高功率 DBR 量子级联激光器中的异常短波长模式跳变

摘要

我们报道分布式布拉格反射器（DBR）量子级联激光器（QCL）在 7.6 µm 附近发射时出现的意外短波长模式跳变。双段器件——增益段和未泵浦布拉格段——室温下连续波（CW）输出功率 >0.6 W。与温度或注电流升高时常规长波长漂移相反，激光模式偶尔跳变至较短波长。模态分析显示，温度诱导的折射率变化使纵模移动速度快于布拉格峰，导致观测到的跃迁。

引言

量子级联激光器通过导带内亚能带跃迁工作，区别于传统半导体激光器，实现中远红外发射。其宽光谱覆盖使其成为气体传感、高分辨光谱和工业监测不可或缺的工具。然而，许多应用要求窄线宽和高输出功率。分布式反馈（DFB）和外腔（EC）QCL 典型提供单模运行但限于 ~100 mW 输出和窄调谐范围。DBR QCL 为高功率单模发射提供紧凑平台，但其详细光谱行为鲜有深入探索。本文展示 DBR QCL 并深入研究异常模式跳变。

方法

DBR 光栅通过双光束全息干涉光刻定义。器件包含增益段（L_G）、DBR 段（L_DBR）和电流隔离槽。QCL 核心在 n 型 InP 上经固态源 MBE 生长，采用 50 个应变补偿 In_0.58Ga_0.42As/In_0.47Al_0.53As 量子阱（厚度序列见原文）。上限制层上沉积 100 nm SiO₂；DBR 区蚀刻深度 ~130 nm，后去除 SiO₂。顶部波导经 MOVPE 重生长，形成 3 µm 上 InP 包层、0.15 µm 渐变掺杂 InP 层和 0.85 µm 高掺杂 InP 接触层。晶片加工成双通道脊波导（核心宽度 ≈10 µm），半绝缘 InP:Fe 提供热和电隔离。200 µm 电流隔离槽（深度 1.1 µm）分隔增益和 DBR 段。SiO₂ 绝缘后沉积 Ti/Au 接触并电镀 5 µm Au 散热。器件（长 6 mm）劈开为 4.3 mm 增益段、1.5 mm DBR 段和 0.2 mm 隔离区，外延面朝下焊接在金刚石散热器和铜座上。

结果与讨论

发射光谱用傅里叶变换红外光谱仪记录（分辨率 0.125 cm⁻¹）。P-I-V 特性用校准热电堆探测器测量。激光安装在配备热敏电阻和热电制冷器的支架上控制副安装温度。图 2a 显示在 1.005 I_th 下，散热器温度从 20 °C 至 70 °C（2 °C 步进）的 CW 光谱。图 2b 插图为 24 °C 对数坐标光谱，侧模抑制比（SMSR）≈25 dB。不同于常规 DFB QCL 随温度或电流线性向长波长漂移，我们的 DBR 器件随温度升高呈现异常短波长模式跳变。为解释此现象，我们分析模式选择机制。图 3a 显示实测晶片增益曲线和计算布拉格反射谱（1.5 mm 光栅反射率 98%）。图 3b 概念图展示增益、布拉格峰和纵模随温度移动。增益峰以 -0.581 cm⁻¹ K⁻¹ 移动，布拉格峰以 -0.128 cm⁻¹ K⁻¹ 移动。因布拉格峰保持在增益短波长侧，纵模随折射率变化移动速度最终超越布拉格峰，迫使模式跳变至下一个可用纵模。这解释了观测到的异常跳变。纵模间距按有效腔长计算：L_eff = (1/2κ) tanh(κL_DBR)，κ = (1/Λ)(Δn̄/n̄)。物理 DBR 长 1.5 mm 对应 L_eff ≈0.291 mm，理论间距 0.328 cm⁻¹，与实验观测的 0.12 cm⁻¹ 间隔吻合。图 5 展示随注电流增加的同一现象。首次异常跳变跨越 0.904 cm⁻¹（跨三模），随后 0.301 cm⁻¹ 跳变。P-I 曲线在每次跳变处显示明显间断，标准 DFB QCL 无此行为。图 6 对比 DBR 激光器与 4 mm 法布里-珀罗（FP）激光器。FP 达 987 mW，DBR 在 20 °C 达 656 mW、70 °C 达 235 mW，为长波红外 QCL 最高单模功率。模拟光场分布（图 6b）显示 DBR 在增益段维持高强度而在 DBR 段快速衰减，允许长腔运行而不过耦合——优于 DFB 激光器。

结论

我们演示了室温 CW 输出 >0.6 W 的高功率 DBR QCL。对异常短波长模式跳变的详细分析揭示了 DBR 器件模式选择动力学。DBR 架构实现长腔单模运行且具优越功率提取，定位为高功率中红外激光应用的有前景平台。