埋入式采样光栅量子级联激光器实现高功率、低阈值、稳定单模运行

摘要

演示了一种发射波长λ ~ 4.87 µm的高功率、低阈值、稳定单模运行埋入式分布式反馈量子级联激光器，采用采样光栅结构。受益于采样光栅优化的光场分布，6 mm和4 mm腔长器件在20℃分别获得948 mW和649 mW高连续波(CW)输出功率。通过精确控制两端面劈裂位置，器件单模产率显著提升。结果，在不同散热温度或高注入电流下获得稳定单模发射和无模式跳跃的线性模式调谐。

引言

量子级联激光器(QCLs)已成为最有前景的中红外光源之一，因其波长覆盖范围大、尺寸紧凑、输出功率高等亮点特性，在远程传感、高分辨率光谱和工业过程监测等应用中备受关注[1-4]。这些应用通常需要单模发射和高输出功率，可通过分布式反馈(DFB) QCL实现。埋入式光栅法因波导损耗小、阈值电流密度低、单模产率高于表面光栅而被广泛采用[5,6]。迄今，基于埋入式光栅法在提升DFB QCL单模稳定性和输出功率方面取得系列重大突破[7,8]，但埋入式光栅的过耦合反馈机制阻碍输出功率进一步提升。发射4.6-5 µm波段埋入式均匀光栅DFB QCL室温典型CW输出功率低于300 mW[5,9]。理论上可通过优化光栅深度和占空比提高埋入式光栅耦合系数。然而分布式反馈性能对靠近有源区半导体层光栅刻蚀轮廓极其敏感，刻蚀深度和占空比微小变化强烈影响光栅耦合系数[10,11]。且基于低成本全息光刻和湿法化学刻蚀难以精确控制光栅深度和占空比以改善光栅耦合。通常常规DFB QCL在布拉格频率略微偏移的两个频率振荡，取决于端面随机相位影响的光学损耗[12-14]。

本工作提出采用小采样占空比埋入式采样光栅优化耦合系数和改善光场分布。此法显著优势在于能在保持理想光栅耦合强度前提下增加器件腔长以获足够光增益。为提升单模产率和极致性能，精确控制两端面劈裂位置避免端面随机相位影响。一方面，该法保留埋入式光栅小波导损耗、低阈值电流密度优势，兼容埋入异质结构工艺。此外，采样光栅仅通过常规全息曝光结合光刻制备，提高柔性、重复性和成本效益。结果，发射λ ∼ 4.87 µm的低阈值高输出功率单模DFB QCL在埋入式采样光栅结构中同时实现。这些DFB-QCL阈值电流密度低至1.05 kA/cm²，6 mm腔长器件单面在20℃产生948 mW CW输出功率。

方法

均匀光栅DFB QCL示意图见图1a；I、II、III、IV标记代表四种可能劈裂端面位置。众所周知，纳米级均匀光栅难以精确控制劈裂端面位置，导致不同器件发射模式随劈裂端面随机位置而异。基于传递矩阵法用MATLAB模拟计算I、II、III、IV四种劈裂端面位置的两侧模式损耗差和模式损耗谱。四种劈裂端面位置两侧模式损耗差绝对值见图1b；横坐标表示I、II、III、IV相对位置(假设另一端面从光栅峰值开始对应零相位，则I、II、III、IV对应相位为0, π/2, π, 3π/2)。图1c、d、e、f详细显示四种劈裂端面位置模式损耗谱。可见受端面随机相位影响，不同器件激光模式和损耗差不同。图2a显示同一传递矩阵法模拟的四种劈裂端面位置对应归一化光场分布。图2b、c为两端面附近光场分布放大图。可见两端面光强分布不完全对称，由两端面非对称位置导致。此处展示耦合强度κ×L = 17的过耦合情况。器件中心光强峰值向两端快速衰减，可能导致严重空间空穴烧蚀，进而难以维持稳定单模运行[15]。

a 均匀光栅结构示意图；I、II、III、IV表示四种可能劈裂端面位置。b I、II、III、IV不同劈裂端面位置两侧模式损耗差绝对值，横坐标为对应相位。c–f I、II、III、IV四种劈裂端面位置模式损耗谱详图。

a 四种劈裂端面位置均匀光栅结构对应光场分布。b、c 两端面附近光场分布放大图。

采用采样光栅结构改善光强分布，采样周期P = 15 µm、光栅区长度u = 5 µm，对应采样占空比σ = u/P = 1/3(图3a)。图3a垂直虚线代表劈裂端面位置，偏离光栅区避免引入端面随机相位。采样光栅有效耦合系数κ_eff可简表为均匀光栅耦合系数κ与采样光栅占空比σ乘积，即κ_eff = κ × σ[16]。因此采样光栅耦合系数可通过采样占空比任意调节，有利于优化采样光栅耦合强度，从而提升输出功率。图3b显示基于传递矩阵法计算的采样光栅透射谱和脉冲条件下测量电致发光(EL)谱。λ₋₁和λ₊₁为采样光栅引入的额外超模式。相邻超模式光谱间距Δλ = λ_B²/(2n_effP)，n_eff为波导有效折射率，λ_B为基础均匀光栅布拉格波长[17]。超模式存在虽影响单模稳定性，但可通过选择小采样周期P使超模式远离增益曲线中心。本研究基础布拉格光栅周期Λ、采样周期P、波导有效折射率n_eff、占空比σ分别为0.758 µm、15 µm、3.21、1/3，超模式相邻光谱间距约246 nm。图3b显示布拉格波长(0阶)设计在增益曲线峰值附近，+1阶和−1阶波长分别距增益曲线中心246 nm。最终研究中可实现0阶模式稳定单模激射。图4a显示不同注入电流下采样光栅模拟光场分布。可见采样光栅结构两端面光场强度分布显著改善，对应输出功率重大提升。图4b为一端面附近光场分布放大图，图4c显示端面光场相对强度随注入电流详细变化。图4b可见光场分布轮廓不平滑呈波动状。波动源于每个采样周期光栅区与非光栅区间"界面反射"诱导腔内"局域"能量密度集中。此外图4c显示端面相对强度分布随注入电流非线性变化，可能导致器件功率-电流曲线非线性。

a 采样光栅结构示意图，垂直虚线为劈裂端面位置，P为采样周期，u为一个采样周期内光栅区长度。b 蓝线为设计采样光栅计算透射谱，红线为制备外延片测量电致发光谱。

a 不同注入电流下采样光栅模拟光场分布。b 一端面附近光场分布放大图。c 端面光场相对强度随注入电流详细变化。

QCL结构在n-InP(Si, 2×10¹⁷ cm⁻³)衬底上用固体源分子束外延(MBE)生长。有源区由40级应变补偿In_0.67Ga_0.33As/In_0.37Al_0.63As量子阱和势垒组成，提供电子跃迁通道产生光子，被上下InGaAs限制层包围。上InGaAs限制层上用双光束全息光刻结合常规光刻定义光栅。随后金属有机气相外延(MOVPE)生长上波导层。之后加工成双通道脊状波导激光器，平均核心宽度约10 µm，填充半绝缘InP:Fe高效散热。沉积450 nm厚SiO₂层(PECVD)绝缘，电子束蒸发沉积Ti/Au提供电接触。额外电镀5 µm厚金层改善散热。薄化至约140 µm后，衬底侧电子束蒸发沉积Ge/Au/Ni/Au金属接触层。波导劈裂成4 mm和6 mm长条，一面电子束蒸发沉积高反射(HR)涂层Al₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃(200/10/100/120 nm)，另一面不涂层用于测量边发射功率。最后激光器外延面朝下用铟焊料安装在金刚石散热片上，再焊接在铜散热片上实现高效散热。

结果与讨论

器件光谱用分辨率0.25 cm⁻¹傅里叶变换红外光谱仪测试。激光器安装在含热敏电阻和热电制冷器的支架上监测调节副安装温度。发射光功率用校准热电堆探测器测量，置于激光器端面前无任何校正。

图5和6分别显示4 mm和6 mm腔长采样光栅DFB QCL发射光谱和光-电流-电压(L-I-V)特性。可见测试全过程光谱随注入电流或温度线性变化。CW模式下，4 mm和6 mm腔长器件在20℃分别获最大光功率649 mW和948 mW，对应电流1.2 A和1.4 A。此外，4 mm和6 mm腔长器件在20℃分别实现低CW阈值电流密度1.59 kA/cm²和1.05 kA/cm²，充分体现埋入式光栅小波导损耗和低阈值电流密度优势。从激射光谱观察到，激射模式随温度或注入电流变化呈线性，表明注入电流或温度变化过程中无模式跳跃。然而功率-电流曲线非线性，由前文分析的采样光栅结构光场分布波动和端面光场强度非均匀变化引起。

a 4 mm腔长采样光栅DFB QCL在约1.1×I_th电流下不同散热温度15-70℃单模CW发射光谱。内嵌图显示20℃下0.63至1.08 A步进0.05 A不同注入电流CW发射光谱。b 4 mm腔长采样光栅DFB QCL不同温度下CW L-I-V特性。

a 6 mm腔长采样光栅DFB QCL在约1.1×I_th电流下不同散热温度15-70℃单模CW发射光谱。内嵌图显示20℃下0.63至1.38 A步进0.05 A不同注入电流CW发射光谱。b 6 mm腔长采样光栅DFB QCL不同温度下CW L-I-V特性。

图7显示室温约1.25×I_th脉冲运行下器件远场分布。图7a为脊宽方向远场分布，图7b为外延生长方向远场分布。实验研究证实基础横模在埋入式光栅结构比表面金属光栅结构更易成为激射模式，因表面金属光栅结构中基础横模损耗因与顶部金属接触耦合而增加[6]。据此，实验获得基础横模远场分布，脊宽方向半高全宽(FWHM) 28.2°。埋入式光栅构型另一明显优势是激射模式通常为单瓣远场分布的基础横模，有利于准直。此外，因发射孔径与波长同阶，外延生长方向获得较大FWHM 50.1°。

a 脊宽方向远场分布。b 外延生长方向远场分布。

结论

总之，实现了低阈值、高输出功率稳定单模发射采样光栅DFB QCL。6 mm(4 mm)腔长最大CW输出功率和阈值电流密度分别为0.948 W(0.649 W)和1.05 kA/cm²(1.59 kA/cm²)。通过引入小采样占空比降低耦合强度实现光场分布重大改善。也观察到单瓣远场分布。因此，对于埋入式分布式反馈量子级联激光器，引入采样光栅是实现高输出功率、低阈值、稳定单模发射和高单模产率的简单有效方法。

缩略语

CW:

连续波

DFB:

分布式反馈

EL:

电致发光

FWHM:

半高全宽

HR:

高反射率

L–I–V:

光-电流-电压

MBE:

分子束外延

MOVPE:

金属有机气相外延

PECVD:

等离子体增强化学气相沉积

QCL:

量子级联激光器