基于表面光栅的795纳米分布反馈激光器的研究

795nm single mode semiconductor lasers as the pumping sources for Rubidium, have very important applications in chip-scale atomic clock, atomic gyroscope, and atomic magnetometer, etc. Traditional methods to realize this type of lasers include vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSEL) and edge-emitting distributed feedback lasers (DFB). This application proposes a new type of DFB lasers based on surface gratings. The surface gratings can have high coupling coefficients (coupling coefficient expected to reach 800 1/cm), so that the laser can use a short cavity length (gain section length) approximately 50 mirometer long. This project will focus on the design and fabrication of the proposed laser and is expected to domonstrate the following laser characteristics: threshold-current <0.5mA, output slope-efficiency >0.5mW/mA, side-mode suppression-ratio >40dB, linewidth <10MHz, and relative-intensity-noise<-140dB/Hz. The proposed laser has the merits of traditional DFB lasers such as stable TE polarization for the output, high side-mode suppression-ratio, narrow linewidth, accurate wavelength control. It also has the merits of VCSELs such as low threshold and low power consumption, fabrication without the need for regrowth. Therefore, it is expected to have important applications in chip-scale atomic clocks and other chip-scale atomic sensors.

795纳米单模半导体激光器作为铷原子的泵浦源，在芯片级的原子钟、原子陀螺仪、原子磁强计等方面具有非常重要的应用。传统实现这种激光器的方案包括垂直腔面发射激光器和边发射分布反馈激光器。本项目提出了一种新的基于表面光栅的分布反馈激光器方案，该方案能提供高耦合系数的表面光栅（耦合系数预计达到800 1/cm），因此能使用约50微米短腔长（增益区的长度）。本项目将开展激光器的理论设计，研究器件制备工艺，并在实验上展示出激光器，预期性能达到：阈值小于0.5毫安，斜率效率高于0.5毫瓦/毫安，边模抑制比高于40dB，线宽小于10MHz，相对强度噪声低于-140dB/Hz。该激光器方案具备传统分布反馈激光器的优点如稳定TE偏振、高边模抑制比、窄线宽、精准波长控制，同时具备垂直腔面发射激光器的优点如低阈值低功耗、制作过程不需要二次外延，因而将在芯片级的原子钟或其它芯片级的原子传感器方面具有重要应用。

GaAs基材料半导体激光器作为泵浦源，在芯片级光学原子钟、原子陀螺仪、原子磁强计等方面有着广泛的应用，而芯片级原子泵浦技术的发展对泵浦源激光器提出了低阈值、低功耗、稳定单模、单偏振和窄线宽的性能要求，本项目针对这一需求，提出了一种新型基于表面光栅的分布反馈DFB激光器方案，该激光器方案是一种原创方案，已经获批2项美国专利授权和2项中国专利授权。.本项目围绕新型表面光栅激光器开展了理论设计、数值仿真、工艺制作以及性能测试与优化工作，验证了该激光器方案的可行性，并取得了良好的成果。相关研究内容包括：(1)建立基于四步分离方法的时域行波模型，利用该模型对表面光栅激光器的性能进行仿真分析，通过分析光栅耦合系数、1/4相移区的位置以及反射区长度对激光器性能比如阈值电流、斜率效率、边模抑制比的影响，优化了材料结构、光栅结构并完成了激光器结构设计；(2)进行了激光器的制备工艺开发研究，摸索了包括光栅的制作、脊波导的刻蚀、侧边电极制作以及AlAs层的氧化等工艺条件，建立了完整的表面光栅DFB激光器的工艺流程；(3)进行了表面光栅DFB激光器的实验制备，并对所制备的DFB激光器进行性能测试，激光器展示了稳定的单模特性，验证了激光器的可行性； (4)将测试的激光器性能与理论设计进行比对，在此基础上优化了器件设计，并改进器件制备工艺，研制出了大光栅耦合系数（300cm-1）的表面光栅DFB激光器，器件测试获得低阈值电流激射,边模抑制比达50dB，并在10至50°C的宽温度工作范围内保持了稳定单模工作，边模抑制比超过42dB，从而展现了该激光器的低功率、单模单偏振、窄线宽的优势，另外该激光器不需要材料再生长，因此具有低成本和高可靠性的优点。该激光器的研制以及性能进一步优化，将大力推动芯片级原子泵浦光源技术的发展。