水平腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)展

海一娜，鄒永剛，田 錕，馬曉輝，王海珠，范 杰，白云峰

(長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室，吉林 長春 130022)

水平腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)展

海一娜，鄒永剛*，田 錕，馬曉輝，王海珠，范 杰，白云峰

(長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室，吉林 長春 130022)

近年來，水平腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器具有高功率、高光束質(zhì)量及易封裝集成等優(yōu)良性能，已成為激光器領(lǐng)域的研究熱點。本文詳細(xì)闡述了幾種水平腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作原理以及激光輸出特性，并對該激光器國內(nèi)外最新研究進(jìn)展與發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)和論述。在此基礎(chǔ)上，對該激光器的研究方向和發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析與展望。目前，水平腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的激光輸出功率可達(dá)瓦級，美國Alfalight公司引入曲線形光柵的單一發(fā)射器輸出功率可達(dá)73 W。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，中遠(yuǎn)紅外波段水平腔面發(fā)射激光器將成為未來的研究焦點。

面發(fā)射；轉(zhuǎn)向鏡；二階光柵；光子晶體；半導(dǎo)體激光器

1 引 言

半導(dǎo)體激光器因具有體積小，光電轉(zhuǎn)換效率高，工作壽命長和高速直接調(diào)制等優(yōu)點，是通信、光泵浦激光器、光信息存儲等不可或缺的重要光源，也是需要高效單色光源的光電子系統(tǒng)中的核心器件[1],在工業(yè)生產(chǎn)和軍事領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用[2-4]。隨著半導(dǎo)體器件工藝水平的發(fā)展和激光光束準(zhǔn)直整形方法的優(yōu)化，半導(dǎo)體激光器的出光特性得到了明顯提升，應(yīng)用領(lǐng)域也進(jìn)一步拓展[5]。目前，普遍通過對大功率半導(dǎo)體激光器輸出光束進(jìn)行整形[6-9]和光纖耦合[10-11]來獲取理想的光束質(zhì)量，但整形系統(tǒng)和裝調(diào)難度的提升增加了器件的復(fù)雜程度和制作成本，亦不利于陣列集成，因此限制了半導(dǎo)體激光器在大功率激光器件領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展應(yīng)用。面發(fā)射激光器件在克服以上邊發(fā)射器件局限性的同時具有更多獨特優(yōu)勢，擁有更好的發(fā)展前景。

目前商用的面發(fā)射激光器多為垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(VCSELs)，因其具有高光束質(zhì)量、單縱模輸出、低閾值電流、易耦合集成、價格低廉等特點[12-13]而廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域。而水平腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器發(fā)展較晚，水平腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器出光孔不需要鍍高反膜，表面損傷閾值??；另因表面出光，出光發(fā)散角小，避免了大快軸發(fā)散角附帶的問題；激光器共振腔較長，光增益較大，單模輸出功率大，是理想的高功率、單模單瓣耦合光源。同時水平腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器在制造上簡單，更容易集成二維陣列。

本文綜述了幾種不同結(jié)構(gòu)水平腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的基本工作原理、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作性能，對國內(nèi)、外近十年的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)和分析，并就其發(fā)展趨勢做出了展望。

2 基本原理

圖1 水平腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of horizontal cavity surface emitting lasers

目前，水平腔半導(dǎo)體激光器實現(xiàn)面發(fā)射的方法主要是引入3種結(jié)構(gòu)——轉(zhuǎn)向鏡，二階光柵和光子晶體。這3種結(jié)構(gòu)都是以傳統(tǒng)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過改變器件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)面發(fā)射。轉(zhuǎn)向鏡面發(fā)射激光器是在傳統(tǒng)邊發(fā)射激光器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行幾何改變，在器件上縱向波導(dǎo)邊緣刻蝕45°反射鏡，如圖1(a)所示。該器件通過DBR反射鏡提供光反饋和選模，光子振蕩激射后經(jīng)45°轉(zhuǎn)向鏡反射，改變光路，最終從器件表面輸出。二階光柵面發(fā)射激光器和光子晶體面發(fā)射激光器則是在傳統(tǒng)邊發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)中增加二階光柵層和光子晶體層，利用二階光柵和光子晶體的本身特性改變激射方向，如圖1(b)、1(c)所示。二階光柵面發(fā)射激光器[14-19]利用二階光柵的衍射效應(yīng)實現(xiàn)表面垂直出光。其中零級和二級衍射光用于光反饋以及選模作用，一級衍射光提供輸出耦合使光從器件表面出射。光子晶體面發(fā)射激光器[20-22]是在器件中加入光子晶體結(jié)構(gòu)，利用光子晶體周期性介電常數(shù)的特性來實現(xiàn)器件表面發(fā)射出光。

3 器件結(jié)構(gòu)

3.1 角度轉(zhuǎn)向鏡結(jié)構(gòu)

2005年,加拿大M.L.Osowski等人[23]設(shè)計了一種高功率頻率穩(wěn)定的面發(fā)射激光器。如圖2所示，利用干法刻蝕技術(shù)在激光器上刻蝕45°自由轉(zhuǎn)向鏡(其精確度低于0.1°)，實現(xiàn)諧振光的全內(nèi)反射，并從襯底表面射出。該器件采用DBR結(jié)構(gòu)提供反饋，實現(xiàn)選頻和穩(wěn)頻的作用。半寬全高0.9 nm，陣列出光功率可達(dá)瓦級。

圖2 垂直發(fā)射激光器芯片結(jié)構(gòu)示意圖[23]Fig.2 Structure diagram of vertical emitting laser chip[23]

2010年,德國M.Moehrle等人[24]首次將45°轉(zhuǎn)換鏡與集成檢測光電二極管合并設(shè)計了一種1 490 nm水平腔面發(fā)射激光器。如圖3所示。該器件具有同VCSEL一樣低的閾值電流3～7 mA(工作溫度20～90 ℃)。

圖3 水平腔面發(fā)射激光器橫截面原理圖[24]Fig.3 Schematic cross-sectional view of horizontal cavity surface emitting lasers(HCSEL)[24]

3.2 二階光柵面發(fā)射分布反饋激光器

3.2.1 直線形光柵

2005年,美國Li Shuang等人[25]研制了無鋁二階光柵面發(fā)射激光器，這一結(jié)構(gòu)依靠優(yōu)先刻蝕和二次外延來控制橫模。輸出光波長為980 nm。光柵結(jié)構(gòu)分為700 μm的二階DFB光柵以及兩側(cè)600 μm的DBR結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)中存在的橫向有效折射率差(Δn>0.05)，20個單元構(gòu)成陣列，分別實現(xiàn)1.6 W和10 W的連續(xù)和脈沖輸出功率。2007年,該研究團(tuán)隊[26]對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，內(nèi)置折射率波導(dǎo)，同時為了使光場和二階光柵充分發(fā)揮作用，選擇了一個薄的P蓋層結(jié)構(gòu)；采用分離限制異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)來提供必要的增益和光學(xué)限制，實現(xiàn)了波長穩(wěn)定和單頻激光輸出。40個單元連續(xù)功率達(dá)到2.4 W。陣列制備過程中要將腔內(nèi)各個光模式調(diào)諧到共振狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 二維面發(fā)射激光器的立體結(jié)構(gòu)圖插圖：面發(fā)射激光器截面圖[26]Fig.4 3-D schematic view of 2-D surface-emitting laserInset: Cross-sectional view of surface-emitting laser[26]

2006年，德國S.H?fling等人[27]研制了具有新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(耦合的法珀脊型波導(dǎo))的單模量子級聯(lián)激光器。通過光學(xué)平版刻蝕和干法刻蝕技術(shù)將波導(dǎo)結(jié)構(gòu)刻蝕到薄晶片上，將束縛態(tài)向連續(xù)態(tài)躍遷結(jié)構(gòu)設(shè)計的49個活躍期嵌入等離子體以提升波導(dǎo)結(jié)構(gòu)性能(1.4 μm厚高濃度摻雜和3.2 μm厚低濃度摻雜GaAs材料)，為面發(fā)射激光器研究提出了不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

2006年，美國Martin Schubert等人[28]采用中心π相移二階金屬光柵(具有空氣層)制備面發(fā)射激光器，輸出波長100 μm。其利用Floquet-Bloch和輻射場完美匹配層邊界條件的耦合模理論進(jìn)行分析(這個理論的組合對二階光柵高折射率差是有效的)。光柵占空比和光場強(qiáng)度是影響面發(fā)射激光器工作性能的主要因素。如圖5所示。

圖5 激光器結(jié)構(gòu)(光柵周期Λ和占空比σ)[28]Fig.5 Laser structure(grating periodicity Λ and duty cycle σ)[28]

隨著激光器技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用領(lǐng)域的拓展需求，2007年，A.Lyakh和P.Zory等人[29]研制了窄線寬(<1 cm-1)激光器，用于化學(xué)傳感器和污染監(jiān)測。如圖6所示，在量子級聯(lián)激光器上全息曝光并刻蝕光柵，光柵周期為1.65 μm。采用MOCVD低壓生且慢速生長0.1 nm/s，使輸出功率損失最低。獲得短脈沖激發(fā)(100 ns，16 kHz)，單縱模波長5 μm。

圖6 襯底發(fā)射量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)示意圖[29]Fig.6 Schematic representation of the substrate-emitting quantum cascade laser[29]

2009年，G.Masions，M.Carras等人[30]設(shè)計了中紅外波段水平腔面光子級聯(lián)激光器，該器件采用非周期光柵結(jié)構(gòu)，從襯底出射激光。如圖7所示。光柵結(jié)構(gòu)由一個一階光柵和一個二階光柵組成，可以對垂直波導(dǎo)方向模式進(jìn)行耦合的同時降低由金屬引起的損失，能夠?qū)σ浑A和二階傅里葉組分進(jìn)行精確控制。通過寬度相同的兩個槽或峰的變化來調(diào)節(jié)兩個傅里葉組分的相對相移。外延片采用InGaAs/AlInAs有源區(qū)兩側(cè)InP包層結(jié)構(gòu)。溫度300 K時閾值電流密度比是3 kA/cm2，光束發(fā)散角為12°×3.1°，同時該器件有較高的邊模抑制比。

圖7 非周期光柵結(jié)構(gòu)面發(fā)射量子級聯(lián)激光器示意圖[30]Fig.7 Schematic diagram of surface-emitting quantum cascade lasers using biperiodic top metal grating[30]

2014年，C.Sigler，J.DKirch等人[31]設(shè)計了4.6 μm波段的光柵耦合面發(fā)射量子級聯(lián)激光器，該器件遠(yuǎn)場單瓣，閾值小于0.5 A，斜率效能大于3 W/A。如圖8所示。利用TM模式和二階分布反饋金屬-半導(dǎo)體光柵的反對稱表面等離子體模式的諧振耦合功能抑制器件的反對稱模，使其具有強(qiáng)對稱模。器件兩端的分布布拉格反射鏡(DBR)光柵可以對光場和載流子分布起到束縛作用，避免了不可控反射以及災(zāi)變型的端面退化，因此該器件具有穩(wěn)定輸出相干光的潛力，同時連續(xù)波工作輸出功率可達(dá)瓦級。

圖8 面發(fā)射掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)DFB/DBR量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)示意圖[31]Fig.8 Schematic diagram of surface-emitting buried-heterostructure DFB/DBR quantum cascade lasers[31]

2016年，美國C.Boyle和C.Sigler等人[32],對中紅外波段二階光柵面發(fā)射激光器進(jìn)行了研究。利用二階金屬半導(dǎo)體DFB光柵和二階DBR光柵實現(xiàn)光反饋和耦合輸出，研制出光柵耦合面發(fā)射量子級聯(lián)激光器。如圖9所示，該器件工作波段4.7 μm。DFB區(qū)域長度為2.55 mm，兩邊DBR區(qū)域長度均為1.28 mm，光柵整體長度為5.1 mm。該器件在縱向有對稱光柵模式，這是因為波導(dǎo)光學(xué)模式的諧振耦合可以形成反對稱表面等離子模式，同時反對稱模式會被光柵中的金屬強(qiáng)烈吸收，得到有利于激射的對稱模式。峰值泵浦功率到達(dá)0.4 W。

圖9 三維器件結(jié)構(gòu)示意圖[32]Fig.9 Schematic three-dimensional device representation[32]

國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)對于SE-DFB結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的關(guān)注較少，只有清華大學(xué)、北京半導(dǎo)體所、中科院長春光機(jī)所等單位開展了一些初步的探索。

2010年，郭萬紅，陸全勇等人[33]對紅外波段基于表面等離子波導(dǎo)的量子級聯(lián)面發(fā)射激光器進(jìn)行了分析研究，基于耦合模式理論和無限周期結(jié)構(gòu)的Floquet-Bloch理論，對金、銀、鈀材料進(jìn)行分析，得出表面等離子波導(dǎo)層采用銀可以在7.8 μm獲得面發(fā)射量子級聯(lián)激光器。并優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，獲得一種相對于傳統(tǒng)波導(dǎo)的分布反饋量子級聯(lián)激光器性能有明顯的提升的新型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)表面輸出耦合效率為43%，閾值增益為12 cm-1。如圖10所示。

圖10 激光器結(jié)構(gòu)橫截面結(jié)構(gòu)圖[33]Fig.10 Schematic cross section of laser structure[33]

2011年，郭萬紅、劉俊岐等人[34]設(shè)計了混合波導(dǎo)面發(fā)射分布反饋量子級聯(lián)激光器。該混合波導(dǎo)由薄的InGaAs接觸層和淺刻蝕在帶有金屬覆蓋層的包層上的二階光柵混合而成。通過優(yōu)化淺刻蝕二階光柵的占空比，降低波導(dǎo)損失同時提升耦合強(qiáng)度。溫度為90～130 K時能夠獲得穩(wěn)定的單模輸出，占空比高于20 dB，90 K時高斜率效率為194 mW/A。該器件沿波導(dǎo)方向遠(yuǎn)場是分離15°的雙瓣模式。

2011年，葉淑娟、秦莉等人[35]模擬了激光中心波長927 nm的SE-DFB半導(dǎo)體激光器，采用表面二階金屬光柵，實現(xiàn)連續(xù)注入1.6 A電流，單面輸出單功率200 W，光譜線寬為0.8 nm。利用有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長得到外延結(jié)構(gòu)，利用全息光刻技術(shù)制作二階光柵(周期為286 nm)。2012年，長春光機(jī)所葉淑娟、秦莉等人[36]研制了940 nm寬條(100 μm)二階光柵分布反饋面發(fā)射激光器，遠(yuǎn)場角2.7°，0.07 nm光譜線寬，連續(xù)輸出功率718 mW。

2012年，陳劍燕、劉俊岐等人[37]研制了8.3 μm波段的二階分布反饋諧振腔的脈沖面發(fā)射量子級聯(lián)激光器。如圖11所示。該器件利用表面等離子增強(qiáng)(surface-plasmon-enhanced)的優(yōu)勢，室溫工作時實現(xiàn)單模、遠(yuǎn)場雙瓣模式，沿波導(dǎo)方向發(fā)散角為0.35°，邊模抑制比為20 dB；溫度160 K時，出射峰值功率為3.85 W。

圖11 面發(fā)射量子級聯(lián)激光器光柵與脊形波導(dǎo)橫截面及局部光柵的電子顯微俯瞰示意圖[37]Fig.11 Schematic cross section of the grating region and the ridge-waveguide of surface emitting quantum cascade lasers and scanning electron microscopy top viewpoint of partial grating[37]

同年，姚丹陽、劉峰奇等人[38]設(shè)計了8.3 μm波長表面金屬光柵分布反饋量子級聯(lián)激光器，器件工作溫度為290 K時，輸出峰值功率可達(dá)463 mW；工作溫度為400 K時，輸出峰值功率達(dá)到18.7 mW，具有較大的溫度調(diào)諧范圍。該器件實現(xiàn)單模輸出，邊模抑制比為20 dB。如圖12所示。

圖12 表面金屬光柵分布反饋量子級聯(lián)激光器示意圖[38]Fig.12 Schematic diagram of the surface metal grating distributed feedback quantum cascade lasers[38]

圖13 面發(fā)射量子級聯(lián)激光器示橫截面結(jié)構(gòu)圖[39]Fig.13 Schematic cross section of the surface-emitting quantum cascade lasers[39]

2013年，姚丹陽、張金川等人[39]研制出的4.6 μm波長的面發(fā)射分布反饋量子級聯(lián)激光器，如圖13所示，該器件利用掩埋光柵技術(shù)，在75 ℃高溫時連續(xù)工作。溫度為10 ℃時，遠(yuǎn)場單瓣，最低閾值電流密度為0.85 kA/cm2，輸出功率為105 mW，發(fā)散角0.17°×18.7°，邊模抑制比為30 dB。

同年,譚少陽、翟騰等人[40]設(shè)計了脊形波導(dǎo)的面發(fā)射分布反饋量子級聯(lián)激光器，并對改進(jìn)器件進(jìn)行性能測試。有源區(qū)采用兩個低溫生長的InGaAs/GaAs量子阱，利用全息曝光和濕法刻蝕技術(shù)制作二階光柵，獲得1 064 nm的工作波長。單模工作時電流為255 mA，輸出功率90 mW，邊模抑制比高于55 dB，耦合效率達(dá)60 cm-1。

2014年，張錦川、劉峰奇等人[41]將等效相移技術(shù)(EPS)應(yīng)用于激光器件的研究，研制了4.6 μm波長λ/4-EPS面發(fā)射分布反饋量子級聯(lián)激光器。通過改變?nèi)又芷冢箚蝹€晶片具有多波長選擇性，同時單模出射，平均邊模抑制比超過20 dB，發(fā)散角為0.6° ×16.8°。室溫時脈沖工作可獲得較大波長覆蓋范圍72 nm。是迄今為止首個引入λ/4-EPS的面發(fā)射激光器。

同年，姚丹陽、張錦川等人[42]成功研制了4.6 μm波長的寬條型脈沖分布反饋量子級聯(lián)激光器，如圖14所示，脊長、脊寬分別是2 mm、60 μm。溫度20 ℃時，峰值功率1.82 W；溫度50 ℃時，峰值功率1.22 W。脈沖寬度為1 μs，占空比為0.2%。在激光器兩側(cè)端面鍍高反膜，可以獲得沿脊寬方向遠(yuǎn)場單瓣模式，發(fā)散角為7.9°；而沿腔長方向遠(yuǎn)場獲得雙瓣模式，發(fā)散角為0.61°。當(dāng)熱沉溫度高達(dá)115 ℃時，器件單模出射連續(xù)可調(diào)，相應(yīng)溫度調(diào)諧系數(shù)為Δv/ΔT=-0.16 cm-1C-1。

圖14 寬條形襯底出光分布反饋量子級聯(lián)激光器示意圖[42]Fig.14 Schematic of broad area substrate-emitting distributed feedback quantum cascade lasers[42]

2015年，劉穎慧、張錦川等人[43]利用頂部二階金屬半導(dǎo)體光柵結(jié)構(gòu)發(fā)射橫磁偏振光，實現(xiàn)了在室溫下連續(xù)輸出波長4.8 μm。襯底在25 ℃時發(fā)光功率為94 mW，閾值電流密度1.21 kA/cm2，單邊抑制比為30 dB，發(fā)散角為0.58°×16.2°。如圖15所示。

圖15 光柵結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡圖像[43]Fig.15 SEM image of the grating structure[43]

3.2.2 曲線形光柵

2009年，美國Alfalight公司[44]將曲形光柵應(yīng)用到面發(fā)射分布反饋半導(dǎo)體激光器上，在9XX～1 5XX nm波段都能得到大功率激光器。如圖16所示，將光柵刻在p蓋層上，中心為泵浦區(qū)域，邊緣為非泵浦區(qū)域，最邊緣還有吸收區(qū)域，用于抑制菲涅爾反射。曲線形光柵的設(shè)計是為了構(gòu)成一個類似“傳統(tǒng)的非穩(wěn)定型諧振腔”，能夠最大限度的從增益介質(zhì)中獲取能量，得到好的光束質(zhì)量的橫模。Alfalight公司報道[45]的976 nm波長的面發(fā)射分布反饋激光器在連續(xù)波工作模式時衍射極限功率超過2 W，單一發(fā)射器輸出功率為73 W的最大記錄。

圖16 曲線形光柵面發(fā)射分布反饋激光器(帶有中心泵浦區(qū)域、光柵和吸收區(qū)域)俯視圖[44-45]Fig.16 An underside view of a curved-grating surface emitting distributed feedback laser showing central pumped-stripe, grating and absorber regions[44-45]

3.2.3 圓形光柵

2005年，英國G.A.Turnbull、A.Carleton等人[46]對聚合物圓形光柵分布反饋激光器的圓形光柵進(jìn)行了特性研究。如圖17所示，在硅襯底上生成一層薄的共軛聚合物。通過圓形光柵的外直徑和占空比的優(yōu)化，獲得最小的閾值和最優(yōu)的面發(fā)射斜率效率。通過實驗獲得：圓形光柵為250 μm時，激光器的閾值為19 nJ，斜率效能為0.13%。

圖17 圓形光柵激光器常見結(jié)構(gòu)[46]Fig.17 Generic structure of the circular grating lasers[46]

2010年，S.F.Yu和X.F.Li[47]提出了太赫茲圓形金屬光柵面發(fā)射分布反饋激光器的理論模型，并分析了該模式特性。如圖18所示。通過分析可知，金屬包層和二階圓形金屬光柵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。同時發(fā)現(xiàn)圓形狀的金屬-介質(zhì)-金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)會使衍射場強(qiáng)度隨光柵半徑r的增加而衰減，為獲得高度集中的圓形面發(fā)射模式提供了理論依據(jù)。

圖18 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[47]Fig.18 Schematic diagram of THz surface emitting distributed feedback quantum cascade lasers with a 2nd-order concentric circular metal grating[47]

2013年，Guozhen Liang、Houkun Liang等人[48]成功研制了單模工作面發(fā)射太赫茲量子級聯(lián)激光器。該器件采用非均勻二階分布反饋同軸圓形光柵(CCG)。工作溫度70 K時邊模抑制比為30 dB，獲得同軸六折旋轉(zhuǎn)對稱的遠(yuǎn)場模式。其峰值輸出功率是體積相近的脊型波導(dǎo)激光器的3倍，閾值增益與面積相當(dāng)?shù)募剐图す馄飨嘟槐砻娉錾涔鈭龇植急拳h(huán)形分布反饋量子級聯(lián)激光器均勻，非常適合二維高功率激光陣列的集成。

圖19 圓形量子級聯(lián)激光器異質(zhì)結(jié)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖插圖是完整的圓形激光器形貌[49]Fig.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]

2014年，奧地利Rolf Szedlak等人[49]對圓形量子級聯(lián)激光器的遠(yuǎn)場模式進(jìn)行了研究，設(shè)計并制作了9 μm圓形量子級聯(lián)激光器，如圖19所示。通過理論和實驗分析可知，除了通過光柵π相移的方法外，還可以利用旋轉(zhuǎn)光柵裂縫的方法來獲得更好的遠(yuǎn)場模式。

3.3 光子晶體面發(fā)射激光器

1999年，出現(xiàn)了光子晶體面發(fā)射激光器(PESELs)第一實驗演示[50-51]，就因為它獨特的特性和與常見的半導(dǎo)體激光器相比性能的提升吸引了人們的關(guān)注[51-60]。光子晶體由于其特有的結(jié)構(gòu)能夠在較寬的區(qū)域提供穩(wěn)定的單模和較高的功率。

2009年，法國Gangyi Xu、Virginie Moreau等人[61]研制了7.3 μm波段面發(fā)射光子晶體量子級聯(lián)激光器，光子晶體被單獨的放在金屬層之上，金屬層模式和非金屬層區(qū)域之間的失配足夠滿足光學(xué)反饋獲取激光。如圖20所示。單模抑制比20 dB，工作溫度為220 K。當(dāng)光子晶體厚度為150 nm時，出光發(fā)散角為9°,出光功率達(dá)到mW級。

圖20 器件橫截面圖[61]Fig.20 Schematic cross section of a device[61]

圖21 光子晶體面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)示意圖左下方說明的是底部側(cè)模圓形p電極直徑[62]Fig.21 Schematic structure of a PCSEL device. Lower left panel illustrates bottom side view of circular p-electrode with diameter L[62]

2014年，日本Yong Liang等人[62]對光子晶體面發(fā)射激光器的單模穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，設(shè)計并制作了光子晶體面發(fā)射激光器，如圖21所示。該結(jié)構(gòu)采用晶片鍵合技術(shù)，嵌入方形井網(wǎng)光子晶體結(jié)構(gòu)層，利用直角等腰三角形不對稱特性獲得有效出光平面耦合，p電極層是圓形電極。通過理論分析和實驗可知，獲取穩(wěn)定光子晶體結(jié)構(gòu)，需要增大主要發(fā)光模式與競爭模式之間的閾值邊緣Δα，同時避免空間燒孔現(xiàn)象。

4 發(fā)展趨勢

由近些年的相關(guān)報道可知：在3種結(jié)構(gòu)的激光器中，轉(zhuǎn)向鏡原理較為簡單，但工藝復(fù)雜并且制作困難。光子晶體結(jié)構(gòu)需要大的高寬比和空氣填充系數(shù)的精確控制，同時還要考慮邊界吸收。然而二階光柵結(jié)構(gòu)的水平腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)由于其制備工藝及其性能的優(yōu)勢獲得了廣泛的關(guān)注，并在結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能上得到了快速地優(yōu)化。

二階光柵多應(yīng)用于量子級聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)上，并在基礎(chǔ)理論、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、光柵設(shè)計、出光特性等方面都取得了較好的發(fā)展。 二階光柵中矩形光柵的應(yīng)用較為廣泛，雖然能產(chǎn)生穩(wěn)定單模輸出且光束質(zhì)量較好，但很難達(dá)到大功率。而美國Alfalight公司生產(chǎn)的商用二階曲線光柵面發(fā)射分布反饋激光器，單一發(fā)射器輸出功率能達(dá)到73 W。曲形光柵的設(shè)計原理是構(gòu)成一個類似“傳統(tǒng)的非穩(wěn)定型諧振腔”，能夠最大限度的從增益介質(zhì)中獲取能量，得到好的光束質(zhì)量的橫模。雖然曲線形光柵能帶來大功率，但曲線形光柵易受溫度和誘發(fā)載流子介電常數(shù)變化的傷害，在高功率輸出時器件容易產(chǎn)生多模。二階分布反饋光柵的引入可以減小沿脊軸方向的發(fā)散角，環(huán)形光柵、準(zhǔn)直硅鏡、三階布拉格光柵等可以用于改善出射光的二維圖形，并且同軸圓形光柵也被證實為一種有效克制脊形波導(dǎo)缺點的方法。因此對于新型器件的研究，可以從探索新的光柵形狀(三角形，矩形等等)以及新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)出發(fā)，這樣不僅可以提升激光器的功率，還能增強(qiáng)器件的穩(wěn)定性。

隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，中紅外波段面發(fā)射激光器成為研究熱點。該波段是追跡氣體探測、自由空間通信和污染監(jiān)測等應(yīng)用領(lǐng)域的理想波段。光子晶體面發(fā)射激光器在該波段得到了廣泛的研究，但其性能還有待提升。二階光柵面發(fā)射激光器也開始對該波段進(jìn)行探索研究，但遠(yuǎn)場光斑為雙瓣。隨著半導(dǎo)體器件工藝的發(fā)展，使二階光柵面發(fā)射激光器在該波段范圍工作成為可能。二階光柵工藝的發(fā)展可以擴(kuò)大工作波長的范圍，應(yīng)用在更多領(lǐng)域。光柵材料除了采用半導(dǎo)體材料以外，還可以采用金屬材料，由于金屬與半導(dǎo)體界面能夠產(chǎn)生等離子體，可以提高斜率效率和輸出功率，并改善光束質(zhì)量。器件結(jié)構(gòu)上還可以采取漸變式波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或梯形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，有助于光場強(qiáng)度分布的改善和光耦合輸出效率的提升。

表1 3種結(jié)構(gòu)面發(fā)射激光器性能

5 結(jié)束語

目前，國際上水平腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器已經(jīng)取得極大的發(fā)展。由3種具有特殊結(jié)構(gòu)的面發(fā)射激光器綜合對比可知，轉(zhuǎn)向鏡面發(fā)射激光器因其工藝較難，光束質(zhì)量較差而很少被關(guān)注；二階光柵面發(fā)射激光器和光子晶體面發(fā)射激光器因其光束質(zhì)量好，輸出功率大等優(yōu)點而得到廣泛認(rèn)可，并且在基本理論，制作工藝等方面都已經(jīng)趨于成熟。

國內(nèi)相關(guān)研究單位較少，并大部分工作集中在二階光柵面發(fā)射激光器的研究上，對光子晶體結(jié)構(gòu)激光器研究較少。隨著水平腔面發(fā)射激光器性能的提升及應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，將會有越來越多的研究人員加入到該激光器結(jié)構(gòu)的研發(fā)和探索中。對二階光柵結(jié)構(gòu)的深入研究以及相關(guān)工藝水平的不斷提升將有利于器件性能的提高以及工作波段的拓展。而光子晶體面發(fā)射激光器因其工作波段的優(yōu)勢可以在氣體追蹤，污染檢測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景。

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《發(fā) 光 學(xué) 報》

—EI核心期刊 (物理學(xué)類； 無線電電子學(xué)、 電信技術(shù)類)

《發(fā)光學(xué)報》是中國物理學(xué)會發(fā)光分會與中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所共同主辦的中國物理學(xué)會發(fā)光分會的學(xué)術(shù)會刊。 該刊是以發(fā)光學(xué)、 凝聚態(tài)物質(zhì)中的激發(fā)過程為專業(yè)方向的綜合性學(xué)術(shù)刊物。

《發(fā)光學(xué)報》于1980年創(chuàng)刊， 曾于1992年， 1996年， 2000年和2004年連續(xù)四次被《中文核心期刊要目總覽》評為“物理學(xué)類核心期刊”， 并于2000年同時被評為“無線電電子學(xué)、 電信技術(shù)類核心期刊”。2000年獲中國科學(xué)院優(yōu)秀期刊二等獎。 現(xiàn)已被《中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)》、 《中國期刊網(wǎng)》和“萬方數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)”等列為源期刊。 英國《科學(xué)文摘》(SA)自1999年； 美國《化學(xué)文摘》(CA)和俄羅斯《文摘雜志》(AJ)自2000年； 美國《劍橋科學(xué)文摘社網(wǎng)站》自2002年； 日本《科技文獻(xiàn)速報》(CBST， JICST)自2003年已定期收錄檢索該刊論文； 2008年被荷蘭“Elsevier Bibliographic Databases”確定為源期刊; 2010年被美國“EI”確定為源期刊。2001年在國家科技部組織的“中國期刊方陣”的評定中， 《發(fā)光學(xué)報》被評為“雙效期刊”。2002年獲中國科學(xué)院2001～2002年度科學(xué)出版基金“擇重”資助。2004年被選入《中國知識資源總庫·中國科技精品庫》。本刊內(nèi)容豐富、 信息量大，主要反映本學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域的科研和技術(shù)成就， 及時報道國內(nèi)外的學(xué)術(shù)動態(tài)， 開展學(xué)術(shù)討論和交流， 為提高我國該學(xué)科的學(xué)術(shù)水平服務(wù)。

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Research progress of horizontal cavity surface emitting semiconductor lasers

HAI Yi-na, ZOU Yong-gang*, TIAN Kun, MA Xiao-hui, WANG Hai-zhu, FAN Jie, BAI Yun-feng

(StateKeylaboratoryofHigh-powerSemiconductorLasers,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China)

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

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.

surface emitting;steering mirror;second order grating;photonic crystal;semiconductor lasers

2016-10-20；

2016-11-29

吉林省科技計劃重點項目(No.20140204028GX,No.20150204068GX) Supported by Key Project of S&T Development Plan of Jilin Province of China(No.20140204028GX,No.20150204068GX)

2095-1531(2017)02-0194-13

TN248.4

A

10.3788/CO.20171002.0194

海一娜(1990-)，女，內(nèi)蒙通遼人，博士研究生，主要從事光電子技術(shù)與應(yīng)用方面的研究。E-mail:haiyn90@163.com

鄒永剛(1982-)，男，吉林長春人，博士，副研究員，碩士生導(dǎo)師，2004年、2009年于吉林大學(xué)分別獲得學(xué)士、博士學(xué)位，主要從事光電子技術(shù)與應(yīng)用、光電子器件等方面研究。E-mail:zouyg@cust.edu.cn