a p-cladding layer. Large optical confinement factor (Γ) design with AlInP cladding layers is adopted to improve the WPE. The design has a disadvantage for reliable operation because the large Γ causes high optical density and brings a catastrophic optical degradation (COD) at a front facet. To overcome the disadvantage, a window-mirror structure is also adopted in the LD. The LD shows WPE of 35% at 25°C, highest record in the world, and highly stable operation at 35°C, 550 mW up to 8,000 hours without any catastrophic optical degradation.

提高WPE技术途径

电光转换效率WPE是代表整个器件质量的重要指标。美国西北大学得到了美国国防先进计划局（DARPA）有效中红外激光器（EMIL）计划的支持，EMIL计划的主要目标是提高电光转换效率。Pranalytica公司也得到DARPA No.W911QX-07-C-0041合同的部分支持，发展高功率和高电光效率QCL器件。综合美国西北大学和Pranalytica公司实施电光转换效率WPE改进方案，除改进了有源区设计方案外，还采取了如下技术途径：

1）优化有源区尺寸和有源区级数

Pranalytica公司通过理论分析和测试验证，得到如下结论：

a)采用更长的腔长，输出功率能够增加，而电光转换效率WPE没有明显的减少。这种方法可以从窄器件得到高功率，这使得受自加热影响更少。理论分析表明存在最佳腔长Lopt，对高反射率未镀膜的4.6μm QCL，Lopt约等于3mm。

b）脊宽W和腔长L之间的关系：较窄的脊宽才可以在室温下连续运行，减少脊宽可以得到更高的连续波运行温度；对于脊宽更宽的激光器，随着脊宽的增加，在中心处积累了更多的热，高占空比输出功率降低可能属于此效应；相对较长的腔能够得到更高的工作温度和输出功率。较窄的脊和较长的腔可以进一步改进高工作温度和高功率输出连续波运行。

c)增加有源区级数、增大每级有源区片载流子密度以及增大芯片尺寸（如宽度或长度），已经被证实在脉冲模式下输出更高的峰值功率，但是它们中的绝大部分对连续波器件作用有限。

2）掩埋式异质结构

掩埋式异质结构是提高器件性能非常成功的方法。在此结构中，在QCL晶片上刻蚀激光脊，而后在它们周围空间中生长出热传导、电绝缘和光透明的材料。这种材料现在能有效地从超晶格侧向移除热量，同时侧向波导边缘上可以减少光损耗；减少了激光器脊上由热膨胀、芯片焊接等产生的应力，同时将热耗散材料直接与激光器有源区接触，改善热传输。InP具有Ⅲ-Ⅴ半导体非常高的热导率（68W/mK），在中长波段具有高的透射率；利用InP:Fe侧向再生的掩埋式异质结构已成为高性能QCL的有效标准。

3）激光器脊周围电镀Au

美国西北大学经证实，电镀金可以使器件热阻减少43%。各种情况对比测试结果见下表。

表1  各种情况对比测试结果

4）外延面向下固定安装

外延面朝下焊合，可使产生热的有源区更接近热沉的接触面，减少热阻；采用高热导率的衬底材料而且其热膨胀系数与InP很好的匹配。在室温下AlN陶瓷材料的热膨胀系数几乎与InP完美匹配，使用AlN子底座和AuSn焊料可以实现QCL高可靠性安装；人造金刚石具有更高的导热率（大于1000W/mK），采用金刚石使单个芯片室温连续波功率达到了3W，最大WPE超过12.5%。

5）高性能和高可靠性QCL的封装

QCL的封装对系统级应用非常重要，要能确保QCL器件乃至整个系统长期可靠。可以采用TEC制冷器有效消除QCL芯片自身产生的热，并将热量传送到外部；此外，组件还需要把QCL光功率输出有效耦合到外部。最后，整个封装需要气密结构，以进一步提升器件可靠性。如Pranalytica公司蝴蝶型QCL组件封装，如下图所示。

图1 去顶盖的密封蝴蝶型组件图片