中红外半导体激光器腔面膜的研究现状

Research Status of Cavity Masks for Mid-Infrared Semiconductor Lasers

摘要: 3~5 µm波段是重要的大气窗口，该波段内的4.6 µm半导体激光器广泛应用于痕量气体检测、自由空间光通信和定向红外对抗等领域。随着4.6 µm半导体激光器应用领域的不断拓展，对器件的性能要求越来越高。腔面镀膜是半导体激光器的一个重要但是相对薄弱的器件工艺。随着半导体激光器输出光功率的提升，以及波长向中远红外推进，具有抗激光损伤和高稳定性的光学薄膜成为制约半导体激光器进一步发展的主要因素之一。薄膜的激光损伤阈值、环境稳定性、宽带隙、应力影响、吸收损耗、散射损耗、机械强度等因素都会影响薄膜在激光器中的性能。本文主要总结了4.6 μm波段附近半导体激光器腔面薄膜的报道。

Abstract: 3~5 μm band is an important atmospheric window. 4.6 μm semiconductor lasers in this band are widely used in the fields of trace gas detection, free space optical communication and directional infrared countermeasure. With the continuous expansion of the application field of 4.6 μm semi-conductor laser, the demand for the performance of the device is higher and higher. Cavity surface coating is an important but relatively weak device process of semiconductor laser. With the further increase of the output optical power of the semiconductor laser and the promotion of the wavelength to the middle and far infrared, the optical thin film with anti-laser damage and high stability has become one of the factors limiting the further development of the semiconductor laser. The laser damage threshold, environmental stability, wide band gap, stress effect, absorption loss, scattering loss, mechanical strength and other factors will affect the performance of the thin film in the laser. This paper mainly summarizes the reports of thin films on the cavity surface of semiconductor lasers near 4.6 μm wave band.

1. 引言

20世纪60年代以来，随着各种激光器的出现，激光器的研究开始飞速发展，包括固体激光器、气体激光器、半导体二级管等。半导体激光二级管体积小、重量轻、寿命长，因此受到研究人员的关注。科学家们先后成功研制近红外、可见、紫外、短波中红外pn结注入双极型半导体激光二极管。这一发展影响了整个光电子学，使得半导体激光二级管成为光电子学发展的重要环节，也为信息产业的发展提供了帮助。然而，由于现实中缺少合适的半导体材料，结型带间跃迁机制这一方法很难在中红外波段、长波段和远红外波段起作用 [1]。20世纪80年代初期，强电场下多量子阱中量子化的电子态之间实现光放大的概念首次被提出 [2]。美国贝尔实验室Capass [3] 和加拿大国家科学院Liu [4] 进一步完善了该理论，1994年发明了第一个量子级联激光器 [5]。在高功率输出时，半导体激光器有源区量子阱中的功率密度可以达到10¹⁰ W/cm³量级 [6]，然而转换效率的问题使得输入的电能存在部分损失，并以热量形式散发，不仅影响性能，有时还会发生灾变性损伤，使激光器失效。腔面薄膜制备技术则是解决激光器中失效问题的有效方法。对于边发射半导体激光器，通常用半导体激光器芯片的解理面作为谐振腔，通过对半导体激光器芯片材料进行解理后形成两个相对平行的解理腔面，在前后腔面上分别镀上高反射膜和增透膜，形成激光谐振腔镜，如图1所示 [6] [7]。

Figure 1. Schematic diagram of coating on the cavity surface of edge-emitting semiconductor lasers [6] [7]

图1. 边发射半导体激光器腔面镀膜示意图 [6] [7]

基于超晶格、量子阱理论和分子束外延(MBE)技术，贝尔实验室在1994年发明的第一个量子级联激光器(QCL)。使用的是InP基GaInAs/AlInAs材料体系，其材料体系的激射波长覆盖了中红外全波段。由于量子级联激光器的激射波长覆盖3~5 µm和8~14 µm两个重要的大气窗口，并可以向远红外波段拓展 [1]，故其在远距离气体检测、自由空间光通信、医疗诊治、红外对抗等方面有着非常大的应用需求，其中4.6 µm半导体激光器在CO气体检测与自由空间光通信等方面扮演着重要角色。中国工程院于2018年启动了“我国激光技术与应用2035发展战略研究”重点咨询项目，分析了我国激光技术在前沿激光、制造加工、信息通信、医疗诊治等领域的科研和应用的发展现状，梳理了多个制约加速发展的问题，对中红外半导体激光器的发展提出了新的目标 [8]。

2. 国内外研究现状

中红外半导体激光器越来越广泛应用于各个领域 [9]，然而其腔面膜的优化设计和制备是使其性能提升的关键技术之一。根据波动光学理论，当光线以0˚入射到InP-Air界面时，界面对光线的反射率不到30%。故对于未镀膜的InP基半导体激光器，有近70%的激光能量未得到有效利用，极大限制了器件的输出光功率的提升。通过在激光器芯片解理面镀膜，一方面可实现芯片单面输出高功率激光，另一方面可有效保护腔面，从而提升器件的可靠性和寿命 [10]。由于基底为InP材料以及中心波长处于中红外波段，一般的半导体激光器腔面增透膜膜系仅满足单波长增透，而对于宽光谱可调谐中红外半导体激光器腔面多波长增透膜需要设计多层膜才能满足要求。

从公开发表的文章和资料来看，关于中红外波段的4.6 µm半导体激光器腔面膜的设计和制备的研究报道较少。而已报道的相关研究主要涉及的是镀制腔面膜后器件的输出功率和稳定性会有所提升，但并未具体叙述腔面膜的制备工艺及光学特性。国外的美国西北大学和国内的中科院半导体所等单位，对中红外半导体激光器进行了大量研究，近十年来器件的性能有很大提升 [11]。下面主要是关于波长4.6 μm附近量子级联半导体激光器腔面膜的相关报道。

2.1. 后腔面高反膜

在激光器芯片解理面镀制高反膜，可实现激光器单面输出高功率激光。随着激光器激射波长变长，对薄膜的设计及制备都提出了新的要求。薄膜的层数及厚度变大，引起的应力和缺陷都会严重影响激光器的稳定性。相比808 nm、980 nm半导体激光器腔面膜，4.6 µm半导体激光器腔面全介质高反膜设计的层数需达到6层，薄膜总厚度接近3 µm。由于多层膜内电场强度分布不均匀，腔面损伤会影响芯片性能，而金属膜可以在总厚度为几百纳米就能达到98%的反射率。但因为金属膜与大多衬底的附着力差，需要加镀缓冲层增强薄膜的附着力。半导体激光器后腔面镀制高反膜，对器件性能有显著提高。

2003年，美国西北大学通过电子束热蒸发在激射波长为6 μm的宽15 µm、长2 mm腔端面蒸镀Y₂O₃/Ti/Au~500 nm/15 nm/80 nm高反膜，实现温度分别在293 K和308 K下输出功率达到132 mW和21 mW [12]，其中Ti薄膜的厚度会影响反射率峰值，但也会增强金薄膜与衬底的附着力，大多只设计为十几纳米厚度。2005年，法国的S. Forget等人实现了9 μm附近室温下连续激射的高性能InP基量子级联激光器，通过镀制Al₂O₃/Au高反射涂层，输出功率达到175 mW [13]，Al₂O₃物理性质稳定，电子束蒸发不易分解，相对于Y₂O₃做缓冲层性能优异。通过后腔面镀制高反膜越来越成为提高激光器性能的一种途径。2008年，韩国的Jae Su Yu等人实现了高性能室温连续输出4.6 µm量子级联激光器，在4 mm长的腔端面镀制高反膜，占空比为65%时，输出功率达到633 mW，室温下连续输出功率能达到469 mW [14]。2010年，美国西北大学的Q. Y. Lu等人在5 mm腔长的激光器后腔面镀制高反膜，实现激射波长为4.75 μm室温连续输出功率达到1.1 w的DFB量子级联激光器 [15]。2020年，美国西北大学量子器件中心报道了一种大功率连续波单模量子级联激光器，波长覆盖范围3.8~8.3 μm，前后腔面分别镀制了580 nm Y₂O₃和400 nm 100 nm Y₂O₃/Au薄膜，最高输出功率可达5 W [16]。

国内涉及中远红外半导体激光器腔面膜的报道，基本是以Al₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃膜系为主的介质——金属高反膜。为了增强金薄膜的附着力在Al₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃膜系的基础上加镀了一层Ti膜。2009年，中科院半导体所刘峰奇在激射波长为4.6 μm的12 µm宽、2 mm长腔端面采用电子束热蒸发镀制了Al₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃ (200/10/80/100 nm)高反膜，室温连续输出功率77 mW，阈值电流密度1.45 KA/cm² [17]。在激射波长相同的情况下，腔面高反膜的光特性与腔长关系不大，主要与衬底材料折射率有关。2012年中科院半导体所张锦川等人采用电子束蒸发在激射波长为4.6 µm InP基不同腔长芯片端面镀制Al₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃ (200/10/100/120 nm)高反膜，测试结果显示，镀制高反膜的2 mm腔长的激光器，室温连续输出功率125 mW，阈值电流密度0.86 kA/cm² [18]。2017年，中科院半导体所赵越等人实现4.7 μm高功率量子级联激光器，在背光面镀制反射率为95%的Al₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃ (200/10/100/120 nm)高反膜，出光面未镀膜，室温下连续输出功率达到130 mW [19]。

以Al₂O₃/Ti/Au/Al₂O₃为基础膜系的腔面高反膜，对不同结构的半导体激光器性能也有有显著提升。2013年，中科院半导体研究所刘峰奇等人通过在后腔面镀制Al₂O₃/Ti/Au/Ti/Al₂O₃ (200/10/100/10/120 nm)高反膜，实现了4.8 μm大功率DFB半导体量子级联激光器，输出功率达到0.63 W。同年，中科院张锦川等人在3 mm腔长面发射激光器背光面镀制Al₂O₃/Ti/Au/Ti/Al₂O₃ (200/10/100/10/120 nm)高反膜，10℃温度下连续输出功率达到105 mW，阈值电流密度为0.85 kA/cm² [20]。2017年，贾志伟等人实现了激射波长4.65~4.89 μm小角度锥形结构掩埋式光栅DFB量子级联激光器，镀制了Al₂O₃/Ti/Au/Ti/Al₂O₃ (200/10/100/10/120 nm) 高反膜，室温连续输出功率超过130 mW [21]。

如图2所示为常用的4.6 µm附近半导体激光器腔面高反膜反射率光谱图，腔面高反膜常用的金属材料大多为Au。由于金薄膜附着力差且质软，需要加镀Al₂O₃或Y₂O₃作为缓冲层和保护层，缓冲层的厚度在一定范围内会影响峰值反射率。通常也会在镀金薄膜前加镀一层十几纳米厚的Ti膜层，以增强金薄膜的附着力。而加镀Ti薄膜后对反射率影响不大，如图3中b曲线是加镀Ti薄膜，相对未加镀Ti薄膜的a曲线，其反射率在长波会略有降低。用Au材料设计的高反膜反射带宽覆盖整个中红外波段，理论反射率高于99%，而且膜层总厚度在500nm左右，避免了薄膜太厚引起的应力及缺陷累积问题。

Figure 2. Reflectance spectrum simulation graph

图2. 高反膜反射率光谱仿真图

2.2. 前腔面增透膜

半导体激光器芯片解理面镀制增透膜作为谐振腔出光面，而增透膜可以提高器件的输出光功率。理论上，半导体激光器腔面增透膜的反射率在2%~10%之间，一般设计为单层或双层增透膜，而对于宽波段增透膜需要设计多层膜才能满足要求。

对于半导体激光器芯片解理面镀制增透膜对器件输出光功率以及光学损伤阈值的研究。2009年，美国的Richard Maulini等人研究了4.6 μm处不同厚度的单层Al₂O₃增透膜对制冷量子级联激光器性能的影响。在后腔面镀制高反膜的条件下，Al₂O₃的厚度从350 nm~500 nm以30 nm的差量增加，增透膜的反射率从16%~7%变化，器件峰值功率从未镀膜3.9 W提升到4.4 W [22]，如图3所示。2017年，美国西北大学量子器件中心报道了一种镀制ZnSe/MgF₂~800 nm/1400 nm减反膜的激射波长6.1~9.2 μm广泛可调中红外量子级联激光器，最高峰值功率可达到65 mW [23]。2018年，美国西北大学报道了一种基于量子级联激光器的单模16通道光学相控阵，使用了该结构的QCL，并镀制反射率低于1%的单层Y₂O₃增透膜，在4.8 μm波长处的单模激光峰值输出功率达到30 W。2012年，美国Arkadiy Lyakh等人在锥形4.7 µm量子级联激光器的前腔面镀制了单层Al₂O₃增透膜，并测得前腔面的光学损伤阈值为10 MW/cm²，激光器输出功率最高达4.5 w [24]。

Figure 3. P-I curves of AR coatings with different thicknesses

图3. 不同厚度的增透膜P-I曲线图

半导体激光器腔面增透膜常用的是单层Al₂O₃、Y₂O₃材料。对于中红外半导体激光器所用的衬底InP材料，其晶格常数：a = 0.589 nm，热膨胀系数4.6 × 10⁻⁶ [25]。结合Y₂O₃与Al₂O₃的相关性质，Al₂O₃与InP衬底的晶格匹配要比Y₂O₃的好，但Y₂O₃的折射率大于Al₂O₃，在波长4.6μm处增透的情况下，Al₂O₃薄膜厚度要大于Y₂O₃薄膜，而Al₂O₃与Y₂O₃具有相似的物理性质，制备出的薄膜性能都很优异 [26] [27] [28]。在2018年，德国柏林洪堡大学Yohei Matsuoka等人报道了一种中红外宽光谱多层增透膜，其膜层结构为YF₃/ZnS/Ge/ZnS (1796 nm/168 nm/89 nm/586 nm)，该增透膜在8~12 μm光谱范围内的反射率低至0.75% [29]。该中红外宽带增透膜可用于中红外波段可调谐量子级联激光器腔面膜，但该膜系的设计以及制备相比单波长增透膜要复杂的多。

3. 总结

半导体激光芯片通过解理形成的两个相对平行的解理面构成激光器谐振腔，而对于InP衬底的腔面反射率只有30%左右，存在严重的损耗，通过腔面镀制合适的光学薄膜可以很好地解决这个问题。半导体激光器腔面膜光传输不同于一般的传输模式，激光是从有源区激射向空气，腔面膜的驻波场强峰值位于最里层与相邻层的交界面上，损伤几率大。而中远红外半导体激光器后腔面高反膜一般为多层膜，其第一层膜也是选择抗激光损伤阈值高且附着力好的Al₂O₃，前腔面增透膜多选择抗激光损伤阈值高的Al₂O₃、Y₂O₃单层膜。对于中红外多波长增透膜，其层数是根据反射率要求以及减反射带宽决定，随着半导体激光器工作波长向远红外以及宽光谱可调谐发展，对前腔面增透膜的要求会越来越高。

基金项目

项目资助信息：海南省重大科技计划(ZDKJ2019005)、海南省研究生创新科研课题(Hys2020-330)，海南省自然科学基金(618QN241，2019RC169，121QN228，519MS051、120MS031)、海南省院士创新平台科研专项项目(YSPTZX202034)、国家自然科学基金(61774024，61864002，61964007，11764012)、中国工程科技发展战略海南研究院咨询研究(19-HN-XZ-07)、海南省重点研发项目(JDYF2020020，JDYF2020036，JDYF2020217)、海南省高等学校科学研究项目(Hnky2020-24)。

NOTES

^*通讯作者。