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半导体激光器因具有体积小，光电转换效率高，工作寿命长和高速直接调制等优点，是通信、光泵浦激光器、光信息存储等不可或缺的重要光源，也是需要高效单色光源的光电子系统中的核心器件[1], 在工业生产和军事领域中被广泛应用[2-4]。随着半导体器件工艺水平的发展和激光光束准直整形方法的优化，半导体激光器的出光特性得到了明显提升，应用领域也进一步拓展[5]。目前，普遍通过对大功率半导体激光器输出光束进行整形[6-9]和光纤耦合[10-11]来获取理想的光束质量，但整形系统和装调难度的提升增加了器件的复杂程度和制作成本，亦不利于阵列集成，因此限制了半导体激光器在大功率激光器件领域的进一步拓展应用。面发射激光器件在克服以上边发射器件局限性的同时具有更多独特优势，拥有更好的发展前景。
目前商用的面发射激光器多为垂直腔面发射半导体激光器 (VCSELs)，因其具有高光束质量、单纵模输出、低阈值电流、易耦合集成、价格低廉等特点[12-13]而广泛应用于通信领域。而水平腔面发射半导体激光器发展较晚，水平腔面发射半导体激光器出光孔不需要镀高反膜，表面损伤阈值小；另因表面出光，出光发散角小，避免了大快轴发散角附带的问题；激光器共振腔较长，光增益较大，单模输出功率大，是理想的高功率、单模单瓣耦合光源。同时水平腔面发射半导体激光器在制造上简单，更容易集成二维阵列。
本文综述了几种不同结构水平腔面发射半导体激光器的基本工作原理、器件结构设计与工作性能，对国内、外近十年的研究进展进行了总结和分析，并就其发展趋势做出了展望。
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目前，水平腔半导体激光器实现面发射的方法主要是引入3种结构——转向镜，二阶光栅和光子晶体。这3种结构都是以传统边发射半导体激光器结构为基础，通过改变器件结构，实现面发射。转向镜面发射激光器是在传统边发射激光器的基础结构上进行几何改变，在器件上纵向波导边缘刻蚀45°反射镜，如图 1(a)所示。该器件通过DBR反射镜提供光反馈和选模，光子振荡激射后经45°转向镜反射，改变光路，最终从器件表面输出。二阶光栅面发射激光器和光子晶体面发射激光器则是在传统边发射激光器结构中增加二阶光栅层和光子晶体层，利用二阶光栅和光子晶体的本身特性改变激射方向，如图 1(b)、1(c)所示。二阶光栅面发射激光器[14-19]利用二阶光栅的衍射效应实现表面垂直出光。其中零级和二级衍射光用于光反馈以及选模作用，一级衍射光提供输出耦合使光从器件表面出射。
图 1 水平腔面发射激光器结构示意图
Figure 1. Structure diagram of horizontal cavity surface emitting lasers
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2005年, 加拿大M.L.Osowski等人[23]设计了一种高功率频率稳定的面发射激光器。如图 2所示，利用干法刻蚀技术在激光器上刻蚀45°自由转向镜 (其精确度低于0.1°)，实现谐振光的全内反射，并从衬底表面射出。该器件采用DBR结构提供反馈，实现选频和稳频的作用。半宽全高0.9 nm，阵列出光功率可达瓦级。
2010年, 德国M.Moehrle等人[24]首次将45°转换镜与集成检测光电二极管合并设计了一种1 490 nm水平腔面发射激光器。如图 3所示。该器件具有同VCSEL一样低的阈值电流3~7 mA (工作温度20~90 ℃)。
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2005年, 美国Li Shuang等人[25]研制了无铝二阶光栅面发射激光器，这一结构依靠优先刻蚀和二次外延来控制横模。输出光波长为980 nm。光栅结构分为700 μm的二阶DFB光栅以及两侧600 μm的DBR结构。结构中存在的横向有效折射率差 (Δn＞0.05)，20个单元构成阵列，分别实现1.6 W和10 W的连续和脉冲输出功率。2007年, 该研究团队[26]对该结构进行了优化改进，内置折射率波导，同时为了使光场和二阶光栅充分发挥作用，选择了一个薄的P盖层结构；采用分离限制异质结结构来提供必要的增益和光学限制，实现了波长稳定和单频激光输出。40个单元连续功率达到2.4 W。阵列制备过程中要将腔内各个光模式调谐到共振状态，如图 4所示。
图 4 二维面发射激光器的立体结构图
Figure 4. 3-D schematic view of 2-D surface-emitting laser
2006年，德国S.Höfling等人[27]研制了具有新型波导结构 (耦合的法珀脊型波导) 的单模量子级联激光器。通过光学平版刻蚀和干法刻蚀技术将波导结构刻蚀到薄晶片上，将束缚态向连续态跃迁结构设计的49个活跃期嵌入等离子体以提升波导结构性能 (1.4 μm厚高浓度掺杂和3.2 μm厚低浓度掺杂GaAs材料)，为面发射激光器研究提出了不同于传统结构的波导结构。
2006年，美国Martin Schubert等人[28]采用中心π相移二阶金属光栅 (具有空气层) 制备面发射激光器，输出波长100 μm。其利用Floquet-Bloch和辐射场完美匹配层边界条件的耦合模理论进行分析 (这个理论的组合对二阶光栅高折射率差是有效的)。光栅占空比和光场强度是影响面发射激光器工作性能的主要因素。如图 5所示。
随着激光器技术的发展以及应用领域的拓展需求，2007年，A.Lyakh和P.Zory等人[29]研制了窄线宽 (＜1 cm-1) 激光器，用于化学传感器和污染监测。如图 6所示，在量子级联激光器上全息曝光并刻蚀光栅，光栅周期为1.65 μm。采用MOCVD低压生且慢速生长0.1 nm/s，使输出功率损失最低。获得短脉冲激发 (100 ns，16 kHz)，单纵模波长5 μm。
2009年，G.Masions，M.Carras等人[30]设计了中红外波段水平腔面光子级联激光器，该器件采用非周期光栅结构，从衬底出射激光。如图 7所示。光栅结构由一个一阶光栅和一个二阶光栅组成，可以对垂直波导方向模式进行耦合的同时降低由金属引起的损失，能够对一阶和二阶傅里叶组分进行精确控制。通过宽度相同的两个槽或峰的变化来调节两个傅里叶组分的相对相移。外延片采用InGaAs/AlInAs有源区两侧InP包层结构。温度300 K时阈值电流密度比是3 kA/cm2，光束发散角为12°×3.1°，同时该器件有较高的边模抑制比。
2014年，C.Sigler，J.DKirch等人[31]设计了4.6 μm波段的光栅耦合面发射量子级联激光器，该器件远场单瓣，阈值小于0.5 A，斜率效能大于3 W/A。如图 8所示。利用TM模式和二阶分布反馈金属-半导体光栅的反对称表面等离子体模式的谐振耦合功能抑制器件的反对称模，使其具有强对称模。器件两端的分布布拉格反射镜 (DBR) 光栅可以对光场和载流子分布起到束缚作用，避免了不可控反射以及灾变型的端面退化，因此该器件具有稳定输出相干光的潜力，同时连续波工作输出功率可达瓦级。
2016年，美国C.Boyle和C.Sigler等人[32], 对中红外波段二阶光栅面发射激光器进行了研究。利用二阶金属半导体DFB光栅和二阶DBR光栅实现光反馈和耦合输出，研制出光栅耦合面发射量子级联激光器。如图 9所示，该器件工作波段4.7 μm。DFB区域长度为2.55 mm，两边DBR区域长度均为1.28 mm，光栅整体长度为5.1 mm。该器件在纵向有对称光栅模式，这是因为波导光学模式的谐振耦合可以形成反对称表面等离子模式，同时反对称模式会被光栅中的金属强烈吸收，得到有利于激射的对称模式。峰值泵浦功率到达0.4 W。
国内的研究机构对于SE-DFB结构半导体激光器的关注较少，只有清华大学、北京半导体所、中科院长春光机所等单位开展了一些初步的探索。
2010年，郭万红，陆全勇等人[33]对红外波段基于表面等离子波导的量子级联面发射激光器进行了分析研究，基于耦合模式理论和无限周期结构的Floquet-Bloch理论，对金、银、钯材料进行分析，得出表面等离子波导层采用银可以在7.8 μm获得面发射量子级联激光器。并优化器件结构，获得一种相对于传统波导的分布反馈量子级联激光器性能有明显的提升的新型结构，该结构表面输出耦合效率为43%，阈值增益为12 cm-1。如图 10所示。
2011年，郭万红、刘俊岐等人[34]设计了混合波导面发射分布反馈量子级联激光器。该混合波导由薄的InGaAs接触层和浅刻蚀在带有金属覆盖层的包层上的二阶光栅混合而成。通过优化浅刻蚀二阶光栅的占空比，降低波导损失同时提升耦合强度。温度为90~130 K时能够获得稳定的单模输出，占空比高于20 dB，90 K时高斜率效率为194 mW/A。该器件沿波导方向远场是分离15°的双瓣模式。
2011年，叶淑娟、秦莉等人[35]模拟了激光中心波长927 nm的SE-DFB半导体激光器，采用表面二阶金属光栅，实现连续注入1.6 A电流，单面输出单功率200 W，光谱线宽为0.8 nm。利用有机化学气相沉积 (MOCVD) 生长得到外延结构，利用全息光刻技术制作二阶光栅 (周期为286 nm)。2012年，长春光机所叶淑娟、秦莉等人[36]研制了940 nm宽条 (100 μm) 二阶光栅分布反馈面发射激光器，远场角2.7°，0.07 nm光谱线宽，连续输出功率718 mW。
2012年，陈剑燕、刘俊岐等人[37]研制了8.3 μm波段的二阶分布反馈谐振腔的脉冲面发射量子级联激光器。如图 11所示。该器件利用表面等离子增强 (surface-plasmon-enhanced) 的优势，室温工作时实现单模、远场双瓣模式，沿波导方向发散角为0.35°，边模抑制比为20 dB；温度160 K时，出射峰值功率为3.85 W。
同年，姚丹阳、刘峰奇等人[38]设计了8.3 μm波长表面金属光栅分布反馈量子级联激光器，器件工作温度为290 K时，输出峰值功率可达463 mW；工作温度为400 K时，输出峰值功率达到18.7 mW，具有较大的温度调谐范围。该器件实现单模输出，边模抑制比为20 dB。如图 12所示。
2013年，姚丹阳、张金川等人[39]研制出的4.6 μm波长的面发射分布反馈量子级联激光器，如图 13所示，该器件利用掩埋光栅技术，在75 ℃高温时连续工作。温度为10 ℃时，远场单瓣，最低阈值电流密度为0.85 kA/cm2，输出功率为105 mW，发散角0.17°×18.7°，边模抑制比为30 dB。
同年, 谭少阳、翟腾等人[40]设计了脊形波导的面发射分布反馈量子级联激光器，并对改进器件进行性能测试。有源区采用两个低温生长的InGaAs/GaAs量子阱，利用全息曝光和湿法刻蚀技术制作二阶光栅，获得1 064 nm的工作波长。单模工作时电流为255 mA，输出功率90 mW，边模抑制比高于55 dB，耦合效率达60 cm-1。
2014年，张锦川、刘峰奇等人[41]将等效相移技术 (EPS) 应用于激光器件的研究，研制了4.6 μm波长λ/4-EPS面发射分布反馈量子级联激光器。通过改变取样周期，使单个晶片具有多波长选择性，同时单模出射，平均边模抑制比超过20 dB，发散角为0.6° ×16.8°。室温时脉冲工作可获得较大波长覆盖范围72 nm。是迄今为止首个引入λ/4-EPS的面发射激光器。
同年，姚丹阳、张锦川等人[42]成功研制了4.6 μm波长的宽条型脉冲分布反馈量子级联激光器，如图 14所示，脊长、脊宽分别是2 mm、60 μm。温度20 ℃时，峰值功率1.82 W；温度50 ℃时，峰值功率1.22 W。脉冲宽度为1 μs，占空比为0.2%。在激光器两侧端面镀高反膜，可以获得沿脊宽方向远场单瓣模式，发散角为7.9°；而沿腔长方向远场获得双瓣模式，发散角为0.61°。当热沉温度高达115 ℃时，器件单模出射连续可调，相应温度调谐系数为Δv/ΔT=-0.16 cm-1C-1。
2015年，刘颖慧、张锦川等人[43]利用顶部二阶金属半导体光栅结构发射横磁偏振光，实现了在室温下连续输出波长4.8 μm。衬底在25 ℃时发光功率为94 mW，阈值电流密度1.21 kA/cm2，单边抑制比为30 dB，发散角为0.58°×16.2°。如图 15所示。
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2009年，美国Alfalight公司[44]将曲形光栅应用到面发射分布反馈半导体激光器上，在9XX~1 5XX nm波段都能得到大功率激光器。如图 16所示，将光栅刻在p盖层上，中心为泵浦区域，边缘为非泵浦区域，最边缘还有吸收区域，用于抑制菲涅尔反射。曲线形光栅的设计是为了构成一个类似“传统的非稳定型谐振腔”，能够最大限度的从增益介质中获取能量，得到好的光束质量的横模。Alfalight公司报道[45]的976 nm波长的面发射分布反馈激光器在连续波工作模式时衍射极限功率超过2 W，单一发射器输出功率为73 W的最大记录。
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2005年，英国G.A.Turnbull、A.Carleton等人[46]对聚合物圆形光栅分布反馈激光器的圆形光栅进行了特性研究。如图 17所示，在硅衬底上生成一层薄的共轭聚合物。通过圆形光栅的外直径和占空比的优化，获得最小的阈值和最优的面发射斜率效率。通过实验获得：圆形光栅为250 μm时，激光器的阈值为19 nJ，斜率效能为0.13%。
2010年，S.F.Yu和X.F.Li[47]提出了太赫兹圆形金属光栅面发射分布反馈激光器的理论模型，并分析了该模式特性。如图 18所示。通过分析可知，金属包层和二阶圆形金属光栅形成的表面耦合以及超高光束限制可以提升器件的激射效率。同时发现圆形状的金属-介质-金属波导结构会使衍射场强度随光栅半径r的增加而衰减，为获得高度集中的圆形面发射模式提供了理论依据。
2013年，Guozhen Liang、Houkun Liang等人[48]成功研制了单模工作面发射太赫兹量子级联激光器。该器件采用非均匀二阶分布反馈同轴圆形光栅 (CCG)。工作温度70 K时边模抑制比为30 dB，获得同轴六折旋转对称的远场模式。其峰值输出功率是体积相近的脊型波导激光器的3倍，阈值增益与面积相当的脊型激光器相近；表面出射光场分布比环形分布反馈量子级联激光器均匀，非常适合二维高功率激光阵列的集成。
2014年，奥地利Rolf Szedlak等人[49]对圆形量子级联激光器的远场模式进行了研究，设计并制作了9 μm圆形量子级联激光器，如图 19所示。通过理论和实验分析可知，除了通过光栅π相移的方法外，还可以利用旋转光栅裂缝的方法来获得更好的远场模式。
图 19 圆形量子级联激光器异质结和波导结构示意图
Figure 19. Schematic illustration of the heterostructure and the waveguide of a ring quantum cascade lasers. The inset shows a sketch of the complete ring laser[49]
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1999年，出现了光子晶体面发射激光器 (PESELs) 第一实验演示[50-51]，就因为它独特的特性和与常见的半导体激光器相比性能的提升吸引了人们的关注[51-60]。光子晶体由于其特有的结构能够在较宽的区域提供稳定的单模和较高的功率。
2009年，法国Gangyi Xu、Virginie Moreau等人[61]研制了7.3 μm波段面发射光子晶体量子级联激光器，光子晶体被单独的放在金属层之上，金属层模式和非金属层区域之间的失配足够满足光学反馈获取激光。如图 20所示。单模抑制比20 dB，工作温度为220 K。当光子晶体厚度为150 nm时，出光发散角为9°, 出光功率达到mW级。
2014年，日本Yong Liang等人[62]对光子晶体面发射激光器的单模稳定性进行了分析，设计并制作了光子晶体面发射激光器，如图 21所示。该结构采用晶片键合技术，嵌入方形井网光子晶体结构层，利用直角等腰三角形不对称特性获得有效出光平面耦合，p电极层是圆形电极。通过理论分析和实验可知，获取稳定光子晶体结构，需要增大主要发光模式与竞争模式之间的阈值边缘Δα，同时避免空间烧孔现象。
图 21 光子晶体面发射激光器结构示意图
Figure 21. Schematic structure of a PCSEL device. Lower left panel illustrates bottom side view of circular p-electrode with diameter L[62]
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由近些年的相关报道可知：在3种结构的激光器中，转向镜原理较为简单，但工艺复杂并且制作困难。光子晶体结构需要大的高宽比和空气填充系数的精确控制，同时还要考虑边界吸收。然而二阶光栅结构的水平腔面发射半导体激光器结构由于其制备工艺及其性能的优势获得了广泛的关注，并在结构参数和性能上得到了快速地优化。
二阶光栅多应用于量子级联激光器结构上，并在基础理论、波导结构、光栅设计、出光特性等方面都取得了较好的发展。二阶光栅中矩形光栅的应用较为广泛，虽然能产生稳定单模输出且光束质量较好，但很难达到大功率。而美国Alfalight公司生产的商用二阶曲线光栅面发射分布反馈激光器，单一发射器输出功率能达到73 W。曲形光栅的设计原理是构成一个类似“传统的非稳定型谐振腔”，能够最大限度的从增益介质中获取能量，得到好的光束质量的横模。虽然曲线形光栅能带来大功率，但曲线形光栅易受温度和诱发载流子介电常数变化的伤害，在高功率输出时器件容易产生多模。二阶分布反馈光栅的引入可以减小沿脊轴方向的发散角，环形光栅、准直硅镜、三阶布拉格光栅等可以用于改善出射光的二维图形，并且同轴圆形光栅也被证实为一种有效克制脊形波导缺点的方法。因此对于新型器件的研究，可以从探索新的光栅形状 (三角形，矩形等等) 以及新型波导结构出发，这样不仅可以提升激光器的功率，还能增强器件的稳定性。
随着应用领域的扩展，中红外波段面发射激光器成为研究热点。该波段是追迹气体探测、自由空间通信和污染监测等应用领域的理想波段。光子晶体面发射激光器在该波段得到了广泛的研究，但其性能还有待提升。二阶光栅面发射激光器也开始对该波段进行探索研究，但远场光斑为双瓣。随着半导体器件工艺的发展，使二阶光栅面发射激光器在该波段范围工作成为可能。二阶光栅工艺的发展可以扩大工作波长的范围，应用在更多领域。光栅材料除了采用半导体材料以外，还可以采用金属材料，由于金属与半导体界面能够产生等离子体，可以提高斜率效率和输出功率，并改善光束质量。器件结构上还可以采取渐变式波导结构或梯形波导结构，有助于光场强度分布的改善和光耦合输出效率的提升。
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目前，国际上水平腔面发射半导体激光器已经取得极大的发展。由3种具有特殊结构的面发射激光器综合对比可知，转向镜面发射激光器因其工艺较难，光束质量较差而很少被关注；二阶光栅面发射激光器和光子晶体面发射激光器因其光束质量好，输出功率大等优点而得到广泛认可，并且在基本理论，制作工艺等方面都已经趋于成熟。
国内相关研究单位较少，并大部分工作集中在二阶光栅面发射激光器的研究上，对光子晶体结构激光器研究较少。随着水平腔面发射激光器性能的提升及应用领域的扩展，将会有越来越多的研究人员加入到该激光器结构的研发和探索中。对二阶光栅结构的深入研究以及相关工艺水平的不断提升将有利于器件性能的提高以及工作波段的拓展。而光子晶体面发射激光器因其工作波段的优势可以在气体追踪，污染检测等领域得到广泛应用，具有良好的发展前景。
Research progress of horizontal cavity surface emitting semiconductor lasers
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摘要: 近年来，水平腔面发射半导体激光器具有高功率、高光束质量及易封装集成等优良性能，已成为激光器领域的研究热点。本文详细阐述了几种水平腔面发射半导体激光器的结构设计、工作原理以及激光输出特性，并对该激光器国内外最新研究进展与发展现状进行了总结和论述。在此基础上，对该激光器的研究方向和发展趋势进行了分析与展望。目前，水平腔面发射半导体激光器的激光输出功率可达瓦级，美国Alfalight公司引入曲线形光栅的单一发射器输出功率可达73 W。随着应用领域的不断拓展，中远红外波段水平腔面发射激光器将成为未来的研究焦点。Abstract: In recent years, horizontal cavity surface emitting semiconductor lasers have become a hot research topic in the field of lasers due to its excellent properties such as high power, high beam quality, easy packaging, integration and so on. In this paper, we describe several types of horizontal cavity surface emitting semiconductor lasers and their working principle, structure design and features. Then, we summarize and review the present research and development of the proposed lasers at home and abroad, and on this basis, aiming at the research work for horizontal cavity surface-emitting semiconductor lasers and development trends, a further analysis and outlook are given. Currently, the output power of the horizontal cavity surface emitting semiconductor lasers has achieved watts level, and the output power of single transmitter producted by Alfalight company can reach up to 73 W with curved grating. With the expansion of application fields, far infrared band horizontal cavity surface emitting lasers will become focus in the future.
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Key words:
- surface emitting /
- steering mirror /
- second order grating /
- photonic crystal /
- semiconductor lasers
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图 1 水平腔面发射激光器结构示意图
Figure 1. Structure diagram of horizontal cavity surface emitting lasers
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