集成塔尔博腔的高功率锥形量子级联激光器阵列

摘要

宽区量子级联激光器（QCL）功率扩展通常导致光束质量劣化，呈现多瓣远场图案。本文演示了一体化塔尔博腔的锥形QCL阵列。锥形直端连接塔尔博腔的阵列实现基模超模式运行。基模超模式侧向远场显示近衍射极限发散角2.7°。五单元阵列输出功率约为单脊波导激光器三倍，发射波长约4.8 μm。然而，锥形端连接塔尔博腔的阵列无论腔长如何均表现高阶超模式运行。

背景

1994年发明的量子级联激光器（QCL）因其波长灵活性和便携性，成为中远红外最重要的光源之一[1-3]。应用覆盖自由空间光通信、定向红外对抗（DRICM）、爆炸物/毒素/污染物痕量化学传感及医疗检测[4-7]。部分应用需高输出功率以提升干扰效果和探测精度。通过拓宽有源区宽度可获高功率QCL，但无波导工程设计或外部光学的简单加宽会恶化光束质量，产生多瓣远场[8]。过去通过光子晶体分布式反馈（PCDFB）QCL、倾斜腔QCL、主振荡器功率放大器QCL、外部反馈机制的宽区QCL等实现单瓣发射[9-12]。近期，相位锁定阵列成为保持宽脊QCL相干窄束发射的主流方案。

自1980年代起，相位锁定阵列已巧妙应用于宽脊低发散半导体激光器[13]。前期工作研究了Y型结阵列、谐振漏波耦合阵列、倏逝波耦合阵列等相位锁定QCL阵列，如近红外激光器[14-18]。这些结构要么带来较大波导损耗[15]，要么为追求短邻近距离获取耦合导致热积累[16-18]。近期报道了基于衍射耦合塔尔博效应集成侧腔的衍射耦合QCL阵列[19]。衍射耦合结构中，耦合发生在塔尔博腔内，由脊端衍射和腔面反射实现。衍射耦合相位锁定QCL阵列单元可宽间距放置，减少热积累。

塔尔博效应是周期性结构在特定规则距离产生自像的已知光学现象[20]。该效应被用于近红外相位锁定激光器，称衍射耦合方案相位锁定阵列[21-23]。此法需在激光阵列腔面前放置平面镜提供光学反馈。镜与阵列面距离称塔尔博距离，定义为：

$$ {Z}_t=\frac{2n{d}^2}{\lambda } $$

其中n为材料折射率，d为阵列中心间距，λ为自由空间波长。反射回阵列通道的超模式将获得自再生振荡。图1展示分数塔尔博距离处基模和高阶超模式分布。位于Z_t/4处的超模式反射回阵列通道时，将提取基模超模式叠加与运行。

塔尔博腔相位锁定QCL阵列输出功率受限于塔尔博腔与阵列通道间低耦合效率。为进一步提升功率，应增加填充因子（脊宽与周期比）。但加宽通道宽度会导致阵列单元高阶模式发射。减小中心间距会增加热积累。锥形结构是同时增加填充因子并保证单脊基模运行的最佳方法之一。本文利用锥形结构，分别在锥形结构一侧集成塔尔博腔。直端连接塔尔博腔的器件展现基模超模式运行，近衍射极限（D.L.）远场发散角2.7°。相比之下，锥形端连接塔尔博腔的器件无论塔尔博腔长度如何均表现高阶超模式运行。直端连接塔尔博腔器件在298 K下获得最大峰值功率1.3 W，阈值电流密度3.7 kA/cm²，斜率效率0.6 W/A。

方法

QCL外延片在Si掺杂（2×10¹⁷ cm⁻³) n型InP衬底上，采用固体源分子束外延（MBE）生长。有源区（AR）包含35周应变补偿In_0.67Ga_0.33As/In_0.37Al_0.63As量子阱和势垒。整个晶圆结构（制造前）：4 μm下InP包层（Si，3×10¹⁶ cm⁻³）、0.3 μm n-In_0.53Ga_0.47As层（Si，4×10¹⁶ cm⁻³）、35级有源/注入级、0.3 μm n-In_0.53Ga_0.47As层（Si，4×10¹⁶ cm⁻³）、2.6 μm InP上包层（Si，3×10¹⁶ cm⁻³）、0.15 μm InP渐变掺杂层（1×10¹⁷至3×10¹⁷ cm⁻³）、0.4 μm高掺杂InP包层（Si，5×10¹⁸ cm⁻³）。

MBE外延后，采用湿法化学刻蚀器件，再PECVD沉积450 nm SiO₂。开电注入窗口后形成顶部金属接触。塔尔博腔段和锥形阵列两段通过Au顶部接触电连接。衬底减薄后蒸发底部接触金属。晶圆用切片机劈成~2 mm长以精确控制塔尔博腔长度。最后器件外延面朝下用铟焊料焊接铜散热片。因塔尔博腔段电注入，其宽尺寸会导致热积累，未来工作应采用电绝缘规避。塔尔博腔段也可通过晶圆键合对齐等复杂工艺替换为其他波导材料，仍可实现相位锁定运行。根据图1超模式分布，本文塔尔博腔长度设为Z_t/8，类似文献[19]，约104 μm。图2展示器件示意图和显微照片。阵列包含五个锥形单元和一个塔尔博腔。锥形单元含1 mm锥形端和~0.9 mm直端，宽度从10到16 μm变化。阵列相邻单元中心间距25 μm，每个激光器件长~2 mm。塔尔博腔长度均约104 μm。

结果与讨论

根据耦合模理论，相位锁定阵列超模式数等于单元数[24]。例如五单元相位锁定阵列有五个超模式。假设塔尔博腔内仅相邻单元耦合，可用耦合矩阵获得不同阶超模式近场分布[24]。阵列横向维度为变量的近场强度可表示为[25]：

$$ {E}_j\propto \sum \limits_{m=1}^M\sin \left(\frac{mj}{M+1}\pi \right)\exp \left[-\frac{{\left(x-{x}_m\right)}^2}{\omega^2}\right] $$

其中j为超模式阶数，M为阵列单元数，ω为各单元高斯光束腰，x_m为各单元中心位置。不同阶超模式模拟结果见图3a。对应远场图案可由近场分布傅里叶变换推导，见图3b。

塔尔博腔相位锁定阵列远场图案从阵列波导面用锁相技术配合室温汞镉碲（MCT）探测器测量。QCL阵列安装旋转台，距MCT探测器~25 cm，自制软件控制采集数据。实测远场图案见图3c,d，分别对应直端和锥形端连接塔尔博腔器件。图3c远场分布在0°显示强中心瓣，表明按耦合模理论存在基模超模式运行。半高全宽（FWHM）约2.7°，按衍射极限（D.L.）公式sin θ = 1.22λ/d（θ为D.L.角，λ波长，d阵列出光宽度）显示衍射极限发散角。锥形单发射器出光宽16 μm时D.L. FWHM发散约21°。侧瓣出现在~12°，极接近单发射器远场包络FWHM位置。中心瓣和侧瓣强度对应单发射器远场分布，侧瓣强度为中心瓣一半。通过加宽脊宽减小阵列单元发散可获单瓣远场阵列。图3d远场图案在中心0°无瓣，主要为双瓣，显示高阶超模式运行，对应图3b三阶超模式。为获基模超模式运行，我们制备了塔尔博腔长度90-110 μm、步进1 μm的器件。遗憾的是，锥形端连接塔尔博腔器件无论腔长如何均无法获得基模超模式运行。

两类阵列远场结果可用文献[19,21]理论模型解释。塔尔博腔可近似为不同超模式具有不同等效反射率的反射镜；高等效反射率意味着高增益效率和低阈值增益。等效反射率计算仿真类似文献[19]。图4显示不同阶超模式等效反射率随塔尔博腔长度变化的仿真结果。因N=2,4阶超模式波导损耗大于N=1,3,5阶，此处忽略模拟。直端连接塔尔博腔阵列中，基模超模式在Z_t/8附近具有最高等效反射率且与高阶超模式有大判别度。锥形端连接塔尔博腔阵列中，基模与高阶超模式判别度较小，因锥形端连接塔尔博腔器件模式判别弱，激光倾向于三阶超模式工作。

发射光功率用校准热电堆探测器测量，置于激光波导面前。光谱测量用傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪，分辨率0.25 cm⁻¹，快速扫描模式。图5a显示脉冲模式下功率-电流（P-I）特性，电流驱动2 kHz、占空比0.2%。直端连接塔尔博腔QCL阵列在298 K获总峰值功率1.3 W，阈值电流密度3.7 kA/cm²，斜率效率0.6 W/A，对应锥形端阵列输出功率1.6 W、阈值电流密度3.4 kA/cm²、斜率效率0.65 W/A（蓝线和紫线）。对比单器件（2 mm×10 μm脊宽）最大峰值功率0.41 W、阈值电流密度3 kA/cm²、斜率效率1 W/A。基模运行阵列输出功率为单发射器三倍。为简明呈现测试结果，表1汇总三器件输出特性。每单元平均输出功率约单发射器63%，高于文献[19]。文献[26]报道腔内塔尔博滤波器相位锁定QCL阵列，单元平均功率为单发射器43%。因湿法刻蚀导致两圆形结额外光损耗，效率低于塔尔博腔与阵列单元单结设备。文献[27]报道六单元塔尔博腔集成器件，输出功率为单发射器五倍，耦合效率~83%。我方器件较低效率主要因塔尔博腔更强边缘衍射损耗和湿法刻蚀制造。后续工作应采用干法刻蚀并增加锥形区长度以进一步功率扩展。图4a内嵌图显示室温1.3 I_th下相位锁定阵列发射光谱。中心波长测得4.8 μm，因缺乏纵模选择机制呈多模特性。可在顶包层引入分布式反馈（DFB）光栅实现单模光谱。宽QCL和QCL阵列热特性用COMSOL有限元软件模拟。固定脊宽10 μm，阵列单元间距0-20 μm、步进5 μm变化。图5b显示有源区温度随单元间距变化。宽脊器件有源区温度比塔尔博腔器件高约20 K。

结论

总之，我们演示了分别在直端和锥形端集成塔尔博腔的锥形QCL阵列。直端集成塔尔博腔器件展现基模远场图案，4.8 μm发射波长下D.L.发散角2.7°。直端阵列获1.3 W输出功率，斜率效率0.6 W/A。因塔尔博腔相位锁定阵列不需极近耦合距离，热积累低于倏逝波耦合阵列。此类器件有潜力实现高占空比运行的高亮度QCL阵列且具D.L.发散。未来工作应聚焦：选择合适阵列单元脊宽和间距、采用埋脊波导、结合微射流冷却器热管理[28]。此外，减少有源区级联数将大幅贡献高亮度QCL高占空比运行[29]。

缩写

AR:

有源区

CW:

连续波

D.L.:

衍射极限

DFB:

分布式反馈

FWHM:

半高全宽

I_th:

阈值电流

MBE:

分子束外延

MCT:

汞镉碲

MOVPE:

金属有机化学气相沉积

PECVD:

等离子体增强化学气相沉积

P-I:

功率-电流

QCL:

量子级联激光器

WPE:

墙插效率