在激光技術(shù)快速發(fā)展的今天，高功率和窄譜寬激光器已成為眾多科學(xué)與工業(yè)領(lǐng)域的核心需求。近日，長光華芯CTO、四川大學(xué)王俊教授研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一款780nm寬條分布反饋（DFB）激光器取得重大突破，室溫連續(xù)輸出功率超過10W。這項(xiàng)研究成果在光子學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《IEEE Photonics Journal》上發(fā)表，展現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)在高性能激光器設(shè)計(jì)方面的重要進(jìn)展。

研究背景   

780 nm激光器是堿金屬蒸汽激光器（DPAL）的關(guān)鍵泵浦光源，在精密科學(xué)、工業(yè)加工以及國防領(lǐng)域中具有廣泛需求。然而，傳統(tǒng)的Fabry-Pérot（FP）激光器雖然功率高，但光譜寬度過大且波長穩(wěn)定性差，難以滿足應(yīng)用需求。分布反饋（DFB）激光器因其嵌入布拉格光柵，可實(shí)現(xiàn)窄譜寬和良好的波長穩(wěn)定性，成為理想選擇。然而，在實(shí)現(xiàn)高功率和窄譜寬兼顧的同時(shí)，仍存在諸多技術(shù)難題。DFB激光器發(fā)展歷程如圖1所示，相比于9xxnm器件，7xxnm 芯片的功率的發(fā)展是相對(duì)落后，這主要受到市場需求和材料的限制，需要解決的問題也就是功率提升和內(nèi)置光柵的生長。780nm寬區(qū)DFB激光器的報(bào)道較少，在2005年，費(fèi)迪南-布勞恩研究所(FBH)設(shè)計(jì)了50um條寬的780nm DFB激光器，功率為2.4W，這是迄今為止780nm DFB激光器的最高功率。對(duì)于抽運(yùn)堿金屬激光系統(tǒng)，寬區(qū)DFB激光器在多個(gè)側(cè)模式下工作，會(huì)導(dǎo)致不可避免的光譜展寬，但它們可以提供十倍于RW器件的輸出功率。因此，開發(fā)高功率寬區(qū)780nm DFB激光器至關(guān)重要，為科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用帶來了新的可能。

圖1 7xxnm與9xxnmDFB激光器的發(fā)展歷程

研究亮點(diǎn)

四川大學(xué)電子信息學(xué)院及蘇州長光華芯光電技術(shù)股份有限公司王俊教授研究團(tuán)隊(duì)聚焦于780 nm波長，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。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。

總結(jié)與展望

綜上，該團(tuán)隊(duì)為高功率、窄譜寬激光器的發(fā)展樹立了新標(biāo)桿。并將在未來進(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。