文 |许晨渊的书房
编辑 | 许晨渊的书房
GaSb基单横模窄脊波导激光器具有高功率和良好的光束质量，在中红外波段具有广阔的应用前景。然而，它的设计和形成还没有被系统地研究，而影响它们对于特定应用的适用性的光束特性仍然很少被分析和优化。
目前的工作通过理论上建立波导参数域来解决这些问题，该波导参数域概括了支持基于GaSb的RW激光器的单横模操作的脊宽度和蚀刻深度的总体可能组合。这些结果被应用于开发两种不同的和代表性的波导设计，这两种波导设计源自于模型增益扩展和折射率引导增强的两种主要优化途径。
基于在1950 nm波长范围内的原型1mm腔长RW激光器对设计进行了实验评估，该原型RW激光器由具有通过优化的干法蚀刻条件实现的垂直脊和光滑侧壁的波导制成。
该模型增益扩展了RW激光器设计和宽脊产生了迄今为止最高的单横模功率258 mW，具有11.1°的窄横向发散角在室温连续波操作下，800 mA的半峰全宽，这在泵浦和耦合应用中提供了有希望的前景。
同时，折射率引导的增强型RW激光器设计具有相对较深的蚀刻和窄脊提供了高度稳定且几乎无像散的基模发射，具有在整个工作电流范围内，系数约为1.5，这是播种外腔应用和复杂光学系统的首选。
在中红外(mid-IR)2–4波段工作的半导体二极管激光器波长区域由于其小尺寸和低成本的优异固有特性，以及在诸如激光光谱学、自由空间通信、材料加工和医学治疗等各种领域中的广泛应用前景，而受到相当大的关注。
在这些中红外二极管激光器中，GaSb合金是最有前途的材料体系。事实上，基于GaSb的宽区域(BA)激光器在波长范围，然而，相对较少的研究集中在具有单横模发射的窄RW GaSb基激光器的开发上。
高输出功率同时具有良好光束质量的潜力使得基于GaSb的单横模窄脊波导(RW)激光器成为各种科学和商业应用的理想光源，例如泵浦稀土掺杂光纤放大器和固态激光器，播种外腔激光器，以及非线性频率转换。
此外，窄RW结构也广泛应用于各种激光装置中，例如分布反馈(DFB)激光器，分布式布拉格反射器(DBR)激光器，超发光二极管(SLD) ，半导体光放大器(SOA) 和锥形激光器，这是因为它能够保证高横向模式纯度和稳定性，这使得能够使用简单和低成本的光学器件来聚焦和耦合这些器件以供进一步利用。
事实上，各种应用强调单横模光束特性的不同方面。例如，在复杂的光学系统中执行光束变换的应用严格要求优异的光束质量、低像散和高度稳定的单横模发射，相比之下，泵浦或耦合应用更强调提高光输出功率和压缩光束发散度。
同时，基于GaSb的DFB、DBR或SLD器件需要相对较深的脊蚀刻，以获得光栅或弯曲结构与有源层的更显著的耦合效果。
目前的工作通过建立波导参数域来解决这些问题，该波导参数域概括了支持单横模操作的脊宽度和蚀刻深度的总体理论上可能的组合，基于根据从1950nm GaSb基窄RW激光二极管提取的有效折射率平板波导模型的分析的高阶模式截止条件。波导结构设计的两个维度，包括横模限制和引导机制，已经被证明。这些结果被应用于开发两种不同的波导设计A和B，代表模型增益扩展和折射率引导增强的两种主要波导优化途径，采用浅或深蚀刻与宽脊或窄脊。
RW设计的影响是基于1mm长的原型F-P激光器进行实验评估的，该原型F-P激光器由脊形波导制造，该脊形波导具有通过具有优化Cl的电感耦合等离子体(ICP)干法蚀刻实现的陡峭和光滑的侧壁，Ar气体比例为5∶3∶1，射频(RF)功率为50 W。垂直脊形波导能够与设计的波导模型高度一致，同时由于其有效地抑制了横向注入载流子泄漏和电流扩散而有利于单横模稳定。
结果，激光二极管设计A和B都表现出单横模操作，具有超过150 mW的高光功率，同时具有良好的光束质量低于的因子。深度蚀刻的窄脊激光器包括一个强大的指数导向机制和紧密的模式限制，提供了高度稳定的单横模发射和超低像散。
相比之下，具有扩展的增益分布和模式分布的浅蚀刻宽脊激光器(设计B)在800 mA在连续波(CW)操作下，连同11.1°的窄横向光束发散角半高宽(FWHM)。通过靶向波导结构改进获得的不同关键光学特性方面的显著改进，为这项工作的设计概念的有效性和实用性提供了坚实的证据，同时有效地促进了基于GaSb的单横模RW激光器适应特定的应用需求。
通过固体源分子束外延(MBE)在(100) n型GaSb衬底上生长了a。两个压缩应变13纳米英寸，用20纳米铝隔离的GaSb量子阱锑阻挡层对称地放置在铝之间，总厚度为540纳米的锑波导层。量子阱的成分和厚度针对1.9-2.0的发射波长进行了优化地区。包括QWs、阻挡层和波导层在内的有源区的总厚度约为580 nm。未掺杂的有源区夹在n掺杂和p掺杂的Al之间厚度为1.5和2.0的锑包层最后，在p掺杂包层的顶部生长250nm高p掺杂GaSb接触层。
然后，外延晶片被制造成具有窄RW结构的激光二极管，脊形波导通过接触光刻法用一对25-m宽的壕沟深度d通过ICP干法蚀刻在窄宽度脊的两侧上的p-包层中形成w。
250纳米的二氧化硅然后通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)将介电层施加到蚀刻晶片的表面。宽度为2的电流注入窗口比...窄w通过负性光致抗蚀剂接触光刻和ICP蚀刻在脊的中心打开。
在晶片减薄到125后，分别在p型和n型面上溅射由Ti/Pt/Au和AuGe/Ni/Au组成的接触电极层应用热退火来形成低电阻欧姆接触电极。最后，将RW激光二极管劈开，用抗反射和高反射(HR)薄膜分别位于前后端面上，p侧朝下安装在铜底座上。
有效折射率方法和平板波导模型已用于理论横模计算，外延层成分和脊形波导几何形状。在垂直方向上，脊和沟槽区域的外延折射率分布呈现，具有相应的模拟基模近场分布和有效折射率。可以看出，580nm厚的有源区很好地保证了基模操作，计算的光学限制因子(OCF)超过68%，远大于二阶模的2.9%。
横向平板波导模型是根据脊和槽区域中基模的计算有效指数建立的，脊线宽度w确定横模限制的程度和泵浦区面积，而蚀刻深度d主要影响波导的导向机制。
日益增长的w有效地扩展了光模分布和脊形增益分布，因此有利于远场发散的压缩和光功率的提升。然而，相应减小的蚀刻深度导致较低的有效折射率阶跃，这导致将更强的增益引导机制引入到波导中，这加剧了有害效应，例如横向电流扩展、热透镜化和空间烧孔，这些会诱发横向模式不稳定性。
相比之下，由于主要的折射率引导机制，具有相应窄脊的深蚀刻脊波导被期望支持稳健的单横模操作和高光束质量。据此，指出了波导设计的两条优化途径:模型增益扩展和折射率引导增强。
目前的工作通过提出深蚀刻窄脊设计来解决这些设计概念w = 4 upmum和d = 2.05upmu，以及浅蚀刻的更宽的脊设计Bw = 7 upmu和d = 1.55upmum，它们分别代表优化RW结构的两个不同方向。传统的5upmu宽RW结构在以前的研究中被广泛采用，也作为两个主要研究设计的参考。这里，的值d对于所有的器件，在基本模式操作范围内设置得尽可能大，以最小化增益增强效应的影响。
ICP干法刻蚀技术在RW形成中起着重要的作用。波导参数设计基于平板波导的几何形状。为了提高制作的刻蚀脊与设计的波导参数和有效折射率阶跃模型的一致性，优化了ICP干法刻蚀条件。
这种优化的脊蚀刻RW激光器在高达500–800mA的工作电流范围内产生稳定的单横模操作和无扭结的光电流特性，而具有传统梯形几何形状和等效波导参数的RW激光器在250–400mA的低得多的电流下表现出双瓣横向远场光束模式。
因为已知无源平板波导模型在实际操作条件下会受到注入泵浦电流和热积累引起的有害影响，这表现在激光发射中高阶横向模式的出现和光电流特性的扭曲。我们将垂直脊的单横模稳定性的提高归因于对注入载流子泄漏和横向电流扩展效应的有效抑制。因此，优化的脊蚀刻条件支持了无源平板波导设计模型在实际激光器件实现中的有效性和实用性。
在CW操作和不同散热器温度下，设计A和B的制造版本的功率-电流(P-I)特性和功率转换效率(PCE)。在室温20下，设计A的3而设计B的最大单横模输出功率在800 mA的驱动电流下为258 mW，这是有史以来报道的最高值，但受到灾难性光学镜损坏(COD)的限制。
设计A和B表现出31.1的最大PCE值和32.3%斜率效率为0.33和0.35 W/A，阈值电流密度为1.40和1.45 kA/cm，呈现设计A和B的发射光谱，在500 mA的注入电流下，中心发射波长在1950 nm范围内。
设计B实现了光功率和效率以及COD发生电流的显著提升，因为更宽的RW和更浅的蚀刻拓宽了横向模式限制和模式增益分布。然而，在设计B的P-I曲线中观察到轻微的扭结。
这可能与在相对较低的有效折射率阶跃下获得的增益增强效应的影响有关，这使得设计B比主要的折射率增强设计A更容易受到电流和温度扰动的影响。同时，设计A获得了较低的阈值电流密度，这可归因于较薄的剩余P包层厚度的较不明显的横向电流扩展效应。
对于设计A和B，使用旋转光电检测器测量的远场特性。分别在不同的工作电流下，这些工作电流是。其中显示了相应的FWHM横向发散角。
对于两种RW激光器设计，在所考虑的整个工作电流范围内，在横向和垂直方向上都观察到了单瓣钟形远场分布，这证明了RW激光器设计的基模发射的高稳定性和纯度。56°的大垂直光束发散度由于基于GaSb的激光器外延结构的薄有源层的强光场限制效应，在相同的500 mA注入电流下，两种器件都获得了FWHM，而与横向波导结构无关。
光束质量因子M\(^2\)使用符合ISO 11146推荐的4-标准偏差(4-标准偏差)的商用照相机光束轮廓仪在不同的工作电流下在横向和垂直方向上测量设计A和B\(\西格玛\))方法，其中使用非球面准直透镜将激光束聚焦成人工束腰。设计A和B的结果作为电流的函数呈现在图中。
横向和纵向M\(^2\)在所考虑的整个电流范围内，设计A和B的值都小于2。因此，两种RW激光器都提供了高光束质量的单横模操作。在这些条件下，最大亮度为21.5毫瓦是用样品B在800 mA注入电流下获得的。
与此同时，M\(^2\)值随着注入电流的增加而逐渐增加，表明激光束越来越偏离理想的高斯形状，这些偏差可归因于在较高电流下基本模式形状的改变和较高阶横向模式的增加贡献。
我们进一步注意到横向M的变化\(^2\)设计A中观察到的电流值比设计b中观察到的电流值小得多。这证明了稳健的指数增强机制对高阶横向模式具有更好的辨别能力。
沿束轴在制造器件的横向和垂直方向测量的束宽度。横向和垂直方向的束腰位置提供了对不同波导结构的像散特性的了解。因此，由于更紧密的横向模式限制，设计A提供了显著减少的散光。设计A的低散光特性意味着垂直和横向源点可以同时定位在一个单聚焦透镜的焦点上，这将有助于这种设计的准直和聚焦，以便进一步利用。
为了比较，我们也制作了一个相同大小的RW激光二极管，基于传统的设计w = 5 upmum和d = 1.80upmu获得的结果(未示出)表明，传统的RW激光二极管设计在600 mA的电流下提供了超过170 mW的单横模输出功率，远场光束发散度为16分别在横向和垂直方向上的FWHM。此外，M\(^2\)在所考虑的整个电流范围内，观察到垂直和横向的值小于2，并且观察到明显的散光。正如所料，传统设计提供了相当好的平衡性能。然而，研究中采用的优化路线在特定光学特性方面提供了改进，使设计更适合特定应用。
波导结构设计因素对GaSb基窄线宽激光器单横模光束特性的影响。确定了支持单横模操作的脊宽和刻蚀深度的可能组合，并指出了折射率引导增强和模型增益扩展的两条优化路线。这些结果被应用于开发两种不同的优化波导设计。
