垂直外腔表面发射激光器 Vertical external-cavity surface-emitting lasers

2022-11-03 11:01:43 浏览:314

定义

带有外部激光谐振器的表面发射半导体激光器。

垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)是基于表面发射半导体增益芯片和激光谐振器的半导体激光器,由一个或多个外部光学元件完成。 与其他类型的半导体激光器相比,VECSEL可以在衍射极限光束中产生非常高的光功率,即具有高光束质量。 因此,它们通常可以与一些掺杂绝缘体固态激光器和气体激光器竞争。 与这些相比,它们的波长多功能性可能是一个重要的优势。

图1:带有半导体增益芯片和外部激光谐振器的VECSEL(不按比例)原理图。泵送和冷却的布置未显示。

半导体器件(增益芯片)可能仅包含一个半导体布拉格镜和具有通常具有多个量子阱(QW)的有源区域(增益区域)。 半导体结构通常总厚度仅为几微米(不包括半导体基板),并安装在某种散热器上。 激光谐振器配有外部反射镜,通常在几毫米到几十厘米之间的距离。 (对于高光束质量,谐振器的长度不应比腔内光束的瑞利长度小很多。 半导体芯片中的激光模态尺寸基本上由外部谐振器设置定义,除了热透镜的一些可能影响。

外部谐振器可以折叠成额外的平面或曲面镜,并且可以包含额外的光学元件,例如用于单频操作和/或波长调谐的光学滤光片,用于腔内倍频的非线性晶体,或用于被动模式锁定的可饱和吸收器[2]。 也可以用微透镜制造单片谐振器,一侧与增益芯片接触,另一侧具有输出耦合器镜面涂层[21]

图2:被动锁模 VECSEL 的腔体设置。

电泵浦与光泵浦

原则上,电泵浦是首选方法,因为否则需要额外的泵浦激光器。 电泵浦VECSEL具有类似于VCSEL的增益结构,其中有效区域周围的环形电极将载流子注入该区域。 不幸的是,这种技术限制了可用有效面积,从而限制了输出功率,因为很难以这种方式均匀地泵送大面积,避免在有效区域中心出现弱泵送区域。 到目前为止,此类设备可实现的功率似乎仅限于1 W量级[8]

光泵浦(见图2)避免了这一限制;以这种方式很容易均匀地泵送任意大的活动区域。 此外,增益结构的设计大大简化,因为不需要用于承载电流的掺杂区域,也不需要电流孔来引导电流。 泵浦光通常取自高亮度广域激光二极管或二极管条。 由于半导体增益结构的吸收长度非常短(至少对于间隔泵浦,见下文),泵浦光的光束质量不是很重要;光束质量差只需要使用强收敛的泵浦梁,这需要更多的空间,并且可能使腔内元件的布置更加困难。 然而,当使用二极管条泵浦时,可以实现数十瓦的输出功率[9,32]

请注意,当模面积较大时,需要外部谐振器来实现衍射限制输出。 因此,VCSEL(具有单片谐振器)不适用于具有完美光束质量的高功率,即使是光泵浦也是如此。

冷却技术和电源可扩展性

与VCSEL相比,VECSEL可以具有更大的光束区域(直径为数百微米),特别是对于光泵浦。 这使光强度保持在合理的水平,即使对于高输出功率也是如此。

另一个问题是散热的提取。 当使用在晶圆上生长的增益结构时,例如厚度为0.5毫米,并且不应用特殊的冷却技术,除非有效面积和输出功率再次相当有限,否则器件会变得太热。 这种限制是由半导体结构的巨大热阻造成的。 但是,有一些技术可以实现更有效的冷却,如下所述。

一种方法是在高效散热器上使用经过特殊处理的非常薄的半导体结构。 这可以通过首先在普通晶圆上以相反的顺序(颠倒)生长半导体层,然后将表面焊接到金属散热器上,最后通过蚀刻去除基板(直到蚀刻停止,这也是外延生长的)来制造的。 人们获得厚度约为5-10μm的半导体结构,因此热阻大大降低。

另一种方法是将透明的散热器连接到发射表面。 这种散热器可以由金刚石、碳化硅或蓝宝石制成。 由于它们对激光和泵浦波长的高透明度,它们可能不会引入大量损耗,并总体上提高了激光效率。

这两种冷却技术都可能导致人们进入可以进行功率缩放的制度。 将输出功率加倍的功率缩放程序本质上是将两倍的泵浦功率施加到两倍的有效区域。 对于大面积区域,热流主要在纵向上,面积加倍也会使冷却能力加倍。 这意味着对于进一步增加的活动区域,设备温度不会显着升高。 然而,热引起的应力效应也可能影响光束质量,对于更高的功率,确实会变得更强,因此功率缩放并不完全容易。

由于VECSEL增益介质的几何形状是薄盘的几何形状,因此光泵浦VECSEL有时被称为半导体盘激光器。 事实上,它们类似于固态薄膜激光器,尽管增益介质种类不同,但它们也是功率可扩展的。 目前尚不清楚这些类型的激光器的功率限制是什么。

考虑到这种VECSEL在使用光束质量可能非常差的泵浦源(例如高功率二极管条)时可以产生基本上衍射限制的光束,因此光泵浦VECSEL可以被认为是一种高效的亮度转换器。

不同发射波长的材料

典型的VECSEL增益结构包含一个布拉格镜和一个具有多个量子阱(MQW有源区)的有源区,所有这些孔都是在半导体晶片上用外延工艺(通常为MOCVD或MBE)制造的。 晶圆材料定义了晶格常数,从而限制了所用材料的选择。 典型的材料组合是:

  • 在砷化镓(GaAs)晶片上,如果激光辐射的光子能量低于GaAs的带隙,则可以生长具有AlAs和GaAs的布拉格镜,以避免布拉格镜中的吸收。 然后,活动区域可以包含InGaAs(InxGa1−xAs )量子阱,其中铟(In)含量降低带隙能量。 这种InGaAs层是压缩应变的,因为InGaAs自然具有稍大的晶格常数。 量子阱可以嵌入AlGaAs中,并且可以通过额外的层(例如GaAs1−xPx )进行应变补偿(见下文),这种结构适用于例如 960 或 1030 nm 的发射波长。
  • 对于明显更长的发射波长(例如大约 1.3 或 1.55 μm),不能再使用 InGaAs,因为应变太大,需要高铟含量。 在这种情况下,GaInNAs量子阱可能是合适的,其中氮含量降低了晶格常数。 基于这种稀氮化物材料的VECSEL具有与InGaAs相似的性能的潜力,尽管四元材料的生长往往更加困难。
  • 使用InGaAsP量子阱和磷化铟(InP)作为晶圆材料也可以发射1.5μm区域。 然而,一个好的布拉格镜子就更难制作了。 InP/InGaAlAs组合具有低折射率对比度,因此需要大量的层对,或者可能与金属(金)层组合。 也可以将基于InP的量子阱增益区域融合到GaAs晶圆上的GaAs/AlAs Bragg反射镜上,但是这种混合结构的制造很困难。
  • 对于更长的波长,例如2μm,可以使用锑化物材料[22]。 量子阱可能由GaInSb(镓铟锑化物)制成。 这种结构可以在GaSb(锑化镓)晶片上生长。
  • 对于850nm左右的发射,GaAs量子阱是合适的。 然而,砷化镓不能包含在布拉格镜中,因为镜子不应该被吸收。 然后,人们必须求助于AlAs/AlGaAs布拉格镜,后者的铝含量足够高,可以获得足够大的带隙。 然后降低折射率对比度,但通常仍然足够。
  • 在红色光谱区域(例如610或650 nm)中,可以使用AlGaInP势垒之间的GaInP量子阱实现更短的发射波长。 波长越短,布拉格镜的可能折射率对比度越低,这可能会导致问题。

量子阱的放置

量子阱通常被放置在使得每个量子阱都处于激光波长的电场分布的反节点中。 这种配置有时被称为共振周期增益,尽管这种措辞有些不合适,因为量子阱的周期性放置与共振无关(即使结构可能另外是共振的)。 由于其他波长具有不同的驻波周期,它们的场分布将与量子阱(较低的约束因子)重叠得不太完美,因此有效增益降低。

这种结构中使用的量子阱的数量可能会有所不同。 较大的数字可能导致更高的增益,但也会产生更厚的增益结构,对生长误差、应变和温度效应具有更高的敏感性(见下文)。 此外,由于量子阱的内部温度梯度和不同的激发水平,可能会出现一定程度的不均匀增益饱和。 这可能是一个问题,例如在窄线宽或锁模操作中。

温度变化会影响量子阱最大固有增益的波长和场分布。 由于一定程度的加热是不可避免的,因此应设计增益结构,以便在预期工作温度而不是室温下实现所有参数的最佳匹配。 在这方面不理想的设计可能会因泵功率过高而表现出严重的功率降低(翻滚)。

井内泵送与间隔泵送

由于VECSEL增益区域中量子阱的厚度较小,如果泵浦吸收仅发生在量子阱中,则泵浦吸收不是特别有效。 因此,通常的方法是设计增益结构,使量子阱之间的间隔层也吸收泵浦辐射。 在这些层中产生的载流子可以有效地转移到量子阱中,因为它们的带隙比间隔层小。 然而,有效的载流子转移要求两种材料的带隙足够不同,因此泵浦波长大大短于激光波长。 这增加了量子缺陷,从而增加了耗散功率。

另一种选择是井内泵送,即直接泵送量子阱[13]。 然后,通过使用多通道泵浦方案仍然可以实现高效的泵浦吸收,就像在固态薄盘激光器中一样。 然而,这增加了设置的复杂性,并且还对泵浦辐射的光谱引入了更严格的条件。 因此,不清楚这种办法是否足够实用,可以广泛应用。

应变的影响

另一个重要问题是对VECSEL增益结构应变的影响,这是由晶格失配引起的,特别是在量子阱和其他层之间。 例如,基于砷化镓的VECSEL结构中的InGaAs量子阱会受到压缩应变的影响,因为它们的自然晶格常数略大于GaAs。

通过加入一些具有较小晶格常数和适当厚度的附加层,在整体压缩应变和拉伸应变平衡的意义上发生应变补偿。 (当然,量子阱内的压缩应变仍然存在,甚至可以在更高的光学增益和效率方面产生有益的影响。

即使使用应变补偿层,也不容易完全避免与应变相关的缺陷,例如以光致发光淬灭的暗线形式出现。 (晶格缺陷有沿某些晶体方向传播的趋势。 在涉及显著温度梯度的激光操作过程中,此类缺陷会累积并导致器件快速退化。

总体而言,VECSEL增益结构的设计(当然还有增长)是一个复杂的问题,必须考虑许多因素才能达到令人满意的性能。 锁模操作的增益结构(见下文)涉及与色散相关的其他设计细节,这会严重影响脉冲整形过程。 充分了解所有这些因素并使用灵活的设计软件对于找到好的设计至关重要。

腔内倍频

由于VECSEL是一种低增益激光器,其腔内功率远远高于输出功率。 这对于腔内倍频是有利的,即将非线性晶体插入激光谐振器。 通过这种方式,瓦特级连续波器件可以表现出高效的非线性频率转换。 这允许构建高效的红色,绿色和蓝色激光源,并可能应用于RGB激光投影显示器。

具有模式锁定功能的超短脉冲生成

VECSEL的外腔还允许锁模操作[2],脉冲重复率通常为几千兆赫兹,但在某些情况下低于1 GHz或远高于10 GHz[15]。 特别是光泵浦VECSEL的被动模式锁定,利用激光二极管作为泵浦源,在外部谐振器中使用半导体可饱和吸收镜(SESAM)进行模式锁定,自2000年以来取得了巨大的进步。 这导致平均输出功率远远超过1 W [4],即比任何其他锁模半导体激光器所能达到的功率高几个数量级。 典型的脉冲持续时间在较低的皮秒范围内,尽管持续时间也远低于1 ps[6,24]。 脉冲有时接近变换有限,但在其他情况下强烈啁啾,具体取决于色散和其他问题的细节。

最近已经证明,即使将可饱和吸收器集成到增益结构中,也可以实现被动模式锁定[17]。 这种集成结构很难发展,并且迄今为止受到严重的性能限制。 然而,在未来,它们可能允许建造非常紧凑且可能便宜的锁模激光器[20]

请注意,VECSEL中脉冲生成的细节与更传统的固态体激光器或光纤激光器的细节有很大不同。 特别是,VECSEL表现出低饱和通量和低上状态寿命。 这允许非常高的脉冲重复率,而不会产生Q开关不稳定。 另一方面,除了与另一个锁模激光器同步泵浦外,不可能获得高脉冲能量。

不幸的是,与更传统的激光器类型相比,获得锁模操作相关过程的完整模型要困难得多。

未来潜力

VECSEL似乎在各个领域具有广泛的应用潜力,因为它们结合了几个重要特征:

  • 波长多功能性:VECSEL可用于处理传统固态激光器没有合适激光线的许多波长。
  • 高输出功率和光束质量的潜力:特别是我们的光学泵浦VECSELs,高输出功率和出色的光束质量的不寻常组合。
  • 潜在的廉价大规模生产:VECSEL增益结构可以用晶圆技术制造,其中在单个晶圆上生长数百或数千个器件。

因此,可以想象,许多传统的固态激光器最终将被光学泵浦VECSEL所取代,特别是在需要异常波长的情况下。

例如,VECSEL可以用作数字激光投影显示器的RGB源的一部分。 消费类产品所需的输出功率可以通过电泵设备产生,从而进一步降低成本。 大屏幕显示器仍然可以使用光学泵浦激光器。

VECSEL将取代许多其他固态激光器,也用于需要特殊波长(特别是短波长)的其他应用领域(例如,参见关于可见光激光器的文章)。 在需要超短脉冲的情况下,它们也是有趣的候选者,前提是不需要高脉冲能量。

VECSEL的另一个应用是腔内激光吸收光谱,它依赖于针对宽发射带宽进行优化的VECSEL芯片。

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激光器

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