激光器工作原理图(近红外波长高功率半导体激光器的技术突破)

Posted 2023-06-01

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激光器工作原理图(近红外波长高功率半导体激光器的技术突破)

文 / 谭少阳、俞浩、周军，苏州长光华芯光电技术股份有限公司

引言

高功率半导体激光器在智能制造、激光通信、激光传感、医疗美容等方面有着广泛的应用，诞生至今，在理论、实践和应用方面取得了巨大进展，占据了整体激光器市场的大部分份额，而其中近红外波段的高功率半导体激光器更是独占鳌头。本文针对近红外波段GaAs基半导体激光器，介绍单管芯片工艺及技术进展，并结合应用介绍基于单管芯片的抽运源模块和高亮度直接半导体激光器产品。

近红外高功率半导体激光芯片

高功率半导体激光芯片是以光纤、固态及直接半导体激光为代表的当代高能激光器中最核心的光源。激光芯片的功率、亮度、可靠性作为核心指标，直接影响了激光器系统的性能与成本。

半导体激光器芯片的主要结构包括提供激光增益介质的外延发光层、向外延发光层注入载流子的电极和形成谐振腔的解理腔面。芯片的研制过程包括外延结构设计及材料生长、芯片结构设计及制备工艺、腔面解理钝化处理及光学镀膜、芯片封装测试、芯片寿命可靠性及性能分析等步骤，其中直接影响核心指标的三个关键技术为外延结构设计及材料生长、芯片结构设计及制备工艺、腔面解理及钝化处理。

（1）外延结构设计及材料生长

外延结构设计及材料生长涉及激光器的增益和抽运，直接影响芯片电光效率，其主要因素为异质结和体材料电压亏损、载流子泄露损耗和光吸收损耗。

根据半导体材料的能带分析，异质结电压主要来自限制层与衬底和波导层的界面，通过界面渐变和高掺杂优化有效降低了芯片的异质结电压。体材料电阻可以通过调整材料组分提高载流子迁移率和提高掺杂浓度实现。降低载流子泄露损耗需要足够的载流子限制势垒，尤其是p面电子势垒。因此体材料电阻降低和载流子限制作用提高需要综合考虑以优化材料组分。

光吸收损耗通常可以采用非对称超大光腔波导结构设计实现，在总波导层厚度不变的情况下，减少p面波导层厚度，增加n面波导层厚度，使光场的主要部分分布在低吸收低电阻的n面，减小光场与高吸收的p面的交叠，降低体材料电压，减小光吸收损耗。同时结合渐变的掺杂分布设计，实现体材料电压亏损和光吸收损耗的同时优化。

900 nm波段的激光芯片通常采用InGaAs量子阱作为增益材料，采用具有高应变量的AlInGaAs量子阱来提高增益，但AlInGaAs量子阱作为四元材料对材料生长控制要求更严苛。需优化气氛比、生长温度速率，以提高量子阱体缺陷成核能，从而降低量子阱的缺陷密度，生长出高质量的高应变量子阱。

（2）芯片结构设计及制备工艺

在高功率模式下工作时，芯片的侧向高阶模强度增加，导致发散角陡增、亮度降低。文献报道中普遍采用波导边缘的吸收和散射来降低高阶模强度，但也会对低阶模造成额外的吸收损耗，降低总光功率。另外，在高功率工作时，芯片的光场强度在纵向分布不均匀，而常规结构芯片的电流注入产生的载流子浓度在纵向分布是均匀的，因此光场强度和载流子浓度分布不能匹配，这将产生纵向空间烧孔效应，导致功率饱和。调整载流子注入分布的器件结构是解决此问题的一种途径。

（3）腔面解理及钝化处理

高功率半导体激光芯片最主要的失效模式是腔面光学灾变损伤（COMD）。COMD 来源于芯片高功率工作时解理腔面及附近区域的光吸收。表面光吸收是由解理表面悬挂键、表面氧化和表面污染所产生，而常规腔面解理在大气或低真空环境下进行，无法避免此问题。靠近解理表面区域的光吸收来自于带间吸收，芯片高功率工作时该区域温度增加，导致材料带隙降低，带间吸收增强，降低此类吸收的最有效途径是形成宽带隙（低吸收）的窗口结构。

通过对外延结构设计及材料生长，芯片结构设计及制备工艺，腔面解理及钝化处理的开发，苏州长光华芯光电技术股份有限公司（以下简称“长光华芯”）推出了28 W半导体激光芯片。芯片的功率提升主要来自芯片外延结构的优化设计和腔面特殊处理技术的提高。

半导体激光器的输出功率主要受到激光器阈值、斜率和高电流功率打弯等因素的影响。通常通过降低pn结的掺杂浓度来实现阈值的降低和斜率的提高，而过低的掺杂浓度会导致pn结电阻增加，芯片电压升高。

为解决阈值斜率与电压的优化平衡问题，长光华芯优化了非对称大光腔结构波导层厚度，精细设计了掺杂浓度在pn结不同区域的分布，达到了降低阈值，提高斜效率的同时电压基本保持不变的效果。高电流打弯主要源于高电流注入时内量子效率降低。

长光华芯优化了激光结构的增益区附近材料的能带结构，提高了pn结注入电子的限制能力，有效增强了高电流注入时的量子效率。在优化激光芯片功率的同时，长光华芯持续提高了腔面特殊处理过程的材料质量降低缺陷比例，提高腔面的抗光学灾变损伤的能力，保证28 W高功率激光芯片满足工业市场对激光器寿命的要求。

近红外高功率半导体光源模块

光纤激光器作为一种实用化工具，以其独特的优势，近年来发展迅猛，在工业制造加工、科研领域担当重要角色。抽运源作为光纤激光器的核心上游器件，它的发展也伴随甚至推动了光纤激光器整体技术的发展和进步。

（1）工业光纤激光抽运源

近年来，工业光纤激光器市场发展迅猛，势头强劲，光纤激光器以其独特的技术和应用优势，在工业激光加工市场独占鳌头（如图1a）。与此同时，国内光纤激光器厂家积极参与市场竞争，不断积累技术并推陈出新。目前中低功率光纤激光器基本实现国产化替代，高功率市场方面，以锐科激光、创鑫激光为代表的国内厂家纷纷推出万瓦级光纤激光器，逐鹿高端加工市场。

就国内工业光纤激光市场而言，中低功率的光纤激光器技术已成熟稳定，全面进入成本竞争阶段（如图1b），但高功率光纤激光器仍面临着非线性效应抑制等难题，依然依赖进口。

图 1 中国工业激光设备市场规模（a）和中国工业光纤激光器价格变化趋势（b）

（信息来源：Industrial Laser Solutions）

976 nm抽运方案近年来成为解决光纤激光器成本问题和缓解非线性效应技术问题的有效方案。抽运源作为光纤激光器的核心光源器件，其参数指标和技术发展对光纤激光器影响深远。如图2所示，掺Yb3+增益光纤存在915 nm/976 nm两个吸收峰，915 nm波段吸收峰宽但吸收截面小，976 nm波段吸收截面高但吸收峰窄。

图2 掺镱光纤吸收截面和发射截面

976 nm抽运源相比于915 nm抽运源具有如下优势：

1）更高的量子转换效率：976 nm抽运方案相比915 nm抽运方案，理论上量子转换效率高出37%左右，增益光纤产生的废热降低，是一种具有技术优势的抽运方案；

2）更低的非线性效应：得益于976 nm波段较高的吸收截面，相同吸收效率的前提下，增益光纤可以更短，节省成本的同时也缓解了长增益光纤带来的非线性效应问题，是一种具有技术优势的抽运方案；

3）更低的成本：在同等抽运注入功率的前提下，976 nm的光光转换效率比915 m抽运方案高出约4%-8%，相当于降低了单瓦的抽运激光成本，是一种成本领先的抽运方案。

所以，976 nm抽运源一直是掺Yb3+光纤激光器的首选。但976 nm抽运源的波长控制及主动冷却控温等技术尚未成熟。在工作环境温度变化时，976 nm抽运源中心波长的漂移易造成增益光纤吸收及转换大幅变化，导致光纤激光器整机性能指标波动。故工业市场前期一直采用的是915 nm抽运方案，来降低温度对吸收的影响。976 nm的抽运方案多在科研市场使用，并采用VBG锁定的技术方案来解决温度漂移的影响，但其成本较高，尚未被工业市场广泛接受。

近两年，随着976 nm抽运源波长控制技术及主动冷却技术的成熟，研究人员基本解决了976 nm抽运方案的温度敏感性问题，976 nm抽运方案逐渐被工业市场接受并成为其主流抽运方案。

除采用976 nm抽运，提升单管芯片和模块的输出功率也是目前工业市场降低成本的重要方案。为满足工业市场降本的需求，近年来单管芯片输出功率也明显提升，如图3所示。单管芯片的功率提升，使得抽运源模块可以在材料成本不明显增加的情况下，大幅提升输出功率，从而降低单瓦的材料成本。

图3 近年来单管芯片输出功率

单管芯片功率提升的同时，封装的抽运源模块功率也在提升，2016年工业市场主流的抽运源模块功率在100 W左右，目前主流的单模块功率普遍在300 W-500 W左右，抽运源模块功率的提升也极大简化了光纤激光器的集成难度，节约了制造成本。

（2）科研用光纤激光抽运源

科研用途的光纤激光器一般对亮度的要求较高或在一些特殊的应用场景中使用，这些要求延伸到抽运源上一般要求抽运源具有亮度高、体积小、轻质化、波长锁定等特点。

小体积要求抽运源进行紧凑化封装设计，轻质化要求抽运源进行必要的减重处理以及在保证热传导效率的基础上，使用新型的低密度金属材料加工管壳。

如上文所述，976 nm抽运方案具有量子转换效率高，非线性效应低的显著优势，所以科研光纤激光抽运源一般用976 nm抽运，并且使用光栅元件将中心波长锁定在976 nm附近。波长锁定后抽运源输出光谱宽度可以压窄到1 nm以下，中心波长在一定温度范围内的漂移系数可以达到0.02 nm/℃，以此保证增益光纤的最佳的吸收效果。所以，在实际使用中波长锁定效果是非常重要的参数。

从抽运源的使用角度来看，波长锁定效果受到两个因素的影响：一是冷却温度，二是工作电流。这两个因素的实质是改变了单管芯片的结温从而使芯片的光谱中心产生了漂移，当光谱中心偏离976 nm较多时，波长锁定效果将变差，甚至完全不能锁定。

目前科研用976 nm波长锁定抽运源，一般可以做到工作电流变化＜ 5 A，冷却温度在5℃ -10℃变化范围内波长锁定，超过这个范围锁定效果将劣化。

波长锁定原理及其关键技术可阐述如下：976 nm高功率波长锁定半导体激光器一般采用外腔VBG锁定的方式，其本质是在光路中增加VBG反馈光路，破坏芯片原来的振荡模式并形成新的外腔振荡，如图4所示。

图4 波长锁定半导体激光器的原理图

如图5(a) 所示，976 nm芯片具有较宽的增益谱线，其发射谱线光谱宽度一般为3.5 nm（FWHM），中心波长受调制电流和冷却温度的影响存在漂移，漂移系数一般为0.32 nm/℃，所以非锁定的976 nm抽运源在使用上光谱易偏移出掺Yb3+的吸收谱线，引起吸收及转换效率下降等问题。

VBG 作为外腔镜，是具有一定波长选择性的光栅元件，其典型的反射光谱曲线如图5(b)所示。靠近976 nm附近的光谱部分被反馈回芯片内部形成新的反馈振荡，远离976 nm的光谱从VBG透过从而无法形成反馈振荡。VBG的反射谱中心和芯片增益谱中心重合时，能够获得较为理想的波长锁定效果。

图5 (a)976 nm芯片增益光谱与发射光谱和(b)VBG反射谱线

波长锁定的关键在于建立起稳定可靠的振荡。一方面需要选择合适反射率参数的 VBG，反射率高、反馈强、波长锁定稳定，但易在芯片AR 面形成瞬时的高密度损伤点，使芯片失效，同时VBG反射率高会降低抽运源的输出功率（如图6所示）。VBG反射率低、反馈弱、波长锁定不稳定，但不易损伤芯片，较为稳定可靠，所以在实际使用中需要权衡考量，选择合适反射率的VBG。另一方面，在VBG外腔锁定下，芯片AR面成为系统内干扰和损耗，需尽可能降低AR面的反射率，获得好的波长锁定效果。

图6 VBG反射率与输出功率的关系

以封装20个芯片的光纤耦合LD为例，采用紧凑化设计，选用低腔反芯片（0.1%镀膜，增益谱中心975 nm）和反射率为8%的单片VBG( 反射谱中心976 nm) 进行光学调试锁定。模块在18 A电流下135 μm尾纤输出功率270 W，重量180 g，功重比 1.5 W/g。如图7所示，LD可以在2-18 A全工作电流内均实现较好的光谱锁定，在 5℃ -40℃的宽温度冷却条件下，光谱锁定良好（Pib ＞ 99%，Pib表示锁定光谱峰内能量的占比），中心波长变化＜ 0.2 nm。

图7 （a）不同电流下波长锁定光谱，（b）不同冷却温度下的光谱锁定效果

高亮度千瓦级光纤耦合直接半导体激光器

高亮度千瓦级光纤耦合直接半导体激光器具有亮度高、波长范围广、电光转换效率高和使用方便的特点，在工业和科研领域具有广泛的潜在应用，例如用于金属材料加工、掺镱光纤激光器抽运、拉曼非线性光纤激光器抽运以及能量传输。亮度的定义为 B=P·A-1·Ω-1，其中P为激光器输出功率，A为激光器输出光束束腰面积，Ω为激光器输出光束发散角立体角。通常来说，亮度越高，聚焦光斑尺寸越小，工作距离越长。

单个激光二极管发光单元（或称为激光二极管单管）连续输出功率小于40 W，需要使用不同的合束方式将几十个至上百个单管芯片合成为一束光束输出才能实现千瓦级输出。常规直接半导体激光器基于激光二极管单管或巴条（由多个单管组成），采用空间合束、偏振合束、粗光谱合束或光纤合束的方式，以提升输出功率。基于此类合束技术的直接半导体激光器输出功率高、成本低，受到了工业界的青睐，可用于金属材料的焊接和熔覆。

采用基于单管芯片的密集光谱合束技术，长光华芯成功研制多款高亮度光纤耦合直接半导体激光器，大幅提高了直接半导体激光器的输出亮度（＞ 200 MW · cm-2 · Sr-1）和电光转换效率（＞45%）。

例如，2019年长光华芯推出了1 kW、220 μm/NA0.22 半导体激光器（输出亮度为 21MW · cm-2 · Sr-1），已广泛应用于薄板焊接；同年推出了4 kW、600 μm/NA0.22（输出亮度为11 MW · cm-2 · Sr-1）直接半导体激光器，已广泛应用于表面熔覆。但是此类激光器由于输出光纤芯径大，亮度低，无法用于金属材料的切割以及对亮度要求高的科研应用。图8为多个单管芯片空间合束光纤耦合仿真结果，100 μm/NA0.22光纤最大容纳单管芯片数目为12，因此输出功率仅为单个单管芯片的12倍。

图8 仅使用空间合束时通过 100 μm/NA0.22 光纤进行光纤耦合的仿真结果。左图中黑色圆圈表示0.22 NA，右图黑色圆圈表示 100 μm纤芯、灰色圆圈表示120 μm包层。当多个单管同时满足光纤发散角和光纤芯径限制时，发光单元最大数目为12。

针对科研领域对高亮度、特殊波长和高电光转换效率的迫切需求，长光华芯成功开发基于单管芯片的密集光谱合束技术。将此项技术与前文提及的超低腔面反射率单管芯片相结合，实现14 A工作电流条件下激光二极管单管芯片超过20 nm范围波长锁定，如图9所示。使用了超低腔面反射率芯片的模块在959 nm-979 nm范围内实现波长完全锁定，无旁峰出现。

图9 14 A工作电流下采用超低腔面反射率芯片的模块光谱合束结果。模块未锁定时中心波长969 nm，可实现中心波长从959 nm至979 nm完全锁定。

采用此项技术，输出光束质量也得到了大幅提升，突破了常规直接半导体激光器输出亮度限制，可实现上百个激光二极管单管在近场和远场上叠加，输出光束质量等效于单个单管，但是输出功率提升了上百倍，亮度相较于常规直接半导体激光器提升了一个数量级。

图10为36个单管芯片光谱合束后的近场和远场测量结果。从远场光斑图可以看出，在竖直方向上仍然可以继续进行空间合束，最终实现上百个单管芯片100 μm/NA0.22光纤输出。

图10 14 A 工作电流下36个单管芯片光谱合束结果，聚焦透镜有效焦距为42 mm。左图为合束光束近场成像，右图为合束光束远场衰减光斑成像。

长光华芯研制的高亮度光纤耦合直接半导体激光器应用领域可分为两部分：工业领域——用于材料加工的1500 W/100 μm直接半导体激光器，和科研领域——用于掺镱光纤激光器抽运的窄光谱600 W/100 μm光纤耦合模块、用于拉曼非线性光纤激光器抽运的2000 W/100 μm光纤耦合模块和用于能量传输的10xx nm波段2000 W/100 μm直接半导体激光器。

其中，用于材料加工领域的1500 W/100 μm直接半导体激光器光谱宽度为39 nm，14 A电流输出1900 W，亮度高达240 MW · cm-2 · Sr-1，如图11和图12所示。

图11 1.5 kW高亮度直接半导体激光器光谱，光谱范围从953 nm至993 nm

图12 1.5 kW高亮度直接半导体激光器输出特性曲线。11 A电流下激光器输出超过1500 W，电光转换效率超过 50%。

在焊接测试时使用商用光纤激光器焊接头，由于镜片面型和镀膜未优化，导致聚焦光斑尺寸远大于理论值和超过15%的额外功率损失。在这种情况下，速度为40 mm/s时304不锈钢焊接深度仍然达到2.08 mm，焊接结果和焊接过程如图13所示。

图13 1.5 kW高亮度直接半导体激光器焊接照片。a图为40 mm/s焊接速度时304不锈钢焊接结果，b图为焊接过程。

近红外高功率半导体激光器既可以作为固体和光纤激光器的抽运源和核心器件，也可通过不同的合束技术直接应用于工业及科研领域，占据了激光行业很大市场。单管芯片是高功率半导体激光抽运源的单元器件，其综合特性决定了最终抽运源模块的输出光功率、转换效率以及体积等，因此也成了各国研发和攻关的重点。

随着国内理论研究的深入、材料生长技术的进步、封装工艺的发展，国内企业在高功率半导体激光器的输出功率、寿命、可靠性和应用实践等方面都有了很大提高，大大缩短了与国外差距。未来不仅要突破关键技术，还要实现产业化，实现高端激光抽运源芯片和器件的全面国产化和产业化。