面發(fā)射分布反饋半導體激光器

田　錕，鄒永剛*，馬曉輝，郝永芹，關(guān)寶璐，侯林寶

(1長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，吉林 長春 130022;

2北京工業(yè)大學 光電子技術(shù)省部共建教育部重點實驗室，北京 100124)

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面發(fā)射分布反饋半導體激光器

田錕1，鄒永剛1*，馬曉輝1，郝永芹1，關(guān)寶璐2，侯林寶1

(1長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，吉林 長春 130022;

2北京工業(yè)大學 光電子技術(shù)省部共建教育部重點實驗室，北京 100124)

摘要：本文詳細闡述了面發(fā)射分布反饋半導體激光器(SE-DFB-LD)的基本工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計及其工作性能，針對國內(nèi)外研究最新進展與發(fā)展現(xiàn)狀進行了總結(jié)和評述，并在此基礎(chǔ)上，對面發(fā)射半導體激光器的研究工作和發(fā)展趨勢做出了進一步的討論和展望。隨著面發(fā)射分布反饋半導體激光器各性能指標的不斷優(yōu)化提升和后期加工、裝調(diào)技術(shù)的逐漸成熟，其將不斷滿足科學研究及工業(yè)、軍事等實際應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Π雽w激光器的需求，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

關(guān)鍵詞:二階光柵；面發(fā)射；分布反饋；半導體激光器

Surface emitting distributed feedback semiconductor lasers

TIAN Kun1, ZOU Yong-gang1*, MA Xiao-hui1, HAO Yong-qin1, GUAN Bao-lu2, HOU Lin-bao1

1引言

半導體激光器因其尺寸小、重量輕、光電轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、穩(wěn)定性好和易于集成等獨特優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和軍事裝備等領(lǐng)域，并已成為光電子領(lǐng)域的核心器件[1]。同時，隨著相關(guān)半導體制備工藝技術(shù)的改進和完善，半導體激光器性能指標得到了大幅提升，應(yīng)用領(lǐng)域和范圍也進一步拓寬。目前，在半導體激光器的加工與應(yīng)用過程中，為獲得理想的激光輸出質(zhì)量，往往在增大激光器輸出功率的同時需要進行光束整形、準直和耦合[2]，從而克服邊發(fā)射半導體激光器出射光束圖形復雜、發(fā)散角大等先天劣勢，但是昂貴的精密光束整形系統(tǒng)和高裝調(diào)難度大幅增加了激光器的加工制作成本，制約了邊發(fā)射激光器件的產(chǎn)品化。

表面發(fā)射半導體激光器為上述邊發(fā)射激光器所面臨的問題提供了切實可行的解決方案。按照結(jié)構(gòu)不同，表面發(fā)射半導體激光器有很多種，現(xiàn)今商用的主要是垂直腔表面發(fā)射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers，VCSELs),因其圓形輸出光斑、單縱模輸出、低閾值電流、易耦合、價格低廉以及易集成化等特點已廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域[3-4]，但是與邊發(fā)射激光相比，其極低的光子單程增益嚴重限制了器件的輸出功率，同時圓對稱結(jié)構(gòu)使得橫向模式不穩(wěn)定，以及制作材料單一等都阻礙了VCSELs的進一步發(fā)展。

2014年，中科院長春光機所采用全自主化設(shè)計的芯片結(jié)構(gòu)及模塊結(jié)構(gòu)串接4個單管高功率垂直腔面發(fā)射半導體激光器(VCSEL)設(shè)計，成功研制了百瓦級980 nm波段高功率準列陣模塊[5]。其尺寸僅為2.2 mm×2.2 mm，輸出功率高達210 W，這是繼2012年成功制備單管VCSELs模塊輸出92 W(國際最高)以來，迄今為止所報道的最高功率指標。該突破使得微小型高功率VCSELs模塊有望在激光引信、激光測距及激光面陣雷達系統(tǒng)中達到實用化水平，但目前還處于實驗室階段，并未進行市場推廣。

除VCSELs以外，還有縱向振蕩表面發(fā)射半導體激光器，如光子晶體(PhC)諧振腔激光器[6]，但其需要的高縱橫比、靈活調(diào)節(jié)空氣填充系數(shù)的深刻蝕技術(shù)和帶邊吸收域的精確設(shè)計都限制了其實用化；而環(huán)形腔(Ring cavity)激光器[7-11]對器件制備技術(shù)水平要求較高，對其產(chǎn)品化亦存在一定的制約性。相對前述激光器，采用二階Bragg式光柵實現(xiàn)表面輸出耦合功能的面發(fā)射DFB半導體激光器(SE-DFB-LD)優(yōu)勢明顯，其最大的亮點在于外延片采用二階光柵，不僅提高激光器器件工作效能，同時簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了制備和運行成本。目前，典型產(chǎn)品已實現(xiàn)高功率(單管73 W)、高亮度(單管近衍射極限3 W，CW)，窄線寬(0.08 nm)[12]，單管及陣列單模激射和單瓣近衍射極限出光[13]。與單橫模、高折射率差的光子晶體結(jié)構(gòu)結(jié)合有望實現(xiàn)瓦級的連續(xù)波工作衍射極限功率。此外，金屬/半導體界面處產(chǎn)生的表面等離子體被有針對性地用于光束整形和發(fā)散角壓縮[14]，進一步改善了二階金屬光柵SE-DFB-LD的出光質(zhì)量及工作性能。二階光柵SE-DFB-LD可靠性及實用水平的提升和后期的批量化生產(chǎn)將促成激光雷達、激光探測、信息處理、激光工業(yè)加工等眾多領(lǐng)域迅猛的發(fā)展及革命性的飛躍。

本文綜述了面發(fā)射二階光柵分布反饋半導體激光器的工作原理、結(jié)構(gòu)與工作性能，對國內(nèi)外的近五年的研究進展進行了總結(jié)，并就其發(fā)展趨勢和工作展望進行了分析。

2相關(guān)基本原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能

2.1　相關(guān)基本工作原理

光柵是一種集衍射與干涉作用于一體的混合光學元件，在光柵上有規(guī)則地配置狹縫和溝槽等波狀起伏結(jié)構(gòu)，使其光透過率或反射率呈周期性變化，從而對入射光波的相位或振幅進行空間周期性調(diào)制。因此，SE-DFB-LD將光柵置于半導體激光器內(nèi)，即在半導體激光器的芯片上制作Bragg光柵，并通過衍射作用對光波進行分布反饋，從而實現(xiàn)選縱模，窄線寬及面發(fā)射的目的。

相對傳統(tǒng)端面光反饋的F-P腔半導體激光器，SE-DFB-LD的光柵結(jié)構(gòu)分布于整個諧振腔內(nèi)，進而對光進行“分布”反饋，使得相向傳播的光波發(fā)生耦合。其中，只有滿足Bragg反射條件的光子才能形成穩(wěn)定的光反饋，進而產(chǎn)生光增益和光放大。其Bragg條件為：

(1)

式中，neff為光柵材料和填充材料的有效折射率，Λ為光柵周期，q為光柵的階數(shù)q∈N*，λ為Bragg波長。q階光柵的光柵周期Λ是腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩光子的半波長的q倍，可知，對于具有一定帶寬的激光器來說，出光特性(如激射波長、出光方向)均由光柵的周期Λ決定，因此可通過改變光柵周期來調(diào)制衍射出光方向。

在激光器中，除了常見的介質(zhì)光柵，還有采用金屬填充的半導體材料光柵，即金屬-半導體衍射光柵[15-16]。當激光器工作時，其內(nèi)部(金屬、半導體交界面)存在等離子體增強效應(yīng)[17](如圖1)和電極反射作用(如圖2)，從而影響器件出光特性。根據(jù)Maxwell方程可知，一定條件下等離子體表面波(SPW)沿著金屬與電介質(zhì)交界面?zhèn)鞑?，金屬表面結(jié)構(gòu)的改變(制成光柵)會影響表面等離子體的特性，進而改變與光的作用效果。光波入射金屬-半導體光柵界面時發(fā)生散射。當具有特定角度散射光在界面方向上的分量與SPW的動量相等且消失波存在時，散射光將會與SPW發(fā)生共振(SPR)，產(chǎn)生表面等離子體增強效應(yīng)。

圖1　金屬-半導體光柵激發(fā)表面等離子體Fig.1　SPPs excited at the interface of metal and semiconductor

圖2　電極反射作用Fig.2　Effect of electrode reflection

合金處理后的二階金屬光柵P面蓋層或包層會同時起到歐姆電極的作用。光波作用于金屬-半導體光柵，衍射出垂直于光柵平面向上及向下傳播的一級衍射光。向下傳播的衍射光直接從表面輸出，向上傳播的衍射光會與金屬電極作用損失部分能量并反射向下傳播，部分反射光與向上傳播的一級光發(fā)生干涉，相干增強或減弱光強，從而影響二階光柵耦合系數(shù)。

2.2　結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能

對于出射特定波長λ的激光器來說，可分為不同內(nèi)置光柵階數(shù)的光柵耦合激光器(N階光柵的光柵周期是介質(zhì)內(nèi)半波長的整數(shù)N倍)。而光柵的階數(shù)決定了光的衍射方向。一階光柵上只發(fā)生與入射光相反的一級衍射；二階光柵上發(fā)生與入射光方向相反的二級衍射及與其垂直的一級衍射；三階光柵上發(fā)生3個不同方向的衍射；更高階的光柵上會發(fā)生更多的衍射方向。

常見的邊發(fā)射DFB-LD因耦合機制不同而分為折射率耦合DFB-LD、增益耦合DFB-LD與復耦合DFB-LD，通過內(nèi)置一階光柵實現(xiàn)光子沿縱向穩(wěn)定振蕩反饋的DFB-LD，其在單縱模激射、波長穩(wěn)定性、工作可靠性等方面都明顯優(yōu)越于傳統(tǒng)的邊發(fā)射F-P腔LD。然而除存在共有的邊發(fā)射結(jié)構(gòu)所致大發(fā)散角等缺點外，這些結(jié)構(gòu)又都各有其不同于其他的不足之處，進而影響了其實際應(yīng)用。

圖3　一階光柵分布反饋激光器示意圖Fig.3　Schematic diagram of first-order grating DFB laser

SE-DFB-LD為內(nèi)置二階光柵，光子沿腔長方向穩(wěn)定反饋振蕩，并垂直芯片表面耦合出光的DFB-LD，具有單縱模工作、表面出光、小發(fā)散角、亮度高、線寬窄、溫漂小、工作穩(wěn)定、工藝較簡單等優(yōu)點，大大增加了激光系統(tǒng)運用的方便性和靈活性，在泵浦固體及光纖激光器、激光焊接、激光雷達、空間光通信等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

圖4　二階光柵DFB激光器示意圖Fig.4　Schematic diagram of second-order grating DFB laser

光柵分類：

(1)在光柵的形狀結(jié)構(gòu)上，除了傳統(tǒng)的平面直線形，還有圓形(Circular)、碟形(Disk)、環(huán)形 (Ring)以及曲線形(Curved)。圓形光柵耦合面發(fā)射激光器產(chǎn)生圓對稱、大孔徑、低發(fā)散的優(yōu)質(zhì)激光束，易高效地光纖耦合，是相干合束中用于二維激光陣列集成的優(yōu)質(zhì)模塊；碟狀布拉格諧振腔激光器在低閾值、高效率、超緊湊激光器設(shè)計中實用性最強；同時環(huán)形布拉格諧振腔激光器在高效率、高功率、大面積激光器領(lǐng)域中最具發(fā)展?jié)摿?。碟形和環(huán)形布拉格光柵可對垂向圓形光斑進行控制。曲線光柵面發(fā)射SE-DFB可以對出光模式(光束截面二維方向的發(fā)散角)進行控制并且實現(xiàn)圓形光柵SE-DFB所不易完成的二維漏模耦合陣列化出光。

圖5　圓形光柵及曲線光柵SE-DFB-LD示意圖Fig.5　Schematic diagram of circular-grating SE-DFB-LD and curved-grating SE-DFB-LD

圖6　全息刻蝕及曲線光柵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6　Schematic diagram of holography lithography and curved grating

圖7　SE-DFB-LD表面出光及準直示意圖Fig.7　Schematic diagram of surface emitting and beam collimating

(2)考慮光柵材料、結(jié)構(gòu)對光增益的影響，即根據(jù)neff虛數(shù)部分的大小，可將SE-DFB-LD分為：折射率耦合型SE-DFB-LD、增益耦合型SE-DFB-LD，以及復耦合型SE-DFB-LD。折射率耦合型SE-DFB-LD，模式簡并，工作不穩(wěn)定且近場反對稱，遠場光斑為雙瓣，必須引入π的相移才能得到單瓣出光；增益耦合型和復耦合型SE-DFB-LD工藝難，散射損耗大，增益或損耗項引起了大的閾值增益差，獲得遠場單瓣出光。

(3)按光柵材料的不同(其相應(yīng)的工作原理亦有差別)，可分為介質(zhì)光柵SE-DFB-LD和金屬光柵SE-DFB-LD。工作原理上，前者只涉及二階光柵衍射與光的反饋，后者可以在此基礎(chǔ)上更多涉及了等離子體增強作用和電極發(fā)射作用。結(jié)構(gòu)上，前者的光柵離有源區(qū)較近，從而增強了光柵對內(nèi)部光波的衍射及調(diào)制幾率。后者離有源區(qū)較遠，但因所附加等離子增強原理而依然有較高的光電轉(zhuǎn)換效率及表面出光耦合效率。

(4)按激光器出光面的位置可分為 Top-Surface-Emitting DFB-LD和Substrate-Emitting DFB-LD。相對而言，后者結(jié)構(gòu)應(yīng)用較為普遍。

圖8　上表面出光及襯底出光DFB-LD示意圖Fig.8　Schematic diagram of top-surface-emitting DFB-LD and substrate-emitting DFB-LD

(5)按出光窗口和光柵與有源區(qū)相對位置不同，可分為同側(cè)或異側(cè)。后者較為常見，兩者位于異側(cè)的二階金屬光柵結(jié)構(gòu)相對于位于同側(cè)的金屬結(jié)構(gòu)，光場作用中多了電極作用。

(6)按器件內(nèi)光柵的周期性可將其分為周期性 (periodic)光柵和非周期性(biperiodic)光柵。相對于傳統(tǒng)的邊發(fā)射LD，垂直腔面發(fā)射LD(VCSEL)及DFB-LD，二階光柵SE-DFB-LD具有眾多優(yōu)良性能：

芯片內(nèi)部：

(1)基于光柵對光的衍射、調(diào)制作用，可以形成類型多樣且作用效果各異的諧振腔，從而實現(xiàn)了光子縱向反饋振蕩及表面耦合出光的目的。

(2)表面發(fā)射損耗會引起主模式和最低階次模式間存在大的閾值增益差，消除了模式簡并，獲得單縱模激射模式。

(3)內(nèi)部芯片不需要解理便可直接進行測試，提高了成品率，降低了生產(chǎn)成本。

(4)曲線光柵的引入避免了來自外界的光反饋，同時對光波前整形，增加了出射光亮度并抑制了側(cè)模細絲化的形成。

芯片外部：

(1)增大了出光面積和模式體積，避免了光學災變、面反射模式體積小和功率密度低等影響出光功率的問題。相應(yīng)地降低了加工散熱器件工藝難度，提高了波長穩(wěn)定性，簡化了裝置結(jié)構(gòu)。

(2)在出光口上大面積鍍增透膜可避免兩端面鍍高反膜及相應(yīng)引入的表面損傷問題，降低了加工工藝難度及制備成本。

(3)表面出射光束受光柵調(diào)制，窄化光譜線寬并壓縮了二維出光截面上的發(fā)散角，從而改善了出光模式，使得之后的光束整形、準直和光纖耦合易于進行，此外還省去了復雜龐大的輔助設(shè)備。易封裝、易獲得集成化高功率、高光束質(zhì)量陣列。

(4)相對于常見的邊發(fā)射LD系統(tǒng)，面發(fā)射LD器件表面電極接觸面積較大，降低了芯片電阻，采用低電流電源便可驅(qū)動系統(tǒng)運行。

(5)SE-DFB-LD中曲線形光柵結(jié)構(gòu)可以通過單元之間的行波耦合實現(xiàn)高功率高質(zhì)量光束輸出的側(cè)模鎖相相干陣列。

(6)二階金屬光柵SE-DFB-LD中利用金屬光柵取代了介質(zhì)光柵，避免了光柵制作完成后需要進行的二次外延生長過程，同時用作電極的金屬光柵具有最小化的熱阻抗。面發(fā)射LD所具有的大散熱面積更有利于實現(xiàn)系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性及波長穩(wěn)定性。

3國內(nèi)外研究進展及展望

光柵耦合面發(fā)射激光器的研究起始于20世紀70年代，較集中地應(yīng)用于近紅外(IR)波段的設(shè)備[18-20]。TE偏振激光器中，縱模輻射損失較低，傾向于反對稱激射(例如遠場具有雙瓣的模式)，為了實現(xiàn)單瓣工作，出現(xiàn)了很多方法如采用復耦合光柵、引入相移、兩邊設(shè)置反射鏡、采用啁啾光柵以及載流子注入等，其中最成功的是采用沒有功率損失的中心光柵π相移[21-24]或者作用相當于一個π相移的啁啾光柵[25]。

然而，這段時間相關(guān)的光柵衍射理論、光柵制作工藝及光柵耦合器件制備技術(shù)的發(fā)展都不夠完善。需制備的器件及相關(guān)實驗結(jié)果不能準確驗證相關(guān)的理論分析與計算結(jié)果，阻礙了光柵耦合器件及系統(tǒng)研究的進程。

隨著光柵刻蝕技術(shù)水平的穩(wěn)步提升，微光學領(lǐng)域的研究也日趨深入，出現(xiàn)了多種新的刻蝕技術(shù)如全息刻蝕[26-27]、納米壓印技術(shù)[28]、表面等離子體加強光刻技術(shù)[29]、電子束直寫技術(shù)[30]、LIGA技術(shù)、質(zhì)子寫入技術(shù)[31]等，這些技術(shù)都有力地推動著具有特殊結(jié)構(gòu)和特定用途的光柵不斷革新，極大地拓展了光柵的應(yīng)用領(lǐng)域。其發(fā)展是由單一到多樣，由單周期光柵到雙周期交叉光柵，由介質(zhì)光柵到金屬光柵，由單層光柵到多層光柵，刻劃精度及光柵所具性能不斷提升，制造技術(shù)持續(xù)發(fā)展并走向嫻熟的過程。光柵刻蝕技術(shù)方面的工作極大地推動了光柵耦合器件及SE-DFB-LD優(yōu)化及發(fā)展進程。

20世紀90年代中期，量子級聯(lián)激光器(QCLs)問世[32]之后，出射TM偏振光束的器件成為光柵耦合面發(fā)射激光器的分析熱點。至今，中紅外面發(fā)射分布反饋光柵量子級聯(lián)激光器的內(nèi)部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)主要包括：二維量子晶體結(jié)構(gòu)[33]、空氣-金屬/半導體光柵[34]、襯底發(fā)光金屬/半導體光柵[35-36]、金屬/半導體非周期光柵[37]及全半導體光柵[38]。

截至2008年，已出現(xiàn)了多種光柵造型耦合器件及實現(xiàn)高輸出功率的SE-DFB-LD集成陣列結(jié)構(gòu)。在相關(guān)的基本理論(Surface Plasmon[39]，Surface Plasmon Polarition[40]、ARROW[41]、主動光格子[42]等)、結(jié)構(gòu)(折射率耦合、復耦合、襯底發(fā)光、量子級聯(lián)等)、現(xiàn)象(遠場雙瓣、側(cè)模細絲化等)、工藝(光柵刻蝕、集成陣列、封裝等)等方面的探索與問題研究已取得了一定的成果，使得不同的類型、結(jié)構(gòu)及用途的SE-DFB-LD進軍到了通信、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域。

2009年，Alfalight公司[43]首次在SPIE OPTO會展上展示其曲線光柵SE-DFB-LD產(chǎn)品，工作波長為976 nm的SE-DFB-LD在連續(xù)波工作模式下達到超過2 W的衍射極限功率，單一發(fā)射器輸出功率達73 W。相對于無穩(wěn)頻裝置的邊發(fā)射激光器，SE-DFB-LD波長隨溫度穩(wěn)定性(溫漂)為0.07 nm/℃，無需晶片制冷設(shè)備，帶寬窄于0.25 nm，亮度相當于邊發(fā)射激光器的10倍。4-6-6-4圓形模式的激光陣列出光達200 W，6-9-9-6圓形模式的陣列出光將近300 W，并通過交叉極化合并激光單元實現(xiàn)多種千瓦級陣列，是SE-DFB-LD研究發(fā)展歷程中的里程碑。

圖9　Alfalight公司SE-DFB-LD[43]Fig.9　Configuration of Alfalight′s SE-DFB-LD[43]

3.1　國外研究進展

2009年，Xiankai Sun和Amnon Yariv在已有工作基礎(chǔ)上對非均勻泵浦面發(fā)射啁啾圓形光柵激光器的模式性質(zhì)(如閾值增益水平和頻率解諧因子)進行研究和分析，并且對圓形DFB、碟狀和環(huán)狀布拉格諧振腔激光器基模的遠場模式進行了全面詳細研究，為后續(xù)相關(guān)研究奠定了理論基礎(chǔ)。同年，G.Masions、M.Carras等人[37]提出了非周期光柵結(jié)構(gòu)，如圖10所示。QCLs中該光柵一周期內(nèi)包含2個溝槽(即一個一階光柵和一個二階光柵)。該種結(jié)構(gòu)在降低金屬引起損失的同時可對垂直于波導方向的模式進行耦合，實現(xiàn)對一階和二階傅里葉組分振幅的精確控制。通過設(shè)定寬度相同的兩個槽或峰來控制兩個傅里葉組分的相對相移，同時芯片制作采用了InP包層和InGaAs/AlInAs有源區(qū)(已提出)的設(shè)計，制備了高邊模抑制比、低光束發(fā)散角(12°×3.1°)、閾值電流密度為3 kA/cm2(300 K，無冷卻器)、中紅外激射折射率耦合、水平腔襯底出光的量子級聯(lián)激光器(HCSELs)。

圖10　具有非周期光柵結(jié)構(gòu)的面發(fā)射分布反饋量子級聯(lián)激光器示意圖[37]Fig.10　Schematic diagram of SE-DFB-QCLs using biperiodic top metal grating

集成相干的太赫茲光源是生物制藥、大氣科學等眾多領(lǐng)域的理想光源，而邊發(fā)射THz QCLs的大發(fā)散角限制了其實際應(yīng)用。2010年，S.F.Yu和X.F.Li[44]就太赫茲圓形金屬光柵SE-DFB-LD(如圖11)提出了全面的理論模型并對其模式特性進行了設(shè)計和分析，采用金屬包層以及二階圓形金屬光柵構(gòu)成的表面耦合機制和超高光束限制提升了激射效率，并發(fā)現(xiàn)MDM波導的圓形造型會引起衍射場強度隨著光柵半徑r的增加而衰減，從而為獲得高度集中的圓形面發(fā)射模式提供理論依據(jù)。

圖11　二階同軸圓形金屬光柵太赫面發(fā)射分布反饋量子級聯(lián)激光器示意圖[44]Fig.11　Schematic diagram of THz SE-DFB-QCLs with a 2nd-order CCMG[44]

二維光子晶體結(jié)構(gòu)和集成角天線可以同時普遍地用于兩個方向上擴大相干光出射面。美國加州理工學院與桑迪亞國家實驗室 Tsung-Yu Kao、Qing Hu等人[45]提出了第3種獲得對稱輸出光束的方法，即采用實現(xiàn)鎖相調(diào)頻的“相位節(jié)”(phase sector)制作二階DFB激光器鎖相陣列 (圖12為三脊型SE-DFB陣列)。兩個同頻但隨意相位的相同脊型DFB-LD通過“相位節(jié)”連接而獲得沿鎖相陣列方向更加緊湊的光束模式的SE-THz-QCLs鎖相陣列。正常運行情況下，六脊型激光鎖相陣列為單瓣遠場光束模式(FWHM≈10°)。此外，通過改變增益引起的光學折射率(optical index)，相位節(jié)可以獨自偏置(biased)來實現(xiàn)頻率調(diào)諧，而不會對輸出功率水平造成很大影響。

圖12　三脊型SE-DFB激光器陣列示意圖[41]Fig.12　Schematic diagram of a three-ridges surface-emitting DFB array

新加坡南洋理工大學S.F.Yu和X.F.Li[46]對具有二階同軸圓形金屬光柵(circular concentric metal grating，CCMG)結(jié)構(gòu)的THz SE-DFB-LD提出了相應(yīng)的理論及方法來分析激光器光場分布、閾值及模式特性，得出MDM波導的幾何圓形結(jié)構(gòu)隨著r的增加，衍射場強度逐漸衰減而產(chǎn)生高度集中的圓形表面發(fā)射模式(對于提出的結(jié)構(gòu)，可能出射集中在THz亞波長的激光)。

韓國光州科技技術(shù)院報道了二階Cr表面金屬光柵側(cè)向雙錐脊型波導InGaAsP-InGaAsP對量子阱分布反饋激光器[47]。單模激射，工作波長為1.3 μm，邊模抑制比高達43 dB，波長隨溫度穩(wěn)定性(溫漂)為0.071 nm/K。同年又成功研制了性能優(yōu)良的二階金屬表面光柵側(cè)向耦合分布反饋激光器[48]，工作波長1.55 μm，波長隨溫度穩(wěn)定性為0.08 nm/K。

然而，如何消除金屬光柵導致的光損失，提升激光器工作溫度、壓縮輸出光束發(fā)散角且準確控制出射光波長成為另一個重要課題。2011年，G.Maisons、M.Carras等人[36]就這一問題提出了一個新穎的想法——將光柵的分布反饋與表面耦合輸出的功能分開，相應(yīng)地設(shè)計了基于二階金屬光柵耦合器的高效定向單模QCL, 并進行了實驗驗證。工作部分由一個具有一階光柵DFB諧振腔和具有二階光柵的耦合器組成，如圖13所示。激射波長5.65 μm，邊模抑制比(SMSR)為30 dB，低光束發(fā)散度(FWHM=2.3°和4°)，但是因為DFB段的高折射率耦合系數(shù)和低的耦合效率，使得出射功率為標準邊發(fā)射激光器功率的1/10。因此，還需進一步對器件的結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化以實現(xiàn)高功率連續(xù)波工作以及高質(zhì)量光束輸出。

圖13　襯底出光分布反饋量子級聯(lián)激光器示意圖[49]Fig.13　Schematic diagram of the studied substrate-emitting DFB quantum cascade lasers

對于過熱轉(zhuǎn)移問題，外延層向下接合(epilayer-down bonding)是種高效可行的方法，Y.Bai、S.Tsao、N.Bndyopadhyay等人[49]利用這種方法率先研制并報道了連續(xù)波工作的襯底發(fā)光量子級聯(lián)環(huán)形激光器，之前所報道的襯底出光QCL均是脈沖工作。工作波長4.85 μm，室溫下連續(xù)波工作輸出功率高達0.51 W，穩(wěn)定持續(xù)單模激射功率達0.4 W，測試證明遠場為高階模且為方位偏振光束。

二階DFB光柵的引入縮小了脊軸方向的發(fā)散角，環(huán)形光柵、準直硅鏡、三階布拉格光柵等被用于改善出射光的二維圖形，同軸圓形光柵(CCG)也被證實為一種有效克制脊形波導缺點的方法。Guozhen Liang、Houkun Liang等人[50]在2013年成功制備采用非均勻二階分布反饋同軸圓形光柵(CCG)的單模工作SE-THz QCLs。獲得70 K下30 dB邊模抑制比和同軸六折旋轉(zhuǎn)對稱的遠場模式，其峰值輸出功率比體積相近的脊型波導激光器的高3倍多，與面積相當?shù)募剐图す馄饔邢嘟拈撝翟鲆?；與環(huán)形DFB-QCLs相比，表面出射光場分布較為均勻，非常適合二維高功率激光陣列集成。

2014年，C.Sigler、J.DKirch等人[51]設(shè)計了一種單瓣、中紅外波段激射(波長4.6 μm)、低閾值(<0.5 A)、高斜率效率(>3 W/A)的GCSE-QCLs。因量子激光器中TM偏振光學模式對二階DFB金屬/半導體光柵上的反對稱表面等離子體模式的諧振耦合導致反對稱模被強烈吸收，使得其本身具有抑制反對稱模和增強對稱模的作用。如圖14所示結(jié)構(gòu)中，設(shè)置DFB光柵兩側(cè)被分布布拉格反射鏡(DBR)光柵束縛，避免了端面反射引起的不可控反射以及高功率時熱致壓力引起災變性的端面退化，進而使得此種結(jié)構(gòu)有實現(xiàn)穩(wěn)定輸出連續(xù)波工作瓦級相干光的潛力。

圖14　面發(fā)射掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)DFB/DBR量子級聯(lián)激光器及其縱截面示意圖(右)[51]Fig.14　Schematic diagram and vertical section(right) of surface-emitting buried-heterostructure DFB/DBR quantum cascade lasers[51]

Rolf Szedlak、Clemens Schwarzer等人[52]介紹了兩種調(diào)整環(huán)形QCLs遠場模式的方法，其分別基于具有旋轉(zhuǎn)光柵狹縫和稍微偏離中心結(jié)構(gòu)的新型DFB光柵。實驗表明：前者結(jié)構(gòu)引進了確定程度的徑向偏振，而這種程度取決于光柵狹縫的傾斜角度，并且狹縫旋轉(zhuǎn)角度的增大會削減光柵的耦合能力，從而降低耦合輸出功率；后者結(jié)構(gòu)獲得相位匹配波前、相干干涉以及一個沿垂直環(huán)面方向圓對稱、強度分布非均勻的中央單瓣遠場模式。

圖15　環(huán)形量子級聯(lián)激光器異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.15　Schematic diagram of the heterostructure of ring quantum cascade lasers

3.2　國內(nèi)研究進展

近年來，國外光柵耦合面發(fā)射分布反饋半導體激光器的研究進展非常迅速；相對而言，國內(nèi)在該方面的研究起步較晚，但發(fā)展相對較快。中科院半導體所、中科院長春光機所、清華大學等科研單位的相關(guān)報道表明我國現(xiàn)已在SE-DFB-LD領(lǐng)域獲得較豐碩的研究成果。

至今雖有眾多良好的實驗成果，但對SE-DFB-LD的優(yōu)化(輸出耦合效率、遠場分布等)依然需要很多模擬及實驗工作。2010年，中科院長春光機所葉淑娟等人[53]基于耦合模理論對二階光柵SE-DFB-LD的閾值增益、光子密度分布及外微分量子效率等進行了綜合分析，并通過數(shù)值討論了光柵占空比對器件出光特性的影響，優(yōu)化后光柵占空比為0.43，邊模抑制比達35 dB，外微分量子效率達47%。更重要的是該理論分析和數(shù)值討論方法是一種完整的極具參考價值的針對二階DFB激光器出光特性綜合分析的方法。

同年，中科院半導體所郭萬紅等人[54]運用耦合模理論描述了SE-DFB-QCLs的模式性質(zhì)，并在此基礎(chǔ)上，數(shù)值分析了波導結(jié)構(gòu)、光柵造型以及裝置長度對激光器工作狀態(tài)的影響，并對這些參數(shù)進行了優(yōu)化。通過光柵中心引入π相移，獲得了遠場單瓣模式、表面輸出耦合效率22%、低閾值增益10 cm-1的激光器件。之后，郭萬紅等人[55]設(shè)計并模擬了基于表面等離子體波導(Surface-plasmon waveguide)SE-DFB-QCLs，討論分析了設(shè)備的參數(shù)及性能(損失、耦合系數(shù)，閾值增益及輸出耦合效率)，并設(shè)計了表面輸出耦合效率為43%、閾值增益為12 cm-1的優(yōu)化器件，相對于傳統(tǒng)的電介質(zhì)波導DFB-QCLs有了明顯的改善。

制作于金屬接觸層的光柵雖提高了折射率差和輸出耦合系數(shù)，但引起的高波導損失將會限制激光器的工作性能。2011年，郭萬紅等人[56]在薄的InGaAs接觸和包層淺刻蝕了金屬覆蓋的二階光柵制成混合波導，成功研制了基于混合波導的SE-DFB-QCL。通過優(yōu)化淺刻蝕二階光柵的占空比獲得相對低的波導損失和高的耦合強度，實現(xiàn)了穩(wěn)定的單模工作(90~130 K條件下)，占空比高于20 dB，90 K時斜率效率為194 mW/A，沿著波導的方向遠場雙瓣模式(分離15°)。

相對于室溫工作的連續(xù)波半導體激光器，脈沖工作、高峰值功率且低運行成本的高性能半導體激光設(shè)備更受市場青睞。2012年，中科院半導體所陳劍燕等人[57]提出了基于表面等離子增強(Surface-plasmon-enhanced)二階分布反饋諧振腔的脈沖SE-QCLs，工作波長8.3 μm，室溫單模工作，邊摸抑制比為20 dB，沿波導方向發(fā)散角為0.35°的遠場雙瓣模式，160 K時峰值出射功率(peak powers) 3.85 W。他們提出淺刻蝕表面等離子體增強二階分布反饋諧振腔是實現(xiàn)高功率單模面SE-QCL最實用的結(jié)構(gòu)。

圖16　面發(fā)射量子級聯(lián)激光器[57]Fig.16　Surface emitting quantum cascade lasers[57]

同年，中科院半導體所姚丹陽等人[58]研制出性能優(yōu)良的表面金屬光柵DFB-QCLs(如圖17)，工作波長為8.3 μm，290 K時峰值功率達463 mW，400 K時仍然達18.7 mW，具有較大的溫度調(diào)諧范圍，單模工作且邊模抑制比為20 dB。這種結(jié)構(gòu)極大地推動了長波光譜范圍表面金屬光柵DFB-QCLs的實際應(yīng)用。

圖17　表面金屬光柵分布反饋量子級聯(lián)激光器示意圖[58]Fig.17　Schematic diagram of the surface metal grating distributed feedback quantum cascade lasers

環(huán)形腔光柵面發(fā)射激光器采用埋柵技術(shù)已實現(xiàn)室溫連續(xù)工作，可是復雜的制備程序及遠場多階橫模制約了其向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)變。2013年，中科院半導體所姚丹陽等人[59]采用埋柵技術(shù)研制出高溫(達75 ℃)連續(xù)工作的SE-DFB-QCLs，工作波長4.6 μm，283 K時獲得0.85 kA/cm2的最低閾值電流密度和高達105 mW的輸出功率，遠場單瓣圖形，0.17°×18.7°低發(fā)散角，邊模抑制比達30 dB。

圖18　面發(fā)射量子級聯(lián)激光器示橫截面[59]Fig.18　Schematic of cross section of the surface-emitting quantum cascade lasers

中科院半導體所譚少陽等人[60]研制成功脊形波導的SE-DFB-LD。其中采用全息照相術(shù)和濕法刻蝕制作二階光柵，以兩個低溫生長的優(yōu)質(zhì)InGaAs/GaAs量子阱作為有源區(qū)，實現(xiàn)激射波長為1 064 nm，單模工作電流達255 mA，相應(yīng)的輸出功率達90 mW，高于55 dB的邊模抑制比以及耦合效率達60 cm-1的工作模式。

取樣光柵一直未應(yīng)用于DFB-QCL制作，其附加優(yōu)勢(通過改變?nèi)又芷趤韺⒍嗖ㄩLSE QCLs制作在單元芯片上)也未得到體現(xiàn)。2014年，中科院半導體所張錦川等人[61]成功將λ/4-EPS(等效相移技術(shù))應(yīng)用于SE-DFB-QCLs的研制。通過改變?nèi)又芷趯崿F(xiàn)單個晶片上多波長選擇性的單模激射且平均邊模抑制比超過20 dB，獲得工作波長約4.6 μm以及發(fā)散角為0.6°×16.8°的遠場單模激射模式，室溫下可實現(xiàn)脈沖模式達72 nm的較大波長覆蓋范圍，成為迄今首個采用λ/4-EPS的面發(fā)射激光裝置。

圖19　寬條形襯底出光分布反饋量子級聯(lián)激光器示意圖[62]Fig.19　Schematic of broad area substrate-emitting distributed feedback quantum cascade lasers

通過在激光器兩端面鍍高反膜減少基模和高階模的鏡面損失差，以及基橫模具有最低的波導損失而首先激射是獲得基橫模的好方法。基于此，姚丹陽等人[62]開展了對寬條型脈沖工作的DFB-QCLs的研發(fā)并獲得了成功，器件工作波長為4.6 μm，脊長、脊寬分別為2 mm、60 μm。溫度為20 ℃時，峰值功率達1.82 W，溫度為50 ℃時達1.22 W，脈沖寬度為1 μs，占空比為0.2%。在兩端面鍍高反膜進而獲得沿脊寬方向遠場單瓣、發(fā)散角為7.9°，沿腔長方向遠場雙瓣、發(fā)散角為0.61°的遠場基橫模。熱沉溫度高達115℃，激光器單模出射連續(xù)可調(diào)(無跳模)，相應(yīng)溫度調(diào)諧系數(shù)為Δv/ΔT=-0.16 cm-1C-1。在眾多激光應(yīng)用領(lǐng)域中，這種寬條型襯底出光激光器會因其峰值輸出功率高、高光束質(zhì)量而更具競爭力。

3.3　發(fā)展趨勢及展望

由近些年的相關(guān)科研報道可知：SE-DFB-LD的大部分工作集中于量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)上，并在基礎(chǔ)理論、波導結(jié)構(gòu)、光柵造型、模式特性、陣列模型等方面都逐步完善。然而，在大功率、高亮度的體材料有源層SE-DFB-LD方面的成果相對較少，在外延片結(jié)構(gòu)方面(如寬波導大光腔結(jié)構(gòu)、非對稱波導結(jié)構(gòu)等)沒有明顯的創(chuàng)新和突破。目前輸出功率最高的依然是Alfalight公司生產(chǎn)的商用二階曲線光柵面發(fā)射DFB激光器。相對而言，國內(nèi)各個大功率激光器研究組均未對該種激光器件的研發(fā)表現(xiàn)足夠的重視。

目前，SE-DFB-LD的工作波段主要集中在近、中紅外，以及少量的遠紅外波段。豐富光柵耦合SE-LDs的工作物質(zhì)及結(jié)構(gòu)，拓展工作波長范圍，將是推動新波長SE-DFB-LD器件革新開發(fā)并拓展SE-DFB-LD應(yīng)用領(lǐng)域的必經(jīng)之路。

通過借鑒現(xiàn)有的光柵耦合器件理論及制備工藝，分析、探究多種材料和造型的光柵(尤其金屬光柵)對LD器件整體工作性能的影響，并優(yōu)化設(shè)計光柵的各個參數(shù)及光柵在器件中的位置，將有助于進一步改善光束輸出質(zhì)量，提升器件工作的可靠性。值得一提的是：特定材料、構(gòu)型的光柵可用于遠、近光場圖形的調(diào)制，以滿足對輸出光場圖形的特定需要。

分析影響光柵衍射效率及波導耦合效率因素，應(yīng)探究高光柵衍射效率及高波導耦合效率的最佳切合點，權(quán)衡系統(tǒng)各個參數(shù)以獲得高衍射效率及耦合輸出效率的激光系統(tǒng)。

此外，在金屬光柵方面：需要深入探究金屬光柵對內(nèi)部光子的吸收損耗所產(chǎn)生的對光柵耦合系數(shù)以至系統(tǒng)的整體性能影響和金屬表面等離子體增強效應(yīng)、電極作用與各頻率光波、金屬光柵各參數(shù)(造型、材質(zhì)、摻雜成分等)的關(guān)系。

為實現(xiàn)單管及陣列器件高功率、高光束質(zhì)量出光，已研制出線形結(jié)形、拋物線形等折射率波導耦合半導體激光器以及Y結(jié)形、Lorenz型曲線等波導耦合陣列，并開展對新型波導單元器件及陣列結(jié)構(gòu)造型的探索、創(chuàng)新以期實現(xiàn)相干耦合效率及光束質(zhì)量、激射功率的進一步提升。

值得注意的是，常用的電子束光刻、全息光刻以及納米壓印，因精度、成本、技術(shù)水平限制等而不能被直接用于工業(yè)化批量生產(chǎn)。因此，提升光刻與刻蝕工藝水平，同時探索具有更高精確度、更好均勻性且低成本、高效率的光柵制備技術(shù)，是實現(xiàn)SE-DFB-LD器件穩(wěn)定、高效工作的關(guān)鍵。

4結(jié)束語

目前，國際上在SE-DFB-LD理論、器件及工藝方面已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，光柵器件制備與應(yīng)用得到了足夠的重視，各種光柵耦合型SE-DFB-LD都以自身的獨特優(yōu)勢在不同領(lǐng)域得到了肯定。

國內(nèi)主要的研究單位有中科院半導體所、長春光機所、長春理工大學等。隨著SE-DFB-LD各項性能不斷優(yōu)化和提升，相信將會有更多的激光研究團隊加入到該種激光器的研發(fā)和革新工作中，積極緩解、改變我國“跟蹤研究能力強，原創(chuàng)成果少”的現(xiàn)狀。全新設(shè)計和研發(fā)的SE-DFB-LD亦會體現(xiàn)出更加優(yōu)良的工作性能以滿足人們對高質(zhì)量、高功率激光束的需求。其與高科技應(yīng)用設(shè)備的結(jié)合將推動半導體激光器在泵浦固體和光纖激光器、軍事、工業(yè)加工、航空航天、生物醫(yī)學、自由空間光通信等領(lǐng)域進一步拓展應(yīng)用。

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田錕(1991—)，男，河北石家莊人，碩士研究生，2014年于邯鄲學院獲得學士學位，主要從事光電子技術(shù)與應(yīng)用等方面的研究。E-mail:springwulitk@sina.cn

鄒永剛(1982—)，男，吉林長春人，博士，碩士生導師，2004年、2009年于吉林大學分別獲得學士、博士學位，主要從事光電子技術(shù)與應(yīng)用、光電子器件等方面的研究。E-mail:zouyg@cust.edu.cn

(1.StateKeylaboratoryofHigh-powerSemiconductorLasers,

ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China;

2.KeyLaboratoryofOpto-electronicsTechnologyofMinistryof

Education,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

*Correspondingauthor,E-mail:zouyg@cust.edu.cn

Abstract:The basic theory, structure and performance of surface emitting distributed feedback semiconductor lasers(SE-DFB-LD) were demonstrated and described in this paper, and the present situation of research and development at home and abroad was summrred and reviewed. Based on all of these, the further research and development trend were discussed and prospected. With the consecutive optimization and enhancement of performance and the advancement of late machining and alignment technology, SE-DFB-LD will fulfill the requirement for scientific research and practical applications and has great development potential and capacity in industry and military,etc.

Key words:second-order grating;surface emitting;distributed feedback;semiconductor lasers

作者簡介：

中圖分類號：TN258.4

文獻標識碼:A

doi:10.3788/CO.20160901.0051