海一娜，鄒永剛，田 錕，馬曉輝，王海珠，范 杰，白云峰

(長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，吉林 長春 130022)

水平腔面發(fā)射半導體激光器研究進展

海一娜，鄒永剛*，田 錕，馬曉輝，王海珠，范 杰，白云峰

(長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，吉林 長春 130022)

近年來，水平腔面發(fā)射半導體激光器具有高功率、高光束質(zhì)量及易封裝集成等優(yōu)良性能，已成為激光器領域的研究熱點。本文詳細闡述了幾種水平腔面發(fā)射半導體激光器的結構設計、工作原理以及激光輸出特性，并對該激光器國內(nèi)外最新研究進展與發(fā)展現(xiàn)狀進行了總結和論述。在此基礎上，對該激光器的研究方向和發(fā)展趨勢進行了分析與展望。目前，水平腔面發(fā)射半導體激光器的激光輸出功率可達瓦級，美國Alfalight公司引入曲線形光柵的單一發(fā)射器輸出功率可達73 W。隨著應用領域的不斷拓展，中遠紅外波段水平腔面發(fā)射激光器將成為未來的研究焦點。

面發(fā)射；轉向鏡；二階光柵；光子晶體；半導體激光器

1 引 言

半導體激光器因具有體積小，光電轉換效率高，工作壽命長和高速直接調(diào)制等優(yōu)點，是通信、光泵浦激光器、光信息存儲等不可或缺的重要光源，也是需要高效單色光源的光電子系統(tǒng)中的核心器件[1],在工業(yè)生產(chǎn)和軍事領域中被廣泛應用[2-4]。隨著半導體器件工藝水平的發(fā)展和激光光束準直整形方法的優(yōu)化，半導體激光器的出光特性得到了明顯提升，應用領域也進一步拓展[5]。目前，普遍通過對大功率半導體激光器輸出光束進行整形[6-9]和光纖耦合[10-11]來獲取理想的光束質(zhì)量，但整形系統(tǒng)和裝調(diào)難度的提升增加了器件的復雜程度和制作成本，亦不利于陣列集成，因此限制了半導體激光器在大功率激光器件領域的進一步拓展應用。面發(fā)射激光器件在克服以上邊發(fā)射器件局限性的同時具有更多獨特優(yōu)勢，擁有更好的發(fā)展前景。

目前商用的面發(fā)射激光器多為垂直腔面發(fā)射半導體激光器(VCSELs)，因其具有高光束質(zhì)量、單縱模輸出、低閾值電流、易耦合集成、價格低廉等特點[12-13]而廣泛應用于通信領域。而水平腔面發(fā)射半導體激光器發(fā)展較晚，水平腔面發(fā)射半導體激光器出光孔不需要鍍高反膜，表面損傷閾值??；另因表面出光，出光發(fā)散角小，避免了大快軸發(fā)散角附帶的問題；激光器共振腔較長，光增益較大，單模輸出功率大，是理想的高功率、單模單瓣耦合光源。同時水平腔面發(fā)射半導體激光器在制造上簡單，更容易集成二維陣列。

本文綜述了幾種不同結構水平腔面發(fā)射半導體激光器的基本工作原理、器件結構設計與工作性能，對國內(nèi)、外近十年的研究進展進行了總結和分析，并就其發(fā)展趨勢做出了展望。

2 基本原理

圖1 水平腔面發(fā)射激光器結構示意圖Fig.1 Structure diagram of horizontal cavity surface emitting lasers

目前，水平腔半導體激光器實現(xiàn)面發(fā)射的方法主要是引入3種結構——轉向鏡，二階光柵和光子晶體。這3種結構都是以傳統(tǒng)邊發(fā)射半導體激光器結構為基礎，通過改變器件結構，實現(xiàn)面發(fā)射。轉向鏡面發(fā)射激光器是在傳統(tǒng)邊發(fā)射激光器的基礎結構上進行幾何改變，在器件上縱向波導邊緣刻蝕45°反射鏡，如圖1(a)所示。該器件通過DBR反射鏡提供光反饋和選模，光子振蕩激射后經(jīng)45°轉向鏡反射，改變光路，最終從器件表面輸出。二階光柵面發(fā)射激光器和光子晶體面發(fā)射激光器則是在傳統(tǒng)邊發(fā)射激光器結構中增加二階光柵層和光子晶體層，利用二階光柵和光子晶體的本身特性改變激射方向，如圖1(b)、1(c)所示。二階光柵面發(fā)射激光器[14-19]利用二階光柵的衍射效應實現(xiàn)表面垂直出光。其中零級和二級衍射光用于光反饋以及選模作用，一級衍射光提供輸出耦合使光從器件表面出射。光子晶體面發(fā)射激光器[20-22]是在器件中加入光子晶體結構，利用光子晶體周期性介電常數(shù)的特性來實現(xiàn)器件表面發(fā)射出光。

3 器件結構

3.1 角度轉向鏡結構

2005年,加拿大M.L.Osowski等人[23]設計了一種高功率頻率穩(wěn)定的面發(fā)射激光器。如圖2所示，利用干法刻蝕技術在激光器上刻蝕45°自由轉向鏡(其精確度低于0.1°)，實現(xiàn)諧振光的全內(nèi)反射，并從襯底表面射出。該器件采用DBR結構提供反饋，實現(xiàn)選頻和穩(wěn)頻的作用。半寬全高0.9 nm，陣列出光功率可達瓦級。

圖2 垂直發(fā)射激光器芯片結構示意圖[23]Fig.2 Structure diagram of vertical emitting laser chip[23]

2010年,德國M.Moehrle等人[24]首次將45°轉換鏡與集成檢測光電二極管合并設計了一種1 490 nm水平腔面發(fā)射激光器。如圖3所示。該器件具有同VCSEL一樣低的閾值電流3～7 mA(工作溫度20～90 ℃)。

圖3 水平腔面發(fā)射激光器橫截面原理圖[24]Fig.3 Schematic cross-sectional view of horizontal cavity surface emitting lasers(HCSEL)[24]

3.2 二階光柵面發(fā)射分布反饋激光器

3.2.1 直線形光柵

2005年,美國Li Shuang等人[25]研制了無鋁二階光柵面發(fā)射激光器，這一結構依靠優(yōu)先刻蝕和二次外延來控制橫模。輸出光波長為980 nm。光柵結構分為700 μm的二階DFB光柵以及兩側600 μm的DBR結構。結構中存在的橫向有效折射率差(Δn>0.05)，20個單元構成陣列，分別實現(xiàn)1.6 W和10 W的連續(xù)和脈沖輸出功率。2007年,該研究團隊[26]對該結構進行了優(yōu)化改進，內(nèi)置折射率波導，同時為了使光場和二階光柵充分發(fā)揮作用，選擇了一個薄的P蓋層結構；采用分離限制異質(zhì)結結構來提供必要的增益和光學限制，實現(xiàn)了波長穩(wěn)定和單頻激光輸出。40個單元連續(xù)功率達到2.4 W。陣列制備過程中要將腔內(nèi)各個光模式調(diào)諧到共振狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 二維面發(fā)射激光器的立體結構圖插圖：面發(fā)射激光器截面圖[26]Fig.4 3-D schematic view of 2-D surface-emitting laserInset: Cross-sectional view of surface-emitting laser[26]

2006年，德國S.H?fling等人[27]研制了具有新型波導結構(耦合的法珀脊型波導)的單模量子級聯(lián)激光器。通過光學平版刻蝕和干法刻蝕技術將波導結構刻蝕到薄晶片上，將束縛態(tài)向連續(xù)態(tài)躍遷結構設計的49個活躍期嵌入等離子體以提升波導結構性能(1.4 μm厚高濃度摻雜和3.2 μm厚低濃度摻雜GaAs材料)，為面發(fā)射激光器研究提出了不同于傳統(tǒng)結構的波導結構。

2006年，美國Martin Schubert等人[28]采用中心π相移二階金屬光柵(具有空氣層)制備面發(fā)射激光器，輸出波長100 μm。其利用Floquet-Bloch和輻射場完美匹配層邊界條件的耦合模理論進行分析(這個理論的組合對二階光柵高折射率差是有效的)。光柵占空比和光場強度是影響面發(fā)射激光器工作性能的主要因素。如圖5所示。

圖5 激光器結構(光柵周期Λ和占空比σ)[28]Fig.5 Laser structure(grating periodicity Λ and duty cycle σ)[28]

隨著激光器技術的發(fā)展以及應用領域的拓展需求，2007年，A.Lyakh和P.Zory等人[29]研制了窄線寬(<1 cm-1)激光器，用于化學傳感器和污染監(jiān)測。如圖6所示，在量子級聯(lián)激光器上全息曝光并刻蝕光柵，光柵周期為1.65 μm。采用MOCVD低壓生且慢速生長0.1 nm/s，使輸出功率損失最低。獲得短脈沖激發(fā)(100 ns，16 kHz)，單縱模波長5 μm。

圖6 襯底發(fā)射量子級聯(lián)激光器結構示意圖[29]Fig.6 Schematic representation of the substrate-emitting quantum cascade laser[29]

2009年，G.Masions，M.Carras等人[30]設計了中紅外波段水平腔面光子級聯(lián)激光器，該器件采用非周期光柵結構，從襯底出射激光。如圖7所示。光柵結構由一個一階光柵和一個二階光柵組成，可以對垂直波導方向模式進行耦合的同時降低由金屬引起的損失，能夠?qū)σ浑A和二階傅里葉組分進行精確控制。通過寬度相同的兩個槽或峰的變化來調(diào)節(jié)兩個傅里葉組分的相對相移。外延片采用InGaAs/AlInAs有源區(qū)兩側InP包層結構。溫度300 K時閾值電流密度比是3 kA/cm2，光束發(fā)散角為12°×3.1°，同時該器件有較高的邊模抑制比。

圖7 非周期光柵結構面發(fā)射量子級聯(lián)激光器示意圖[30]Fig.7 Schematic diagram of surface-emitting quantum cascade lasers using biperiodic top metal grating[30]

2014年，C.Sigler，J.DKirch等人[31]設計了4.6 μm波段的光柵耦合面發(fā)射量子級聯(lián)激光器，該器件遠場單瓣，閾值小于0.5 A，斜率效能大于3 W/A。如圖8所示。利用TM模式和二階分布反饋金屬-半導體光柵的反對稱表面等離子體模式的諧振耦合功能抑制器件的反對稱模，使其具有強對稱模。器件兩端的分布布拉格反射鏡(DBR)光柵可以對光場和載流子分布起到束縛作用，避免了不可控反射以及災變型的端面退化，因此該器件具有穩(wěn)定輸出相干光的潛力，同時連續(xù)波工作輸出功率可達瓦級。

圖8 面發(fā)射掩埋異質(zhì)結構DFB/DBR量子級聯(lián)激光器結構示意圖[31]Fig.8 Schematic diagram of surface-emitting buried-heterostructure DFB/DBR quantum cascade lasers[31]

2016年，美國C.Boyle和C.Sigler等人[32],對中紅外波段二階光柵面發(fā)射激光器進行了研究。利用二階金屬半導體DFB光柵和二階DBR光柵實現(xiàn)光反饋和耦合輸出，研制出光柵耦合面發(fā)射量子級聯(lián)激光器。如圖9所示，該器件工作波段4.7 μm。DFB區(qū)域長度為2.55 mm，兩邊DBR區(qū)域長度均為1.28 mm，光柵整體長度為5.1 mm。該器件在縱向有對稱光柵模式，這是因為波導光學模式的諧振耦合可以形成反對稱表面等離子模式，同時反對稱模式會被光柵中的金屬強烈吸收，得到有利于激射的對稱模式。峰值泵浦功率到達0.4 W。

圖9 三維器件結構示意圖[32]Fig.9 Schematic three-dimensional device representation[32]

國內(nèi)的研究機構對于SE-DFB結構半導體激光器的關注較少，只有清華大學、北京半導體所、中科院長春光機所等單位開展了一些初步的探索。

2010年，郭萬紅，陸全勇等人[33]對紅外波段基于表面等離子波導的量子級聯(lián)面發(fā)射激光器進行了分析研究，基于耦合模式理論和無限周期結構的Floquet-Bloch理論，對金、銀、鈀材料進行分析，得出表面等離子波導層采用銀可以在7.8 μm獲得面發(fā)射量子級聯(lián)激光器。并優(yōu)化器件結構，獲得一種相對于傳統(tǒng)波導的分布反饋量子級聯(lián)激光器性能有明顯的提升的新型結構，該結構表面輸出耦合效率為43%，閾值增益為12 cm-1。如圖10所示。

圖10 激光器結構橫截面結構圖[33]Fig.10 Schematic cross section of laser structure[33]

2011年，郭萬紅、劉俊岐等人[34]設計了混合波導面發(fā)射分布反饋量子級聯(lián)激光器。該混合波導由薄的InGaAs接觸層和淺刻蝕在帶有金屬覆蓋層的包層上的二階光柵混合而成。通過優(yōu)化淺刻蝕二階光柵的占空比，降低波導損失同時提升耦合強度。溫度為90～130 K時能夠獲得穩(wěn)定的單模輸出，占空比高于20 dB，90 K時高斜率效率為194 mW/A。該器件沿波導方向遠場是分離15°的雙瓣模式。

2011年，葉淑娟、秦莉等人[35]模擬了激光中心波長927 nm的SE-DFB半導體激光器，采用表面二階金屬光柵，實現(xiàn)連續(xù)注入1.6 A電流，單面輸出單功率200 W，光譜線寬為0.8 nm。利用有機化學氣相沉積(MOCVD)生長得到外延結構，利用全息光刻技術制作二階光柵(周期為286 nm)。2012年，長春光機所葉淑娟、秦莉等人[36]研制了940 nm寬條(100 μm)二階光柵分布反饋面發(fā)射激光器，遠場角2.7°，0.07 nm光譜線寬，連續(xù)輸出功率718 mW。

2012年，陳劍燕、劉俊岐等人[37]研制了8.3 μm波段的二階分布反饋諧振腔的脈沖面發(fā)射量子級聯(lián)激光器。如圖11所示。該器件利用表面等離子增強(surface-plasmon-enhanced)的優(yōu)勢，室溫工作時實現(xiàn)單模、遠場雙瓣模式，沿波導方向發(fā)散角為0.35°，邊模抑制比為20 dB；溫度160 K時，出射峰值功率為3.85 W。

圖11 面發(fā)射量子級聯(lián)激光器光柵與脊形波導橫截面及局部光柵的電子顯微俯瞰示意圖[37]Fig.11 Schematic cross section of the grating region and the ridge-waveguide of surface emitting quantum cascade lasers and scanning electron microscopy top viewpoint of partial grating[37]

同年，姚丹陽、劉峰奇等人[38]設計了8.3 μm波長表面金屬光柵分布反饋量子級聯(lián)激光器，器件工作溫度為290 K時，輸出峰值功率可達463 mW；工作溫度為400 K時，輸出峰值功率達到18.7 mW，具有較大的溫度調(diào)諧范圍。該器件實現(xiàn)單模輸出，邊模抑制比為20 dB。如圖12所示。

圖12 表面金屬光柵分布反饋量子級聯(lián)激光器示意圖[38]Fig.12 Schematic diagram of the surface metal grating distributed feedback quantum cascade lasers[38]

圖13 面發(fā)射量子級聯(lián)激光器示橫截面結構圖[39]Fig.13 Schematic cross section of the surface-emitting quantum cascade lasers[39]

2013年，姚丹陽、張金川等人[39]研制出的4.6 μm波長的面發(fā)射分布反饋量子級聯(lián)激光器，如圖13所示，該器件利用掩埋光柵技術，在75 ℃高溫時連續(xù)工作。溫度為10 ℃時，遠場單瓣，最低閾值電流密度為0.85 kA/cm2，輸出功率為105 mW，發(fā)散角0.17°×18.7°，邊模抑制比為30 dB。

同年,譚少陽、翟騰等人[40]設計了脊形波導的面發(fā)射分布反饋量子級聯(lián)激光器，并對改進器件進行性能測試。有源區(qū)采用兩個低溫生長的InGaAs/GaAs量子阱，利用全息曝光和濕法刻蝕技術制作二階光柵，獲得1 064 nm的工作波長。單模工作時電流為255 mA，輸出功率90 mW，邊模抑制比高于55 dB，耦合效率達60 cm-1。

2014年，張錦川、劉峰奇等人[41]將等效相移技術(EPS)應用于激光器件的研究，研制了4.6 μm波長λ/4-EPS面發(fā)射分布反饋量子級聯(lián)激光器。通過改變?nèi)又芷?，使單個晶片具有多波長選擇性，同時單模出射，平均邊模抑制比超過20 dB，發(fā)散角為0.6° ×16.8°。室溫時脈沖工作可獲得較大波長覆蓋范圍72 nm。是迄今為止首個引入λ/4-EPS的面發(fā)射激光器。

同年，姚丹陽、張錦川等人[42]成功研制了4.6 μm波長的寬條型脈沖分布反饋量子級聯(lián)激光器，如圖14所示，脊長、脊寬分別是2 mm、60 μm。溫度20 ℃時，峰值功率1.82 W；溫度50 ℃時，峰值功率1.22 W。脈沖寬度為1 μs，占空比為0.2%。在激光器兩側端面鍍高反膜，可以獲得沿脊寬方向遠場單瓣模式，發(fā)散角為7.9°；而沿腔長方向遠場獲得雙瓣模式，發(fā)散角為0.61°。當熱沉溫度高達115 ℃時，器件單模出射連續(xù)可調(diào)，相應溫度調(diào)諧系數(shù)為Δv/ΔT=-0.16 cm-1C-1。

圖14 寬條形襯底出光分布反饋量子級聯(lián)激光器示意圖[42]Fig.14 Schematic of broad area substrate-emitting distributed feedback quantum cascade lasers[42]

2015年，劉穎慧、張錦川等人[43]利用頂部二階金屬半導體光柵結構發(fā)射橫磁偏振光，實現(xiàn)了在室溫下連續(xù)輸出波長4.8 μm。襯底在25 ℃時發(fā)光功率為94 mW，閾值電流密度1.21 kA/cm2，單邊抑制比為30 dB，發(fā)散角為0.58°×16.2°。如圖15所示。

圖15 光柵結構掃描電子顯微鏡圖像[43]Fig.15 SEM image of the grating structure[43]

3.2.2 曲線形光柵

2009年，美國Alfalight公司[44]將曲形光柵應用到面發(fā)射分布反饋半導體激光器上，在9XX～1 5XX nm波段都能得到大功率激光器。如圖16所示，將光柵刻在p蓋層上，中心為泵浦區(qū)域，邊緣為非泵浦區(qū)域，最邊緣還有吸收區(qū)域，用于抑制菲涅爾反射。曲線形光柵的設計是為了構成一個類似“傳統(tǒng)的非穩(wěn)定型諧振腔”，能夠最大限度的從增益介質(zhì)中獲取能量，得到好的光束質(zhì)量的橫模。Alfalight公司報道[45]的976 nm波長的面發(fā)射分布反饋激光器在連續(xù)波工作模式時衍射極限功率超過2 W，單一發(fā)射器輸出功率為73 W的最大記錄。

圖16 曲線形光柵面發(fā)射分布反饋激光器(帶有中心泵浦區(qū)域、光柵和吸收區(qū)域)俯視圖[44-45]Fig.16 An underside view of a curved-grating surface emitting distributed feedback laser showing central pumped-stripe, grating and absorber regions[44-45]

3.2.3 圓形光柵

2005年，英國G.A.Turnbull、A.Carleton等人[46]對聚合物圓形光柵分布反饋激光器的圓形光柵進行了特性研究。如圖17所示，在硅襯底上生成一層薄的共軛聚合物。通過圓形光柵的外直徑和占空比的優(yōu)化，獲得最小的閾值和最優(yōu)的面發(fā)射斜率效率。通過實驗獲得：圓形光柵為250 μm時，激光器的閾值為19 nJ，斜率效能為0.13%。

圖17 圓形光柵激光器常見結構[46]Fig.17 Generic structure of the circular grating lasers[46]

2010年，S.F.Yu和X.F.Li[47]提出了太赫茲圓形金屬光柵面發(fā)射分布反饋激光器的理論模型，并分析了該模式特性。如圖18所示。通過分析可知，金屬包層和二階圓形金屬光柵形成的表面耦合以及超高光束限制可以提升器件的激射效率。同時發(fā)現(xiàn)圓形狀的金屬-介質(zhì)-金屬波導結構會使衍射場強度隨光柵半徑r的增加而衰減，為獲得高度集中的圓形面發(fā)射模式提供了理論依據(jù)。

圖18 二階同軸圓形金屬光柵太赫面發(fā)射分布反饋量子級聯(lián)激光器示意圖[47]Fig.18 Schematic diagram of THz surface emitting distributed feedback quantum cascade lasers with a 2nd-order concentric circular metal grating[47]

2013年，Guozhen Liang、Houkun Liang等人[48]成功研制了單模工作面發(fā)射太赫茲量子級聯(lián)激光器。該器件采用非均勻二階分布反饋同軸圓形光柵(CCG)。工作溫度70 K時邊模抑制比為30 dB，獲得同軸六折旋轉對稱的遠場模式。其峰值輸出功率是體積相近的脊型波導激光器的3倍，閾值增益與面積相當?shù)募剐图す馄飨嘟?；表面出射光場分布比環(huán)形分布反饋量子級聯(lián)激光器均勻，非常適合二維高功率激光陣列的集成。

圖19 圓形量子級聯(lián)激光器異質(zhì)結和波導結構示意圖插圖是完整的圓形激光器形貌[49]Fig.19 Schematic illustration of the heterostructure and the waveguide of a ring quantum cascade lasers. The inset shows a sketch of the complete ring laser[49]

2014年，奧地利Rolf Szedlak等人[49]對圓形量子級聯(lián)激光器的遠場模式進行了研究，設計并制作了9 μm圓形量子級聯(lián)激光器，如圖19所示。通過理論和實驗分析可知，除了通過光柵π相移的方法外，還可以利用旋轉光柵裂縫的方法來獲得更好的遠場模式。

3.3 光子晶體面發(fā)射激光器

1999年，出現(xiàn)了光子晶體面發(fā)射激光器(PESELs)第一實驗演示[50-51]，就因為它獨特的特性和與常見的半導體激光器相比性能的提升吸引了人們的關注[51-60]。光子晶體由于其特有的結構能夠在較寬的區(qū)域提供穩(wěn)定的單模和較高的功率。

2009年，法國Gangyi Xu、Virginie Moreau等人[61]研制了7.3 μm波段面發(fā)射光子晶體量子級聯(lián)激光器，光子晶體被單獨的放在金屬層之上，金屬層模式和非金屬層區(qū)域之間的失配足夠滿足光學反饋獲取激光。如圖20所示。單模抑制比20 dB，工作溫度為220 K。當光子晶體厚度為150 nm時，出光發(fā)散角為9°,出光功率達到mW級。

圖20 器件橫截面圖[61]Fig.20 Schematic cross section of a device[61]

圖21 光子晶體面發(fā)射激光器結構示意圖左下方說明的是底部側模圓形p電極直徑[62]Fig.21 Schematic structure of a PCSEL device. Lower left panel illustrates bottom side view of circular p-electrode with diameter L[62]

2014年，日本Yong Liang等人[62]對光子晶體面發(fā)射激光器的單模穩(wěn)定性進行了分析，設計并制作了光子晶體面發(fā)射激光器，如圖21所示。該結構采用晶片鍵合技術，嵌入方形井網(wǎng)光子晶體結構層，利用直角等腰三角形不對稱特性獲得有效出光平面耦合，p電極層是圓形電極。通過理論分析和實驗可知，獲取穩(wěn)定光子晶體結構，需要增大主要發(fā)光模式與競爭模式之間的閾值邊緣Δα，同時避免空間燒孔現(xiàn)象。

4 發(fā)展趨勢

由近些年的相關報道可知：在3種結構的激光器中，轉向鏡原理較為簡單，但工藝復雜并且制作困難。光子晶體結構需要大的高寬比和空氣填充系數(shù)的精確控制，同時還要考慮邊界吸收。然而二階光柵結構的水平腔面發(fā)射半導體激光器結構由于其制備工藝及其性能的優(yōu)勢獲得了廣泛的關注，并在結構參數(shù)和性能上得到了快速地優(yōu)化。

二階光柵多應用于量子級聯(lián)激光器結構上，并在基礎理論、波導結構、光柵設計、出光特性等方面都取得了較好的發(fā)展。 二階光柵中矩形光柵的應用較為廣泛，雖然能產(chǎn)生穩(wěn)定單模輸出且光束質(zhì)量較好，但很難達到大功率。而美國Alfalight公司生產(chǎn)的商用二階曲線光柵面發(fā)射分布反饋激光器，單一發(fā)射器輸出功率能達到73 W。曲形光柵的設計原理是構成一個類似“傳統(tǒng)的非穩(wěn)定型諧振腔”，能夠最大限度的從增益介質(zhì)中獲取能量，得到好的光束質(zhì)量的橫模。雖然曲線形光柵能帶來大功率，但曲線形光柵易受溫度和誘發(fā)載流子介電常數(shù)變化的傷害，在高功率輸出時器件容易產(chǎn)生多模。二階分布反饋光柵的引入可以減小沿脊軸方向的發(fā)散角，環(huán)形光柵、準直硅鏡、三階布拉格光柵等可以用于改善出射光的二維圖形，并且同軸圓形光柵也被證實為一種有效克制脊形波導缺點的方法。因此對于新型器件的研究，可以從探索新的光柵形狀(三角形，矩形等等)以及新型波導結構出發(fā)，這樣不僅可以提升激光器的功率，還能增強器件的穩(wěn)定性。

隨著應用領域的擴展，中紅外波段面發(fā)射激光器成為研究熱點。該波段是追跡氣體探測、自由空間通信和污染監(jiān)測等應用領域的理想波段。光子晶體面發(fā)射激光器在該波段得到了廣泛的研究，但其性能還有待提升。二階光柵面發(fā)射激光器也開始對該波段進行探索研究，但遠場光斑為雙瓣。隨著半導體器件工藝的發(fā)展，使二階光柵面發(fā)射激光器在該波段范圍工作成為可能。二階光柵工藝的發(fā)展可以擴大工作波長的范圍，應用在更多領域。光柵材料除了采用半導體材料以外，還可以采用金屬材料，由于金屬與半導體界面能夠產(chǎn)生等離子體，可以提高斜率效率和輸出功率，并改善光束質(zhì)量。器件結構上還可以采取漸變式波導結構或梯形波導結構，有助于光場強度分布的改善和光耦合輸出效率的提升。

表1 3種結構面發(fā)射激光器性能

5 結束語

目前，國際上水平腔面發(fā)射半導體激光器已經(jīng)取得極大的發(fā)展。由3種具有特殊結構的面發(fā)射激光器綜合對比可知，轉向鏡面發(fā)射激光器因其工藝較難，光束質(zhì)量較差而很少被關注；二階光柵面發(fā)射激光器和光子晶體面發(fā)射激光器因其光束質(zhì)量好，輸出功率大等優(yōu)點而得到廣泛認可，并且在基本理論，制作工藝等方面都已經(jīng)趨于成熟。

國內(nèi)相關研究單位較少，并大部分工作集中在二階光柵面發(fā)射激光器的研究上，對光子晶體結構激光器研究較少。隨著水平腔面發(fā)射激光器性能的提升及應用領域的擴展，將會有越來越多的研究人員加入到該激光器結構的研發(fā)和探索中。對二階光柵結構的深入研究以及相關工藝水平的不斷提升將有利于器件性能的提高以及工作波段的拓展。而光子晶體面發(fā)射激光器因其工作波段的優(yōu)勢可以在氣體追蹤，污染檢測等領域得到廣泛應用，具有良好的發(fā)展前景。

[1] LEE H C,GAENSSLEN R E.AdvancesinFingprintTechnology[M]. Elsevier,1991.

[2] TANIYASU Y,KASU M,MAKIMOTO T. An aluminium nitridelight-emitting diode with a wavelength of 210 nanometres[J].Nature,2006,441:325-328.

[3] HIRAVAMA H,TSUKADA Y, MAEDA T,etal.. Marked enhancement in the efficiency of deep-ultraviolet AlGaN light-emitting diodes by using a multi quantum-barrier electronlocking layer[J].Appl.Phys.Express,2010,3:031002.

[4] KHAN M A,SHATALOV M,MARUSKA H P,etal.. III-Nitride UV devices[J].Jpn.J.Appl.Phys.,2005,44(10):7191-7206.

[5] 王立軍，寧永強，秦莉,等.大功率半導體激光器研究進展[J].發(fā)光學報,2015,36(1):1-19. WANG L J,NING Y Q,QIN L,etal.. Development of high power diode laser[J].ChineseJ.Luminescence,2015,36(1):1-19.(in Chinese)

[6] 李珂,石鵬,張曉波,等.雙透鏡系統(tǒng)光學整形元件的設計制作[J].中國激光,2010,37(8):1972-1977. LI K,SHI P,ZHANG X B,etal.. Design and preparation of diffraction optical element in dual lens system[J].ChineseJ.Lasers,2010,37(8):1972-1977.(in Chinese)

[7] 馬浩統(tǒng),周樸,王小林,等.基于液晶空間光調(diào)制器的激光光束近場整形[J].光學學報,2010,30(7):2032-2036. MA H T,ZHOU P,WANG X L,etal.. Near-field beam shaping based on liquid crystal spatial light modulator[J].ActaOpticaScinica,2010,30(7):2032-2036.(in Chinese)

[8] 陳凱,李平雪，陳檬,等.高斯光束整形為平頂光束的非球面系統(tǒng)設計和面形參數(shù)分析[J].激光與光電子學進展,2011,48(3):032201. CHEN K,LI X P,CHEN M,etal.. Design and analysis of surface parameters of aspheric lenses system converting Gaussian beam to flattop beam[J].Laser&OptoelectronicsProgress,2011,48(3):032201.(in Chinese)

[9] 金國藩,嚴瑛白,鄔敏賢,等.二元光學[M].北京:國防工業(yè)出版社,1998. JIN G F,YAN Y B,WU M X,etal..BinaryOptics[M]. Bingjing:National Defense Industry Press,1998.(in Chinese)

[10] STEFAN H,BEN L,BORIS R,etal.. Single emitter based diode lasers with high brightness and narrow linewidth[J].Proc.SPIE,2011,7918:79180M.

[11] PAUL W,BERND K H,KARSTEN R,etal.. High-power, high-brightness and low-weight fiber coupled diode laser device[J].SPIE,2011,7918:PSI79180O.

[12] KITCHING J,KNAPPE S. A microwave frequency reference based in VCSEL driven dark line resonances in Cs vapor[J].IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement,2000,49(6):1313-1317.

[13] MILLER M,GRANBHERR M. Improved output performance of high-power VCSELs[J].IEEEJSelTopQuantumElectron,2001,7:210-216.

[14] 田錕,鄒永剛,馬曉輝,等.面發(fā)射分布反饋半導體激光器[J].中國光學,2016,9(1):51-64. TIAN K,ZOU Y G,MA X H,etal.. Surface emitting distributed feedback semiconductor lasers[J].ChineseOptics,2016,9(1):51-64.(in Chinese)

[15] 戚曉東,葉淑娟,張楠,等.面發(fā)射分布反饋半導體激光器及光柵耦合半導體激光器[J].中國光學與應用光學,2010,3(5):415-431. QI X D,YE S J,ZHANG N,etal.. Surface-emitting distributed-feedback semiconductor lasers and grating-coupled laser diodes[J].ChineseJ.OpticsandAppliedOptics,2010,3(5):415-431.

[16] TOBY J G,DON O,YAN X,etal.. Long wavelength surface-emitting distributed feedback(SE-DFB) laser for range finding applications[J].SPIE,2012,8241:824113-4.

[17] LIANG G Z,LIANG H K,ZHANG Y,etal.. Low divergence single-mode surface-emitting concentric-circular-grating terahertz quantum cascade lasers[J].OpticsExpress,2013,21(26):31878-31882.

[18] CLEMENS S,ELVIS M,SANG I A,etal.. Grating duty-cycle induced enhancement of substrate emission from ring cavity quantum cascade lasers[J].AppliedPhysicsLetters,2012,100(19):191103-3.

[19] CLEMENS S,ROLF S,SANG I A,etal.. Linearly polarized light from substrate emitting ring cavity quantumcascade lasers[J].AppliedPhysicsLetters,2013,103(8):081101-3.

[20] SHOICHI K,TAKESHI K,YASUHIRO N,etal.. GaN-based surface-emitting laser with two-dimensional photonic crystal acting as distributed-feedback grating and optical cladding[J].AppliedPhysicsLetters,2010,97(25):251112-3.

[21] WU T T,CHEN C C,LU T C,etal.. Effects of lattice types on GaN-based photonic crystal surface-emitting lasers[J].QuantumElectronics,2015,21(1):1700106.

[22] ZHAO D Y,LIU S,YANG H J,etal.. Printed large-area single-mode photonic crystal bandedge surface-emitting lasers on silicon[J].ScientificReports,2016,6:18860.

[23] OSOWSKI M L,LAMMERT R M. High Power Frequency Stabilized Surface Emitting Arrays[R]. Osowski-SSDLTR, 2005.

[24] MOEHRLE M,KREISSL J,MOLZOW W D,etal.. Ultra-low threshold 1490 nm surface-emitting BH-DFB laser diode with integrated monitor photodiode[C]. 22ndInternational Conference on Indium Phosphide & Related Materials(IPRM),IEEE,2010:TuA3-4.

[25] LI S,BOTEZ D. Design for high-power single-mode operation from 2-D surface-emitting ROW-DFB lasers[J].PhotonicsTechnologyLetters,2005,17(3):519-521.

[26] LI S,BOTEZ D. Analysis of 2-D Surface-Emitting ROW-DFB Semiconductor Power Single-Mode Operation[J].J.QuantumElectronics,2007,43(8):655-667.

[27] HOFLING S,HEINRICH J,REITHMAIER J P,etal.. Widely tunable single-modequantum cascade lasers with two monolithically coupled Fabry-P rot cavities[J].Appl.Phys.Lett.,2006,89:241126.

[28] MARTIN S,FARHAN R. Analysis of Terahertz surface emitting quantum-cascade lasers[J].J.QuantumElectronics,2006,42(3):257-265.

[29] LYAKH A,ZORY P,BOTEZ D,etal.. Substrate-emitting, distributed feedback quantum cascade lasers[J].AppliedPhysicsLetters,2007,91:181116.

[30] MAISONS G,CARRAS M,GARCIA M,etal.. Substrate emitting index coupled quantum cascade lasers using biperiodic top metal grating[J].AppliedPhysicsLetters,2009,94(15):151104.

[31] SIGLER C,KIRCH J D,EARLES T,etal.. Design for high-power, single-lobe,grating-surface-emitting quantum cascade lasers enabled by plasmon-enhanced absorption of antisymmetric modes[J].AppliedPhysicsLetters,2014,1049 (13):131108.

[32] BOYLE C,SIGLER C,KIRCH J D,etal.. High-power, surface-emitting quantum cascade laser operating in a symmetric grating mode[J].AppliedPhysicsLetters,2016,108:121107.

[33] GUO W H,LU Q Y,LIU J Q,etal.. Analysis of surface emitting distributed-feedback quantum cascade laser based on a surface-plasmon waveguide[J].J.Semiconductors,2010,31(11):114014.

[34] GUO W H,LIU J Q,CHEN J Y,etal.. Single-mode surface-emitting, distributed feedback quantum-cascade lasers based on hybrid waveguide structure[J].ChineseOpticsLetters,2011,9(6):061404.

[35] 葉淑娟,秦莉,戚曉東,等.二階光柵分布反饋半導體激光器的出光特性[J].中國激光,2010,37(9): 2371-2375. YE SH J,QIN L,QI X D,etal.. Emission characteristics of second-order distributed feedback semiconductor lasers[J].ChineseJ.Lasers,2010,37(9):2371-2375.(in Chinese)

[36] CHEN Y Y,QIN L,JIA P,etal.. High power narrow far-field broad-stripe semiconductor lasers with second-order metal grating feedback[J].SemiconductorLasersandApplications,2012,8552:85520E.

[37] CHEN J Y,KIU J Q,GUO W H,etal.. High-power surface-emitting surface-plasmon-enhanced distributed feedback quantum cascade lasers[J].PhotonicsTechnologyLetters,2012,24(11):972-974.

[38] YAO D Y,LIU F Q,ZHANG J C,etal.. High power surface metal grating distributed feedback quantum cascade lasers emitting atλ～8.3 μm[J].ChinesePhysicsLetter,2012,29(9):94205.

[39] YAO D Y,ZHANG J C,LIU F Q,etal.. Surface-emitting quantum cascade lasers operation in continuous-wave mode above 70 ℃ atλ-4.6 μm[J].AppliedPhysicsLetters,2013,103:041121.

[40] TAN S Y,ZHAI T,LU D,etal.. Fabrication and characterization of high power 1064-nm DFB lasers[J].ChinesePhysicsLetter,2013,30(11):114202.

[41] ZHANG J C,LIU F Q,YAO D Y,etal.. Multi-wavelength surface emitting quantum cascade lasers based on equivalent phase shift[J].J.AppliedPhysics,2014,115:033106.

[42] YAO D Y,ZHANG J C,LIU F Q,etal.. 1.8W room temperature pulsed operation substrate-emitting quantum cascade lasers[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2014,26(4):323-325.

[43] LIU Y H,ZHANG J C,JIA Z W,etal.. Top grating, surface-emitting DFB quantum cascade lasers in continuous-wave operation[J].PhotonicsTechnologyLetters,2015,27(17):1829-1832.

[44] TOBY J G,DON O,YAN X,etal.. High-power surface emitting distributed feedback(SE-DFB) lasers[J]. 2012 IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting,IEEE,2012:1-2.

[45] KANSKAR M,CAI J,KEDLAYA D,etal.. High brightness 975 nm surface-emitting distributed feedback laser & arrays[J].SPIE,2010,7686:76860J.

[46] TURNBULL G A,CARLETON A,BARLOW G F,etal.. Influence of grating characteristics on the operation of circular-grating distributed feedback polymer lasers[J].J.AppliedPhysics,2005,98:023105.

[47] YU S F,LI X F. Design and analysis of terahertz surface-emitting distributed-feedback lasers with circular metal grating[C]. IEEE 3rd International Nanoelectronics Conference,IEEE,2010:1-2.

[48] LIANG G Z,LIANG H K,ZHANG Y,etal.. Single-mode surface-emitting concentric-circular-grating terahertz quantum cascade lasers[J].AppliedPhysicsLetters,2013,102:031119.

[49] ROLF S,CLEMENS S,TOBIAS Z,etal.. Grating-based far field modifications of ring quantum cascade lasers[J].OpticsExpress,2014,22(13):15829-15836.

[50] MEIER M,MEKIS A,DODABALAPUR A,etal.. Laser action from two- dimensional distributed feedback in photonic crystal[J].AppliedPhysicsLetters,1999,74:7.

[51] IMADA M,NODA S,CHUTINAN A,etal.. Coherent two-diamwnsional lasing action in surface-emitting laser with triandular-lattice photonic crystal structure[J].AppliedPhysicsLetters,1999,75:316.

[52] NODA S,YOKOYAMA M,IMADA M,etal.. Polarization mode control of two-dimensional photonic crystal laser by unit cell structure design[J].Science,2001,293:1123.

[53] IMADA M,CHUTINAN A,NODA S,etal.. Multidirectionally distributed feedback photonic crystal lasers[J].Phys.Rev.B,2002,65:195306.

[54] VURGAFTMAN I,MEYER J R. Design optimization for high-brightness surface-emitting photonic-crystal distributed-feedback lasers[J].IEEEJ.QuantumElectron,2003,39:689-700.

[55] OHNISHI D,OKANO T,IMADA M,etal.. Room temperature continuous wave operation of a surface-emitting two-dimensional photonic crystal diode laser[J].OpticalExpress,2004,12:1562-1568.

[56] MIYAI E,SAKAI K,OKANO T,etal.. Photonics:Lasers producing tailored beams[J].Nature,2006,441:946-948.

[57] MATSUBARA H,YOSHIMOTO S,SAITO H,etal.. GaN photo-crystal surface-wmitting laser at blue-violet wavelengths[J].Science,2008,319:445-447.

[58] KIM M,KIM C S,BEWLEY W,etal.. Surface-emitting photonic-crystal distributed-feedback laser for the midinfrared[J].AppliedPhysicsLetters,2006,88:191105.

[59] CHASSAGNEUX Y,COLOMBELLI R,MAINEULT W,etal.. Electrically pumped photonic-crystal terahertz lasers controlled by boundary conditions[J].Nature,2009,457:174-178.

[60] KUROSAKA Y,IWAHASHI S,LIANG Y,etal.. On-chip beam-steering photonic-crystal lasers[J].Photonics,2010,4:447-450.

[61] XU G Y,VIRGINIE M,YANNICK C,etal.. Surface-emitting quantum cascade lasers with metallic photonic-crystal resonators[J].AppliedPhysicsLetters,2009,94:221101-3.

[62] LIANG Y,TSUYOSHI O,KYOKO K,etal.. Mode stability in photonic-crystal surface-emitting lasers with largeκ1DL[J].AppliedPhysicsLetters,2014,104:021102-3.

《發(fā) 光 學 報》

—EI核心期刊 (物理學類； 無線電電子學、 電信技術類)

《發(fā)光學報》是中國物理學會發(fā)光分會與中國科學院長春光學精密機械與物理研究所共同主辦的中國物理學會發(fā)光分會的學術會刊。 該刊是以發(fā)光學、 凝聚態(tài)物質(zhì)中的激發(fā)過程為專業(yè)方向的綜合性學術刊物。

《發(fā)光學報》于1980年創(chuàng)刊， 曾于1992年， 1996年， 2000年和2004年連續(xù)四次被《中文核心期刊要目總覽》評為“物理學類核心期刊”， 并于2000年同時被評為“無線電電子學、 電信技術類核心期刊”。2000年獲中國科學院優(yōu)秀期刊二等獎。 現(xiàn)已被《中國學術期刊(光盤版)》、 《中國期刊網(wǎng)》和“萬方數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)”等列為源期刊。 英國《科學文摘》(SA)自1999年； 美國《化學文摘》(CA)和俄羅斯《文摘雜志》(AJ)自2000年； 美國《劍橋科學文摘社網(wǎng)站》自2002年； 日本《科技文獻速報》(CBST， JICST)自2003年已定期收錄檢索該刊論文； 2008年被荷蘭“Elsevier Bibliographic Databases”確定為源期刊; 2010年被美國“EI”確定為源期刊。2001年在國家科技部組織的“中國期刊方陣”的評定中， 《發(fā)光學報》被評為“雙效期刊”。2002年獲中國科學院2001～2002年度科學出版基金“擇重”資助。2004年被選入《中國知識資源總庫·中國科技精品庫》。本刊內(nèi)容豐富、 信息量大，主要反映本學科專業(yè)領域的科研和技術成就， 及時報道國內(nèi)外的學術動態(tài)， 開展學術討論和交流， 為提高我國該學科的學術水平服務。

《發(fā)光學報》自2011年改為月刊， A4開本， 144頁， 國內(nèi)外公開發(fā)行。 國內(nèi)定價： 40元， 全年480元， 全國各地郵局均可訂閱。 《發(fā)光學報》歡迎廣大作者、 讀者廣為利用， 踴躍投稿。

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http://www.fgxb.org

Research progress of horizontal cavity surface emitting semiconductor lasers

HAI Yi-na, ZOU Yong-gang*, TIAN Kun, MA Xiao-hui, WANG Hai-zhu, FAN Jie, BAI Yun-feng

(StateKeylaboratoryofHigh-powerSemiconductorLasers,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China)

*Correspondingauthor,E-mail:zouyg@cust.edu.cn

In recent years, horizontal cavity surface emitting semiconductor lasers have become a hot research topic in the field of lasers due to its excellent properties such as high power,high beam quality,easy packaging,integration and so on. In this paper, we describe several types of horizontal cavity surface emitting semiconductor lasers and their working principle, structure design and features. Then, we summarize and review the present research and development of the proposed lasers at home and abroad, and on this basis, aiming at the research work for horizontal cavity surface-emitting semiconductor lasers and development trends, a further analysis and outlook are given. Currently, the output power of the horizontal cavity surface emitting semiconductor lasers has achieved watts level, and the output power of single transmitter producted by Alfalight company can reach up to 73 W with curved grating. With the expansion of application fields, far infrared band horizontal cavity surface emitting lasers will become focus in the future.

surface emitting;steering mirror;second order grating;photonic crystal;semiconductor lasers

2016-10-20；

2016-11-29

吉林省科技計劃重點項目(No.20140204028GX,No.20150204068GX) Supported by Key Project of S&T Development Plan of Jilin Province of China(No.20140204028GX,No.20150204068GX)

2095-1531(2017)02-0194-13

TN248.4

A

10.3788/CO.20171002.0194

海一娜(1990-)，女，內(nèi)蒙通遼人，博士研究生，主要從事光電子技術與應用方面的研究。E-mail:haiyn90@163.com

鄒永剛(1982-)，男，吉林長春人，博士，副研究員，碩士生導師，2004年、2009年于吉林大學分別獲得學士、博士學位，主要從事光電子技術與應用、光電子器件等方面研究。E-mail:zouyg@cust.edu.cn