网盖：【金刚石散热】垂直腔面发射半导体激光器的特性及其研究现状

中国科学院理化技术研究所中国科学院固体激光重点实验室

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中国科学院大学

引言

半导体激光器具有体积小、质量轻、效率高、波长范围广、易集成、可靠性高、可批量化生产等优点，自20世纪70年代初实现室温连续运转以来，已成为光电子技术领域的重要器件。传统的边发射半导体激光器已实现较大功率输出，但其输出光斑为椭圆形，光斑的纵横比最差可达100 … 1，在某些应用中须附加光束整形系统。

1979年，Soda等提出了垂直腔面发射激光器（VCSEL）的概念，与传统的边发射激光器不同的是其激光出射方向垂直于衬底表面，可获得圆形光斑。由于谐振腔长与波长接近，动态单模性比较好，有望在光通信、光互连、光存储、激光显示和照明等领域大展身手。目前，Princeton Optronics公司获得了VCSEL单管连续输出的最高功率为5.5 W。可是，由于VCSEL的谐振腔是由顶部布拉格反射镜（DBR）和底部布拉格反射镜构成，腔长与波长同量级，导致器件发散角较大（半角宽度约15°）。为了获得较小的发散角，一种垂直外腔面发射激光器（VECSEL）应运而生。由于采用外腔结构，其腔长由波长量级增加到毫米至厘米量级，有效改善了光束质量，理论极值达M2~1。

早期的垂直外腔面发射激光器依旧采用电抽运（EP）方式，目前EP - VECSEL单管获得了超过9 W的连续输出。可是电抽运VCSEL和VECSEL均因电流注入不均匀和串联电阻热堆积，在单横模工作模式下高功率输出受到限制。1997年，Kuznetsov等提出的光抽运垂直外腔面发射激光器（OP - VECSEL），也有人称为半导体盘片激光器（SDL）。其综合了高光束质量的垂直腔面发射激光器和高功率激光二极管抽运的固体激光器的优势，可同时获得高功率和高光束质量的激光输出，覆盖从深紫外到中红外波段的广阔波段。在紫外及蓝紫光波段，半导体增益介质以InGaN - GaN材料体系为主，在GaN基底材料上生长出多个InGaN量子阱。在红光至近红外波段，半导体增益介质主要采用在GaAs衬底上生长InGaP – AlGaInP、GaAs - AlGaAs、InGaAs - GaAsP及GaInNAs - GaAs量子阱。1.5 μm附近波段主要在InP衬底上生长AlGaInAs - InP量子阱来实现，2~3 μm则通过在GaSb衬底上生长GaInAsSb - GaSb材料系来实现。对于更长的4~5 μm波段，衬底材料多为BaF2，增益介质材料为PbSe - PbEuTe或PbTe - PbEuTe体系。同时，得益于其外腔的存在，可以方便地进行锁模而获得超短脉冲输出；还可以实现高效率的激光腔内频—频转换，扩展了输出波长范围。

另外，OP - VECSEL的独到之处在于半导体增益芯片结构简单、无p - n结、无电接触，极大地简化其生长过程，在提高增益芯片可靠性的同时，消除附加电阻上的热效应；抽运波长可选择性设计；可获得百纳米的波长调谐范围；半导体增益芯片上抽运光斑较大，高功率时产生光学损伤的可能性减小；激光器体积紧凑，携带方便，实用程度高。在实际应用中，方便作为仪器仪表和显微镜的配套光源，目前，单管OP - VECSEL连续输出功率已高达106 W。

本文介绍了VCSEL，EP - VECSEL和OP - VECSEL的原理和特性，并综述了其最新研究进展、主要应用和发展前景。

基本原理

2.1 VCSEL

如所示，典型的VCSEL包括顶发射和底发射两种结构。一般来说，早期典型器件是通过金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术在N型GaAs衬底上生长而成的。其主要由DBR作为激光腔镜，量子阱有源区（MQWs）夹在n - DBR和p - DBR之间，由于量子阱厚度小，使单程增益很小，因此反射镜的反射率较高，一般全反腔镜反射率> 99.9%，输出腔镜反射率通过理论计算设定最佳的耦合输出率（> 99%），然后，在衬底和p - DBR外表面制作金属接触层。通过在p - DBR或n - DBR上制作一个圆形出光窗口，获得圆形光束，窗口直径从几微米到百微米量级，再和导热性好的热沉键合，提高芯片的散热性能。由于GaAs衬底对800 nm附近的光有强吸收，所以在这个波段的器件通常采取顶发射结构。底发射结构可用于产生976 nm和1064 nm波段，为了减少衬底的吸收损耗，通常将衬底减薄到150 μm以下，再生长一层增透膜，提高激光光束质量，最后将增益芯片安装在热沉上，离有源区更近，因此散热性更好。

2.2 EP - VECSEL

EP - VECSEL的芯片包括电注入结构、有源区和DBR，与传统的VCSEL相比，其引入的外腔结构增加了腔长，如所示。谐振腔包括p - DBR、n - DBR以及外腔镜等3个镜面，是一种由两个子谐振腔构成的耦合谐振腔。激光器芯片上生长的p - DBR、n - DBR以及夹在其中的有源区组成的谐振腔为有源腔，提供激射所需的增益；由p - DBR及外腔镜组成的谐振腔可以通过控制不同传输模式的损耗，抑制高阶横模，从而改善光束质量。

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