亮点基于InP波纹侧壁的高功率分布式反馈激光器

Photonics Research 2023年第8期Editors’ Pick：

Yongqiang Sun, Yunfei Xu, Jinchuan Zhang, Fengmin Chen, Junqi Liu, Shuman Liu, Quanyong Lu, Ning Zhuo, Lijun Wang, Fengqi Liu, Shenqiang Zhai. High-power distributed feedback lasers based on InP corrugated sidewalls at λ∼2 μm[J]. Photonics Research, 2023, 11(8): 1390

高功率、高光束质量的单模激光器是光子学研究领域的重要聚焦点。近年来，GaSb基和InP基的短波中红外量子阱激光器都取得了一定的发展，GaSb基量子阱激光器已经实现了瓦级的输出功率。与GaSb基相比，InP基量子阱激光器受带阶的限制，输出功率低于GaSb基量子阱激光器，但也有其显著特色：一、衬底材料具有高质量、低成本和大尺寸特点；二、衬底材料热导率高，InP基材料体系可以进行二次外延来制作的掩埋光栅，有利于器件散热；三、兼容传统通信用激光器的成熟制备工艺，易与其它器件实现单片集成；四、可以采用金属有机化学气相沉积技术（MOCVD）进行制备，具有大规生产的应用潜力。

中国科学院半导体研究所半导体材料重点实验室刘峰奇研究员团队对InP基InGaAs（Sb）量子阱激光器在2μm范围激光光源方面的研究进行了报道。该研究克服了大应变材料晶格失配等困难，并在此基础上设计了二阶掩埋光栅和波纹侧壁光栅相结合的2μm DFB激光器。实现了基于InP的InGaAs（Sb）2μm F-P激光二极管室温下连续波边发射和面发射。其边发射单模输出功率高达81 mW，为目前文献已报道2μm DFB激光器最高输出功率记录的两倍。相关研究成果发表于Photonics Research 2023年第8期（Yongqiang Sun, Yunfei Xu, Jinchuan Zhang, Fengmin Chen, Junqi Liu, Shuman Liu, Quanyong Lu, Ning Zhuo, Lijun Wang, Fengqi Liu, Shenqiang Zhai. High-power distributed feedback lasers based on InP corrugated sidewalls at λ ∼2 μm[J]. Photonics Research, 2023, 11(8): 1390）。

图1（a）2μm DFB激光器的三维横截面模型。 (b) 脊宽为 5、8、12 和 15 μm 的器件在300K的 L-I-V 特性 (c) 二阶DFB激光器在288至318 K下连续波的发射光谱。(d) 边发射的远场轮廓图及模拟。

图1（a）展示了2μm DFB激光器的三维横截面模型，其插图显示了该器件的掩埋光栅和波纹光栅的放大视图。图1（b）展示了300 K工作温度下不同脊宽器件的边发射和面发射连续光输出功率。在峰值输出功率下，器件的边模抑制比高达30 dB，如图1（c）所示。图1（d）显示了不同脊宽下器件的远场均为基横模，展示了激光器良好的光束质量。

半导体材料重点实验室张锦川研究员表示“通过克服大应变晶格失配来实现2μm高性能激光器的外延方法具有非常大的潜力和吸引力，同时在二级光栅的基础上引入侧壁波纹光栅，不仅为高阶横向模式提供额外的散射损耗，而且还充当高阶光栅以促进器件的单纵模激光发射，是一种非常巧妙的思想。”

目前基于InP的2μm单模高性能激光器还有很大的提升空间。后续工作将一方面继续优化和改进能级材料设计与生长，另一方面引起特殊设计结构以实现更高功率的单模输出性能。