半導體激光器側向模式控制技術的研究進展

汪麗杰，佟存柱 ，王延靖，陸寰宇，張 新，田思聰，王立軍

（1. 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 發光學及應用國家重點實驗室,吉林 長春 130033；2. 吉光半導體科技有限公司, 吉林 長春 130031）

1 引 言

半導體激光器是當前最有效的相干光源，它具有波長范圍廣、體積小、成本低、壽命長及可直接調制等優點，自其問世便成為信息領域的核心光源。隨著其功率的不斷提高，還在泵浦、材料加工、傳感、顯示、生物醫療、國防軍事等許多領域獲得了廣泛應用[1-2]。目前全球半導體激光器市場規模已超過60 億美元[3]，帶動了更大產值的激光系統及相關應用領域，并且隨著新型應用場景的發展，其市場規模仍將迅速增長。

高功率半導體激光器是光纖激光器、固體激光器和碟片激光器高效且理想的泵源，其技術進步直接推動了這些激光器的發展。近些年來，光纖激光器憑借高效率、光束質量好、可靠性高、柔性化程度高等優點成為全球最重要的工業激光器，直接帶動半導體激光泵源向更高功率、更高效率、更高亮度發展。

激光材料加工具有可控性強、精度高、速度快、節能等優點，成為智能制造中最重要的工具之一。與其它激光器相比，半導體激光系統具有高的電光轉換效率，其作為直接光源應用于材料加工中有望大幅降低加工能耗，而且半導體激光具有較寬的波長范圍，可很好匹配材料的吸收峰，在金、銅、塑料等特殊材料的加工應用中具有獨特優勢[4]。目前，半導體激光合束光源功率可達千瓦甚至萬瓦以上，作為直接光源已在熔覆、表面處理、釬焊、打標等加工領域獲得應用，但由于低亮度在鈑金切割和深焊接等領域應用仍受限。

激光雷達在三維感測、智能機器人、座艙監測、自動駕駛及無人機導航等諸多領域具有非常廣闊的應用前景，半導體激光器以“電調制+小型化+低成本+高效率+高可靠性”的特點，成為激光雷達信號發射光源的首選方案[5]。近年來激光雷達在各類消費電子領域應用發展迅速，但在無人駕駛、智能網聯車等領域，仍面臨探測距離、精度和分辨率低等難題，尚未實現規模化應用[6]。目前主要的激光雷達技術不管采取何種掃描方式，對激光器的需求基本是一致的，不僅要具有高的功率，還要具有低的光束發散，以提高探測距離及空間分辨率。

上述能量型應用均要求半導體激光具有高亮度，即兼具高的輸出功率及高的光束質量，以獲得高的能量密度。光束質量反映了激光的可匯聚度，通常用衍射極限倍數因子（M2）或光參量積（BPP）表示。目前半導體激光器在輸出功率上已取得很大進展，單管器件連續功率可達30 W 以上，激光器巴條輸出功率也可達kW 以上[7-9]。然而，半導體激光器一直面臨發散角大、光束質量差、亮度低的問題。傳統半導體激光器的垂直方向波導較窄，容易實現單橫模工作，雖然垂直發散角較大，但光束質量接近衍射極限。然而，高功率半導體激光器在側向通常采用寬區結構，激光器多模工作，側向光束質量很差，導致輸出激光亮度很低。激光合束技術雖然可以大幅提高激光輸出功率，但傳統采用線陣、疊陣或空間合束等方式不會提高激光亮度。采用光譜合束、密集波長合束或相干合束等新興合束技術可以大幅提高輸出激光亮度，但合束光源的光束質量仍受限于單元激光芯片的光束質量[10-12]。因此，高功率半導體激光器的側向光束質量是領域內亟需解決的關鍵難題，嚴重阻礙了相關應用系統的技術發展及推廣。

為發展高功率、高光束質量的半導體激光芯片及系統，國際上先后啟動了多項重大研究計劃，比如“ADHELS”、“BRIDLE”、“IMOTHEB”等，在這些計劃促動下半導體激光的亮度得到了明顯改善。研究發現，半導體激光器的側向模式受多種物理效應的影響，比如熱透鏡、載流子臺面邊緣集聚、燒孔、光束成絲、垂直外延結構、應變效應等[13-15]。這些效應相互影響且隨電流變化，導致側向模式非常難以控制。針對上述效應，學者們提出了大量方法來控制半導體激光器的側向模式，如反熱透鏡效應、臺面邊緣質子注入、錐形波導、傾斜波導、外腔結構、側向諧振反導引結構、集成模式過濾結構等。采用這些方法可以一定程度上改善半導體激光器的側向光束質量，但通常會引起明顯的功率和效率虧損，而且目前對于側向模式完全控制機理尚不清晰，仍需要深入的研究。

綜上可見，高功率半導體激光的側向模式控制已成為制約其應用發展的瓶頸問題，如何在保證高功率、高效率輸出條件下實現高的光束質量已成為目前科研界和產業界關注的熱點。本文主要綜述了半導體激光器側向模式的影響因素，介紹了其光束質量退化的基本機制，以及針對各種效應采取的側向模式控制方法及國內外進展情況，最后闡述了今后可能的發展趨勢與方向。

2 半導體激光器側向模式影響因素

寬區半導體激光器是目前最主要的功率型半導體激光器，它具有工藝簡單、輸出功率及轉換效率高的優點，但由于其具有大的空間跨度（相對于波長），而且影響其性能的物理效應因素較多，工作在復雜的多側模，其側向遠場隨電流增大急劇增加，光束質量非常差。如圖1（彩圖見期刊電子版）所示，半導體激光器的側向模式特性受以下因素影響。

圖1 半導體激光器的側向模式影響機制Fig. 1 Influence mechanisms of diode laser lateral modes

(1) 內建折射率差

在半導體激光器制備工藝中，刻蝕臺面或溝槽會產生內建折射率臺階[16]。增大刻蝕深度會提高有效折射率差異，使得光限制增強，有利于導引更多模式，但會導致初始BPP 值較高，但隨電流增加其退化速率較低；相反，小的刻蝕深度可導致初始BPP 值低，但隨電流增加退化速率較快。

(2) 熱透鏡效應

半導體激光器工作時，產生的熱會發生側向擴散，導致溫度梯變，進而引起折射率發生改變。通常增益條中心區域具有更高的溫度及折射率，對光的限制增強，稱為熱透鏡效應。高工作電流下的自熱增加會增加側向溫度漸變，引起更大的折射率差及波導效應，導致各個側模近場尺寸收縮及相應的遠場展寬，并增大導引側向模式數量，最終導致激光器的遠場迅速展寬且光束質量惡化，如圖2 所示。熱透鏡效應與垂直外延結構設計、腔長、封裝散熱設計、芯片與熱沉間勢壘、工作方式等均有關[17]，它是半導體激光器光束質量隨電流增大逐漸退化的主要因素。通常用下式來表征它們之間的關聯關系：BPPlat=BPP0+Sth×TAZ，其中BPPlat為側向光參量積，BPP0為基態光參量積，Sth為熱效率，TAZ為有源區相對熱沉的溫升（可由波長漂移量及波長漂移系數確定）。

圖2 不同階側模隨電流增大時光場分布變化Fig. 2 Simulated near-field distributions of different order lateral modes as a function of increased current

(3) 側向電流擴展及聚集

注入的載流子會發生側向擴散，導致側向載流子濃度分布及其引起的增益或損耗呈非均勻分布，特別是載流子會在臺面邊緣集聚，對高階側模提供更高的增益，增加激射側模數量，導致遠場展寬及光束質量惡化[18]。它是光束質量隨電流增大逐漸惡化的另一主要因素。

(4) 光絲效應

由于增益飽和、自聚焦及載流子反導引會對光場產生高頻調制[19]，引起動態/自組織的振蕩效應（比如光絲），會使各階模式光束質量惡化。但經過理論和實驗對比，光絲效應對激光器總體光束質量的影響較小。

(5) 縱向空間燒孔

半導體激光器的前后腔面通常需要鍍增透膜和高反射膜，這種非對稱腔面反射率會使得縱向光強呈非均勻分布，進而導致非均勻的縱向-側向溫度、載流子、折射率及光場分布，影響側向模式特性[20]。大的腔長、反射率差異及工作電流均會導致空間燒孔效應加劇。它不僅導致激光器增益和輸出功率飽和，還會導致前腔面近場光斑的收縮，引起輸出遠場發散角增大。

(6) 垂直外延結構

半導體激光器的垂直方向外延結構設計不僅直接影響激光器的電阻、功率、效率及產生的自熱，同時還強烈影響熱透鏡效應彎曲指數、對光束成絲的靈敏度以及縱向燒孔效應等[21]。適當降低外延結構的光限制因子，減弱光場與載流子的相互作用，有利于抑制光絲效應及縱向空間燒孔效應。另外，不同的半導體激光器外延材料，由于具有不同的熱導率及載流子遷移率，也會直接影響熱透鏡效應及側向載流子擴散效應等。

(7) 工藝或封裝導致的應力

在半導體激光器制備及封裝過程中，會在臺面產生不均勻的應力，會支持寄生的TM 模式及產生額外的折射率導引，不僅影響模式偏振特性，還會導致側向光參量積增大。

半導體激光器不同階側模的近場分布和遠場分布如圖3（彩圖見期刊電子版）所示[22]。可見除基模遠場展示高斯分布外，其它高階模式的遠場均為雙主峰及旁瓣狀，而且隨著模式階數的增大，遠場兩個主峰間的分離角也逐漸增大，相應的遠場發散角也線性增加。由于高階側模具有更大的光模式尺寸及遠場發散角，因此模式階數越高、光束質量越差。

圖3 半導體激光器不同階側模的近場和遠場分布Fig. 3 Calculated (a) near-field and (b) far-field profiles of the lateral mode with different mode orders

對于寬區半導體激光器，當工作電流增大時，自熱效應會使折射率臺階增大，進而使各個側模近場尺寸收縮及相應的遠場展寬，高階側模的光限制因子增強。同時，載流子集聚效應為高階側模提供更高的增益，各階側模之間的增益差變小，模式分辨變差，使激射側向模式數增加。因此，在高工作電流下，增加的側向模式數及增大的各階模式遠場共同導致器件發散角展寬及光束質量惡化。在實際工作中，即使可以減少半導體激光器的側模數量，但隨著功率提高，各種動態效應也會在遠場高角位置產生邊峰，每階模式的光束質量也會退化。

由上可見，半導體激光器的側向光束質量隨著輸出功率的提高逐漸劣化，光束質量因子或BPP 值呈近似線性增長趨勢，而且激光器條寬越大光束質量越差。對于最常見的90 μm條寬近紅外半導體激光器，初始激射側模數在10 個左右，光參量積約為1 mm·mrad，但受熱透鏡及臺面邊緣載流子集聚等效應的影響，在高電流工作下激射側模數量可超過50 個。因此，光束質量會迅速變差，光參量積通常大于4 mm·mrad，這將導致側向亮度（Blat=Pout/BPPlat，Pout為輸出功率）通常低于3 W/mm·mrad[23-24]。

半導體激光器的遠場由諧振腔內光場分布決定，控制遠場需要控制近場，如能解決，則可以改善光束質量。對于寬區半導體激光器，為實現高側向光束質量，需要采取大量模式控制方法來增強基模或低階模式與高階模式間的增益損耗差異，實現模式選擇，降低激射模式數，從而實現光束質量的改善。

3 半導體激光器側向模式控制方法

3.1 降低激光器條寬

對于傳統的全反射波導或增益波導，隨著波導寬度的增加，不僅導引模式數增加，各階側模的模式有效折射率差也將縮小，所有模式的限制因子增加，相應各階側模的光限制因子差將大幅減小，導致光束質量變差。因此，為提高半導體激光器的亮度，最常見的方法是降低半導體激光器的條寬，減少激射側模數，改善側向光束質量。

采用極窄脊型波導（條寬通常低于5 μm）可實現單側模工作。但受光模式尺寸小的限制輸出功率低，增大垂直方向光模式尺寸不僅可以提高災變損傷閾值，還可以提高單側模工作波導寬度，有利于提高輸出功率。2016 年，柏林工業大學制備的8 μm 脊寬的1 060 nm 高亮度縱向光子帶晶體（PBC）激光器最高連續輸出功率為2.2 W，相應的垂直和側向光束質量因子分別為1.9 和2.1，最高轉換效率為34%[25]。2018 年，中國科學院半導體研究所報道了7μm 脊寬的980 nm 非對稱大光腔激光器最高連續功率可達2.4 W，相應的轉換效率由最高的54.8%降至35%，在1.9 W 輸出功率時垂直和側向光束質量因子分別為1.47 和1.77[26]。采用平板耦合波導激光器（SCOWL）結構，單模工作連續功率可超過3 W，相應的轉換效率由最高的45%降至25%[27]。可見，采用窄脊形波導結構雖然可以獲得近衍射極限光束質量，但輸出功率較低，而且轉換效率相比寬區激光器衰減非常大。

為獲得更高的輸出功率和轉換效率，可以適當提高激光器條寬，在輸出功率和光束質量間折衷[28]。德國FBH (Ferdinand-Braun-Institute)研究所采用離子注入的30 μm 條寬激光器實現了5 W輸出功率、側向光束質量M2=3 的激光輸出，相對于同等功率的100 μm器件亮度提高2～3 倍[29]。2018 年，該單位采用極雙非對稱（EDAS）大光腔結構，使10 μm 脊寬半導體激光器的峰值轉換效率達62%，制備的15 μm脊寬的激光器最高連續功率達到2.7 W，最高功率輸出時轉換效率可達59%，側向光束質量為2.2[30]。2018 年，該單位研制的50 μm 條寬激光器在10 ns 脈寬下實現了30 W脈沖功率、M2=9，側向亮度約11 W/mm·mrad[31]。

3.2 窄脊波導與功率放大單元集成

為實現高功率、高光束質量激光輸出，可在寬區半導體激光器中引入選模設計，以改善光束質量，從而提高亮度。當前提高側向光束質量較常見的方法為錐形激光器、種子振蕩功率放大器（MOPA）結構。

3.2.1 錐形激光器

錐形激光器是最常見的高亮度半導體激光器，經過20 余年的發展，其性能得到了非常大的提高。錐形激光器的諧振腔包含直的脊型波導部分和錐形部分，有的還引入腔損壞結構或額外的吸收器濾除高階模，通過結合脊型波導的模式過濾及錐形部分功率放大效應，可實現高光束質量、高功率激光輸出。對于錐形激光器，需要系統優化其脊形波導部分的寬度和長度、錐形張角及增益區尺寸、腔破壞凹槽及位置、腔面反射率等參數[32]，部分器件后腔面采用分布布拉格反射鏡（DBR）結構，也有的器件脊形與錐形增益區單獨加電極分別調制，以獲得更高亮度。錐形激光器容易實現非常高的亮度，其缺點是存在輸出功率及效率下降、散光等問題，而且其遠場通常具有旁瓣，雖然在1/e2定義光束質量非常接近衍射極限，但含95%功率或二階矩法測得的光束質量因子會明顯增大。

FBH 目前保持著GaAs 基錐形激光器的最高性能指標，其中：635 nm 波長器件在1 W 功率下光束質量接近衍射極限，0.5 W 功率下工作壽命超過2 000 h[33]；783 nm 波長DBR 錐形激光器最大輸出功率可達7 W，光譜線寬小于19 pm，側向光束質量M2=2.5 (1/e2)，但二階矩法測得的光束質量因子為8.3[34]；808 nm 波長器件近衍射極限連續輸出功率可達4.4 W，光束質量M2=1.9，在3.9 W 功率下M2=1.3，亮度為460 MW·cm-2·sr-1[35]，在脈沖條件下近衍射極限輸出功率可達9 W[36]；979 nm 波長DBR 錐形激光器的連續輸出功率達到了12 W，轉換效率約為44%，在11.4 W 時光束質量M2(1/e2)=1.1，亮度可達1 100 MW·cm-2·sr-1[37]；1 030 nm 波長的DBR 錐形激光器輸出功率可達12.7 W，該功率下轉換效率為40%，10.5 W 時光束質量僅為M2=1.1 (1/e2)，中心瓣功率為8.1 W[38]，通過進一步優化錐形結構，輸出功率可提高至15.5 W，中心瓣功率最高可達10.1 W[39]；1 060 nm波長DBR 錐形激光器輸出功率達到了12.2 W，光束質量僅為M2=1.2 (1/e2)，線寬只有17 pm(FWHM)，亮度可達800 MW·cm-2·sr-1[40]。

錐形結構在采用其他襯底，比如GaN、InP、GaSb 基半導體激光器及量子級聯激光器等中都得到了驗證[41-43]，均實現了很高的亮度。

3.2.2 MOPA

MOPA 結構是將具有較小功率和極高光束質量的單模激光注入到半導體放大器中進行放大，它可以采用混合或集成結構。在混合結構中，種子振蕩源（MO）發射的激光束通過高數值孔徑光學系統聚焦到功率放大器（PA）中，兩個元件彼此間光和熱隔離，可以分別優化，但需要高精度的對準半導體器件和微光學元件。在集成結構中，MO部分通常采用布拉格光柵結構以確保反饋和激射。

FBH 報道的1 083 nm 波長混合結構MOPA最大連續輸出功率可達7.4 W，邊模抑制比SMSR＞40 dB[44]。采用單片集成結構，977 nm 波長MOPA連續輸出功率可超過10 W，接近衍射極限，光譜線寬僅為40 pm[45]。采用單片集成種子振蕩傾斜錐形功率放大器，在1 060 nm 獲得了9.5 W 功率，發射光譜線寬小于20 pm，并可獲得近衍射極限的光束質量(M2＜1.5 (1/e2))，但其二階矩法測得的光束質量很差，M2(D4σ)＞13.9[46]；在964 nm 波長獲得了16.3 W 脈沖峰值功率，寬譜寬度為10 pm[47]。

3.2.3 錐形-脊形-波導結構

由于錐形激光器的側向和橫向光束束腰位置不同，散光較大，不利于光束耦合，而且其轉換效率和輸出功率相對于同樣的寬區器件的下降非常明顯。因此，一些變化結構也被采用，比如喇叭形、雙錐型等。特別是為改善錐形激光器的散光、含95%能量光束質量差以及轉換效率低的問題，FBH 采用改進的側向和縱向波導設計，即集成窄脊+錐形過渡+寬脊結構，15 μm 寬輸出口徑激光器實現了2.5 W 連續功率、側向M2=1.1 的激光輸出（側向亮度高達7.5 W/mm·mrad）[48]；23 μm寬輸出口徑在3.3 ns 脈寬下實現了18 W 輸出功率，光參量積僅為0.7 mm·mrad (M2=2.2)，相應側向亮度高達27.4 W/mm·mrad，這也是當前報道的半導體激光芯片級最高亮度[49]。

3.3 抑制熱透鏡效應

由于熱透鏡效應是半導體激光器在高電流工作（特別是連續工作模式）下側向光束質量退化的主要因素之一，因此通過控制散熱途徑，降低熱致折射率差異，有利于改善激光器的光束質量。除傳統提高激光器效率、改變腔長及改善封裝等降低熱阻方法外，還有一些方法被提出，主要是通過將側向-垂直方向二維熱傳導變成沿垂直方向一維傳輸，以減小發光區側向溫度梯變，從而降低熱透鏡效應影響。

1988 年，美國桑迪亞國家實驗室提出一種對熱沉采用非均勻加熱的方法[50]，其在固定工作電流下采用外部可聚焦的激光加熱源對發光區中心區域加熱時，激射模式階數明顯增大，而對熱沉中發光區外部加熱時，激射模式向基模轉移。由此驗證通過調控側向熱分布，可在寬的電流區間內控制激射模式。

2011 年，nLight 公司提出了一種微觀調控半導體激光器熱流通道的方法[51]。該方法在發光區下方設置相同寬度的熱傳導通道，使在熱沉側向熱擴散前一段距離內只能沿垂直方向散熱。盡管這種方式會引起熱阻的些許增大，但側向溫度差異可明顯降低，當僅在發光區上蒸鍍20 μm 厚金焊接柱時，側向亮度可提升14%以上。

2012 年，韓國延世大學提出采用支座型熱沉來抑制側向熱擴散[52]，在發光區與熱沉焊接區兩側引入空氣帶隙，通過一維垂直散熱方式來降低溫度漸變，可獲得近乎平坦的側向溫度分布，從而使整個發光區的折射率差異明顯降低。采用這種熱沉，激光器巴條在350 A 連續電流工作下的側向發散角從傳統平坦熱沉封裝時的13°降至6.5°。

上述方法可以一定程度降低遠場熱展寬效應，但由于器件內部平均溫度升高可能會降低激光器功率。2018 年，韓國延世大學理論研究了一種基于襯底lift-off 技術的熱沉封裝結構[53]，在底側增加了一路熱擴散通道，通過雙面散熱來改善熱阻及側向溫度梯變，預期可改善功率和遠場特性。

3.4 調控增益分布

側向載流子擴散及在臺面邊緣聚集會增大高階側模增益，如圖4(a)（彩圖見期刊電子版）所示，將導致激光器遠場展寬及光束質量退化。因此，半導體激光器側向模式在臺面邊緣的增益-損耗分辨是影響光束質量的重要因素[54]。需要通過控制載流子注入形貌，抑制載流子擴散及集聚效應，減少側向模式數及改善光束質量。

圖4 (a)增益導引、(b)質子注入及(c)二次外延電流阻擋層的半導體激光器側向電流擴散示意圖Fig. 4 Schematic diagram of lateral current spreading for diode lasers utilizing (a) gain-guiding, (b) ion implantation, (c) current-blocking layers after the two-step epitaxial growth

為減少側向電流擴展，降低邊緣自由載流子密度及擴展幅度，可以采用掩埋節后或質子注入（H+、He+等）方法，如圖4(b)（彩圖見期刊電子版）所示。FBH 通過在90 μm 寬半導體激光器P 面電極兩側注入H+，獲得了平頂式側向電流分布，從而消除了載流子集聚效應，并在有源區引入了約1018cm-3的缺陷密度。激光器的近場寬度和遠場發散角均被降低，光束質量改善了35%，在7 W 功率下BPP＜2 mm·mrad[55]。

雖然采用高能質子注入可以有效阻止臺面邊緣的電流傳輸，但會產生較多的缺陷及材料損傷，可能導致激光器功率降低。為解決該問題，FBH在2020 年提出一種加強的自對準側向結構，通過二次外延生長引入電流阻擋層，如圖4(c)（彩圖見期刊電子版）所示，首先在p 型層上生長薄的n 型摻雜層（對GaAs 基器件通常為GaAs-GaInP），在有源區附近形成p-n-p 電流阻擋反偏層，將需要電流注入區域的電流阻擋層刻掉再二次生長后續外延層。該技術可明顯降低激光器的閾值電流及側向近場寬度，使側向亮度提升25%，轉換效率也得到些許提升。該結構證明可同時提高激光器輸出功率和光束質量，并可保持高的偏振度[56]。

另一些方法是采用周期性增益結構或在器件表面制備特殊電極結構，對注入載流子進行一維或二維調制，提高側向遠場的穩定性。1985 年，加州理工學院通過H+注入制備了一維周期性增益調控的激光器[57]，實現了近衍射極限的單瓣遠場。相似的，很多單位采用多窄條電極來替代傳統的單寬條電極[58]，來抑制高階側模及光絲的形成，可產生更加均勻的電流和功率分布，并可降低遠場展寬效應。

1988 年，Amoco 等提出一種“領結”結構，通過改變側向接觸電極的有效長度實現對側向模式的增益調控[59]。該結構可使中心區域具有最高增益，利于低階模式工作，可有效改善側向遠場分布。2004 年，長春理工大學采用菱形電極半導體激光器[60]，實現了更接近高斯分布的近場形貌，輸出功率也得到一定改善。

本課題組研制了一種棋盤式空間電流調制（SCM）激光器[61]，如圖5（彩圖見期刊電子版）所示，通過調控電流在側向和縱向周期性注入，降低臺面邊緣的載流子密度及熱透鏡效應，使得高階側模增益相應降低，從而可有效抑制側向發散角的展寬。采用SCM 結構，輸出功率相對于傳統的寬條器件降低很少，但隨電流增大其側向發散角幾乎無變化，在2.5 A 電流下側向發散角、光參量積和光譜線寬分別相對傳統器件降低約34%、36.5%和45%。

圖5 空間電流調制（SCM）半導體激光器的結構示意圖Fig. 5 Schematic diagram of diode laser with Spatial Current-Modulated (SCM) structure

此外，本課題組還研制了一種側向脊波導寬區半導體激光器[62]，如圖6（彩圖見期刊電子版）所示。通過在臺面刻蝕多條脊形波導，對增益分布和諧振強度進行調制。調節脊形波導長度與激光器的腔長比r，r=10%和r=20%，器件的輸出功率相對于普通寬區結構（r=0%）有所提高，當r≥20%時器件側向發散角隨注入電流的變化趨于穩定。因此，r=20%的器件獲得了更高的輸出功率、更低的遠場發散角和遠場展寬效應，其側向遠場發散角隨電流變化為0.13°/A，僅為傳統寬區器件遠場電流依賴性（1.27°/A）的10%。這種器件的輸出功率、遠場發散角及遠場穩定性都得到了明顯改善，可有效提高激光器亮度。

圖6 側向脊波導寬區半導體激光器的結構示意圖Fig. 6 Schematic diagram of broad-area diode laser with multiple lateral ridge waveguides

布拉格反射波導激光器具有厚的p 型波導，側向載流子擴散及集聚較為嚴重。為此，本課題組將激光器臺面邊緣的高摻雜層刻掉，采用梯狀的矩形溝槽結構（LLGS）[63]，如圖7（彩圖見期刊電子版）所示。通過控制側向折射率差和抑制邊緣載流子累積來改善激光器的性能。LLGS 器件相對傳統的寬區器件，閾值電流降低9.5%，最高輸出功率提高18%以上，LLGS 器件的側向發散角減少了20%左右，其遠場對注入電流的依賴性由傳統寬區器件的1.26°/A 降至0.78°/A。

圖7 基于LLGS 結構的布拉格反射波導激光器結構示意圖Fig. 7 Schematic diagram of bragg reflection waveguide laser with Ladder Like Groove Structure (LLGS)

本課題組在銻化物中紅外半導體激光器采用微條耦合寬區（MSBA）結構[64]，如圖8（彩圖見期刊電子版）所示。通過周期性增益調制，抑制寬區銻化物激光器載流子側向擴散、泄漏和積累，并降低熱致溫度漸變及折射率臺階，從而抑制高階側模。MSBA 器件相對于傳統的寬區器件（BA）最高連續輸出功率提高了20%，最高連續功率可達1.27 W，閾值電流特征溫度由58 K 提高至107 K，斜率效率特征溫度由182 K 提高至274 K。同時，MSBA 激光器含95%功率的側向遠場發散角比BA 器件在相同注入電流下減小了30%以上，側向遠場隨電流的依賴性降低了40%,側向光束質量改善可達36%。

圖8 微條耦合寬區（MSBA）半導體激光器的結構示意圖Fig. 8 Schematic diagram of GaSb-based microstripebroad-area (MSBA) lasers

3.5 傾斜腔或波導

與傳統寬區結構不同，采用傾斜等異性腔面或波導結構，可以增大高階模式損耗，有利于改善側向光束質量。

多個單位都報道了傾斜波導激光器，其光傳輸方向與出射腔面具有一定的傾角，通過調控模式反射率及載流子分布情況，來改善器件性能。2013 年，維也納技術大學提出在寬區量子級聯激光器采取傾斜前腔面結構，采用聚焦離子束（FIB）加工前腔面（傾斜角17°），相對傳統FP 腔激光器功率提升了60%，并實現了近衍射極限光束質量；采用相對解理面傾斜的波導，可有效改善閾值電流、斜率效率及峰值功率，但光束質量相對上述結構略差[65-66]。美國西北大學制備的 12°傾角量子級聯激光器，脈沖峰值功率可達203 W，側向發散角僅為3°，180 W 功率時光束質量M2=5[67]。本課題組也提出了一種基于傾斜波導的片上合束激光器[68]，光束質量相比于傳統器件提升一倍以上。

1978 年，一種彎曲條形結構激光器被提出，用來獲得穩定的光場分布[69]。2004 年，伊利諾伊大學報道了一種彎曲波導激光器，通過調節波導曲率控制高階模式的損耗，側向發散角得到一定改善，但由于存在彎曲損耗會導致激光器閾值增大[70]。2012 年，格拉斯哥大學報道一種集成DFB及曲型錐形放大器的結構，獲得了單側模和縱模工作，線寬低至64 kHz[71]。2018 年，FBH 報道了S 型彎曲Y 型片上合束DBR 激光器，以改善空間光束特性及光束質量[72]。

α-DFB 激光器結構包含一個相對諧振腔軸傾斜一較小角度的側向布拉格光柵，這可穩定縱向和側向模式，由于只有非常小角度區間的模式可以在諧振腔內傳輸，它的側向遠場發散角（含95%功率）通常小于1°。2003 年，德國FBH 研究所制備的1 060 nm 波長α-DFB 激光器連續輸出功率超過1 W，光束質量M2=1.1，側向發散角為0.3°，邊模抑制比SMSR=28 dB，線寬僅為5.8 pm[73]。此外，中國科學院半導體所也報道了一種傾斜腔光子晶體激光器，輸出功率接近1W，側向光束質量M2＜2.5[74]。克萊姆森大學報道一種折疊腔傾斜光柵寬區半導體激光器[75]，可獲得近衍射極限光束質量，這種方法另一個優點是可節省晶圓尺寸。

3.6 諧振腔及腔面反射率調控

3.6.1 非穩諧振腔

1987 年，LANG R J 提出一種非穩諧振腔半導體激光器，通過將腔面刻蝕為弧形，實現對側向模式的控制[76]。2017 年，美國空軍研究實驗室采用FIB 技術制備了基于非穩諧振腔的銻化物半導體激光器，發射波長為2 μm，100 μm 條寬器件獲得了～2×衍射極限光束[77]。此類器件的曲率和性能之間存在一定的關系，其曲率越大對光束質量的改善效果越好，與此同時輸出功率也會急劇下降[78]。

3.6.2 腔面反射率調控

1996 年，有研究者提出調控輸出腔面的反射率，來增強側向模式分辨，通過在輸出腔面沉積側向厚度變化的薄膜，在低電流下實現了單模工作[79]。2017 年，Ioffe 研究所通過在10 μm 脊寬激光器鍍完膜的腔面進行FIB 刻蝕，去除了部分膜材料，以消除一階側模激射，而且器件性能并無明顯退化[80-81]。采用對稱腔面反射率，抑制縱向增益及溫度非均勻性，可以改善光束質量[82]。

3.6.3 外腔選模結構

外腔法也是一種能夠顯著提升邊發射半導體激光器側向光束質量的一種手段，利用外腔反饋過濾高階模式，從而實現側向單模（或少模）激射以提高側向光束質量，其缺點是需要更大的系統體積及更精確的光路裝調。

1994 年加拿大拉瓦爾大學采用外腔結構對寬區半導體激光器進行了側向模式分析，發現通過控制外腔鏡與準直透鏡的距離可以調控側向模式選擇性及遠場發射圖案[83]。2009 年，丹麥技術大學報道了離軸光譜合束980 nm 寬區半導體激光器巴條[84]，采用D 形銳邊高反射離軸鏡對模式進行選擇性反饋放大，30 A 電流下功率為9 W、側向光束質量M2=6.4。

本課題組也開展了相關研究[85-87]：提出一種小角度V 型腔光譜合束方法，采用條形平面發射鏡代替傳統的輸出耦合鏡，控制光束與高反鏡交疊量，通過外腔反饋調控半導體激光光束質量，實現了光譜合束光源的光束質量優于單元器件的光束質量；采用離軸選擇性反饋光譜合束方法，利用半導體激光線陣遠場分立成兩組側向模式的特點，選擇其中一組模式反饋回去，使其沿另一組模式方向出射，從而改善光束質量；提出基于雙光闌的外腔光譜合束結構，實現高階模式抑制；利用V 型外腔選擇性反饋方法提高了寬區半導體激光器單管的光束質量。

3.7 折射率工程

為穩定光場分布，可以采用側向折射率調制結構，通過折射率工程來增強模式分辨及模式選擇，控制模場特性來改善輸出光束亮度。目前報道的結構主要為一維橫向布拉格諧振（TBR）波導和二維光子晶體結構[88-91]。這兩種方法采用周期性波導結構，利用光子帶隙效應限制光場，從而實現大光場尺寸穩定的單模工作。目前已可實現近衍射極限光束質量、窄發散角（＜1°）的激光出射。但為獲得強的模式分辨，這些方法的周期性波導尺寸均在波長量級，必須采用更高精度及復雜的加工工藝，制造成本較高，而且目前器件仍面臨輸出功率低的問題。

3.8 集成模式過濾結構

針對寬區半導體激光器側向多模工作、光束質量差的缺點，可以在側向引入模式過濾結構，對高階側模產生更高的傳輸損耗，從而一定程度改善半導體激光器的光束質量。

3.8.1 分布式模式損耗

2008 年，利茲大學針對太赫茲量子級聯激光器工作在高階側模會引起功率下降的問題，在波導結構中引入邊吸收器[92]，使激光器單模工作，器件工作溫度可達168 K，為當時報道的采用In/Au鍵合工藝制備的太赫茲量子級聯激光器的最高工作溫度。

2013 年，FBH 提出一種側向諧振反導引結構[93]，通過在增益條邊緣引入高折射率的反導引層（Ge），由于模式耦合效應會導致高階側模增益的降低，制備的90 μm 條寬激光器在10 W 功率下側向發散角降低了3°。

2017 年，美國空軍研究實驗室提出在寬區量子級聯激光器側壁引入分布損耗[94]，在器件脊形條邊墻直接沉積金屬，為高階側模提供足夠高的損耗，來實現近淡漠工作，激光器功率和斜率效率退化很小，因此可明顯提升亮度。

2018 年，柏林工業大學提出了一種使用側向非均勻波導的半導體激光器[95]，在側壁刻蝕一列三角形微結構，增大高階側模的損耗，在一定電流下實現單模工作，側向光束質量得到明顯改善（M2從 6 下降到2），亮度提升兩倍左右。

3.8.2 邊緣損耗剪裁

德國弗勞恩霍夫應用光學與精密機械研究所（IOF）提出一種相位結構以控制諧振腔內的光場[96]，在腔面附近波導中集成相位結構，增大基模的增益面積，對更高階模式產生額外的衍射損耗，從而獲得較穩定的遠場并改善光束質量。

本課題組通過在銻化物中紅外半導體激光器臺面上刻蝕魚骨形微光學結構[97-98]，如圖9（彩圖見期刊電子版）所示，當光傳輸經過刻蝕溝槽會遭受額外的衍射和散射損耗。控制溝槽尺寸、深度、數量和位置可調控各階模式的傳輸損耗，模式階數越高損耗越大，從而達到降低激射模式數的目的。通過改變微結構的刻蝕深度，發現采用深刻蝕微光學結構，激光器的輸出功率（1.11 W）明顯高于無結構器件（0.91 W），同時側向發散角可改善57%，而且側向發散角隨電流增大速率也大幅降低。這種結構在布拉格反射波導激光器上也實現了輸出功率和光束質量的雙重改善[99]。

圖9 GaSb 基半導體激光器魚骨形微光學結構示意圖Fig. 9 Schematic diagram of GaSb based diode laser with fish bone micro structures

本課題組提出在臺面邊緣刻蝕鋸齒形微光學結構[100]，如圖10（彩圖見期刊電子版）所示。通過調控鋸齒微結構寬度與臺面寬度的比例，對側模引入選擇性損耗調控，來抑制激光器側向遠場隨電流增大的展寬效應。通過對比這種微結構器件與傳統寬區器件的輸出功率和光束質量，發現采用微光學結構后激光器的輸出功率改善了5%，側向光束質量提高了42%，實現了功率和光束質量的雙重改善。

圖10 鋸齒微結構激光器的結構示意圖Fig. 10 Schematic diagram of the laser with sawtooth micro structure

針對高注入電流下側向載流子的集聚與擴散會使半導體激光器側向光束質量劣化的問題，本課題組提出了復合型損耗剪裁微結構（AT），在臺面邊緣刻蝕溝槽及箭頭型微結構[101]。箭頭型微結構陣列可以增大高階模式損耗，如圖11 所示。調節損耗剪裁區域寬度(L-D)/L在0.4～0.5 之間時，可獲得較大的低階模式與高階模式的損耗差異。通過載流子傳輸控制及損耗調控來抑制或延遲高階側模的出現。相對于傳統寬區激光器，AT 激光器實現了更低的閾值電流（0.34 A 降到0.24 A）、更高的輸出功率（提高21%），同時降低了激光器束腰尺寸、遠場發散角及電流依賴性，側向光束質量改善了50%，相應激光亮度得到明顯提升。

圖11 箭頭型溝槽微光學結構激光器的結構示意圖Fig. 11 Schematic diagram of diode laser with arrowtrench micro structure

3.8.3 自由模式損耗調控

當前報道的激光器側向模式的過濾結構尺寸較大，難以對某個或某些模式進行自由調控，基于此，本課題組提出在半導體激光器臺面上刻蝕微孔圖案，微孔的位置對應于要抑制側向模式的波峰，當光傳輸經過時會遭受衍射和散射損耗，通過精細設計孔洞尺寸、深度、數量和位置，使需要激射模式中心峰附近不經過孔洞，僅在低光場強度位置經過孔洞，從而使需要抑制的模式面臨更高的傳輸損耗，這種增強的模式分辨有助于降低激射模式數。本課題組制備了一系列微孔圖案，實現了可控制、穩定的光場輸出，比如可實現穩定的雙光束激光輸出、無注入電流依賴穩定遠場、極低側向發散角窄光束輸出等，如圖12（彩圖見期刊電子版）所示。

圖12 (a)刻蝕微孔的顯微鏡照片及(b)不同的激光遠場形貌Fig. 12 (a) Micrograph of etched micro-holes and (b) different far-field patterns under various currents

圖13（彩圖見期刊電子版）為100 μm 條寬半導體激光器的不同側向模式的近場分布。從圖中可以看出，基模的分布集中在寬區波導的中心，而且隨著模式階數的升高，高階模式的分布更加分散。為改善側向光束質量，可在高階模式的波峰位置（圖中豎線所示）設置損耗剪裁微孔結構，基模中心峰附近不經過孔洞，而高階模光場峰值處即面臨刻蝕孔洞引起的損耗，而且越靠近臺面邊緣經過的孔洞周期越多，相應的損耗就越大。這樣就使得微結構陣列對側向模式具有選擇性，增強了基模和相對低階的模式在模式競爭中的優勢，從而達到抑制高階模式、提高光束質量的目的。

圖13 半導體激光器不同模式的近場分布及損耗剪裁位置Fig. 13 Calculated near-field profiles of the lateral modes with different orders and the loss tailoring placement

本課題通過采用三角形微孔結構[22]，如圖14（彩圖見期刊電子版）所示，在高階側模除中心位置的波峰處設置微孔，其數量由中心向兩邊遞增。當光傳輸經過微孔結構時，除1 階側模（基模）外，高階側模的光強均得到明顯減少，表明側向模式分辨得到加強。由于高階側模被抑制，模式競爭減小，引入微孔結構后激光器的輸出功率無明顯降低，激射光譜明顯變窄，同時側向光束質量相對傳統寬區器件得到明顯改善，最高可提升2.4 倍，激光亮度最高可提升兩倍以上。在大電流下的光束質量改善效果變差主要由于工作電流增大熱透鏡效應引起模式收縮與剪裁結構不匹配引起的，可根據實際工作電流下激光器近場分布進行損耗剪裁微結構的優化排布。

圖14 (a)損耗調控寬區半導體激光器結構示意圖；(b)測得的有結構器件和傳統寬區結構器件在不同電流下的側向光束質量對比Fig. 14 (a) Schematic diagram of the loss tailoring BAL;(b)measured lateral beam quality of the structured and unstructured BALs at different currents

本課題組還選取了多種微光學結構進行了流片及測試（激光器條寬和腔長分別為100 μm 和4 mm），發現器件的輸出功率與傳統寬區激光器接近，部分結構可改善功率特性，如圖15（彩圖見期刊電子版）所示。進行初期高溫高功率老化測試，發現部分結構會引起器件可靠性的下降，而有的結構可展示較好的可靠性。進一步將增大樣品數量、老化測試時長及系統探索器件失效機理，為高功率、高可靠性微結構激光器提供參考。

圖15 微結構激光器在室溫連續工作下的功率-電流-電壓特性曲線Fig. 15 Measured power-current-voltage characteristics of diode lasers with microstructures

4 結 論

高功率半導體激光器在加工、傳感及國防等領域具有重大需求，但受側向光束質量差、亮度低的制約難以直接應用。寬區半導體激光器雖然容易實現高的輸出功率和轉換效率，但其在高注入電流下各階側模間的增益差很小，模式分辨很差，導致激射側模數增大，引起側向遠場展寬及光束質量退化。究其原因，主要在于半導體激光器的側向模式受多種物理效應的影響，共同導致側向光束質量嚴重退化。然而，當前相關的半導體激光器仿真模型尚不健全，其在空間三個維度及時間跨度存在數量級的差異，難以精確揭示各效應作用機制及其在側向光束質量退化中發揮的作用，因此目前主要結合實驗結果進行逐一研究。根據當前理論和實驗研究結果，熱致折射率改變及載流子集聚效應是側向光束質量在大電流下退化的主要因素，但難以準確判斷定單一效應的占比，因為它與激光器設計(垂直外延結構、側向-縱向結構)密切相關，而且之間互相依賴。半導體激光器的遠場由諧振腔內模式及近場光場分布決定，研究者們針對各種物理效應進行激光器結構優化，通過調控熱分布及載流子注入、采用模式過濾結構等，增強側向模式增益損耗分辨，一定程度上抑制了激射模式數的增加及實現光束質量的改善，但多數結構面臨功率衰減明顯、難以獲得極高光束質量的難題。半導體激光在提升光束質量的同時必須保持足夠高的輸出功率及轉換效率，這樣才可能具有競爭力。因此，需要在激光器三個維度針對各種物理效應進行協同優化設計，有效進行側向模式調控，解決了激光器輸出功率與光束質量間的矛盾，可在保證輸出高功率、高效率激光束的前提下實現穩定的、近衍射極限光束質量的激光輸出，有望從芯片層次提高半導體激光器及合束光源的亮度，降低其應用成本及發展新的應用，產生重要的社會和經濟效益。