半導(dǎo)體激光器側(cè)向模式控制技術(shù)的研究進(jìn)展

汪麗杰，佟存柱 ，王延靖，陸寰宇，張 新，田思聰，王立軍

（1. 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長春 130033；2. 吉光半導(dǎo)體科技有限公司, 吉林 長春 130031）

1 引 言

半導(dǎo)體激光器是當(dāng)前最有效的相干光源，它具有波長范圍廣、體積小、成本低、壽命長及可直接調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)，自其問世便成為信息領(lǐng)域的核心光源。隨著其功率的不斷提高，還在泵浦、材料加工、傳感、顯示、生物醫(yī)療、國防軍事等許多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[1-2]。目前全球半導(dǎo)體激光器市場規(guī)模已超過60 億美元[3]，帶動(dòng)了更大產(chǎn)值的激光系統(tǒng)及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域，并且隨著新型應(yīng)用場景的發(fā)展，其市場規(guī)模仍將迅速增長。

高功率半導(dǎo)體激光器是光纖激光器、固體激光器和碟片激光器高效且理想的泵源，其技術(shù)進(jìn)步直接推動(dòng)了這些激光器的發(fā)展。近些年來，光纖激光器憑借高效率、光束質(zhì)量好、可靠性高、柔性化程度高等優(yōu)點(diǎn)成為全球最重要的工業(yè)激光器，直接帶動(dòng)半導(dǎo)體激光泵源向更高功率、更高效率、更高亮度發(fā)展。

激光材料加工具有可控性強(qiáng)、精度高、速度快、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，成為智能制造中最重要的工具之一。與其它激光器相比，半導(dǎo)體激光系統(tǒng)具有高的電光轉(zhuǎn)換效率，其作為直接光源應(yīng)用于材料加工中有望大幅降低加工能耗，而且半導(dǎo)體激光具有較寬的波長范圍，可很好匹配材料的吸收峰，在金、銅、塑料等特殊材料的加工應(yīng)用中具有獨(dú)特優(yōu)勢[4]。目前，半導(dǎo)體激光合束光源功率可達(dá)千瓦甚至萬瓦以上，作為直接光源已在熔覆、表面處理、釬焊、打標(biāo)等加工領(lǐng)域獲得應(yīng)用，但由于低亮度在鈑金切割和深焊接等領(lǐng)域應(yīng)用仍受限。

激光雷達(dá)在三維感測、智能機(jī)器人、座艙監(jiān)測、自動(dòng)駕駛及無人機(jī)導(dǎo)航等諸多領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景，半導(dǎo)體激光器以“電調(diào)制+小型化+低成本+高效率+高可靠性”的特點(diǎn)，成為激光雷達(dá)信號(hào)發(fā)射光源的首選方案[5]。近年來激光雷達(dá)在各類消費(fèi)電子領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展迅速，但在無人駕駛、智能網(wǎng)聯(lián)車等領(lǐng)域，仍面臨探測距離、精度和分辨率低等難題，尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用[6]。目前主要的激光雷達(dá)技術(shù)不管采取何種掃描方式，對(duì)激光器的需求基本是一致的，不僅要具有高的功率，還要具有低的光束發(fā)散，以提高探測距離及空間分辨率。

上述能量型應(yīng)用均要求半導(dǎo)體激光具有高亮度，即兼具高的輸出功率及高的光束質(zhì)量，以獲得高的能量密度。光束質(zhì)量反映了激光的可匯聚度，通常用衍射極限倍數(shù)因子（M2）或光參量積（BPP）表示。目前半導(dǎo)體激光器在輸出功率上已取得很大進(jìn)展，單管器件連續(xù)功率可達(dá)30 W 以上，激光器巴條輸出功率也可達(dá)kW 以上[7-9]。然而，半導(dǎo)體激光器一直面臨發(fā)散角大、光束質(zhì)量差、亮度低的問題。傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器的垂直方向波導(dǎo)較窄，容易實(shí)現(xiàn)單橫模工作，雖然垂直發(fā)散角較大，但光束質(zhì)量接近衍射極限。然而，高功率半導(dǎo)體激光器在側(cè)向通常采用寬區(qū)結(jié)構(gòu)，激光器多模工作，側(cè)向光束質(zhì)量很差，導(dǎo)致輸出激光亮度很低。激光合束技術(shù)雖然可以大幅提高激光輸出功率，但傳統(tǒng)采用線陣、疊陣或空間合束等方式不會(huì)提高激光亮度。采用光譜合束、密集波長合束或相干合束等新興合束技術(shù)可以大幅提高輸出激光亮度，但合束光源的光束質(zhì)量仍受限于單元激光芯片的光束質(zhì)量[10-12]。因此，高功率半導(dǎo)體激光器的側(cè)向光束質(zhì)量是領(lǐng)域內(nèi)亟需解決的關(guān)鍵難題，嚴(yán)重阻礙了相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展及推廣。

為發(fā)展高功率、高光束質(zhì)量的半導(dǎo)體激光芯片及系統(tǒng)，國際上先后啟動(dòng)了多項(xiàng)重大研究計(jì)劃，比如“ADHELS”、“BRIDLE”、“IMOTHEB”等，在這些計(jì)劃促動(dòng)下半導(dǎo)體激光的亮度得到了明顯改善。研究發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體激光器的側(cè)向模式受多種物理效應(yīng)的影響，比如熱透鏡、載流子臺(tái)面邊緣集聚、燒孔、光束成絲、垂直外延結(jié)構(gòu)、應(yīng)變效應(yīng)等[13-15]。這些效應(yīng)相互影響且隨電流變化，導(dǎo)致側(cè)向模式非常難以控制。針對(duì)上述效應(yīng)，學(xué)者們提出了大量方法來控制半導(dǎo)體激光器的側(cè)向模式，如反熱透鏡效應(yīng)、臺(tái)面邊緣質(zhì)子注入、錐形波導(dǎo)、傾斜波導(dǎo)、外腔結(jié)構(gòu)、側(cè)向諧振反導(dǎo)引結(jié)構(gòu)、集成模式過濾結(jié)構(gòu)等。采用這些方法可以一定程度上改善半導(dǎo)體激光器的側(cè)向光束質(zhì)量，但通常會(huì)引起明顯的功率和效率虧損，而且目前對(duì)于側(cè)向模式完全控制機(jī)理尚不清晰，仍需要深入的研究。

綜上可見，高功率半導(dǎo)體激光的側(cè)向模式控制已成為制約其應(yīng)用發(fā)展的瓶頸問題，如何在保證高功率、高效率輸出條件下實(shí)現(xiàn)高的光束質(zhì)量已成為目前科研界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。本文主要綜述了半導(dǎo)體激光器側(cè)向模式的影響因素，介紹了其光束質(zhì)量退化的基本機(jī)制，以及針對(duì)各種效應(yīng)采取的側(cè)向模式控制方法及國內(nèi)外進(jìn)展情況，最后闡述了今后可能的發(fā)展趨勢與方向。

2 半導(dǎo)體激光器側(cè)向模式影響因素

寬區(qū)半導(dǎo)體激光器是目前最主要的功率型半導(dǎo)體激光器，它具有工藝簡單、輸出功率及轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，但由于其具有大的空間跨度（相對(duì)于波長），而且影響其性能的物理效應(yīng)因素較多，工作在復(fù)雜的多側(cè)模，其側(cè)向遠(yuǎn)場隨電流增大急劇增加，光束質(zhì)量非常差。如圖1（彩圖見期刊電子版）所示，半導(dǎo)體激光器的側(cè)向模式特性受以下因素影響。

圖1 半導(dǎo)體激光器的側(cè)向模式影響機(jī)制Fig. 1 Influence mechanisms of diode laser lateral modes

(1) 內(nèi)建折射率差

在半導(dǎo)體激光器制備工藝中，刻蝕臺(tái)面或溝槽會(huì)產(chǎn)生內(nèi)建折射率臺(tái)階[16]。增大刻蝕深度會(huì)提高有效折射率差異，使得光限制增強(qiáng)，有利于導(dǎo)引更多模式，但會(huì)導(dǎo)致初始BPP 值較高，但隨電流增加其退化速率較低；相反，小的刻蝕深度可導(dǎo)致初始BPP 值低，但隨電流增加退化速率較快。

(2) 熱透鏡效應(yīng)

半導(dǎo)體激光器工作時(shí)，產(chǎn)生的熱會(huì)發(fā)生側(cè)向擴(kuò)散，導(dǎo)致溫度梯變，進(jìn)而引起折射率發(fā)生改變。通常增益條中心區(qū)域具有更高的溫度及折射率，對(duì)光的限制增強(qiáng)，稱為熱透鏡效應(yīng)。高工作電流下的自熱增加會(huì)增加側(cè)向溫度漸變，引起更大的折射率差及波導(dǎo)效應(yīng)，導(dǎo)致各個(gè)側(cè)模近場尺寸收縮及相應(yīng)的遠(yuǎn)場展寬，并增大導(dǎo)引側(cè)向模式數(shù)量，最終導(dǎo)致激光器的遠(yuǎn)場迅速展寬且光束質(zhì)量惡化，如圖2 所示。熱透鏡效應(yīng)與垂直外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、腔長、封裝散熱設(shè)計(jì)、芯片與熱沉間勢壘、工作方式等均有關(guān)[17]，它是半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量隨電流增大逐漸退化的主要因素。通常用下式來表征它們之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系：BPPlat=BPP0+Sth×TAZ，其中BPPlat為側(cè)向光參量積，BPP0為基態(tài)光參量積，Sth為熱效率，TAZ為有源區(qū)相對(duì)熱沉的溫升（可由波長漂移量及波長漂移系數(shù)確定）。

圖2 不同階側(cè)模隨電流增大時(shí)光場分布變化Fig. 2 Simulated near-field distributions of different order lateral modes as a function of increased current

(3) 側(cè)向電流擴(kuò)展及聚集

注入的載流子會(huì)發(fā)生側(cè)向擴(kuò)散，導(dǎo)致側(cè)向載流子濃度分布及其引起的增益或損耗呈非均勻分布，特別是載流子會(huì)在臺(tái)面邊緣集聚，對(duì)高階側(cè)模提供更高的增益，增加激射側(cè)模數(shù)量，導(dǎo)致遠(yuǎn)場展寬及光束質(zhì)量惡化[18]。它是光束質(zhì)量隨電流增大逐漸惡化的另一主要因素。

(4) 光絲效應(yīng)

由于增益飽和、自聚焦及載流子反導(dǎo)引會(huì)對(duì)光場產(chǎn)生高頻調(diào)制[19]，引起動(dòng)態(tài)/自組織的振蕩效應(yīng)（比如光絲），會(huì)使各階模式光束質(zhì)量惡化。但經(jīng)過理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，光絲效應(yīng)對(duì)激光器總體光束質(zhì)量的影響較小。

(5) 縱向空間燒孔

半導(dǎo)體激光器的前后腔面通常需要鍍?cè)鐾改ず透叻瓷淠?，這種非對(duì)稱腔面反射率會(huì)使得縱向光強(qiáng)呈非均勻分布，進(jìn)而導(dǎo)致非均勻的縱向-側(cè)向溫度、載流子、折射率及光場分布，影響側(cè)向模式特性[20]。大的腔長、反射率差異及工作電流均會(huì)導(dǎo)致空間燒孔效應(yīng)加劇。它不僅導(dǎo)致激光器增益和輸出功率飽和，還會(huì)導(dǎo)致前腔面近場光斑的收縮，引起輸出遠(yuǎn)場發(fā)散角增大。

(6) 垂直外延結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體激光器的垂直方向外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅直接影響激光器的電阻、功率、效率及產(chǎn)生的自熱，同時(shí)還強(qiáng)烈影響熱透鏡效應(yīng)彎曲指數(shù)、對(duì)光束成絲的靈敏度以及縱向燒孔效應(yīng)等[21]。適當(dāng)降低外延結(jié)構(gòu)的光限制因子，減弱光場與載流子的相互作用，有利于抑制光絲效應(yīng)及縱向空間燒孔效應(yīng)。另外，不同的半導(dǎo)體激光器外延材料，由于具有不同的熱導(dǎo)率及載流子遷移率，也會(huì)直接影響熱透鏡效應(yīng)及側(cè)向載流子擴(kuò)散效應(yīng)等。

(7) 工藝或封裝導(dǎo)致的應(yīng)力

在半導(dǎo)體激光器制備及封裝過程中，會(huì)在臺(tái)面產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力，會(huì)支持寄生的TM 模式及產(chǎn)生額外的折射率導(dǎo)引，不僅影響模式偏振特性，還會(huì)導(dǎo)致側(cè)向光參量積增大。

半導(dǎo)體激光器不同階側(cè)模的近場分布和遠(yuǎn)場分布如圖3（彩圖見期刊電子版）所示[22]?？梢姵＿h(yuǎn)場展示高斯分布外，其它高階模式的遠(yuǎn)場均為雙主峰及旁瓣?duì)?，而且隨著模式階數(shù)的增大，遠(yuǎn)場兩個(gè)主峰間的分離角也逐漸增大，相應(yīng)的遠(yuǎn)場發(fā)散角也線性增加。由于高階側(cè)模具有更大的光模式尺寸及遠(yuǎn)場發(fā)散角，因此模式階數(shù)越高、光束質(zhì)量越差。

圖3 半導(dǎo)體激光器不同階側(cè)模的近場和遠(yuǎn)場分布Fig. 3 Calculated (a) near-field and (b) far-field profiles of the lateral mode with different mode orders

對(duì)于寬區(qū)半導(dǎo)體激光器，當(dāng)工作電流增大時(shí)，自熱效應(yīng)會(huì)使折射率臺(tái)階增大，進(jìn)而使各個(gè)側(cè)模近場尺寸收縮及相應(yīng)的遠(yuǎn)場展寬，高階側(cè)模的光限制因子增強(qiáng)。同時(shí)，載流子集聚效應(yīng)為高階側(cè)模提供更高的增益，各階側(cè)模之間的增益差變小，模式分辨變差，使激射側(cè)向模式數(shù)增加。因此，在高工作電流下，增加的側(cè)向模式數(shù)及增大的各階模式遠(yuǎn)場共同導(dǎo)致器件發(fā)散角展寬及光束質(zhì)量惡化。在實(shí)際工作中，即使可以減少半導(dǎo)體激光器的側(cè)模數(shù)量，但隨著功率提高，各種動(dòng)態(tài)效應(yīng)也會(huì)在遠(yuǎn)場高角位置產(chǎn)生邊峰，每階模式的光束質(zhì)量也會(huì)退化。

由上可見，半導(dǎo)體激光器的側(cè)向光束質(zhì)量隨著輸出功率的提高逐漸劣化，光束質(zhì)量因子或BPP 值呈近似線性增長趨勢，而且激光器條寬越大光束質(zhì)量越差。對(duì)于最常見的90 μm條寬近紅外半導(dǎo)體激光器，初始激射側(cè)模數(shù)在10 個(gè)左右，光參量積約為1 mm·mrad，但受熱透鏡及臺(tái)面邊緣載流子集聚等效應(yīng)的影響，在高電流工作下激射側(cè)模數(shù)量可超過50 個(gè)。因此，光束質(zhì)量會(huì)迅速變差，光參量積通常大于4 mm·mrad，這將導(dǎo)致側(cè)向亮度（Blat=Pout/BPPlat，Pout為輸出功率）通常低于3 W/mm·mrad[23-24]。

半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場由諧振腔內(nèi)光場分布決定，控制遠(yuǎn)場需要控制近場，如能解決，則可以改善光束質(zhì)量。對(duì)于寬區(qū)半導(dǎo)體激光器，為實(shí)現(xiàn)高側(cè)向光束質(zhì)量，需要采取大量模式控制方法來增強(qiáng)基?；虻碗A模式與高階模式間的增益損耗差異，實(shí)現(xiàn)模式選擇，降低激射模式數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)光束質(zhì)量的改善。

3 半導(dǎo)體激光器側(cè)向模式控制方法

3.1 降低激光器條寬

對(duì)于傳統(tǒng)的全反射波導(dǎo)或增益波導(dǎo)，隨著波導(dǎo)寬度的增加，不僅導(dǎo)引模式數(shù)增加，各階側(cè)模的模式有效折射率差也將縮小，所有模式的限制因子增加，相應(yīng)各階側(cè)模的光限制因子差將大幅減小，導(dǎo)致光束質(zhì)量變差。因此，為提高半導(dǎo)體激光器的亮度，最常見的方法是降低半導(dǎo)體激光器的條寬，減少激射側(cè)模數(shù)，改善側(cè)向光束質(zhì)量。

采用極窄脊型波導(dǎo)（條寬通常低于5 μm）可實(shí)現(xiàn)單側(cè)模工作。但受光模式尺寸小的限制輸出功率低，增大垂直方向光模式尺寸不僅可以提高災(zāi)變損傷閾值，還可以提高單側(cè)模工作波導(dǎo)寬度，有利于提高輸出功率。2016 年，柏林工業(yè)大學(xué)制備的8 μm 脊寬的1 060 nm 高亮度縱向光子帶晶體（PBC）激光器最高連續(xù)輸出功率為2.2 W，相應(yīng)的垂直和側(cè)向光束質(zhì)量因子分別為1.9 和2.1，最高轉(zhuǎn)換效率為34%[25]。2018 年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所報(bào)道了7μm 脊寬的980 nm 非對(duì)稱大光腔激光器最高連續(xù)功率可達(dá)2.4 W，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率由最高的54.8%降至35%，在1.9 W 輸出功率時(shí)垂直和側(cè)向光束質(zhì)量因子分別為1.47 和1.77[26]。采用平板耦合波導(dǎo)激光器（SCOWL）結(jié)構(gòu)，單模工作連續(xù)功率可超過3 W，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率由最高的45%降至25%[27]?？梢姡捎谜剐尾▽?dǎo)結(jié)構(gòu)雖然可以獲得近衍射極限光束質(zhì)量，但輸出功率較低，而且轉(zhuǎn)換效率相比寬區(qū)激光器衰減非常大。

為獲得更高的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率，可以適當(dāng)提高激光器條寬，在輸出功率和光束質(zhì)量間折衷[28]。德國FBH (Ferdinand-Braun-Institute)研究所采用離子注入的30 μm 條寬激光器實(shí)現(xiàn)了5 W輸出功率、側(cè)向光束質(zhì)量M2=3 的激光輸出，相對(duì)于同等功率的100 μm器件亮度提高2～3 倍[29]。2018 年，該單位采用極雙非對(duì)稱（EDAS）大光腔結(jié)構(gòu)，使10 μm 脊寬半導(dǎo)體激光器的峰值轉(zhuǎn)換效率達(dá)62%，制備的15 μm脊寬的激光器最高連續(xù)功率達(dá)到2.7 W，最高功率輸出時(shí)轉(zhuǎn)換效率可達(dá)59%，側(cè)向光束質(zhì)量為2.2[30]。2018 年，該單位研制的50 μm 條寬激光器在10 ns 脈寬下實(shí)現(xiàn)了30 W脈沖功率、M2=9，側(cè)向亮度約11 W/mm·mrad[31]。

3.2 窄脊波導(dǎo)與功率放大單元集成

為實(shí)現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量激光輸出，可在寬區(qū)半導(dǎo)體激光器中引入選模設(shè)計(jì)，以改善光束質(zhì)量，從而提高亮度。當(dāng)前提高側(cè)向光束質(zhì)量較常見的方法為錐形激光器、種子振蕩功率放大器（MOPA）結(jié)構(gòu)。

3.2.1 錐形激光器

錐形激光器是最常見的高亮度半導(dǎo)體激光器，經(jīng)過20 余年的發(fā)展，其性能得到了非常大的提高。錐形激光器的諧振腔包含直的脊型波導(dǎo)部分和錐形部分，有的還引入腔損壞結(jié)構(gòu)或額外的吸收器濾除高階模，通過結(jié)合脊型波導(dǎo)的模式過濾及錐形部分功率放大效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量、高功率激光輸出。對(duì)于錐形激光器，需要系統(tǒng)優(yōu)化其脊形波導(dǎo)部分的寬度和長度、錐形張角及增益區(qū)尺寸、腔破壞凹槽及位置、腔面反射率等參數(shù)[32]，部分器件后腔面采用分布布拉格反射鏡（DBR）結(jié)構(gòu)，也有的器件脊形與錐形增益區(qū)單獨(dú)加電極分別調(diào)制，以獲得更高亮度。錐形激光器容易實(shí)現(xiàn)非常高的亮度，其缺點(diǎn)是存在輸出功率及效率下降、散光等問題，而且其遠(yuǎn)場通常具有旁瓣，雖然在1/e2定義光束質(zhì)量非常接近衍射極限，但含95%功率或二階矩法測得的光束質(zhì)量因子會(huì)明顯增大。

FBH 目前保持著GaAs 基錐形激光器的最高性能指標(biāo)，其中：635 nm 波長器件在1 W 功率下光束質(zhì)量接近衍射極限，0.5 W 功率下工作壽命超過2 000 h[33]；783 nm 波長DBR 錐形激光器最大輸出功率可達(dá)7 W，光譜線寬小于19 pm，側(cè)向光束質(zhì)量M2=2.5 (1/e2)，但二階矩法測得的光束質(zhì)量因子為8.3[34]；808 nm 波長器件近衍射極限連續(xù)輸出功率可達(dá)4.4 W，光束質(zhì)量M2=1.9，在3.9 W 功率下M2=1.3，亮度為460 MW·cm-2·sr-1[35]，在脈沖條件下近衍射極限輸出功率可達(dá)9 W[36]；979 nm 波長DBR 錐形激光器的連續(xù)輸出功率達(dá)到了12 W，轉(zhuǎn)換效率約為44%，在11.4 W 時(shí)光束質(zhì)量M2(1/e2)=1.1，亮度可達(dá)1 100 MW·cm-2·sr-1[37]；1 030 nm 波長的DBR 錐形激光器輸出功率可達(dá)12.7 W，該功率下轉(zhuǎn)換效率為40%，10.5 W 時(shí)光束質(zhì)量僅為M2=1.1 (1/e2)，中心瓣功率為8.1 W[38]，通過進(jìn)一步優(yōu)化錐形結(jié)構(gòu)，輸出功率可提高至15.5 W，中心瓣功率最高可達(dá)10.1 W[39]；1 060 nm波長DBR 錐形激光器輸出功率達(dá)到了12.2 W，光束質(zhì)量僅為M2=1.2 (1/e2)，線寬只有17 pm(FWHM)，亮度可達(dá)800 MW·cm-2·sr-1[40]。

錐形結(jié)構(gòu)在采用其他襯底，比如GaN、InP、GaSb 基半導(dǎo)體激光器及量子級(jí)聯(lián)激光器等中都得到了驗(yàn)證[41-43]，均實(shí)現(xiàn)了很高的亮度。

3.2.2 MOPA

MOPA 結(jié)構(gòu)是將具有較小功率和極高光束質(zhì)量的單模激光注入到半導(dǎo)體放大器中進(jìn)行放大，它可以采用混合或集成結(jié)構(gòu)。在混合結(jié)構(gòu)中，種子振蕩源（MO）發(fā)射的激光束通過高數(shù)值孔徑光學(xué)系統(tǒng)聚焦到功率放大器（PA）中，兩個(gè)元件彼此間光和熱隔離，可以分別優(yōu)化，但需要高精度的對(duì)準(zhǔn)半導(dǎo)體器件和微光學(xué)元件。在集成結(jié)構(gòu)中，MO部分通常采用布拉格光柵結(jié)構(gòu)以確保反饋和激射。

FBH 報(bào)道的1 083 nm 波長混合結(jié)構(gòu)MOPA最大連續(xù)輸出功率可達(dá)7.4 W，邊模抑制比SMSR＞40 dB[44]。采用單片集成結(jié)構(gòu)，977 nm 波長MOPA連續(xù)輸出功率可超過10 W，接近衍射極限，光譜線寬僅為40 pm[45]。采用單片集成種子振蕩傾斜錐形功率放大器，在1 060 nm 獲得了9.5 W 功率，發(fā)射光譜線寬小于20 pm，并可獲得近衍射極限的光束質(zhì)量(M2＜1.5 (1/e2))，但其二階矩法測得的光束質(zhì)量很差，M2(D4σ)＞13.9[46]；在964 nm 波長獲得了16.3 W 脈沖峰值功率，寬譜寬度為10 pm[47]。

3.2.3 錐形-脊形-波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

由于錐形激光器的側(cè)向和橫向光束束腰位置不同，散光較大，不利于光束耦合，而且其轉(zhuǎn)換效率和輸出功率相對(duì)于同樣的寬區(qū)器件的下降非常明顯。因此，一些變化結(jié)構(gòu)也被采用，比如喇叭形、雙錐型等。特別是為改善錐形激光器的散光、含95%能量光束質(zhì)量差以及轉(zhuǎn)換效率低的問題，F(xiàn)BH 采用改進(jìn)的側(cè)向和縱向波導(dǎo)設(shè)計(jì)，即集成窄脊+錐形過渡+寬脊結(jié)構(gòu)，15 μm 寬輸出口徑激光器實(shí)現(xiàn)了2.5 W 連續(xù)功率、側(cè)向M2=1.1 的激光輸出（側(cè)向亮度高達(dá)7.5 W/mm·mrad）[48]；23 μm寬輸出口徑在3.3 ns 脈寬下實(shí)現(xiàn)了18 W 輸出功率，光參量積僅為0.7 mm·mrad (M2=2.2)，相應(yīng)側(cè)向亮度高達(dá)27.4 W/mm·mrad，這也是當(dāng)前報(bào)道的半導(dǎo)體激光芯片級(jí)最高亮度[49]。

3.3 抑制熱透鏡效應(yīng)

由于熱透鏡效應(yīng)是半導(dǎo)體激光器在高電流工作（特別是連續(xù)工作模式）下側(cè)向光束質(zhì)量退化的主要因素之一，因此通過控制散熱途徑，降低熱致折射率差異，有利于改善激光器的光束質(zhì)量。除傳統(tǒng)提高激光器效率、改變腔長及改善封裝等降低熱阻方法外，還有一些方法被提出，主要是通過將側(cè)向-垂直方向二維熱傳導(dǎo)變成沿垂直方向一維傳輸，以減小發(fā)光區(qū)側(cè)向溫度梯變，從而降低熱透鏡效應(yīng)影響。

1988 年，美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室提出一種對(duì)熱沉采用非均勻加熱的方法[50]，其在固定工作電流下采用外部可聚焦的激光加熱源對(duì)發(fā)光區(qū)中心區(qū)域加熱時(shí)，激射模式階數(shù)明顯增大，而對(duì)熱沉中發(fā)光區(qū)外部加熱時(shí)，激射模式向基模轉(zhuǎn)移。由此驗(yàn)證通過調(diào)控側(cè)向熱分布，可在寬的電流區(qū)間內(nèi)控制激射模式。

2011 年，nLight 公司提出了一種微觀調(diào)控半導(dǎo)體激光器熱流通道的方法[51]。該方法在發(fā)光區(qū)下方設(shè)置相同寬度的熱傳導(dǎo)通道，使在熱沉側(cè)向熱擴(kuò)散前一段距離內(nèi)只能沿垂直方向散熱。盡管這種方式會(huì)引起熱阻的些許增大，但側(cè)向溫度差異可明顯降低，當(dāng)僅在發(fā)光區(qū)上蒸鍍20 μm 厚金焊接柱時(shí)，側(cè)向亮度可提升14%以上。

2012 年，韓國延世大學(xué)提出采用支座型熱沉來抑制側(cè)向熱擴(kuò)散[52]，在發(fā)光區(qū)與熱沉焊接區(qū)兩側(cè)引入空氣帶隙，通過一維垂直散熱方式來降低溫度漸變，可獲得近乎平坦的側(cè)向溫度分布，從而使整個(gè)發(fā)光區(qū)的折射率差異明顯降低。采用這種熱沉，激光器巴條在350 A 連續(xù)電流工作下的側(cè)向發(fā)散角從傳統(tǒng)平坦熱沉封裝時(shí)的13°降至6.5°。

上述方法可以一定程度降低遠(yuǎn)場熱展寬效應(yīng)，但由于器件內(nèi)部平均溫度升高可能會(huì)降低激光器功率。2018 年，韓國延世大學(xué)理論研究了一種基于襯底lift-off 技術(shù)的熱沉封裝結(jié)構(gòu)[53]，在底側(cè)增加了一路熱擴(kuò)散通道，通過雙面散熱來改善熱阻及側(cè)向溫度梯變，預(yù)期可改善功率和遠(yuǎn)場特性。

3.4 調(diào)控增益分布

側(cè)向載流子擴(kuò)散及在臺(tái)面邊緣聚集會(huì)增大高階側(cè)模增益，如圖4(a)（彩圖見期刊電子版）所示，將導(dǎo)致激光器遠(yuǎn)場展寬及光束質(zhì)量退化。因此，半導(dǎo)體激光器側(cè)向模式在臺(tái)面邊緣的增益-損耗分辨是影響光束質(zhì)量的重要因素[54]。需要通過控制載流子注入形貌，抑制載流子擴(kuò)散及集聚效應(yīng)，減少側(cè)向模式數(shù)及改善光束質(zhì)量。

圖4 (a)增益導(dǎo)引、(b)質(zhì)子注入及(c)二次外延電流阻擋層的半導(dǎo)體激光器側(cè)向電流擴(kuò)散示意圖Fig. 4 Schematic diagram of lateral current spreading for diode lasers utilizing (a) gain-guiding, (b) ion implantation, (c) current-blocking layers after the two-step epitaxial growth

為減少側(cè)向電流擴(kuò)展，降低邊緣自由載流子密度及擴(kuò)展幅度，可以采用掩埋節(jié)后或質(zhì)子注入（H+、He+等）方法，如圖4(b)（彩圖見期刊電子版）所示。FBH 通過在90 μm 寬半導(dǎo)體激光器P 面電極兩側(cè)注入H+，獲得了平頂式側(cè)向電流分布，從而消除了載流子集聚效應(yīng)，并在有源區(qū)引入了約1018cm-3的缺陷密度。激光器的近場寬度和遠(yuǎn)場發(fā)散角均被降低，光束質(zhì)量改善了35%，在7 W 功率下BPP＜2 mm·mrad[55]。

雖然采用高能質(zhì)子注入可以有效阻止臺(tái)面邊緣的電流傳輸，但會(huì)產(chǎn)生較多的缺陷及材料損傷，可能導(dǎo)致激光器功率降低。為解決該問題，F(xiàn)BH在2020 年提出一種加強(qiáng)的自對(duì)準(zhǔn)側(cè)向結(jié)構(gòu)，通過二次外延生長引入電流阻擋層，如圖4(c)（彩圖見期刊電子版）所示，首先在p 型層上生長薄的n 型摻雜層（對(duì)GaAs 基器件通常為GaAs-GaInP），在有源區(qū)附近形成p-n-p 電流阻擋反偏層，將需要電流注入?yún)^(qū)域的電流阻擋層刻掉再二次生長后續(xù)外延層。該技術(shù)可明顯降低激光器的閾值電流及側(cè)向近場寬度，使側(cè)向亮度提升25%，轉(zhuǎn)換效率也得到些許提升。該結(jié)構(gòu)證明可同時(shí)提高激光器輸出功率和光束質(zhì)量，并可保持高的偏振度[56]。

另一些方法是采用周期性增益結(jié)構(gòu)或在器件表面制備特殊電極結(jié)構(gòu)，對(duì)注入載流子進(jìn)行一維或二維調(diào)制，提高側(cè)向遠(yuǎn)場的穩(wěn)定性。1985 年，加州理工學(xué)院通過H+注入制備了一維周期性增益調(diào)控的激光器[57]，實(shí)現(xiàn)了近衍射極限的單瓣遠(yuǎn)場。相似的，很多單位采用多窄條電極來替代傳統(tǒng)的單寬條電極[58]，來抑制高階側(cè)模及光絲的形成，可產(chǎn)生更加均勻的電流和功率分布，并可降低遠(yuǎn)場展寬效應(yīng)。

1988 年，Amoco 等提出一種“領(lǐng)結(jié)”結(jié)構(gòu)，通過改變側(cè)向接觸電極的有效長度實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)向模式的增益調(diào)控[59]。該結(jié)構(gòu)可使中心區(qū)域具有最高增益，利于低階模式工作，可有效改善側(cè)向遠(yuǎn)場分布。2004 年，長春理工大學(xué)采用菱形電極半導(dǎo)體激光器[60]，實(shí)現(xiàn)了更接近高斯分布的近場形貌，輸出功率也得到一定改善。

本課題組研制了一種棋盤式空間電流調(diào)制（SCM）激光器[61]，如圖5（彩圖見期刊電子版）所示，通過調(diào)控電流在側(cè)向和縱向周期性注入，降低臺(tái)面邊緣的載流子密度及熱透鏡效應(yīng)，使得高階側(cè)模增益相應(yīng)降低，從而可有效抑制側(cè)向發(fā)散角的展寬。采用SCM 結(jié)構(gòu)，輸出功率相對(duì)于傳統(tǒng)的寬條器件降低很少，但隨電流增大其側(cè)向發(fā)散角幾乎無變化，在2.5 A 電流下側(cè)向發(fā)散角、光參量積和光譜線寬分別相對(duì)傳統(tǒng)器件降低約34%、36.5%和45%。

圖5 空間電流調(diào)制（SCM）半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 5 Schematic diagram of diode laser with Spatial Current-Modulated (SCM) structure

此外，本課題組還研制了一種側(cè)向脊波導(dǎo)寬區(qū)半導(dǎo)體激光器[62]，如圖6（彩圖見期刊電子版）所示。通過在臺(tái)面刻蝕多條脊形波導(dǎo)，對(duì)增益分布和諧振強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制。調(diào)節(jié)脊形波導(dǎo)長度與激光器的腔長比r，r=10%和r=20%，器件的輸出功率相對(duì)于普通寬區(qū)結(jié)構(gòu)（r=0%）有所提高，當(dāng)r≥20%時(shí)器件側(cè)向發(fā)散角隨注入電流的變化趨于穩(wěn)定。因此，r=20%的器件獲得了更高的輸出功率、更低的遠(yuǎn)場發(fā)散角和遠(yuǎn)場展寬效應(yīng)，其側(cè)向遠(yuǎn)場發(fā)散角隨電流變化為0.13°/A，僅為傳統(tǒng)寬區(qū)器件遠(yuǎn)場電流依賴性（1.27°/A）的10%。這種器件的輸出功率、遠(yuǎn)場發(fā)散角及遠(yuǎn)場穩(wěn)定性都得到了明顯改善，可有效提高激光器亮度。

圖6 側(cè)向脊波導(dǎo)寬區(qū)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 6 Schematic diagram of broad-area diode laser with multiple lateral ridge waveguides

布拉格反射波導(dǎo)激光器具有厚的p 型波導(dǎo)，側(cè)向載流子擴(kuò)散及集聚較為嚴(yán)重。為此，本課題組將激光器臺(tái)面邊緣的高摻雜層刻掉，采用梯狀的矩形溝槽結(jié)構(gòu)（LLGS）[63]，如圖7（彩圖見期刊電子版）所示。通過控制側(cè)向折射率差和抑制邊緣載流子累積來改善激光器的性能。LLGS 器件相對(duì)傳統(tǒng)的寬區(qū)器件，閾值電流降低9.5%，最高輸出功率提高18%以上，LLGS 器件的側(cè)向發(fā)散角減少了20%左右，其遠(yuǎn)場對(duì)注入電流的依賴性由傳統(tǒng)寬區(qū)器件的1.26°/A 降至0.78°/A。

圖7 基于LLGS 結(jié)構(gòu)的布拉格反射波導(dǎo)激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 7 Schematic diagram of bragg reflection waveguide laser with Ladder Like Groove Structure (LLGS)

本課題組在銻化物中紅外半導(dǎo)體激光器采用微條耦合寬區(qū)（MSBA）結(jié)構(gòu)[64]，如圖8（彩圖見期刊電子版）所示。通過周期性增益調(diào)制，抑制寬區(qū)銻化物激光器載流子側(cè)向擴(kuò)散、泄漏和積累，并降低熱致溫度漸變及折射率臺(tái)階，從而抑制高階側(cè)模。MSBA 器件相對(duì)于傳統(tǒng)的寬區(qū)器件（BA）最高連續(xù)輸出功率提高了20%，最高連續(xù)功率可達(dá)1.27 W，閾值電流特征溫度由58 K 提高至107 K，斜率效率特征溫度由182 K 提高至274 K。同時(shí)，MSBA 激光器含95%功率的側(cè)向遠(yuǎn)場發(fā)散角比BA 器件在相同注入電流下減小了30%以上，側(cè)向遠(yuǎn)場隨電流的依賴性降低了40%,側(cè)向光束質(zhì)量改善可達(dá)36%。

圖8 微條耦合寬區(qū)（MSBA）半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 8 Schematic diagram of GaSb-based microstripebroad-area (MSBA) lasers

3.5 傾斜腔或波導(dǎo)

與傳統(tǒng)寬區(qū)結(jié)構(gòu)不同，采用傾斜等異性腔面或波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以增大高階模式損耗，有利于改善側(cè)向光束質(zhì)量。

多個(gè)單位都報(bào)道了傾斜波導(dǎo)激光器，其光傳輸方向與出射腔面具有一定的傾角，通過調(diào)控模式反射率及載流子分布情況，來改善器件性能。2013 年，維也納技術(shù)大學(xué)提出在寬區(qū)量子級(jí)聯(lián)激光器采取傾斜前腔面結(jié)構(gòu)，采用聚焦離子束（FIB）加工前腔面（傾斜角17°），相對(duì)傳統(tǒng)FP 腔激光器功率提升了60%，并實(shí)現(xiàn)了近衍射極限光束質(zhì)量；采用相對(duì)解理面傾斜的波導(dǎo)，可有效改善閾值電流、斜率效率及峰值功率，但光束質(zhì)量相對(duì)上述結(jié)構(gòu)略差[65-66]。美國西北大學(xué)制備的 12°傾角量子級(jí)聯(lián)激光器，脈沖峰值功率可達(dá)203 W，側(cè)向發(fā)散角僅為3°，180 W 功率時(shí)光束質(zhì)量M2=5[67]。本課題組也提出了一種基于傾斜波導(dǎo)的片上合束激光器[68]，光束質(zhì)量相比于傳統(tǒng)器件提升一倍以上。

1978 年，一種彎曲條形結(jié)構(gòu)激光器被提出，用來獲得穩(wěn)定的光場分布[69]。2004 年，伊利諾伊大學(xué)報(bào)道了一種彎曲波導(dǎo)激光器，通過調(diào)節(jié)波導(dǎo)曲率控制高階模式的損耗，側(cè)向發(fā)散角得到一定改善，但由于存在彎曲損耗會(huì)導(dǎo)致激光器閾值增大[70]。2012 年，格拉斯哥大學(xué)報(bào)道一種集成DFB及曲型錐形放大器的結(jié)構(gòu)，獲得了單側(cè)模和縱模工作，線寬低至64 kHz[71]。2018 年，F(xiàn)BH 報(bào)道了S 型彎曲Y 型片上合束DBR 激光器，以改善空間光束特性及光束質(zhì)量[72]。

α-DFB 激光器結(jié)構(gòu)包含一個(gè)相對(duì)諧振腔軸傾斜一較小角度的側(cè)向布拉格光柵，這可穩(wěn)定縱向和側(cè)向模式，由于只有非常小角度區(qū)間的模式可以在諧振腔內(nèi)傳輸，它的側(cè)向遠(yuǎn)場發(fā)散角（含95%功率）通常小于1°。2003 年，德國FBH 研究所制備的1 060 nm 波長α-DFB 激光器連續(xù)輸出功率超過1 W，光束質(zhì)量M2=1.1，側(cè)向發(fā)散角為0.3°，邊模抑制比SMSR=28 dB，線寬僅為5.8 pm[73]。此外，中國科學(xué)院半導(dǎo)體所也報(bào)道了一種傾斜腔光子晶體激光器，輸出功率接近1W，側(cè)向光束質(zhì)量M2＜2.5[74]?？巳R姆森大學(xué)報(bào)道一種折疊腔傾斜光柵寬區(qū)半導(dǎo)體激光器[75]，可獲得近衍射極限光束質(zhì)量，這種方法另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可節(jié)省晶圓尺寸。

3.6 諧振腔及腔面反射率調(diào)控

3.6.1 非穩(wěn)諧振腔

1987 年，LANG R J 提出一種非穩(wěn)諧振腔半導(dǎo)體激光器，通過將腔面刻蝕為弧形，實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)向模式的控制[76]。2017 年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室采用FIB 技術(shù)制備了基于非穩(wěn)諧振腔的銻化物半導(dǎo)體激光器，發(fā)射波長為2 μm，100 μm 條寬器件獲得了～2×衍射極限光束[77]。此類器件的曲率和性能之間存在一定的關(guān)系，其曲率越大對(duì)光束質(zhì)量的改善效果越好，與此同時(shí)輸出功率也會(huì)急劇下降[78]。

3.6.2 腔面反射率調(diào)控

1996 年，有研究者提出調(diào)控輸出腔面的反射率，來增強(qiáng)側(cè)向模式分辨，通過在輸出腔面沉積側(cè)向厚度變化的薄膜，在低電流下實(shí)現(xiàn)了單模工作[79]。2017 年，Ioffe 研究所通過在10 μm 脊寬激光器鍍完膜的腔面進(jìn)行FIB 刻蝕，去除了部分膜材料，以消除一階側(cè)模激射，而且器件性能并無明顯退化[80-81]。采用對(duì)稱腔面反射率，抑制縱向增益及溫度非均勻性，可以改善光束質(zhì)量[82]。

3.6.3 外腔選模結(jié)構(gòu)

外腔法也是一種能夠顯著提升邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器側(cè)向光束質(zhì)量的一種手段，利用外腔反饋過濾高階模式，從而實(shí)現(xiàn)側(cè)向單模（或少模）激射以提高側(cè)向光束質(zhì)量，其缺點(diǎn)是需要更大的系統(tǒng)體積及更精確的光路裝調(diào)。

1994 年加拿大拉瓦爾大學(xué)采用外腔結(jié)構(gòu)對(duì)寬區(qū)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行了側(cè)向模式分析，發(fā)現(xiàn)通過控制外腔鏡與準(zhǔn)直透鏡的距離可以調(diào)控側(cè)向模式選擇性及遠(yuǎn)場發(fā)射圖案[83]。2009 年，丹麥技術(shù)大學(xué)報(bào)道了離軸光譜合束980 nm 寬區(qū)半導(dǎo)體激光器巴條[84]，采用D 形銳邊高反射離軸鏡對(duì)模式進(jìn)行選擇性反饋放大，30 A 電流下功率為9 W、側(cè)向光束質(zhì)量M2=6.4。

本課題組也開展了相關(guān)研究[85-87]：提出一種小角度V 型腔光譜合束方法，采用條形平面發(fā)射鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的輸出耦合鏡，控制光束與高反鏡交疊量，通過外腔反饋調(diào)控半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了光譜合束光源的光束質(zhì)量優(yōu)于單元器件的光束質(zhì)量；采用離軸選擇性反饋光譜合束方法，利用半導(dǎo)體激光線陣遠(yuǎn)場分立成兩組側(cè)向模式的特點(diǎn)，選擇其中一組模式反饋回去，使其沿另一組模式方向出射，從而改善光束質(zhì)量；提出基于雙光闌的外腔光譜合束結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高階模式抑制；利用V 型外腔選擇性反饋方法提高了寬區(qū)半導(dǎo)體激光器單管的光束質(zhì)量。

3.7 折射率工程

為穩(wěn)定光場分布，可以采用側(cè)向折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)，通過折射率工程來增強(qiáng)模式分辨及模式選擇，控制模場特性來改善輸出光束亮度。目前報(bào)道的結(jié)構(gòu)主要為一維橫向布拉格諧振（TBR）波導(dǎo)和二維光子晶體結(jié)構(gòu)[88-91]。這兩種方法采用周期性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用光子帶隙效應(yīng)限制光場，從而實(shí)現(xiàn)大光場尺寸穩(wěn)定的單模工作。目前已可實(shí)現(xiàn)近衍射極限光束質(zhì)量、窄發(fā)散角（＜1°）的激光出射。但為獲得強(qiáng)的模式分辨，這些方法的周期性波導(dǎo)尺寸均在波長量級(jí)，必須采用更高精度及復(fù)雜的加工工藝，制造成本較高，而且目前器件仍面臨輸出功率低的問題。

3.8 集成模式過濾結(jié)構(gòu)

針對(duì)寬區(qū)半導(dǎo)體激光器側(cè)向多模工作、光束質(zhì)量差的缺點(diǎn)，可以在側(cè)向引入模式過濾結(jié)構(gòu)，對(duì)高階側(cè)模產(chǎn)生更高的傳輸損耗，從而一定程度改善半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量。

3.8.1 分布式模式損耗

2008 年，利茲大學(xué)針對(duì)太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器工作在高階側(cè)模會(huì)引起功率下降的問題，在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中引入邊吸收器[92]，使激光器單模工作，器件工作溫度可達(dá)168 K，為當(dāng)時(shí)報(bào)道的采用In/Au鍵合工藝制備的太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器的最高工作溫度。

2013 年，F(xiàn)BH 提出一種側(cè)向諧振反導(dǎo)引結(jié)構(gòu)[93]，通過在增益條邊緣引入高折射率的反導(dǎo)引層（Ge），由于模式耦合效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致高階側(cè)模增益的降低，制備的90 μm 條寬激光器在10 W 功率下側(cè)向發(fā)散角降低了3°。

2017 年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室提出在寬區(qū)量子級(jí)聯(lián)激光器側(cè)壁引入分布損耗[94]，在器件脊形條邊墻直接沉積金屬，為高階側(cè)模提供足夠高的損耗，來實(shí)現(xiàn)近淡漠工作，激光器功率和斜率效率退化很小，因此可明顯提升亮度。

2018 年，柏林工業(yè)大學(xué)提出了一種使用側(cè)向非均勻波導(dǎo)的半導(dǎo)體激光器[95]，在側(cè)壁刻蝕一列三角形微結(jié)構(gòu)，增大高階側(cè)模的損耗，在一定電流下實(shí)現(xiàn)單模工作，側(cè)向光束質(zhì)量得到明顯改善（M2從 6 下降到2），亮度提升兩倍左右。

3.8.2 邊緣損耗剪裁

德國弗勞恩霍夫應(yīng)用光學(xué)與精密機(jī)械研究所（IOF）提出一種相位結(jié)構(gòu)以控制諧振腔內(nèi)的光場[96]，在腔面附近波導(dǎo)中集成相位結(jié)構(gòu)，增大基模的增益面積，對(duì)更高階模式產(chǎn)生額外的衍射損耗，從而獲得較穩(wěn)定的遠(yuǎn)場并改善光束質(zhì)量。

本課題組通過在銻化物中紅外半導(dǎo)體激光器臺(tái)面上刻蝕魚骨形微光學(xué)結(jié)構(gòu)[97-98]，如圖9（彩圖見期刊電子版）所示，當(dāng)光傳輸經(jīng)過刻蝕溝槽會(huì)遭受額外的衍射和散射損耗?？刂茰喜鄢叽?、深度、數(shù)量和位置可調(diào)控各階模式的傳輸損耗，模式階數(shù)越高損耗越大，從而達(dá)到降低激射模式數(shù)的目的。通過改變微結(jié)構(gòu)的刻蝕深度，發(fā)現(xiàn)采用深刻蝕微光學(xué)結(jié)構(gòu)，激光器的輸出功率（1.11 W）明顯高于無結(jié)構(gòu)器件（0.91 W），同時(shí)側(cè)向發(fā)散角可改善57%，而且側(cè)向發(fā)散角隨電流增大速率也大幅降低。這種結(jié)構(gòu)在布拉格反射波導(dǎo)激光器上也實(shí)現(xiàn)了輸出功率和光束質(zhì)量的雙重改善[99]。

圖9 GaSb 基半導(dǎo)體激光器魚骨形微光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 9 Schematic diagram of GaSb based diode laser with fish bone micro structures

本課題組提出在臺(tái)面邊緣刻蝕鋸齒形微光學(xué)結(jié)構(gòu)[100]，如圖10（彩圖見期刊電子版）所示。通過調(diào)控鋸齒微結(jié)構(gòu)寬度與臺(tái)面寬度的比例，對(duì)側(cè)模引入選擇性損耗調(diào)控，來抑制激光器側(cè)向遠(yuǎn)場隨電流增大的展寬效應(yīng)。通過對(duì)比這種微結(jié)構(gòu)器件與傳統(tǒng)寬區(qū)器件的輸出功率和光束質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)采用微光學(xué)結(jié)構(gòu)后激光器的輸出功率改善了5%，側(cè)向光束質(zhì)量提高了42%，實(shí)現(xiàn)了功率和光束質(zhì)量的雙重改善。

圖10 鋸齒微結(jié)構(gòu)激光器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 10 Schematic diagram of the laser with sawtooth micro structure

針對(duì)高注入電流下側(cè)向載流子的集聚與擴(kuò)散會(huì)使半導(dǎo)體激光器側(cè)向光束質(zhì)量劣化的問題，本課題組提出了復(fù)合型損耗剪裁微結(jié)構(gòu)（AT），在臺(tái)面邊緣刻蝕溝槽及箭頭型微結(jié)構(gòu)[101]。箭頭型微結(jié)構(gòu)陣列可以增大高階模式損耗，如圖11 所示。調(diào)節(jié)損耗剪裁區(qū)域?qū)挾?L-D)/L在0.4～0.5 之間時(shí)，可獲得較大的低階模式與高階模式的損耗差異。通過載流子傳輸控制及損耗調(diào)控來抑制或延遲高階側(cè)模的出現(xiàn)。相對(duì)于傳統(tǒng)寬區(qū)激光器，AT 激光器實(shí)現(xiàn)了更低的閾值電流（0.34 A 降到0.24 A）、更高的輸出功率（提高21%），同時(shí)降低了激光器束腰尺寸、遠(yuǎn)場發(fā)散角及電流依賴性，側(cè)向光束質(zhì)量改善了50%，相應(yīng)激光亮度得到明顯提升。

圖11 箭頭型溝槽微光學(xué)結(jié)構(gòu)激光器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 11 Schematic diagram of diode laser with arrowtrench micro structure

3.8.3 自由模式損耗調(diào)控

當(dāng)前報(bào)道的激光器側(cè)向模式的過濾結(jié)構(gòu)尺寸較大，難以對(duì)某個(gè)或某些模式進(jìn)行自由調(diào)控，基于此，本課題組提出在半導(dǎo)體激光器臺(tái)面上刻蝕微孔圖案，微孔的位置對(duì)應(yīng)于要抑制側(cè)向模式的波峰，當(dāng)光傳輸經(jīng)過時(shí)會(huì)遭受衍射和散射損耗，通過精細(xì)設(shè)計(jì)孔洞尺寸、深度、數(shù)量和位置，使需要激射模式中心峰附近不經(jīng)過孔洞，僅在低光場強(qiáng)度位置經(jīng)過孔洞，從而使需要抑制的模式面臨更高的傳輸損耗，這種增強(qiáng)的模式分辨有助于降低激射模式數(shù)。本課題組制備了一系列微孔圖案，實(shí)現(xiàn)了可控制、穩(wěn)定的光場輸出，比如可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的雙光束激光輸出、無注入電流依賴穩(wěn)定遠(yuǎn)場、極低側(cè)向發(fā)散角窄光束輸出等，如圖12（彩圖見期刊電子版）所示。

圖12 (a)刻蝕微孔的顯微鏡照片及(b)不同的激光遠(yuǎn)場形貌Fig. 12 (a) Micrograph of etched micro-holes and (b) different far-field patterns under various currents

圖13（彩圖見期刊電子版）為100 μm 條寬半導(dǎo)體激光器的不同側(cè)向模式的近場分布。從圖中可以看出，基模的分布集中在寬區(qū)波導(dǎo)的中心，而且隨著模式階數(shù)的升高，高階模式的分布更加分散。為改善側(cè)向光束質(zhì)量，可在高階模式的波峰位置（圖中豎線所示）設(shè)置損耗剪裁微孔結(jié)構(gòu)，基模中心峰附近不經(jīng)過孔洞，而高階模光場峰值處即面臨刻蝕孔洞引起的損耗，而且越靠近臺(tái)面邊緣經(jīng)過的孔洞周期越多，相應(yīng)的損耗就越大。這樣就使得微結(jié)構(gòu)陣列對(duì)側(cè)向模式具有選擇性，增強(qiáng)了基模和相對(duì)低階的模式在模式競爭中的優(yōu)勢，從而達(dá)到抑制高階模式、提高光束質(zhì)量的目的。

圖13 半導(dǎo)體激光器不同模式的近場分布及損耗剪裁位置Fig. 13 Calculated near-field profiles of the lateral modes with different orders and the loss tailoring placement

本課題通過采用三角形微孔結(jié)構(gòu)[22]，如圖14（彩圖見期刊電子版）所示，在高階側(cè)模除中心位置的波峰處設(shè)置微孔，其數(shù)量由中心向兩邊遞增。當(dāng)光傳輸經(jīng)過微孔結(jié)構(gòu)時(shí)，除1 階側(cè)模（基模）外，高階側(cè)模的光強(qiáng)均得到明顯減少，表明側(cè)向模式分辨得到加強(qiáng)。由于高階側(cè)模被抑制，模式競爭減小，引入微孔結(jié)構(gòu)后激光器的輸出功率無明顯降低，激射光譜明顯變窄，同時(shí)側(cè)向光束質(zhì)量相對(duì)傳統(tǒng)寬區(qū)器件得到明顯改善，最高可提升2.4 倍，激光亮度最高可提升兩倍以上。在大電流下的光束質(zhì)量改善效果變差主要由于工作電流增大熱透鏡效應(yīng)引起模式收縮與剪裁結(jié)構(gòu)不匹配引起的，可根據(jù)實(shí)際工作電流下激光器近場分布進(jìn)行損耗剪裁微結(jié)構(gòu)的優(yōu)化排布。

圖14 (a)損耗調(diào)控寬區(qū)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖；(b)測得的有結(jié)構(gòu)器件和傳統(tǒng)寬區(qū)結(jié)構(gòu)器件在不同電流下的側(cè)向光束質(zhì)量對(duì)比Fig. 14 (a) Schematic diagram of the loss tailoring BAL;(b)measured lateral beam quality of the structured and unstructured BALs at different currents

本課題組還選取了多種微光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了流片及測試（激光器條寬和腔長分別為100 μm 和4 mm），發(fā)現(xiàn)器件的輸出功率與傳統(tǒng)寬區(qū)激光器接近，部分結(jié)構(gòu)可改善功率特性，如圖15（彩圖見期刊電子版）所示。進(jìn)行初期高溫高功率老化測試，發(fā)現(xiàn)部分結(jié)構(gòu)會(huì)引起器件可靠性的下降，而有的結(jié)構(gòu)可展示較好的可靠性。進(jìn)一步將增大樣品數(shù)量、老化測試時(shí)長及系統(tǒng)探索器件失效機(jī)理，為高功率、高可靠性微結(jié)構(gòu)激光器提供參考。

圖15 微結(jié)構(gòu)激光器在室溫連續(xù)工作下的功率-電流-電壓特性曲線Fig. 15 Measured power-current-voltage characteristics of diode lasers with microstructures

4 結(jié) 論

高功率半導(dǎo)體激光器在加工、傳感及國防等領(lǐng)域具有重大需求，但受側(cè)向光束質(zhì)量差、亮度低的制約難以直接應(yīng)用。寬區(qū)半導(dǎo)體激光器雖然容易實(shí)現(xiàn)高的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率，但其在高注入電流下各階側(cè)模間的增益差很小，模式分辨很差，導(dǎo)致激射側(cè)模數(shù)增大，引起側(cè)向遠(yuǎn)場展寬及光束質(zhì)量退化。究其原因，主要在于半導(dǎo)體激光器的側(cè)向模式受多種物理效應(yīng)的影響，共同導(dǎo)致側(cè)向光束質(zhì)量嚴(yán)重退化。然而，當(dāng)前相關(guān)的半導(dǎo)體激光器仿真模型尚不健全，其在空間三個(gè)維度及時(shí)間跨度存在數(shù)量級(jí)的差異，難以精確揭示各效應(yīng)作用機(jī)制及其在側(cè)向光束質(zhì)量退化中發(fā)揮的作用，因此目前主要結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行逐一研究。根據(jù)當(dāng)前理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，熱致折射率改變及載流子集聚效應(yīng)是側(cè)向光束質(zhì)量在大電流下退化的主要因素，但難以準(zhǔn)確判斷定單一效應(yīng)的占比，因?yàn)樗c激光器設(shè)計(jì)(垂直外延結(jié)構(gòu)、側(cè)向-縱向結(jié)構(gòu))密切相關(guān)，而且之間互相依賴。半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場由諧振腔內(nèi)模式及近場光場分布決定，研究者們針對(duì)各種物理效應(yīng)進(jìn)行激光器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過調(diào)控?zé)岱植技拜d流子注入、采用模式過濾結(jié)構(gòu)等，增強(qiáng)側(cè)向模式增益損耗分辨，一定程度上抑制了激射模式數(shù)的增加及實(shí)現(xiàn)光束質(zhì)量的改善，但多數(shù)結(jié)構(gòu)面臨功率衰減明顯、難以獲得極高光束質(zhì)量的難題。半導(dǎo)體激光在提升光束質(zhì)量的同時(shí)必須保持足夠高的輸出功率及轉(zhuǎn)換效率，這樣才可能具有競爭力。因此，需要在激光器三個(gè)維度針對(duì)各種物理效應(yīng)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效進(jìn)行側(cè)向模式調(diào)控，解決了激光器輸出功率與光束質(zhì)量間的矛盾，可在保證輸出高功率、高效率激光束的前提下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的、近衍射極限光束質(zhì)量的激光輸出，有望從芯片層次提高半導(dǎo)體激光器及合束光源的亮度，降低其應(yīng)用成本及發(fā)展新的應(yīng)用，產(chǎn)生重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。