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中国激光
ChineseJournalofLasers
ISSN0258-7025,CN31-1339/TN
《中国激光》网络首发论文
题目:腔面反射对锥形激光器光束质量的影响
作者:游道明,谭满清,陈文彬,刘维华
网络首发日期:2022-07-18
引用格式:游道明,谭满清,陈文彬,
[J/OL].中国激光.
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췸싧쫗랢쪱볤ꎺ2022-07-1810:51:46
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腔面反射对锥形激光器光束质量的影响
游道明1,2,谭满清1,2*,陈文彬1,2,刘维华1,2
1中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室,北京100083;
2中国科学院大学材料科学与光电技术学院,北京100049
摘要高功率下光束质量恶化问题制约着锥形激光器的发展,基于腔面光学薄膜,研究腔
面反射对光束质量的影响。建立不包含抗反射结构的物理模型,采用锥形激光器的电光模
型进行仿真,分析不同腔面反射率下器件的光场分布。结果表明,传统锥形激光器中存在
强烈的光泵、光束成丝、自聚焦和空间烧孔,来自腔面的剩余反射引发了上述非线性效应,
最终影响光束质量。前腔面反射在此过程中起着关键作用,后腔面对光束质量同样有较大
影响。通过优化腔面反射率,提出两种优化路径,部分设计的光束质量因子小于2,实现
了高光束质量,为锥形激光器的设计提供参考。
关键词激光器;锥形激光器;腔面反射;光学薄膜;光束质量
1引言
半导体激光器具有体积小、寿命长、转换效率高等优势,高功率半导体激光器大规模
应用于泵浦光纤和固态激光器、直接材料加工、空间激光通信等领域[1]。主流的大功率半
导体激光器普遍存在光束质量差的问题[2]。为提高光束质量,外腔激光器、板耦合激光器、
倾斜腔激光器和锥形激光器被相继提出[3-5]。其中锥形激光器具有光束质量高、功率大、集
成度高等优势,受到广泛关注。
锥形激光器由脊型激光器和锥形光放大器单片集成,由脊型激光器产生的单模种子光,
耦合进入锥形放大器获得增益后,在宽度渐变的锥形波导传输过程中,光束逐渐扩展,内
部光功率密度大幅降低,实现瓦级近衍射极限输出。尽管锥形激光器的光束质量远优于普
通高功率半导体激光器,然而高功率下光束质量恶化,严重制约锥形激光器的发展。
高功率下锥形激光器存在强烈的光泵、空间烧孔等非线性效应,腔面反射被认为是重
要影响因素[6,7]。来自高反射率腔面的剩余反射影响光场分布,反射光在腔内反复振荡,由
于锥形激光器特殊的波导结构加剧了局域折射率和增益波动,引发了上述非线性效应,使
得光束质量恶化[8,9]。研究发现,较低的前腔面反射率有助于改善腔内光场的不均匀分布,
削弱空间烧孔和光束成丝。降低后腔面反射率也能够有效抑制光泵效应,并大幅提高光束
质量[10-13],然而腔面反射对光束质量的具体影响机制还不明确。
为提高锥形激光器中光束质量,研究者相继提出了抗反射凹槽、光束扰流器和光栅等,
普遍存在结构和工艺复杂的问题[14]。而光学薄膜与现有工艺兼容,半导体激光器中通常采
基金项目:国家自然科学基金()
通信作者:*E-mail:******@
:.
用高性能的光学薄膜,以改变腔面反射率,其中增透膜能够有效消除反射光的影响,基于
光学薄膜研究锥形激光器光束质量的研究也不断开展。
本文研究腔面反射对锥形激光器光束质量的影响。建立了锥形激光器物理模型,并采
用准三维电光模型进行仿真,通过分析不同腔面反射率下腔内的光场分布,研究非线性效
应等光束质量的影响因素。通过优化腔面反射率,本文提出两种优化路径,部分优化设计
的光束质量因子低于2。相比于以往的方案,无需改变器件整体结构,仅需通过光学薄膜
调整腔面反射率,即可同时获得瓦级的高输出功率和高光束质量,为锥形激光器的设计提
供了参考。
2仿真模型
锥形激光器由脊型和锥形两部分构成,如图1所示,其中脊型部分(ridgewaveguide,
RWsection)为脊波导激光器,锥形部分(taperedsection)为锥形波导结构的半导体光放大
器,脊型部分和锥形部分直接耦合,交界处两侧波导形状和尺寸差异较大,波导不连续将
影响光场分布。脊型部分通常采用折射率导引、锥形部分为增益导引的设计,导引机制对
光束质量也有较大影响[15]。光束经由靠近锥形部分的前腔面(frontfacet)输出,而脊型部
分一侧为后腔面(rearfacet),前后腔面上设置有光学薄膜。
图1锥形激光器的典型结构(a)三维示意图;(b)平面示意图
(a)3Dschematicdiagram;(b)plandiagram
建立了锥形激光器的物理模型,其结构如图2所示,为获得准确的腔面反射与光束质
量的关系,需要减少器件结构的影响。为此,设置脊波导长度为1mm,脊宽控制在3μm,
具有良好的滤波性能,锥角设置为3°,锥形部分长度则为1mm,与种子光衍射角相匹配并
具有足够的增益大小[16,17],前腔面宽度为55μm,表1列出了该物理模型的结构参数。:.
图2锥形激光器的物理模型
表1锥形激光器的结构参数
StructuralParametersValue
RW-LaserLength/mm1
RidgeWaveguideWidth/μm3
TaperedAmplifierLength/mm1
TaperedAmplifierAngle/°3
FrontFacetWidth/μm55
为提高锥形激光器的光束质量,不仅需要深入理解其中的影响因素,还需要建立高效
的仿真模型,完整的锥形激光器仿真应包括光、电、热等多维模型,但是来自腔面的反射
对激光器的热分布影响相对有限,因此采用绝热的准三维电光模型。锥形激光器中电极的
设置也会影响输出特性[18],本文采用共面电极的设置。首先是确定锥形激光器的边界条件,
边界处的场和与后腔面反射率和前腔面反射率的关系满足[19]:
Exyl+(,,)Exy−(,,0)RrRf
ExylRExy+−(,,,,0)=r()(1)
ExyRExyl−+(,,0,,)=f()(2)
除边界条件外,还需确定折射率分布,折射率与载流子浓度n、增益系数g间满足:
g−(3)
=+nri2k0
式中为损耗系数,通过泊松方程求解载流子分布,利用上述两式可以得到折射率,
然后利用光束传播法(BPM)计算光场分布。BPM方法通过上述的折射率和边界条件,采
用有限差分(FDM)法求解波导方程方程,获得给定边界条件下腔内传播方向不同位置处
的光场分布,仅考虑单色波,所求解的标量Helmholtz方程为[20]:
2222(4)
xyz222+++=kxyz(,,0)
式中为场量,光束传播方向上,场量的相位变化较快,因此需要引入缓变场量:
(xyzuxyzz,,,,expik)=()(5)
():.
指数项表示相位变化,式中k为常数,表示平均相位变化,由于uxyz(,,)的幅值变化小,
忽略其在方向的二阶导数,将近似后的缓变场量带入即可得到等效Helmholtz方程:
uuui22(6)
2ikk=++−22(ku22)
z2kxy
通过计算初设场uxyz(,,),BPM方法依据上述等效方程求解,可以得到不同位置处的
光场变化,在此基础上引入界面反射和传输矩阵,能够获得前向和后向亮度光场传播参数。
以有源区电子跃迁的速率方程为基础,考虑载流子输运、吸收与散射损耗、非辐射复
合等,建立起包含阈值电流和内量子效率间关系的稳态和瞬态数值分析模型,模拟包括阈
值电流和输出功率在内的锥形激光器的输出特性。
光束质量用光束质量因子(M2)表示,定义为实际光束与基模高斯光束的束腰宽度和远
场发散角乘积的比值,M2满足下列公式[21]:
2πw(7)
M=4
式中w是水平方向上光束的束腰直径,锥形激光器中束腰位于器件内部,为水平方向上
的远场发散角,采用国际上通用的1标准计算。M2直观反映光束质量和光强的高低,理
e2
想的基模高斯光束的M2为1,实际光束的M2大于1,数值表示与基模高斯光束的偏差,光
束质量因子越小,则光束质量越高。
本文利用BPM方法、Poisson方程和电流连续性方程建立准三维电光模型,图3展示
了该模型的仿真流程。首先将锥形激光器沿光束传播方向划分许多仿真区域,通过增加仿
真区域的数量并优化关键位置处区域划分来提高计算的精度。针对每个仿真区域,第一步
是通过计算一维光子速率方程的光子密度,第二步使用FDM方法求解波动方程获得入射光
截面上的光场分布,然后通过第一步获得的光子密度计算出射截面上的载流子分布和增益
系数,再由此计算折射率分布。由此获得该区域内的电光参数,采用该方法即能计算锥形
激光器腔内所有仿真区域,并通过BPM方法联系相邻区域内的光束传播参数。该模型模拟
光束在谐振腔内反馈的过程,每完成一次反馈,判断光子密度和光场分布是否在误差内,
通过不断迭代,优化计算过程,最终达到收敛并输出仿真结果。
3结果分析与讨论
本文研究腔面反射率和光束质量的关系,基于上述电光模型和物理模型进行仿真,为:.
消除结构等因素的影响,仅通过改变腔面反射率。理论上光学薄膜能够实现光的全透过和
全反射,然而受镀膜工艺和膜层可靠性的限制,%-99%,
以该范围设定腔面反射。由于改变反射率对锥形激光器的功率影响较大,,
在该电压下输出功率达到瓦级,满足研究高功率情况的需要。
传统锥形激光器采用前腔面镀增透膜、后腔面镀高反膜的设计,通常前腔面反射率Rf
为5%,后腔面反射率Rr为95%,与普通半导体激光器类似,脊型与锥形部分构成谐振腔,
这意味着除波导内限制的光束外,在高功率下,大量来自腔面的反射光也将在前后腔面间
反复振荡获得增益,极大地影响锥形激光器的光束质量。图8展示了腔内的光场分布,其
中X轴为侧向,Z轴为腔内的传输方向,其中Z在0-1000μm内为脊型部分,1000-2000μ
m内为锥形部分,图中黑色虚线标记了波导轮廓。需要说明的是,由于模型通过沿Z轴划
分仿真区域计算参数,因此图中相对强度仅表示Z轴上微小区间内平面XY上的光强分布,
并非平面XZ的强度的分布,
图3传统锥形激光器腔内沿传输方向的光场分布
图3中光场呈多瓣分布,大量旁瓣光未被波导限制,在波导外传输并改变材料的带隙,
甚至使得能带饱和,在脊波导两侧形成对称的光传输通道,呈现强烈的光泵效应,在脊型
与锥形部分的交界处光场不连续,种子光未完全耦合进入锥形波导中,在波导外侧传输呈
现明显的光束成丝,极大地影响了输出光束的模式特性,因此传统锥形激光器的光束质量
较差。
:.
传统锥形激光器中前腔面反射率较高,研究来自前腔面的剩余反射与腔内光泵、光束
成丝等现象的关系,保持后腔面反射率不变(R%r=95)。表2中列出了较高前腔面反射率
(R%%f=−1032)器件的仿真结果,显示仍存在显著的光泵效应、空间烧孔和光束成丝,
并呈多模输出。
重点研究了低反射率的情况,%-5%的仿真结果,前腔面、交界处
和后腔面能够准确反映腔内的光场分布,如图4所示。受剩余反射影响,前向波和后向波
的光场和增益不匹配,图4(a)的前腔面光场分布显示波形严重畸变,由于锥形波导对畸
变波前的散射,形成高阶模式。除光场变化外,反射光还引起局部增益的变化。图4(b)
中交界处由于光场集中在中央,载流子消耗较大,改变了局部折射率,形成的折射率差使
得光场更加集中,引发自聚焦和空间烧孔,在高功率下形成光束成丝。上述多种效应对光
场产生综合作用,影响种子光的光束质量。
图4低前腔面反射率(R.%%f=−0015)的腔内光场分布(a)前腔面;(b)交界处;(c)后腔面
,%and5%(a)Frontfacet;(b)Junction;(c)Rearfacet
如图4(a)所示,Rf从1%%后,随着反射率的降低,前腔面光场中旁瓣强度
被大幅减弱,%后,波导内光强显著提高,波导外侧的旁瓣光几乎被完
全消除。图4(b)也显示远离波导的旁瓣光得到有效限制,然而波导内仍存在双峰激射,
这表明由前腔面和交界处所包围的锥形部分中,光场仍呈强烈的局域集中分布。图4(c):.
的后腔面光场显示,随着反射率的降低,脊波导两侧旁瓣强度大幅降低,光泵效应被削弱,
大部分光束重新脊波导限制,经滤波后输入锥形部分,光束质量获得提升。
前腔面反射影响锥形激光器特别是锥形部分的光场分布,通过降低反射率能够有效改
善器件模式特性,但是在后腔面反射率较高的情况下,仅改变前腔面反射率无法完全消除
光泵和空间烧孔。为进一步提高光束质量,需要考虑其他途径如优化后腔面反射率。
表2前腔面反射对光束质量的影响(补充信息)
(Supplementaryinformation)
/%/%SidelobePeak/%BeamqualityMainFeaturesofnonlineareffect
RfRr
,filamentation,SHB
,filamentation,SHB
,filamentation,SHB
,weaklyfilamentation
传统锥形激光器中后腔面反射率较高,光束在腔内不断振荡,与普通半导体激光器不
同,由于锥形和脊型部分的波导形状和尺寸上的巨大差异,这种振荡将引发非线性效应并
影响模式特性。研究后腔面反射与光束质量的关系,保持前腔面反射率不变(R%f=5),
图5对比不同后腔面反射率的锥形激光器的光场分布(R%%r=−195),如图5(a)和图5
(b)分别为交界处和后腔面的光场分布,更多信息可见表3。
图5(a)中反射率较高的情况下,交界处波导内形成波谷,中央光强显著低于两侧旁
瓣,并且在远离波导的外侧区域出现旁瓣,这是由于后腔面反射较强,光泵效应仍存在,
持续引发交界处的自聚焦和空间烧孔。图5(b)中后腔面波导两侧存在高能量的旁瓣,意
味着光泵效应较强,大量旁瓣光被后腔面反射,经脊波导外侧无源区域传输后到达交界处,
受该处波导不连续的影响,产生多旁瓣,并引发空间烧孔。随着Rr的减小,后腔面反射光
的能量降低,旁瓣强度和数量显著减少,光泵效应被削弱,光场不均匀分布得到大幅改善,
特别是Rr降至1%后,交界处的波谷现象完全消失,波导所限制的光束能量大幅提高。:.
图5不同后腔面反射率的腔内光场分布(R%%r=−195)(a)交界处;(b)后腔面
,Rrbetween1%and99%(a)Junction;(b)RearFacet
图6对比了前腔面的光场分布(R%f=5,R.%f=001),随着后腔面反射率的降低,前
腔面上旁瓣被大幅削弱,这与图5中交界处和后腔面光场的趋势是相符合的,锥形激光器
腔内的光泵、空间烧孔和自聚焦得到抑制,提高了输出光的光束质量。图6(a)还可以看
出,当反射率降至较低水平后(R%r=10,R%r=1),靠近波导边缘的两侧出现对称的光场
尖峰,呈现显著的蝙蝠耳分布(Top-Hat),这阻碍了光束质量的进一步提高。相比与图6
(a),图6(b)中光场分布出现巨大差异,波导外旁瓣几乎被完全消除,波导内光场也
更加均匀。特别是当反射率降至1%后,Top-Hat分布得到抑制,前腔面的光场非常接近单
瓣,锥形激光器趋于基模输出,具有高光束质量。图6(a)和(b)的对比表明在相同条
件下,前腔面反射在光束质量的变化中起着更为关键的作用。
图6不同反射率的前腔面光场分布(R%%r=−195)(a)R%f=5;(b)R.%f=001
,R%%r=−195(a)R%f=5;(b)R.%f=001
后腔面反射较强的锥形激光器中存在光泵、空间烧孔和自聚焦等,通过降低后腔面反
射率能削弱上述非线性效应,使得腔内光场分布更为均匀,特别是配合较低的前腔面反射
率,能够获得高光束质量的输出。需要指出的是,由于反射率减小,使得脊型部分输出的
种子光强度降低,这将影响包括功率和阈值电流在内的输出特性。
表3后腔面反射对光束质量的影响(补充信息):.
(Supplementaryinformation)
/%/%SidelobePeak/%BeamqualityMainFeaturesofnonlineareffect
RfRr
,filamentation,SHB
,filamentation,SHB
,weaklyfilamentation,SHB
为提高锥形激光器的光束质量,本文基于腔面反射率提出两条优化路径。其一是将前
腔面反射率Rf降至极低的水平(R.%f=001),即使在较大的后腔面反射率范围内
(R%%r=−190),锥形激光器仍能保持较高的光束质量。仿真结果表明,前腔面反射对光
束质量的影响更大,%的情况下,腔内的光场分布大幅改善,结合后腔面反射
率的优化能够进一步抑制腔内的非线性效应,实现高光束质量。选取了其中两种优化设计,
如图7所示为其光场分布。由于仿真沿Z轴划分仿真区域计算参数,图中归一化强度仅表
示平面XY内的光强分布,不代表整个腔内的相对强度。相较于图3的传统锥形激光器,图
7中脊波导两侧的旁瓣强度和分布范围显著减小,意味着削弱了光泵效应,光场被重新限
制在波导内部,大部分高阶模被脊波导的滤除,种子光具有更好的光束质量,因此锥形波
导边缘的光束成丝现象也大幅减少。特别是图7(b)中,后腔面附近的旁瓣强度和分布范
围大幅减小,光束成丝也几乎被完全消除,实现高光束质量。仿真显示,后腔面反射率降
至10%以下后,光束质量仍可获得小幅提升,更多信息可见表4。
图7优化路径一的部分优化设计腔内光场分布(R.%f=001)(a)R%r=90;(b)R%r=10
,optimizedpath1,R.%f=001(a)R%r=90;(b)R%r=10
另一种路径是将前后腔面的反射率都降至较低水平(R%r10,R.%f01),可以实现
较高的光束质量。图8展示了该路径两种优化设计的光场分布,图8(a)与图7(b)的后
腔面相同(R%r=10),然而光束质量却更低,图8(a)的光场图中出现了大量旁瓣光,甚:.
至在远离后腔面的区域仍有相当大的光强。类似的情况也出现在后腔面反射率更高的锥形
激光器中(R%r10),推测是因为前腔面反射率提高后,剩余反射光与高反射的后腔面作
用,形成较强谐振效应,影响了腔内的光场分布。将后腔面反射率降至1%后,谐振效应被
削弱,腔内光场分布得到明显改善,如图8(b)所示。相比于第一种优化路径,第二种优
化路径在无法满足前腔面反射率极低(R.%f=001)的情况下,需要将后腔面反射率大幅降
低(R%r10)才能达到相同的高光束质量。
图8优化路径二的部分优化设计腔内光场分布(R.%f=01)(a)R%r=10;(b)R%r=1
,optimizedpath2,R.%f=01(a)R%r=10;(b)R%r=1
腔面反射率的改变同样意味着输出特性的变化,低反射率会造成阈值电流的升高和功
率的降低。为验证腔面反射的影响,除光束质量外还仿真了输出特性,结果如图9所示,
图9(a)和图9(b)分别展示了上述4种优化设计的功率-电流-电压(PIV)曲线和光束质
量因子M2-电流曲线。
图9(a)的PIV曲线显示,经优化设计的器件阈值电流大幅增加(Ith从约50mA增加
至300mA),输出功率也有一定程度的损失,但功率依然能够达到1200mW以上。这与锥
形激光器特殊的结构和工作原理有关,不同于普通的半导体激光器,脊型部分输出的种子
光功率通常不超过100mW,大部分增益在锥形部分完成,降低后腔面反射率对种子光功率
的影响仅为毫瓦量级。此外前腔面反射率降低有助于提高锥形光放大器的增益,补偿了后
腔面反射率改变造成的损耗,这些为锥形激光器的腔面优化创造了条件。特别是图9(b)
中优化设计的M2均低于传统锥形激光器,表明光束质量获得提高。特别是部分优化设计的
M2(R.%f=001,R%r=10和R.%f=01,R%r=1),在高电流下依然保持在2以下,接近衍射极
限,实现了高光束质量。:.
图9优化设计的锥形激光器仿真结果(a)PIV曲线;(b)光束质量因子M2-电流关系曲线
(a)PIVcurve;(b)BeamqualityIntensityM2-currentcurve
尽管腔面反射率的优化造成了输出特性的损伤,特别是阈值电流大幅增加,但是对于
部分功率和光束质量要求较高的应用领域而言,同时满足瓦级功率和高光束质量的锥形激
光器,依然具有的相当吸引力,尤其是无需调整器件整体结构,与现有工艺相兼容。
表4部分优化设计的光束质量(补充)
(Supplementaryinformation)
/%/%BeamqualityMainFeatures
RfRr
<,filamentation
<
<
<,filamentation
<
4结论
本文研究了锥形激光器的腔面反射对光束质量的影响,基于腔面光学薄膜,建立无抗
反射结构的物理模型,通过改变前腔面和后腔面的反射率,并采用锥形激光器的电光模型
进行仿真。结果表明,传统锥形激光器中存在强烈的光泵、光束成丝、自聚焦和空间烧孔,
使得高功率下光束质量迅速恶化。腔面反射与上述非线性效应密切相关,来自腔面的剩余
反射影响腔内光场分布,造成局部增益和折射率的集中,并引发非线性效应,最终破坏器
件的光束质量。研究发现,前腔面反射在此过程中起着关键作用,由于锥形激光器特殊的
结构,前腔面的剩余反射光在锥形波导传输,光场产生强烈的不均匀分布。后腔面反射直
接引起光泵效应,对光束质量同样有较大影响。本文还通过优化腔面反射率,提出两种优
化路径,实现了高光束质量,部分优化设计的M2低于2。相比以往的方案,无需改变整体
结构,仅需通过光学薄膜调整腔面反射率,即可获得瓦级的高输出功率和高光束质量,为:.
锥形激光器的设计提供了参考。
参考文献
[1]NasimH,:Fromlaborat