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2024

新型片上集成波导锑化物半导体中红外激光器

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中红外高功率半导体激光器在气体检测、制造加工、空间通信等领域具有广泛应用前景。传统宽区（BA）结构锑化物半导体激光器虽然制造工艺较为成熟、输出功率高，但受热效应、侧向载流子积累效应的制约影响，以及高注入电流下提示激光功率带来侧向发散角增大，面临光束质量下降的瓶颈问题，严重限制其可应用场景。解决高功率下激光光束发散角过大问题成为研究热点。

片上集成新型锯齿波导结构锑化物半导体激光器

中国科学院半导体研究所光电子材料与器件全国重点实验室牛智川研究员团队提出了一种新型锯齿波导（ASW）结构，通过有效增加高阶模式与基模的损耗差，在高输出功率下，光束侧向发散角比传统BA结构激光器的19.61°减小至11.39°，发散角对电流依赖性显著改善，显示了稳定且有效的光束模式控制效应。研究成果以“Precise Mode Control of mid-infrared high-power laser diodes using on-chip advanced sawtooth waveguide designs”发表在High Power Laser Science and Engineering期刊，并被选为Editors' Pick。

锑化物半导体ASW激光器结构如图1所示。该结构设计依据宽区波导近场分布特性，采用二维时域有限差分（FDTD）仿真，沿腔长方向设置一系列锯齿结构准确提升了对高阶模式的损耗，同时还改善了波导两侧的载流子累积。

锑化物半导体ASW激光器腔内光场分布如图2所示。两侧锯齿结构几乎不影响基模，对高阶模式散射明显增加。激光器各阶模式在腔面的光场分布如图3所示：其微结构尺寸比(L-d)/L为0.5，基模剩余能量约为高阶模式的1.4倍，可以看到基模的大部分能量被保留，而高阶模的强度分布在波导两侧显著降低，同时器件载流子轮廓和模式轮廓更加匹配。

该研究对比了具有相同输出孔径的ASW与BA两种激光器，在相当输出功率1.1 W下，ASW具有更高的光电效率。两种器件的侧向远场分布以及侧向远场发散角随注入电流的变化关系如图4所示：显然传统BA激光器是典型的多瓣远场，而ASW激光器远场分布更集中。在整个动态电流范围内，ASW器件除了具有更小的侧向发散，其侧向发散对电流的依赖性由2.19°/A降低至1.35°/A，揭示出更稳定的模式调控。

总结与展望

这项研究成果以创新的设计成功研制一种片上集成新型波导结构中红外半导体激光器，基于选择性调控模式损耗机理有效降低了激光侧向发散角，在基本不增加工艺制备复杂性和成本前提下，实现了更高功率、窄发散角稳定功率输出。该结构和制备技术可兼容其他半导体材料不同波段激光器，是现实高集成化、高亮度激光技术应用的理想技术路线之一。

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