45 nm 寬帶可連續(xù)調諧半導體薄片激光器*

毛琳 張曉健 李春玲 朱仁江 汪麗杰 宋晏蓉 王濤? 張鵬?

1) (重慶師范大學物理與電子工程學院,重慶 401331)

2) (中國科學院長春光學精密機械與物理研究所發(fā)光學及應用國家重點實驗室,長春 130033)

3) (北京工業(yè)大學應用數(shù)理學院,北京 100124)

本文報道了一種寬帶可連續(xù)調諧的半導體薄片激光器.增益芯片的有源區(qū)由滿足諧振周期增益結構的InGaAs 多量子阱構成,其熒光峰值波長位于965 nm 附近.利用增益芯片量子阱的寬帶特性,結合由高反射率外腔鏡所構成的直線諧振腔,可保障激光器較低的損耗和較寬的調諧范圍.在腔內插入不同厚度的雙折射濾波片,可獲得連續(xù)可調諧的激光波長輸出.當雙折射濾波片厚度為2 mm 時,激光器的波長調諧范圍為45 nm,最大輸出功率為122 mW,X 和Y 方向的光束質量M 2 因子分別為1.00 和1.02.文章還對增益芯片面發(fā)射譜的溫度特性和雙折射濾波片對激光線寬的壓窄作用進行了討論.

1 引言

輸出波長可連續(xù)調諧的激光器在自由空間光通信[1]、光學傳感[2]、激光雷達、激光光譜學、環(huán)境監(jiān)測[3]、生命科學[4]等領域都有重要的應用.可調諧激光器的種類也從最初的染料可調諧激光器發(fā)展到后來的固體可調諧激光器,以及半導體可調諧激光器.這些激光器在諧振腔的結構、激光增益介質、波長可調諧范圍等諸多方面都得到了豐富的拓展.

對于發(fā)展最早的染料激光器來講,雖然其波長可調諧范圍寬,激光脈沖能量高,但由于增益介質是有機溶劑,易產生光化學分解和熱分解,使得激光運行頻率不穩(wěn)定,增益介質壽命也較短[5].此外,可揮發(fā)性的溶劑還會對操作人員和環(huán)境造成危害.因此,維護困難及可靠性差是染料可調諧激光器的致命缺點[6].相比之下,固體可調諧激光器結構緊湊、體積小、輸出功率高、光束質量好[7?9].但固體激光器有如下問題:其發(fā)射波長受增益介質中摻雜離子的限制,并且其波長可調諧非常有限(鈦寶石激光器除外);有源區(qū)的摻雜離子對泵浦光的吸收帶寬很窄,因此,固體激光器的輸出功率的穩(wěn)定性依賴于泵浦波長,泵浦波長的變化會導致激光輸出功率的相應變化.

隨著半導體材料的發(fā)展,半導體可調諧激光器也獲得了長足的進步,并在激光冷卻、光通信及激光醫(yī)療等眾多領域得到了廣泛應用[10].可調諧半導體激光器結合了固體可調諧激光器和染料可調諧激光器的優(yōu)點,不僅能運行在從紫外到紅外的寬廣波段,而且輸出功率高、調諧范圍寬、壽命長、轉換效率高、可靠性好[11].美中不足的是,半導體激光器光束質量很差,激光輸出模式為多橫模,輸出光斑為嚴重畸變的橢圓形.

近年發(fā)展起來的半導體薄片激光器(semiconductor disk lasers,SDLs),又稱外腔面發(fā)射激光器(vertical-external-cavity surface-emitting lasers,VECSELs),彌補了邊發(fā)射半導體激光器光束質量差的缺陷,以及傳統(tǒng)面發(fā)射半導體激光器功率低的不足,能同時獲得高的輸出功率和良好的光束質量[12?15].半導體薄片激光器采用了和固體薄片激光器一致的幾何結構,不同的是固體薄片激光器的增益介質是摻雜了激活離子的晶體薄片,而半導體薄片激光器的增益介質是包含了多量子阱結構的半導體外延芯片.利用成熟的半導體帶隙工程,半導體薄片激光器可以根據實際所需設計其發(fā)射波長.同時,還可以利用非線性頻率轉換技術,進一步把半導體薄片激光器的發(fā)射波長擴展到紫外及中紅外波段.

半導體量子阱材料增益帶寬的典型值超過100 nm,再加上靈活的外腔結構,使得半導體薄片激光器非常適合于可調諧運轉[16].在外延片生長工藝相對成熟的1 μm 波段,利用V 型諧振腔結構,以雙折射濾波片(birefringentfilter,BRF)作為調諧元件,Li Fan 等獲得了在中心波長980 nm附近的20 nm 波長調諧范圍的半導體薄片激光器[17];次年又通過雙增益芯片的疊加效果,進一步把上述的波長調諧范圍擴展到33 nm[18];通過對增益芯片外延結構參數(shù)進行優(yōu)化,Borgentun 等[19]獲得了波長從967 nm 到1010 nm 的連續(xù)調諧輸出,對應的波長調諧范圍為43 nm;將量子點引入到半導體增益芯片的有源區(qū)中,通過限制載流子為激光提供了額外的寬增益寬帶,Butkus 等[20]實現(xiàn)了1040 nm波長附近60 nm 的調諧范圍.Yang 等[21]報道了中心波長為1034 nm、波長調諧范圍為80 nm、芯片中不包含分布布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector,DBR)的可調諧半導體薄片激光器,而如此寬的調諧范圍是以犧牲半導體增益芯片的DBR結構為前提的,該激光器和通常意義上的SDL 相比,需要多增加一面激光反射鏡作為諧振腔的端鏡,從而部分失去了SDL 結構簡單緊湊的優(yōu)點.到目前為止,關于可調諧半導體薄片激光器波長調諧范圍最寬的報道為95 nm[22],該工作采用了所謂的雙模微腔結構,即增益芯片需要特殊設計使其能在在半導體微腔中同時存在兩個模式.而且,前述95 nm 的調諧范圍是激光器在不同的環(huán)境溫度下工作時,幾個不同調諧范圍的累加,也就是激光器的調諧不是同一工作條件下的連續(xù)調諧.

在以上報道的1 μm 波段可調諧半導體薄片激光器中,波長調諧范圍大于20 nm 的都使用了特殊的技術手段,如在有源區(qū)使用量子點結構、特殊設計各外延層以滿足雙模條件、去掉增益芯片的DBR、分段改變增益芯片的工作溫度等,這些措施增加了增益芯片外延結構的復雜性,從而增大了外延生長的難度,使激光器的結構變得復雜,增加激光器的調節(jié)難度,也一定程度地降低了激光器的緊湊性、穩(wěn)定性和可靠性.

本文報道了一種寬帶可連續(xù)調諧的半導體薄片激光器,它是基于一個普通設計的諧振周期增益結構的芯片,和一個高反射鏡構成的最簡單的直線諧振腔,通過腔內插入雙折射濾波片實現(xiàn)對激光波長的連續(xù)調諧.在維持了半導體薄片激光器簡單緊湊結構的同時,獲得了45 nm 的波長調諧范圍.

2 芯片外延結構

實驗中所使用的增益芯片的外延結構如圖1(b)所示.首先在GaAs 襯底上沉積高Al 成分的AlGaAs刻蝕停止層,然后生長GaAs 保護層,再生長具有高勢壘的AlGaAs 窗口層以防止載流子擴散到表面產生非輻射復合.接下來是由12 個InGaAs/GaAsP 多量子阱(multiple quantum wells,MQWs)構成的有源區(qū)[23].InGaAs 中In 的含量滿足設計的發(fā)射波長965 nm.GaAsP 層在有源區(qū)起著應變補償層、勢壘層和泵浦吸收層三種作用,因此,GaAsP 中P 的含量必須足以高,以補償量子阱的應變;但同時又不能過高,以至于不能有效地吸收泵浦能量[24].

圖1 (a)增益芯片實物及(b)外延片結構示意圖Fig.1.(a) Photograph and (b) epitaxial structure of the gain chip.

有源區(qū)的上面是分布布喇格反射鏡DBR,由30 對具有高Al(低折射率)和低Al(高折射率)的AlGaAs 層交替組成.DBR 的中心波長和高反射帶寬分別為965 nm 和100 nm.整個外延生長的結束層是用于抗氧化的GaAs 層.在半導體薄片激光器中,增益芯片底部具有高反射率的DBR 和前端具有菲涅爾反射的半導體-空氣界面構成一個半導體微腔,使得激光在有源區(qū)形成駐波場.為了獲得較高的增益系數(shù),需要精確地設計和生長外延片中每一層材料的厚度,特別是多量子阱層的厚度,以保證所有量子阱都位于激光駐波場的波峰處,從而形成所謂的諧振周期增益結構[25,26].

完成生長后的外延片被劃分成4 mm×4 mm尺寸的小塊增益芯片,然后在增益芯片的外延結束端面上依次鍍鈦、鉑、金,并將芯片與銅熱沉進行鍵合,最后用化學腐蝕方法去除GaAs 襯底,完成增益芯片的封裝.

3 面發(fā)射譜及其溫度特性

增益芯片的熒光光譜(photoluminescence,PL)直接或間接反映了芯片外延生長的質量,量子阱的組分和厚度等相關參數(shù)是否達到設計指標,以及有源區(qū)的整體結構是否符合諧振周期增益結構的要求等.另外,由于半導體材料的發(fā)光波長對溫度極其敏感,因此量子阱的熒光譜也能明顯地反映出增益芯片有源區(qū)的溫度變化,從而得到激光器工作過程中的熱性能.SDL 的PL 譜分為邊發(fā)射譜和面發(fā)射譜兩種.邊發(fā)射譜從外延芯片的側邊出射,沒有經過外延多層結構的調制,反映的是量子阱本身的發(fā)光特性.測量時,將光譜儀探頭置于芯片的側邊(即平行于表面).面發(fā)射譜從垂直于芯片表面的方向出射,會受到外延多層結構的調制,攜帶了外延結構的信息.測量時只需將光譜儀探頭置于芯片的正前方即可接收到光譜.由于SDL 的激光輸出波長是取決于面發(fā)射譜而非邊發(fā)射譜,所以下面的實驗及討論都是針對面發(fā)射譜而言.

圖2 是在泵浦功率為6.5 W 時,不同熱沉溫度下測得的增益芯片的面發(fā)射PL 譜.當熱沉溫度為10 ℃時,PL 譜的峰值波長是962 nm;當熱沉溫度升高到22 ℃時,其峰值波長紅移到964 nm處.由此得到的增益芯片PL 譜波長隨溫度紅移的速率大約是0.17 nm/℃.對于GaAs 基的量子阱材料而言,溫度引起材料折射率變化導致的微腔腔模隨溫度紅移的理論值約為0.1 nm/℃左右.實驗中的0.17 nm/℃明顯大于上述理論值,意味著實驗中增益芯片的散熱性能欠佳,有源區(qū)的溫度比理論估值要高,從而導致了更大的PL 譜波長紅移速率.實際上,封裝后芯片不太理想的散熱性能,也正是使得本實驗輸出功率不夠高的一個主要原因.

圖2 不同熱沉溫度下增益芯片的面發(fā)射PL 譜Fig.2.Surface-emitting PL spectra of the gain chip under different heatsink temperatures.

圖3 是熱沉溫度為25 ℃時不同泵浦功率下增益芯片的面發(fā)射PL 譜.隨著泵浦功率的增加,PL 譜的峰值波長從962 nm 紅移到964 nm,對應的波長紅移速率為0.29 nm/W.利用圖1 所得0.17 nm/℃的PL 譜紅移速率,可以估計得到,泵浦功率每增加1 W,有源區(qū)量子阱的溫度就會上升約2 ℃.在SDL 實驗中,當泵浦功率增加到一定程度后,量子阱區(qū)域溫度上升過大,一方面使量子阱發(fā)光波長紅移,偏離DBR 的中心波長,降低DBR 的反射率,即增大了激光器的損耗;另一方面量子阱本身的增益系數(shù)也會隨溫度上升而急劇減小,大幅度削弱激光器的增益.此外,量子阱發(fā)光波長的紅移會使量子阱位置偏離有源區(qū)激光駐波場的波峰,導致諧振周期增益結構的部分失諧,使激光器模式增益下降.上述諸因素的共同作用會導致激光器最終出現(xiàn)熱熄滅,從而限制了激光器的最大輸出功率.

圖3 不同泵浦功率下增益芯片的面發(fā)射PL 譜Fig.3.Surface-emitting PL spectra of the gain chip with different pump power.

4 輸出功率及光束質量

實驗中將4 mm×4 mm 的增益芯片鍵合到15 mm×15 mm 的銅熱沉上,銅塊后端使用半導體制冷片和水冷系統(tǒng).激光諧振腔為由增益芯片底部的DBR 和曲率半徑為100 mm 的高反鏡(對980 nm 反射率為99.9%)構成的直線腔.泵浦源是808 nm 波長的光纖耦合輸出半導體激光器.泵浦光束經過1∶1 成像透鏡以30°入射角聚焦到增益芯片上,形成的泵浦光斑直徑約為200 μm.圖4是SDL 的結構示意 圖4(a)以及實物圖4(b).

圖4 (a)寬帶可調諧半導體薄片激光器結構示意圖及(b)實物圖Fig.4.(a) Schematics and (b)photograph of the broadband tunable semiconductor disk laser.

在插入BRF 之前,對自由運轉下的激光輸出功率做了測量.圖5 是激光器在室溫下的輸出功率曲線,對應的閾值功率大約為2.5 W.在泵浦功率為9.5 W 時,獲得的最大輸出功率為0.58 W.繼續(xù)增加泵浦功率,由于前文提到的熱效應,將導致輸出功率的下降.通過線性擬合得到SDL 的斜效率(slope efficient,SE)為7%.激光器輸出功率較低的主要原因有兩個:一是使用了高反射鏡作為輸出鏡.實驗所用輸出鏡在激光波長處的透過率為0.1%,這不僅使耦合輸出效率低,同時還使腔內循環(huán)功率高,升高了增益芯片的溫度,加劇了激光器的熱效應.二是芯片封裝工藝沒有優(yōu)化,散熱性能較差,有源區(qū)溫度上升過快,激光器較早地出現(xiàn)了熱熄滅,其原因前面已有表述.如果采用具有合適透過率的輸出鏡,再對芯片封裝工藝進行優(yōu)化(如使用熱導率更高的金剛石作為熱沉、進一步改善鍵合技術等),SDL 的輸出功率尚存在很大的提升空間.

圖5 自由運轉下半導體薄片激光器的輸出功率Fig.5.Output powers of the free-running semiconductor disk laser.

圖6 是激光器在自由運轉下最大輸出功率為0.58 W 時測量所得光束質量M2因子,其在X 方向為1.00,Y 方向為1.02,表明半導體薄片激光器的輸出是近衍射極限的高斯光束.圖中右下方是激光強度分布的三維圖.

圖6 最大輸出功率為0.58 W 時,激光束的M2 因子Fig.6.M2 factor of the laser beam when the maximum output power is 0.58 W.

5 波長調諧和線寬壓窄

BRF 是連續(xù)可調諧激光器中最常用的一種調諧元件,它具有插入損耗小、抗損傷閾值高、波長調諧范圍大、模式分辨能力強等優(yōu)點.實驗中,BRF常以布儒斯特角放置于諧振腔中.如果BRF 的光軸與晶體表面平行,以表面法線為軸旋轉BRF,即可通過改變入射光束與BRF 光軸之間的夾角來實現(xiàn)對激光波長的調諧[27].BRF 的調諧方程為

式中:d 為濾波片的厚度;m 為干涉級次;no?ne為折射率差;C0=(no?ne)d/m sin θb,對一定材料的晶體、一定厚度的晶片;C0是一確定量;φ 為晶體光軸與入射面夾角,即為調諧角;θb為布魯斯特角;γ 是晶體的內光線與晶體光軸夾角.

本實驗采用了厚度分別為2,4,6 mm 的BRF,相應的調諧特性分別如圖7、圖8 和圖9 所示.室溫下,將厚度為2 mm 未鍍膜的BRF 以布儒斯特角插入到諧振腔內,在7.5 W 的泵浦功率下,通過旋轉雙折射濾波片,激光波長可以從950 nm 連續(xù)調諧到995 nm,對應的波長調諧范圍為45 nm.因為重點關注的是激光器的波長調諧能力,所以我們把輸出激光的光譜都做了歸一化處理.圖7 中同時畫出了不同波長下激光器對應的輸出功率.在波長為974 nm 處,激光器有最大的輸出功率為122 mW.

圖8 用4 mm 厚度BRF 作調諧元件的SDL 的調諧特性Fig.8.Tuning characteristics of the SDL with 4 mm thickness BRF.

依據(1)式,在圖7 中還作出了不同m 值下2 mm 厚 BRF 的調諧曲線,左側坐標軸表示調諧角.以干涉級次m=18 為例,計算得到的理論調諧范圍為354 nm.但實際激光器的波長調諧范圍不僅與雙折射濾波片的理論調諧范圍有關,還受BRF 自由光譜范圍、芯片增益寬帶、激光器腔內損耗等因素的限制,并主要受制于芯片的增益帶寬.由圖可知,在實驗能夠實現(xiàn)的波長調諧范圍內,BRF 對應的調諧角變化范圍可以從6°變化到73°.

圖7 使 用2 mm 厚度BRF 的SDL 的波長調諧特性.圖中同時畫出了對應波長的輸出功率和不同m 值下BRF 的調諧曲線Fig.7.Tuning characteristics of the SDL with 2 mm thickness BRF.The corresponding output powers at various wavelengths and the tuning curves of the BRF with different m values are also plotted.

為了比較不同厚度BRF 對激光波長的調諧能力,實驗中也使用了厚度為4 mm 和6 mm 的BRF,它們的調諧特性分別如圖8 和圖9 所示.在圖8中,激光波長可以從942 nm 連續(xù)變化到970 nm,對應的調諧范圍為28 nm.從圖8 中對應波長的輸出功率可知,在波長為960 nm 時,激光器的輸出功率最大,為115 mW.在圖9 中,激光波長可以從963 nm 連續(xù)變化到980 nm,對應的調諧范圍為17 nm.從圖9 中對應波長的輸出功率可知,在波長為971 nm 時,激光器的輸出功率最大,為38 mW.

圖9 用6 mm 厚度BRF 作調諧元件的SDL 的調諧特性Fig.9.Tuning characteristics of the SDL with 6 mm thickness BRF.

結合圖7、圖8 和圖9,很顯然,BRF 的厚度越大,插入后SDL 的波長調諧能力越小,即激光器的波長調諧范圍越小.同時,越厚的BRF 引入的腔內損耗也越大,可調諧激光器的輸出功率越小.這些實驗結果都是符合BRF 元件的調諧規(guī)律的.

BRF 的自由光譜范圍為

式中,Δn=no?ne是雙折射濾波片的折射率差,d 為濾波片的厚度,λ 為激光波長.由此可知,BRF 的波長調諧范圍與厚度成反比,即輸出波長的調諧范圍隨BRF 的厚度增加而減小,論文中的實驗結果與此一致.實際上,BRF 能提供的調諧范圍大多都超出實驗本身的需要,比如2 mm 厚度石英BRF 的自由光譜范圍為102.4 nm,已超過了芯片的增益帶寬,甚至超過了芯片的熒光譜寬.所以激光器的波長調諧范圍的極限源自芯片的增益帶寬,以及諧振腔的損耗等因素.

雙折射濾波片用于對激光波長進行調諧的同時,對激光線寬也具有一定程度的壓縮作用.圖10為SDL 自由運轉及插入不同厚度BRF 時輸出激光的譜線寬度.自由運轉下激光的線寬為2.1 nm,在腔內插入2,4,6 mm 厚度BRF 情況下,激光的線寬分別為1.06,1.02,1.01 nm.顯然,單個使用BRF 時,BRF 的厚度越大,激光譜線寬度越窄.BRF 的譜線寬度為

圖10 自由運轉及插入不同厚度BRF 時SDL 的光譜線寬Fig.10.Laser spectra of the SDL under free-running and with different thickness BRF.

可以看出,BRF 調諧的特點是自由光譜范圍大,但譜線寬度也大.本實驗中輸出激光波長的線寬隨BRF 的厚度的增加有減小的趨勢,但這種線寬的變化隨BRF 厚度的改變并不明顯,因為激光線寬本身遠小于BRF 的理論線寬.

6 結論

本文利用最簡單最穩(wěn)定的直線諧振腔SDL,在腔內插入厚度分別為2,4,6 mm 的BRF 作為調諧元件,通過旋轉BRF,實現(xiàn)了對激光輸出波長的連續(xù)調諧.當雙折射濾波片厚度為2 mm 時,激光器的波長調諧范圍為45 nm,最大輸出功率為122 mW,X 和Y 方向的光束質量M2因子分別為1.00 和1.02.因為SDL 可以同時獲得較高的輸出功率和良好的光束質量,這種結構簡單緊湊、性能穩(wěn)定、便攜性能優(yōu)良的中等功率的激光器,具有較寬的波長連續(xù)調諧范圍,且其發(fā)射波長可以根據實際需求而設計,可以在生命科學、環(huán)境監(jiān)測、光譜分析等許多領域發(fā)揮重要的應用.