背景介绍
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（broad-area, 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（Advanced Sawtooth Waveguide , 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。研究成果发表在2024年High Power Laser Science and Engineering第4期，并被选为Editors' Pick：Jianmei Shi, Chengao Yang, Yihang Chen, Tianfang Wang, Hongguang Yu, Juntian Cao, Zhengqi Geng, Zhiyuan Wang, Haoran Wen, Hao Tan, Yu Zhang, Dongwei Jiang, Donghai Wu, Yingqiang Xu, Haiqiao Ni, Zhichuan Niu, "Precise mode control of mid-infrared high-power laser diodes using on-chip advanced sawtooth waveguide designs," High Power Laser Sci. Eng. 12, 04000e42 (2024)。
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（finite difference time domain, 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。
图1 锑化物半导体ASW激光器示意图
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。
图2 阶数m=0,1,2,3,6,8阶侧模通过ASW结构得到的腔内光场分布
图3 (a)：不同微结构尺寸比ASW结构各阶侧模后剩余能量与初始能量比Ru。(b)-(f) 微结构尺寸比为0.5时，传统BA结构和ASW结构各阶侧模腔面光场分布
本实验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。
图4 ：注入电流为 (a)：1 A、(b)：4.5 A时，ASW激光器与BA激光器侧向远场分布对比；(c) ASW激光器和BA激光器侧向远场发散角随注入电流变化对比
总结与展望
该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。
作者简介
中国科学院半导体研究所牛智川研究员团队长期致力于锑化物半导体器件技术研究，在能带调控、外延材料和器件工艺技术方面不断取得突破，在高功率、单模、高光束质量锑化物激光器方向保持国际领先地位，同时领衔推动我国锑化物半导体技术创新与应用发展。
牛智川（通讯作者），中国科学院半导体研究所，研究员，博士生导师，中国科学院大学材料科学与光电技术学院量子光电子学首席教授。主持完成“国家杰出青年科学基金”项目，国家科技创新2030核心量子器件重大项目、国家自然科学基金重大项目、国家重大科学研究计划、国家重点基础研发计划项目等。率先在我国开拓锑化物半导体技术方向，研制成功1.9-3.5 μm波段锑化物激光器, 功率和效率性能实现突破并超越国际同行；领衔研发成功锑化物超晶格材料的中长波单/双色焦平面组件技术。研究成果在Nature及其子刊、Light Sci. Appl.、Adv. Mater.、Phys. Rev. Lett.、Optica、Nano Lett.、Appl. Phys. Lett.等。曾获2008年北京市科学技术二等奖、2014年中国电子学会自然科学一等奖、2020年湖北省科技进步一等奖等。
杨成奥（共同通信作者），博士，中国科学院半导体研究所，青年研究员，入选北京市科技新星计划（2024），中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划（2024），中国科学院半导体所青年研究员计划（2023）和青年科技人才推进计划（2021），中国科学院特别研究助理项目资助计划（2020），获得第一届全国分子束外延科学奖（2023），世界光子大会发明银奖（2024），主持国家级重点项目课题、重点基金项目、国家自然科学基金、中科院等国家级和省部级科研项目10项，发表SCI论文40余篇，授权美国发明专利6项，授权中国发明专利8项。长期从事大尺寸锑化物超晶格材料分子束外延生长和高性能锑化物半导体激光器研制，波长覆盖1.9-3.5 μm，实现了单模、窄线宽、大功率、高亮度等多种结构的高性能锑化物激光器研制，综合性能达到国际一流水平，部分指标保持国际记录。
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