垂直腔面发射半导体激光器的特性及其研究现状 
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1 引言
半导体激光器具有体积小、质量轻、效率高、波长范围广、易集成、可靠性高、可批量化生产等优点[1],自20世纪70年代初实现室温连续运转以来,已成为光电子技术领域的重要器件。传统的边发射半导体激光器已实现较大功率输出,但其输出光斑为椭圆形,光斑的纵横比最差可达100∶1,在某些应用中须附加光束整形系统。1979年,Soda等[2]提出了垂直腔面发射激光器(VCSEL)的概念,与传统的边发射激光器不同的是其激光出射方向垂直于衬底表面,可获得圆形光斑。由于谐振腔长与波长接近,动态单模性比较好,有望在光通信、光互连、光存储、激光显示和照明等领域大展身手。目前,Princeton Optronics公司获得了VCSEL单管连续输出的最高功率为5.5 W[3]。可是,由于VCSEL的谐振腔是由顶部布拉格反射镜(DBR)和底部布拉格反射镜构成,腔长与波长同量级,导致器件发散角较大(半角宽度约15°)。为了获得较小的发散角,一种垂直外腔面发射激光器(VECSEL)应运而生。由于采用外腔结构,其腔长由波长量级增加到毫米至厘米量级,有效改善了光束质量,理论极值达
本文介绍了VCSEL,EP-VECSEL和OP-VECSEL的原理和特性,并综述了其最新研究进展、主要应用和发展前景。
2 基本原理
2.1 VCSEL
如
图 1. VCSEL结构简图。(a)顶发射结构;(b)底发射结构
Fig. 1. Schematic of VCSEL. (a) Top-emitting; (b) bottom-emitting
2.2 EP-VECSEL
EP-VECSEL的芯片包括电注入结构、有源区和DBR,与传统的VCSEL相比,其引入的外腔结构增加了腔长,如
2.3 OP-VECSEL
OP-VECSEL与EP-VECSEL相比,减少了电流注入部分,其结构主要包括热沉、增益芯片、外腔输出镜(OC)、抽运光。抽运方式通常有两种:端面抽运和背端抽运;
3 研究进展
3.1 VCSEL
近红外波段的研究较多也较为成熟,其中808 nm波段主要集中在高功率阵列输出方面。长期以来,Princeton Optronics公司致力于该方面的研究[10],并于2013年获得了目前最高输出功率的808 nm VCSEL阵列,应用于高速成像的高功率照明模块,其输出功率高达4800 W,可以在准连续条件下工作[11]。
850 nm VCSEL阵列输出功率已经达到4 W[12]。2015年,Watkins等[13]报道了850 nm单管VCSEL的单频激光输出超过100 mW,为目前850 nm最高的单管输出功率,据悉,该小组正在努力研制该波段输出功率5 W的单管器件。
980 nm波段VCSEL的研究最为成熟。在很长一段时间内,D'Asaro等[14]获得的3 W 980 nm VCSEL一直是电抽运VCSEL单管输出的最高功率。2015年他们获得了发射波长为976 nm的高功率电抽运VCSEL,在20 ℃连续工作条件下,功率达到5.5 W,刷新了单管VCSEL的最高功率[3]。显然,阵列是提高输出功率的有效途径。2012年,Princeton Optronics公司推出的980 nm高功率VCSEL面阵和面阵组合模块产品,面阵组合模块连续输出超过14 kW,为目前980 nm阵列输出的最高功率[15]。
1 μm波段自Hou等[16]率先在室温下获得1060 nm连续输出连续输出后发展迅速。Zhou等[9]通过优化DBR和增益区的设计,获得了目前VCSEL单管63.4%的最高转换效率,高于Kageyama等[17]获得的62%的转换效率。同时,他们用于照明领域的1064 nm照明器,由8×16 kW的模块组成,输出功率高达100 kW。
1310 nm和1550 nm波段的VCSEL器件一般由InP和GaAs基材料体系来实现。Boehm等[18]制作的1.3~2.0 μm AlGaInAs/InP系VCSEL,为了降低热效应,顶部反射镜由基于InP的化合物半导体组成,在MBE结构上生长的掩埋隧道结提供了自调节的横向电和光限制以及稳定的低电串联电阻。1.315 μm器件室温下的单模最大输出功率为0.43 mW,多模连续工作的最大输出功率为7 mW。Klem等[19]在掺Si的GaAs衬底上生长InGaAsN增益材料并通过增大电流注入孔径和隧道结的形式在室温下获得了1300 nm的连续输出,最大输出功率为2.1 mW,可操作最高温度为105 ℃。Nishida等[20]把DBR和量子阱之间的AlGaAs空间层替换为i-GaAs隔离层,以此阻止Al扩散到量子阱中降低表面质量和量子阱的光致发光(PL)密度,获得了4.2 mW的1261.5 nm输出。Michalzik[21]将Sb加入到GaInNAs材料中,得到的GaInNAsSb可输出波长为1530 nm,连续输出功率为2 μW。
可见光波段的紫光和蓝绿光主要通过GaN基材料直接激发,主要难点是短波长高反射率DBR的生长、有效的电流注入以及热管理。目前,420 nm紫光已经获得了0.6 mW的输出功率[22]。使用高反射率的全电介质DBR[23]的GaN基VCSEL已经获得了0.7 mW的451 nm蓝光和0.8 mW的503 nm绿光,其输出功率较低。Hamaguchi等[24]考虑到n型GaN衬底的热导率高于传统使用的蓝宝石或Si衬底,加之外延横向过生长(ELO)方法可以精确控制腔体长度和形成高反射率电介质DBR,通过两者结合在GaN基VCSEL中获得了1.165 mW的453 nm激光输出,为目前电抽运蓝光VCSEL输出的最高功率。
红光VCSEL也在热管理上遇到了很大的挑战。较高的发射能量将DBR Al
3.2 EP-VECSEL
EP-VECSEL是VCSEL向OP-VECSEL发展的过渡产物,其研究主要集中在最初的近红外波段(850~1550 nm),同时可以基于腔内倍频有效地在可见光区域产生激光辐射,易于设计为具有多个激光元件的二维阵列,大幅提高了输出功率。因此,EP-VECSEL适合批量生产,大大降低了制造成本。
近红外波段的研究已有较多相关报道[27-29]。Leeuwen等[30]研制的980 nm EP-VECSEL产品,外腔镜使用双凸透镜与平面镜构成扩展腔结构,单管器件的基模和多模连续输出功率分别为365 mW和1 W,在15 ns、1 kHz的脉冲工作条件下,基横模峰值输出功率达到4 W。Princeton Optronics公司亦研制出包含475个发光单元的980 nm EP-VECSEL列阵器件,连续及脉冲工作时基模输出功率分别达到42 W和155 W,成为EP-VECSEL基横模输出的最高水平[31]。1.06 μm波长获得了EP-VECSEL单管最高的输出功率,Zhao等[4]使用MOCVD在n型GaAs衬底上生长芯片材料,为了减小吸收,衬底掺杂浓度很低(<2×1017 cm-3)。增益区由InGaAs/GaAs组成,DBR由GaAs/AlGaAs组成,该器件输出功率达9.04 W。
2004年,Kurdi等[32]首次报道了InGaAsP EP-VECSEL室温输出1550 nm激光,该口径为50 μm的InP基VECSEL连续输出功率为0.3 mW,准连续条件下输出达2.76 mW。利用掩埋隧道结型和离子注入结型控制电流均匀性,获得了1550 nm的3 mW脉冲输出和0.5 mW单横模输出[33]。2010年,Harkonen等[34]利用掩埋隧道结型在GaInAsSb VECSEL中获得了2.34 μm脉冲光输出,设计了30~90 μm口径的器件,并在90 μm口径的器件中获得最高的脉冲峰值功率为1.5 mW。
3.3 OP-VECSEL
在红外波段,850 nm激光常采用量子阱内抽运方式以提高量子效率,减小热效应。其中,Zhang等[35]使用806 nm光纤耦合激光二极管抽运GaAs/AlGaAs VECSEL,得到最大功率1.02 W的855 nm输出。Beyertt等[36]使用833 nm抽运光阱内抽运获得了865 nm的1.6 W的激光输出,光光转换效率高至50%。美国相干公司[37]研制的InGaAs/GaAs VECSEL,获得了30 W的980 nm和19 W的920 nm的连续多模输出,为目前980 nm单管OP-VECSEL获得的最高功率。960 nm基模激光也获得了数十瓦的功率输出。Rudin等[38]报道了20.2 W输出的InGaAs/GaAs VECSEL,其DBR对激光反射率
目前1 μm波段研究最为成熟。Lee等[39]在背端抽运OP-VECSEL中利用液体毛细管绑定散热窗口获得了9.1 W 的1079 nm连续输出,这是背端抽运获得的最高输出功率。Heinen等[7]利用热电制冷器控制温度,提高芯片和基底的键合质量,利用金刚石作为散热片,在3 ℃时获得了106 W的1028 nm连续InGaAs OP-VECSEL多模激光输出,这是目前单管最高输出功率,在输出功率为99.6 W时,光光转换效率达45%。Zhang等[40]利用腔内的双折射滤波片和5%的输出耦合镜,获得了23.6 W的1013 nm单频输出,为目前单频输出的最高功率。在更长的1160~1200 nm波段,由于InGaAs/GaAs中In的组分更高,晶格应变更严重,Kantola等在InGaAs/GaAs量子阱中生长了GaAsP应力补偿层,在热沉-15 ℃下获得了50 W的1180 nm输出,光光转换效率为28%[41]。2017年,Leinonen等[42]在AlGaInAs OP-VECSEL中利用特制的金反射镜将未吸收的光再次反射进增益区,增强吸收,在热沉-5 ℃下获得了33 W的1275 nm激光输出。
Lyytikainen等和Rantamaki等合作进行了1.3~1.55 μm的研究,先后获得了2.7 W 的1.3 μm 输出[43]、2.6 W的1.57 μm输出和1 W的1.56 μm单频输出[44-45],以及5 W的1.48 μm激光输出[46]。2014年他们设计了腔内金刚石散热芯片结构,并利用980 nm抽运AlGaInAs/InP结构,获得1300 nm出光功率为7.1 W,且
2~5 μm中红外波段已经获得数十瓦级输出。Hopkins等[48]在AlGaIn/AsSb VECSEL中获得了5 W的2 μm激光输出,利用双折射滤波片可调谐波长范围为80 nm。2015年,Holl等[49]利用1470 nm低量子亏损抽运并结合前后散热热沉,在0 ℃条件下获得了2 μm激光的最高输出,功率达20 W,之后换用金刚石散热片在室温下获得了17 W的激光输出[50]。Ishida等[51-52]使用1.55 μm光纤激光抽运PbSrS/PbS和PbTe/CdTe VECSEL,通过控制温度,分别获得了2.65~3 μm和3.3~4.2 μm的激光输出,最高功率分别达2 W和700 mW。 而在BaF2衬底上生长PbTe/PbEuTe增益区并使用Al作为散热片,亦获得了300 mW的5 μm波长输出[53]。
在可见光波段,同GaN-VCSEL,直接激发材料获得紫光以及蓝光的主要难点集中在生长优质的DBR结构、合适的抽运源、腔结构的设计,以及高效的热管理。Debusmann等[54]利用375 nm染料激光器抽运InGaN OP-VECSEL,获得415 nm蓝光,单脉冲能量为60 nJ,相应峰值功率22 W。2015年,Baumgärtner等[55]在热沉温度-15 ℃条件下,于GaInP/AlGaInP OP-VECSEL中获得了1.6 W的665.5 nm连续红光,2016年,利用多程量子阱抽运,将功率提高到2.5 W,这是目前红光OP-VECSEL的最高输出功率[56]。
在紫外波段,直接从GaN基VECSEL中获得紫外光输出仍是一个亟待突破的难题。 2000年,Zhou等[57]利用三倍频锁模355 nm Nd∶YAG激光器为抽运源,采用GaN/AlGaN和SiO2/HfO2 DBR形成谐振腔,获得了室温准连续条件下InGaN/GaN VECSEL的383 nm的紫外光,输出功率为3 mW。
综上所述,面发射半导体激光器通过直接激发已可使输出波长覆盖从深紫外到数微米红外的波长范围。 其中1 μm 波段研究较为成熟,在该波段VCSEL单管最高输出功率达5.5 W,阵列输出功率达100 kW;EP-VECSEL单管最高输出功率超过9 W,阵列输出达42 W;OP-VECSEL单管最高输出功率106 W,单频最高输出功率23.6 W。另外,其突出的高转换效率也为面发射半导体增彩不少,VCSEL的转换效率最高可达63.4%。OP- VECSEL转换效率也高达50%。
4 应用
通过激光技术可以扩展面发射半导体激光器的应用,将其优点发挥到极致。利用偏硼酸钡(BBO)、三硼酸锂(LBO)、磷酸氧钛钾(KTP)等非线性晶体进行变频可得到更短波长的激光输出,进一步扩展波长范围;半导体增益片具有数十纳米的增益带宽,扩展腔结构亦可方便地插入滤波元件和调谐元件,获得单频和可调谐激光输出;半导体可饱和吸收镜(SESAM)被动锁模和克尔透镜锁模可以获得飞秒级超短脉冲,同时具有高重复频率,这些技术使面发射激光器有更为广阔的应用前景。
红外波段的808和980 nm着重于高功率面阵的研究,用于抽运掺铒的光纤放大器和端面抽运 Nd∶YAG、Nd∶YVO4等固体激光器以及红外照明、成像等应用[11]。另外,Watkins等研制的单频窄线宽780、795和850 nm VCSEL[13]可用于原子钟及其相关领域,如基于原子钟新型传感器等。980 nm EP-VECSEL[58]使用SESAM被动锁模已经获得了2.5 ps脉宽的激光输出,其平均功率为53.2 mW、峰值功率为4.73 W、重复频率为18.2 GHz,均为目前EP-VECSEL锁模的最高水平。980 nm OP-VECSEL[59]利用InGaAs增益芯片的克尔透镜效应锁模得到了脉宽为930 fs、重复频率为210 MHz和峰值功率为6.8 kW的激光输出,为目前OP-VECSEL超短脉冲最高的峰值功率,可应用于光通信和光时钟领域。
1 μm激光的超短脉冲,通过SESAM锁模脉冲宽度已经缩短至60 fs[60],重复频率高达175 GHz[61],平均功率提高到6.4 W[62],峰值功率亦提高到4.35 kW[63]。使用碳纳米管可饱和吸收镜(GSAM)锁模,Husaini等[64]获得了脉宽为353 fs、脉冲能量为2.8 nJ、平均功率为10 W的1030 nm输出,为目前超短脉冲最高的平均功率。在高速计算系统和计量学等领域、光时钟、频率转换、高速电光采样、时间分辨光谱学等占有一席之地。近几年,M Squared Laser 公司成功地实现了输出波长范围920~1050 nm的锁模VECSEL的商业化应用,为日渐兴起的非线性显微镜市场提供了一种低成本、易操作的激光光源。2016年,Lubeigt等[65]再次实现了脉冲130 fs以下,重复频率为200 MHz、平均功率为0.85 W的锁模OP-VECSEL,有望代替钛宝石超快激光器在非线性领域的应用。2017年,Scheller等[66]报道了产生1012和1015 nm的双波长OP-VECSEL,可用于差频产生太赫兹光源。图5是常用的2种SESAM被动锁模腔型,激光的一个端镜为耦合输出镜,另外一个端镜是被动锁模元件SESAM。图5(a)所示的V型腔通过移动耦合输出镜和SESAM的位置改变增益介质和SESAM上激光模式大小的比例,获得可调节的脉宽输出,图5(b)所示的Z型腔则具有更稳定的锁模输出[67]。
近红外波段中有三个石英光纤的低损窗口,850 nm是第一个低损窗口,主要用于短距离的高速数据通讯和光互连;1330 nm是第二个低损窗口;而1550 nm是第三个低损窗口,也是损耗最低的一个窗口。因此,1310 nm和1550 nm VCSEL分别用于中距离和远距离高速数据通讯和光互连、光并行处理、光识别系统等。目前,850 nm VCSEL设备的传输速度可达160 Gb·
图 5. OP-VECSEL SESAM被动锁模示意图。(a) V型腔;(b) Z型腔
Fig. 5. Schematic of the passively mode-locked OP-VECSEL. (a) V-shaped cavity; (b) Z-shaped cavity
1.68 μm与1.80 μm波长和2~2.5 μm波段主要用于环境监测。前者可分别用于甲烷和水的气体检测。后者对大气中的污染物, 如 CH4、CO、NO2 H2、CO等有强烈的吸收谱线,可用于天然气探测和大气环境监测,但是CO2和H2O对其吸收率很低,因此可以对样品进行光谱分析从而确定其成分组成[74]。2009年,Harkonen[75]使用980 nm光源采用典型的V型腔结构抽运GaSb VECSEL,获得了4 W的2 μm激光输出,并使用腔内双折射滤光片实现了156 nm可调谐范围。这是OP-VECSEL可获得的最宽的调谐范围。Solus Technologies公司开发了一种中红外1.9~2.5 μm波长范围窄线宽激光源,适用于气体传感器和分子光谱学[76]。2.5~5 μm中红外波段可基于分子振动的模式作气体痕量分析,因此可以用于环境检测、高速排气分析、化学反应控制等领域。
可见光波段激光可用于激光显示、激光照明、激光高密度存储和激光打印等领域。由于直接从材料中激发获得高功率输出不易,更多的通过外腔变频方法获得。EP-VECSEL利用PPLN晶体倍频获得了4.7 W的531 nm 绿光输出[4,77]。美国相干公司[37]在InGaAs/GaAs OP-VECSEL中通过LBO晶体腔内倍频得到15 W的488 nm和5 W的460 nm倍频蓝光输出,是目前报道的蓝光最高输出功率。和传统的780 nm半导体激光器相比,倍频蓝光VECSEL具有波长短和光束质量好的优点,使聚焦光斑更小,可有效提高存储密度,从而提高存储的容量。另外,488 nm激光器还可用于流式细胞计来提高人类疾病的诊断准确率。2007年,Hunziker等[78]使用LBO倍频研制的绿光OP-VECSEL,基模绿光最大输出11.5 W。为了提高功率他们使用两片芯片,成功获得了24 W的531 nm输出。随后, 采用三个InGaAs/GaAs VECSEL芯片在腔内进行串接及腔内倍频的方式,获得了532 nm绿光基模输出达55 W,高阶模输出达66 W,这是目前绿光输出的最高功率[79]。该公司还利用OP-VECSEL腔内倍频后得到的蓝光和绿光,与二极管激光器提供的红光相结合,构成三基色光源,成功用于激光显示[80],该光源体积小、成本低、集成度高,是激光显示领域很有竞争力的光源。基于530 nm绿光OP-VECSEL的小型犯罪侦查成像系统,可以有效减小相机的光圈,从而获得足够大的景深,可用于检测犯罪现场的指纹、痕迹等证据。
Rautiainen等[81]在利用1 μm波段倍频获得黄红光(580~620 nm)方面进行研究,获得了目前最高连续输出功率的黄光和红光。在研究中发现,GaInAs中掺入N可以有效的减少GaInAs的晶格应力,获得1.1~1.5 μm波段的激光输出,以便于倍频获得黄红光。 而利用LBO晶体倍频获得了20 W连续588 nm输出,为目前黄光输出的最高功率,展示了黄光VECSEL在医疗领域的巨大潜力,可为视网膜病变等眼科疾病提供有效的治疗[82]。另外,Hessenius等[83]利用标准具调谐和LBO晶体倍频获得了可调谐单频黄光输出,调谐波长可覆盖钠D2线(588.991 nm)和D1线(589.595 nm),是钠导星优质光源。2015年,Kantola等[84]通过控制0.5%掺N量获得了1230 nm激光输出,并通过LBO倍频获得了10.5 W的615 nm连续激光输出,这是目前通过倍频可获得红光的最高功率。在测量和非接触检测系统等领域凭借良好的光束质量,可简化准直光学系统,提高分辨率。与适当染料耦合,是共焦显微镜在生物观测领域的潜在竞争对手。
紫外波段在生物医学、原子捕获、光谱学、激光光刻、激光高密度存储等领域有重要的应用。目前,由红光倍频获得紫外光已获得数百毫瓦的功率输出。2015年,Baumgärtner等[55]在应力补偿研制的红光OP-VECSEL中,利用BBO晶体倍频获得了429 mW的331.6 nm紫外光输出。而Mateo等[56]利用多程量子阱抽运OP-VECSEL产生的665 nm红光倍频,获得了820 mW的333 nm紫外光输出,这是目前紫外波段可达到的最高功率。2017年,Yakshin等[85]在InGaAs VECSEL获得了936 nm的基频光输出,通过四次倍频获得190 mW的234 nm的深紫外输出,是目前可获得的最短波长。
5 结束语
经过40年的发展,面发射半导体激光器技术和应用已经取得了显著成果,其未来发展有以下方面:1) 更高输出功率;2) 扩展输出波长;3) 高度集成化。
可以通过4个方面提高功率输出:1) 增加抽运尺寸,同时控制腔内的放大自发发射,减少增益损耗[86]。2) 进一步改善热管理,如使用导热性高的金刚石散热片和热沉[50],利用脉冲抽运[87],设计和制造双散热结构[88],低热阻半导体结构等等。通过以上方法,VCSEL和OP-VECSEL单管输出功率有望增加到数十瓦和数百瓦水平并保持优良的光束质量。 3) 使用多个增益芯片(目前最多有三个芯片),同时增加增益芯片面积。4) 激光合束,可通过相干合束和非相干合束来获得,同时可保持优异的光束质量[89]。
扩展波长可通过以下方式实现:1) 使用现有的半导体材料系统,找到合适的抽运源和抽运方式获得新波长,如GaN材料系统直接激发的蓝光[90-91],若能同时具有高功率和良好的光束质量将获得诸多应用。然而,合适的抽运光源并不容易获得。2) 通过使用新型材料系统或新型非线性光学技术获得新的波长。各种非线性光学频率转换可扩大波长的范围:腔内倍频、三倍和四倍、和频产生,双波长激光器差频产生等[92-93],将波长扩展到200 nm以下的深紫外和5 μm以上的中红外波段,以此来填补现有波长的空白区域。
高度集成化是指在一个半导体衬底上整合多个功能块。例如抽运源、可饱和吸收镜等器件,抽运源与VECSEL增益结构的集成已有相关报道[94]。这种集成抽运的VECSEL可降低器件组装难度,易于制造大功率激光器,从而降低设备成本并扩大激光器的潜在市场。功能组件集成的另一个例子是锁模集成外腔面发射激光器[95],其中增益区和可饱和吸收区域集成在衬底上。通过这些方式,可以产生更加简单、紧凑、易于制造和便宜的设备,以及实现更好的性能和新颖的功能。未来发展功能集成可以帮助VECSEL在商业上得到更广泛的应用,特别是在低成本和大批量应用中,如移动投影显示器等领域。
总而言之,面发射半导体激光器正通过技术推动和市场拉动扩大其影响力。现有和正在开发的产品在市场推动下将刺激新商业的出现,例如数瓦级红、绿和蓝VECSEL用于激光投影仪。近期,苹果公司宣布iPhone 8即将采用VCSEL为其新的后置3D成像系统提供光源,可更快的实现摄像头对焦。此外,还能实现精准的深度映射,从而有助于在增强现实技术中的应用[96]。紧凑、高效和高性能的可定制波长的激光器将会扩大现有商业应用中的使用,VCSEL将会在某些应用领域替代现有激光技术。如可输出蓝光和绿光的Ar离子气体激光器,在过去是共焦荧光显微镜和抽运钛宝石的唯一激光源,后来在很大程度上被全固态激光器取代,而由于VCSEL波长可调谐、功率高、光束质量高,加之器件结构紧凑、效率高、可靠性高,逐渐取代固态激光器。VCSEL将在新型科学应用(如分子光谱学、激光陀螺仪、微波光子学和原子钟等)得到更加广泛地应用。
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