高功率、低发散度、852纳米单横模二极管激光器，采用耦合波导结构

《Optics & Laser Technology》：High-Power Low-Divergence 852 nm single transverse mode diode laser with coupled waveguide

通过构建耦合大光学腔（CLOC）结构并优化波导层厚度与位置，成功研制出852nm高功率单模半导体激光器，垂直发散角由37.5°降至19.2°，内部损耗仅0.32cm?1，输出功率达760.8mW，较传统OC结构提升显著。

　　在现代光电子技术的发展中，半导体激光器因其在通信、传感、计量等领域的广泛应用而受到高度重视。特别是对于某些高精度应用，如原子钟和导航系统，对激光器的性能提出了更高的要求。在这些应用中，852纳米波长的激光器尤为重要，因为其对应于铯原子的超精细能级跃迁，是国际时间标准的重要组成部分。因此，研发出具有高输出功率、良好光谱特性和优良光束质量的单模852纳米半导体激光器成为当前研究的重点。

传统的边发射激光器通常采用较为简单的光学腔结构，但这种结构在某些方面存在局限性。例如，由于波导层厚度通常小于1微米，导致垂直远场发散角较大，进而影响光束质量。此外，大范围的发散角还会增加光学系统的复杂性、成本以及耦合损耗。为了解决这些问题，研究人员提出了多种优化方案，其中包括大光学腔（LOC）、超大光学腔（SLOC）以及耦合大光学腔（CLOC）等结构。这些结构的核心思想是通过调整波导层的厚度和位置，从而降低垂直远场发散角，提高激光器的性能。

在这些方法中，CLOC结构因其在抑制高阶横向模式方面的优越性而备受关注。CLOC结构引入了一种具有较高损耗的耦合波导层，从而有效降低了高阶模式的产生。相比于LOC和SLOC结构，CLOC不仅能够实现更小的垂直发散角，还能够在保持高输出功率的同时，提升光束质量。例如，Gordeev等人在2015年首次提出CLOC结构，并成功实现了垂直发散角为22度的激光器，其内部量子效率达到88%，内部损耗为1.3厘米?1。随后，该研究团队在2019年进一步优化设计，将波导层厚度减小至1.3微米，并将垂直发散角降低至33度，内部损耗也显著减少至0.4厘米?1。这些成果表明，CLOC结构在实现高性能单模激光器方面具有巨大潜力。

近年来，研究人员对CLOC结构进行了更多深入探索。例如，Payusov等人在2023年提出了一种改进方案，通过减薄p型衬底并调整活性区的位置，使得CLOC结构在高功率InGaAs/GaAs/AlGaAs激光器中表现出更低的内部损耗和热阻。这一改进不仅提升了激光器的输出功率，还有效延长了其使用寿命。然而，现有研究大多集中于耦合波导层的作用，对未掺杂的N侧或P侧波导层与耦合波导层之间的协同效应和相互作用关注较少。因此，如何在不牺牲激光器性能的前提下，优化N侧和P侧波导层的设计，成为一个值得进一步研究的方向。

本研究旨在通过优化N侧波导层的厚度以及引入耦合波导层，实现对高阶横向模式的有效抑制，同时保持激光器的高输出功率和优良光束质量。具体而言，我们适度增加了N侧波导层的厚度，使其达到1.2微米，同时减小了P侧包层的厚度至0.5微米。此外，我们在N侧包层中引入了一个优化设计的耦合波导层，该层厚度为0.5微米，距离N侧波导层的位置为0.1微米。这种设计不仅能够增强基模的光场约束，还能够通过耦合波导层的高损耗特性，有效抑制高阶模式的产生。

在光束质量方面，我们观察到CLOC结构的垂直发散角显著降低，从传统光学腔结构的37.5度降至19.2度。这一结果表明，CLOC结构在改善光束质量方面具有明显优势。此外，由于CLOC结构内部损耗较低（0.32厘米?1），并且具有较高的模增益系数（14.3厘米?1），其在室温连续波工作下的斜率效率达到了1.15瓦/安培。这一斜率效率的提升，不仅有助于提高激光器的输出功率，还能够降低驱动电流的需求，从而减少热效应带来的负面影响。

在实际应用中，CLOC结构的优势不仅体现在光束质量的提升上，还在于其在抑制高阶模式方面的表现。由于高阶模式的存在会导致光束的不稳定性，甚至引发灾难性光学镜面损伤（COMD）等问题，因此，有效控制这些模式对于激光器的稳定性和寿命至关重要。通过引入耦合波导层，我们能够在不显著影响基模输出的情况下，增加高阶模式的损耗，从而实现对高阶模式的有效抑制。这一设计思路在本研究中得到了验证，并在实验中表现出良好的效果。

此外，我们还关注了激光器的结构优化对输出功率的影响。通过调整N侧和P侧波导层的厚度，以及引入耦合波导层，我们成功实现了基模输出功率的最大值达到760.8毫瓦，这一数值远高于传统光学腔结构的395.1毫瓦。这表明，CLOC结构不仅能够提升光束质量，还能够在保持高输出功率的同时，减少激光器的热阻和内部损耗。这种结构优化对于高功率激光器的进一步发展具有重要意义。

在实验过程中，我们采用了金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在3英寸GaAs衬底（100）晶面方向上生长了激光器的外延结构。为了实现横向单模输出，我们设计了5微米宽度的脊形 mesa 结构，并通过光刻和刻蚀工艺完成了该结构的制备。在测量过程中，我们采用了一种基于脉冲调制的方法，通过低占空比（0.1%）的脉冲信号（脉宽100微秒，重复率100赫兹）对多个未涂覆的激光器进行测试。通过对多个激光器的斜率效率和阈值电流进行平均，我们利用相应的公式计算了激光器内部的光学损耗和内部量子效率。同时，我们还利用另一组公式计算了透明载流子密度和模增益系数，从而进一步验证了CLOC结构在性能上的优势。

从实验结果来看，CLOC结构在多个方面表现出色。首先，其垂直远场发散角显著降低，从37.5度降至19.2度，这一改进对于提升激光器的光束质量至关重要。其次，由于CLOC结构内部损耗较低，且模增益系数较高，其在室温连续波工作下的斜率效率达到了1.15瓦/安培，远高于传统结构的性能。更重要的是，通过优化N侧和P侧波导层的设计，我们实现了基模输出功率的最大值达到760.8毫瓦，这在当前的852纳米激光器中是一个非常突出的成果。

综上所述，CLOC结构在实现高功率单模激光器方面展现出诸多优势。通过合理设计波导层的厚度和位置，我们不仅能够有效降低垂直远场发散角，还能显著提升激光器的斜率效率和输出功率。这些改进对于提升激光器的光束质量、降低系统复杂性和耦合损耗具有重要意义。同时，CLOC结构在抑制高阶模式方面表现出色，能够有效避免光束的不稳定性以及潜在的灾难性光学镜面损伤问题。因此，CLOC结构被认为是未来高功率单模激光器发展的一个重要方向。

在实际应用中，CLOC结构的优化设计对于导航系统和空间定位等高精度领域具有重要意义。例如，在精密陀螺仪和原子钟等设备中，激光器的光束质量直接影响其测量精度和系统稳定性。通过降低垂直发散角和提升输出功率，CLOC结构能够为这些应用提供更加可靠和高效的光源。此外，由于CLOC结构在降低内部损耗和热阻方面的表现，它还适用于高功率、高效率的光通信和传感系统，为相关技术的发展提供了新的可能性。

展望未来，CLOC结构的研究仍有很大的发展空间。一方面，可以进一步优化耦合波导层的厚度和位置，以实现更精确的模式控制。另一方面，也可以探索其他材料体系和结构设计，以提升激光器的性能。例如，通过引入新型的半导体材料或改进波导层的掺杂方式，可能会进一步降低内部损耗，提高模增益系数，从而实现更高的输出功率和更优的光束质量。此外，随着集成光学技术的发展，CLOC结构还可能与其他光学元件相结合，形成更加复杂的光子集成系统，为未来的光电子器件提供新的解决方案。

总的来说，CLOC结构的引入为高功率单模激光器的发展带来了新的机遇。通过合理设计波导层的结构，我们不仅能够提升激光器的性能，还能够降低其对光学系统的要求，从而推动相关技术的进一步发展。在未来的研究中，如何进一步优化CLOC结构的设计，以及如何将其应用于更广泛的领域，将是值得深入探讨的问题。