1 060 nm小发散角准直半导体激光器的设计与仿真

欧阳越华; 黄龙鑫; 朱政龙; 叶楠; 宋英雄; 潘教青; 张冶金

doi:10.13756/j.gtxyj.2025.240095

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1 060 nm小发散角准直半导体激光器的设计与仿真

光电器件研究与应用 | 更新时间：2025-10-15

- 1 060 nm小发散角准直半导体激光器的设计与仿真
- Design and Simulation of a 1 060 nm Small Divergence Angle Collimated Semiconductor Laser
- 光通信研究 2025年第5期
- 作者机构：
  
  1.上海大学　特种光纤与光接入网重点实验室，上海　200444
  2.中国科学院　半导体研究所，北京　100085
- 作者简介：
  
  欧阳越华（1999-），男，上海人。硕士，主要研究方向为硅基光子器件。
  叶楠，副教授。E-mail：aslanye@shu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金面上资助项目(61771024);科技部重点研发资助项目(2022YFB2804502);国家自然科学基金资助项目(62175143)
- DOI：10.13756/j.gtxyj.2025.240095
  中图分类号： TN248
- 收稿：2024-05-16，
  
  修回：2024-05-21，
  
  纸质出版：2025-10-10
- 稿件说明：
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欧阳越华，黄龙鑫，朱政龙，等. 1 060 nm小发散角准直半导体激光器的设计与仿真[J]. 光通信研究，2025(5): 240095.

Ouyang Y H, Huang L X, Zhu Z L, et al. Design and Simulation of a 1 060 nm Small Divergence Angle Collimated Semiconductor Laser[J]. Study on Optical Communications, 2025(5): 240095.
欧阳越华，黄龙鑫，朱政龙，等. 1 060 nm小发散角准直半导体激光器的设计与仿真[J]. 光通信研究，2025(5): 240095. DOI： 10.13756/j.gtxyj.2025.240095.

Ouyang Y H, Huang L X, Zhu Z L, et al. Design and Simulation of a 1 060 nm Small Divergence Angle Collimated Semiconductor Laser[J]. Study on Optical Communications, 2025(5): 240095. DOI： 10.13756/j.gtxyj.2025.240095.

摘要

【目的】

对于1 060 nm波段高功率激光器，边发射半导体激光器（LD）相比常用的固体激光器有着效率高、成本低、可靠性高和体积小等优点，但其输出光的远场不对称且光束发散角较大。文章的研究目的是在1 060 nm波段基于边发射LD远场理论模型对激光器的波导结构进行优化设计，以改善其远场光斑对称性并降低发散角，实现其近准直出射。

【方法】

在研究方法上，文章首先根据3层平板波导理论分析了边发射LD的远场发散角与其近场光斑的关系，然后利用Lumerical有限时域差分（FDTD）仿真软件仿真设计边发射LD的波导结构及其近场光斑，尤其是对特殊微结构的设计，从而改善远场特性。

【结果】

文章利用Lumerical FDTD软件仿真设计了一种带有倾斜侧壁槽的微结构LD。LD工作波长为1 060 nm，结构具有薄渐变折射率层、单量子阱（SQW）有源层以及非对称宽波导层，近出射端的脊波导处均匀分布了特殊结构的倾斜侧壁开槽。仿真结果显示，该设计的脊波导LD获得了2.7°的垂直远场发散角；而且达到了近准直水平出射，发射角度低至约1°。

【结论】

文章的工作从模拟仿真的角度验证了通过开槽激光器槽侧壁倾斜角度进行光束控制的可行性。通过设计边发射LD垂直波导结构以及槽结构参数，实现了边发射LD的低远场发散角以及近准直出射。

Abstract

【Objective】

For high-power lasers operating at the 1

060 nm band

edge-emitting semiconductor Laser Diode (LD) offer higher efficiency

lower cost

greater reliability

and smaller size compared with conventional solid-state lasers. However

their output exhibits an asymmetric far-field profile and a relatively large beam divergence angle. The objective of this study is to optimize the waveguide structure of edge-emitting LDs at 1 060 nm using a far-field theoretical model

aiming to improve the far-field beam symmetry

reduce the divergence angle

and achieve quasi-collimated emission.

【Methods】

In terms of research methods

this article first analyzes the relationship between the far-field divergence angle of edge-emitting LD and its near-field spots based on the theory of three-layer planar waveguides. Then using Lumerical's Finite-Difference Time-Domain (FDTD) simulation software

the waveguide structure of an edge-emitting LD and its near-field intensity profile are designed

with particular emphasis on specialized microstructures

to improve the far-field characteristics.

【Results】

In this paper

a microstructure edge-emitting LD with inclined sidewall slots is designed by using Lumerical FDTD software. The laser operates at 1 060 nm. The structure has a thin graded refractive index layer

a Single Quantum Well (SQW) active layer

and an asymmetric wide waveguide layer. The ridge waveguide near the output facet is uniformly patterned with specially designed oblique sidewall grooves. The simulation results show that the designed ridge waveguide edge-emitting LD obtains a vertical far-field divergence angle of 2.7° and emits near collimation at an angle of ~1°.

【Conclusion】

This work demonstrates

through simulation

the feasibility of beam control by tuning the sidewall tilt angle of laser grooves. By optimizing the vertical waveguide structure of the edge-emitting LD and carefully de-signing the groove parameters

a low far-field divergence angle and quasi-collimated output have been achieved.

关键词

Keywords

references

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