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锥形半导体激光器研究进展

孙胜明 范杰 徐莉 邹永刚 杨晶晶 龚春阳

孙胜明, 范杰, 徐莉, 邹永刚, 杨晶晶, 龚春阳. 锥形半导体激光器研究进展[J]. 中国光学, 2019, 12(1): 48-58. doi: 10.3788/CO.20191201.0048
引用本文: 孙胜明, 范杰, 徐莉, 邹永刚, 杨晶晶, 龚春阳. 锥形半导体激光器研究进展[J]. 中国光学, 2019, 12(1): 48-58. doi: 10.3788/CO.20191201.0048
SUN Sheng-ming, FAN Jie, XU Li, ZOU Yong-gang, YANG Jing-jing, GONG Chun-yang. Progress of tapered semiconductor diode lasers[J]. Chinese Optics, 2019, 12(1): 48-58. doi: 10.3788/CO.20191201.0048
Citation: SUN Sheng-ming, FAN Jie, XU Li, ZOU Yong-gang, YANG Jing-jing, GONG Chun-yang. Progress of tapered semiconductor diode lasers[J]. Chinese Optics, 2019, 12(1): 48-58. doi: 10.3788/CO.20191201.0048

锥形半导体激光器研究进展

doi: 10.3788/CO.20191201.0048
基金项目: 

吉林省科技发展计划项目 20180519018JH

吉林省科技发展计划项目 20190302052GX

吉林省教育厅"十三五"科学技术项目 JJKH20190543KJ

长春理工大学科技创新基金 XJJLG-2016-07

详细信息
    作者简介:

    孙胜明(1991-), 男, 山东聊城人, 硕士研究生, 主要从事光电子技术与应用方面的研究。E-mail:sunshengming23@163.com

    范杰(1982—),男,吉林延边人,博士,助理研究员,2007年于吉林大学获得硕士学位,2013年于电子科技大学获得博士学位,主要从事光电子技术与应用方面的研究。E-mail:fanjie@cust.edu.cn

  • 中图分类号: TN248

Progress of tapered semiconductor diode lasers

Funds: 

Jilin Science and Technology Development Plan 20180519018JH

Jilin Science and Technology Development Plan 20190302052GX

Jilin Education Department "135" Science and Technology JJKH20190543KJ

the Innovation Science Foundation of Changchun University of Science and Technology XJJLG-2016-07

More Information
  • 摘要: 锥形半导体激光器具有高功率、高光束质量等特点,因此受到广泛关注并成为研究热点。从3种结构(传统结构、分布式布拉格反射(DBR)结构、侧向光栅条纹结构)的锥形半导体激光器出发,对国内外近十年具有代表性研究成果进行综述,介绍其理论研究和实验进展,并对锥形半导体激光器的未来发展进行展望。
  • 图  1  锥形半导体激光器样貌图[10]

    Figure  1.  Schematic of the tapered lasers[10]

    图  2  器件的阈值电流密度随温度的变化[12]

    Figure  2.  Plot of the threshold current density versus temperature[12]

    图  3  980 nm锥形激光器在不同输出功率时和不同驱动方式时的光束质量因子[13]

    Figure  3.  Dependence of the beam propagation ratio M2 on the output power for common separate contacting[13]

    图  4  不同外延设计的输出功率和光束质量因子M2的关系[18]

    Figure  4.  Beam propagation factor M2 with the outputpower for different epitaxial designs and experimental value for the symmetric structure[18]

    图  5  PCB层结构的锥形半导体激光器结构示意图[21]

    Figure  5.  Schematic of the tapered lasers based on longitudinal PBC structure[21]

    图  6  折射率分布和横向模式强度分布[21]

    Figure  6.  Refractive index distribution and calculated mode profiles[21]

    图  7  4种不同锥角大小结构的P-I-V曲线图[23]

    Figure  7.  Data for four different waveguide structures of the devices in a CW mode at room temperature[23]

    图  8  0°、3°、5°、8°Thz锥形半导体激光器电镜图[24]

    Figure  8.  SEM image of the tapered THz QCL with tapered angles equal to 0°, 3°, 5° and 8°[24]

    图  9  3A锥形区电流条件下,不同主振荡器电流条件(0、150、300 mA)的传统锥形激光器和DBR锥形激光器的近场强度、远场强度分布[26]

    Figure  9.  Near-and far-fields intensity for different RW(0、150、300 mA) currents at a taper current of 3 A[26]

    图  10  1 060 nm锥形半导体激光器结构示意图[28]

    Figure  10.  Cross-sectional schematic of the 1 060 nm DBR tapered laser[28]

    图  11  1 030 nm锥形半导体激光器结构示图[30]

    Figure  11.  Lateral layout of the presented 1 030 nm DBR tapered diode laser[30]

    图  12  3种不同DBR锥形半导体激光器设计[32]

    Figure  12.  Illustrations of the lateral layouts for DBR tapered diode lasers[32]

    图  13  DBR光栅加热电极[33]

    Figure  13.  Heater contact pads for DBR grating[33]

    图  14  913 nm双锥形半导体激光器结构示意图[35]

    Figure  14.  Schematical picture of the device. The scanning electron microscope map(inset) shows the ridge waveguide and the HOSGs on both sides of it[35]

    图  15  主振荡器侧向条纹锥形半导体激光器结构示意图[36]

    Figure  15.  Schematic diagram of a tapered THz QCL with lateral gratings[36]

    图  16  带有侧向Cr金属光栅的DFB锥形半导体激光器结构示意图[37]

    Figure  16.  Schematic diagram of laterally tapered ridge waveguide InGaAsP-InGaAsP MQW DFB lasers with Cr surface gratings[37]

    图  17  25 ℃和55 ℃条件下,器件光谱图[38]

    Figure  17.  Spectral characteristic of the device at 25 ℃ and 55 ℃ heatsink temperature[38]

    表  1  3种锥形半导体激光器性能

    Table  1.   Properties of three kinds tapered laser diode structures

    器件结构 出光功率 M2因子 最大亮度 加工工艺
    传统[14-16] W级 较大, 较不稳定 460 MW·cm-2sr-1 较简单
    DBR[27-28] 10W级 较小, 稳定 700 MW·cm-2sr- 较复杂
    侧向光栅条纹[23] mW级 较小 偏小 较简单
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-29
  • 修回日期:  2018-03-03
  • 刊出日期:  2019-02-01

锥形半导体激光器研究进展

doi: 10.3788/CO.20191201.0048
    基金项目:

    吉林省科技发展计划项目 20180519018JH

    吉林省科技发展计划项目 20190302052GX

    吉林省教育厅"十三五"科学技术项目 JJKH20190543KJ

    长春理工大学科技创新基金 XJJLG-2016-07

    作者简介:

    孙胜明(1991-), 男, 山东聊城人, 硕士研究生, 主要从事光电子技术与应用方面的研究。E-mail:sunshengming23@163.com

    范杰(1982—),男,吉林延边人,博士,助理研究员,2007年于吉林大学获得硕士学位,2013年于电子科技大学获得博士学位,主要从事光电子技术与应用方面的研究。E-mail:fanjie@cust.edu.cn

  • 中图分类号: TN248

摘要: 锥形半导体激光器具有高功率、高光束质量等特点,因此受到广泛关注并成为研究热点。从3种结构(传统结构、分布式布拉格反射(DBR)结构、侧向光栅条纹结构)的锥形半导体激光器出发,对国内外近十年具有代表性研究成果进行综述,介绍其理论研究和实验进展,并对锥形半导体激光器的未来发展进行展望。

English Abstract

孙胜明, 范杰, 徐莉, 邹永刚, 杨晶晶, 龚春阳. 锥形半导体激光器研究进展[J]. 中国光学, 2019, 12(1): 48-58. doi: 10.3788/CO.20191201.0048
引用本文: 孙胜明, 范杰, 徐莉, 邹永刚, 杨晶晶, 龚春阳. 锥形半导体激光器研究进展[J]. 中国光学, 2019, 12(1): 48-58. doi: 10.3788/CO.20191201.0048
SUN Sheng-ming, FAN Jie, XU Li, ZOU Yong-gang, YANG Jing-jing, GONG Chun-yang. Progress of tapered semiconductor diode lasers[J]. Chinese Optics, 2019, 12(1): 48-58. doi: 10.3788/CO.20191201.0048
Citation: SUN Sheng-ming, FAN Jie, XU Li, ZOU Yong-gang, YANG Jing-jing, GONG Chun-yang. Progress of tapered semiconductor diode lasers[J]. Chinese Optics, 2019, 12(1): 48-58. doi: 10.3788/CO.20191201.0048
    • 半导体激光器具有结构体积紧凑、电光转化效率高、激射波长范围广等优势,在光通信、激光加工、激光测距、生物医疗设备等方面具有广泛的应用[1-3]。而锥形半导体激光放大器可对单模种子光源进行功率放大,输出功率高且不影响光束质量,主要有外腔注入[4]和单片集成两种方式。外腔结构是指光源从外腔半导体激光器(External Cavity Diode Lasers,ECDL)发出,进而导入到锥形放大器芯片进行放大,但该结构具有体积大、结构复杂、需增益匹配等缺点。其中采用单片集成主振荡器的锥形半导体激光器是一种比较有发展前景的高光束质量激光器光源结构。随着半导体激光器应用水平的提高,锥形半导体激光器研究工作日益得到重视。相较于其他结构类型的高亮度半导体激光器[5],锥形半导体激光器因具有结构相对简单、制作成本低的优势被广泛应用[6-9],是国内外激光技术的研究热点之一。

      按照锥形半导体激光器结构分类,目前研究较多的主要有3种:(1)传统结构锥形激光器:即只有脊型主振荡器(Main oscillator,MO)和锥形放大器(Power Amplifier,PA)两部分组成。(2)DBR锥形激光器:即在脊型主振荡器后端刻蚀DBR光栅。(3)侧向光栅条纹锥形激光器:即在脊型主振荡器或结构样貌两侧表面刻蚀光栅条纹。

    • 锥形半导体激光器主要由脊型主振荡器(M0)和锥形光放大器(PA)两部分组成。如图 1[10]所示,前者脊型主振荡器通过折射率导引机制提供单模、小功率的种子光注入,后者锥形放大器通过增益导引机制对单模种子光注入进行放大,而不会产生高阶模激射,达到高功率、高光束质量的目的。从20世纪90年代开始国内外研究组对锥形半导体激光器进行了广泛而深入的研究,目前理论研究和工艺方面均具有一定的进展和突破。具有代表性的机构有德国FBH研究所(Ferdinand-Braun-Institut)、中科院北京半导体所、中科院长春光机所、中科院上海微系统与信息技术研究所等。

      图  1  锥形半导体激光器样貌图[10]

      Figure 1.  Schematic of the tapered lasers[10]

    • 相较于条形半导体激光器,锥形激光器在大功率输出的条件下,具有更高的光束质量。2011年,中科院长春光机所杨晔等人[11]对比850 nm锥形激光器和传统条形激光器的光学特性。其中锥形激光器外加3A的脉冲电流时,峰值功率达到1.40 W,斜率效率为0.58 W/A,电光转换效率为30%。在端面出光面积相同的条件下,输出功率同为1 W时,锥形激光器的发散角、M2因子、亮度分别为4°、2.8和9.9 MW·cm-2sr-1,性能远优于条形激光器的6°、9.2和3.0 MW·cm-2sr-1

      温度是影响大功率半导体激光器性能的重要原因。2013年,黄海华等人[12]研究了相同外延结构850 nm锥形激光器和条形激光器的温度特性,如图 2所示。锥形和条形激光器特征温度分别为164 K和96 K。这是由于锥形激光器的脊型区和锥形区条宽都要小于条形激光器,同时,锥形器件较深的腐蚀深度对注入电流的侧向扩散有限制作用,使得锥形器件特征温度显著提高。温度在20~70 ℃时,随着温度的升高,锥形器件的功率由0.97 W下降到0.70 W。在温度≤50 ℃条件下,锥形器件的光谱比条形的窄。

      图  2  器件的阈值电流密度随温度的变化[12]

      Figure 2.  Plot of the threshold current density versus temperature[12]

      传统锥形半导体激光器由两部分组成,且各部分工作机理明确。电极蒸镀时也会存在分离电极和共用电极两种方式。

      2007年,李璟等人[13]制备了国内首个分离电极的980 nm传统锥形激光器。当脊形波导区的电流逐渐超过150 mA以后,器件的最大输出功率逐渐达到4.28 W,并趋于饱和。与共用电极的980 nm锥形激光器相同。但功率大于1.5 W时,共用电极光束质量M2因子恶化严重,如图 3所示。这是由于较大的电流会使其脊形波导区激励出高阶侧模,因此锥形区输入光的光束质量下降,表现为锥形区输出光的M2因子较大。

      图  3  980 nm锥形激光器在不同输出功率时和不同驱动方式时的光束质量因子[13]

      Figure 3.  Dependence of the beam propagation ratio M2 on the output power for common separate contacting[13]

      2009年,P.Adamiec等人[14]制备了分离电极的645 nm锥形激光器。采用AlN热沉,连续电流工作下获得了500 mW最大功率输出,M2因子 < 1.1,脊型区电流调制效率为7.5 W/A。

      2009年,N.Michel等人[15]制备了分离电极的1 060 nm锥形激光器。器件输出功率为3 W时,M2因子为3.7,脊型区电流调制效率为50 W/A。

      光限制因子是影响锥形半导体激光器光束质量的重要参数,具有较小的光限制因子Γ的层结构可有效避免器件的自聚焦特性和丝状发光[16]。采用大光腔(Large Optical Cavity,LOC)波导和非对称结构设计均能降低器件的光限制因子Γ的数值。

      2006年,F.Dittmar等人[17]采用LOC结构,通过增加波导层总厚度以降低光限制因子。同时实验对比了前腔面反射率大小与M2因子的关系,结果显示反射率Rf=0.1%时相对于Rf=1%的M2因子降低了约15%。表明前腔面膜反射率越小,器件的光束质量越好。这是由于激光在锥形激光器谐振腔中只传播一个周期就可输出, 增透膜可减小由前腔面反射回波导中的光强,避免产生高阶模,影响器件光束质量。在功率为3.9 W时,M2因子为1.3,亮度为460 MW·cm-2sr-1。当最大输出功率为4.4 W时,仍保持近极限衍射的光束质量。

      2007年,J.M.G.Tijero等人[18]研究了非对称波导结构对锥形激光器亮度和光束质量的影响,如图 4所示。与对称波导结构[19](图 4中Exp.[6]▲)相对比,当光束质量因子M2相同时,#75/25(波导层厚度百分比)层结构的功率提升了约3倍。究其原因是随着上下波导层厚度比例的增大,一方面,导致器件M2因子恶化的功率节点变大;另一方面,高功率输出下丝状发光现象得到抑制。这主要是由于非对称结构光限制因子Γ减小导致有源层光子密度分布相对平缓,光子浓度过于集中而造成的空间烧孔效应[20](Spatial Hole Burning,SHB)和自聚焦效应会减弱。

      图  4  不同外延设计的输出功率和光束质量因子M2的关系[18]

      Figure 4.  Beam propagation factor M2 with the outputpower for different epitaxial designs and experimental value for the symmetric structure[18]

      2016年,Ma.X等人[21-22]制备了如图 5所示的10对交替Al0.1Ga0.9As/Al0.25Ga0.75As光子晶体层结构的锥形激光器。如图 6所示,该结构将基横模光限制因子扩大到高阶横模光限制因子的3.5倍,减小了高阶横模与基横模的模式竞争,从而具有较小较稳定的横向发散角,垂直发散角始终< 16°。器件电流逐渐增大过程中,横向和垂直方向上发散角大小均只有较小改变,其中快轴方向M2因子保持相对稳定,约为1.43。器件功率为3 W时,端面发生了烧毁现象,但为当时980 nm光子晶体半导体激光器所能达到的最大输出功率。

      图  5  PCB层结构的锥形半导体激光器结构示意图[21]

      Figure 5.  Schematic of the tapered lasers based on longitudinal PBC structure[21]

      图  6  折射率分布和横向模式强度分布[21]

      Figure 6.  Refractive index distribution and calculated mode profiles[21]

      随着锥形半导体激光器研究的深入,发现:锥形增益区角度是影响激光器器件光电特性的重要结构参数。

      2017年,S.S.Huang等人[23]制备了波长为2 μm的低横向发散角GaSb基锥形激光器。对比分析了相同腔长长度下,直波导、1°、3°、6°锥角的光电特性,如图 7所示。由于6°锥角的锥形区面积较大,单模种子光在锥区的增益特性效果明显,会具有相对较大的功率输出;但在较小的1°锥角条件下,单模种子光进入到锥形区时衍射强度分布相对平缓,器件远场光斑模式特性相对稳定。1°锥角器件的端面出光孔尺寸要远大于直波导,在输出功率为160 mW时,1°锥角的远场横向发散角半高全宽(Full Width Half Maximum,FWHM)为8.5°,要远优于直波导的13.3°。

      图  7  4种不同锥角大小结构的P-I-V曲线图[23]

      Figure 7.  Data for four different waveguide structures of the devices in a CW mode at room temperature[23]

      2013年,Y.F.Li等人[24]制备了波长频率为2.9 THz的太赫兹量子级联锥形激光器。为了抑制高阶模对光束质量的影响,在锥形区两侧边缘各留出20 μm宽未镀电极区,制作并探究了如图 8所示的4个不同锥角器件的光电特性。在10 K环境温度下,锥角为5°的器件获得了最大的输出功率和最小的远场横向发散角FWHM,约为58.2 mW和19.05°。表明在设计锥形激光器结构时,锥角大小存在最优值。而当锥角大小超过最优值时,锥形区的自聚焦效应会导致器件的最大输出功率逐渐减小,发散角逐渐增大。

      图  8  0°、3°、5°、8°Thz锥形半导体激光器电镜图[24]

      Figure 8.  SEM image of the tapered THz QCL with tapered angles equal to 0°, 3°, 5° and 8°[24]

      2015年,徐天鸿等人[25]通过建立准三维的太赫兹有源器件仿真模型,研究了锥形激光器锥角大小对激光器输出功率和光束质量的影响。结果再次表明:针对特定的层结构,锥形太赫兹量子级联激光器的锥角在设计过程中存在一个最优值,可使器件输出功率最大,光束质量最优。在器件实际制作时,锥角大小需要根据外延芯片层结构进行优化设计。

    • 传统锥形激光器和条形激光器一样面临着光谱线宽较大的问题,通常在脊型主振荡器后端刻蚀DBR光栅结构是解决该问题的有效手段。后期研究者发现,DBR光栅不仅起选模压缩线宽的作用,同时也会对器件内部的高阶侧模进行抑制,从而进一步提升了器件光束质量。

      在DBR锥形激光器理论分析方面。2013年,S.N.K.Nyirenda等人[26]对比分析了DBR锥形激光器和传统锥形激光器光束质量特性,如图 9所示。首次阐述了DBR锥形激光器中光栅条纹对光场模式具有优化作用,并分析了IRW大小对光束质量的影响。同时探究了影响锥形激光器光束质量的主要因素:前腔面膜反射率。为了减小前腔面增透膜反射回腔内部的光强对光束质量产生干扰,应尽可能降低前腔面膜增透膜的反射率以及锥角大小。提升功率的基础上尽可能地优化光束质量,锥角的大小应与脊型主振荡器注入光源的自由衍射角相匹配,不应过大。

      图  9  3A锥形区电流条件下,不同主振荡器电流条件(0、150、300 mA)的传统锥形激光器和DBR锥形激光器的近场强度、远场强度分布[26]

      Figure 9.  Near-and far-fields intensity for different RW(0、150、300 mA) currents at a taper current of 3 A[26]

      一般DBR光栅的反射率与光栅阶数呈反比,但影响深刻蚀光栅条纹的反射率的主要因素是占空比,占空比越大反射率越高,通常占空比>0.8时反射率>20%[27]。2008年,K.H.Halser等人[28]制备了如图 10所示的1 060 nm窄线宽DBR锥形半导体激光器。该器件采用三量子阱的超大光腔波导结构。为了降低工艺难度,在1 mm长的DBR端刻蚀6阶光栅条纹,当占空比为0.84时DBR端反射率约为30%。器件IRW=300 mA,输出功率为5 W时,获得了40 pm的窄线宽光谱和光束质量M2=2的近极限衍射光束。

      图  10  1 060 nm锥形半导体激光器结构示意图[28]

      Figure 10.  Cross-sectional schematic of the 1 060 nm DBR tapered laser[28]

      2014年,同研究所的B.Sumpf等人[29]再次制备了6阶光栅条纹的1 060 nm的锥形半导体激光器,器件性能得到进一步提升。该激光器采用与器件[28]相同的外延片,但主要在两方面进行了优化设计。将前腔面反射率由1%降到0.5%,后腔面反射率由0.1%降到0.05%,进一步降低高阶侧模从腔面两端反射回腔内对光束质量的影响;锥形区长度由2 mm增大为4 mm。1 mm DBR端同样采用6阶光栅条纹,通过增大DBR端光栅占空比和剩余深度,将DBR端反射率由30%增大到60%。当器件IRW=300 mA,输出功率为10 W时,获得了30 pm的窄线宽光谱和光束质量M2=1.2的近极限衍射光束。

      通过优化光栅条纹占空比和刻蚀深度以及前后腔面膜反射率可进一步提升器件性能。2016年,A.Muller等人[30]制备了发射波长为1 030 nm的DBR锥形半导体激光器,其结构如图 11所示。该激光器采用三量子阱非对称超大光腔层结构(Asymmetric Superlarge Large Optical Cavity,ASLOC)。1 mm DBR端采用3阶光栅条纹,其对1 030 nm波长达到了94%的衍射效率。器件前腔面和后腔面反射率分别为0.4%和0.08%,后腔面反射率较低是为了降低RW两侧高阶侧模反射回腔内对光束质量的影响。在环境温度15 ℃下,器件获得了12.7 W的输出功率和17 pm线宽。在输出功率为10.5 W时,近极限衍射光束质量因子M2=1.1,亮度为700 MW·cm-2sr-1

      图  11  1 030 nm锥形半导体激光器结构示图[30]

      Figure 11.  Lateral layout of the presented 1 030 nm DBR tapered diode laser[30]

      次年,A.Muller等人[31]再次制备了1 030 nm的DBR锥形半导体激光器。与2016年制备的器件相比,器件的模式增益Γg0和内量子效率得到了提升,内损耗降低到约为2016年制备的器件[30]的一半。该器件DBR端为7阶光栅条纹,通过模拟优化光栅条纹占空比和刻蚀深度,得到了约95%的衍射效率。在RW两侧进行离子注入以抑制高阶模传播。在器件前后腔面膜反射率分别为0.1%和0.03%。在环境温度15 ℃下,IRW=900 mA,Itap=20 A时,输出功率为16 W,线宽为22 pm。在输出功率为14.5 W时,近极限衍射光束质量因子M2=1.2。进一步提升了1 030 nm锥形半导体激光器的工作特性。

      2017年,A.Muller等人[32]针对1 030 nm DBR锥形激光器的DBR光栅端设计了2种结构器件。如图 12所示,设计2是将DBR光栅端按0.36°从4 μm扩宽到10 μm,相比于设计1扩宽了DBR光栅条纹,设计3是将脊型波导后段扩宽到10 μm再刻蚀DBR光栅条纹。通过对比分析3种不同结构脊型主振荡器电流密度jRW的近场光强分布、M1/e2因子和中心光斑功率百分比发现,相比于设计3,设计2的DBR光栅条纹对器件内部的高阶侧模的抑制效果更好[33]。该实验表明通过优化设计DBR光栅端可以进一步提升器件特性。

      图  12  3种不同DBR锥形半导体激光器设计[32]

      Figure 12.  Illustrations of the lateral layouts for DBR tapered diode lasers[32]

      2015年,K.Paschke等人制备了发射波长为1 180 nm的DBR锥形半导体激光器(如图 13所示)[34]。该器件DBR采用3阶光栅条纹,提升了DBR光栅端的光耦合衍射效率,并通过优化光栅条纹占空比和刻蚀深度,使DBR端对1 180 nm波长的反射率达到约70%。器件最大输出功率约为4 W,当IRW=200 mA,输出功率为2 W时,获得了10 pm的窄线宽光谱,边模抑制比为40 db,亮度为32 MW·cm-2sr-1,此亮度值为当时1 180 nm波长器件最高值。同时在光栅条纹两侧集成热电极用于波长可调谐,如图 13所示。当热电极工作到~500 mA时,器件激射波长从1 176.2 nm调谐到1 178.5 nm,对光束质量和光谱特性并未有影响。

      图  13  DBR光栅加热电极[33]

      Figure 13.  Heater contact pads for DBR grating[33]

      由于DBR锥形半导体激光器的关键结构为DBR光栅,而现有的光刻技术中软模紫外纳米压印光刻(soft-UV-NIL)的成本相对较低,同时该技术能实现较复杂的DBR光栅结构刻蚀。

      2015年,J.Viheriala等研究者[34]第一次实现了基于soft-UV-NIL技术的DBR锥形半导体激光器制备。该器件在最大输出功率状态时,仍具有~45 dB的边模抑制比,表明通过soft-UV-NIL技术刻蚀的光栅条纹较理想。

    • 制备DBR锥形激光器,需采用套刻工艺,而多次套刻一般会导致器件结构精度与预期设计产生误差,从而影响器件的特性。同时器件制备整套工艺较为复杂,不利于器件量产实用化。后期研究者发现,在脊型主振荡器或结构样貌两侧刻蚀光栅条纹同样能达到与DBR相同的作用,并具有相对更优的高阶模过滤作用,工艺步骤简单。

      2014年,中科院北京半导体所L.Liu等人[35]制备了波长为913 nm的侧向光栅条纹的双锥形半导体激光器(如图 14所示)。该器件在RW两侧刻蚀23阶侧向光栅条纹,周期为3.05 μm,占空比为0.5。光栅条纹一方面使器件单纵模输出,另一方面抑制RW两侧的高阶侧模,从而提高光束质量。该器件获得了913 nm单纵模输出和27 dB的边模抑制比,光谱线宽为0.16 nm,远优于直波导结构的多纵模输出和0.9 nm的光谱线宽。器件阈值电流为160 mA,斜率效率为0.23 W/A,单面输出功率为565 mW。

      图  14  913 nm双锥形半导体激光器结构示意图[35]

      Figure 14.  Schematical picture of the device. The scanning electron microscope map(inset) shows the ridge waveguide and the HOSGs on both sides of it[35]

      2016年,中科院上海微系统与信息技术研究所的C.Yao等人[36]制备了波长频率为3.4 THz的侧壁光栅条纹量子级联锥形半导体激光器,如图 15所示。该器件利用侧向光栅结构的选模特性,在脊型主振荡器两侧壁刻蚀光栅条纹,脊长包含80个占空比为0.5的1阶侧向光栅条纹周期。为获得单横模输出,WWWN分别为120 μm和100 μm。器件在达到翻转电流之前,波长边模抑制比始终>20 dB。10 K温度条件下,获得了30 mW功率。

      图  15  主振荡器侧向条纹锥形半导体激光器结构示意图[36]

      Figure 15.  Schematic diagram of a tapered THz QCL with lateral gratings[36]

      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。

      2010年,韩国光州科学技术院的Yeo C.I.等人[37]第一次制备了全表面侧向金属光栅的1.3 μm波长锥形半导体激光器。该器件首先通过等离子体气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)500 nm的SiO2作为刻蚀掩模,再通过相关工艺刻蚀出锥形结构样貌,全息曝光技术显影出363.8 nm周期的二阶光栅条纹。为了更好地生成金属光栅条纹先沉积一层金属Ti,最后再沉积30 nm厚的金属Cr。如图 16所示,金属Cr最终被嵌入绝缘层SiO2中,形成侧向金属光栅条纹。该器件在0~150 mA工作电流下,具有~42 dB的边模抑制比,保持良好的单纵模稳定性,dλ/dT=0.071 nm/K。单面输出功率为5 mW。

      图  16  带有侧向Cr金属光栅的DFB锥形半导体激光器结构示意图[37]

      Figure 16.  Schematic diagram of laterally tapered ridge waveguide InGaAsP-InGaAsP MQW DFB lasers with Cr surface gratings[37]

      2017年,S.Becker等人[38]制备了脊型主振荡器侧向金属光栅条纹的GaSb基带间级联锥形激光器。若直接在GaSb基外延片采用如图 14图 15所示的侧壁光栅条纹,光栅刻蚀工艺难度大,器件的单纵模特性效果并不理想[39]。而在脊型主振荡器两侧制备镀铬金属光栅条纹可以有效解决这两方面问题。该器件制备工艺和文献[38]研制的器件大体相同,只在脊型主振荡器两侧刻蚀了金属光栅。由图 17所示,在热沉温度25~55 ℃条件下,该器件的边模抑制比始终>25 dB,具有约14 nm的温度波长可调谐。25 ℃条件下,输出功率为35 mW。

      图  17  25 ℃和55 ℃条件下,器件光谱图[38]

      Figure 17.  Spectral characteristic of the device at 25 ℃ and 55 ℃ heatsink temperature[38]

      2017年,中科院半导体所的Z.W.Jia等人[40]制备了掩埋式采样光栅结构的分布反馈锥形量子级联半导体激光器(SBG-DFB QCLs)。一方面,通过采用掩埋式采样光栅提高光场耦合强度和降低光损耗,从而减小器件阈值电流强度;另一方面,光场与采样光栅的适度耦合特性可提升器件输出功率。实验对比分析了7 μm(1#)、8 μm(2#)、10 μm(3#)、14 μm(4#)采样光栅周期的锥形QCLs光电特性,其中1#器件在4种锥形结构中具有相对最小的阈值电流和最大的输出功率,同时4种锥形结构器件均具有比直波导结构大的输出功率。

    • 国外锥形半导体激光器研究起步较早,受制于相关工艺设备和工艺水平的限制,国内研究起步晚,器件性能较国外具有较大差距。尤其是在DBR锥形半导体激光器方面,国外无论是在输出功率还是光束质量方面均具有较高水平,而国内该结构器件几乎无相关报道。同时研究表明侧向光栅条纹锥形激光器在3结构中具有更优的光束质量特性,工艺也相对简单,但主要面临器件功率相对偏低的问题。因此进一步提升侧向光栅条纹锥形激光器的输出功率是国内外研究的热点之一,国内研究者在该领域已经开展了相关的研究并取得了一定的成果,但器件性能仍有较大的提升空间。另一方面,由于光栅设计是光栅类型锥形半导体激光器的关键,但现阶段光栅刻蚀工艺仍存在一定的难度,工艺简单、特性优良的新颖光栅结构设计也是锥形半导体激光器研究热点之一。3种锥形半导体激光器的性能汇总见表 1

      表 1  3种锥形半导体激光器性能

      Table 1.  Properties of three kinds tapered laser diode structures

      器件结构 出光功率 M2因子 最大亮度 加工工艺
      传统[14-16] W级 较大, 较不稳定 460 MW·cm-2sr-1 较简单
      DBR[27-28] 10W级 较小, 稳定 700 MW·cm-2sr- 较复杂
      侧向光栅条纹[23] mW级 较小 偏小 较简单
    • 由于锥形增益区对单模种子光源具有功率放大的作用,后期研究者针对各种锥形半导体激光器的结构进行了优化设计,逐步提升了锥形激光器的特性。研究表明,抑制器件内部高阶侧模是高亮度锥形半导体激光器研究中需要解决的问题之一。本文从传统锥形激光器、DBR锥形激光器、侧向光栅条纹锥形激光器3种结构出发,回顾了锥形半导体激光器的研究进展,并进行了简单的分析。锥形半导体激光器要走向大规模生产主要面临着制备工艺的精准与简化。相信在不久的将来,随着激光技术与制备工艺的完善,实现各波长段高亮度锥形半导体激光器的量产会成为必然。

参考文献 (40)

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