研究亮點(diǎn) 

四川大學(xué)電子信息學(xué)院及蘇州ibet光電技術(shù)股份有限公司王俊教授研究團(tuán)隊(duì)聚焦于780 nm波長(zhǎng)，深入研究了限制寬區(qū)DFB激光器輸出功率的因素，攻克了多個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，如光柵設(shè)計(jì)和材料生長(zhǎng)。設(shè)計(jì)了一種基于InGaAsP/InGaP材料的DFB激光器，結(jié)果如圖1所示，在室溫下實(shí)現(xiàn)了超過(guò)10 W的連續(xù)輸出功率，譜線寬度(FWHM)小于0.5 nm，可以在寬電流和寬溫度范圍內(nèi)有效地工作。

圖1 780nm寬區(qū)DFB激光器外延結(jié)構(gòu)及光柵層序

01｜優(yōu)化光柵設(shè)計(jì)

該研究團(tuán)隊(duì)基于耦合模理論（CMT）構(gòu)建了光柵分析模型，通過(guò)調(diào)整光柵耦合強(qiáng)度（κL控制在0.4-0.6之間）和光柵與量子阱的相對(duì)位置，計(jì)算結(jié)果如圖2所示，較小的光柵耦合系數(shù)會(huì)帶來(lái)外耦合光的比例增加，從而提高功率和效率。較遠(yuǎn)的光柵位置顯著降低了光損耗和載流子復(fù)合的影響，確保了較高的輸出功率和低電壓。

圖2 （a）DFB激光器的諧振腔損耗隨光柵耦合強(qiáng)度的變化與等效FP前腔反射率隨光柵耦合強(qiáng)度的關(guān)系。（b）光柵耦合系數(shù)與光柵層到有源區(qū)的距離及光柵厚度的關(guān)系

02｜材料與工藝創(chuàng)新

光柵區(qū)域采用了低損耗、低應(yīng)力的三層InGaP/InGaAsP/InGaP結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)材料（如GaAsP）中因應(yīng)力導(dǎo)致的光柵吸收和缺陷問(wèn)題。優(yōu)化的二次外延工藝進(jìn)一步減少了界面氧污染，使氧含量降至1E16數(shù)量級(jí)，大幅提升了器件效率和可靠性。

圖3  (a) DFB在外延方向的橫截面和光柵的掃描電鏡（SEM）圖像，標(biāo)記了二次外延的開(kāi)始。插圖顯示了光柵的放大視圖。(b)lnGaAsP光柵的透射電鏡圖像，(c)傅里葉變換后的高分辨率圖像。

圖4 O和Al的SIMS譜圖，Al作為標(biāo)記層。

03｜卓越性能

研究人員在12 A電流和20 °C溫控下對(duì)器件進(jìn)行了性能測(cè)試，如下圖5和圖6所示，激光器實(shí)現(xiàn)了連續(xù)輸出功率超過(guò)10 W，光譜寬度（FWHM）小于0.5 nm。這一功率水平創(chuàng)下了780 nm波段DFB激光器的最高紀(jì)錄，同時(shí)在寬電流與溫度范圍內(nèi)保持了良好的鎖波特性。

圖5 (a) 780 nm DFB-BA激光器（實(shí)線）和FP-BA激光器（虛線）的性能進(jìn)行比較，采用相同的垂直設(shè)計(jì)，在散熱器溫度為20“C的條件下進(jìn)行測(cè)試。(b)在12a電流下，光譜圖

圖6 (a)溫度范圍為20°C~ 60°C，12a時(shí)DFB激光器的光譜特性 (b)連續(xù)變電流下DFB激光器在20°C時(shí)的光譜圖，強(qiáng)度用假色圖表示。

綜上，該團(tuán)隊(duì)為高功率、窄譜寬激光器的發(fā)展樹(shù)立了新標(biāo)桿。并將在未來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足更廣泛的工業(yè)和科研需求。此外，這項(xiàng)研究的技術(shù)方法還可推廣至其他波段的激光器設(shè)計(jì)。高功率窄譜寬激光器的應(yīng)用前景無(wú)疑是廣闊的。從科學(xué)儀器到工業(yè)生產(chǎn)，再到醫(yī)療設(shè)備，它們將助力多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)跨越。