劉舒曼，張錦川，葉小玲，劉俊岐，王利軍，卓寧，翟慎強(qiáng)，李遠(yuǎn)，劉峰奇

（1 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

（2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 材料與光電研究中心，北京 100049）

0 引言

帶間級(jí)聯(lián)激光器（Interband Cascade Laser，ICL）［1］與量子級(jí)聯(lián)激光器（Quantum Cascade Laser，QCL）［2］是目前主流的中紅外半導(dǎo)體相干光源，其中QCL 以瓦級(jí)大功率見長(zhǎng)，優(yōu)勢(shì)波段在4 μm 以上，同時(shí)功耗較大，而ICL 以低功耗為最大特色，在3～5 μm 波段室溫連續(xù)波（Continuous Wave，CW）工作，該波段包含了豐富的分子基模吸收峰，包括石化工業(yè)中重要的烷烴分子，與環(huán)境污染密切相關(guān)的SO2、甲醛等，以及醫(yī)療和健康領(lǐng)域中的作為生物標(biāo)志的NO、H2S 等。目前基于激光吸收譜技術(shù)的ppm（10-6）到ppb（10-9）量級(jí)的高靈敏光學(xué)傳感系統(tǒng)中大多使用低功耗的單模ICL 作為相干光源［3-6］。

ICL 有源區(qū)中光躍遷發(fā)生在InAs/GaInSb/InAs W 型二類量子阱構(gòu)成的增益區(qū)中，是帶間躍遷，光學(xué)增益系數(shù)高于QCL 中的子帶間躍遷，N個(gè)這樣的增益區(qū)通過GaSb/AlSb 量子阱構(gòu)成的空穴注入?yún)^(qū)和InAs/AlSb 啁啾超晶格構(gòu)成的電子注入?yún)^(qū)串聯(lián)在一起，形成級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。近紅外和可見波段的多量子阱激光器有源區(qū)為并聯(lián)方式，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所需的注入電流密度與總載流子密度相關(guān)，而級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)所需的注入電流密度與每周期的載流子面密度成正比，因而器件的閾值電流更低；其次，級(jí)聯(lián)激光器每注入一個(gè)電子理論上能發(fā)射N個(gè)光子，因而斜率效率也高于傳統(tǒng)的量子阱激光器；最后，中紅外波段器件的有效壓降低的多，級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)能有效降低激光器整體的寄生壓降，從而實(shí)現(xiàn)中紅外半導(dǎo)體激光器的室溫連續(xù)波工作［7］。另一方面，級(jí)聯(lián)激光器的開啟電壓正比于周期數(shù)N，因此，同樣電流密度下，有源區(qū)產(chǎn)生的熱量更多，具體地，對(duì)于QCL，N通常為30～40，以保證有源區(qū)足夠的增益，對(duì)于ICL，鑒于帶間躍遷的增益系數(shù)更高，只需3～10 個(gè)級(jí)聯(lián)單元就能達(dá)到閾值增益，因此，ICL 器件的閾值功耗比QCL 低。關(guān)于ICL 的工作原理以及研究進(jìn)展已經(jīng)有多篇綜述文章，包括ICL 的發(fā)明人楊瑞青教授的系列綜述［8-10］、美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室（Naval Research Laboratory，NRL）的中紅外激光器研究組發(fā)表的系列綜述［11-13］，以及中科院半導(dǎo)體所牛智川組發(fā)表的綜述文章［14-15］，這里不再贅述，本文重點(diǎn)關(guān)注單模ICL，對(duì)其現(xiàn)狀、面臨的問題以及性能的優(yōu)化方案進(jìn)行探討。這里的單模指單縱模，半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)單模的方式主要有一維分布反饋光柵（Distributed Feedback，DFB）選模、短腔長(zhǎng)的垂直腔面發(fā)射、2D 光子晶體DFB 選模以及外腔中光柵選模，此外，也可以用另一個(gè)模式匹配的Fabry-Perot（FP）腔激光注入實(shí)現(xiàn)單縱模激射，其中外腔選模的質(zhì)量更多依賴機(jī)械或微機(jī)械傳動(dòng)裝置的穩(wěn)定性以及閃耀光柵的衍射效率，F(xiàn)P 互注入選模目前只報(bào)導(dǎo)了低溫工作［16］，本文不再詳述。本文主要介紹了在ICL 有源區(qū)附近引入DFB 光柵的各種方式以及相應(yīng)的器件性能，給出垂直腔面發(fā)射ICL 的結(jié)構(gòu)和性能，介紹2D 光子晶體ICL的設(shè)計(jì)和性能，最后給出總結(jié)和展望。

1 分布反饋帶間級(jí)聯(lián)激光器（DFB ICL）

DFB 半導(dǎo)體激光器常用耦合波理論進(jìn)行設(shè)計(jì)和模擬［17］，基本原理是DFB 光柵對(duì)折射率或/及增益產(chǎn)生周期調(diào)制，光柵起到帶通濾波的作用，只有Bragg 波長(zhǎng)附近的模式能夠激射，Bragg 波長(zhǎng)和光柵周期Λ滿足條件Λ=mλB/2ng，m是衍射級(jí)數(shù)，λB是Bragg 波長(zhǎng)，ng是群折射率。DFB 腔中的光反饋強(qiáng)度用耦合系數(shù)κ和腔長(zhǎng)L的乘積表示，即耦合強(qiáng)度κL，最佳值在1 附近。均勻DFB 光柵的Bragg 波長(zhǎng)位于禁帶中，引入λ/4 相移能夠獲得Bragg 波長(zhǎng)處的單模激射。

1.1 邊發(fā)射DFB ICL

近紅外和中紅外波段的邊發(fā)射DFB 激光器是商品化程度最高的單模半導(dǎo)體激光器，廣泛用于光通訊和紅外氣體檢測(cè)等領(lǐng)域。InP 基量子阱和QCL 的DFB 光柵通常置于有源區(qū)上面的InGaAs分別限制層（Separate Confinement Layer，SCL），完成光柵工藝后，二次外延上包層，形成掩埋光柵結(jié)構(gòu)，后續(xù)采用常規(guī)的窄脊波導(dǎo)工藝，能夠降低波導(dǎo)損耗，再配合半絕緣InP 的三次外延，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的熱管理。

GaSb 基ICL 的基本外延結(jié)構(gòu)如圖1所示，以3.5 μm 波長(zhǎng)5 周期有源區(qū)的器件為例，上下GaSb SCL 的厚度為200～500 nm，上InAs/AlSb 超晶格包層的厚度為1.5 μm 左右，表面InAs 接觸層與GaSb 襯底有0.6%的晶格失配，為了避免產(chǎn)生位錯(cuò)，厚度不超過20 nm。理論上，可以在上SCL 中刻蝕DFB 光柵后二次外延上包層，然而，InAs/AlSb 超晶格的無(wú)位錯(cuò)生長(zhǎng)本身就是ICL 全結(jié)構(gòu)外延的難點(diǎn)，即使直接在平整的GaSb 緩沖層上生長(zhǎng)1～2 μm 厚度的InAs/AlSb 超晶格，也要精確控制InAs 和AlSb 層的厚度、界面處的V 族源交換順序以及生長(zhǎng)停頓時(shí)間，以確保整個(gè)超晶格實(shí)現(xiàn)應(yīng)變平衡，因此，沒有可能在GaSb 上SCL 的光柵上生長(zhǎng)出無(wú)缺陷的InAs/AlSb 超晶格上包層，即無(wú)法制作掩埋光柵結(jié)構(gòu)，只能另尋出路。最容易想到的是在表面制作光柵，表面距有源區(qū)較遠(yuǎn)，為了提高光柵與有源區(qū)光學(xué)模式的耦合效率，將InAs/AlSb 上包層的厚度減薄。即使這樣，InAs 表面接觸層10～20 nm 的厚度遠(yuǎn)小于光柵深度的要求。為了解決這些問題，出現(xiàn)了7 種不同的光柵制備方案，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1 GaSb 基ICL 外延結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of GaSb-based ICL epilayers

首先介紹NRL 的三種光柵方案，即表面Ge 光柵、側(cè)壁高階光柵和表面InAs/SiN 光柵，圖2 匯總了各種結(jié)構(gòu)示意圖和主要的器件性能表征結(jié)果。Ge 表面光柵DFB ICL 最早在2006年報(bào)導(dǎo)［18］，當(dāng)時(shí)ICL 還未實(shí)現(xiàn)室溫CW 工作。在ICL 全結(jié)外延層上用濕法刻蝕1.6 μm 深的脊型波導(dǎo)，脊頂寬度為15 μm，用電子束曝光在脊頂定義光柵圖形，沉積100 nm 厚高折射率（n=4.0）的Ge 層，剝離，形成周期為505 nm、占空比為50%的Ge 光柵，計(jì)算出有源區(qū)光學(xué)模式的耦合強(qiáng)度κL=3.0，有少許過耦合。這個(gè)樣品的脊太寬，出現(xiàn)了高階橫模，只能在閾值附近獲得單縱模激射譜，此時(shí)高階橫模的橫向限制因子小于基橫模，因此模式增益達(dá)不到閾值條件。當(dāng)注入電流增大，遠(yuǎn)高于閾值電流時(shí)，非均勻電流注入、熱積累和空間燒孔等效應(yīng)相結(jié)合，導(dǎo)致高階橫模的激射，這些效應(yīng)用極窄的脊才能抑制，對(duì)于3.5 μm 附近的波長(zhǎng)，脊寬不能超過5 μm。

圖2 分布反饋帶間級(jí)聯(lián)激光器的形貌及性能表征［20，22，24-25］Fig.2 Morphology and characteristics of DFB ICLs［20，22，24-25］

次年，他們減小脊寬到13 μm，并在側(cè)壁沉積Si，以提高高階橫模的損耗，增加基橫模工作的電流范圍，器件性能有一定的提升［19］，但是仍然是低溫工作，單模的動(dòng)態(tài)范圍仍然較小。直到2012年，他們報(bào)導(dǎo)了室溫CW 工作超過27 mW 的單模功率，該樣品的脊寬進(jìn)一步減少到7.4 μm，在脊頂部窗口內(nèi)用電子束曝光和剝離工藝制作200 nm 厚的一階Ge DFB 光柵，沉積上電極后再電鍍6 μm 的Au 以提高散熱效率，腔面采用HR/AR 鍍膜［20］，圖2（a）分別給出Ge 表面光柵的掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）圖、單模的溫度調(diào)諧特性和器件光-電流-電壓（L-I-V）特性，光譜的邊模抑制比（Side Mode Suppression Ratio，SMSR）達(dá)到30 dB，L-I-V曲線上的虛線部分代表出現(xiàn)多模激射，表明光柵周期對(duì)應(yīng)的Bragg 波長(zhǎng)與室溫增益峰值偏差較大，因此，器件25 ℃附近的室溫是多模工作，調(diào)節(jié)光柵周期，使Bragg 波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)室溫增益峰，應(yīng)該能夠獲得更大的單模工作動(dòng)態(tài)范圍。在制作類似Ge 光柵的過程中，很容易出現(xiàn)Ge 層脫落的問題，工藝的成品率不高。

針對(duì)5 μm 以下脊工藝難度大的問題，2009年，NRL 報(bào)導(dǎo)了側(cè)壁四階DFB 光柵單模ICL 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［21］，這里四階光柵同時(shí)起到兩個(gè)作用，一是增加更高階橫模的損耗，二是對(duì)基模提供4 階DFB 衍射。脊兩側(cè)光柵形貌如圖2（b）左邊的SEM 圖［22］所示，光柵周期Λ=2 μm，槽深約1 μm，耦合強(qiáng)度κL與脊寬有很大的關(guān)系，9.4 μm 脊寬、2 mm 腔長(zhǎng)的器件室溫最大單模功率為12 mW，2013年發(fā)表的文獻(xiàn)中［23-24］，脊寬增加到13.2 μm，腔長(zhǎng)增加到4 mm，且采用HR/AR 腔面鍍膜，圖2（b）中間給出該器件的變電流單模光譜，SMSR 為17～20 dB，器件在25 ℃的最大CW 單模輸出功率達(dá)到55 mW，如圖2（b）右側(cè)L-I曲線所示，由此可見，側(cè)壁四階DFB 的設(shè)計(jì)允許較大的脊寬獲得單橫模和單縱模激射，脊寬增加有助于提高最大輸出功率，但是高階光柵的耦合強(qiáng)度較低，光譜的SMSR 有所降低，從成品率的角度看，用ICP 干刻一次性形成脊和側(cè)壁光柵，刻蝕到有源區(qū)下面的GaSb SCL 層，超過2 μm 的深度，很難保證光柵整體的周期和槽深完全一致，單模成品率較低。

單模激光器的應(yīng)用場(chǎng)合通常更關(guān)注SMSR，表面一階DFB 光柵的器件表現(xiàn)更突出，光學(xué)模式與表面光柵耦合，勢(shì)必受到光柵表面金屬電極層的損耗，NRL 指出該損耗為2～3 cm-1，與高性能FP 腔ICL 的內(nèi)部損耗相當(dāng)，因此，DFB ICL 的斜率效率較FP 腔器件低得多。2016年，他們提出減少表面金屬占空比的方案［25］，以減少金屬層造成的損耗，如圖2（c）左側(cè)示意圖所示，表面光柵刻蝕在250 nm 厚的InAs 上接觸層中。光柵上面的金屬接觸也采用周期結(jié)構(gòu)，寬度為10 μm，占空比從14%到100%，器件的脊寬為4.5 μm，腔長(zhǎng)為2 mm。圖2（c）右邊的L-I特性以及斜率效率的比較表明，金屬電極占空比為33%時(shí)，斜率效率明顯高于傳統(tǒng)的100%占空比的器件，最高單模功率為6.8 mW。盡管證實(shí)了低占空比電極對(duì)斜率效率的提升，該器件最大的問題是與襯底晶格失配的InAs 接觸層的層厚遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了臨界厚度，會(huì)產(chǎn)生大量位錯(cuò)線，這樣的高缺陷密度光柵層對(duì)光學(xué)模式的損耗應(yīng)該高于金屬界面的損耗，但是文中沒有給予任何評(píng)價(jià)。

德國(guó)Nanoplus 公司及其合作的維爾茨堡大學(xué)技術(shù)物理系研究組（Nanoplus）是近十多年發(fā)表ICL 論文最多的研究組，更為重要的是，Nanoplus 公司最先提供商用單模ICL 器件，從目前發(fā)表的應(yīng)用商品單模ICL進(jìn)行各種傳感實(shí)驗(yàn)的文獻(xiàn)可以看出，Nanoplus 目前市場(chǎng)占有率最高。從2011年至2018年，Nanoplus 發(fā)表了十多篇單模DFB ICL 的文獻(xiàn)［26-40］，主要采用脊兩側(cè)金屬DFB 光柵進(jìn)行選模，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行各種組合。側(cè)向金屬光柵結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢(shì)在于工藝簡(jiǎn)單，成品率高，盡管單模功率比較低，并未妨礙其市場(chǎng)占有率。他們最早的室溫CW 工作單模ICL 發(fā)表于2014年［26］，采用側(cè)向金屬DFB 光柵的方案，這是他們?cè)诙滩ㄩL(zhǎng)二極管單模激光器中進(jìn)行了充分驗(yàn)證的方案。具體地，如圖3（a）左側(cè)的SEM 圖所示，金屬光柵置于脊兩側(cè)GaSb下SCL 上，F(xiàn)P 腔中的光學(xué)模式向脊兩側(cè)以倏逝波的方式與金屬光柵耦合，從而對(duì)諧振腔中的損耗進(jìn)行周期調(diào)制，波長(zhǎng)由光柵周期和光波導(dǎo)的有效折射率決定，耦合強(qiáng)度主要取決于光柵的深度和脊寬，脊寬大于7 μm，則耦合系數(shù)小于5 cm-1，約為NRL 的Ge 表面光柵的四分之一。9.8 μm 脊寬、2.4 mm 腔長(zhǎng)的器件，用不同光柵周期的同一個(gè)外延片實(shí)現(xiàn)了3.8 μm 附近104 nm 的單模調(diào)諧范圍，SMSR 大于30 dB，20 ℃單面功率超過6 mW，他們單模ICL 商品的功率基本上在這個(gè)量級(jí)。同年，將波長(zhǎng)拓展到5.2 μm［27］，采用了四階側(cè)壁光柵，器件只能工作于0 ℃以下。2015年，進(jìn)一步拓展波長(zhǎng)到6 μm［28］，改為在InAs 襯底上外延ICL 結(jié)構(gòu)，仍采用側(cè)向金屬光柵的方案，器件工作在-20 ℃到0 ℃，同年楊瑞青組報(bào)導(dǎo)的4.5 μm 波長(zhǎng)的InAs 基表面光柵DFB ICL 的最高工作溫度是180 K［41］，低工作溫度主要與InAs 基ICL 的效率低有關(guān)。2015年，Nanoplus用GaSb 基ICL 將波長(zhǎng)向短波拓展到2.8 μm［29］，用不同周期的側(cè)向金屬光柵能實(shí)現(xiàn)150 nm 的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍，20 ℃的單模功率不到1 mW。在2014-2017年的SPIE 會(huì)議上，Nanoplus 報(bào)導(dǎo)了他們用上述側(cè)向金屬DFB ICL 實(shí)現(xiàn)了3～6 μm 的寬光譜范圍單模室溫CW 工作進(jìn)展［30-35］，代表性的光譜示于圖3（a）中間，右邊的L-I-V性能表明腔面鍍膜的3.4 μm 波長(zhǎng)在20 ℃的CW 功能超過了20 mW，這是目前Nanoplus 報(bào)導(dǎo)的側(cè)向金屬光柵ICL 的最高功率。

圖3 側(cè)向金屬光柵DFB ICL［26，31-32，37］Fig.3 Lateral metal grating DFB ICLs［26，31-32，37］

為了進(jìn)一步拓寬單模調(diào)諧范圍，Nanoplus 使用二元疊加光柵（Binary Superimposed Gratings，BSG）和兩段游標(biāo)調(diào)諧的概念實(shí)現(xiàn)了多個(gè)波長(zhǎng)通道中的穩(wěn)定單模發(fā)射［36-37］，圖3（b）左側(cè)的SEM 圖顯示器件形貌，包含兩段脊，中間電隔離實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的電注入，每個(gè)脊的兩側(cè)制作BSG，即將不同周期的光柵疊加在一起，形成非周期結(jié)構(gòu)，讓兩段BSG 有微小位移，則通過獨(dú)立的溫度和電流調(diào)諧，讓兩段的單模譜像游標(biāo)一樣對(duì)準(zhǔn)不同的Bragg 波長(zhǎng)，圖3（b）中間示意圖給出工作原理，藍(lán)色和紅色分別屬于兩段脊，在3.6 μm 到3.8 μm之間各有6 個(gè)Bragg 波長(zhǎng)通道，相互錯(cuò)開，兩段脊獨(dú)立進(jìn)行電流調(diào)諧，當(dāng)兩段的BSG 模式重疊時(shí)激射，其它模式被抑制，圖3（b）右邊的光譜是5 ℃和15 ℃兩個(gè)溫度下調(diào)諧獲得的寬調(diào)諧單模譜，達(dá)到了158 nm，接近外腔調(diào)諧的范圍，盡管調(diào)諧的連續(xù)性還不理想，這是目前報(bào)導(dǎo)的片上集成光柵在3～4 μm 波段最大的調(diào)諧范圍。

美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）是最早開展ICL 實(shí)驗(yàn)研究的單位之一，他們用熱電致冷封裝的單模ICL 于2012年安裝在好奇號(hào)火星車的氣體檢測(cè)系統(tǒng)中［8-9］，檢測(cè)到火星上的甲烷。JPL 在2004年報(bào)導(dǎo)［42］的DFB ICL 是在35 nm 的InAs 接觸層和上InAs/AlSb 超晶格包層中刻蝕一階光柵，深度為100～120 nm，脊寬為50 μm、腔長(zhǎng)為1.5 mm 的器件CW 工作的最高溫度是175 K，在閾值附近獲得單模，電流增加出現(xiàn)高階橫模。2007年，他們將脊寬降至～10 μm，CW 工作溫度提高到261 K，可以用熱電制冷［43］。2014年JPL 和NRL 合作，用NRL 的7 周期外延片制作了雙脊側(cè)向二階光柵DFB ICL，器件形貌如圖4（c）的SEM 圖片所示，46 ℃的單模特性最好，表明室溫增益峰與光柵的Bragg 波長(zhǎng)偏差較大［44］。2015年，JPL 優(yōu)化了光柵工藝，還是用雙脊側(cè)向二階光柵，實(shí)現(xiàn)了室溫20mW 的單模功率［45］。雙脊的工藝比較復(fù)雜，先把InAs/AlSb 上包層刻蝕成3 μm 寬的窄脊，在兩側(cè)暴露出的GaSb 上SCL 中刻蝕二階側(cè)向光柵，再穿過有源區(qū)刻蝕出寬9 μm 的脊，然后在暴露出的GaSb 下SCL 中刻蝕二階側(cè)向光柵，他們認(rèn)為DFB 光學(xué)模式主要限制在3 μm 的脊中，這么窄的脊上面開電極窗口比較難，下面9 μm 寬的脊主要是用來(lái)限制有源區(qū)中電流的橫向擴(kuò)散，對(duì)于9 μm 寬的增益區(qū)，20 mW 量級(jí)的最大室溫輸出功率并不理想，同樣是在脊兩側(cè)做DFB 光柵，Nanoplus 的側(cè)向金屬光柵工藝簡(jiǎn)單得多，且單模器件的閾值、調(diào)諧范圍等性能更優(yōu)異。

圖4 側(cè)向光柵DFB ICL［44-45］Fig.4 Lateral grating DFB ICLs［44-45］

2018年，美國(guó)Thorlab Quantum Electronics 公司和Argonne 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作報(bào)導(dǎo)了一種同時(shí)具有頂部一階DFB 采樣光柵和選區(qū)刻蝕的側(cè)壁光柵的DFB ICL［46］，頂部采樣光柵實(shí)現(xiàn)3.3 μm 的Bragg 波長(zhǎng)的單模激射，周期為460 nm，采樣周期Ps為8 μm，側(cè)壁光柵用來(lái)抑制高階橫模，周期Pc為4 μm，對(duì)縱模的選模不起作用，且與表面一階DFB 光柵在空間上錯(cuò)開，如圖5（a）、（b）的俯視圖及示意圖所示，避免二者互相影響。圖5（c）是從腔面拍攝的SEM 圖。側(cè)壁光柵有效地抑制高階橫模，使得4.5 μm 脊寬的器件單模工作的動(dòng)態(tài)范圍較大，25 ℃的最大單模功率達(dá)到42 mW。該器件的有源區(qū)設(shè)計(jì)采用2012年Maxion 公司發(fā)表的結(jié)構(gòu)［47］，其效率與NRL 的最高效率相比有較大差距，因此，采用更高效的有源區(qū)設(shè)計(jì)，有望進(jìn)一步提高單模性能，但是兩套光柵的工藝比較復(fù)雜，目前Thorlabs 的官網(wǎng)上DFB ICL 商品的波長(zhǎng)在3.25 μm 附近，最大功率12.5 mW，價(jià)格高于Nanoplus 公司。

圖5 組合光柵DFB ICL［46］Fig.5 Combined grating DFB ICL［46］

2022年，中科院半導(dǎo)體所劉峰奇組（本組）報(bào)道了具有表面GaSb 光柵的DFB ICL 器件［48］。在這之前報(bào)導(dǎo)的表面光柵都存在著一些問題，比如刻蝕在Ge 層中，多晶Ge 中光學(xué)模式的損耗大，且工藝中Ge 層易脫落；刻蝕在250 nm 厚的晶格失配的InAs 中，大量位錯(cuò)線也會(huì)造成大的損耗；刻蝕在InAs/AlSb 超晶格上包層，由于InAs 和AlSb 的刻蝕速率不同，光柵的側(cè)壁很難平整，也會(huì)造成額外的損耗。針對(duì)這些問題，本組提出在減薄的超晶格上包層之上外延250 nm 與襯底晶格匹配的GaSb 蓋層，解決了InAs 材料失配位錯(cuò)的問題，也避免了在超晶格中刻蝕的光柵，同時(shí)，GaSb 的折射率大于InAs 和InAs/AlSb 超晶格，能夠保證表面光柵的耦合強(qiáng)度。此外，采用二階表面光柵，高頻的反對(duì)稱模式和低頻的對(duì)稱模式損耗差更大，如圖6（a）所示，刻蝕深度為180 nm 時(shí)，損耗差達(dá)到2 cm-1，如圖6（b），有助于獲得穩(wěn)定的單模，提高SMSR。4.5 μm 脊寬、2 mm 腔長(zhǎng)器件在20 ℃的CW 功率達(dá)到24 mW，斜率效率為0.17 W/A，由于所用的ICL 結(jié)構(gòu)尚未進(jìn)行電壓效率的優(yōu)化，器件性能還有較大的提升空間。圖6（c）給出器件整體結(jié)構(gòu)的示意圖，插圖是光柵附近的截面SEM 圖。在晶格匹配的GaSb 蓋層刻蝕二階光柵的工藝難度與Nanoplus 的側(cè)向金屬光柵相當(dāng)，低于NRL、JPL 和Thorlabs 在超晶格中刻蝕光柵的工藝難度，圖6（d）是不同溫度下電流調(diào)諧范圍，總調(diào)諧范圍達(dá)到20 cm-1，完全滿足氣體傳感應(yīng)用的需要。

圖6 二階GaSb 表面光柵DFB ICL［48］Fig.6 Second-order GaSb surface grating DFB ICLs［48］

為了更全面地比較上述DFB ICL 的性能，表1 列出了各種光柵結(jié)構(gòu)DFB ICL 器件的最高性能，所有器件均采用HR/AR 腔面鍍膜，可以看到Nanoplus 在閾值電流和斜率效率兩個(gè)指標(biāo)上遙遙領(lǐng)先，這批最高性能的結(jié)果發(fā)表在SPIE 上，沒有具體的器件尺寸、材料和工藝參數(shù)，其他組的報(bào)導(dǎo)DFB 器件實(shí)際上都沒有采用最佳性能的ICL 有源區(qū)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，因此，單模性能仍有提升空間。

表1 各種光柵結(jié)構(gòu)DFB ICL 器件性能比較Table1 Performance comparison of DFB ICL devices with various grating structures

1.2 二階DFB 面發(fā)射ICL

1.1 節(jié)中JPL 和本組的光柵都采用了二階DFB 光柵，比常規(guī)的一階光柵周期大，放松了對(duì)光刻工藝分辨率的要求，雖然都表征的是邊發(fā)射器件性能，二階DFB 光柵還能提供垂直方向波導(dǎo)模式的一級(jí)衍射［49-50］，實(shí)現(xiàn)面發(fā)射激光器，與邊發(fā)射DFB 激光器相比，單模性能不會(huì)受到解理腔面與DFB 光柵相對(duì)位置的影響。2017年瑞士維也納工業(yè)大學(xué)Strasser 組與德國(guó)維爾茨堡大學(xué)和Nanoplus 等合作報(bào)導(dǎo)了襯底發(fā)射的環(huán)形ICL［51］，即在環(huán)形波導(dǎo)的InAs/AlSb 上包層中刻蝕二階DFB 光柵，調(diào)制環(huán)形波導(dǎo)中兩個(gè)相向傳播的回音壁模式［52］，光柵上沉積金屬，光從襯底出射，只能脈沖工作。2020年，他們將10 μm 的脊寬減至4 μm，以抑制高階橫模，如圖7（a）的SEM 圖所示，且采用倒焊工藝，以提高散熱效率［53］。器件能夠CW 工作至38 ℃，20 ℃的最大功率為6.4 mW，斜率效率為73 mW/A，均低于邊發(fā)射DFB 器件。圖7（b）為該環(huán)形DFB ICL 在20 ℃的單模發(fā)射譜，模式隨電流的調(diào)諧發(fā)生了跳變，從閾值電流60 mA 到81 mA，波長(zhǎng)在3.78 μm 附近調(diào)諧，90 mA到180 mA，波長(zhǎng)在3.83 μm 附近調(diào)諧，電流進(jìn)一步增加到220 mA，波長(zhǎng)在3.84 μm 附近調(diào)諧，發(fā)生模式跳變的物理機(jī)制還不清楚。圖7（c）是分別注入150 mA 和200 mA 的電流從襯底側(cè)觀察到的環(huán)形對(duì)稱的遠(yuǎn)場(chǎng)，可以看出強(qiáng)度分布不均勻，更低電流下3.78 μm 附近發(fā)射的遠(yuǎn)場(chǎng)是兩個(gè)環(huán)形，對(duì)應(yīng)的具體模式未知。盡管面發(fā)射環(huán)形ICL 的輸出功率、單模穩(wěn)定性等方面還需要進(jìn)一步優(yōu)化，但是其對(duì)稱的圓形遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布對(duì)于光束準(zhǔn)直和管芯集成具有潛在優(yōu)勢(shì)，且進(jìn)一步優(yōu)化性能的空間很大，比如，通過增加環(huán)形的周長(zhǎng)增加增益區(qū)體積，提高輸出功率；采用二階采樣光柵的設(shè)計(jì)，提高單模穩(wěn)定性；用環(huán)形中心的區(qū)域作為探測(cè)器，制作激光器探測(cè)器片上集成的傳感系統(tǒng)［54］等。

2 帶間級(jí)聯(lián)垂直腔面發(fā)射激光器（ICVCSEL）

VCSEL［55］是在有源區(qū)上下用1/4 波長(zhǎng)厚度、分別具有高低折射率的兩種材料交替形成分布布拉格反射器（Distributed Bragg Reflectors，DBR），即DBR 鏡面，鏡面的反射率通過兩種材料的折射率差和厚度調(diào)節(jié)，在激射波長(zhǎng)附近形成最大反射率平臺(tái)。兩組DBR 鏡面置于增益區(qū)兩側(cè)，形成垂直方向的諧振腔，因?yàn)榍婚L(zhǎng)短，為波長(zhǎng)量級(jí)，所以縱模間距大，激光器可輸出為單縱模。有源區(qū)體積小可降低閾值，此外，出光面的幾何形狀通過工藝控制，可獲得圓對(duì)稱的單橫模，光束質(zhì)量高，便于制作成激光器陣列，與DFB 單模邊發(fā)射激光器相比，電流調(diào)諧范圍更寬，調(diào)諧響應(yīng)更快［56］。

VCSEL 的這些優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在可見和近紅外波段半導(dǎo)體激光器中得以充分體現(xiàn)，但是在中紅外波段面臨著幾個(gè)挑戰(zhàn)：首先，DBR 反射鏡每層的厚度與發(fā)射波長(zhǎng)成正比，中紅外波段DBR 鏡面的兩種材料的厚度大，需要尋找折射率差盡可能大的一對(duì)材料，同時(shí)與襯底材料盡可能晶格匹配，以便在外延允許的總厚度內(nèi)達(dá)到足夠的反射率。對(duì)于電注入VCSEL，要求DBR 材料的電阻率不要太高。此外，針對(duì)中紅外波段熱積累嚴(yán)重的問題，還需要DBR 材料的熱導(dǎo)率盡可能高。

QCL 子帶間躍遷選擇定則造成垂直方向出射光的增益非常弱，所以很難實(shí)現(xiàn)VCSEL 器件，而ICL 增益區(qū)為帶間躍遷，非常適合制作中紅外VCSEL 器件。早在1998年ICL 尚未CW 工作時(shí)NRL 就提出了用ICL作為VCSEL 有源區(qū)的方案，即帶間級(jí)聯(lián)垂直腔面發(fā)射激光器（Interband Cascade Vertical Cavity Surface Emitting Lasers，ICVCSEL），并根據(jù)當(dāng)時(shí)的ICL 性能模擬出ICVCSEL 的性能指標(biāo)［57］，直到2016年該研究組才報(bào)導(dǎo)了電注入GaSb 基ICVCSEL［58］，單模激射波長(zhǎng)λ≈3.4 μm，下DBR 采用22.5 周期的n-GaSb/n-AlAs0.08Sb0.92，其中GaSb 為高折射率組分，折射率nH約為3.8，厚度為λ/4nH=220 nm，AlAs0.08Sb0.92為低折射率組分，折射率nL約為3.1，采用數(shù)字合金方式生長(zhǎng)，與GaSb 襯底晶格匹配，層厚為270 nm，各層中心的摻雜濃度為5×1017cm-3，邊界的20 nm 的摻雜濃度提高到3×1018cm-3，且GaSb 和AlAsSb 層之間插入20 周期GaSb/AlSb（1nm/1nm）高摻雜的過渡區(qū)，以減小GaSb 和AlAsSb 層之間的寄生壓降，該DBR 對(duì)3.4 μm 正入射光的反射率高達(dá)99.5%；有源區(qū)共15 周期，分成3 組，置于3.4 μm 諧振腔的波腹處，相鄰有源區(qū)用低摻雜的GaSb 層隔離，有源區(qū)之上為100 nm n+摻雜的InAs0.91Sb0.09蓋層。整個(gè)結(jié)構(gòu)的厚度接近13 μm，對(duì)分子束外延生長(zhǎng)穩(wěn)定性的要求非常高。將外延層干刻成圓柱形臺(tái)面，深度到有源區(qū)以下，直徑在20 μm 到60 μm 之間，側(cè)壁鈍化后，在頂部沉積環(huán)形Ti/Pt/Au 電極，中心為出光窗口，在窗口中沉積4 組Ge/Al2O3λ/4 的介質(zhì)層，形成上DBR，反射率達(dá)到99.3%。圖8（a）為該器件截面示意圖。

圖8 帶間級(jí)聯(lián)垂直腔面發(fā)射激光器［58］Fig.8 Interband cascade vertical cavity surface emission laser［58］

該ICVCSEL 能夠在室溫下脈沖工作，具有50 μm 直徑臺(tái)面和40 μm 直徑光闌的器件最高工作溫度達(dá)到70 ℃，15 ℃時(shí)的閾值為9 mA，25 mA 電流下得到的最高脈沖輸出功率為0.54 mW，最大外微分量子效率為0.9%，均為多模發(fā)射。當(dāng)臺(tái)面直徑縮小到30 μm，對(duì)應(yīng)光闌直徑為20 μm 的器件得到單縱模發(fā)射，SMSR 大于20 dB，如圖8（b）所示，但是閾值電流密度較高，為920 A/cm2，而邊發(fā)射ICL 一般為100～200 A/cm2；更大的50 μm 直徑（40 μm 光闌）的器件閾值電流密度降到390 A/cm2，閾值電流為10 mA，但是發(fā)射譜為多橫模。與邊發(fā)射器件相比，ICVCSEL 的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑近似為圓形，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角在8°到11°的范圍，在制作面發(fā)射陣列及實(shí)際應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)。盡管目前器件的斜率效率、出光功率遠(yuǎn)低于邊發(fā)射的ICL，在中紅外波段，GaSb量子阱激光器作為有源區(qū)制作的波長(zhǎng)為3 μm 的VCSEL［59］，同樣采用GaSb/AlAsSb 下DBR 鏡面，上DBR鏡面為Ge/ZnS 介質(zhì)層，該器件只詳細(xì)報(bào)導(dǎo)了-40 ℃到5 ℃之間的性能，最大功率為-40 ℃時(shí)測(cè)量的70 μW，因此，從斜率效率和出光功率看，ICL 有源區(qū)的VCSEL 表現(xiàn)出級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)在中紅外波段的優(yōu)勢(shì)，目前器件性能主要受到DBR 鏡面中較高的寄生損耗和熱阻的限制，需要進(jìn)一步的工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最直接的優(yōu)化是采用倒焊的方式提高有源區(qū)的散熱，有可能實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)波工作。

2020年美國(guó)Praevium Research 公司及合作者［60］報(bào)導(dǎo)了10 周期ICL 有源區(qū)作為增益核的ICVCSEL，下DBR 鏡面采用晶圓鍵合的GaAs/AlGaAs，上DBR 鏡面為ZnSe/ThF4 介質(zhì)層，電流通過上下InAsSb 接觸層注入有源區(qū)，如圖9（a）的截面示意圖所示。GaAs/AlGaAs 材料是目前大規(guī)模商用的780 nm、850 nm、980 nm等波段的VCSEL 所采用的DBR 材料，取代GaSb/AlAsSb 材料作為下DBR 鏡面，具有生長(zhǎng)技術(shù)成熟、熱導(dǎo)率高且損耗低的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于異質(zhì)鍵合業(yè)界共識(shí)的難點(diǎn)是鍵合界面的質(zhì)量。圖9（a）中用GaAs/AlGaAs 作為下DBR 鏡面，電注入采用共面電極，避免了在DBR 鏡面中摻雜，可以使自由載流子吸收損耗降到最低，20 μm 直徑臺(tái)面的器件實(shí)現(xiàn)了室溫CW 電注入激射，16 ℃的閾值為4.5 mA，7.8 mA 時(shí)得到的最大功率為75 μW，26 ℃時(shí)的閾值為6 mA，最大功率為14 μW，表現(xiàn)出較好的單模特性，如圖9（b）的光譜所示，與NRL用GaSb/AlAsSb 做下DBR 鏡面且從襯底注入電流的器件相比，性能有了一定的提升，但是GaAs/AlGaAs下DBR 的優(yōu)勢(shì)尚未充分發(fā)揮出來(lái)，一方面文章中對(duì)晶圓鍵合界面的質(zhì)量未加說(shuō)明，另一方面，文章第一單位前期沒有發(fā)表過ICL 邊發(fā)射器件的結(jié)果，只有第三單位發(fā)表過5 周期DFB ICL 的結(jié)果，無(wú)法判斷該工作采用的5×2 ICL 增益區(qū)的效率，盡管如此，GaAs/AlGaAs 仍不失為ICVCSEL 優(yōu)選的DBR 材料，值得進(jìn)一步研究。

圖9 采用鍵合的GaAs/AlGaAs 下DBR 鏡面的ICVCSEL［60］Fig.9 ICVCSEL with wafter-bonded GaAs/AlGaAs bottom DBR［60］

3 光子晶體分布反饋ICL

傳統(tǒng)的DFB 激光器為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單模工作，除了用光柵進(jìn)行縱模選模，還要保證橫向只有基橫模激射，一般采用與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)募箤挻_?；鶛M模工作，因而增益區(qū)體積很小，限制了激光器的最大功率。為此，1998年，LANG R 等［61］從理論上給出在偏角的寬脊上引入DFB（α-DFB）光柵，光柵衍射的光束沿鋸齒形路徑傳播，向前和向后傳播的光束之間的反饋發(fā)生在整個(gè)傳播路徑上，而不是像傳統(tǒng)FP 腔那樣發(fā)生在腔面上，從而選擇出具有最高腔面反饋的模式，實(shí)現(xiàn)橫模的選模，解決寬脊多橫模的問題。2000年，NRL［62-63］用16°偏角、50 μm 脊寬的α-DFB 結(jié)構(gòu)，如圖10（a）和（b）所示，實(shí)現(xiàn)了78 K 中紅外3.4 μm 波長(zhǎng)的光泵浦單橫模工作，增益區(qū)為InAs/GaInSb/InAs 二類W 型量子阱，遠(yuǎn)場(chǎng)為近衍射極限的單瓣，發(fā)散角僅為1.4°，如圖10（c）所示，圖中同時(shí)給出同樣脊寬FP 腔器件的雙瓣遠(yuǎn)場(chǎng)作為對(duì)比。

圖10 偏角α-DFB 激光器［62］Fig.10 α-DFB lasers［62］

2001 到2002年，NRL 提出將光譜選模的DFB 和空間選模的α-DFB 組合成為2D 矩形光子晶體（Photonic Crystal，PC）DFB 結(jié)構(gòu)［64-65］，即PCDFB，圖11（a）給出PCDFB 結(jié)構(gòu)的示意圖，光子晶體的格點(diǎn)是淺刻蝕半徑為r的圓柱，晶格常數(shù)為Λ1和Λ2。光在其中傳播時(shí)，可以認(rèn)為受到周期分別為Λ1和Λ2的兩組光柵的衍射，對(duì)于波長(zhǎng)λ，兩個(gè)光柵的周期需要滿足Λ1=λN/（2nmsinθ）和Λ2=λN/（2nmcosθ），其中N是耦合級(jí)數(shù)，nm是模式折射率。有兩個(gè)等價(jià)的傳播方向P1和P2，相對(duì)于兩套晶格的對(duì)稱軸夾角分別為θ和90°-θ，θ的選取要綜合考慮兩個(gè)方向DFB 光柵的效率，一般為20°左右。

圖11 2D 光柵PCDFB 激光器［65，67］Fig.11 2D PCDFB laser［65，67］

一束光在傳播過程中受到三個(gè)非共線的耦合作用：一是與沿同一軸傳播的反向波的耦合，例如P1和-P1，這也存在于1D（DFB 激光器）中，耦合系數(shù)為κ1；二是與沿另一個(gè)軸同向傳播的分量的耦合，例如P1與P2或者-P1與-P2；三是與另一軸以相反方向傳播的分量的耦合，例如P1與-P2或-P1與P2，耦合系數(shù)為κ3。如不考慮光柵造成的腔損，則純實(shí)數(shù)的耦合系數(shù)κi為

式中，Δn是折射率調(diào)制幅度，Gκ1=2|P1|=2|P2|，Gκ2=|P1-P2|，Gκ2=|P1+P2|，布里淵區(qū)邊界（G/2）給出矢量P1和P2的幅度。

以4.6 μm 波長(zhǎng)的應(yīng)變補(bǔ)償InGaAs/InAlAs QCL 為例［65］，假設(shè)內(nèi)部損耗αi為20 cm-1，其中包括摻雜的包層中自由載流子吸收損耗和光柵造成的損耗，由于折射率調(diào)制波導(dǎo)的脊側(cè)壁衍射損耗太大，NRL 的文章中建議采用增益波導(dǎo)，通過時(shí)域傅里葉變換算法從理論上給出了優(yōu)化的PCDFB QCL 的偏角、耦合系數(shù)、脊寬以及腔長(zhǎng)等參數(shù)，計(jì)算結(jié)果表明1.5 mm 的脊寬能達(dá)到FP 腔器件效率的85%，且遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角能控制在衍射極限的2 倍。此外，模擬脊寬為400 μm 的器件的激射譜，得到與標(biāo)準(zhǔn)窄脊DFB 器件相當(dāng)?shù)膯文Ｌ匦?。同時(shí)期，NRL 根據(jù)上述PCDFB 的設(shè)計(jì)，在二類W 型量子阱中紅外激光器結(jié)構(gòu)頂部GaSb 層中刻蝕出矩形2D 光子晶體，包含20°偏角的2 階光柵，解理成200 μm 脊寬、2.5 mm 腔長(zhǎng)的激光芯片，在200 K 附近的低溫下用光泵浦測(cè)量到遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角只有衍射極限的4 倍，但是斜率效率比1D 偏角α-DFB 光柵器件降低了2 倍［66-70］。

上述邊發(fā)射偏角矩形PCDFB 激光器盡管實(shí)現(xiàn)了寬脊單橫模激射，但是快軸和慢軸方向的發(fā)散角差距大，遠(yuǎn)場(chǎng)光斑是細(xì)長(zhǎng)條，且為了保證寬脊單橫模，對(duì)光柵和脊偏角的精度要求高，偏差不能超過1°，工藝難度較大。2003年，NRL 報(bào)導(dǎo)了能提供圓形對(duì)稱光斑的正方和六方面發(fā)射PCDFB 激光器的設(shè)計(jì)［71-72］，他們用新的時(shí)域Fourier-Galerkin 理論對(duì)約化的波動(dòng)方程進(jìn)行了求解，引入增益區(qū)的線寬增強(qiáng)因子的影響，代表有源區(qū)注入載流子密度波動(dòng)對(duì)增益的影響。模擬結(jié)果指出2D 正方或六方晶格光柵足以獲得寬脊相干對(duì)稱模式激射，不需要1D DFB 激光器中的相移和偏角光柵設(shè)計(jì)，能夠從寬至1 mm 量級(jí)的表面出光孔獲得圓形近衍射極限的光斑。圖12（a）是六方晶格面發(fā)射PCDFB 激光器結(jié)構(gòu)示意圖，在平面內(nèi)有6 個(gè)等價(jià)的傳播方向，可計(jì)算出3 個(gè)不同的耦合系數(shù)：κ1對(duì)應(yīng)分布反饋180°衍射，如P1到-P1；κ2對(duì)應(yīng)60°衍射，如P1到P2或P3，或者-P2到P3；κ3對(duì)應(yīng)120°衍射，如P1到-P2或-P3，或者P2到-P1；此外，還有一個(gè)與面發(fā)射耦合的系數(shù)κ0。他們模擬了光泵的面發(fā)射PCDFB，針對(duì)TE 模式，構(gòu)造了一個(gè)40 周期的二類W 量子阱有源區(qū)，目標(biāo)波長(zhǎng)4.6 μm，如圖12（b）所示，代表微分增益在10-15cm-2量級(jí)、每周期光學(xué)限制因子在1%左右的中紅外激光器結(jié)構(gòu)。當(dāng)上述6 個(gè)分量的相位不相同時(shí)，得到六瓣或雙瓣近場(chǎng)，如圖12（c）和（d）所示，優(yōu)化κ1、κ2、κ3和κ0以及增益區(qū)線寬增強(qiáng)因子和內(nèi)部損耗等參數(shù)使其具有相同相位時(shí)，可獲得對(duì)稱的單瓣面發(fā)射模式，如圖12（e）所示的近場(chǎng)光斑，同相位模式對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)分布為對(duì)稱單瓣，且發(fā)散角最小，是衍射極限的1.2～1.3 倍，微分量子效率能達(dá)到30%，進(jìn)一步在波導(dǎo)中引入相長(zhǎng)干涉反射器，可提高到60%。

圖12 六方晶格面發(fā)射PCDFB 激光器的設(shè)計(jì)［71-72］Fig.12 Design of surface emitting PCDFB laser with a hexagonal lattice［71-72］

2006年，NRL 發(fā)表了面發(fā)射PCDFB 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［73］，有源區(qū)采用10 周期的二類W 阱，激射波長(zhǎng)為3.7 μm，在有源區(qū)上方的GaSb 層中制作三角對(duì)稱的PCDFB 結(jié)構(gòu)，圖13（a）為刻蝕深度60 nm 的2D PCDFB 光柵的SEM 照片。低溫光泵條件下，得到光譜的半高寬為0.13 nm，如圖13（b）所示，還不是純的單模激射，最大的脈沖光-光轉(zhuǎn)換效率為1.1%，超過了同樣外延片F(xiàn)P 腔1.0%的效率，器件性能并未達(dá)到理論預(yù)期［71］，表明面發(fā)射PCDFB 結(jié)構(gòu)、中紅外有源區(qū)以及器件工藝仍有較大的優(yōu)化空間。PCDFB 級(jí)聯(lián)激光器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果最早是2007年美國(guó)西北大學(xué)的量子器件研究組（Center for Quantum Devices，CQD）報(bào)導(dǎo)的［74］，他們?cè)谟性磪^(qū)上的100 nm 厚的InGaAs 光柵層上刻蝕出18°偏角的矩形光子晶體，兩套光柵的周期滿足Λ1=3Λ2的關(guān)系，Λ2分別為0.77、0.78 和0.79 μm，然后二次外延InP 上波導(dǎo)，如圖14（a）所示，按照常規(guī)的工藝制作100 μm 寬的脊。圖14（b）給出光子晶體俯視和截面的SEM 圖。器件在脈沖工作下獲得了室溫單橫模的遠(yuǎn)場(chǎng)，如圖14（c）所示，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為2.4°，在9 A 的注入電流下光譜為單縱模，如圖14（d）所示，單腔面輸出功率接近300 mW，斜率效率只有窄脊FP 腔的17%，原因是2D 光柵層就在有源區(qū)上面，損耗太大。2009年，他們?cè)谟性磪^(qū)和InGaAs 光柵層之間加了100 nm 的InP 間隔層［75］，如圖14（g）所示，以獲得純的折射率耦合機(jī)制，避免了光柵刻蝕對(duì)有源區(qū)的影響，同時(shí)優(yōu)化了PC 晶格結(jié)構(gòu)，如圖14（e）所示，圖14（f）是PC 格點(diǎn)的SEM 圖片，圖14（h）給出三個(gè)不同PC 晶格常數(shù)QCL 布局的SEM 圖片。同樣用100 μm 寬的脊，單面輸出功率在20 A 的注入電流下達(dá)到6 W，斜率效率達(dá)到FP 器件的50%，如圖14（i）所示，這是中紅外PCDFB 激光器報(bào)導(dǎo)的最高值，三個(gè)PC 結(jié)構(gòu)的QCL 均實(shí)現(xiàn)了窄發(fā)散角的單橫模，如圖14（j），但是光譜為雙模激射，間隔為6.2 nm，這是光子晶體能帶結(jié)構(gòu)中兩個(gè)帶邊耦合造成的。因此，還需要進(jìn)一步優(yōu)化光子晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)單縱模激射。

圖13 六方晶格面發(fā)射PCDFB 激光器［73］Fig.13 SE PCDFB laser with a hexagonal lattice［73］

圖14 不同2D 光柵位置的PCDFB QCL［74-75］Fig.14 PCDFB QCLs with different grating locations

2008年2月，NRL 報(bào)導(dǎo)了3.4 μm 波長(zhǎng)的偏角矩形PCDFB ICL［76-77］邊發(fā)射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)他們2002年的設(shè)計(jì)方案［65］，用10 周期的ICL 有源區(qū)，InAs/AlSb 超晶格上包層的厚度從標(biāo)準(zhǔn)FP 腔激光器的1.5 μm 減薄到400 nm，在脊表面沉積200 nm 的高折射率（n=4.0）Ge，通過電子束曝光和剝離工藝制作的一階矩形2D光柵，上面沉積SiO2，脊與解理腔面垂直方向的夾角為20°，在脊頂部金屬接觸層的兩側(cè)及后腔面?zhèn)扔秒x子轟擊的方式限制電流，形成400 μm 寬的脊，腔長(zhǎng)為1.5 mm，避免刻蝕脊側(cè)壁造成的模式損耗。圖15（a）是顯微鏡下的俯視圖，圖15（b）及插圖是PCDFB 光柵的SEM 圖。PCDFB 中三個(gè)主要衍射過程的耦合系數(shù)分別為|κ1?|=7 cm-1，|κ2?|=29 cm-1，|κ3?|=7 cm-1，78 K 的低溫下獲得近衍射極限的單橫模激射，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為0.52°，如圖15（c）所示。圖15（d）是不同注入電流下的單模激射譜，SMSR 達(dá)到27 dB，圖15（e）是器件的LI-V性能，最高輸出功率為67 mW，與之相比，用常規(guī)方式刻蝕出270 μm 的脊寬，0.75 mm 腔長(zhǎng)的器件的單縱模性能和橫向遠(yuǎn)場(chǎng)性能都比較差，原因歸結(jié)為刻蝕的脊側(cè)壁造成非光柵模式被激發(fā)。

圖15 邊發(fā)射PCDFB ICL［76］Fig.15 Edge emitting PCDFB ICLs［76］

需要指出，NRL 在2008年5月才發(fā)表了首個(gè)室溫CW 激射ICL 的結(jié)果［78］，2014年發(fā)表了最高電光效率以及最高室溫連續(xù)波輸出功率的結(jié)果［79］，因此，上述PCDFB ICL 中激光器結(jié)構(gòu)尚未優(yōu)化，至今尚未有面發(fā)射PCDFB ICL 的報(bào)導(dǎo)。采用高電光轉(zhuǎn)換效率的ICL 器件結(jié)構(gòu)，將圖15 中非晶態(tài)高損耗的Ge 光柵層換成外延GaSb 光柵層［48］，可有效降低光柵層和外延層界面的缺陷和光柵層的損耗，針對(duì)目標(biāo)波長(zhǎng)，設(shè)計(jì)出六方晶格的面發(fā)射PCDFB 結(jié)構(gòu)，采用當(dāng)前先進(jìn)的微納刻蝕工藝制作光柵，同時(shí)用濕法腐蝕脊，預(yù)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)室溫激射。

進(jìn)一步，引入NODA S 等在2019年報(bào)導(dǎo)［80］的“雙晶格”光子晶體，即疊加兩套光子晶格，平面內(nèi)x和y方向相距λ/4，如圖16（a）所示，雙晶格結(jié)構(gòu)能夠使180°衍射和90°衍射的光波發(fā)生相消作用，放松光在平面內(nèi)的限制，抑制高階模式的振蕩，他們用這個(gè)方案從500 μm 直徑的圓形出光孔獲得了940 nm 附近脈沖10W、發(fā)散角小于0.3°、CW 約7 W 的單模輸出功率，并從理論上預(yù)測(cè)，在PC 層下方引入DBR［81］，如圖16（b）所示，從3～10 mm 的超大出光孔能獲得100 W 到1 kW 的單模輸出功率，僅從加工尺寸的角度來(lái)看，中紅外波段器件具有較高的可行性，目前尚需解決的問題是如何在有源區(qū)附近實(shí)現(xiàn)包含空氣孔的2D PC 層，從而獲得高的折射率調(diào)制。

圖16 雙晶格光子晶體 諧振腔［80-81，83］Fig.16 Double-lattice photonic-crystal resonator［80-81，83］.

1.1 節(jié)已經(jīng)說(shuō)明，GaSb 基的ICL 結(jié)構(gòu)中，無(wú)法在圖形化的光柵層上實(shí)現(xiàn)InAs/AlSb 超晶格上包層的高質(zhì)量二次外延，比較可行的方案是用四元合金代替超晶格作為上包層［82］，在有源區(qū)上面的GaSb 分別限制層中刻蝕光子晶體結(jié)構(gòu)，充分處理表面，然后進(jìn)行四元合金上包層的二次外延，如文獻(xiàn)［83］中2 μm 波長(zhǎng)GaSb 基量子阱激光器的制作方法，圖16（c）的SEM 圖片顯示該光子晶體中形成的空氣孔，從邊長(zhǎng)200 μm 的出光孔測(cè)量到10 mW 室溫CW 功率，光譜純度和光束質(zhì)量還有提升的空間，將該方案用于GaSb 基的ICL，有望實(shí)現(xiàn)低閾值面發(fā)射單模激射。實(shí)際上，QCL 發(fā)明人之一的Faist 研究組的LIANG Y 等在2019年報(bào)導(dǎo)了室溫面發(fā)射光子晶體QCL［84］，采用正方型晶格，利用InP（3.06）和InGaAs（3.32）的折射率差實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外光學(xué)模式的限制，波長(zhǎng)為8.5 μm，室溫下只能脈沖工作，最高峰值功率為176 mW，面發(fā)射光束的發(fā)散角小于1°，光束質(zhì)量好于CQD 報(bào)導(dǎo)的邊發(fā)射PC QCL［74］，但是功率小得多。

由于光子晶體激光器設(shè)計(jì)自由度高，有望成為大面積、超低閾值、單縱模和單橫模高性能半導(dǎo)體激光器的優(yōu)選方案，已經(jīng)引起了各個(gè)波段半導(dǎo)體激光器研究者的密切關(guān)注，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所的李頌儒等對(duì)光子晶體面發(fā)射激光器最新研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述［85-86］。

4 結(jié)論

用于高靈敏化學(xué)傳感的單模中紅外半導(dǎo)體激光器中，ICL 的最大優(yōu)勢(shì)是閾值功耗低，已廣泛應(yīng)用于甲烷、HCl、SO2等多種氣體的高分辨痕量檢測(cè)系統(tǒng)，以Nanoplus 為代表的公司已提供單模ICL 產(chǎn)品，然而，與相應(yīng)的FP 腔ICL 的最大輸出功率相比，單模ICL 的最大輸出功率不到十分之一，主要原因在于，目前無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的器件還是商品所采用的單模光柵設(shè)計(jì)和制備技術(shù)都存在各自的缺陷，例如，Nanoplus 的側(cè)向金屬光柵方案的成品率較高，但是需要極窄的脊，以獲得脊中心光學(xué)模式與兩側(cè)光柵足夠的耦合強(qiáng)度，對(duì)刻蝕精確度的要求很高，且較難獲得大功率的輸出。目前報(bào)導(dǎo)的ICL 最高電光轉(zhuǎn)換效率來(lái)自NRL，單管FP腔功率達(dá)到600 mW，他們高階側(cè)壁光柵單模ICL 可以用稍寬的脊，最大功率也只有55 mW，損耗仍然很大，考慮到NRL 單模器件的報(bào)導(dǎo)時(shí)間早于最高效率的報(bào)導(dǎo)時(shí)間，單模ICL 性能的提升空間仍然很大。一方面，提高DFB ICL 的成品率，降低成本，使得甲烷、甲醛、氧化氮等高靈敏激光器檢測(cè)系統(tǒng)的價(jià)格降低到家用可承受的范圍，推動(dòng)ICL 技術(shù)的市場(chǎng)化；另一方面，關(guān)注器件功率的提升，需要對(duì)目前ICL 有源區(qū)設(shè)計(jì)進(jìn)行改造，突破功率的瓶頸，本組正在進(jìn)行這方面的工作；更進(jìn)一步，將性能優(yōu)化已達(dá)到單模7 W 的可見光雙晶格光子晶體結(jié)構(gòu)引入ICL，有望獲得ICL 單模性能質(zhì)的飛躍，從而大大拓展單模ICL 的應(yīng)用領(lǐng)域，比如從目前的氣體分子激光光譜檢測(cè)應(yīng)用，拓展到對(duì)功率要求更高的自由空間通訊、遠(yuǎn)程紅外傳感、激光雷達(dá)以及紅外對(duì)抗等領(lǐng)域。