摘要
为研制近衍射极限的高功率半导体激光器，采用了片上光栅、窄脊型波导、锥形放大器一体集成的主控放大（Master Oscillator Power-Amplifier， MOPA）技术路线，以长度为8 mm、脊型宽度为3 μm的波导为单模种子源，配合长度为7 mm、全角为3.3°的锥形放大器，实现了功率10.3 W、慢轴光束质量
直接电泵浦的高功率半导体激光器无需二次转换，理论效率高，但由于光束质量较差、亮度低，限制了其应用范围，目前主要作为激光泵浦源以及用于对亮度需求不高的工业加工领
本文采用在片上集成的种子源与放大器之间增加一段脊型波导，该结构的引入一方面作为功率预放器，提高注入放大器前种子激光功率，提升放大效率，另一方面作为额外的模式过滤器，可以更好地滤除高阶横模与杂散光，保持近衍射极限的光束质量，并且保持较高的中心能量占比。
器件的外延层采用铟镓砷（InGaAs）单应变量子阱和2.4 μm的厚波导结构，通过改变In组分，可以实现波长在900~1 200 nm之间变化。本文中，In组分为18%，对应的PL波长为1 004 nm，波导层采用15%铝组分的铝镓砷（Al0.15Ga0.85As）材料， 相对量子阱材料提供了较高的带阶高度（ΔE≥8 kBT），便于在MOPA器件中降低少数载流子泄露至波导层，提高内量子效率。量子阱采用非对称放置，P波导和N波导的厚度比约为1：2，目的是降低放大器中的丝状发光效应，同时降低器件串联电阻，提高转换效
（a）
（b）
图1 外延结构的关键参数测试结果.（a）内损耗和内量子效率测试结果，（b）快轴远场发散角测试结果
Fig. 1 Key parameter of the vertical layer structure. （a）internal loss and Internal quantum efficiency, （b）far-field divergence angle of fast axis
片上集成MOPA半导体激光器的芯片结构如
图2 设计的MOPA器件结构
Fig. 2 Designed structure of MOPA device
光栅是通过电子束光刻及等离子体刻蚀形成，光栅槽深度约1.1 μm，前、后光栅的设计反射率分别为92%和30%，DBR的反射图谱如图所示，前、后光栅侧边都设计有微电极加热器（Heater）用于光谱的调谐。在后DBR光栅与后腔面之间，设计有长度0.2 mm，刻蚀深度5 μm的三角形刻蚀深槽，以抑制除DBR外的谐振。Pre预放区脊宽同样为3 μm，侧脊刻蚀深度1.05 μm，长度为4.5 mm。PA放大区的锥形区域锥角为3.3°全角，长度为7 mm，出光口宽度为 400 μm。前、后腔反射率＜0.1%，为克服腔面光学灾变，利用离子清洗工艺，去除了表面氧化层，并利用Al2O3高稳定的特点，镀膜过程无氧氛围，作为腔面钝化层。最终利用Sub/Al2O3/Ta2O5/SiO2全介质膜体系，实现了高抗损伤的低反膜制备。
图 3 光栅设计与制备结果：（a）光栅反射率设计值，（b）制作的光栅俯视图，（c）光栅侧视图
Fig. 3 Results of grating design and fabrication：（a） grating reflectivity design value, （b) grating top view, （c) grating side view
在水温为18 ℃时，连续出光条件下，测试器件的功率、电流和电压特性。采用三个独立直流电源分别对器件的种子源、预防区和放大区进行了注电，并利用万用表测试了放大区在不同电流下的电压，记录了不同注入条件下的激光功率，并计算了电光效率，结果如
图4 器件的P-I-V-E测试结果（a）PRE电流为0.3 A时器件测试结果，（b）变化PRE电流器件的输出功率
Fig. 4 The P-I-V-E test results of the MOPA device （a）test results under the PRE current equals 0.3 A, （b） relation between PRE current and output power
从
利用快慢轴镜对器件的快慢轴进行了准直，在水温为18 ℃的条件下，根据国标ISO 11146-3，利用M2测试仪测试了器件的光束质量。测试结果表明，在1/
图5 光束空间特性测试结果（a）最小慢轴束腰，（b）腔面位置的慢轴光强分布
Fig. 5 Results of beam space characteristics （a）minimum beam waist of slow axis , （b）distribution of laser intensity of slow axis at facet position
将准直好的激光缩束后引入积分球，将匀化后的激光导入单模光纤，利用YOKOGAWA公司的AQ6373光谱仪对器件的中心波长及光谱宽度进行了测试，并对加热电极施加不同电流测试光谱调谐特性。
从
图6 光谱特性与调谐特性测试结果 （a）光谱仪测试结果，（b）heater 注入电流与光谱的对应关系
Fig. 6 Test results of spectral characteristics （a） spectrometer measured results，（b）heater relationship between injection current and spectrum
片上集成的MOPA型半导体激光芯片可以实现高功率的近衍射极限输出，采用较长的直波导作为预放区，一方面保持了种子激光良好的光束特性，另一方面实现了功率的放大，从而在放大过程中保持良好的光束质量。制作了整体长度为15 mm的MOPA半导体激光器，采用多电极正装辅助散热实现了高亮度输出，当PA区注入电流为13 A时，输出功率10.3 W，光束质量近衍射极限。采用DBR光栅配合电致加热调谐的方案，可以实现中心在4 nm范围内变化，并保持小于100 pm的光谱宽度，可以应用于宽波段高亮度半导体光源的研制。
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