1 引言

窄线宽、单频(单纵模)激光光源在光通信、传感、光谱学等领域有着广泛应用^[1-6]。为了实现窄线宽和波长稳定输出,一个重要的解决方案是采用布拉格光栅充当腔内内置选频元件,以提高激光输出的波长稳定性^[7]。内置光栅选频元件可分为两类:一是分布布拉格反射器(DBR),光栅在半导体激光器侧面作为反射器的元件;二是分布反馈(DFB)布拉格反射器,光栅沿整个半导体激光器的谐振腔延伸。DBR激光器由于具有单次外延生长、光栅在有源层外、内部损耗小、输出稳定、成本低、使用寿命长等优势,近年来受到了研究人员的重视^[8-13]。

目前,美国、德国等发达国家在窄线宽半导体激光器的研究方面占据领先地位。我国从事窄线宽半导体激光器研究的单位主要有长春理工大学和中国科学院半导体研究所等单位,且研究水平与国外相比具有较大差距。我国现在所用的窄线宽半导体激光器几乎完全依赖进口,这极大地制约了我国在光纤激光器及空间光通信等领域的研究进程。

1064 nm波段的高功率、单模、窄线宽DBR结构半导体激光器具有体积小、效率高等优点,在特定领域可替代1064 nm固体激光器用作光谱分析、气体传感、太赫兹发射及光纤激光器种子源,并可应用于空间光通信等领域。国外研制和生产1064 nm DBR半导体激光器的单位主要集中在美国和德国等发达国家。2006年,Martin等^[14]研制出了1060 nm含2阶光栅选频结构的单模DBR半导体激光器,当注入电流为700 mA时,其输出功率为467 mW,阈值电流为31 mA。2008年,Hasler等^[15]制备出1060 nm锥形DBR半导体激光器,该激光器采用6阶布拉格光栅结构,当输出功率为5 W时,其光谱线宽低于40 pm。2011年,文献[ 16]报道了窄线宽1064 nm DBR半导体激光器,该激光器包含InGaAs量子阱和6阶布拉格光栅等结构,波导(WG)结构和光栅区总长为4 mm,该激光器的线宽几乎不受输出功率的影响,当输出功率为180 mW时,其最低本征线宽可达到2 kHz,波长偏移率仅为0.083 nm/K。2014年,文献[ 17]报道了一种具有80阶V型光栅结构的DBR半导体激光器,该单模半导体激光器在连续输出功率达到6 W时的光谱线宽仅为0.4 nm。目前,国内关于1064 nm波段单模DBR半导体激光器的研究鲜有报道。

本文通过对光栅结构和脊型波导进行分析,设计了一种1064 nm DBR半导体激光器,该激光器在70 mA注入电流下的连续输出功率可达到7 mW,中心波长为1064.63 nm,3 dB光谱线宽为0.12 nm。

2 器件的设计与制备

2.1 器件的结构

高功率窄线宽1064 nm DBR半导体激光器的结构如图1所示。器件外延片是通过金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术生长在n型掺杂GaAs衬底上的,波导层为AlGaAs结构,激光器活化区为InGaAs量子阱(QW)结构。脊型波导宽度为3.5 μm。光栅有效反射率约95%,后腔面(光栅侧)不镀膜,前腔面镀减反射膜。两侧的p型、n型光限制层和包层都采用AlGaAs材料,形成光波导结构。

图 1. 1064 nm DBR半导体激光器的结构

Fig. 1. Structure of 1064 nm DBR semiconductor laser

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2.2 器件设计

普通的宽条法布里-珀罗(F-P)腔半导体激光器输出激光的相干性较差,相干长度可达几毫米。DBR光栅使特定波长的激光反馈进入光腔,使该波长的光得到进一步放大增强,抑制其他波长光的反馈,实现稳频工作。

为了制备单模、窄线宽DBR光栅结构半导体激光器,应对半导体激光器光栅的结构进行优化设计。DBR对激光器的影响主要取决于DBR的反射率,而DBR的反射率与DBR的光栅阶数、长度和占空比有关。在光栅阶数设计方面,高阶数光栅的加工难度较大;若阶数过小,光栅的反射率较低,不能提供足够的光反馈。结合实验条件,本研究采用6阶均匀光栅结构。在光栅区长度设计方面,光栅区的长度要适宜,光栅区过长会增加散射损耗和无源光栅区的吸收损耗,光栅区过短则不能提供足够的反射,使输出功率下降。本研究选取光栅占空比为0.5,利用R-Soft光学设计软件进行仿真,分别模拟不同长度DBR激光器的光谱特性与阈值电流特性。表1为1064 nm DBR半导体激光器光栅反射率模拟中采用的参数。

图2为波长为1064 nm时获得的不同光栅区长度的DBR的最大反射率变化曲线。由图2可知:随着DBR光栅区长度增加,反射率随之增强;当DBR光栅区长度超过100 μm后,光栅反射率超过了90%;当DBR光栅区长度达到300 μm后,反射率可达到100%。

图 2. 不同光栅区长度的DBR在1064 nm波长处的最大反射率

Fig. 2. Peak reflectivity of DBR with different grating area lengths at the wavelength of 1064 nm

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利用R-Soft光学设计软件进行仿真,模拟中心波长为1064 nm时不同光栅区长度的DBR激光器的输出光谱。由图3可见,当DBR光栅区长度为400 μm时,DBR激光器具有良好的单纵模输出特性。因此,本研究选取DBR光栅区的长度为400 μm。

图 3. 光栅区长度为400 μm的DBR激光器的光谱拟合曲线

Fig. 3. Spectral fitting curve of DBR laser with the grating area length of 400 μm

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脊型波导区的长度对光束质量也有重要影响。脊型波导区的长度太短,模式过滤不充分,无法抑制反射回的光,容易形成多模工作;随着脊型区长度增加,模式过滤更加充分,增益饱和增加,光束更加稳定。但随着脊型区长度进一步增加,激光由于被过度激励而激发出高阶模,且光功率密度较高,容易发生自聚焦和光束扭曲,使激光器的光束质量劣化。结合400 μm长DBR光栅,模拟不同脊型波导区长度的激光器的输出光谱,发现脊型波导区长为800 μm、总腔长为1200 μm时,1064 nm对应激光频率附近具有良好的单纵模输出特性,如图4所示。

图 4. 1064 nm对应激光频率附近的输出光谱与增益模拟曲线

Fig. 4. Simulation curves of output spectrum and gain near the laser frequency corresponding to 1064 nm

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图5给出了DBR光栅区长度为400 μm、脊型波导区长度为800 μm的1064 nm激光器的输出功率与注入电流的模拟曲线,可以看出,当阈值电流为28 mA时,激光器在70 mA注入电流下的连续输出功率可达13 mW。

图 5. 1064 nm DBR半导体激光器输出功率与注入电流的模拟曲线

Fig. 5. Simulation curve between output power and injection current of 1064 nm DBR semiconductor laser

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通过前期的优化设计确定1064 nm DBR光栅半导体激光器的总腔长为1200 μm,DBR光栅区长度为400 μm,脊型波导区长度为800 μm,采用6阶光栅结构。

布拉格波长与光栅周期结构的关系符合布拉格条件^[18]:

mλB=2neffΛ,(1)

式中:Λ为光栅周期;m为布拉格衍射阶数;λ_B为布拉格波长;n_eff为有效折射率。1064 nm激光器材料的有效折射率可由Comsol偏微分方程法^[19]求得,为3.39。由(1)式可得光栅周期为941.59 nm。

2.3 材料生长与器件制备

2.3.1 材料生长

激光器外延片采用AIXTRON 200/4 MOCVD系统进行外延生长制备得到,基底为n-GaAs,反应气体为Ga(CH₃)₃、Al(CH₃)₃和AsH₃,化学反应方程式为

x(AlCH3)3+(1-x)Ga(CH3)3+AsH3=AlxGa1-xAs+3CH4。(2)

制备的1064 nm DBR半导体激光器的外延结构参数见表2。

2.3.2 器件的制备

DBR半导体激光器的制备工艺是在普通宽条F-P腔半导体激光器的光波导上引入光栅结构。首先,在外延片表面采用干法刻蚀出宽为3.5 μm、长为1200 μm的脊型波导结构,如图6所示;然后采用全息曝光和感应耦合等离子体干法刻蚀技术在脊型波导上制备出深度为1.16 μm的6阶光栅结构,实测光栅周期约为930 nm,如图7所示;最后,使用SiO₂钝化技术对光栅区域进行钝化,将经过金属蒸镀的外延片进行减薄处理和解理镀膜,封装后进行测试。

图 6. 脊型波导解理面扫描电镜图

Fig. 6. SEM image of ridge waveguide cleavage plane

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图 7. 刻蚀后的布拉格光栅的扫描电镜图

Fig. 7. SEM image of Bragg grating after etching

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3 性能测试

图8是使用Anritsu MS9710C光谱分析仪测试的器件发射光谱,注入电流为70 mA,中心波长λ_c为1064.63 nm,3 dB光谱带宽Δλ为0.12 nm。

图 8. 1064 nm DBR半导体激光器的发射光谱

Fig. 8. Emitting spectrum of 1064 nm DBR semiconductor laser

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图 9. 1064 nm DBR半导体激光器的LIV测试曲线

Fig. 9. LIV test curves of 1064 nm DBR semiconductor laser

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使用ILX Lightwave LDX-32420型大功率精密半导体激光器驱动器和OP55N-300F-H9型功率计获得了1064 nm DBR半导体激光器的光强-电流-电压(LIV)测试曲线,如图9所示。在室温25 ℃下,激光器的阈值电流为42 mA,在70 mA注入电流下的连续输出功率可达7 mW,电光转换效率达到最大值4.14%。由于担心器件被损坏,没有进一步加大注入电流。受材料及制作工艺的影响,实测功率比理论计算功率低。

4 结论

通过理论设计制备了总腔长为1200 μm、光栅区长度为400 μm的1064 nm DBR半导体激光器,该激光器的脊型波导宽为3.5 μm,6阶布拉格光栅周期为930 nm,光栅刻蚀深度约为1.16 μm。该激光器的阈值电流为42 mA,在70 mA注入电流下,其连续输出功率可达到7 mW,中心波长为1064.63 nm,3 dB光谱线宽仅为0.12 nm。