增益腔模大失配型垂直外腔面发射激光器侧向激射抑制_宫玉祥.pdf

第 44 卷 第 2 期2023年 2 月Vol.44 No.2Feb.,2023发光学报CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCE增益腔模大失配型垂直外腔面发射激光器侧向激射抑制宫玉祥1，2，张卓1，2，张建伟1*，张星1，周寅利1，刘天娇1，2，徐玥辉1，2，吴昊1，陈超1，宁永强1，王立军1（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室，吉林 长春130033；2.中国科学院大学，北京100049）摘要：垂直外腔面发射激光器（Vertical external cavity surface emitting laser，VECSEL）的侧向激射是制约其高性能工作的关键。我们设计了室温下量子阱增益峰与表面腔模大失配（30 nm）的增益芯片结构，并证实该结构可以有效抑制泵浦功率增加时 VECSEL的侧向激射增强问题。增益芯片基底温度为 20 时，VECSEL正向激射波长位于 980 nm，侧向激射波长位于 950 nm，当泵浦功率逐步增加时，侧向激射强度随着正向激射的出现而迅速降低。这是因为激光正向激射时量子阱的受激辐射能级与正向激射激光模式匹配，正向激射的激光模式可以获取更高的模式增益，在与侧向模式的竞争中处于优势地位。当基底温度控制在 0 与 10 时，量子阱本征增益峰值与表面腔模失配度增大，此时 VECSEL仍然表现出稳定的侧向激射抑制效果。关键词：垂直外腔面发射激光器；侧向激射；增益失谐；模式竞争中图分类号：TN248.4 文献标识码：A DOI：10.37188/CJL.20220304Restraining Lateral Lasing Invertical External Cavity Surface Emitting Laser with Large Mismatch Between Gain and Cavity ModeGONG Yuxiang1，2，ZHANG Zhuo1，2，ZHANG Jianwei1*，ZHANG Xing1，ZHOU Yinli1，LIU Tianjiao1，2，XU Yuehui1，2，WU Hao1，CHEN Chao1，NING Yongqiang1，WANG Lijun1（1.State Key Laboratory of Luminescence and Applications，Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）*Corresponding Author，E-mail：Abstract：The lateral lasing of vertical external cavity surface emitting laser（VECSEL）is the key to restrict its high performance.We designed a gain chip structure with a large mismatch（30 nm）between the quantum well gain peak and the surface cavity mode at room temperature，and confirmed that this structure can effectively suppress the lateral lasing enhancement of VECSEL when the pump power increases.When the substrate temperature of the gain chip is 20，the longitudinal lasing wavelength of VECSEL is 980 nm and the lateral lasing wavelength is 950 nm.As the pump power increases gradually，the lateral lasing intensity decreases rapidly with the emergence of longitudinal lasing.This is because the stimulated radiation level of the quantum well matches the longitudinal lasing laser mode when the laser is longitudinal lasing.The longitudinal lasing laser mode can obtain higher mode gain and have an advantage in the competition with the lateral mode.When the substrate temperature is controlled at 0 and 10，the mismatch between the quantum well intrinsic gain peak and the surface cavity mode increases.At this time，VECSEL still shows a stable lateral lasing suppression effect.文章编号：1000-7032（2023）02-0314-07收稿日期：20220822；修订日期：20220906基金项目：国 家 重 点 研 发 计 划（2018YFB2201103）；吉 林 省 科 技 发 展 计 划 重 点 项 目（20200401006GX）；国 家 自 然 科 学 基 金（11774343，61804087，61874117）；国家自然科学基金重大项目（62090060）Supported by National Key Research and Development Program of China（2018YFB2201103）；Key Projects of Jilin Province Science and Technology Development Plan（20200401006GX）；National Natural Science Foundation of China（11774343，61804087，61874117）；Major Program of the National Natural Science Foundation of China（62090060）.第 2 期宫玉祥，等：增益腔模大失配型垂直外腔面发射激光器侧向激射抑制Key words：vertical external cavity surface emitting lasers（VECSELs）；lateral lasing；gain detuning；mode competition1引言垂直外腔面发射半导体激光器（Vertical external cavity surface emitting laser,VECSEL）兼具半导体激光器和固体激光器的优点1，可实现高功率和高光束质量的激光2-3，并具有灵活的外腔结构，在腔内插入光学元件可以实现激光的频率转换4、锁模5等功能；结合半导体材料能带工程技术，VECSEL 可开发出极为丰富的波长覆盖范围，实现从可见光到近红外波段的激光6-8，因而近年来 VECSEL获得了广泛关注，在工业加工、医疗以及科研领域得到广泛应用，并成为半导体激光器的热点研究领域。光泵浦的高功率 VECSEL主要利用高能量光子泵浦发光区，并产生大量载流子形成自发辐射9，通过外部腔镜形成腔内激光振荡，实现激光输出。由于半导体基底本身的自然解理特性，VECSEL 增益芯片两侧解理面会形成一个天然的谐振腔，导致增益芯片自发辐射产生的光在横向易于形成激光振荡，也称为 VECSEL的侧向激射10-11。采用较大泵浦光斑来提高输出时，侧向激射效应也会随之增强，这是因为增益芯片内的横向振荡也能得到更强的光增益12。侧向激射会随着泵浦功率的增加而增强，不均匀地消耗有源区内的载流子，制约 VECSEL 正向激光输出性能，为此，国际上持续开展了 VECSEL侧向激射的研究。Hessenius 等深入研究了带隙的热位移效应对侧向激射的影响13。Wang等11研究了基于库伦屏蔽和带隙重整化效应的新模型，以此来分析发生侧向激射的原因。通过对 VECSEL的外部结构进行调整，可以有效地控制其侧向激射情况，提升 VECSEL 的正面输出性能14,解决由于侧向激射引起的 VECSEL 阈值和效率衰减问题15。减小解理面的光反馈是目前广泛采用的方法，Tpper等提出通过破坏解理面平整度减小侧向光振荡效应的方法16，该方法对于解理面的破坏极易引起内部缺陷，导致增益芯片可靠性下降；Hessenius等提出在增益芯片侧面蒸镀光学透射膜的方式减弱侧向光振荡效应，实际增益芯片的减薄及衬底剥离过程中会在一定程度破坏侧向光学薄膜13，使得光学膜作用有限。在侧面制备对光进行吸收损耗的吸收区也能有效抑制侧向光的激射17，但 是 吸 收 区 的 制 备 过 程 繁 琐，工 艺 较 为复杂。侧向激射对 VECSEL的影响主要来自侧向激射模式与正向激射模式的模式竞争，由于侧向激射对光生载流子的严重消耗，使得正向激射激光很难获得增益芯片全部的光增益。本文在 VECSEL增益芯片设计中采用了增益峰值与腔模大失谐的设计理念18-20，增强垂直方向振荡模式的竞争优势，弱化侧向激射增益水平，从而实现抑制侧向激射的目的。本文首先介绍了 VECSEL器件结构与制备方法以及增益芯片的性能测试结果，然后对无外腔镜的 VECSEL增益芯片侧向激射现象及其变化情况进行了分析，并对带有外腔镜的 VECSEL 结构侧向激射及其抑制效果进行了介绍，最后进行了总结。2器件结构与制备图 1（a）是我们采用的直型腔 VECSEL系统结构及工作原理示意图。其中增益芯片焊接到热沉上，热沉底部采用半导体制冷器（Thermoelectric cooler,TEC）以及水冷系统进行底座控温。泵浦源采用光纤输出的 808 nm 半导体激光模块21，光纤直径为 100 m。为控制照射到增益芯片上的泵浦光尺寸，泵浦源模块的光纤输出端带有一套准直聚焦镜组。泵浦光以 45左右的入射角照射到增益芯片上，泵浦光斑直径约为 0.2 mm。采用97.5%反射率的球面反射镜提供外腔谐振，曲率半径为 7 cm。VECSEL 的增益芯片由刻蚀停止层、窗口层、有源区和分布式布拉格反射镜（Distributed Bragg reflectors DBR）组成，增益芯片结构示意图如图 1（a）所示。有源区包含 9个周期性排布的 InGaAs量子阱；为补偿量子阱带来的应变效应，采用GaAsP 材料作为势垒层；GaAs 吸收区位于 GaAsP势垒层中间22。为保证良好的散热特性，DBR 反射镜材料采用 AlAs/GaAs 二元材料23。增益芯片的扫描电子显微镜（SEM）图片如图 1（b）所示，插图为高倍 SEM 下的量子阱有源区结构。增益芯片的 DBR 对数为 28 对，在 980 nm 波段附近反射率可以达到 99.9%。315第 44 卷发光学报增益芯片采用底发射结构，外延结构层采用Aixtron 200/4 金属-有机化学气相沉积（MOCVD）在 GaAs 衬底上依次生长刻蚀阻挡层、窗口层、有源区、DBR24。将外延生长完成的晶圆片解理为3 mm3 mm 的增益芯片并采用铟焊接到铜