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(xiàn)報(bào)道單管芯片最大功率的約兩倍），是迄今為止報(bào)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(hào)：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?dú)w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(duì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了雙端25.3 W的輸出功率[14]。隨后，2017年，V. Gapontsev等人報(bào)告了一種輸出功率超過30W的BALs [15]。2022年，Yuxian Liu等人進(jìn)一步提升輸出功率，單管輸出功率達(dá)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(jìn)一步重大進(jìn)展必須建立在對(duì)功率和效率限制進(jìn)行更詳細(xì)的分析的基礎(chǔ)上。

隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，所有激光器會(huì)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(jìn)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(shí)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(shí)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(dá)（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(jí)聯(lián)技術(shù)在直流連續(xù)激光器中的報(bào)告相對(duì)較少。

本文對(duì)雙結(jié)GaAs基寬條半導(dǎo)體激光器（雙結(jié)BALs）進(jìn)行了全面的分析，特別突出它實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)超高激光輸出功率的能力。我們進(jìn)行了雙結(jié)BALs的電光模擬和設(shè)計(jì)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(huì)減少焦耳熱的產(chǎn)生。雙結(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)器件中的熱傳遞并沒有顯著影響。同時(shí)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙結(jié)BALs在室溫，直流驅(qū)動(dòng)下最高輸出功率達(dá)到132.5 W，這是目前報(bào)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(gè)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(jí)聯(lián)而成。單結(jié)BALs的外延結(jié)構(gòu)包括單個(gè)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(xì)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(shí)，使用室溫下的單結(jié)BAL的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型進(jìn)行校準(zhǔn)。我們計(jì)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(huì)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(píng)估了結(jié)數(shù)對(duì)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(jí)聯(lián)，每個(gè)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(yuǎn)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(jì)算的橫向基模強(qiáng)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(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）進(jìn)行生長。每個(gè)異質(zhì)結(jié)包括一個(gè)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(tái)面。隨后，沉積 SiO2絕緣層以及p金屬接觸。然后進(jìn)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(duì)于相同的輸出功率，所需的驅(qū)動(dòng)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(dòng)。對(duì)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(dāng)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(dá)到了2.30 W/A，閾值電壓為2.6 V。對(duì)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?yàn)檩^低的電流意味著更小的焦耳熱。當(dāng)芯片工作在大電流注入時(shí)（閾值電流比例變得非常小，對(duì)光功率的影響可以忽略不計(jì)），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(dāng)單結(jié)BAL以最大功率81 W輸出時(shí)，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(duì)應(yīng)注入功率的37％和31.4％。同時(shí)，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(shí)，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(bào)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(shí)表現(xiàn)出較高的轉(zhuǎn)換效率，100 W和132 W光功率輸出時(shí)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(lán)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(píng)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(jìn)行呈現(xiàn)。當(dāng)輸出功率低于48 W時(shí)，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(dá)到132.5 W時(shí)，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(gè)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(cuò)開導(dǎo)致光譜展寬。同時(shí)，也包括每個(gè)量子阱載流子費(fèi)米能級(jí)展寬導(dǎo)致的光譜展寬。光譜分析表明，在70 A電流下兩個(gè)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(lán)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(kuò)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(kuò)展可以忽略不計(jì)。在圖6b中，顯示了在61 A注入電流下的側(cè)向和橫向遠(yuǎn)場分布。包含95％能量的側(cè)向遠(yuǎn)場發(fā)散角約為12.4°，而橫向遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yàn)證這一構(gòu)想，我們制備了與模擬相同的BAL并對(duì)其輸出特性進(jìn)行了全面分析。結(jié)果表明，雙結(jié)BAL在25°C熱沉溫度下實(shí)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(shí)分別為66.7%和60%。同時(shí)，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(bào)道的單管器件直流連續(xù)輸出的最大功率。

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