單片雙波長輸出垂直外腔面發(fā)射激光器

張志軍，陳 賀，張建偉，張繼業(yè)，張 卓，4，周 娜，韓 召，李文義，馮 暖，寧永強，王立軍

（1.遼寧科技學院電氣與信息工程學院 機器人工程系，遼寧 本溪 117004； 2.華晨寶馬汽車有限公司，遼寧沈陽 110000；3.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，吉林長春 130033；4.中國科學院大學 材料科學與光電技術學院，北京 100049）

1 引 言

垂直外腔面發(fā)射半導體激光器（Vertical external cavity surface emitting laser，VECSEL）兼 具半導體激光器的增益可調(diào)優(yōu)點以及固體激光器的高光束質(zhì)量優(yōu)點[1-4]。同時，VECSEL 還具有獨特的外腔振蕩結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部空氣腔可以插入具有頻率轉(zhuǎn)換或模式過濾的光學元件，實現(xiàn)具有太赫茲波長輸出的高光束質(zhì)量激光，并可以實現(xiàn)超窄脈沖超高功率激光、極短波長紫外激光等，因而自其誕生以來一直受到廣泛關注[5]。

VECSEL 激光的雙波長同時激射是通過頻率轉(zhuǎn)換實現(xiàn)太赫茲激光的基礎；雙波長同時輸出及可切換波長的VECSEL 激光器還可以有效提高成像系統(tǒng)的抗干擾能力，未來在激光雷達領域也有廣闊應用潛力。目前，國際上已經(jīng)報道了多種可以實現(xiàn)雙波長輸出的VECSEL 結(jié)構(gòu)方案。早期研究中，通過設計兩組不同波長增益芯片的共用光路，實現(xiàn)VECSEL 雙波長激光輸出。如Fallahi 等提出T 型結(jié)構(gòu)的雙激光腔結(jié)構(gòu)[6]，該方法需要采用兩套泵浦系統(tǒng)與激光振蕩系統(tǒng)，光路結(jié)構(gòu)非常復雜。Lu 等提出采用具有雙波長同時反饋的體布拉格光柵（VBG）代替?zhèn)鹘y(tǒng)多腔中的多組波長選擇光學透鏡[7]，進一步簡化了腔型結(jié)構(gòu)。隨后，Zhang等提出共用光學腔的串聯(lián)雙增益芯片腔型[8]，然而在該結(jié)構(gòu)中仍然需要采用兩套泵浦系統(tǒng)以及兩套增益芯片散熱系統(tǒng)。采用單個增益芯片實現(xiàn)VECSEL 的雙波長輸出無疑可以大幅簡化整個系統(tǒng)體積。Jasik 等報道了帶有兩組不同發(fā)光波長量子阱的增益芯片結(jié)構(gòu)[9]，采用這種設計方法實現(xiàn)了單增益芯片的雙波長激射。但是，在這種結(jié)構(gòu)中，由于短波長量子阱發(fā)出的激光恰好接近長波長量子阱的能帶帶邊，因而增益芯片內(nèi)存在嚴重的短波激光吸收效應，導致雙波長激射時兩個波長的光譜強度差異很大，并且該效應無法通過外部的參數(shù)控制解決。

本文提出利用溫度調(diào)控VECSEL 增益芯片增益峰與腔模失配程度的設計思路，實現(xiàn)了單一量子阱組分的增益芯片的雙波長激光輸出，并且輸出的激光波長可以通過調(diào)整泵浦功率而進行控制。 主要介紹了溫度調(diào)控VECSEL 增益芯片增益峰與腔模失配程度的設計方法、測試結(jié)果與原理分析，最后進行了簡要總結(jié)。

2 理論設計

2.1 增益與腔模位置設計

本研究中VECSEL 器件的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中VECSEL 的增益芯片結(jié)構(gòu)為典型的半VCSEL 激光器結(jié)構(gòu)[10]。增益芯片的發(fā)光區(qū)采用9 個InGaAs量子阱作為增益材料，InGaAs 兩側(cè)采用GaAsP 作為勢壘層，同時也作為應變補償層，補償由于In-GaAs 帶來的應變效應。增益芯片的DBR（Distributed Bragg reflector）反射鏡采用35 對周期性的GaAs/AlAs 材料，可保證最高反射率達到99.99%。為實現(xiàn)高效的激光振蕩，增益芯片有源區(qū)（Active region）的光學厚度為半波長的整數(shù)倍，駐波波峰設計均位于量子阱位置。由于發(fā)光區(qū)的光場限制作用，可以在增益芯片的激光反射譜上看到明顯的中心凹陷，該位置對應的激光波長稱為VECSEL 的 腔 模 波 長[11]，如 圖2 所 示。

圖1 VECSEL 裝置示意圖（a）以及增益芯片折射率及駐波分布情況（b）Fig.1 The setup of VECSEL used in our work and the refractive index（a）and stand wave within the gain chip（b）

圖2 增益芯片反射譜（紅線）及量子阱增益譜（藍線）Fig.2 The reflectivity spectrum of gain chip（red line）and the gain spectrum of quantum wells（blue line）

從圖2 中增益芯片的反射譜可以看出，反射譜在980 nm 附近有明顯凹陷，該處對應的激光波長即為腔模波長，本結(jié)構(gòu)腔模波長位于980 nm 附近。常規(guī)VECSEL 的增益芯片的InGaAs 量子阱增益譜位置一般位于腔模波長附近，以保證腔模波長得到足夠大的腔模增益。在本研究中，我們將InGaAs增益譜的峰值波長相對腔模位置進行大幅藍移，見圖2 中藍色增益譜，其峰值位置位于955 nm 附近，與腔模波長位置相差約為25 nm，我們稱這種設計理念為增益-腔模大失配的設計[12]。

圖2 中，由于增益譜距離腔模位置較遠，增益譜的譜寬無法覆蓋腔模波長位置，因此增益芯片的腔模波長對應的增益（也稱為腔模增益）數(shù)值極低。對于增益芯片，由于其底部具有高反射的DBR 反射鏡結(jié)構(gòu)，因而在反射帶附近的位置一旦獲得足夠的光增益，便可以形成激光振蕩激射。圖2 中，增益芯片的反射帶左側(cè)位置明顯可以獲取更大的增益，我們稱該增益為反射帶的帶邊增益。由于此時帶邊增益遠高于腔模增益，因而可以預測此時在激光腔內(nèi)振蕩的激光波長將會首先出現(xiàn)在反射帶帶邊位置。

對于InGaAs 量子阱結(jié)構(gòu)，溫度升高將造成其能帶帶隙收縮，對應的發(fā)光峰向長波方向漂移（紅移）[13]，并且整個量子阱的增益譜也將隨工作溫度變化紅移。模擬的InGaAs 量子阱增益譜隨工作溫度的變化情況如圖3 所示。隨著溫度升高，增益光譜快速紅移，增益譜峰值波長隨工作溫度的溫漂速率約為0.33 nm/K；在紅移的同時，量子阱增益譜形狀變化很小，但是增益峰值出現(xiàn)了快速衰減。對于整個增益芯片來說，其反射譜取決于組成DBR 以及發(fā)光區(qū)的半導體材料折射率，而DBR 中的GaAs/AlAs 材料以及發(fā)光區(qū)的InGaAs與GaAsP 等材料的折射率穩(wěn)定性很好，隨工作溫度的變化約為（1.74～2.04）×10-4/K 左右[14]，因而增益芯片反射譜的溫度漂移系數(shù)極小，約為0.06 nm/K[12,15]。由圖2 中增益譜與反射帶大失配的器件結(jié)構(gòu)可以推測，隨著增益芯片溫度的升高，增益譜將迅速接近腔模位置，對應的腔模增益將逐步增加，而帶邊增益逐步降低。

圖3 量子阱增益譜隨工作溫度的變化情況Fig.3 The influence of temperature on the gain spectra of quantum well

為評估增益芯片結(jié)構(gòu)有效增益隨工作溫度的變化關系，我們計算了不同工作溫度下帶邊增益與腔模增益系數(shù)隨溫度的變化關系，見圖4。從圖中可以看出，當工作溫度較低時，帶邊增益數(shù)值要遠高于腔模增益，這是因為圖2 中增益譜相對反射譜腔模位置有大的失配。隨著溫度升高，帶邊增益系數(shù)迅速降低，而這是由于增益譜溫漂速率遠大于帶邊波長造成的。在溫度超過310 K時，帶邊增益迅速降低，其增益數(shù)值將不足以支撐帶邊波長激射。

從圖4 中可以看出，腔模增益隨溫度的變化趨勢與帶邊增益變化趨勢恰好相反。當溫度較低時，腔模增益很小，難以支撐腔模波長激射；隨著溫度升高，增益譜隨工作溫度升高快速紅移，而由于腔模波長的溫度漂移系數(shù)比增益譜小了近一個量級，這會使得圖2 中的增益譜向著較長的腔模波長位置快速移動，因此在溫度升高時腔模增益數(shù)值也將相應地增加。

圖4 帶邊模式增益與腔模增益隨工作溫度的變化Fig.4 The band-edge gain and cavity-mode gain of our structure changing with the operating temperatures

由圖4中帶邊增益與腔模增益的變化趨勢可以預測，當溫度較低時，VECSEL將出現(xiàn)只有帶邊波長激射的現(xiàn)象。當采用較高泵浦功率泵浦增益芯片時，由于增益芯片大的產(chǎn)熱量造成自身溫度升高，因此帶邊波長激射的激光功率將逐步飽和。當泵浦功率增加到一定程度，腔模增益將達到與帶邊增益接近的水平，此時將會出現(xiàn)兩個波長同時激射的現(xiàn)象，該位置如圖4 所示。隨著泵浦功率進一步增加，帶邊波長所能獲得的增益快速衰減，此時將只有腔模波長可以正常激射。因此，可以預測，我們提出的這種增益譜與腔模大失配的增益芯片結(jié)構(gòu)通過調(diào)整泵浦光功率將可以實現(xiàn)帶邊波長激射、雙波長激射以及腔模波長激射三種工作狀態(tài)。

2.2 振蕩激光腔設計

直行腔結(jié)構(gòu)的VECSEL 只需要調(diào)整輸出鏡片的位置即可實現(xiàn)腔內(nèi)激光的有效振蕩，是最為簡潔實用的外腔結(jié)構(gòu)。本研究選擇如圖1 所示的直行腔結(jié)構(gòu)來驗證增益芯片工作效果。為滿足外腔振蕩的穩(wěn)定條件，需將輸出鏡片的曲率半徑、空氣腔腔長與泵浦光斑尺寸三者配合。在實驗驗證中，我們采用曲率半徑為50 mm 的平凹輸出鏡片，理論模擬了實現(xiàn)穩(wěn)定激光振蕩時泵浦光斑尺寸與空氣腔長的關系[16]，如圖5 所示。本研究中，我們采用凱普林公司的150 μm 光纖輸出808 nm 半導體激光器模塊作為增益芯片泵浦源，采用一組成像鏡組將泵浦光照射到增益芯片上，因而增益芯片上的光斑尺寸也為150 μm。根據(jù)圖5 中所計算的穩(wěn)定振蕩關系，對應的激光腔長為42 mm。實際調(diào)試過程中，需要前后移動外腔鏡以使得腔長與增益得到最佳匹配。同時，對于輸出鏡鏡片的傾角也應該實時調(diào)試，因為鏡片與增益芯片同軸與否將會對輸出光束的質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。對由增益芯片與平凹鏡組成的直行空氣腔內(nèi)部的光束傳輸情況進行了模擬[17]，見圖5 插圖。插圖中的紅色填充部分為光束分布區(qū)域，光束最左側(cè)位置為增益芯片，光束直徑為150 μm；光束最右側(cè)位置為平凹鏡片位置，為方便計算，將平凹鏡片等效成了對光場有會聚作用的平面?？梢钥闯觯す夤鈭鲈诳諝馇粌?nèi)形成了穩(wěn)定的振蕩分布，并且由于光場在空氣腔傳輸時有一定的發(fā)散，光斑尺寸在平凹鏡位置處增大至接近400 μm。

圖5 輸出鏡曲率半徑5 cm 時，穩(wěn)定振蕩時直型腔泵浦光斑尺寸與外部空氣腔腔長的關系，插圖為本研究所用直型腔內(nèi)部光場分布模擬結(jié)果。Fig.5 The relationship of pumping spot on the gain chip and the length of line-shape cavity when the curvature of concave mirror is 5 cm，inserted figure is the simulation result of the optical field distribution within the external cavity.

3 結(jié)果與討論

制備增益芯片后，采用808 nm 泵浦源照射增益芯片并直接捕捉從增益芯片正面發(fā)出的光譜，增益芯片基底溫度控制在0 ℃。我們通過改變泵浦功率得到不同泵浦功率下增益芯片的發(fā)光光譜，如圖6 所示。為方便對比發(fā)光光譜，我們對發(fā)光強度進行了歸一化處理。在三種不同泵浦功率下，增益芯片的發(fā)光光譜均出現(xiàn)了兩個相距較遠的波長峰，分別位于953 nm 與995 nm 附近。增益芯片的發(fā)光波長比圖4 中所設計的帶邊波長及腔模位置略長，這說明增益芯片外延生長過程中的厚度比設計值略大。

圖6 中隨著泵浦功率的變化，增益芯片PL 光譜中的兩個主波長相對發(fā)光強度出現(xiàn)明顯差異。當泵浦光功率為10 W 時，950 nm 位置處的發(fā)光波長光強明顯要大于980 nm 位置處的光強。而當泵浦功率增加到17 W 時，兩個波長位置處的PL光譜強度近乎一致。隨著泵浦功率增加到25 W，980 nm 位置的光強強度增加，大于950 nm 位置處的光強。這與我們前述分析的圖4 中的發(fā)光過程是一致的。

圖6 不同泵浦功率下增益芯片正面的歸一化光致發(fā)光光譜（PL 光譜），增益芯片基底溫度為0 ℃。Fig.6 The normalized photoluminescence spectra of gain chip under different pumping powers at the temperature of 0 ℃

將制備的增益芯片固定到控溫0 ℃的基座后，采用透射率3%的平凹外腔鏡進行外腔調(diào)試，實現(xiàn)激光輸出，并獲得了輸出激光與泵浦激光的功率曲線以及在不同泵浦功率下的激光光譜，如圖7 所示。

圖7 （a）VECSEL 系統(tǒng)激光功率與泵浦功率關系曲線；（b）不同泵浦功率下的激光光譜。Fig.7 （a）The relationship of the output power changing with the pumping power.（b）The lasing spectra under different pumping powers.

由圖7（a）可以看出，VECSEL 系統(tǒng)的輸出功率曲線與常規(guī)報道有明顯不同，出現(xiàn)了兩次閾值現(xiàn)象以及功率飽和現(xiàn)象。當VECSEL 的泵浦光功率在5 W 左右時激光系統(tǒng)開始激射，隨著泵浦功率的增加，激光輸出功率也逐步增加。當泵浦功率達到15 W 時，輸出功率曲線出現(xiàn)熱飽和，并隨后出現(xiàn)功率衰減。然而當泵浦功率超過17.2 W時，輸出功率曲線隨泵浦功率增加而快速增加，出現(xiàn)了二次閾值現(xiàn)象。當泵浦光功率進一步增加至22 W 時，輸出功率再次飽和，并且隨泵浦功率增加輸出功率開始衰減。圖7（a）中的功率曲線與常規(guī)VECSEL 的報道有著明顯不同。一方面，出現(xiàn)了兩次閾值現(xiàn)象，分別位于泵浦功率5 W 及泵浦功率17.2 W 兩個位置，說明有兩個不同的模式在不同泵浦功率下出現(xiàn)激射。另一方面，VECSEL 的功率曲線有兩次功率飽和現(xiàn)象，而第一次功率飽和出現(xiàn)在第二個閾值之前，說明第一次的功率飽和是由于模式競爭效應產(chǎn)生的，而第二次的功率飽和現(xiàn)象是熱效應引起的。

圖7（b）顯示了4 個不同泵浦功率下的激光光譜情況。通過不同泵浦功率下的激光波長可以看出，整個VECSEL 的出光波長有三種狀態(tài)。當泵浦光源的功率為12 W 時，此時的泵浦功率小于第一個熱飽和點對應的功率，VECSEL為單波長工作，且激光波長位于952.7 nm，該波長位置為增益芯片的帶邊波長。當泵浦光源功率達到15 W，此時圖7（a）中的出射激光功率達到飽和，在998 nm 附近出現(xiàn)了第二個激射波長，該波長為增益芯片的腔模波長，此時帶邊波長與腔模波長同時存在。隨著泵浦功率進一步增加至18 W，泵浦功率已經(jīng)超過圖7（a）中第二閾值，VECSEL 呈現(xiàn)兩個強度近似相等的雙波長激射現(xiàn)象，此時VECSEL 的激光功率為350 mW。雙波長激射的波長位置分別位于954.2 nm和1 001.2 nm。該雙波長的位置相比泵浦功率為15 W 時出現(xiàn)了紅移，這是因為泵浦功率增加導致增益芯片內(nèi)部溫度升高[18]。當泵浦功率繼續(xù)增加至21 W時，VECSEL的輸出波長變?yōu)閱尾ㄩL輸出，此時的激光波長位于1 002.4 nm。上述圖7（b）中VECSEL的激射波長變化趨勢與圖4中理論分析的帶邊波長與腔模波長增益變化趨勢是吻合的。圖7（b）中VECSEL 的發(fā)光波長與圖6 中的PL 光譜有所差異，主要體現(xiàn)在激光波長位置比圖6 中的PL 光譜位置有所紅移，這或許是因為輸出外腔鏡的反射譜中心更偏向于長波長位置，在激光振蕩時，對于長波長的反饋更為明顯，導致整個外腔的波長選擇向著長波方向偏移。

對VECSEL 在兩種工作狀態(tài)下的激光發(fā)散角進行測量后，得到其發(fā)散角與光斑形貌如圖8 所示。由插圖二維光斑可以看出，輸出光斑為圓形對稱的高斯光斑形貌。因此我們在圖8 中給出了對稱光斑水平方向的一維光場分布情況。泵浦功率12 W 時激光半高寬發(fā)散角為5.7°，激光光斑具有圓形對稱性，根據(jù)圖7 中的光譜可以看出，此時為單波長激射，且激射波長在952.7 nm。當泵浦功率增加至18 W 時，此時的激光光譜為雙波長激射光譜，激光發(fā)散角半高寬增加至7.9°，然而激光光斑仍然具有圓形對稱性。

圖8 不同泵浦功率下VECSEL 的激光發(fā)散角，插圖為不同泵浦功率下的二維光斑。Fig.8 The divergence angle of VECSEL under different pumping powers，insert is the two dimensional shape of spot.

雙波長激射時發(fā)散角增加，一方面是由于此時泵浦功率較高，增益芯片內(nèi)部溫度升高；另一方面或許是由于此時位于雙波長工作狀態(tài)，增益芯片內(nèi)部的模式競爭較為激烈，兩種波長在增益芯片的分布面積有所不同，導致增益區(qū)面積增大，然而此時的激光光斑仍然為圓形對稱的高斯形狀。雖然在上述工作狀態(tài)下增益芯片內(nèi)部存在模式競爭，然而由于外腔結(jié)構(gòu)本身的光斑分布是由增益芯片表面泵浦光斑與外腔鏡參數(shù)決定（見圖5），因而有利于實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換過程中激光光斑仍然保持圓形對稱性。這也體現(xiàn)了采用外腔結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)良好光斑的優(yōu)點。

4 結(jié) 論

本文報道了采用增益譜與反射譜大失配設計理念實現(xiàn)雙波長VECSEL 的方法，預測這種方法將帶來三種不同的波長輸出狀態(tài)，并對其進行了實驗驗證。結(jié)果表明，在低泵浦功率下，由于帶邊波長獲得更高的增益，因而此時的激光波長為帶邊模式波長。隨著泵浦功率繼續(xù)增加，增益芯片內(nèi)部溫度升高，增益譜向著腔模波長漂移，由此引起帶邊波長與腔模波長的同時激射，VECSEL 出現(xiàn)穩(wěn)定的雙波長激射現(xiàn)象。當泵浦功率進一步增加，增益譜與腔模波長匹配度增加，帶邊波長被抑制，只有腔模波長可以穩(wěn)定激射。雙波長激射強度接近時，激光功率達到359 mW。通過VECSEL 的功率曲線可以觀察到由于模式競爭引起的二次閾值現(xiàn)象。VECSEL在不同工作狀態(tài)下的激光光斑均為圓形對稱形貌，激光發(fā)散角略有增加，這或許來自波長模式競爭帶來的增益區(qū)載流子分布面積增大。雙波長同時激射的VECSEL 可通過頻率轉(zhuǎn)換技術實現(xiàn)太赫茲激射，對科技進步有重要意義；波長可切換及雙波長激射的VECSEL在多波段激光雷達及抗干擾雷達中將會有很好的應用前景。

本文專家審稿意見及作者回復內(nèi)容的下載地址：http://cjl. lightpublishing. cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20220195.