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長光華芯2月份首次公布了100W以上單管芯片，該研究成果正式發(fā)表在國際SCI知名期刊《photonics》上。雙結(jié)單管芯片室溫連續(xù)功率超過132W（文獻報道單管芯片最大功率的約兩倍），是迄今為止報道的單管芯片功率最高水平，持續(xù)引領(lǐng)高功率芯片行業(yè)技術(shù)發(fā)展。文章題為“Double-Junction Cascaded GaAs-based Broad-Area Diode Lasers with 132W Continuous Wave Output Power”。

期刊號：Photonics 2024, 11(3), 258; 

原文鏈接：https://www.mdpi.com/2304-6732/11/3/258

高功率寬條半導(dǎo)體激光器 (BALs) 已成為光纖和固態(tài)激光系統(tǒng)的主要泵浦源，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，這要歸功于其高的功率轉(zhuǎn)換效率、高可靠性和低成本[1-17]。光纖激光器和固態(tài)激光器領(lǐng)域的快速發(fā)展,對更大輸出功率和更高轉(zhuǎn)換效率半導(dǎo)體激光器的需求不斷增加。

在過去的20年里，關(guān)于功率和效率提升都已經(jīng)取得了很大進展[7-13]。2008年，Petrescu-Prahova等人展示了具有100微米注入?yún)^(qū)寬度的BALs，在室溫下實現(xiàn)了雙端25.3 W的輸出功率[14]。隨后，2017年，V. Gapontsev等人報告了一種輸出功率超過30W的BALs [15]。2022年，Yuxian Liu等人進一步提升輸出功率，單管輸出功率達到了48 W[16]。2023年，我們展示了工作在室溫下、具有230微米注入?yún)^(qū)寬度的BALs，提供了51 W輸出功率[17]。進一步重大進展必須建立在對功率和效率限制進行更詳細的分析的基礎(chǔ)上。

隨著驅(qū)動電流的增加，所有激光器會出現(xiàn)功率飽和，以及量子效率的降低。其中重要的因素為，隨著注入電流的增加而產(chǎn)生的焦耳熱使得有源區(qū)的溫度升高，增益展寬，峰值增益降低，從而限制了輸出功率的進一步增加。為了解決這一問題，在我們隧道結(jié)技術(shù)[18]的基礎(chǔ)上開發(fā)了雙結(jié)激光器，最終實現(xiàn)了巨大提升。與傳統(tǒng)器件相比，雙結(jié)器件可以在更低的電流和更少的焦耳熱下實現(xiàn)更大的輸出功率。此前，多結(jié)技術(shù)已經(jīng)取得了很大突破，并在短脈沖垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELs）和激光雷達（LiDAR）系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[19-23]。然而，多結(jié)技術(shù)在直流連續(xù)激光器中的應(yīng)用受到了如熱管理、側(cè)向模式控制、多結(jié)失效以及光纖耦合等問題的限制，使得關(guān)于多結(jié)級聯(lián)技術(shù)在直流連續(xù)激光器中的報告相對較少。

本文對雙結(jié)GaAs基寬條半導(dǎo)體激光器（雙結(jié)BALs）進行了全面的分析，特別突出它實現(xiàn)室溫連續(xù)超高激光輸出功率的能力。我們進行了雙結(jié)BALs的電光模擬和設(shè)計研究。模擬結(jié)果顯示，在室溫下，雙結(jié)BALs在相同輸出功率下會減少焦耳熱的產(chǎn)生。雙結(jié)結(jié)構(gòu)對器件中的熱傳遞并沒有顯著影響。同時，我們以低內(nèi)部損耗和熱穩(wěn)定性的單結(jié)器件為基礎(chǔ)，制備了不同結(jié)數(shù)的高功率BALs，并精確比較了它們的輸出特性。實驗結(jié)果表明，雙結(jié)BALs在室溫，直流驅(qū)動下最高輸出功率達到132.5 W，這是目前報道的最高功率。此外，相應(yīng)的功率轉(zhuǎn)換效率仍然保持在60%，峰值效率接近70%。與單結(jié)BALs相比，在同等輸出功率下，雙結(jié)BALs在輸出腔面處的光功率密度降低了50%，顯著提升了器件的可靠性。

在圖1a中，我們展示了雙結(jié)BALs的外延結(jié)構(gòu)。雙結(jié)BALs由兩個具有相同有源區(qū)、波導(dǎo)層和限制層的單結(jié)BALs通過GaAs隧道結(jié)級聯(lián)而成。單結(jié)BALs的外延結(jié)構(gòu)包括單個InGaAs/AlGaAs量子阱，AlGaAs波導(dǎo)層、n型AlGaAs限制層和p型AlGaAs限制層。為了清晰地展示結(jié)構(gòu)細節(jié)，圖1b描繪了單結(jié)BAL在外延方向上的折射率分布，以及基模分布。器件注入?yún)^(qū)寬度和腔長分別為500 μm和5.6 mm。前腔和后腔的反射率分別為1.5%和99%。我們使用Crosslight軟件建立了仿真模型，采用一維載流子和光學(xué)模型，在仿真中沒有考慮熱效應(yīng)。同時，使用室溫下的單結(jié)BAL的實驗數(shù)據(jù)對仿真模型進行校準。我們計算了單結(jié)和雙結(jié)激光器結(jié)構(gòu)的L-I-V特性、輸出功率、轉(zhuǎn)換效率，通過有限元法模擬了器件的溫度特性。需要注意的是，在仿真中我們假設(shè)內(nèi)部量子效率是恒定的。仿真結(jié)果如圖2所示。圖2a顯示，如果保持注入?yún)^(qū)寬度不變，隨著結(jié)數(shù)的增加，輸出功率也會增加。假設(shè)有足夠的散熱能力，產(chǎn)生132W輸出功率的注入電流從單結(jié)BAL的130.2A減少到雙結(jié)BAL的60.8A。使用有限元法求解穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程評估了結(jié)數(shù)對BALs散熱的影響。圖2d顯示，隨著熱功率的增加，有源區(qū)的溫度逐漸升高。由于雙結(jié)在外延層中垂直級聯(lián)，每個結(jié)與散熱器的距離不同而具有不同的溫度。離散熱器最遠的有源區(qū)溫度最高。

Figure 1. (a) 雙結(jié)BAL結(jié)構(gòu)的示意圖，包括襯底、cladding層、waveguide層、cap層、量子阱（QW）和隧道結(jié)（TJ）。(b) 單結(jié)BAL的折射率分布和計算的橫向基模強度。

我們制備了單結(jié)和雙結(jié)BALs。雙異質(zhì)結(jié)在n型6寸GaAs襯底上采用金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）進行生長。每個異質(zhì)結(jié)包括一個壓應(yīng)變的InGaAs/AlGaAs量子阱（QW），發(fā)射波長在915nm附近。在外延生長后，采用傳統(tǒng)光刻和濕法蝕刻形成了寬500μm的注入臺面。隨后，沉積 SiO2絕緣層以及p金屬接觸。然后進行了襯底減薄以及N金屬化。最終，解離形成腔長5.6mm的單管激光芯片。前后腔面通過鈍化并分別鍍抗反射（AR）和高反射（HR）膜層。激光芯片以p-down的形式使用銦焊料封裝在金剛石熱沉上。

Figure 2. 單結(jié)和雙結(jié)BAL的輸出特性數(shù)值模擬。(a) 隨著結(jié)數(shù)的增加，對于相同的輸出功率，所需的驅(qū)動電流呈線性減小。(b) 隨著結(jié)數(shù)的增加，BAL的開啟電壓也呈線性增加。(c) 隨著結(jié)數(shù)的增加，PCE峰值略微向更高功率移動。對于較大功率，雙結(jié)器件的PCE增加。(d) BAL有源區(qū)溫度與熱功率的關(guān)系圖。

圖3顯示了單結(jié)和雙結(jié)BALs的橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。不同結(jié)數(shù)BALs的L-I-V結(jié)果如圖4a、b所示。顯然，隨著電流的增加，輸出功率幾乎呈線性增加，并且在當前范圍內(nèi)沒有觀察到熱翻轉(zhuǎn)。如圖4a所示，單結(jié)BAL的閾值為3.5 A，而雙結(jié)BAL的閾值為3.4 A，顯示出很小的差異。BAL的斜率效率和閾值電壓與p-n結(jié)數(shù)成比例增加。雙結(jié)BAL的斜率效率達到了2.30 W/A，閾值電壓為2.6 V。對于相同的輸出功率，較大的閾值電壓和較低的電流是非常有利的，因為較低的電流意味著更小的焦耳熱。當芯片工作在大電流注入時（閾值電流比例變得非常小，對光功率的影響可以忽略不計），雙結(jié)器件的焦耳熱可以減少50％，從而獲得更大的輸出功率。圖4a顯示，當單結(jié)BAL以最大功率81 W輸出時，單結(jié)和雙結(jié)器件產(chǎn)生的焦耳熱分別為47.9 W和36.2 W，對應(yīng)注入功率的37％和31.4％。同時，雙結(jié)器件的光功率密度僅為0.081 W/μm，是單結(jié)器件的一半，因此顯著提高了器件的可靠性。令人振奮的是，在保持熱沉溫度為25°C時，雙結(jié)BAL的峰值功率在70 A電流下超過了132.5 W。據(jù)作者所知，這是迄今為止報道的單管BAL的最大輸出功率。圖4b說明，隨著結(jié)數(shù)增加，峰值轉(zhuǎn)換效率略有下降，從71.8％下降到69.3％。雙結(jié)器件在較大輸出功率時表現(xiàn)出較高的轉(zhuǎn)換效率，100 W和132 W光功率輸出時的轉(zhuǎn)換效率分別為66.7％和60％。

Figure 3. (a) 單結(jié)BAL的橫截面SEM圖像和 (b) 雙結(jié)BAL的橫截面SEM圖像。

Figure 4. (a) 不同結(jié)數(shù)的BAL的L-I-V結(jié)果。雙結(jié)BAL在70 A電流，25°C熱沉溫度下的輸出功率超過132.5 W。黑線：功率；藍線：轉(zhuǎn)換效率；紅線：電壓 (b) 不同結(jié)數(shù)BAL的功率轉(zhuǎn)換效率與輸出功率的關(guān)系。

我們利用光譜漂移法[24]評估了器件的結(jié)溫特性，光譜漂移系數(shù)為0.32 nm/K。在圖5a中，單結(jié)和雙結(jié)器件的結(jié)溫作為輸出功率的函數(shù)進行呈現(xiàn)。當輸出功率低于48 W時，單結(jié)器件表現(xiàn)出較低的溫度。然而，隨著輸出功率的增加，溫度迅速上升。相反，雙結(jié)器件在較大電流下具有較低的結(jié)溫，這與我們的模擬結(jié)果一致。外推預(yù)期單結(jié)器件輸出功率達到132.5 W時，器件結(jié)溫為89°C，比雙結(jié)器件高30°C。較高的結(jié)溫導(dǎo)致內(nèi)部量子效率降低和內(nèi)部損耗增加。因此，光功率逐漸飽和，如圖4a中的L-I曲線所示。圖5b顯示了雙結(jié)BAL在不同注入電流下的發(fā)射光譜。隨著注入電流的增加，光譜明顯變寬，特別是在60 A和70 A的注入電流下。這一結(jié)果歸因于兩個量子阱距離散熱器的不同距離，導(dǎo)致QW-2的溫度較QW-1略高，使得光譜峰值位置錯開導(dǎo)致光譜展寬。同時，也包括每個量子阱載流子費米能級展寬導(dǎo)致的光譜展寬。光譜分析表明，在70 A電流下兩個活性區(qū)域的峰值波長之間存在1.35 nm的差異，相應(yīng)的溫度差約為4.2°C，與我們的模擬結(jié)果一致。通過外延過程中增益峰值的藍移可以抑制光譜的變寬。

Figure 5. (a) 不同結(jié)數(shù)的BAL的結(jié)溫與輸出功率關(guān)系。雙結(jié)器件的溫度低于單結(jié)器件。(b) 不同注入電流下雙結(jié)BAL的發(fā)射光譜。

我們使用狹縫掃描法測試了雙結(jié)BAL在61 A注入電流下的近場分布，如圖6a所示。近場輪廓分布均勻，包含95％能量的寬度約為491.5μm。近場CCD圖像和腔面的光學(xué)顯微鏡照片表明，近場寬度幾乎與電流注入寬度相同。盡管QW-2中的電流有微小的擴展，但它并未延伸到刻蝕槽的邊緣。這一結(jié)果證明了由隧道結(jié)引起的電流擴展可以忽略不計。在圖6b中，顯示了在61 A注入電流下的側(cè)向和橫向遠場分布。包含95％能量的側(cè)向遠場發(fā)散角約為12.4°，而橫向遠場發(fā)散角約為51°。

Figure 6.(a) 61A注入電流下近場CCD圖像，近場分布以及腔面顯微鏡照片。(b)61A注入電流下側(cè)向及橫向遠場分布。

我們比較了單結(jié)和雙結(jié)BAL的輸出特性。模擬結(jié)果表明，同等輸出功率下，雙結(jié)BAL在室溫下具有接近減半的注入電流，從而減少了焦耳熱的產(chǎn)生。因此，多結(jié)BAL提供了一種增加BAL輸出功率的新方法。為了驗證這一構(gòu)想，我們制備了與模擬相同的BAL并對其輸出特性進行了全面分析。結(jié)果表明，雙結(jié)BAL在25°C熱沉溫度下實現(xiàn)了直流最大132.5 W的光功率輸出。功率轉(zhuǎn)換效率在100 W和132 W時分別為66.7%和60%。同時，光功率密度僅為單結(jié)BAL的一半，顯著提高了BAL的可靠性。據(jù)我們所知，這一結(jié)果是半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域報道的單管器件直流連續(xù)輸出的最大功率。

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