808 nm大功率分布反饋激光器列陣研制

班雪峰，王翠鸞，劉素平，馬驍宇

(1． 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 光電子器件國家工程中心，北京 100083；2． 中國科學(xué)院大學(xué) 材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院，北京 100049 )

1 引 言

大功率半導(dǎo)體激光器主要用于固體激光器(DPSSL)、光纖激光器和放大器的泵浦[1-3]，而808 nm半導(dǎo)體激光器可以高效且理想地泵浦Nd∶YAG固體激光器。但固體激光器中的摻雜離子Nd3+的吸收峰很窄[4]，一般只有幾個(gè)納米左右，而半導(dǎo)體激光器的激射波長會(huì)因?yàn)楣ぷ鳒囟鹊纳吆凸ぷ麟娏鞯脑龃蠖冮L，這必定會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)的泵浦效率產(chǎn)生不利影響。所以，用作泵浦源的大功率半導(dǎo)體激光器不但要具有高輸出功率和效率，而且還要具備窄輸出線寬和良好的波長穩(wěn)定性。目前減小半導(dǎo)體激光器的中心波長隨工作溫度和電流變化的漂移系數(shù)的方法有兩種：一種是半導(dǎo)體激光器外部波長穩(wěn)定方法，另一種是內(nèi)部波長穩(wěn)定方法。半導(dǎo)體激光器外部波長穩(wěn)定是通過使用一些波長鎖定設(shè)備或者光反饋回路的校準(zhǔn)器，從而達(dá)到半導(dǎo)體激光器激射中心波長隨工作溫度和電流變化的漂移系數(shù)減小的效果。有三種具體實(shí)現(xiàn)方法：光纖光柵[5]、體布拉格光柵[6]和閃耀光柵[7]。雖然外部波長穩(wěn)定方法具有熱穩(wěn)定性好、高損傷閾值和線性傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，但是大尺寸的外腔和高昂的費(fèi)用無法滿足各種環(huán)境下的應(yīng)用，在運(yùn)輸和使用過程中難免會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，影響系統(tǒng)的準(zhǔn)直性，而且其優(yōu)點(diǎn)都是通過耦合過程中損失半導(dǎo)體激光器的效率得到的。為了得到波長穩(wěn)定效果更好的半導(dǎo)體激光器，解決外部波長穩(wěn)定存在的問題，必須要提高系統(tǒng)的集成度，將布拉格光柵設(shè)計(jì)在半導(dǎo)體激光器芯片內(nèi)部，制作內(nèi)部波長穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器。內(nèi)部波長穩(wěn)定激光器分為兩種：一種是分布反射布拉格激光器(Distributed Bragg reflector laser，DBR)，另一種是分布反饋激光器(Distributed feedback laser，DFB)。兩種激光器實(shí)現(xiàn)波長穩(wěn)定的基本原理是：當(dāng)發(fā)光區(qū)的光經(jīng)過布拉格光柵時(shí)，滿足布拉格條件的光會(huì)被反射，在諧振腔內(nèi)繼續(xù)振蕩，而不滿足布拉格條件的光會(huì)以出射損耗的方式消失，激光器的激射波長被限制在布拉格光柵對應(yīng)的波長，從而實(shí)現(xiàn)了激光的窄線寬輸出，同時(shí)也降低了光譜隨工作溫度和電流的漂移。從制作工藝上來看，內(nèi)部波長穩(wěn)定的方法改變了半導(dǎo)體激光器芯片的結(jié)構(gòu)，需要額外一步光刻工藝和二次外延工藝[8]，增加了制作難度和成本，同時(shí)可能會(huì)引入缺陷和雜質(zhì)，加劇內(nèi)部損耗。但其具有巨大的優(yōu)勢，在僅僅改變半導(dǎo)體激光器芯片結(jié)構(gòu)的情況下，其他工藝都是原有的、成熟的；實(shí)際應(yīng)用中配套設(shè)施少，系統(tǒng)兼容性高。

國外對大功率DFB激光器的研究始于上世紀(jì)九十年代[9]，經(jīng)過十年左右的發(fā)展，本世紀(jì)初期已經(jīng)有大量成熟器件和產(chǎn)品的報(bào)道。2006年，德國FBH研究所的Klehr和Bugge等[10]報(bào)道了光柵周期為240 nm的808 nm大功率寬條DFB-LD，腔長為3 mm，室溫條件(20 ℃)下連續(xù)輸出功率為4.7 W，斜率效率為1.06 W/A；當(dāng)輸出功率為4 W時(shí)，光譜寬度為0.1 nm，波長隨溫度的漂移系數(shù)為0.075 nm/K。2009年，美國Alfalight公司的He和An等[11]報(bào)道了大功率808 nm DFB-LD，其光譜寬度為0.3 nm，波長隨溫度的漂移系數(shù)為0.062 nm/K；在25 ℃條件下，光電效率可達(dá)57%，連續(xù)激射功率為4 W。但近十年來，國內(nèi)外對808 nm波段DFB激光器單管和列陣的研究出現(xiàn)空白，大功率DFB-LDA更是至今未見報(bào)道。

本文通過金屬有機(jī)化合物氣相沉積(MOCVD)和納米壓印工藝制作了808 nm大功率一級光柵分布反饋激光器列陣(Distributed feedback laser diode array，DFB-LDA)，具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在參考文獻(xiàn)[12]中有詳細(xì)介紹。我們對激光器的功率和光譜進(jìn)行了表征，結(jié)果表明該激光器的波長穩(wěn)定特性得到了極大的提高，此外還討論了腔面鍍膜對波長鎖定的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 光柵制備與表征

實(shí)驗(yàn)中一次外延生長的外延結(jié)構(gòu)如表1所示。量子阱材料為經(jīng)過組分調(diào)整后對應(yīng)合適波長的AlGaInAs材料，波導(dǎo)層為非對稱分離限制結(jié)構(gòu)；光柵材料選擇無鋁材料GaInP，這有利于提高二次外延的質(zhì)量。之后采用納米壓印工藝和ICP干法刻蝕工藝進(jìn)行光柵的制作，干法刻蝕100 s，刻蝕結(jié)果的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像如圖1所示，所刻蝕的光柵周期為120 nm，溝槽深度為80 nm。

表1 DFB激光器一次外延結(jié)構(gòu)Tab.1 The first epitaxial structure of DFB laser

圖1 干法刻蝕后的光柵圖形Fig.1 Shape of grating after dry etching

干法刻蝕工藝之后再結(jié)合濕法腐蝕工藝去除干法刻蝕過程中產(chǎn)生的聚合物、顆粒物以及晶格損傷，保證外延片表面的潔凈度，腐蝕液為溴、氫溴酸和去離子水按一定比例配置，腐蝕時(shí)間為15 s，腐蝕之后的光柵SEM圖像如圖2所示。從圖中我們可以看出光柵溝槽表面變得光滑圓潤，光柵周期為120 nm，溝槽深度大約為60 nm，占空比為60%左右，在DFB-LDA腔長為1 mm時(shí)，對正弦形一級光柵耦合系數(shù)κ進(jìn)行計(jì)算，光柵耦合強(qiáng)度κL值約為1.06左右。之后進(jìn)行二次外延工藝掩埋布拉格光柵，光柵覆蓋層的材料為AlGaAs，光柵覆蓋層之上外延一層GaAs材料作為歐姆接觸層，完成布拉格光柵的制作。光柵二次外延后經(jīng)過顯結(jié)處理的光柵形貌SEM圖形如圖3所示。

圖2 濕法腐蝕后的光柵圖形Fig.2 Shape of grating after wet corrosion

圖3 二次外延后的光柵圖形Fig.3 Shape of grating after re-growth

2.2 器件制作與表征

二次外延之后，采用磁控濺射工藝在外延片P面濺射Ti-Pt-Au電極，之后對外延片N面進(jìn)行減薄拋光，再使用真空蒸發(fā)鍍膜設(shè)備在N面蒸鍍一層Au-Ge-Ni合金作為N面電極。然后使用真空解理設(shè)備沿(110)面將激光器芯片解理為腔長1 mm bar條；再使用高真空電子束鍍膜機(jī)在前腔面鍍高透膜，后腔面鍍高反膜；最后將bar條三明治結(jié)構(gòu)封裝在AlN熱沉上，完成器件的制作。

將封裝完成的bar條焊接到Cu過渡熱沉上進(jìn)行輸出特性測試與表征。供電方式為具有脈沖工作模式的SDL激光電源，測試溫度使用ESPEC調(diào)溫調(diào)濕箱進(jìn)行設(shè)定，激射光譜采用AVANTES公司的AvaSpec-3648光譜儀進(jìn)行測定，其測量波長范圍為200～1 100 nm，分辨率為0.025～20 nm。本文中的激光器激射波長為808 nm，光譜FWHM為0.5 nm左右，光譜包絡(luò)是可以被精確描述的。

3 結(jié)果與討論

3.1 激射特性分析

將封裝好的1 mm腔長、列陣總寬度1 cm、發(fā)光點(diǎn)寬度120 μm、單列陣發(fā)光點(diǎn)80個(gè)左右的DFB-LDA進(jìn)行測試，輸出功率和光譜分別如圖4和圖5所示，測試溫度為25 ℃，測試脈沖電流為200 μS、20 Hz。從圖中分析可知工作電流為148 A時(shí)，輸出功率可以達(dá)到100 W，斜率效率為0.9 W/A左右；此時(shí)DFB-LDA輸出中心波長為808 nm，光譜FWHM為0.5 nm左右，邊模抑制比可以達(dá)到40 dB。

圖4 DFB-LDA輸出P-V-I曲線Fig.4 DFB-LDA output P-V-I curve

圖5 DFB-LDA輸出光譜Fig.5 DFB-LDA output spectrum

3.2 波長穩(wěn)定分析

圖6為工作電流為150 A條件下，DFB-LDA與F-P腔LDA在不同熱沉溫度時(shí)的輸出光譜。圖6(a)、(b)為中心波長略有不同的808 nm波段的兩支DFB-LDA的測試光譜。如圖6(a)所示，熱沉溫度由50 ℃增加到100 ℃時(shí)，對應(yīng)的輸出波長由808.8 nm變化到812.1 nm，波長隨溫度的漂移系數(shù)為0.066 nm/℃；圖6(b)中熱沉溫度由-10 ℃增加到40 ℃時(shí)，對應(yīng)的輸出波長由805.1 nm變化為807.9 nm，波長隨溫度的漂移系數(shù)為0.056 nm/℃；圖6(c)中的F-P腔LDA 為制作DFB-LDA外延片上無光柵圖形區(qū)域解理出的芯片制成的，作為對比結(jié)果更有說服力。由測試光譜圖可得熱沉溫度由30 ℃增加到50 ℃時(shí)，對應(yīng)的輸出波長由800.1 nm變化為805.6 nm，波長隨溫度的漂移系數(shù)為0.275 nm/℃。對比圖6(a)、(b)、(c)的結(jié)果，可見制作的DFB-LDA的溫漂系數(shù)比普通的F-P腔LDA減小了4～5倍，具有良好的波長穩(wěn)定效果。

圖6 不同熱沉溫度下DFB-LDA((a)～(b))和F-P腔LDA(c)的光譜Fig.6 Spectra of DFB-LDA((a)-(b)) and F-P cavity LDA(c) at different heat sink temperatures

3.3 鍍膜對波長鎖定的影響

圖7是工作電流為150 A條件下測試得到的波長鎖定效果不好的DFB-LDA光譜圖，圖中同時(shí)出現(xiàn)了布拉格光柵鎖定波長和激光器主輸出波長。起初分析原因認(rèn)為是布拉格光柵的耦合強(qiáng)度不夠而導(dǎo)致的鎖定效果不理想，于是在激光器列陣其他結(jié)構(gòu)和參數(shù)不變的條件下只將光柵的深度從50 nm增加到60 nm以增加光柵的耦合強(qiáng)度。具有不同深度光柵的DFB-LDA光譜測試圖如圖7(a)所示，兩支DFB-LDA的波長鎖定效果基本相同，所以有理由認(rèn)為布拉格光柵深度為50 nm時(shí)耦合強(qiáng)度已經(jīng)足夠進(jìn)行波長鎖定，出現(xiàn)兩個(gè)輸出波長另有原因。

圖7 后腔面鍍95%高反膜，前腔面分別鍍5%(a)、4%(b)和2%(c)高透膜的DFB-LDA光譜。Fig.7 DFB-LDA spectra of 95% high reflection film on the back cavity surface and 5%(a),4%(b) and 2%(c) high transmission film on the front cavity surface.

影響DFB-LDA輸出波長的因素除了量子阱的應(yīng)變和布拉格光柵的耦合強(qiáng)度之外，還有一個(gè)是腔面鍍膜的反射率。于是我們決定DFB-LDA后腔面鍍95%高反膜保持不變，通過改變前腔面膜厚來調(diào)節(jié)反射率的大小，使前腔面鍍的高透膜由5%降低到4%和2%。在測試條件不變的情況下測得的光譜如圖7(b)、(c)所示，可以看到降低前腔面鍍膜的折射率可以有效地提升DFB-LDA的波長鎖定效果。最終經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，將DFB-LDA的鍍膜條件確定為后腔面鍍95%的高反膜，前腔面鍍0.5%左右的高透膜，測試光譜如圖5所示。

3.4 分析與討論

傳統(tǒng)的F-P腔激光器列陣的輸出波長隨溫度的漂移系數(shù)為0.3 nm/℃左右，本文制備的808 nm大功率DFB列陣的輸出波長隨溫度的漂移系數(shù)可以達(dá)到0.05 nm/℃左右，單列陣波長鎖定范圍可達(dá)50 ℃，波長穩(wěn)定得到了極大的提高。同時(shí)，一階光柵雖然耦合強(qiáng)度大，但是一階光柵的DFB半導(dǎo)體激光器的輸出容易存在兩個(gè)模式，通常為了得到單模特性，DFB激光器的光柵多為二階光柵或者更高階光柵。但本文將DFB激光器制作為列陣時(shí)將這一缺點(diǎn)轉(zhuǎn)化為了優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)镈FB-LDA的輸出光譜原本就是一個(gè)多發(fā)光點(diǎn)被壓縮的包絡(luò)。

4 結(jié) 論

本文制備了輸出波長為808 nm的分布反饋半導(dǎo)體激光器列陣，該激光器列陣腔長為1 mm。25 ℃條件下脈沖工作電流為148 A時(shí)，輸出功率可以達(dá)到100 W，斜率效率為0.9 W/A左右，此時(shí)DFB-LDA光譜FWHM為0.5 nm左右，邊模抑制比可以達(dá)到40 dB，波長隨溫度的漂移系數(shù)為0.056 nm/℃。